Содержание к диссертации
Введение
1. Тепловые и массообменные процессы в ректификационных аппаратах пленочного типа
1.1 Пленочные массообменные аппараты 10
1.2 Анализ модельных представлений структуры потоков в пленочных ректификационных аппаратах
1.3 Моделирование процесса массопереноса 14
1.4 Кинетика процессов массопередачи 17
1.5 Теплообмен в испарителе ректификационной колонны 19
2. Математическое описание тепло- и массообменных процессов в аппаратах пленочного типа при ректификации атмосферного воздуха
2.1 Технологический процесс получения азота методом ректификации в воздухоразделительных установках малой производительности
2.2 Математическое описание процессов в ректификационной колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой
2.2.1 Математическое описание тепло- и массообменых процессов в испарителе, конденсаторе и секциях разделения насадочной ректификационной колонны
2.2.2 Гидродинамические и диффузионные параметры в секциях разделения ректификационной колонны
2.2.3 Теплофизические и гидродинамические параметры в испарителе ректификационной колонны
2.3 Разработка моделирующих алгоритмов и программно-моделирующего комплекса, реализующего расчет уравнений математического описания
3. Экспериментальное исследование тепло- и массообменных процессов в насадочной ректификационной колонне
3.1 Экспериментальная установка для исследования тепловых и массообменных процессов в насадочной ректификационной колонне
3.2 Методы, способы и устройства контроля основных параметров процессов, протекающих в ректификационной колонне
3.3 Методика проведения эксперимента 66
3.4 Оценка погрешностей полученных расчетных и экспериментальных данных
3.5 Анализ и обобщение полученных экспериментальных и расчетных данных и параметрическая идентификация разработанного математического описания
4. Идентификация параметров рационального режима работы воздухоразделительной установки малой производительности
4.1 Интенсификация тепломассобмена на контактном устройстве насадочной ектификационной колонны
4.2 Разработка алгоритма, программная реализация и поиск рациональных параметров процесса ректификации атмосферного воздуха
Заключение 93
Список литературы
- Моделирование процесса массопереноса
- Математическое описание процессов в ректификационной колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой
- Теплофизические и гидродинамические параметры в испарителе ректификационной колонны
- Методы, способы и устройства контроля основных параметров процессов, протекающих в ректификационной колонне
Введение к работе
Актуальность темы
Возрастающая потребность в сжатых и сжиженных газах, продиктованная стремительным развитием нефтегазовой и горнодобывающей промышленности в районах, находящихся на значительном удалении от заводов по производству продуктов разделения воздуха, определяет необходимость повышения эффективности воздухоразделительных установок (ВРУ) малой производительности.
В основу работы таких ВРУ положен холодильный цикл высокого давления с дросселированием и расширением газа в детандере, при этом непосредственно разделение воздуха основано на методе ректификации. Сравнительно малые объемы перерабатываемого атмосферного воздуха позволяют рассматривать ректификацию как термодинамический процесс, протекающий в гетерогенной бинарной системе, сопровождающийся переносом тепла и массы между потоками паровой и жидкой фаз, состоящих из двух компонентов - азота и кислорода.
Эффективность процесса ректификации обусловлена как конструктивными, массообменными и динамическими характеристиками ректификационных колонн, так и правильным выбором рациональных режимов работы, при которых обеспечится максимальная интенсификация тепловых и массообменных процессов на контактном устройстве.
Исследованием тепломассообменных процессов в пленочных аппаратах и конструкций различных типов насадок занимались П.Л. Капица, В.В. Кафаров, Н.М. Жаворонков, В.А. Малюсов, A.M. Архаров, И.А. Архаров, В.П. Алексеев, В.М. Олевский и др. При этом экспериментально и теоретически обосновано использование для интенсификации тепломассобмена при ректификации воздуха пакетных гофрированных насадок.
В работе А.В. Козлова проведено исследование гидродинамических и массообменных характеристик различных структурных пакетных гофрированных насадок при ректификации воздуха, которое показало их высокую пропускную способность, малое гидравлическое сопротивление.
Исследование возможности интенсификации массобменных процессов в действующих ВРУ существенно осложняется особенностями применяемых технологических схем, в которых проявляются сильные взаимные связи между параметрами процесса.
