Содержание к диссертации
Введение
1 Сравнительный анализ контактных ступеней при ректификации 11
1.1 Процессы ректификации в технологических линиях переработки растительного сырья 11
1.2 Анализ контактных устройств 17
1.3 Гидродинамика на контактных ступенях 23
1.3.1 Режимы течения 23
1.3.2 Гидравлическое сопротивление вихревых устройств 27
1.3.3 Газосодержание 33
1.3.4 Диаметр пузырьков газа 37
1.3.5 Удельная межфазная поверхность 41
1.4 Массообмен на контактных устройствах при ректификации 43
2 Методическая часть 49
3 Гидродинамика вихревых контактных ступеней 61
3.1 Режимы течения газо-жидкостного слоя 61
3.2 Скорость вращения газо-жидкостной смеси 62
3.3 Критическая скорость газа в каналах завихрителя 67
3.4 Гидравлическое сопротивление вихревых устройств 73
3.5 Параметры газо-жидкостного слоя 79
3.6 Межфазная поверхность 82
4 Исследование ректификации на вихревых устройствах при ректификации 90
5 Практическое использование результатов исследования 95
5.1 Разработка и исследование встроенных дефлегматоров 95
5.2 Исследование вихревых контактных ректификационных ступеней 101
5.3 Технико-экономические показатели ректификационных колонн 108
Выводы 116
Библиографический список 118
Приложения 131
- Анализ контактных устройств
- Скорость вращения газо-жидкостной смеси
- Параметры газо-жидкостного слоя
- Исследование вихревых контактных ректификационных ступеней
Введение к работе
Ректификация широко используется: в технологиях комплексной
переработки древесины; в лесохимической промышленности при получении
продуктов потребления; при восстановлении экстракционных растворов в
процессах извлечения биологически активных веществ из растительного сырья;
в технологии химической переработки древесины при производстве этанола;
при переработке нарастающих природных отходов газификацией и
использования синтез-газа для получения биополимера на стадии регенерации
растворителей (хлористый метилен, гипохлорит натрия, гексан и т.д.), где
также востребованы высокоэффективные и производительные
ректификационные колонны.
В основном, ректификации подлежат многокомпонентные смеси, как правило, азеотропные, имеющие близкую температуру кипения, что обуславливает использование для их разделения, многоступенчатых ректификационных колонн. При этом применяются различные способы-ректификации, такие как азеотропная, экстрактивная, молекулярная,' дробная,, парциальная.
Ключевыми проблемами в промышленном производстве при ректификации являются высокий расход теплоносителей, низкая разделяющая способность ректификационных аппаратов и контактных ступеней, их большие габариты и металлоемкость, существенные потери продуктов переработки из-за недостаточно^ полного разделения смесей, вследствие несовершенства' дефлегматоров. Есть проблемы, связанные с достижением требуемого вакуума-, в колоннах из-за высокого сопротивления контактных ступеней. В ряде случаев требуются мобильные малотоннажные установки для опытных производств-(ректификация эфирного и талового масла, разделение растворителей в. процессах выделения биополимера, экстракции растительного , сырья) небольшой производительности, обладающей быстрой настройкой на новые смеси. В этой связи создание высокоэффективных неметаллоемких контактных
5 ступеней, позволяющих интенсифицировать процесс разделения при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении, является актуальным.
Анализ возможных путей интенсификации масоопередачи в системе газ - жидкость показывает, что использование для проведения таких процессов новых конструкций модернизированных барботажных и насадочных аппаратов уже не обеспечивает существенного повышения удельной производительности, эффективности и технологической гибкости установок. В связи с этим доказано, что наложение на систему взаимодействующих фаз центробежного ускорения является в ряде случаев наиболее простым способом интенсификации тепло- и массообмена. Вращение потока способствует дроблению пузырьков газа на ступени и предотвращает капельный унос. Вихревые ректификационные колонны не уступают по своим массообменным параметрам установкам насадочного типа, однако, более производительны, менее металлоемки w масштабируемы, обладают широким^ диапазоном' устойчивой работы, предотвращают новообразование примесей! за счет небольшого объема жидкости'на ступени и малого времени пребывания.в зоне, контакта. При'достижении сравнительно низкого сопротивления на. вихревой-ступени эти аппараты способны работать под вакуумом, обеспечивают высокую производительность и позволяют за счет снижения температуры увеличить летучесть смеси, например при очистке этанола и метанола, предотвращают новообразование эфиров и альдегидов в производстве гидролизного спирта, обеспечивая тем самым высокие показатели качества и выхода продукта.
