Получение безводного этанола при ректификации под вакуумом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.015.23

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЗВОДНОГО ЭТАНОЛА ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ ПОД ВАКУУМОМ

Н.А. Войнов, А.В. Кустов, А.Н. Николаев

'ФБГОУ «Сибирский государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира, 82; e-mail: vovnov@siberianet.ru

Исследована гидродинамика вихревых контактных ступеней для получения безводного этанола при ректификации под вакуумом. Представлены режимы, возникающие при работе ступени, а также зависимости для расчета основных параметров: критической скорости газа, гидравлического сопротивления ступени, а также толщины и высоты газожидкостного слоя.

Ключевые слова: этанол, ректификация, критическая скорость, гидравлическое сопротивление, газосодержание, диаметр пузырьков газа, межфазная поверхность

It was researched of hydrodynamics of contact steps for anhydrous ethanol of rectification under vacuum. It are represented, mode of works, errors during the rectification and dependencies for calculation of main parameters: the critical speed of gas, hydraulic resistance, and the thickness and height of the gas-liquid layer.

Key words: ethanol, rectification, the critical speed, hydraulic resistance, gas content, the diameter of gas bubbles, interphase surface

ВВЕДЕНИЕ

Этанол, получаемый на основе гидролизата растительной массы, как нельзя лучше подходит для организации технологии получения топлив из возобновляемых источников сырья. Использование спиртов в составе бензинов, помимо чисто технических задач, связанных с получением композиций, имеющих соответствующие октановые числа, позволяет существенно улучшить и экологические показатели топлива за счет уменьшения содержания бензола и ароматических углеводородов, что приводит к снижению содержания токсичных веществ в продуктах сгорания. Установлено, что добавление абсолютного этилового спирта к бензину повышает антидетонационные свойства моторного топлива, что позволяет применять более высокие степени его сжатия. Кроме того, реализуется более полное сгорание спиртовых топлив, что не только повышает к. п. д., но и ослабляет такие вредные явления, как разжижение смазки и образование нагаров, и этим самым значительно удлиняет срок работы мотора. Спиртовое топливо обладает по сравнению с бензинами более широким диапазоном воспламеняемости горючей смеси, благодаря чему увеличивается устойчивая работа мотора.

Основной технической проблемой, связанной с использованием этанола в бензине, является присутствие в нем воды, которая способна приводить к разрушению гомогенности раствора с образованием двух равновесных фаз водно-спиртовой и углеводородно-спиртовой. Практика потребления автомобильных бензинов показывает, что при использовании топливного этанола содержащего 4-5 % воды при температуре окружающей среды ниже +20 0С наблюдается разрушение гомогенности раствора. В этой связи для обеспечения агрегатной устойчивости товарного бензина требуется использование этанола концентрацией не менее 99,5 % об. основ-

ного вещества, тогда как промышленный этиловый спирт, содержит 96,4 - 96,7 % об. этанола. Так как это содержание этилового спирта отвечает его содержанию в азеотропе, образуемом спиртом с водой при нормальном давлении.

Известно несколько способов получения абсолютного спирта: при помощи твердых или жидких водосвязывающих веществ; с применением методов, основанных на явлениях азеотропизма; с применением растворов солей, смещающих азеотропную точку; использование явления диффузии паров через пористые перегородки; ректификация под вакуумом.

Для промышленной практики на наш взгляд наибольший интерес представляет методы ректификации под вакуумом и мембранное разделение, при котором жидкая смесь приводится в контакт с одной стороны селективно проницаемой мембраны, а проникающие через мембрану компоненты удаляются в виде пара с ее обратной стороны. В виду не достаточной изученности указанных процессов требуются всесторонние их исследование.

