Разделение бикомпонентной смеси в ректификационной установке непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Ворошин, Андрей Валерьевич

• Ворошин, Андрей Валерьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ворошин, Андрей Валерьевич

Содержание стр.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Обзор существующих массообменных устройств ректификационных колонн

1.2 Расчет процесса ректификации бинарных систем

1.3 Математическое описание процесса ректификации

1.4 Моделирование ректификационных установок

1.5 Математические модели процесса ректификации бинарных систем 34 Выводы по литературному обзору 45 ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Описание схемы экспериментальной установки

2.2 Описание конструкции экспериментальной установки

2.3 Описание пакетной вихревой насадки

2.4 Методика проведения исследований 59 ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ 62 ГЛАВА IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Гидродинамика процесса ректификации

4.2 Тепло - и массообмен в ректификационной колонне с пакетной вихревой насадкой 82 ГЛАВА V. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ 94 ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 103 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Ъ - ширина ячейки пакетной вихревой ячейки, м;

Са — удельная теплоемкость дистиллята, Дж/(кг-К);

С№— удельная теплоемкость кубового остатка, Дж/(кг-К);

Судельная теплоемкость исходной смеси, Дж/(кг-К);

С/"н - динамический коэффициент трения;

С/- коэффициент трения пара о пленку жидкости;

и — количество дистиллята, кг/ч;

Е>тж~ коэффициент продольного перемешивания, м2/с;

Е\у—эффективность куба;

.Р - количество исходной смеси, кг/ч;

/- номер тарелки питания;

(7лг— количество пара на выходе из колонны, кг/ч; О^ — количество пара на ¡-ой тарелке, кг/ч; (7 - расход пара, кг/ч;

- энтальпия флегмы, Дж/кг; hf — энтальпия питания, Дж/кг;

- энтальпия пара на выходе из колонны, Дж/кг; Нуу - энтальпия пара кубового остатка, Дж/кг; Нк - высота колонны, м; Н— энтальпия пара, Дж/кг; к — энтальпия жидкости, Дж/кг; Ннас- высота ячейки пакетной вихревой насадки, м; Нед- высота единицы переноса, м; / — количество тарелок, пгг;

j - массовый поток сконденсировавшегося пара, кг/м2-с; Ьы+] — количество флегмы, кг/ч;

Ь( - количество жидкости на ьой тарелке, кг/ч; 1Ж - длина пути, проходимая жидкостью, м; 1т—длина пути жидкости на тарелке, м;

/, - высота сепарационного пространства над 1-ой тарелкой, м;

1], 12 — интервалы в ячейке полного перемешивания, м;

Ь - расход жидкой фазы, кг/ч;

Ьр - расход жидкой фазы исходной смеси, кг/ч;

Ьо — расход жидкости дистиллята, кг/ч;

Ьцг - расход жидкости кубового остатка, кг/ч;

I, - корректированный расход жидкой фазы, кг/ч;

М] — молярная масса легколетучего компонента, кг/кмоль;

М2 — молярная масса инертной фазы, кг/кмоль;

Иоу - общее число единиц переноса;

Ит — число тарелок, пгг;

п - число тарелок, шт;

Ре - диффузионный критерий Пекле;

(Х - количество тепла, подводимое к кубу колонны, кВт;

С)к — расход теплоты, получаемой в кубе — испарителя, кВт;

<2Драсход теплоты, отдаваемый в дефлегматоре при конденсации паров

воды и спирта, кВт; ¿7 - доля высоты колонны;

<ух — тепловой поток от пара к жидкости, Дж/м2 с; Л - флегмовое число;

гп- удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;

г№— удельная теплота конденсации кубового остатка, Дж/кг;

Яеж - критерий Рейнольдса жидкости;

Кеп - критерий Рейнольдса пара;

Я - площадь поперечного сечения слоя жидкости, м2;

температура дистиллята, °С; температура кубового остатка, °С; температура исходной смеси, °С; Т— температура, °С; Уяч— объем ячейки, м3; V- расход паровой фазы, кг/ч; К/г - расход паровой фазы исходной смеси, кг/ч;

- количество пара выходящего из куба—испарителя, кг/ч;

V] - корректированный расход паровой фазы, кг/ч; ¥„ - расход пара на выходе из колонны, м3/с; у„ - скорость пара, м/с;

— скорость жидкости, м/с;

Ж — количество кубового остатка, кг/ч;

Л

1¥ж - коэффициент молекулярной диффузии, м /с; х - концентрация легколетучего компонента в жидкости, кмоль/кмоль; х*1_1 - состав жидкости, равновесной с паром, поступающий на тарелку, кмоль/кмоль;

хр - концентрация легколетучего компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль; х0 - концентрация легколетучего компонента дистиллята, кмоль/кмоль; хцг - концентрация легколетучего компонента кубового остатка, кмоль/кмоль; хр - массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, кг-к/кг-смеси;

хп - массовая доля легколетучего компонента в дистилляте, кг-к/кг-смеси; х№ - массовая доля легколетучего компонента в кубовом остатке, кг-к/кг-смеси;

хр - молярная доля легколетучего компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль;

у — концентрация легколетучего компонента в паре, кмоль/кмоль;

5

у* — равновесная концентрация состава пара, кмоль/кмоль;