Несмотря на обширную информацию по- исследованию и конструированию ректификационных колонн с вихревыми контактными, ступенями ее явно недостаточно. Данные по конструированию вихревых контактных ступеней с низким гидравлическим сопротивлением, в большей степени, носят рекламный характер.
Вихревые контактные ступени, в. основном, создавались для процессов сепарации. Для проведения ректификации разработаны и апробированы только
прямоточно-вихревые контактные устройства, которые обладают большой производительностью, но имеют высокое гидравлическое сопротивление 1500 - 4500 Па и большую металлоемкость.
В представленной работе основной концепцией при разработке вихревых аппаратов является обеспечение минимального гидравлического сопротивления контактных ступеней с тангенциальным и осевым завихрителями при сохранении на ней вращательно-поступательного движения паро-жидкостной смеси, что позволяет получить развитую межфазную поверхность и достаточно высокую эффективность. Особенностью работы является также и то, что разработанные контактные ступени апробированы на многоступенчатой ректификационной колонне, что повышает достоверность полученных результатов исследования.
Однако недостаток информации не позволяет подойти к научно обоснованному методу расчета и конструирования* вихревых контактных ступеней:- и колонн с низким гидравлическим- сопротивлением* Иг ВЫСОКОЙ" производительностью^ выбору наиболее оптимальных вариантов конструкций, технологических режимов и, требует комплексных исследований, что и было осуществлено в работе.
Цель работы. Разработка вихревых контактных ректификационных ступеней с низким гидравлическим сопротивлением, высокой производительностью и создание на этой основе спиртовой колонны для очистки гидролизного этилового спирта.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи:
Изучить гидродинамику вихревых контактных ступеней с осевыми и тангенциальными завихрителями- и установить: режимы * течения газожидкостной смеси, зависимости гидравлического* сопротивления, газосодержания, диаметра пузырьков пара, межфазной поверхности, высоты слоя от конструктивных и технологических параметров.
Исследовать процесс ректификации гидролизного этилового спирта в многоступенчатой ректификационной колонне.
Апробировать результаты исследования, для чего разработать: вихревые контактные ступени с осевыми и тангенциальными завихрителями, встроенный дефлегматор и многоступенчатую спиртовую колонну.
Провести анализ показателей ректификационной колонны с вихревыми контактными ступенями для смеси дихлорметан - гексан, используемой в производстве биополимера на синтез-газе, получаемого из древесных отходов.
Научная новизна работы.
Выявлена зависимость для расчета скорости пара (газа) в каналах завихрителя, обеспечивающая начало вращения газо-жидкостной смеси на ступени, установлены режимы течения и их границы.
Получена зависимость угловой скорости вращения жидкости на контактной ступени и установлено, что она переменна по ее радиусу.
Предложено уравнение для расчета коэффициента сопротивления и-показано, что наибольшее влияние на него оказывает составляющая, вызванная турбулентностью струй пара. Вклад в» общее сопротивление, контактной, ступени сухой контактной ступени составляет 60 - 65 %; столба жидкости - 25 -30 %; трения газожидкостных слоев — 15 %.
Установлены зависимости для определения газосодержания и диаметра пузырьков газа в газо-жидкостном слое, а также предложено уравнение, позволяющее рассчитывать число единиц переноса при ректификации.
Практическая значимость.
Разработаны образцы . тангенциальных и осевых завихрителей, обеспечивающие вращение газо-жидкостной смеси- на ступени при низком-гидравлическом сопротивлении.
Разработан встроенный, дефлегматор, позволивший улучшить степень очистки гидролизного этилового спирта, и получены исходные данные для-проектирования.
Создана спиртовая ректификационная колонна с вихревыми контактными устройствами и наработана опытная партия очищенного спирта этилового
8 ректификованного технического с концентрацией примесей в 2 - 2,6 раза сниженной в сравнении с исходным продуктом.