В связи с этим актуальность и задача исследования определяются необходимостью изучения характера и закономерностей протекания тепловых и массообменных процессов в ректификационной колонне насадочного типа, а решаемая научная задача диссертационной работы заключается в идентифи-
кации параметров процесса ректификации атмосферного воздуха, соответствующих рациональным режимам работы ВРУ.
Цель работы - определение рациональных параметров процесса ректификации атмосферного воздуха в аппаратах пленочного типа для повышения эффективности ВРУ малой производительности.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
разработать математическое описание стационарных процессов в наса-дочной ректификационной колонне и программный комплекс, позволяющие учесть при численном моделировании процесса массопередачи влияние изменения составов паровой и жидкой фаз по высоте колонны на их термодинамические свойства;
разработать способ измерения величины отбора дистиллята из верха ректификационной колонны с целью повышения достоверности экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса при ректификации атмосферного воздуха;
провести экспериментальные исследования влияния изменения входных параметров на эффективность тепло- и массообменных процессов и получить критериальные зависимости для определения коэффициентов массоопередачи;
идентифицировать входные параметры, соответствующие рациональному режиму работы ректификационной колонны, позволяющие интенсифицировать процессы тепло- и массообмена при ректификации атмосферного воздуха.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической основой исследования является теория тепло- и массопереноса в бинарных гетерогенных системах. Теоретической и эмпирической базой исследования явились методы теории и эксперимента в области тепло-массопереноса. Обработка результатов проводилась с использованием методов математической статистики.
Научные результаты, выносимые на защиту:
математическое описание стационарных процессов в насадочной ректификационной колонне и программный комплекс, позволяющие учесть при численном моделировании процесса массопередачи влияние изменения составов паровой и жидкой фаз по высоте колонны на их термодинамические свойства;
способ дискретного измерения величины отбора дистиллята из верха ректификационной колонны;
полуэмпирические критериальные уравнения для расчета коэффициентов массопередачи в жидкой и паровой фазах в насадочной колонне и поправочный коэффициент в уравнении, связывающем величину теплового потока и температурный напор между стенкой змеевика испарителя и кубовой жидкостью;
- входные параметры, соответствующие рациональному режиму процесса
ректификации атмосферного воздуха, поддержание которых позволило повы
сить среднюю производительность ВРУ малой производительности по продук
ционному азоту на 9 %.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
разработано математическое описание и программный комплекс, отличающиеся учетом при осуществлении численного моделирования стационарных тепловых и массообменных процессов в насадочной ректификационной колонне влияния изменения составов паровой и жидкой фаз по высоте колонны на их термодинамические свойства и особенности взаимосвязи параметров процесса, определяемые применяемой технологической схемой в ВРУ малой производительности;
разработан способ дискретного измерения величины отбора дистиллята из верха ректификационной колонны, позволяющий повысить достоверность результатов экспериментальных исследований тепловых и массообменных процессов при ректификации атмосферного воздуха, отличающийся учетом одновременного измерения уровня жидкости как в трубном пространстве конденсатора-испарителя ректификационной колонны низкого давления, так и в емкости для сбора продукта за счет использования разработанного устройства измерения уровня, инвариантного к изменению давления и концентрации жидкости, на которое получен патент РФ на изобретение № 2550311;
впервые для расчета коэффициентов массопередачи в жидкой и паровой фазах при ректификации атмосферного воздуха в колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой ВРУ малой производительности получены полуэмпирические критериальные уравнения и уточнен вид уравнения, описывающего процесс теплообмена при кипении кубовой жидкости в испарителе в широких диапазонах изменения входных параметров;
определены входные параметры, соответствующие рациональному режиму работы ВРУ малой производительности, что позволило за счет интенсификации тепло- и массообменных процессов в ректификационной колонне повысить среднюю производительность ВРУ по продукционному азоту на 9 %.
Достоверность результатов исследования обеспечивается корректным применением положений фундаментальных законов тепло- и массопереноса; использованием апробированных численных методов; практикой применения рассматриваемого в диссертации математического описания на действующей ВРУ.
Практическая значимость работы состоит в определении рациональных параметров процесса ректификации атмосферного воздуха, что позволило интенсифицировать тепломассообмен на контактном устройстве ректификацион-
ного аппарата пленочного типа и повысить производительность ВРУ малой производительности по продукционному азоту на 9 %.
