CC BY
89
665.3.048
КОНДЕНСА ТОР ДЛЯ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ С ПОЛИМЕРНЫМИ ПОЛОВОЛОКОННЫМИ МЕМБРАНАМИ
А.А. СХАЛЯХОВ 1, А.Г. ВЕРЕЩАГИН 2, КС. КОСАЧЕВ 2, Е.П. КОШЕВОЙ 2
1 Майкопский государственный технологический университет,
385000, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: т{о@тк2Ы.ги 2Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru
Разработана концепция конденсатора парогазовой смеси с дополнительным нагреванием, предотвращающего формирование тумана и, соответственно, потери растворителя. Конденсатор работает без внешнего источника тепла, что упрощает его реализацию. Новый процесс конденсации может применяться в рекуперации растворителя в экстракцион -ном производстве и других процессах разделения конденсацией паров и газов.
Ключевые слова: конденсация парогазовой смеси, супернасыщенность, полимерные половолоконные мембраны, парогазовый конденсатор.
Парогазовые смеси, получающиеся в схемах рекуперации растворителей, встречают затруднения при их конденсации [1]. Конденсация смеси паров растворителя (ацетона) и неконденсирующегося газа (азота) имеет место в разрабатываемой технологии экстракционной очистки фосфолипидов [2]. При конденсации парогазовой смеси возможно образование тумана, аэ -розольные частицы которого могут удаляться из конденсатора вместе с неконденсирующимися газами с соответствующими потерями растворителя и загрязнением окружающей среды.
Для предотвращения тумана можно применить способ с подводом дополнительного тепла [3, 4], что позволяет не достичь супернасыщенности - причины образования тумана
Конденсатор с предотвращением тумана желательно не должен использовать внешний источник тепла, а задействовать энергию из внутренних потоков в аппарате, предохлаждая относительно теплую парогазовую смесь, поступающую в конденсатор.
Принцип такой системы рекуперации энергии и соответствующие температурные профили в конденсаторе (вверху) и схема конструкции конденсатора (внизу) представлены на рис. 1. Парогазовая смесь от входа 1 предохлаждена к более низкой температуре в 2, передавая поток тепла 0*н к большей части поверхности конденсации 3 и далее к 4. От 2 смесь передается к входу в зону конденсации 3. Охлаждающий поток тепла Q0 заставляет пар конденсироваться и охлаждает смесь далее от 3 до 4. В этой области относительно маленькое количество дополнительной теплоты ОССн (по сравнению с Q0) устраняет достижение супернасыщенности и, следовательно, формирование тумана.
На схеме конструкции конденсатора (рис. 1, внизу) входной поток проходит внутри труб вдоль оси конденсатора и выйдя из труб направляется в межтрубное пространство, где происходит его окончательное охлаждение и конденсация растворителя с отводом неконденсирующегося газа. Таким образом, реализуется профиль температур 1 ® 2 ® 3 ® 4. Охладитель подается противоточно по половолоконным мембранам с
Таблица
Эксцентриситет, ехс Угол ф, рад
0 0,5 1,5 2 2,5 3 3,13
ехс = 1 0,00532 0,00533 0,00628 0,00838 0,01312 0,02713 0,05012
ехс = 0,8 0,00381 0,00412 0,00649 0,00869 0,01219 0,02089 0,03474
ехс = 0,5 0,00226 0,00391 0,00669 0,00838 0,01079 0,01649 0,02550
ехс = 0,2 0,00168 0,00392 0,00594 0,00707 0,00865 0,01236 0,01822
непроницаемыми стенками. Пучок мембран намотан на трубы, по которым подается парогазовая смесь в конденсатор.
Для обоснования эффективной конструкции и режимов работы мембранного конденсатора рассмотрим гидравлику пленки конденсата на горизонтальной трубе с эллиптическим сечением (рис. 2), которая, в общем случае, покрыта пучком половолоконных непористых мембран определенной толщины.
Окружающая среда - парогазовая смесь азота и паров ацетона. Температура стенки ниже температуры насыщения паров ацетона, и непрерывная конденсированная пленка формируется на стенке трубы и в пористом слое половолоконной мембраны, по которой течет охлаждающая жидкость.
Механизм обтекания пленкой конденсата пористого слоя на трубке конденсатора рассмотрен в криволинейных координатах (х, у), которые выровнены по эллиптической стенной поверхности и направленной наружу нормали.
Выделяют три области течения. В первой течет жидкий ацетон, насыщающий пористое покрытие мембраны в контакте с холодной стенкой. Вторая область, смежная к первой, составлена из жидкого ацетона, конденсирующегося слоя. Третья внешняя область составлена из парогазовой смеси азота и паров ацетона, с которой граничит жидкий конденсат ацетона.
При анализе сделаны следующие условные допущения: поток является двухмерным, несжимаемым, ламинарным и установившимся; пористая среда половолоконной непористой мембраны изотропна и гомогенна; жидкости (жидкий ацетон и ацетон в паровой фазе) находятся в локальном тепловом равновесии с 8Я
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
пористой средой. Также предполагается, что толщина жидкостной пленки ацетона относительно мала по сравнению с диаметром трубы [5].
Данные расчетов для разных эксцентриситетов сечения труб в зависимости от угла цилиндрической системы координат представлены в таблице.