уР*~ концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в

равновесии с жидкостью, кмоль/кмоль;

Ууу — концентрация легколетучего компонента в кубе -испарителя, кмоль/кмоль;

Ур -концентрация легколетучего компонента в паровой части расхода питания, кмоль/кмоль;

уп — концентрация легколетучего компонента в паровой фазе на выходе из колонны, кмоль/кмоль;

у о* — равновесная концентрация легколетучего компонента в паровой фазе дефлегматора, кмоль/кмоль; Z- координата, м;

а — коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов в условиях разделения;

е — заданная точность выполнения общего покомпонентного баланса; Цту~ коэффициент полезного действия тарелки; г/оу — величина локальной эффективности; г] ¡у - эффективность кипятильника;

— эффективность контактного устройства (тарелки); ///- эффективность контактного устройства питания; г}о - эффективность дефлегматора; X — фактор диффузионного потенциала; цж — коэффициент динамической вязкости жидкости, Па-с; //„ — коэффициент динамической вязкости пара, Па-с; рж — плотность жидкости, кг/мЗ; рп — плотность пара, кг/мЗ; Тир— время пребывания, ч;

3

П - плотность орошения жидкостью, м /м с;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разделение бикомпонентной смеси в ректификационной установке непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой»

ВВЕДЕНИЕ

Процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ различной чистоты играют ключевую роль в современной промышленности. При этом наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более чистых веществ. Среди процессов разделения жидких смесей доминирующую роль играет ректификация, и ее количественная доля в этих процессах составляет около 90 %.

Известно [1,2,6,7,33], что ректификация является одним из самых энергоемких процессов в химической и нефтехимической промышленности, в связи с необходимостью нагрева, испарения и конденсации огромных количеств (объемов) жидкостей. Стремление к получению чистых и особо чистых легкокипящих компонентов приводит к высоким значениям флегмового числа, что резко повышает энергозатраты (и снижает производительность) процесса разделения, в связи с полным испарением флегмовых потоков жидкостей в ректификационной колонне.

Современная промышленная ректификация сложилась более 100 лет тому назад и за последнее время не претерпела принципиальных изменений. Усилия тысяч инженеров и ученых были направлены на совершенствование промышленных процессов дистилляции, но сами основы существующего ректификационного процесса до сих пор остались без изменений [75].

Сравнительно низкий кпд тарелок ректификационных колонн, малые оптимальные скорости пара на каждой тарелке приводят к увеличению габаритных размеров колонн и, следовательно, к увеличению капитальных затрат при их изготовлении. Многие тарельчатые промышленные ректификационные колонны имеют высоту более 40м. Большие затраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт колонн в значительной степени ухудшают экономические показатели производств и повышают себестоимость продукции [16,17,23].

В настоящее время большинство работающих промышленных ректификационных колонн оснащены массообменными устройствами в виде тарелок. Однако в последние годы появился целый ряд работ по использованию в качестве массообменных устройств различных насадок. Насадочные колонны более компактны, имеют меньшие диаметры и высоты. В то же время необходимо отметить, что все применяемые насадочные устройства работают эффективно только в пленочном режиме, т.е. при малых скоростях пара (менее 1,5 м/с) и низких плотностях орошения (менее 10-15 мЗ/м2*ч).

Другим недостатком существующих насадочных колонн является тот факт, что повышение удельной производительности процессов тепло — и массообмена требует увеличения поверхности насадок, что, в свою очередь, приводит к росту гидравлического сопротивления и к невозможности равномерного распределения жидкой фазы в виде пленки по поверхности насадки.

Новая высокоэффективная пакетная вихревая насадка, применяемая нами при ректификации, появилась благодаря плодотворному 20—летнему сотрудничеству между кафедрами: промышленной аппаратуры Краковской Политехники и машины и аппараты химических производств ИГХТУ.

Эффективность тепло - массопереноса данной насадки исследовали в процессах абсорбции [68], конденсации низкоэнергетических паров [69], пылеулавливания [70] и термической десорбции кислорода из воды [71].

Впервые на процессе абсорбции экспериментально доказано, что

обнаруженный ранее рядом российских ученых Н.М. Жаворонковым, В.В.

Кафаровым, А.Н. Плановским эффект создания высокоэффективного

эмульсионного режима в аппарате с кольцами Рашига в узком диапазоне

скоростей газа, близком к зависанию жидкости в слое насадки, реализуется в

пакетной вихревой насадке в широком диапазоне скоростей газа 2,5-6 м/с за

счет образования в каждой ячейке устойчивого вихря, вращающегося

8

относительно как горизонтальной, так и вертикальной осей, в результате взаимодействия которого с жидкой фазой возникает и быстро сепарируется на стенках ячеек огромное количество капель различного размера, а, следовательно, развивается большая поверхность тепло - и массопереноса и наблюдаются высокие коэффициенты массопереноса. Также обнаружено, что генерирование и одновременная эффективная сепарация образующихся капель в каждой ячейке насадки за счет сложного вращения вихря приводит к «самоорганизации» потоков газожидкостной смеси, следствием которой (в отличие от других типов насадочных устройств) является низкое гидравлическое сопротивление насадки (существенно более низкое по сравнению с имеющимися насадками), которое начинает возрастать только при скоростях газа более 5 м/с [60, 68].