Научные положения диссертации реализованы в виде патентоспособного объекта (Патент РФ на изобретение № 2550311) «Устройство измерения уровня криогенной жидкости» инвариантного к изменениям концентрации жидкости и давления в аппаратах ВРУ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 3. «Исследование термодинамических процессов и циклов применительно к установкам производства и преобразования энергии», п. 7. «Экспериментальные и теоретические исследования процессов совместного переноса тепла и массы в бинарных и многокомпонентных смесях веществ, включая химически реагирующие смеси» и п. 9. «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты» из паспорта специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника.
Апробация и реализация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Наука, техника, инновации-2014», (Брянск, 2014); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития химии, нефтехимии и нефтепереработки», (Нижнекамск, 2014); Всероссийских научно-практических конференциях ВАИУ и ВУНЦ ВВС «ВВА» (Воронеж, 2011-2014); на научных семинарах кафедры криогенной техники, систем кондиционирования и метрологического обеспечения ВУНЦ ВВС «ВВА» (Воронеж, 2011 - 2014).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 научных работах, из них 2 в реферируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ. Получен патент РФ на изобретение № 2550311.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1, 3-5] -разработка математического описания и вычислительного алгоритма; [2] - разработка алгоритма определения рациональных режимов процесса ректификации атмосферного воздуха; [6 - 9] - разработка автоматической системы сбора параметров процесса ректификации, разработка экспериментальной установки; [10] - разработка устройства измерения уровня жидкости в аппаратах ВРУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 124 страницы текста, 30 рисунков и 5 приложений. Список литературы содержит 103 наименования.
Моделирование процесса массопереноса
В настоящее время в широком спектре технологических процессов различных областей промышленности при решении задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования используются явления тепло- и массопереноса. Эти явления положены в основу таких процессов как ректификация, абсорбция, дистилляция, протекающих, преимущественно, в аппаратах колонного типа с противоточнои схемой движения потоков. Эффективность тепло- и массообменных процессов, а соответственно, и технико-экономические показатели разделительных установок определяются как характеристиками массообменных аппаратов, так и правильным ведением технологического процесса.
В. В. Кафаровым [1] предложено все массообменные аппараты разделить на три основные группы: аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта: пленочные колонны с орошаемыми стенками, колонны с плоскопараллельной насадкой, полочные колонны; аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков: тарельчатые колпачковые и ситчатые колонны, тарельчатые колонны с однонаправленным движением пара и жидкости, тарельчатые решетчатые или ситчатые колонны без переточных патрубков, насадочные колонны, колонны с затопленной насадкой; аппараты с внешним подводом энергии: аппараты с механическими мешалками, пульсационные колонны, ротационные аппараты. Для разделения воздуха на составные компоненты используют процесс ректификации, представляющий собой двусторонний тепло- и массообмен между неравновесными потоками пара и жидкости, в результате которого пар обогащается низкокипящим, а жидкость - высококипящим компонентом. Для осуществления этого процесса необходимо, чтобы в ректификационных колоннах между жидкостью и паром была развитая поверхность контакта, для формования которой существуют различные способы. Наибольшее распространение получили барботаж-ные и пленочные ректификационные колонны. В первом случае поверхность контакта образуется в результате процесса барботажа пара через слой жидкости, во втором за счет движения пара вдоль пленки жидкости, образующейся на развитой поверхности контактных элементов [2 - 4]. В барботажных ректификационных колоннах, основными элементами кото рых являются ситчатые или колпачковые тарелки, контакт фаз организуется сту пенчато. Такие колонны обладают высоким гидравлическим сопротивлением [5, 6].
Пленочные ректификационные колонны отличаются малой удерживающей способностью жидкости, меньшим гидравлическим сопротивлением, допускают пульсацию скорости парового потока без нарушений режима разделения и, при одинаковых массообменных характеристиках, имеют меньшие габаритные размеры по сравнению с тарельчатыми ректификационными колоннами [7-15].