Защищена патентом вихревая контактная ступень с центральным перетоком и осевым завихрителем.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования гидродинамики вихревых контактных
ступеней с тангенциальными и осевыми завихрителями:
Для обеспечения вращения газо-жидкостной смеси на ступени с относительно невысокой скоростью газа в каналах завихрителя, а, следовательно, низким гидравлическим сопротивлением, необходимо увеличивать площадь каналов для прохода газа, радиус завихрителя, снижать вязкость жидкости и касательные напряжения трения на межфазной поверхности.
Угловая скорость вращения газо-жидкостного слоя на ступени максимальна в месте выхода газа, а затем снижается по мере увеличения расстояния от завихрителя за счет проскальзывания» газо-жидкостных слоев,-вызванного гашением крутки потока силами вязкого трения.
Наибольшее влияние на сопротивление контактной ступени оказывают геометрические параметры завихрителя; с целью его снижения необходимо увеличивать радиус завихрителя, уменьшать ширину зазора каналов и их количество.
Величина межфазной поверхности вращающегося газо-жидкостного слоя возрастает с увеличением удельной нагрузки газа и составляет 2000 - 6000 м2/м3.
Газосодержание с увеличением скорости пара снижается за счет уменьшения диаметра пузырьков, вследствие воздействия скоростного напора, вращающего момента и сжимающей инерционной силы.
2. Результаты исследования массообмена при ректификации на
контактных вихревых ступенях:
При адиабатной ректификации эффективность контактных ступеней составляет 0,5 - 0,8 и с увеличением тангенса угла наклона равновесной кривой возрастает.
Вихревые контактные ступени наиболее перспективны при наличии основного сопротивления массопереносу в жидкой фазе.
3. Конструкции контактных ступеней, завихрителей и ректификационной колонны со встроенным дефлегматором:
Дефлегматор, выполненный из спиралей Архимеда, при последовательной схеме подключения теплоносителя обеспечивает разность температур между флегмой и паром, равную 0,5 - 2,0 С (в сравнении с известными 10-20 С) и обеспечивает высокое разделение.
Контактная ступень с центральным перетоком и конструкции завихрителей с острой входной кромкой канала и диаметром более 120 мм обеспечивает вращение жидкости на ступени при скорости газа в каналах 2,5 - 5,0 м/с и гидравлическом сопротивлении 180 - 250 Па.
Сравнение технико-экономических показателей ректификационной колонны с вихревыми контактными, ступенями и насадочной колонны для разделения смеси дихлорметан-гексан показало преимущество первой.
Апробация работы. Результаты работы были представлены: на Международной научно-практической конференции «Проблемы ускоренного воспроизводства и комплексного использования лесных ресурсов» (Воронеж, 2006 г.); Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2006, 2009 гг.); Всероссийских научно — практических конференциях «Лесной и химический комплекс - проблемы и решения» (Красноярск, 2006 — 2009 гг.).
Работа выполнена по плановой тематике на кафедре «Машин и аппаратов промышленных технологий» Сибирского Государственного Технологического Университета.
Автор благодарит своего руководителя - доктора технических наук, профессора кафедры МАПТ СибГТУ Николая Александровича Воинова за
10 постоянную и неоценимую помощь в реализации работы, доцента кафедры МАПТ Жукову Ольгу Петровну за помощь в обработке экспериментов и ценные советы по написанию данной диссертации, а также предпринимателя Панькова Виктора Анатольевича за неподдельный интерес к работе и помощь в конструировании и изготовлении конструкций завихрителеи и контактных ступеней.
Анализ контактных устройств
Несмотря на многообразие конструкций контактных устройств, в гидролизной промышленности используются, в основном, аппараты барботажного типа с колпачковыми, клапанными, ситчатыми, чешуйчатыми, провальными контактными ступенями (рисунок 1.1).
Основным недостатком этих устройств является: их низкая эффективность, которая в среднем составляет 0,33; сравнительно высокое гидравлическое сопротивление; большая металлоемкость и небольшая производительность; наличие застойных зон, приводящих к возникновению осадков и отложений в объеме контактной ступени. Количество ступеней, используемых, например, при получении этанолш — свыше 77 штук при-, межступенчатом расстоянии 150 - 600 мм: Высота таких колонн превышает 20 м, что требует замены их на более эффективные установки.
