Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 13
1.1 Обзор существующих массообменных устройств ректификационных колонн 13
1.2 Расчет процесса ректификации бинарных систем 26
1.3 Математическое описание процесса ректификации 29
1.4 Моделирование ректификационных установок 30
1.5 Математические модели процесса ректификации бинарных систем 34
Выводы по литературному обзору 45
ГЛАВА II. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 48
2.1 Описание схемы экспериментальной установки 48
2.2 Описание конструкции экспериментальной установки 52
2.3 Описание пакетной вихревой насадки 53
2.4 Методика проведения исследований 59
ГЛАВА III. Математическая модель процесса ректификации 62
ГЛАВА IV. Обсуждение результатов исследования 73
4.1 Гидродинамика процесса ректификации 75
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
- Расчет процесса ректификации бинарных систем
- Математические модели процесса ректификации бинарных систем
- Описание конструкции экспериментальной установки
- Тепло - и массообмен в ректификационной колонне с пакетной вихревой насадкой
Введение к работе
Актуальность работы. 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 %.
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.
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.
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 м3/м2ч).
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.
Всех выше перечисленных недостатков лишена пакетная вихревая насадка, разработанная в ИГХТУ.
В отличие от тарельчатых колонн, которые работают в режиме барботажа, и всех известных насадочных устройств: регулярных и нерегулярных, работающих только в пленочном режиме, пакетная вихревая насадка работает в устойчивом режиме, (близком к эмульсионному, в широком диапазоне скоростей пара 2,5-5,5 м/с), при котором наблюдаются наиболее высокие значения коэффициентов тепло - и массопередачи, зафиксированные еще в работах акад. Н.М. Жаворонкова, акад. В.В. Кафарова и проф. А.Н. Плановского в середине прошлого столетия, но при меньших скоростях газа (2,0 – 2,2 м/с) в аппаратах с кольцами Рашига.
На кафедре МАХП ИГХТУ ранее были проведены исследования процесса периодической ректификации водного раствора этанола при использовании новой пакетной вихревой насадки. 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:
– 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 Re 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 11х11х30 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 конструкции пилотных ректификационных колонн для разделения водно-метанольной, формальдегидной и этанольной смесей.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», Казань – 2012, на IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011», труды конференции, Москва – 2011, на региональной студенческой научной конференции «Дни науки-2013», Иваново – 2013.
Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 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.
Расчет процесса ректификации бинарных систем
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 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.
Колпачковые тарелки изготовляют из сталей разных марок, чугуна, меди, керамики, углеграфита и пластмасс [14,58].
Скорость пара в тарелках с капсульними 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, S-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].
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 S-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 S-образная тарелка имеет скорость паров в свободном сечении 0,3-0,6 м/с; гидравлическое сопротивление до 0,7-1 кПа [91, 62].
Для повышения диапазона устойчивой работы и производительности таких тарелок S-образные элементы снабжают прямоточными клапанами прямоугольной формы, размещенными на верхней площадке S-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].
Математические модели процесса ректификации бинарных систем
Ректификационная колонна, с внутренним диаметром 98 мм и общей высотой 2,5м, состоит из двух частей: верхней 1,5 м и нижней -1м. Корпус колонны выполнен из нержавеющей стали и состоит из отдельных царг, которые между собой соединяются фланцами через болтовое соединение. В качестве массообменных устройств в нижней и верхней части установлены пакетные вихревые насадки. В нижней части установлено 9 пакетов. Пакет имеет высоту 60 мм, ячейка с поперечным сечением 20x20 мм. В верхней части установлено 33 пакета, высотой 30 мм, с поперечным сечением ячейки 11x11мм. Колонна снабжена двумя оросительными устройствами, в виде форсунок, для орошения нижней и верхней частей ректификационной колонны. В колонне предусмотрены штуцера ввода исходной смеси, а также штуцер для подачи флегмы. В крышке аппарата имеется штуцер для соединения с дефлегматором.
Нагреватель исходной смеси представляет собой теплообменник цилиндрической формы с входом (в нижней части) и выходом (в верхней части) исходной смеси, внутри которого расположен один тэн, мощностью 15кВт.
Ректификационная колонна установлена на ее кубовой части. Куб, диаметром 0,45м и объемом 30 л, расположенный в нижней части колонны, закреплен на «юбочной» опоре. В кубовом пространстве, объемом 30 л, размещены три нагревателя, мощностью 5 кВт каждый. Конструкцией предусмотрен штуцер (кран) слива кубовой жидкости в днище куба. В выносном кубе-испарителе, диаметром 0,25м объемом 15 л также расположено три нагревателя, мощностью по 5 кВт, для удобства управления температурой испаряемой смеси.