В настоящее время, несмотря на значительный прогресс в области создания высокоэффективных насыпных насадок, наиболее перспективными являются конструкции структурных пакетных насадок, в которых элементы расположены в определенном порядке по всему объему, исполняют роль направляющих для взаимодействующих фаз и обеспечивают их тесный контакт и хорошую турбулизацию. Можно выделить следующие преимущества структурных насадок перед насыпными насад очными контактными устройствами [17 - 22]: - высокие скорости движения пара, что позволяет уменьшить диаметр аппарата; - устойчивая работа в широком диапазоне изменения нагрузок по пару и жидкости, обеспечивающаяся особенностями исполнения регулярных насадок, исключающих возможность «проскока» жидкости при резких изменениях скорости пара или временном прекращении поступления флегмы; - низкое гидравлическое сопротивление насадок; - высокая локальная удерживающая способность регулярных насадок и особенности непрерывного процесса массообмена позволяют сократить пусковой период блоков разделения; - высокие прочностные характеристики при вибрационных нагрузках. В работах Козлова А.В. [4, 23] произведён анализ параметров и характеристик многих насадок. Проведенные им экспериментальные и теоретические исследования тепло- и массообменных процессов при ректификации воздуха определили возможность повышения эффективности воздухоразделительных установок за счет использования ректификационных колонн со структурной пакетной гофрированной насадкой.
Исследование и разработка новых типов структурных насадок, повышение их массообменных и эксплуатационных характеристик и последующее использование связано со значительным объемом как конструкторских, так и технологических разработок. Внедрение в существующие воздухоразделительные установки более эффективных насадочных ректификационных колонн сопровождается значительными трудностями, обусловленными изменением гидродинамических характеристик ректификационных колонн и, соответственно, изменением режимных параметров технологического процесса [24 - 27].
Математическое описание процессов в ректификационной колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой
Для работы ректификационной колонны необходимо организовать противо-точное движения паровой и жидкой фаз. Подача жидкости в колонну осуществляется либо непосредственно с потоком питания, либо за счет конденсации пара, поступающего в конденсатор ректификационной колонны. Для питания ректификационной колонны паром используются испарители, кипение жидкости в которых осуществляется либо за счет нагрева с использованием электронагревательных элементов, либо за счет тепла, передаваемого потоками, участвующими в технологическом процессе. В ректификационных колоннах, предназначенных для разделения воздуха используется вторая схема, при которой кипение кубовой жидкости осуществляется за счет ее подогрева технологическим потоком, протекающим по змеевику испарителя.
Анализ кривой кипения в широком интервале изменения величины теплового потока позволяет выделить три основных режима кипения [37, 38]: пузырьковое кипение, переходное кипение и пленочное кипение.
Переходный процесс между пузырьковым и пленочным режимами кипения характеризуется изменением теплового потока с критического максимального до критического минимального значения.
Величина теплового потока в испарителях ректификационных колонн воздухо-разделительных установок определяет пузырьковый режим кипения. В настоящее время имеются обширные данные по пузырьковому кипению жидких азота, кислорода, аргона, водорода [39-43], однако отсутствуют зависимости, удовлетворительно обобщающие полученные экспериментальные результаты.
Исследование теплообмена при кипении развивалось в двух направлениях. Первое направление определяло путь эмпирического решения вопроса, второе развивалось по пути теоретического и экспериментального изучения механизма кипения и, непосредственно, исследования физики зарождения и роста паровых пузырей. Исследованием вопроса кипения занимались Г.Н. Кружилин, С.С. Кутателадзе, В.И. Толубинский, Д.А. Лабунцов, В.М. Боришанский.
Г.Н. Кружилин, при описании процесса кипения предполагал, что теплота от поверхности нагрева воспринимается только жидкой фазой и реализуется при испарении жидкости в объем поднимающихся пузырей пара и со свободной поверхности [44; 45 С. 209; 39, С. 127]. Уравнение подобия, полученное им, имеет вид Nu = 0,0S2Kq7Ku33 Pr 045, (18) где Kq - комплекс, определяющий плотность центров парообразования, Ки - комплекс, определяющий частоту отрыва паровых пузырей. С.С. Кутателадзе [40], проведя обработку большого количества экспериментальных данных по кипению жидкостей в большом объеме, предложил следующее соотношение для определения величины теплового потока где гж - теплота парообразования, рп - плотность насыщенного пара, Срж - коэффициент удельной теплоемкости насыщенной жидкости, Хж - коэффициент теплопроводности насыщенной жидкости,/) - плотность насыщенной жидкости, ож- коэффициент поверхностного натяжения на поверхности раздела фаз, /иж- динамическая вязкость насыщенной жидкости, Тж - температура насыщенной жидкости. Однако расхождения экспериментальных и расчетных данных, полученных с использование этого соотношения, весьма значительные.