Известны контактные ступени пленочного типа, состоящие из горизонтально установленных пластин, снабженных переливными устройствами (рисунок 1.2). Устройства предназначены в основном для проведения процессов ректификации- при вакууме, так как имеют низкое гидравлическое сопротивление и достаточно компактны по высоте.
Однако эффективность таких устройств при адиабатной ректификации-(рисунок 1.2 а - г), как показали проведенные нами исследования на системе этанол-вода, не превышает 0,1. Эффективность контактных устройств с вращающимися элементами (рисунок 1.2 б) достаточно высокая, вместе с тем, наличие механического привода затрудняет их широкое использование на практике. Наиболее производительными являются пленочные прямоточно-вихревые контактные устройства (ПВКУ). Благодаря интенсивному перемешиванию пленки жидкости и высокой скорости пара, эффективность таких устройств составляет 0,4 - 0,6, скорость по сечению колонны достигает 5-6 м/с. Ряд ректификационных колонн с ПВКУ внедрены в производство. Схемы прямоточно-вихревых контактных устройств показаны на рисунке 1.3.
Контактные устройства, представленные на рисунке 1.3 а [35-37], были апробированы на Красноярском биохимическом заводе, а их характеристикипоказаны в таблице 1.2.
В настоящее время промышленную апробацию прошли вихревые аппараты с прямоточно-вихревыми контактными устройствами диаметра 30 -400 мм. Внедрен секционированный аппарат с ПВКУ [38, 39] диаметром 500 мм, где достигнута скорость пара по сечению до 5,1 м/с, а высота, эквивалентная теоретической ступени, составила 0,34 м.
Клапанно-центробежные устройства [40, 41], испытывались в многоступенчатой колонне в условиях газофракционирования при разделении этан-пропановой фракции. Реконструкция позволила увеличить производительность колонны в 2,6 раза, при этом разделение смеси обеспечивалось при меньшем флегмовом числе.
Прямоточно-центробежные ступени элементного типа были внедрены [42] более чем в тридцати аппаратах, что обеспечило увеличение производительности, улучшение степени разделения, снижение потерь продуктов.Об испытании ступеней с вихревыми контактными устройствами в колонне регенерации трихлорэтилена сообщается в работе [43]. Замена насадки на ступени с вихревыми контактными устройствами дала возможность увеличить производительность колонны в три раза с одновременным улучшением качества дистиллята.
В работе [44] приведены результаты промышленных испытаний вихревого аппарата диаметром один метр, с четырнадцатью ступенями и межступенчатым расстоянием 600 мм.ПВКУ с осевыми завихрителями показаны на рисунке 1.4 [45, 46, 47] и тангенциальными - на рисунке 1.5.
Основным преимуществом ректификационных колонн с ПВКУ является их высокая производительность, однако, большое гидравлическое сопротивление ступеней 1500 - 3500 Па, металлоемкость и габариты не позволяют широко использовать их на практике.
Большими перспективами обладают вихревые контактные устройствам). В вихревых контактных устройствах пар, проходя через каналы завихрителя, приобретает высокую тангенциальную скорость, за счет чего интенсивно дробится на мелкие пузырьки, которые равномерно распределяются в слое жидкости, образуя вращающуюся газо-жидкостную смесь. Схемы контактных устройств с осевыми завихрителями представлены на рисунке 1.6. a — тарелка Киттеля; б — с ленточным (шнековым) завихрителем; в-д - осевым многолопастным завихрителем . Рисунок 1.6 — Вихревые контактные устройства
Скорость вращения газо-жидкостной смеси
В зависимости от нагрузки по пару (газу), на контактных ступенях наблюдается определенный гидродинамический режим течения газа и жидкости. Визуальное наблюдение за перемещением струй газа, выходящих из каналов осевых и тангенциальных завихрителей, показывает их некоторое различие в траектории движения. Для осевых завихрителей струя газа при выходе из каналов устремляется в верх, а в тангенциальных - к периферии аппарата. Поэтому при малых расходах газа, когда сила инерции незначительна, на ступени с осевыми завихрителями наблюдается брызгоунос. Кроме того, с целью обеспечения газосодержания по всему объему жидкости на ступени ширина каналов для прохода газа в осевых завихрителях должна быть выполнена равной толщине вращающегося газо-жидкостного слоя.