В этой связи был реализован процесс ректификации смеси этанол-вода полученного на основе растительного сырья под вакуумом при начальной концентрации этанола 96,2 % объемных в колонне (рис. 1а) насадочного типа, которая, позволяет обеспечить высокую эффективность разделения при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении. В качестве насадки, использовалась спирально призматическая (рис.1б), выполненная из нихромовой проволоки (4,0x3,0x0,18) мм. Внутренний диаметр колонны составил - 80 мм, высота слоя насадки - 1,75 м. Дефлегматор был изготовлен из медных трубок в виде спиралей Архимеда. Кубовая часть колонны емкостью 0,1 м3 снабжена рубашкой и встроенными в ней электронагревателями, мощностью 1-3 кВт. Для создания вакуума использовался водокольцевой насос мощностью 5

кВт. Расход подаваемой воды в дефлегматор составил 0,04-0,08 м3/час при ее начальной температуре 10 0С. Максимальная величина вакуума - 98 %.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

При величине вакуума в верхней части колонны 96 % и флегмовом числе 3-4 концентрация этанола в дистилляте составила 98,3 % об. При этом температура пара на выходе из дефлегматора

оказалась равной (29,5-29,7) С, температура пара в кубе - (32,5-32,8) 0С. Стабильная работа колонны при указанной величине вакуума наблюдается при факторе разделения

где Ис- средне расходная скорость пара по сечению колонны; рп - плотность пара.

а) б)

Рисунок 1 - Схема ректификационной установки: 1 - куб; 2 - колонна; 3 - дефлегматор; 4 - конденсатор; 5 - сепаратор; 6 -вакуум насос; 7 - емкость; 8 - подогреватель воды; 9 - ротаметр; 10 - вакуум манометр; 11 - гильза под термометр; 12 - струбцина; 13 - вентиль

Величина слоя насадки эквивалентная одной теоретической тарелки при ректификации этанола оказалась равной 100 мм. Таким образом для достижения в исследуемой колонне концентрации этанола 99,5 % об. необходимая высота насадки составила 3,5 м. Согласно полученным данным гидравлическое сопротивление такой колонны равно 600 мм.вод.ст, что обеспечивает величину абсолютного давления в кубе достаточную для устранения точки азеотропа.

В виду низкой производительности насадоч-ной колонны и снижения ее эффективности с увеличением диаметра, для промышленной реализации более приемлемы вихревые контактные ступени (Николаев, 1972). Вихревые колонны не уступают по своим массообменным параметрам самым эффективным аппаратам насадочного типа, однако более производительны, менее металлоемки и масштабируемы. Имеют сравнительно не высокое гидравлическое сопротивление, что позволяет использовать их для ведения процесса под вакуумом. Однако информация по исследованию и конструированию ректификационных

колонн с вихревыми контактными ступенями противоречива и разрозненна, что не позволяют подойти к научно обоснованному методу их расчета, выбору наиболее оптимальных вариантов конструкций, технологических режимов и требует комплексных исследований.

Основными требованиями, предъявляемыми при конструировании вихревой контактной ступени, при ректификации являются: обеспечение развитой межфазной поверхности, достижение высокой турбулентности потоков и удерживающей способности по жидкости при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении и большой нагрузке по газу. Что может быть достигнуто путем равномерного диспергирования газа в жидкость и создания условий для вращательного движения газо-жидкостной смеси на ступени.

Из всего многообразия вихревых контактных ступеней (Сугак, 1999; Овчинников, 2005) для ректификационных аппаратов наиболее перспективными являются контактные ступени с тангенциальными и многолопастными осевыми завих-рителями, рисунок 2. В вихревых тарелках газ

(пар) проходит через щели (каналы), приобретает высокую тангенциальную скорость, за счет чего интенсивно дробится на мелкие пузырьки, которые равномерно распределяется в слое жидкости, образуя вращающуюся газо-жидкостную смесь.

11

/ т Ь к

к . • Г V

ч Р

а) б)

Рисунок 2 - Схемы вихревых контактных ступеней: а - осевой многолопастной; б - тангенциальный

Гидродинамика контактных ступеней исследовалась на системе воздух - жидкость. Расход газа изменялся от 1 до 40 м3/час и измерялся нормальной диафрагмой. В качестве модельной жидкости использовались: вода, этиловый спирт 96 % об., вода с добавкой глицерина. Температура жидкости и газа варьировалась в пределах 10-80оС. Внутренний диаметр колонны составил равным Б = 50-190 мм. Размеры щели завихрите-ля: величина зазора 0,7 - 3 мм; ширина 5 - 36 мм; количество 4-36 шт. Перепад давления на ступени измерялся дифференциальным манометром.