Д.А. Лабунцовым построена теория теплообмена при кипении на основе модели микрослоевого испарения, в которой основной причиной испарения жидкости в растущий на теплоотдающей поверхности паровой пузырь, является теплота, подводимая путем теплопроводности от поверхности нагрева через микрослой жидкости в его основании. Такой подход позволил Д.А. Лабунцову получить теоретическую зависимость для суммарной плотности теплового потока, состоящей из плотности теплового потока передаваемой теплопроводностью через заторможенный слой к основной массе жидкости, и плотности теплового потока, расходуемой на испарение жидкости у поверхности нагрева непосредственно в паровой пузырь [39] где X - коэффициент теплопроводности, о - коэффициент поверхностного натяжения, v - кинематическая вязкость, р - плотность, г - теплота испарения, Q и С - постоянные, индексы и " относятся к пару и жидкости соответственно. В работе [46] предложена расчетная формула, полученная в результате обработки экспериментальных данных по кипению кислорода, азота и воздуха при давлениях, близких к атмосферному где W - безразмерная величина, являющаяся аналогом критерия Рейнольдса при кипении в трубах, Рг - критерий Прандтля, Н - относительно кажущийся уровень жидкости в трубах, отнесенный к общей высоте трубы.
В работах [47 - 49] для связи коэффициента теплоотдачи с тепловой нагрузкой при развитом кипении предлагается использовать степенную зависимость, предложенную Д.А. Лабунцовым
При этом различия в поверхностных условиях оказывают существенное влияние на величины коэффициентов теплоотдачи при одинаковых тепловых нагрузках и давлениях, которые могут достигать отклонений до 35 % от некоторого статистически среднего для данной жидкости уровня. В данном случае задача теоретического описания или обобщенной корреляции опытных данных сводится к определению в уравнении (22) коэффициента пропорциональности С, являющегося функцией физических свойств кипящей среды и поверхностных условий.
Значительные расхождения экспериментальных данных, полученных в результате различных исследований с результатами расчета объясняются не только существенно отличающимися условиями и методикой проведения опытов, погрешностями измерений и различными подходами к обоснованию выбора эмпирических коэффициентов, но и отсутствием учета многих важнейших факторов пузырькового кипения, к которым можно отнести шероховатость, теплофизические свойства материала и толщину теплоотдающей поверхности, ее геометрические параметры
Теплофизические и гидродинамические параметры в испарителе ректификационной колонны
В испарителе ректификационной колонны имеет место конвективный теплообмен между потоком воздуха высокого давления и стенкой змеевика, по которому он протекает, и теплообмен между стенкой змеевика и кубовой жидкостью при ее кипении.
Конвективный теплообмен определяется гидродинамикой потока, теплофи-зическими свойствами воздуха, геометрией поверхности и рядом других факторов. Расчеты конвективного теплообмена основаны на понятии коэффициента теплоотдачи а, Вт/(м2К), который характеризует интенсивность теплообмена между средой и поверхностью тела. Тепловой поток при конвективной теплоотдачи находят по формуле Ньютона-Рихмана [71, С. 532 - 538] где Ті - температура потока вещества, 1 - температура поверхности тела.
Процесс конвективного теплообмена зависит от большого числа факторов. Однофазную конвекцию подразделяют на естественную и вынужденную. Поток по характеру течения - на ламинарный, переходный и турбулентный. Разнообразны геометрические формы поверхностей теплообмена: различают движение внутри каналов и различные варианты внешнего обтекания тел. При этом способы определения коэффициента теплоотдачи различны.
Несмотря на значительные достижения аналитической теории конвективного теплообмена, для расчетов наиболее широко используют обобщенные эмпирические и полуэмпирические формулы. Обобщение результатов эксперимента выполняют на основе теории подобия, в результате формируют безразмерные числа подобия, включающие коэффициент теплоотдачи а и переменные, от которых он зависит.
Связь между числами подобия, описывающими процесс теплообмена, устанавливают на основании опытных данных. Для конвективного теплообмена обычно используют критерии подобия Нуссельта, Рейнольдаса, Прандтля, Грасгофа, Стэнтона и др.