Однако, для любого конструктивного варианта изученных завихрителей при малых расходах газа наблюдается барботажный режим, характеризующийся перемещением одиночных пузырей в жидкости, размер которых зависит от геометрической формы канала.
При увеличении расхода наблюдается струйное течение газа. При ширине канала до (0,5 - 2) мм во всем объеме жидкости на ступени наблюдаются1 пузырьки газа; при 5о 2 мм отмечается граница между движущимися в жидкости струями И пеной, размещенной вверхней части ступени.
Є дальнейшим увеличением расхода наблюдается пенный режим; в котором зона жидкости со струями газа исчезает, образуется сплошная-подвижная пена.
При достижении определенной критической скорости газа в каналах (икр), наблюдается кольцевой режим, сопровождающийся вращением газожидкостного слоя с начальной полостью, визуально фиксируемой при диаметре у основания - 20 мм.Dc = 114 мм R3 = 44 мм. Режимы: а - пенный; б - кольцевой; в - пленочный. Рисунок 3.1- Режимы газо-жидкостной смеси на ступени
По мере роста скорости газа в каналах завихрителя, происходит уменьшение толщины этого слоя и увеличение его высоты. При оголении каналов для прохода газа, кольцевой режим переходит в пленочный, пузырьки газа вымываются из жидкости, толщина газожидкостного слоя составляет 5-15 мм.
Для получения развитой межфазной поверхности при низкой скорости газа в каналах и, следовательно, невысоком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения.
Определение величины скорости вращения газо-жидкостного слоя необходимо, прежде всего, для расчета его основных параметров. Исходя из теоремы об изменении кинетического момента, определим связь между угловой скоростью газо-жидкостного слоя на ступени и ее конструктивными параметрами [122]:где иг.ж - скорость газо-жидкостной смеси, м/с;А,0 — коэффициент трения смеси о стенки аппарата; R} — расстояние от завихрителя до сенки царги, м. Тогда, согласно (3.1) имеем
При переходе из пенного режима в кольцевой иг = wK, для закрытой системы уравнение (3.4) преобразуется к виду
Приняв, что скорость вращения газо-жидкостного слоя у стенки иг-ж = wRc, поверхность контакта струй газа, выходящих из каналов завихрителя, с жидкостью /= п-1д К получим где п - количество каналов;Id — ширина канала на выходе, равная дуге окружности, м; h — высота канала, м.
Характерные значения угла поворота метки, размещенной на поверхности газо-жидкостной смеси, на ступени от времени представлены на рисунке 3.2.
Согласно полученным данным, наблюдается равномерное движение газо-жидкостного слоя на стенке. Вместе с тем, величина угловой скорости газо-жидкостных слоев уменьшается с увеличением расстояния от завихрителя, что свидетельствует о наличии трения между газо-жидкостными слоями.
Экспериментальные значения угловой скорости, представлены на рисунках 3.3 и 3.4.Расчетные значения угловой скорости (пунктирная линия на рисунке 3.3) не согласуются с опытными. Это вызвано тем, что при выводе уравнения (3.6) газожидкостный слой представляли как твердое тело, то есть не учитывались касательные напряжения между вращающимися слоями пены. Рисунок 3.2 - Зависимость угла поворота метки от времениЗначения угловой скорости газо-жидкостного слоя от объема жидкости на ступени представлены на рисунке 3.5.
Rc = 74 мм, 80 = 1 мм, h = 5 мм, Г= 400 мл. Экспериментальные точки (1 - 2): 1 - R3 = 44 мм; 2-R3 = 65 мм Пунктирная линия расчет по уравнению (3.6) Рисунок 3.3 - Зависимость угловой скорости газо-жидкостного слоя от радиуса вращения и скорости газа в каналах при и = ик 70 R, мм Rc = 74 мм, R3 = 65 мм, 80 = 1 мм, h = 5 мм, V— 400 мл. Экспериментальные точки (1 - 2): 1 - и = 50 шт; 2 - п — 20. Рисунок 3.4 - Зависимость угловой скорости газо-жидкостного слоя от радиуса вращения и скорости газа в каналах и = 40 - 50 м/сПовышение скорости газа в каналах и площади сечения приводит к увеличению угловой скорости газо-жидкостного слоя на ступени.