Дефлегматор, Рдеф=0,9 м2, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, жесткой конструкции (без компенсатора). Дефлегматор имеет два штуцера в трубном пространстве для входа и выхода хладоагента (вода). Наряду с этим размещены два штуцера для входа пара и для выхода готового продукта (дистиллята). Для удобства обслуживания дефлегматор установлен в вертикальном положении, поэтому для его закрепления предусмотрены лапы (опоры), с помощью которых он закреплен на консольной балке.
Для поддержания изотермических условий колонна, куб и нагреватель исходной смеси покрыты теплоизоляцией. По высоте колонны установлено 8 термопар. По показаниям термопар осуществляется регулирование температуры в кубе колонны. Для контроля уровня смеси в кубе имеется водомерное стекло. Количество флегмы устанавливается и регулируется дозировочным насосом. Расходы исходной смеси измеряются и также регулируются.
Описание пакетной вихревой насадки Одним из направлений развития современного аппаратостроения является создание высокоэффективного, компактного и малоэнергоемкого оборудования, которое должно отличаться простотой конструкции, высокой технологичностью и надежностью в эксплуатации. Анализ существующих массообменных устройств показывает, что при разработке новых конструкций стремятся увеличить линейные скорости течения парогазовых потоков, что, в свою очередь, увеличивает коэффициент массопередачи в системе газ-жидкость и уменьшает как диаметр аппаратов, так и его высоту. Используемые в промышленности аппараты с насыпной насадкой (зернистая, хордовая) подвергались усовершенствованию и оснащались более совершенными видами насадок, такими как, кольца Палля, "Инталлокс", седла Берля и другими видами насадок. Появление новых насыпных насадок привело к увеличению межфазной поверхности в единице занимаемого объема, но не ликвидировало недостатков, характерных для насадочных мокрых скрубберов: малая скорость газовой фазы по сечению аппарата, высокое значение гидравлического сопротивления насадочного слоя, неравномерность распределения жидкой фазы по поперечному сечению аппарата, пленочный характер течения жидкой фазы и малый коэффициент массоотдачи. Рабочие скорости парогазовых потоков, для подобных насадок, обычно не превышают 0,5+1,5 м/с. Неравномерность орошения по всему объему рабочего слоя насыпных насадок приводит к проскоку части газа без эффективного контакта со смоченной поверхностью, причем поверхность массообмена напрямую определяется поверхностью насадки.
Всех выше перечисленных в главе 1 недостатков лишена пакетная вихревая насадка, разработанная в ИГХТУ [63-66].
В отличие от тарельчатых колонн, которые работают в режиме барботажа и всех известных насадочных устройств: регулярных и нерегулярных, работающих только в пленочном режиме, пакетная вихревая насадка работает в устойчивом эмульсионном режиме в широком диапазоне скоростей пара 2,5-5,5 м/с, в котором наблюдаются наиболее высокие значения коэффициентов тепло-и массопередачи, зафиксированные еще ранее в работах акад. Н.М. Жаворонкова, а затем В.В. Кафарова и А.Н. Плановского.
Пакетная вихревая насадка рис. 14 для тепло - и массообменных аппаратов состоит из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет удлиненных, загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель. На выходе из ячейки, окончания обеих стенок также выполнены удлиненными и загнутыми внутрь, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель. Поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта регулярной шероховатостью или перфорацией любой формы.
Описание конструкции экспериментальной установки
Для математического описания процесса ректификации этилового спирта в колонне с пакетной вихревой насадкой принимаем балансовую модель изменения концентрации легкокипящего компонента по высоте насадки, которая описывают стационарную работу ректификационной колонны непрерывного действия с учетом переменного К.П.Д. тарелки.
Расчет проводим от тарелки к тарелке, записывая для них уравнения материальных и тепловых балансов, рассчитывая условный к.п.д. каждой тарелки по конкретному гидродинамическому режиму переменных потоков пара и жидкой фазы.
К.п.д тарелки зависит как от гидродинамических режимов потоков пара и жидкой фазы, так и ее конструкционного оформления.
В качестве контактных элементов в ректификационной колонне применяем пакетную вихревую насадку. Под условной тарелкой в ректификационной колонне принимаем одинарный слой пакет жестко связанных между собой одинаковых вихревых ячеек, в которых в турбулентном режиме протекает тепло и массообменные процессы между жидкой и паровой фазами, целью которых является конденсация паров трудно кипящей жидкости и испарение легкокипящей жидкости. Назначение такой тарелки, как и любого другого контактного устройства, - обеспечить наиболее тесное соприкосновение жидкой и паровой фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними.