Исследования процесса конденсации низкоэнергетических паров впервые показали высокую эффективность тепло - и массообмена при конденсации пара в аппарате с вихревой пакетной насадкой. Объемный средний коэффициент массоотдачи в исследованном аппарате составляет 12000- 13000 кг/м3-ч. Показано, что гидравлическое сопротивление пакетной насадки существенно зависит от размеров входных и выходных каналов завихрителей. Для осуществления эффективного тепло- и массообмена и минимального гидравлического сопротивления в данной насадке при поперечных ее размерах 20x20 мм, размеры входных и выходных каналов должны быть 8-9 мм. Экспериментально обнаружен факт наличия больших амплитуд турбулентных пульсаций во всем диапазоне их частот, что является одной из причин высоких значений коэффициентов массоотдачи при конденсации пара в аппаратах с пакетной вихревой насадкой [69].

Для процесса пылеулавливания предложена новая конструкция пакетной вихревой насадки, отличающаяся более низким гидравлическим сопротивлением (ДР=850Па/м, при скорости движения газа иг=4 м/с, и

3 3 2

плотности орошения П=4,5-10" м /м с, ДР=1100Па/м, при иг=6 м/с

9

3 3 2

и П=4,5-10" м /м с) и высокой эффективностью массообмена, по сравнению с пакетной вихревой насадкой. Установлен оптимальный режим эффективной работы пакетной вихревой модифицированной насадки, позволяющий иметь к.п.д. пылеулавливания более 99,5% для всех испытанных пылей с размерами частиц менее Юмкм (скорость движения аэрозоля иг=4 м/с, при количестве пакетных вихревых тарелок равном 5 и их высоте 65 мм, плотности орошения П=4,510"3м3/м2с) [70].

Проведенные исследования показали высокую эффективность процесса термической (острым паром) десорбции кислорода из воды, реализованного в аппарате с пакетной вихревой насадкой при противоточном движении потоков пара и воды при практически полной конденсации пара. Лабораторные исследования показали, что применение высокоэффективной насадки резко интенсифицируют процесс тепло и массообмена за счет развитой межфазной поверхности, высокой турбулизации фаз и больших удельных расходов фаз, что приводит к уменьшению габаритов аппарата термической десорбции кислорода из воды, а также к снижению энергозатрат [71].

На кафедре МАХП ИГХТУ ранее были проведены исследования процесса периодической ректификации водного раствора этанола при использовании новой пакетной вихревой насадки [9]. Пробные экспериментальные исследования процесса ректификации в периодическом режиме работы показали лишь достаточно высокую эффективность процесса разделения смеси этанол-вода и необходимость продолжения исследований при больших скоростях пара и в непрерывном режиме работы колонны.

Цель работы: исследовать возможность применения пакетной вихревой насадки, показавшей высокую эффективность в других массообменных процессах, в ректификационном аппарате непрерывного действия.

Достижение этой цели осуществлялось путем решения комплекса задач:

ю

- изучение процесса непрерывной ректификации бинарной смеси при различных режимах работы экспериментальной установки с пакетной вихревой насадкой;

- экспериментальное определение к.п.д. условной тарелки ректификационной колонны, как функции плотности орошения и скорости пара;

- разработка математической модели процесса непрерывной ректификации бинарной смеси в установке с пакетной вихревой насадкой, с учетом найденного к.п.д. контактного устройства;

- разработка инженерной методики расчета ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси с пакетной вихревой насадкой.

Научная новизна. 1. Впервые экспериментально показана высокая эффективность пакетной вихревой насадки в диапазоне изменения скоростей пара от 1,5 до 4,5 м/с при осуществлении непрерывного процесса ректификации.

2. Получена эмпирическая зависимость к.п.д. условной тарелки (насадочного слоя) от переменных по высоте колонны критериев Яе по пару и жидкости.

3. Представлена математическая модель процесса непрерывной ректификации в аппарате с пакетной вихревой насадкой с учетом переменного значения к.п.д. условной тарелки (в виде жесткого пакета вихревых ячеек размером 11x11x30 мм).

Практическая ценность и реализация работы. Разработана методика расчета ректификационной колонны с применением пакетной вихревой насадки, позволяющая определить диаметр колонны и высоту насадки.

На основании проведенных исследований разработаны пилотные ректификационные колонны для разделения водно - метанольной, формальдегидной и этанольной смесей.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались на III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», Казань - 2012, IV Международная научно-практическая конференция « Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011», труды конференции, Москва - 2011, Материалы региональной студенческой научной конференции «Дни науки-2013», Иваново-2013.

Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 статья в зарубежном журнале.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 4 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 101 источник, из которых 24 иностранные.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Обзор существующих массообменных устройств ректификационных колонн.

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделять на составные части.

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой [1,5,33].

В настоящее время все работающие ректификационные колонны можно разделить на две большие группы: тарельчатые колонны, работающие в барботажном режиме; насадочные и специальные пленочные, работающие, в основном, в режиме стекающей тонкой пленки разделяемой смеси и движущегося вверх пара [1-4,9].

Анализ эффективности работы тарельчатых колонных аппаратов с различными конструкциями тарелок показывает, во первых, что все тарельчатые массообменные устройства (кроме струйных) работают в барботажном режиме, а во вторых, поверхность межфазного контакта, а также интенсивность тепло- и массообмена не очень сильно зависят от конструктивного оформления тарелок [99].