Определен параметр (коэффициент проскальзывания) К - w/won, который составил 2,5 - 3,0, что позволяет по уравнению (3.6) и зависимостям w —f(u) проводить оценку угловой скорости газо-жидкостной смеси.R = 67 - 70 мм, Rc = 73,5 мм, R3 = 44 мм, п - 36 шт, 50 = 1 мм, h = 8 мм, и = ик. Рисунок 3.5 - Изменение угловой скорости газо-жидкостного слоя от объема жидкости на ступени
Параметры газо-жидкостного слоя
Параметрами газо-жидкостного слоя являются: толщина и высота вращающегося газо-жидкостного слоя. Указанные величины необходимы для расчета основных гидродинамических характеристик ступени и конструирования переточных устройств. Характерные зависимости Н от скорости газа в каналах при разных факторах крутки представлены на рисунке 3.21. Зависимость толщины газо-жидкостного слоя на ступени от скорости газа в каналах, представлена на рисунке 3.22.
Высота слоя жидкости в начале кольцевого режима практически одинакова для контактных ступеней с разным фактором крутки и зависит от объема жидкости на тарелке. С увеличением скорости газа в каналах происходит рост высоты и снижение толщины газожидкостного слоя. Dc = 110 мм и К= 100; 200; 300 мм. Точки (1 - 4): 1 -flF= 0,09; 2 - 0,045; 3 - 0,022; 4 - 0,011. Пунктирная линия начало кольцевого режима. Рисунок 3.21 - Зависимости высоты вращающегося газо-жидкостного слоя от скорости газа в канале для контактной ступени с осевым завихрителемвращающегося газо-жидкостного слоя от скорости газа в канале для контактной ступени с осевым завихрителем
Для оценки высоты вращающегося газо-жидкостного слоя получено [123] выражение в виде: где константа С в уравнении (3.14) определяется из начальных условий при Газосодержание. В начале кольцевого режима величина газосодержания на ступени с тангенциальным завихрителем не зависит от фактора крутки (рисунок 3.23) и с увеличением объема жидкости на контактной ступени снижается.
Согласно полученным данным, с ростом скорости газа в каналах завихрителя наблюдается снижение газосодержания, рисунок 3.24), что вызвано уменьшением диаметра пузырьков. F= 200 мл. Точки (1 - 4): 1 -f/F= 0,089; 2 - 0,04; 3 - 0,032; 4 - 0,022. Сплошные линии и прозрачные точки для конической ступени с лопастным завихрителем и темные точки для ступени с тангенциальным завихрителем при п = 16 шт,/ = 26 мм, 5о = 1 мм. Рисунок 3.24 - Зависимости газосодержания от скорости газа в каналах (а) и параметра -и (б) при R3 = 44 мм, Д, = 100 мм
Для оценки величины газосодержания получено соотношение:Ф = аГ"(а/а Y25, (3.15)4 О где ст0 - коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре 20С;п = 0,8 для ступени с тангенциальным завихрителем и п — 1,2 - лопастным завихрителем. Величина константы С определяется из начальных условий.
Согласно обработке, представленной на рисунок 3.24 б, наибольшее влияние на параметр ф оказывает параметр f/F-u, который по размерности совпадает с удельным расходом газа.
Диаметр пузырьков газа на контактной ступени. Влияние конструктивных и технологических параметров контактной ступени с осевым многолопастным завихрителем показано на рисунке 3.25. Согласно данным, большое влияние на величину пузырька оказывает режим течения и фактор крутки. Изменение числа каналов практически не влияет на размер газового пузыря.Зависимость диаметра пузырька от скорости газа для тангенциальной ступени представлена на рисунке 3.26.
Использование уравнения [82], полученного из баланса сил при медленном истечении газа из отверстия с острыми кромками в неподвижную средупозволяет найти диаметр пузырьков газа в начале барботажного режима (точки 2 на рисунке 3.27).Dc = 100 мм, R3 = 44 мм; 50 = 1-2 мм. а - и = щ; б - точки (1 - 3): 1 -f/F= 0,045; 2 - 0,02; 3-0,01. Пунктирная линия - начало кольцевого режима. Рисунок 3.25 - Изменение среднеповерхностного диаметра пузырька газа от количества каналов (а) и скорости газа (б) на ступени с многолопастным осевым завихрителем Рисунок 3.26 - Зависимость среднеповерхностного диаметра пузырьковгаза от скорости газа в каналах (а) и параметра f/F-и (б) для тангенциальногозавихрителяРезультаты расчета размера пузырьков газа по уравнению (3.17), рекомендованному для турбулентного потока [99], представлены на рисунке 3.27 пунктирной линией.где а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;\ — коэффициент сопротивления;є - диссипация энергии, Вт/кг. Диссипация энергии, входящая в уравнение (3.17), рассчитывалась по формуле є = EBH/m.