Режимы течения. В зависимости от расхода газа в вихревой контактной ступени наблюдается три основных режима течения газожидкостной смеси: барботажный; кольцевой; пленочный.

Для контактных ступеней ректификационных колонн с целью получения развитой межфазной поверхности при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения, который наблюдается при достижении критической скорости газа ик на выходе из щели. При кольцевом режиме течения жидкость из центральной части тарелки за счет силы инерции выдавливается к периферии с образованием вращающегося газожидкостного слоя в виде цилиндра с начальным внутренним диаметром 15-20 мм. По мере роста скорости газа происходит уменьшение толщины слоя и увеличение его высоты. При достижении скорости газа равной ип (которая также

характеризует начало оголения щелей для прохода газа) наблюдается пленочный режим течения с раздельным течением газа и жидкости. При этом режиме наблюдается отток газовых пузырьков из вращающегося жидкостного слоя и прекращается их обновление.

Для исследуемых тарелок с повышением коэффициента крутки (//Е) происходит снижение критической скорости газа ик, в следствие роста поверхности контакта струй газа с жидкостью. С увеличением объема жидкости на ступени начало кольцевого режима достигается при большей скорости газа при этом ик ~ (Н/Б)0,7. На тарелке с тангенциальным завихрителем переход в кольцевой режим происходит при существенно меньшей скорости газа, чем на тарелке с осевым многолопастным завихрителем ик ~ Я-2,26, что обусловлено влиянием радиуса окружности, на которой размещены каналы для прохода газа. Для тангенциального завихрителя при одинаковых габаритах Я имеет большую величину.

Зависимость критической скорости газа от плотности жидкости составляет ик ~ (рж(1-ф)/рг).

С увеличением коэффициента динамической вязкости жидкости переход в кольцевой режим течения происходит при большей скорости газа, что вызвано высокими касательными напряжениями между слоями вращающегося газожидкостного слоя так и на стенке контактной ступени.

Выполнение тарелки на конус (рис.2а) по сравнению с плоской тарелкой приводит к существенному снижению величины критической скорости, что обусловлено дополнительным влиянием силы инерции действующей вдоль образующей конуса, которая способствует перемещению жидкости к периферии.

Следует отметить, что размещение на внутренней цилиндрической поверхности ступени ребер или установка в верхней части ограничителей приводит к гашению крутки потока и резко изменяет значение ик в сторону ее увеличения.

Для определения критической скорости газа получена зависимость в виде

ик = С (Г/Е)-0,8 (Н/Б)0,7 (рж (1-ф)/рг), (1)

где коэффициент С = 0,007 для плоского осевого завихрителя и С = 0,006 для тангенциального завихрителя; Е - площадь сечения контактной ступени; /- суммарная площадь щелей; Н - уровень газожидкостной смеси на ступени; Б- диаметр ступени; рж и рг - плотность газа и жидкости.

Уравнение (1) справедливо при Я = (60-80) мм, угле наклона каналов 25-35о к касательной окружности и величине параметра (цж /цг) = 5578.

Переход из кольцевого режима в пленочный для ступени с осевым завихрителем осуществляется при ик/ип ~ 0,6 - 0,7 и тангенциальным - 0,5.

Рисунок З - Зависимость критической скорости газа от фактора крутки на системе воздух-вода при D = 100 мм, V = 200 мл; t = 150C. Экспериментальные точки (1-5): 1 - плоская тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n = 9-З6 шт., 80 = 1 мм, l = 10 мм; 2 - тангенциальный завихритель при n =18 шт., 80 = 1 мм, l =10 мм; З - коническая тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n =16, 80 = 1мм, l =26 мм; 4 - плоская тарелка с осевым многолопастным завихрителем на системе этанол- воздух при n = 18 шт., 80 = 2 мм, l = 16 мм; 5-плоская тарелка с осевым многолопастным завих-рителем при n = 9-З6 шт., 80 = 1 мм, l = 10 мм, V = З00 мл

Сопротивление вихревой ступени. Общее сопротивление AP контактной ступени без учета влияния крутки газа вызванной ниже расположенной ступени можно представить в виде

AP = AP + AP . (2)

С М

Сопротивление сухой тарелки обычно записывают в виде

pu AP = С-г— С 2

и орошаемой

(3)

(4)

AP =pgH(1 -Ф)+ЛР ,

М А

где ^ - коэффициент сопротивления сухой ступени; и - средне расходная скорость газа на выходе из каналов; рг - плотность газа; ЛРА - потери напора, вызванные касательными напряжениями на межфазной поверхности; H - высота газожидкостного слоя; ф - газосодержание.

Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимости для расчета коэффициента сопротивления в виде:

тарелка с осевым многолопастным завихрите-

лем

е о 1Г12 0,5 5- 0,8 (5)

с = 2 x 10 n о ; у ’

0

тарелка с тангенциальным завихрителем

с = 3,7 x 10 2 n1,351,3 , (6)

0

где 50 - величина зазора канала для прохода газа, м.

Уравнения применимы для кольцевого режима, угле наклона каналов 23-30° к касательной окружности, на которой они размещены и величине (цж /цг)= 55-78 при Яе > 1500.

Как показал анализ вклад сухой тарелки в общее сопротивление контактной ступени составляет 50-60 %, вклад столба жидкости не превышает 20 %. Влияние трения газа о вращающийся слой газожидкостной смеси на общее сопротивление тарелки не превышает 15 %. Общее сопротивление вихревой ступени (рис. 4) в начале кольцевого режима составило 20 мм, что сравнимо с данными, полученными при работе насадочной колонны.

АР мм.вод.ст.

Рисунок 4 - Зависимость сопротивления вихревой ступени с тангенциальным завихрителем от скорости газа в щели при D = 100 мм, t = 150C. Экспериментальные точки (1-З): 1- n = 46 шт., 80 = 1 мм, l = 8 мм, V= 0; 2- n = 46 шт., 80 = 1 мм, l = 8 мм, V= 100; З- n = З0 шт., 80 = 2 мм, l = 8 мм, V= 100 мл. Пунктирная линия начало кольцевого режима

Толщина и высота. Указанные параметры газожидкостной смеси на тарелке необходимы для расчета основных гидродинамических характеристик ступени. Высота слоя жидкости в начале кольцевого режима практически одинакова для тарелок с разным фактором крутки и зависит от объема жидкости на тарелке. С увеличением скорости газа в щелях происходит рост H и снижение 5.

Для оценки высоты слоя на тарелке получено уравнение в виде

H = C U0

(7)

где константа С в уравнении (7) определяется

тт Н 0

из начальных условиях при и = ик; Н = —— •

1 — ф’

- высота столба жидкости на та-

H 0 =

V

0,785 x D2

релке.

Толщину газожидкостного слоя не сложно рассчитать при наличии величин Н и газосодержа-ния ф.

Газосодержание. Доля газа в объеме жидкости определялась согласно (Соколов, 1976)

ф гж V^)/Vzj

(8)

где Угж - объем газожидкостной смеси на тарелке; Уж - объем жидкости на тарелке.

Как установлено в начале кольцевого режима газосодержание для осевой и тангенциальной тарелки практически одинаково и не зависит от фактора крутки. С увеличением объема жидкости на контактной ступени и скорости газа в щелях величина газосодержания и диаметр пузырьков газа в жидкости снижаются, рисунок 5.

Для расчета величины газосодержания можно воспользоваться следующим соотношением:

ф = Си 1а / а

(а / а,

(9)

где а и ао - коэффициент поверхностного натяжения соответственно для рабочей жидкости и воды; n = 0,8 для тарелки с тангенциальным завих-рителем и n = 1,2 многолопастным осевым завих-рителем. Значение константы C определяется из начальных условий при U = Uk и ф в зависимости от объема жидкости на ступени по экспериментальным данным.

Диаметр пузырьков газа. Диаметр пузырьков газа dH зависит от величины зазора щели, скорости газа в ней (dH ~ u-0,89) и практически не зависит от длины щели и их количества.

Расчет диаметра пузырьков газа по известному уравнению, полученному из баланса сил при медленном истечении газа из отверстия с острыми кромками в неподвижную среду

6-5 -а

0

g

(-Рг )

(10)

показывает (точки 2 на рис. 5б) удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными только при барботажном режиме.