Тарельчатые колпачковые колонны рис.1 наиболее часто применяют в

ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в

паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую

13

частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др.

Рис. 1 Колпачковая тарелка ректификационной колонны

Колпачковые тарелки изготовляют из сталей разных марок, чугуна, меди, керамики, углеграфита и пластмасс [14,58].

Скорость пара в тарелках с капсульными колпачками достигает до 2 м/с. Их можно использовать при нестабильных нагрузках по жидкости и пару. Для этих тарелок гидравлическое сопротивление, зависящее от глубины погружения колпачка, обычно не превышает 0,7-1 кПа. К недостаткам этих тарелок среди других тарельчатых массообменных устройств следует прежде всего отнести значительную металлоемкость и трудоемкость изготовления [30, 61].

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, Б-образные, ситчатые, ситчато-клапанные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок [1-3,10,22].

Особенностью клапанной тарелки рис. 2 является допустимость работы при переменных нагрузках колонны по газу. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10—15% площади сечения колонны. Максимальная скорость пара достигает только 1,2 м/с [32, 53].

Рис. 2 Клапанная тарелка

Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема [95, 73].

По сравнению с колпачковыми тарелками клапанные тарелки имеют ряд преимуществ: способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, большая пропускная способность по пару (газу) и жидкости, несколько меньшее гидравлическое сопротивление, меньшая металлоемкость, меньшая склонность к загрязнению и образованию застойных зон. В области саморегулируемой работы тарелки имеют гидравлическое сопротивление - 0,5-0,8 кПа на 1 тарелке [3,4,19, 94].

Клапанные тарелки, у которых клапаны начинают открываться только в случае, когда силы аэродинамического сопротивления пара становятся равны или больше веса клапана плюс веса вышележащего столба жидкой фазы на тарелке, стремятся в последние годы сделать комбинированными, сочетая клапаны с ситчатыми отверстиями [97, 87].

Тарелки, собранные из Б-образных элементов рис. 3, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12—20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м. При нормальных условиях 8-образная тарелка имеет скорость паров в свободном сечении 0,3-0,6 м/с; гидравлическое сопротивление до 0,7-1 кПа [91, 62].

Рис. 3 Тарелка с Я-образными элементами

Для повышения диапазона устойчивой работы и производительности таких тарелок 8-образные элементы снабжают прямоточными клапанами прямоугольной формы, размещенными на верхней площадке Я-образного элемента. Для увеличения жесткости тарелки устанавливают пластины. По производительности эти тарелки примерно на 10 % превосходят клапанные прямоточные [81, 83].

Ситчатые колонны применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью, в основном, происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке [1,2,4,27].

Ситчатые тарелки рис. 4, как и любые тарелки, необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм. Преимущество ситчатой тарелки — большое свободное (т. е. занятое отверстиями) сечение тарелки, скорость пара для ситчатых тарелок колеблется в пределах 0,7 - 1,5м/с [59]; невысокое гидравлическое сопротивление 0,3-0,4 кПа.,простота изготовления, малая металлоемкость. По производительности по пару (газу) эти тарелки на 30—40 % превосходят колпачковые. Недостаток — высокая чувствительность к точности установки [77,88].

Рис. 4 Элемент ситчатой тарелки

Продольно-секционированная тарелка с просечными элементами рис.5 при скорости газа до 1,5 м/с тарелки работают аналогично ситчатой и колпачковой: жидкость из переливного кармана поступает на рабочую часть тарелки, газ вводится через просечки, барботирует через слой жидкости, аэрирует ее и на тарелке образуется газожидкостный слой [25, 101].

>12} в

Рис. 5. Продольно-секционированная тарелка с просечными элементами

17

При скорости газа более 1,5 м/с газовые струи, выходящие из просечек, и создаваемые ими потоки жидкости движутся к вертикальным перегородкам или стенкам колонны, ударяются о них, сепарируются и газ покидает тарелку. При этом жидкость совершает сложное зигзагообразное движение от переливного к сливному карману [92, 74].

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15—30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, сравнительно высокий к. п. д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции [4,21,58].

Решетчатые провальные-тарелки рис. 6 используют в установках,

рабочая производительность которых отклоняется от расчетной не более чем

на 25 %. Скорость паров 0,5 -3,0 м/с; гидравлическое сопротивление - до 1,2 кПа.

Рис. 6 Решетчатая провальная тарелка К преимуществам этих тарелок следует, прежде всего, отнести простоту конструкции и малую металлоемкость. Кроме того, тарелки имеют большую пропускную способность по жидкости и, при достаточной ширине щели, могут быть использованы для обработки загрязненных жидкостей,

оставляющих осадок на тарелке. По эффективности ситчитаые провальные тарелки обычно не уступают тарелкам с переливом. К недостаткам относятся значительное продольное перемешивание жидкости, вызывающее снижение эффективности, узкий диапазон устойчивой работы и сложность обеспечения равномерного распределения орошения по поверхности тарелок в начале процесса [3,5,52].