В предположении, что диссипация энергии происходит за счет внешнего трения о стенки и дно ступени (Евнеш) и внутреннего трения слоев жидкости и пузырьков газа (Евн), можно записатьгде Евн — энергия, диссипируемая за счет внутреннего трения слоев жидкости, Вт;Евнеш - энергия, диссипируемая за счет внешнего трения о стенки аппарата, Вт.Энергия входного потока:
Расчетные значения диаметра пузырьков газа, проведенные по изложенной методике, имеют большую величину (рисунок 3.27, пунктирная линия) в сравнении с опытными. Это позволяет предположить, что дробление пузырьков газа на ступени обеспечивается не только силами внутреннего трения между вращающимися газо-жидкостными слоями, но и за счет давления, вызванного силами инерции. Согласно [99], дробление пузырьков начинается при скорости их движения более 0,1 м/с, сжимаемостью газо-жидкостного слоя можно пренебрегать до скорости порядка 7 м/с, что сопоставимо с условиями поставленных экспериментов.
Исследование вихревых контактных ректификационных ступеней
На основании проведенных исследований была разработана конструкция вихревой контактной ступени [128], включающая переточные устройства и конструкции завихрителеи с низким гидравлическим сопротивлением, апробация которых была осуществлена в ректификационной многоступенчатой колонне. Переточные устройства. Анализ известных вихревых контактных ступеней выявил следующие варианты переточных устройств (рисунок 5.7), обеспечивающих перетекание жидкости с вышележащей ступени на нижележащую. Переточное устройство, изготовленное по схеме 5.7 г, не может быть использовано на практике по причине гашения устройствами вращательного движения газо-жидкостной смеси на ступени. Устройство, размещенное по схеме 5.7 а, металлоемко из-за наличия дополнительной царги 4. Переливное устройство, представленное на рисунке 5.7 в, обеспечивает работу контактной ступени только в узком диапазоне концентрации по жидкости и газу. Использование устройства по схеме 5.7 б хотя и предпочтительнее других, но - гидрозатворный стакан. Рисунок 5.7 - Схема размещения переточных устройств на контактной ступени В этой связи, разработана и запатентована [128] контактная вихревая ступень с центральным переточным устройством, которая представлена на рисунке 5.8. Изменяя высоту перетока, ширину и длину направляющего желоба и используя зависимости, представленные в главе 3, достигается заданный уровень жидкости на ступени. В данной работе прошли апробацию контактные ступени диаметром от 100 до 250 мм и диаметром перетока от 10 до 50 мм. Завихрители контактной ступени. Практическую апробацию прошли осевые (рисунки 5.9 и 5.11) и тангенциальные (рисунки 5.12 и 5.13) завихрители, разработанные по результатам исследования. Осевой многолопастной завихритель изготавливался из двух плотно прижатых друг к другу профилированных листов, на которых выполнялись просечки в форме трапеции, сужающейся к центру, на основании которой на верхнем листе выполнялись прорези. - корпус; 2 - завихритель; 3 - переток; 4 - гидрозатвор; 5 - направляющий желоб, а - переточное устройство с отдельным гидрозатвором; б - встроенным гидрозатвором; в - вид сверху контактной ступени. Рисунок 5.8 - Элементы контактной ступени с осевым (а) и тангенциальным завихрителем (б) Поворот профилированных листов относительно друг друга на величину прорези и отгиб боковой кромки каждой просечки со стороны размещения прорезей верхнего листа под кромку просечки нижнего листа позволили получить промышленный вариант завихрителя, обеспечивающий достаточно низкое сопротивление на контактной ступени. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газа в каналах рассматриваемого завихрителя представлена на рисунке 5.10. Как видно из графиков (рисунок 5.10), начало кольцевого режима (пунктирные линии) реализуется при сопротивлении контактной ступени, равном 200 - 400 Па. Указанный режим наблюдается при скорости пара в каналах от 8 до 20 м/с. Так как наибольшее влияние на сопротивление контактной ступени оказывает радиус завихрителя (с увеличением которого, сопротивление уменьшается), разработан дополнительный вариант осевого завихрителя (рисунок 5.11) для контактных ступеней большого диаметра, который выполнен из листа фрезерованием. Гидравлическое сопротивление такой ступени (рисунок 5.14, пунктирная линия) для кольцевого режима составило 100 - 600 Па. Измеренные параметры газо-жидкостного слоя на ступени для разработанного осевого завихрителя представлены в Приложении (таблица A3). Конструкция осевого многолопастного завихрителя Осевые завихрители наиболее предпочтительны при конструировании контактных ступеней с небольшим межступенчатым расстоянием, так как каналы для прохода газа в нем размещены в радиальном направлении, тогда как в тангенциальном завихрителе они расположены вертикально.