Эмпирические формулы представляют в виде Nu=CRenPfn, (2.80) где С, п, т - постоянные. Входящие в зависимости такого вида критерии подобия определяются тепло-физическими параметрами - теплопроводностью, вязкостью, теплоемкостью, плотностью и др., которые в свою очередь зависят от температуры и давления. Для определения коэффициента теплоотдачи потока ВВД воспользуемся уравнением, предложенным в работе [11, С. 291] «ввд =—7 4 (2.81) где Хввд - коэффициент теплопроводности воздуха высокого давления, Вт/(мК). В змеевике испарителя ректификационной колонны реализуется турбулентный режим течения воздуха высокого давления (Re 104), поэтому для определения критерия Нуссельта воспользуемся формулой предложенной в работах [7, С. 307; 72]
Для определения теплофизических параметров воздуха высокого давления использовались уравнения, отражающие зависимость их изменения от температуры потока и давления в канале змеевика испарителя:
Для описания процесса теплообмена между стенкой змеевика испарителя и кубовой жидкостью, учитывая ее пузырьковый режим кипения в большом объеме, воспользуемся зависимостью, отражающей связь между коэффициентом теплоотдачи и температурным напором [73] -коэффициент теплопроводности кубовой жидкости, Вт/(м- К); ц -динамическая вязкость кубовой жидкости, Па-с; а(и - коэффициент поверхностного натяжения кубовой жидкости, Н/м; ТИСЕ - температура кубовой жидкости. Коэффициент теплопроводности кубовой жидкости рассчитывается по уравнению, предложенному в работе [61, С. 439] где р с1 и р(ижп} - плотность кубовой жидкости и равновесного с ней пара, кг/м3. 2.3 Разработка моделирующих алгоритмов и программно-моделирующего комплекса, реализующего расчет уравнений математического описания Для реализации расчета тепловых и массообменных процессов, протекающих в насадочной ректификационной колонне высокого давления, в соответствии с предложенным математическим описанием разработан алгоритм математического моделирования, представленный на рисунке 8.
Алгоритм включает в себя четыре основных расчетных блока для моделирования процессов массообмена в секциях разделения, теплообмена в кубе ректификационной колонны и процесса дросселирования воздуха в регулировочном вентили Р-1. Для определения термодинамических параметров потоков в процессе решения уравнений математического описания дополнительно используются блок расчета термодинамических (ТД) параметров и база данных ТД.
Блок ввода (Функциональный блок (ФБ) 2) предназначен для задания конструктивных размеров ректификационной колонны и начальных параметров расчета.
К ним относятся: общий расход воздуха F, поступающий на разделение; расход FBBM, давление Рввд и температура Тввд воздуха, поступающего в змеевик испарителя; давление в ректификационной колонне Рквд, уровень кубовой жидкости в испарителе Иисп, заданная концентрация азота в продукте у д, шаг изменения величины отбора продукционного азота AD.
К конструктивным размерам, которые необходимо задать перед началом расчета относится: внутренний и наружный диаметр трубки змеевика испарителя, di и df, внутренний Di и наружный D2 диаметры навивки змеевка испарителя; зависимость изменения длинны трубки змеевика испарителя, находящейся в кубовой жидкости, от ее уровня в испарителе ректификационной колонны Ьисп=/(Ьисп) , высота ректификационной колонны Н, высота секции разделения № 1 hi и расстояние между нижними точками секций разделения hf, внутренний диаметр насадочной ректификационной колонны Икол, удельный объем є и удельная площадь поверхности насадки о.
Методы, способы и устройства контроля основных параметров процессов, протекающих в ректификационной колонне
Для уравнения (4.9) в работе [4] определены значения эмпирических коэффициентов а и Ъ применительно к структурной пакетной насадке, выполненной из алюминиевой фольги с круглым гладким профилем, при использовании которых данная зависимость принимает вид Таким образом, эффективность протекания процесса массопередачи в ректификационной колонне насадочного типа характеризуется как соотношением массовых расходов потоков флегмы и пара, так и их величинами в секции разделения № 2.