Конструктивно тарелка представляет собой плоский, перекрывающий все сечение колонны диск с выштампованными в нем прямоугольными щелями, уложенный на опорную конструкцию. Обычно площадь прорезей составляет 10—30 % всей площади тарелки. Прорези (как правило, размерами 4x60 мм) располагаются на поверхности тарелки с шагом I = 10 ... 36 мм.

Провальные тарелки в отличие от других тарелок работают не в барботажном режиме, а в режиме контакта пара с каплями жидкой фазы, стекающими из отверстий вышележащей тарелки. Поэтому они очень чувствительны к равномерности распределения потока пара по сечению колонны.

К недостаткам тарельчатых ректификационных колонн необходимо отнести:

• высокое гидравлическое сопротивление одной тарелки( 500-1000 Па), которое даже при минимальном числе тарелок 25-35 шт. в промышленных установках приводит к необходимости перегрева кубовой жидкости (для создания давления пара) т.е избыточных затрат энергии, а также к снижению качества разделения за счет выноса паров трудно кипящей жидкости вверх колонны;

• сравнительно низкая эффективность тепло-и массопереноса на одной тарелке, приводящая к большой высоте единицы переноса и, соответственно, к большой общей высоте аппарата и высокой его стоимости;

• сравнительно низкие скорости пара по свободному сечению аппарата (0,3-2,0 м/с), приводящие к большим диаметрам колонн, что, в свою очередь, сказывается и на общей высоте колонн (т.к известно, что, чем больше диаметр колонны, тем больше расстояние между тарелками);

• в колоннах с переливными устройствами (которых преимущественное большинство, т.к колонны с ситчатыми провальными тарелками применяются крайне редко) существует перепад высот барботажного слоя от точки поступления жидкой фазы с вышестоящей тарелки к переливной перегородке или к переливным трубам, приводящей к поперечной неравномерности потока паровой фазы.

Учитывая, что тарельчатые колонны обладают целым рядом недостатков, большинство работ в России и за рубежом направлены на создание новых насадок с очень развитой поверхностью контакта фаз. Все ранее известные регулярные и нерегулярные насадки, и новые развиваемые, например, фирмой Зульцер, работают в чисто пленочном режиме (кроме насадки ПВН- пакетная вихревая насадка, о которой пойдет речь дальше).

Насадочные колонны представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами, имеющими форму, например, колец, шаров, сеток, а также листов разной конфигурации для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз [58, 78].

По существующей классификации их можно отнести либо к регулярной (правильно уложенной), либо к нерегулярной (засыпной навалом) [6,7,81].

По конструктивным признакам применяемые в промышленности нерегулярные насадки можно разделить на следующие основные типы: кольцевые без внутренних перегородок (типа колец Рашига); кольцевые с

внутренними перегородками (типа колец Палля); седлообразные (типа седел Берля, инталокс, 1МТР), сферические, прочие.

Кольцевые насадки могут быть изготовлены как со сплошными стенками (кольца Рашига), так и с перфорированными (кольца Перфоринг).

Существуют кольцевые насадки, изготовленные из металлической сетки (кольца Диксона рис. 7, Борада). Общий недостаток всех кольцевых насадок - их низкая способность к перераспределению жидкой фазы и сравнительно низкая скорость пара.

Рис. 7 Насадка «Кольцо Диксона»

Седлообразные насадки также могут быть изготовлены либо со сплошными (седла Берля и седла инталокс), либо с перфорированными стенками (седла суперсетл, 1МТР). Наличие перфорации облегчает доступ пара внутрь насадки, увеличивает ее пропускную способность, но повышает стоимость изготовления. Преимущество седлообразных насадок — их способность к сравнительно эффективному перераспределению жидкой фазы [4,80].

Внутренние перегородки и перфорация стенок у кольцевых насадочных тел позволяют обеспечить дополнительную турбулизацию потоков, что повышает кратность обновления поверхности контакта фаз и, следовательно, эффективность массообмена.

Изготовление кольцевых насадок из металлических сеток позволяет дополнительно турбулизировать контактирующие фазы. За рубежом в ректификационных колоннах с высокой разделяющей способностью применяют насадку Диксона — кольца с перегородками, изготовленные из металлической сетки. Данные насадки применимы, в основном, для малогабаритных колонн при малых производительностях по разделяемому продукту [4,7,92].

В последнее время с кольцевыми насадками успешно конкурируют более эффективные насадки - седла инталокс, 1МТР и Берля. Основное преимущество седел - более высокая способность к перераспределению жидкости, что делает возможным их использование в комбинации с другими насадками, когда возникает необходимость коррекции плохого распределения.

Фирма Нортон (США) предлагает штампованные металлические седла инталокс. По заявлению фирмы, эта насадка превосходит по своим массообменным характеристикам все другие кольцеобразные и седловидные насадки.

При использовании известных типов седлообразных насадок в промышленных противоточных тепло-массообменных аппаратах часто наблюдается их забивка различными осадками, а также плотное прилегание насадочных элементов друг к другу. Это ведет к снижению ожидаемой эффективности массопередачи и увеличению допустимого гидравлического сопротивления. Каналообразование в слое насыпной насадки приводит к возникновению неравномерности распределения жидкой фазы в поперечном сечении колонны.

