Укрепляющая колонна на основе эффектов термической ректификации Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

УДК 66.015.23

УКРЕПЛЯЮЩАЯ КОЛОННА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Д.А. Земцов, Н.А. Войнов

ФГБОУ ВО Сибирский государственный технологический университет г Красноярск, 660049, пр. Мира, 82, e-mail: voynov@siberianet.ru

Представлены результаты исследования укрепления смеси этанол-вода в колонне с низкими массообменными характеристиками в условиях термической ректификации. Достигнута сравнительно высокая эффективность ступеней при низком гидравлическом сопротивлении. Показан вклад термических эффектов на процесс укрепления, получено уравнение для расчета концентрации этанола в дистилляте.

Ключевые слова: ректификация, парциальная конденсация, этанол, флегма, дистиллят, термические эффекты.

Presents the results of the study strengthen the ethanol-water column with low mass-transfer characteristics in terms of thermal rectification. Achieved relatively high efficiency levels with low flow resistance. Shows the contribution of thermal effects on the process of strengthening, the equation to calculate the concentration of ethanol in the distillate.

Keywords: distillation, partial condensation, ethanol, reflux, distillate, the thermal effects.

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация широко используется в лесохимической промышленности для разделения многокомпонентных смесей и получения необходимых продуктов для деятельности человека. Одной из ключевых проблем при конструировании ректификационных колонн является создание высокоэффективных ступеней с низким гидравлическим сопротивлением. Однако для обеспечения высокой эффективности требуется турбулизация фаз в зоне контакта, что приводит к росту гидравлического сопротивления. Одним из путей устранения указанного противоречия является применение контактных ступеней с низкими массообменными параметрами, а укрепление смеси проводить за счет целенаправленного действия эффектов термической ректификации.

В данной работе рассмотрен способ термической ректификации, заключающийся в частичной конденсации поднимающихся паров смеси на ступени, и дальнейшем испарении конденсата на теплопередаю-щей поверхности пластин до контакта со стекающей по колонне флегмой (Пат, 2011; Пат, 2012,).

Однако вследствие мало изученности процессов протекающих на ступенях таких устройств (Войнов, 2011) были продолжены исследования в этой области.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальная установка была выполнена из царг диаметром 200 мм, снабжена 25 контактными ступенями высотой по 70 мм. Контактная ступень состоит, рисунок 1, из перфорированных пластин, изготовленных из медного листа толщиной 0,5 мм, края которых отбортованы на высоту 1 мм. Расстояние между пластинами выдерживалось равным 32 мм. По

оси колонны устанавливалась медная труба (дефлегматор) диаметром 26 мм в полость которой подавалась охлаждающая вода при начальной температуре 10 - 70оС. Тепловой поток паровой смеси выходящей из куба составил 3 - 15 кВт.

Исследовалась смесь этиловый спирт-вода с начальной концентрацией этанола в кубе 1- 60 % мас. Состав смеси определялся при помощи рефрактометра марки LR-3. Расход воды, подаваемой в установку, измерялся ротаметрами типа РС-5. Показания температуры в жидкой и паровой фазах определялась термометрами сопротивления марки ТСМ-9418, при помощи вторичных приборов тер-модат 35 ЦО/ ГВС.

Расходы пара и жидкости по колонне определялись исходя из материального и теплового балансов.

Величина коэффициента теплоотдачи при определении флегмового числа рассчитывалась согласно (Войнов, 2012).

Тепловой поток, переданный теплоносителю при конденсации паров на поверхности дефлегматора

е=Gс(tк-tJ, (1)

где Q- тепловой поток, Вт;

Gв- расход воды подаваемый в дефлегматор, кг/с;

с- удельная теплоемкость, Дж/(кгК);

^ температура теплоносителя, оС.

Количество конденсата

G = Q/r, (2)

кон V '

где г - удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Плотность орошения конденсата

Земцов Д.А., Войнов Н.А. Укрепляющая колонна на основе эффектов термической ректификации

а) б)

1 - царга; 2 - верхняя пластина; 3 - средняя пластина; 4 - нижняя пластина; 5 - дефлегматор; 6 - распределитель конденсата; —► - вода; Н> - пар; - рабочая смесь; - конденсат Рисунок 1 - Схема ступени (а) и ее общий вид (б)

Yd, % мас.

q = G /n 0,785(D2- d.2),

(3)

где Gкoн- расход конденсата, кг/с;

О и d¡- соответственно наружный и внутренний диаметр верхней пластины, м;

п- количество верхних пластин.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как установлено давление паров в кубе колонны во всем исследованном интервале тепловой нагрузки составило не более 100 Па, что свидетельствует о низком гидравлическом сопротивлении контактных ступеней при суммарном количестве жидкости не ступенях не превышающем 2,5 кг. Согласно данным представленным на рисунке 2 концентрация этанола в дистилляте зависит от температуры конденсата и при установке на ступени двух верхних пластин достигала 94,2% мас.