Разработка алгоритма, программная реализация и поиск рациональных параметров процесса ректификации атмосферного воздуха
Эффективность тепловых и массообменных процессов, протекающих в ректификационной колонне определяется режимом ее работы. Правильный выбор регулируемых параметров, уменьшение рабочих диапазонов их изменения позволит интенсифицировать процессы массопереноса и, как следствие, повысить разделительную способность ректификационной колонны и эффективность ВРУ в целом. Процесс управления ректификационной колонны иллюстрируется рисунком 23.
Связь между векторами входных, управляющих и выходных параметров отражает разработанное математическое описание стационарных процессов в наса-дочной ректификационной колонне, представленное в главе 2.
Задача повышения эффективности ВРУ может быть сформулирована, как идентификация параметров процесса ректификации, при поддержании которых будет максимально интенсифицирован массообмен на контактном устройстве [102].
Для решения задачи идентификации параметров управляющего вектора її, характеризующего рациональный режим работы ректификационной колонны при производстве жидкого азота, необходимо произвести поиск экстремума функции D=D(u) [94, 30, 103] где сопред - скорость пара, характеризующая момент начала режима захлебывания ректификационной колонны, сортах- максимальная допустимая скорость пара. Для решения задачи поиска экстремума функции D(u) и определения параметров рационального режима работы воздухоразделительной установки разработан алгоритм, структурная схема которого при D(u) = D[FBm,Твввхд,Нисп) представлена на рисунке 24.
Алгоритм решения математической задачи поиска экстремума функции D(li) и идентификации параметров рационального режима работы Принцип работы алгоритма основан на методе сканирования и реализуется следующим образом. В начале решения задается вектор входных параметров, минимальные и максимальные значения управляющих параметров, а также величины их изменения. Затем последовательно открываются три цикла, в которых задаются условия изменения соответствующего управляющего параметра с заданным шагом FBBM, кТввд, Акисп. ВО внутреннем цикле задается начальное значения величины отбора продукта D и осуществляется циклическое решение уравнений математического описания с постепенным увеличением значения отбора продукта D на величину AD, в случае если выполняются условия (4.14) и (4.15).
Таким образом, в процессе решения алгоритма осуществляется поиск максимального значения величины D=Dmax и значений параметров управляющего вектора й соответствующих максимальной производительности при заданной концентрации.
Алгоритм, представленный на рисунке 4, был реализован в виде m-файла в среде программирования MATLAB. Основным модулем является программно-моделирующий комплекс, реализующий расчет стационарных процессов в насадоч-ной ректификационной колонне, описанный в главе 2.
На рисунках 25-30 представлены графики, показывающие зависимость изменения концентрации продукта от изменения входных параметров.
В результате проведенного поиска с использованием разработанного программного комплекса определены значения параметров, соответствующих рациональному режиму работы воздухоразделительной установки, представленные в таблице 5.
Для оценки эффективности полученных результатов было проведено экспериментальное исследование с целью измерения средней производительности ВРУ. В процессе работы экспериментальной ВРУ входные параметры поддерживались в диапазонах, указанных в таблице 4. Работа блока комплексной очистки и осушки воздуха, ожижителя, компрессорных агрегатов осуществлялась в строгом соответствии в строгом соответствии с инструкцией по эксплуатации, производительность детандера соответствовала 85 %. 97.5 150 D кг/ч
Начальная и конечная границы временного интервала, в течении которого происходило наполнение емкости, определялись, в первом случае, моментом достижения уровня жидкости в емкости для сбора продукционного азота ВРУ выше произвольно выбранной отметки, а во втором случае, моментом повышения уровня выше заданной отметки после очередного слива жидкости из емкости ВРУ в резервуар. Абсолютная погрешность измерения средней производительности определялась по формуле
Номер замера Масса емкости с жидким азотом, кг Время наполнения емкости, ч Средняя производительность ВРУ,.кг/ч Абсолютная погрешностьизмерениясредней про-изводи-тель-ности,кг/ч Концентрация азота впродукте, % Номинальная про-изво-ди-тель-ность ВРУ, кг/ч
Таким образом, поддержание входных параметров воздухоразделительной установки в диапазонах, соответствующих рациональному режиму работы, позволило интенсифицировать тепловые и массообменные процессы, протекающие в пленочном ректификационном аппарате и повысить среднюю производительность ВРУ на 9 %, при значительной стабилизации концентрации азота в продукте не превышающей 99,0 %.