Совершенствование конструкций насыпных насадок идет по пути

создания и внедрения контактных элементов, отличающихся повышенной

способностью к перераспределению жидкой фазы (или способностью

сохранять по всей высоте слоя первоначальное распределение жидкой фазы),

22

а также обеспечивающих сравнительно высокую кратность обновления поверхности контакта (например, в результате применения насадок с внутренними перегородками) и эффективность в широком диапазоне нагрузок [7,8,76].

Несмотря на значительный прогресс в области создания аппаратов с насадочными телами, засыпанными в навал, колоннам такого типа присущи недостатки, которые существенно ограничивают области их применения:

• низкая скорость пара 0,3-1 м/с;

• относительно низкие допустимые нагрузки по плотности орошения;

• значительная материалоемкость;

• не эффективная работа с загрязненными средами, приводящая к быстрой забивке части элементов;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ворошин, Андрей Валерьевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования / И.А. Александров // М.: Химия. -1978. - 280с.

2. Александров И.А. Перегонка и ректификация / И.А. Александров // М.: Химия.-1981.-352с.

3. Тимонин A.C. Машины и аппараты химических производств / A.C. Тимонин, Б.Г. Балдин, В.Я. Борщев // Учебное пособие для вузов. Калуга. -2008. - 872с.

4. Поникаров И.И. Машины и аппараты химических производств / И.И. Поникаров, O.A. Перелыгин, В.Н. Доронин, М.Г. Гайнуллин // М.: Машиностроение. —1989. — 368с.

5. Матросов В.И. Аппаратура для молекулярной дистилляции / В.И. Матросов // Машгаз. -1954. - 146с.

6. Айнпггейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии/ В.Г. Айнпггейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов // Учебник для вузов: В 2 книгах. Кн.2. М.: Химия. - 2000. - 1760с.

7. Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет / Ф.Б. Петлюк, Л.А. Серафимов // М.: Химия. - 1993. - 393с.

8. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / А.И. Скобло, И.А. Трегубова, Ю.К. Молоканов // М.: Химия. - 1982. - 584с.

9. Марков А. Экспериментальное исследование процесса ректификации водно - спиртовой смеси в колонне с пакетной насадкой / Марков А., Поштаренко В., Чагин О., Кравчик Я // Czasopismo Techniczne, ISSN 0011-

4561, ISSN 1897-6328, Wydawnictwo Politecniki Krakowskiej. 2-M/2008, Zeszyt 2 (105), P. 191-195.

10. Haines H.W. // Ind. Eng. Chem. 1960. V52. N8. P. 663.

11. Hipkin H. // Chem. Eng. Progr. 1966. V62. N4. P. 84.

12. Плановский A.H. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев // М.: Химия. -1972. - 494с.

13. Проспект фирмы Зульцер Хемтех.

14. Анистратенко В.А. Прямоточные контактные устройства брагоректификационныхустановок / В.А. Анистратенко // М: Легкая и пищевая пром-сть. - 1983. — 159 с.

15. Гладилин Н.И. Руководство по ректификации спирта / Н.И. Гладилин // М.: Пшцепромиздат. - 1952. - 450 с.

16. Николаев А.П. Оптимальное проектирование и эксплуатация брагоректификационных установок / А.П. Николаев // М.: Пшцев. пром-сть. - 1975.-183 с.

17. ОАО Завод «Комсомолец». Оборудование для производства пищевого спирта. Тамбов. - 2000. - 48с.

18. Артюхов В.Г. Переработка мелассы на спирт и другие продукты по безотходной технологии / В.Г. Артюхов // М.: Агропромиздат. -1985. - 287 с.

19. Стабников В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств / В.Н. Стабников, В.Д. Попов, В.М. Лысянский, Ф.А. Редько // М.: Пшцев. пром-сть. - 1976. - 663 с.

20. Яровенко В.Л. Справочник по производству спирта. Сырье, технология и техноконт-роль / В.Л. Яровенко, Б.А. Устинников, Ю.П. Богданов, СИ. Громов// М.: Легкая и пещевая пром-сть. - 1982. - 336 с.

21. Богданов Ю.П. Справочник по производству спирта. Оборудование, средства механизации и автоматизации / Ю.П. Богданов, В.Н. Зотов, С. П. Колосков // М.: Легкая и пищевая пром-сть. 1983. - 480 с.

22. Shelton R.O. // Petrol. Ref. 1957. V36. N4. Р.153.

23. Стабников В.Н. Перегонка и ректификация спирта / В.Н. Стабников // М.: Пшцев.пром-сть. - 1969. - 455 с.

24. Стабников В.И, Этиловый спирт. / В.И. Стабников, И.М. Ройтер, Т.Е. Процюк // М: Пищев. пром-сть. - 1975. - 271с.

25. Стабников В. Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов / В. Н. Стабников // К.: Техника. - 1970. - 207с.

26. Яровенко В.Л. Технология спирта 2-е изд., переработ, и доп. / В.Л. Яровенко // М.:Колос. - 1996. - 212 с.

27. Tomich J. F. // Am. Inst. Chem. Eng. J. 1970. V16. N2. P.229.

28. Цыганков П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности / П.С. Цыганков // М.: Легкая и пищевая пром-сть. - 1984. -336 с.

29. Балашов В. Е. Практикум по расчетам технологического оборудования предприятий бродильной промышленности / В. Е. Балашов, И.Т. Кретов, С.Т. Антипов // М.:Колос. - 1992. - 208 с.