С увеличением флегмового числа эффективность колонны при термической ректификации возрастает, рисунок 3.

Обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость для расчета концентрации этанола в дистилляте в виде

yd = 76,9 [Q0,02 (G/G ^(q)-0,015]1

(4)

где Yd - концентрация этанола в дистилляте, %

мас.

Q - тепловой поток паров из куба, кВт;

- Расход конденсата, кг/с; Gд - расход дистиллята, кг/с; f - поверхность верхних пластин, м2; q - плотность орошения конденсата, кг/(с м2), которое справедливо при q < 0,02 кг/с м2 .

Л 0___

V

_____ —й— л

--AÜ

д- 1; 0- 2.

0

5

10

15

20

25

Ät, oC

Рисунок 2 - Изменение концентрации этанола в дистилляте в зависимости от разности температуры пара и теплоносителя на верхней ступени колонны при начальной концентрации этанола в паре 60% мас. и тепловом потоке 14 кВт. Экспериментальные точки (1-2): 1- одна верхняя пластина на ступени; 2 - две пластины

92,5

91,5

Рисунок 3 - Зависимость концентрации дистиллята от флегмового числа при установке на ступени двух верхних пластин. Экспериментальные точки (1-3): 1- Q = 4 кВт; 2- 7; 3- 12

У % мас

94

93,5

93

92

91

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015

Как показал анализ, вклад парциальной конденсации паров на эффективность укрепления колонны составил не более 5%., влияние нижней и средней пластины на процесс - 10%. В этой связи можно заключить, что укрепление колонны в основном зависит от работы верхних пластин ступени. Эффективность ступеней по высоте колонны не одинакова и зависит от температуры конденсата и концентрации этанола в поднимающихся парах укрепляемой смеси. Для нижних ступеней она составила 0,3-0,7 и верхних до 0,7.

Требуемую концентрацию этанола в дистилляте при заданной производительности можно обеспечить, согласно (4) установкой необходимого количества пластин, а также подбором теплового потока и плотностью орошения. Например, при наличии на ступени четырех верхних пластин, тепловом потоке 25 кВт и флегмовом числе 10 в колонне при атмосферном давлении укрепление паров смеси этанол-вода достигается до точки азеотропа. При размещении пластин через 20 мм высота колонны с 25 ступенями составит 2,8 м, а сопротивление не превысит 100 Па.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Укрепляющая колонна, вследствие ее высокой эффективности и низкого гидравлического сопротивления, рекомендуется для проведения процессов ректификации под вакуумом, например для обезвоживания этанола полученного на гидролизате древесины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Пат. 2437698 Российская Федерация, МПК B01D3/14 С1. Способ ректификации [Текст]/ Войнов Н.А., Паньков В.А, Войнов А.Н ; заявитель - №2010118012/05 ; заявл. 04.05.2010 ; опубл. 27.12.2011, Бюл. № 36. - 7 с. Пат. 2445996 Российская Федерация, МПК B01D3/14 С1. Ректификационная колонна [Текст]/ Войнов Н.А., Паньков В.А., Войнов А.Н ; заявитель. - №2010118010/05 ; заявл. 04.05.2010 ; опубл. 27.03.2012, Бюл. № 9. - 6 с. Войнов Н. А. Теплосъем при пленочном течении жидкости [Текст]/ А.Н. Войнов, Ал. Н. Николаев.- Казань: Издательство «Отечество», 2011.- 224 с.- Библиограф.: с. 205-220.- Предм. указ. : с. 221-220.- 200 экз.- ISBN 9785-9222-0463-7

ВойновН.А. Теплоотдачапри конденсации и кипении в пленочном трубчатом испарителе [Текст] / Н. А. Войнов, О. П. Жукова, А. Н. Николаев // Теорет. основы хим. технол. - 2012. -Т. 46, -№ 3. - С. 1-9.

Поступила в редакцию 26.05.15 Принята к печати 21.09.15