5

10

15

20 U, м/с

а

Рисунок 5а - Зависимость газосодержания от скорости газа в каналах при V = 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 тарелки с многолопастным осевым завихрителем при n =16 шт, l = 26 мм, 80 = 1 мм . Пунктирные линии тангенциальная тарелка

d,,, мм

б

Рисунок 5б - Зависимость средне поверхностного диаметра пузырьков от скорости газа на выходе из щели плоской тарелки с осевым многолопастным завихри-телем при f/F= 0,045, 8о = 1-2 мм. Пунктирная линия расчет по уравнению (11). Точки (1-2): 1- эксперимент; 2- расчет по уравнению (10) при 80 = 1-2 мм

Расчет диаметра по уравнению (Островский, 2000) рекомендованного для пузырьков газа в турбулентном потоке сплошной среды

(

d = 3,48 -

332

с -p -є

(11)

пунктирная линия на рис. 5б дает завышенные значения dя., где р -плотности жидкости; ст - поверхностное натяжение жидкости; £ - коэффициент местного сопротивления сухой тарелки; е - диссипация энергии. Диссипация энергии рассчитывалась по формуле (Островский, 2000)

є = N/m = [(pgH(1-ф)+pг u /2)Q]/m,

(12)

где N - мощность, вводимая в аппарат; р - расход газа; т- масса жидкости на тарелке.

Различие между экспериментальными данными dи и расчетными по (11) указывает на то, что дробление пузырьков газа вызвано также силой инерции вращающегося газожидкостного слоя на тарелке и касательными напряжениями между слоями смеси.

Межфазная поверхность. Полученные данные позволили рассчитать межфазную поверхность а = 6фМп (рисунок 6), которая на ступени с вихревой тарелкой существенно выше по сравнению с наса-дочной колонной, что говорит о ее высокой эффективности.

Согласно данным, представленным в таблице вихревая тарелка также имеет, существенно большую производительность, что позволяет ее рекомендовать для использования в процессе ректификации этанола под вакуумом в промышленной практике.

Рисунок 6. Зависимость межфазной поверхности от скорости газа в щели при разном факторе крутки на конической тарелке с осевым многолопастным за-вихрителем при 8о= 1-2 мм. Точки (1-3): 1- f/F =0,045; 2- 0,0З- плоская с осевым завихрителем; З-0,02- с тангенциальным завихрителем. Пунктирная линия начало кольцевого режима

Таблица - Характеристики ректификационных колонн для получения безводного этанола (исходная смесь 200

Название u0, м/с AP, мм.вод.ст./м Межфазная поверхность а, м2/м3 Диаметр, м Масса насадки, кг Источник

Насадочная

колонна 0,5 0,6 80-260 750-1200 3,9 26000 [6-7]

(2x2x0,3 мм) Колонна с тангенциальным завихрителем 2,5 0,5 80-1000 1500-6000 1,9 1400 Данные авторов

3

а

п

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Николаев Н.А. Исследование и расчет ректификационных и абсорбционных аппаратов вихревого типа. Дис.... докт.техн.наук.- Казань: КХТИ, 1972.

Овчинников А.А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах.- Казань: ЗАО «Новое знание», 2005.- 288 с.

Островский Г.М. Прикладная механика не однородных сред.- СПб.: Наука, 2000.- 359 с.

Соколов В.Н. Доманский И.В. Газожидкостные реакторы.

Л., «Машиностроение» (Ленингр. Отд-ние), 1976. 216 с. Стабников В.Н., Перегонка и ректификация этилового спирта. Москва, Изд-во Пищевая промышленность, 1969 г. Сугак Е.В., Войнов Н.А., Николаев Н.А. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами..- Казань, РИЦ «Школа», 1999 г.- 224 с. Эрих Крель. Руководство по лабораторной перегонке. [Текст]/ Эрих Крель. 2 издание, перераб. и доп. М.: Химия, - 1980. - 520 с.

Поступила в редакцию 14 февраля 2012 г. Принята к печати 7 сентября 2012 г.