30. Зайчик Ц.Р. Технологическое оборудование винодельческих предприятий / Ц.Р. Зайчик // М: Агропромиздат. - 1988. - 351 с.

31. Панфилов В.А. Технологические линии пищевых производств: Теория технологического потока / В.А. Панфилов // М: Колос. - 1993. - 288 с.

32. Попов В.И. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности / В.И. Попов, И.Т. Кретов, В.Н. Стабников, В.К. Предтеченский // М.: Легкая и пищевая пром-сть. - 1983. - 464 с.

33. Кафаров В.В. Основы массопередачи / В.В. Кафаров // М.: Высшая школа. - 1972. - 494 с.

34. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы построения операционных систем в химической технологии / В.В. Кафаров, В.Н. Ветохин // М.: Наука. — 1980. -119 с.

35. Шестопалов В.В. Труды IV Всесоюзной конференции по ректификации / В.В. Шестопалов, Г.Н. Семенов, Ю.А. Комиссаров // Уфа: БашНИИ НП. -1978. - 108 с.

36. Усачева И.И., Шестопалов В.В., Кафаров В.В., Труды МХТИ. Серия. Процессы и аппараты и химическая кибернетика. 1979. Вып. 106. С. 135.

37. Грипоревский И.Н., Романова Т.С., Уирлин А.Н. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т.51. Вып. 11. С. 84-91.

38. Underwood J.V. // Trans. Inst. Chem. Eng. 1932. V.10. N2. P.l 12-158.

39. Fenske E.R. // Ind. Eng. Chem. 1932. V24. N5. P. 482-486.

40. Jilliland E.R. // Ind. Eng. Chem. 1940. V.32. N7. P. 918-920.

41. Сверчинский Б.С. Расчет ректификации многокомпонентных смесей на ЭЦВМ / Б.С. Сверчинский // М.: ЦНИИЕЭнефтехим. - 1968. - 86 с.

42. Молоканов Ю.К., Кораблина Т.П., Мазурина Н.И., Никифоров Г.А. // Химия и технология топлив и масел. - 1971. №2. С. 36-69.

43. Van Vinkle М., Todd W.G. // Chem. Ing. 1971. V.78. N20. P. 136-148.

44. Kremser A. // Nat. Petrol. News. 1930. V.22. N21. P. 43-49.

45. Edmister W.C. // ALChE Journal. 1957. V.3. N2. P. 127-142.

46. Smith B.D. Design of Equilibrium Stage Processes / B.D. Smith // N.Y. Me Crow-Hill. - 1963. - 562 p.

47. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии / А.И. Бояринов, В.В. Кафаров // М.: Химия. — 1975. — 576 с.

48. Александров И.А. Массопередача при ректификации многокомпонентных смесей / И.А. Александров // Л.: Химия. - 1975. - 320 с.

49. Петлюк Ф.Б. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет / Ф.Б. Петлюк, JI.A. Серафимов // М.: Химия. - 1993. - 393с.

50. Семенов И.А., Ульянов Б.А., Щелкунов Б.И.// Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т.51. Вып. 6. С. 69-72.

51. Краснобородько Д.А., Лунин А.Е., Холодное В.А., Русинов Л.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т.48. Вып. 11. С. 99-102.

52. Peiser A.M. //Chem. Eng. 1960. V67. N14. P. 129.

53. Hughmark G.A. // Chem. Eng. Progr. 1965. V61. N7. P.97.

54. Анисимов И.В. Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок / И.В. Анисимов, В.И. Бодров, В.Б. Покровский // М.: Химия. - 1975. — 216с.

55. Френке Р. Математическое моделирование в химической технологии / Р. Френке // М.: Химия. - 1971. - 272с.

56. Дудников Е.Г. Построение математических моделей химико-технологических объектов / Е.Г. Дудников, В.Е. Балакирев, В.Н. Кривсунов, A.M. Цирлин // Л.: Химия. - 1970. - 311с.

57. Николаев А.П. Оптимальное проектирование и эксплуатация брагоректификационных установок / А.П. Николаев // М.: Пищевая промышленность. - 1975. - 183 с.

58. Вихман Г.Л. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов / Г.Л. Вихман, С.А. Крутлов // М.: Госполитехиздат. - 1962. -294с.

59. Boronyak Imre, Gyokhegyi Laszlo.: Moderne Siebboden - Maximale Dampfgeschwindigkeit // Chem.-Ing.-Techn. - 2000. V3. N72.

60. Повтарев И.А. Исследование зависимости гидравлического сопротивления насадочного слоя колонного оборудования / И.А. Повтарев, В.Н. Блиничев, О.В. Чагин, Я. Кравчик // Журнал «Химическое и нефтяное машиностроение». - 2007. №12. С.23-24.

61. Parkins R. // Chem. Eng. Progr. 1959. V55. N7. P.60.

62. Calvert S., Kapo G. // Chem. Eng. 1963. V70. N5. P.105.

63. Патент РФ № 2205063. Пакетная вихревая насадка для тепло - и массообменных аппаратов. Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кравчик Я., Кутепов A.M., опублик. в Б.И. №15 от 27.05.2003.