О - параллельные тангенциальные каналы и плоская кромка; R3 = 65 мм; n = 50 шт.; 50 = 1 мм; / = 5 мм; - конические каналы из пластин с острой кромкой; R3 = 65 мм; п = 50 шт.; 5о = 1,2 мм; 1 = 5 мм; д - осевой многолопастной завихритель; R3 = 65 мм; п = 60 шт.; 5о — 1 мм; / — 5 мм на системе воздух - вода; - при ректификации гидролизного этилового спирта.
Рисунок 5.14 - Зависимость гидравлического сопротивления сухой ступени для осевых и тангенциальных завихрителей. Обобщая результаты исследования промышленных вариантов завихрителей, можно утверждать, что для уменьшения величины гидравлического сопротивления ступени необходимо увеличивать суммарную лощадь сечения выходных каналов и радиус завихрителя, уменьшать величину зазора каналов для выхода газа и, по возможности, их количество. Основным преимуществом ступеней с тангенциальными завихрителями является простота их изготовления. Как показал опыт конструирования вихревых ступеней, при создании колонн большой производительности по пару с целью обеспечения низкой критической скорости газа в каналах и низкого сопротивления наиболее востребована контактная ступень с комбинированными завихрителями (с размещением на одной ступени осевых и тангенциальных завихрителей). Данные по исследованию контактных ступеней позволили изготовить и опробовать колонну с вихревыми контактными ступенями для очистки и укрепления спирта этилового ректификованного технического. Проведенные испытания подтвердили результаты, представленные в третьей и четвертой-главах. Наработан очищенный этиловый спирт ректификованный технический (Канского Биохимического завода) с концентраций показателей физико-химических свойств в 2 - 2,6 раза ниже в сравнении с исходным составом (см. Приложение). Расчет показателей разработанной вихревой и насадочной [127] колонн осуществлен для смеси дихлорметан — гексан, используемой в опытном производстве получения биополимера [22] при культивирования водородоокисляющих бактерий. Исходные данные: смесь дихлорметан - гексан; начальная концентрация дихлорметана - 40 % мае; концентрация дихлорметана в дистилляторе - 98 % мае; флегмовое число Яф = 3; средняя плотность паров по сечению рп = 3,4 кг/м ; расход паров G„ = 1000 кг/ч = 0,28 кг/с = 0,082 м3/с; По данным наших исследований число теоретических ступеней для рассматриваемой смеси составило 70 шт. Физические параметры сред представлены в таблице 5.1. Принимаем из практических данных скорость пара по сечению вихревой колонны (отсутствует унос жидкости на ступени) w0= 5 м/с. Диаметр вихревой колонны Для упрощения компоновки ступени, принимаем диаметр вихревой колонны - 0,2 м. Тогда скорость по сечению колонны составит и0 2,6 м/с. Мощность нагревателей в кубовой части колонны Высота насадочнои колонны. Согласно [127] величина, эквивалентная одной теоретической тарелке насадочнои колонны, равна 100 мм. Тогда общая высота насадочнои колонны составит Принимаем высоту вихревой контактной ступени 70 мм, а среднюю эффективность ступени 0,65. Количество действительных ступеней П = —- = = 107.7 шт. Принимаем 108 ступеней. Высота вихревой колонны Сопротивление насадочнои колонны со спирально-призматической насадкой [119]