В связи с таким интенсивным турбулентным, вихревым течением жидкости и паровой фаз, каждая ячейка представляет собой миниаппарат идеального смешения. При переходе от ячейки к ячейке скачкообразно изменяются как концентрации паровой и жидкой фаз, так и их массовые расходы. Так как размеры ячеек одинаковы во всей колонне, то естественно, время пребывания жидкой и паровой фаз в ячейке является по высоте аппарата переменной величиной.
Рассмотрим і слой насадки в колонне рис.15. Пар Vt_{, поднимаясь вверх по колонне, взаимодействует на і слое с жидкостью L,+1, стекающей сверху. Когда фазы движутся противотоком, внутри вихревой ячейки образуются интенсивные вихревые движения за счет взаимодействия пара V,_x и жидкости Ll+l, что приводит к высокой турбулизации фаз и созданию развитой межфазной поверхности. Увеличение межфазной поверхности осуществляется за счет образования и моментального осаждения на стенках ячейки большого количества капель, так как каждая ячейка за счет сложного характера движения парового потока обладает свойствами генерации и быстрой сепарации капель. В результате такого взаимодействия, пар V-, обогащенный легколетучим компонентом, поднимается вверх по колонне и поступает на i+l слой. Содержание в жидкости LM, наоборот, понижается по мере ее движения вниз по колонне и на і-іслой поступает жидкость Ц. Проходя тарелку за тарелкой, пар всё" более обогащается спиртом.
В результате такого взаимодействия, тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется. Однако после прохода пара через одну тарелку равновесие между фазами не достигается. Мерой отличия состояния паровой и жидкостной фаз от их равновесного состояния является коэффициент полезного действия (КПД) тарелки.
Исходная смесь, состоящая из жидкой фазы LF, паровой фазы VF, концентрацией легколетучего компонента в жидкости xF и концентрацией легколетучего компонента в паре yF поступает в среднюю часть колонны. В верхнюю часть колонны на насадку поступает часть продукта-дистиллята с расходом D и концентрацией легколетучего компонента xD, которая отбирается из дефлегматора. Обедненный этим компонентом остаток с расходом W и концентрацией легколетучего компонента xw отводится в качестве нижнего продукта из куба-испарителя. Образующиеся в нем пары поднимаются по колонне, контактируя в ячейках от 1 до п со стекающей жидкостью, и поступают в дефлегматор, откуда часть образовавшегося конденсата, флегма, возвращается обратно в верхнюю часть колонны.
Схема потоков в ректификационной колонне непрерывного действия. 5) физико-химические свойства компонентов постоянны на данном контактном устройстве и усреднены в возможном диапазоне концентраций; 6) концентрация легко - и труднокипящих жидкостей изменяются скачкообразно от ячейки к ячейке; 7) жидкая и паровая фаза идеально перемешана в каждой ячейке. Рассмотрим математическую модель ректификационной колонны с одним вводом питания, имеющей п условных тарелок. Материальный баланс колонны.
Для начала отметим, что легколетучим компонентом данной смеси является этиловый спирт, а труднолетучим компонентом - вода. Зная производительность колонны по исходной смеси F и необходимые концентрации (массовые), можно найти производительность колонны по дистилляту LD и кубовому остатку Lw на основании уравнения материального баланса [98]. где M\, M2 - молярные массы легколетучего компонента и инертной фазы. Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Флегмовое число представляет собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята. Оно может принимать значения от Rmi„ до оо. При минимальном флегмовом числе можно получить максимальное количество дистиллята, но число тарелок становится бесконечно большим. Если флегмовое число принять равным бесконечности, то получится, что колонна работает сама на себя.
Поэтому определяем минимальное флегмовое число по формуле [98]: Яш=5Ч (55) где xD,xp - молярные доли легколетучего компонента в жидкости; yF — концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с жидкостью, определяем по диаграмме у -х рис. 15. Рабочее число флегмы определяем по уравнению [98]: Л = 1.3 іп+0.3 (56) Найденное рабочее число флегмы должно быть таким, чтобы скорость пара на верхней тарелке была в диапазоне от 2 м/с до 5 м/с. Исследования показали, что в данном диапазоне скоростей по пару осуществлялся очень интенсивный тепло — и массообмен в ректификационной колонне с пакетной вихревой насадкой. Если при найденном флегмовом числе (R), рассчитанная скорость пара вверху колонны будет менее 2 м/с, то флегмовое число увеличиваем для создания скорости пара на верхней тарелке более 2 м/с. Оптимальное флегмовое число будет определяться из условия минимизации приведенных затрат на процесс ректификации с пакетной вихревой насадкой.
Тепло - и массообмен в ректификационной колонне с пакетной вихревой насадкой
В Ш главе приведена математическая модель, в которой используется значение к.п-д. массообменного устройства (тарелки). Желательно, чтобы значение к.п.д. тарелки отражало влияние ее конструктивного оформления и переменных режимов работы (переменных расходов жидкой и паровой фаз).
Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время существует несколько подходов к определению и расчету к.п.д. тарелки. Наиболее часто используемый к.п.д. массообменного устройства, это к.п.д. Мэрфи [33]:
Данный к.п.д. очень слабо, только через у , отражает реальную гидродинамику массообменного устройства и никак не отражает влияние ее конструктивного оформления.
Существует несколько вариантов расчета к.п.д. через объемный коэффициент массопередачи Kg/i и число единиц переноса N . где/- площадь сечения аппарата, м ;Н- высота зоны контакта, м. Такой вариант представления к.п.д. также трудно использовать для его расчета, поскольку необходимо знать значение коэффициента массопередачи и в то же время такие к.п.д. учитывают расходы либо по жидкой, либо по паровой фазам.
Наиболее интересный подход к расчету к.п.д. массообменного устройства был предложен в работе Кафарова [33] значение которого не только учитывают расходы паровой и жидкой фаз на каждой тарелке, но так же и конструктивное оформление тарельчатых массообменных устройств. При этом расчетная эмпирическая зависимость к.п.д. колонны от вышеуказанных параметров получена путем обработки большого количества данных, взятых с работающих промышленных ректификационных колонн. Ig77 = l,67 + 0,31gf Vo,251g( a) + 0,3/it (91) где L, V - нагрузка колонны по жидкости и пару, кг-мол/ч; /лж - вязкость жидкости, сП; а - относительная летучесть смеси, hL— расстояние от верхнего обреза прорези до верхнего края сливной перегородки плюс половина высоты прорези, м.
Такой же аналогичный подход с учетом гидродинамики и конструктивного оформления использован нами в данной работе, так как он учитывает изменение не только коэффициента массопередачи, но и поверхности контакта фаз в исследуемом высокоэффективном массообменном устройстве.
Для каждого режима работы экспериментальной колонны графическим способом определяем необходимое число теоретических тарелок. Зная общее количество тарелок в ректификационной установке, можно определить к.п.д. работы каждой тарелки по формуле: где пт - число рассчитанных тарелок, определяемое графическим способом по экспериментальным данным для каждого режима работы колонны, шт.; щ — число действительных тарелок, шт. Поскольку пт экспериментальная величина, то г\ отражает интенсивность тепло - и массообменного процесса для данной конструкции массообменного устройства (пакетной вихревой насадки).
Зная расходные характеристики как по жидкой, так и по паровой фазах рассчитываем критерии Re на любой тарелке. На рис. 38-41. представлены зависимости к.п.д. тарелки от критерия Re по жидкой и паровой фазах в зависимости от исходной концентрации смеси. Из рисунков видно, что с повышением плотности орошения и скорости пара к.п.д. тарелки увеличивается.
Обработка экспериментальных данных по изменению скоростей пара и расходов по высоте колонны позволила получить явный вид к.п.д. условной тарелки (слоя) пакетной вихревой насадки, зависящий от критериев Re по жидкости и по пару, в которых плотность орошения жидкостью изменялась в диапазоне от 0,6-10-3 до 1,4-10-3 мЗ/м2-с, а скорость пара в диапазоне 1,2 до 3,2 м/с: ft. где П - плотность орошения жидкостью, м3/м2-с; Ь- ширина ячейки пакетной вихревой ячейки, м; рж р„ - плотность жидкости и пара, кг/мЗ; /f , рп -коэффициент динамической вязкости жидкости и пара, Па-с; v„- скорость пара, м/с.
Формула (94) справедлива в диапазоне изменения критериев Re по жидкости от 15 до 39 и Re по пару от 580 и до 1500.
Средняя погрешность расчетных по уравнению (93) от экспериментальных данных составляет ± 16 %.
В данной главе представлена методика расчета ректификационной колонны непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой для разделения бинарной смеси. 10% 0,18
Для расчета ректификационной колонны с пакетной вихревой насадкой необходимо иметь следующие исходные данные: производительность колонны, начальная концентрация спирта в исходной смеси, требуемое содержание спирта в дефлегматоре, требуемое содержание спирта в кубовом остатке, температуры кипения и их основные свойства.
По данной методике расчета ректификационной колонны непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой произведены расчеты конечной концентрации спирта в продукте с разными флегмовыми числами при расходе исходной смеси 180 кг/ч и начальной концентрации спирта в ней 10%.
На рис. 43. представлены расчетные и экспериментальные данные по конечной концентрации спирта в продукте в зависимости от флегмового числа при начальной концентрации спирта в исходной смеси 10%. Максимальное расхождение между экспериментальными и расчетными данными составляет 6,5 %, среднее отклонение составляет 2,8 %.