64. Патент РФ № 2130536. Вихревая насадка из неметаллических материалов. Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кутепов A.M., опублик. в Б.И. №11 от 17.03.2001.

65. Патент РФ № 2416461. Пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных колонных аппаратов. Кадыров Р.Ф., Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кадыров Р.Р., опублик. в Б.И. №10 от 20.04.2011.

66. Международный патент № PCT/RU2010/000077. WO 2011/102749 AI. Пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных колонных аппаратов. Кадыров Р.Ф., Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кадыров P.P., опублик. в Б.И. №18 от 25.08.2011.

67. Kley // Ree. trav. Chim. 1901. N20. 344p.

68. Повтарев И.А. Гидродинамика и массообмен в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой (на примере процесса абсорбции углекислого газа раствором д и этанол ам и н а): дисс. канд. тех. наук: 05.17.08 / Повтарев Иван Александрович — Иваново. -2013.-113 с.

69. Рабаси М. О. Конденсация низкоэнергетических паров в аппарате с высокоэффективной вихревой пакетной насадкой: дисс. канд. тех. наук: 05.17.08 / Рабаси Махмуд Омран - Иваново. 2002. - 119с.

70. Назаров Г.Е. Пылеулавливание в аппаратах различного конструктивного оформления: дисс. Канд. тех. наук: 05.17.08 / Назаров Григорий Евгеньевич - Иваново. - 2000.

71. Чагин О.В. Термическая десорбция кислорода из воды: дисс. канд. тех. наук: 05.17.08 / Чагин Олег Вячеславович - Иваново. - 1997.

72. Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации / С. А. Багатуров // М.: Химия. - 1974. - 440с.

73. Smuck W.W. // Chem. Eng. Progr. 1963. V59. N6. P.65..

74. Haml M., Standart G. // Brit. Chem. Eng. 1966. VI1. N11. P. 1370.

75. Гельперин H. И. Дистилляция и ректификация / H. И. Гельперин // М.: Госхимиздат. - 1947. - 312 с.

76. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин // М.: Химия. - 1973. - 785с.

77. Касаткин А.Г. Расчет тарельчатых ректификационных и абсорбционных аппаратов / А.Г Касаткин, А.Н. Плановский, О.С. Чехов // М.: Стандартги з. - 1961. - 80с.

78. Cullman Н.Т. // Ind. Eng. Chem. Fundament. 1966. V5. N2. P.281.

79. Коган В.Б. Равновесие между жидкостью и паром Кн.1 и 2. / В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров // M.-JL: Наука. -1966. -1426с.

80. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Коган // М.: Госхимиздат. - 1955. - 847с.

81. Стабников В.Н. Ректификационные аппараты / В.Н. Стабников // М.: Машиностроение. - 1965. - 356с.

82. Стабников В.Н. Теоретические основы перегонки и ректификации спирта / В.Н. Стабников, С.Е. Харин // М.: Пищепромиздат. - 1951. - 300с.

83. Fair J.R. // Chem. Eng. 1965. V72. N14. P. 107.

84. Холланд Ч. Многокомпонентная ректификация / Ч. Холланд // М.: Химия. - 1969. - 348с.

85. Александров И.А. Массопередача при ректификации и адсорбции многокомпонентных смесей / И.А. Александров // Л.: Химия. - 1975. -319с.

86. Евстафьев А.Г. Ректификационные установки / А.Г. Евстафьев // М.: Машгиз. - 1963. - 439с.

87. Bragg L.B. // Ind. Eng. Chem. 1957. V49. N7. P. 1062.

88. Eckert J.S. // Chem. Eng. Progr. 1970. V66. N3. P.39.

89. Жаров B.T. Физико-химические основы дистилляции и ректификации / В.Т. Жаров, Л.А. Серафимов // Л.: Химия. - 1975. - 239с.

90. Коган В.Б. Справочник по равновесию между жидкостью и паром в бинарных и многокомпонентных системах / В.Б. Коган, В.М. Фридман // М.-Л.: Госхимиздат. - 1957. - 497с.

91. Киселев В.М. Ректификация в химической промышленности / В.М. Киселев // Л.: Химия. — 1973. — 56с.

92. Комиссаров Ю.А. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов / Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Д.П. Вент // М.: Химия. - 1997. - 368с.

93. Кафаров В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств / В.В. Кафаров, М.Б Глебов // М.: Высшая школа. -1991.-400с.

94. Kirschbaum Е. Distellier - und Rektifiziertechnik, Springier Verlag / E. Kirschbaum И Berlin. - 1969.

95. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии / Н.И. Гельперин // М.: Химия. -1981. — 812с.

96. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии / Ю.И. Дытнерский // М.: Химия. — 1981. — 768с.

97. Основные процессы и аппараты химической технологии / под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия. - 1991. -496с.

98. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаротов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков // Л.: Химия. - 1987. -574с.

99. Александров И.А. Теплообмен при ректификации в барботажном слое / И.А. Александров, С.А. Грайсман // Теор. Основы хим. технологии. - 1975. Т.9. №1. С.11.

100. Трегубов А.М. Теория перегонки и ректификации / A.M. Трегубов // М.: Гостоптехиздат. - 1946.

101. Fair J.R. // Chem. Eng. Progr. 1970. V66. N3. P.45.