Установлено, что полученные данные описываются уравнением
5Д (ф,ехс) = -1п
1# фф ,Р, 0,2294 е 27532 ехс
. 0,2294е 2753 2 ехс
1-
0,0032е #
# 0,0012 е ехс.
Результаты расчетов по уравнению представлены на рис. 3; среднее значение относительного отклонения аппроксимационных данных от результатов расче -тов по уравнению составляет 7%.
В результате минимальная толщина пленки соответствует граничным условиям существования ап-проксимационной формулы и составляет
= 1,608 10*3 при ехс = 0,2. При данной толщине пленки мембраны могут быть размещены в один слой, погруженный в пленку.
Парогазовый конденсатор (рис. 4) [6] состоит из цилиндрического корпуса 1, с фланцами для подвода исходной смеси 2, отвода газовой фазы 3, отвода конденсата паровой фазы 4, закрытого с обеих сторон крышками 5 и 6, снабженными фланцами для подвода исходной смеси 7 и 8. Внутри цилиндрического корпуса рас -положен стержень 9, имеющий резьбу с обеих сторон для фиксации гайками 10 и 11 трубного пучка 12. Трубный пучок вставлен между прокладок в сквозных отверстиях распределительных камер 13 и 14, количество которых равняется количеству труб в пучке.
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ехс
Распределительные камеры имеют фланцы подвода и отвода хладагента 15 и 16 в полипропиленовый непористый половолоконный мембранный пучок 17, обмотанный по поверхности каждой трубы и закрепленный в распределительные камеры. На стержень поочередно насажены поперечные перегородки 18,19,20, отделенные втулками-фиксаторами 21, 22, 23, 24 на равные промежутки.
Работает конденсатор следующим образом. Исходная парогазовая смесь, проходя через фланец подвода исходной смеси 7, подается в трубный пучок 12, в котором предохлаждается до линии насыщения, отдавая тепло хладагенту, проходящему в полипропиленовом половолоконном мембранном пучке 17. Предохлажден-ная парогазовая смесь, проходя через фланец подвода парогазовой смеси 2, подается в межтрубное пространство цилиндрического корпуса 1, где происходит конденсация паровой фазы растворителя на полипропиленовом непористом половолоконном мембранном пучке 17. Конденсат паров растворителя выводится из цилиндрического корпуса 1 через фланец отвода конденсата паровой фазы 4. Освобожденная от паровой фазы растворителя газовая фаза выводится из цилиндрического корпуса 1 через фланец отвода газовой фазы 3. Для увеличения эффективности процесса предусмотрен зигзагообразный проход смеси в межтрубном пространстве цилиндрического корпуса 1, обеспечиваемый поперечными перегородками 18,19,20.
Половолоконные мембраны в качестве теплообменных элементов развивают поверхность для конденсации парогазового потока и позволяют осуществлять подачу хладагента во внутреннее пространство мембран, а формирование их в виде пучка способствует
коалесценции жидкой фазы конденсирующегося пара, при этом образуются пленки конденсата на поверхно -сти труб, которые увеличивают высокий коэффициент теплопередачи. В конструкции конденсатора должны использоваться поперечные перегородки внутри меж-трубного пространства, обеспечивающие равномерное распределение потока парогазовой смеси доведенной предварительным охлаждением в трубном пространстве до линии насыщения.
ВЫВОД
Обоснована конструкция парогазового мембранного конденсатора, в которой реализован процесс с дополнительным подводом тепла с устранением образования тумана.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации в кипении. - 2-е изд. - М.: Машгиз, 1952. - 232 с.
2. Обоснование системы процессов получения фосфатид-ного концентрата в технологии производства БАД Витол / А.Г. Вере -щагин, Е.П. Кошевой, Е.П. Корнена и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 1. - С.108-109.
3. Colburn A.P., Edison A.G. Prevention of fog in cooler-condensers // Ind. Eng. Chem. - 1941. - 33 (4). - P. 457^58.
4. Kaufmann S., Loretz Y., Hilfiker K. Prevention of fog in a condenser by simultaneous heating and cooling // Heat and Mass Transfer. - 1997. - 32. - P. 403^10.
5. Kibboua R., Kechnit A., Azzi A. Laminar film condensation on an elliptical tube with porous coating // 1*7 Intern. congr. of chemical and process engineering. 27-31 August, 2006, Prague, Czech Republic.
6. Пат. ПМ 61401. Конденсатор / А.А. Схаляхов, А.Г. Вере -щагин, Е.П. Кошевой и др. // БИПМ. - 2007. - № 6.
Поступила 11.02.09 г.
CONDENSER FOR STEAM AND GAS MIXES WITH POLYMERIC HOLLOW FIBER MEMBRANES
A.A. SKHALYAHOV 1, A.G. VERESCHAGIN 2, VS. KOSACHEV 2, E.P. KOSHEVOY 2
1 Maikop State Technologycal University,
191, May Day st., Maikop, 385000; e-mail: info@mkgtu.ru
2 Kuban State Technologycal University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: intrel@kubstu.ru
The condenser concept steam and gas mixes with the additional heating, a fog preventing formation and, accordingly, solvent loss is developed. The condenser works without an external source of heat that simplifies its realisation. New process of condensation can be apply to recuperations solvent in extraction manufacture and other processes of division by condensation of steams and gases.
Key words: condensation steam and gas mixes, a supersaturation, polymeric hollow fiber membranes, steam and gas condenser.
