Анализ способов термической ректификации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 66.015.23

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Д. А. Земцов, И. В. Земцова, О. П. Жукова, Н. А. Войнов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: Voynov@siberianet.ru

Проведен анализ способов термической ректификации, показаны преимущества и недостатки существующих способов. Представлен способ, разработанный авторами. Показано, что термическая ректификация увеличивает эффктивность ступеней до 2 раз по сравнению с адиабатной. Разработана пленочная бражная колонна на основе термической ректификации.

Ключевые слова: ректификация, парциальная конденсация, флегма, бражная колонна, термические эффекты.

ANALYSING METHODS OF THERMAL RECTIFICATION

D. A. Zemtsov, I. V. Zemtsova, O. P. Zhukova N. A. Voinov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Voynov@siberianet.ru

The research analyses the methods of thermal rectification, and shows the advantages and disadvantages of the existing methods. The authors present the method developed. It is shown that thermal rectification increases the efficiency of the steps up to 2 times, in comparison with the adiabatic step. A film brach column is developed on the basis of thermal rectification.

Keywords: rectification, partial condensation, phlegm, braiding column, thermal effects.

Одним из наиболее перспективных способов разделения смесей в технологиях комплексной переработки растительного сырья является термическая ректификация, которая имеет ряд преимуществ [1] по сравнению с адиабатной ректификацией. В настоящее время разработаны различные способы термической ректификации, анализ которых представлен в данной работе.

Известен способ парциальной ректификации, заключающийся в частичной конденсации поднимающихся паров смеси на поверхности охлаждаемых труб пленочного аппарата [2]. В установках (рис. 1, а и б), реализующих указанный способ, совмещены процессы адиабатической и термической ректификации. Установлено, что интенсификация процесса в таких установках составила 10-15 %. Известен способ [3], рис. 1, в, при котором термическая ректификация происходит за счет передачи тепла из паровой фракции с нижележащей ступени в поток жидкой фракции вышележащей ступени, стекающей с другой стороны перегородки. При этом часть стекающей жидкости испаряется, обогащая паровую фракцию легколетучим компонентом. В результате многократных актов испарения (конденсации) происходит укрепление смеси. Указанный способ не апробирован в лабораторной практики и вряд ли может быть применен из-за низкой производительности установок реализующих способ.

Разработан способ ректификации многокомпонентных смесей [4], включающий разделение смеси на тепломассообменной поверхности при дополнительном подводе или отводе тепла путем осуществления непрерывной ректификации на оборотной стороне тепломассообменной поверхности. При этом используют теплоноситель, который представляет собой дополнительную многокомпонентную смесь с температурой кипения, лежащей между температурой кипения чистой ниже кипящей фракции разделяемой смеси и температурой кипения чистой выше кипящей фракции теплоносителя. Согласно данному способу, рис. 2, а, теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру. В этом случае за счет контролируемого теплообмена создаются оптимальные условия для конденсации тяжело кипящего компонента и испарения легко кипящего компонента, что повышает эффективность разделения вещества на 15-30 % по сравнению с традиционной адиабатической ректификацией.

Изучение этого способа ректификации было осуществлено авторами настоящей работы и результаты опубликованы [5]. Как показал анализ высокая эффективность исчерпывания достигнута при одновременном подводе насыщенных паров в межтрубное пространство колонны и дистилляции, рис. 2, б.

В этом случае поток дополнительного пара приводит к снижению сопротивления массопереносу в жидкой фазе.

Комплексная переработка возобновляемого сырья

а б в

Рис. 1. Схемы установок парциальной конденсации: 1 - корпус; 2 - труба; 3 - штуцер ввода пара; 4 - штуцер вывода пара; 5 - штуцер ввода охлаждающей жидкости; 6 - штуцер вывода охлаждающей жидкости; 7 - штуцер вывода кондесата; 8 - штуцер ввода рабочей смеси; 9 - штуцер вывода отработанной смеси; - вода; -О - пар; - рабочая смесь; - конденсат

а б

Рис. 2. Схемы реализации способов термической ректификации: 1 - корпус; 2 - труба; 3 - штуцер ввода пара; 4 - штуцер вывода пара; 5 - штуцер ввода охлаждающей жидкости; 6 - штуцер вывода охлаждающей жидкости; 7 - штуцер вывода конденсата; 8 - распределитель; 9 - теплообменник; 10 - штуцер ввода рабочей смеси; 11 - штуцер вывода отработанной смеси - вода; -О - пар; - рабочая смесь; - конденсат; - вторичный пар)

При подаче на начальный участок пленкообразующей поверхности охлажденной рабочей жидкости и работе колонны по схеме, достигнута максимальная эффективность исчерпывания, которая в 2 раза выше, чем при адиабатической ректификации.

Установленные параметры процесса неадиабатической ректификации позволили разработать исчерпывающую пленочную колонну работающую на основе термических эффектов. При начальной концентрации этанола в бражке 2 % об. и производительности 80 м3/час требуется пленочная колонна высотой 12 метров, диаметр колонны составил 1,5 м, а ее металлоемкость по сравнению с колпачковой бражной колонной снизилась на порядок.

Библиографические ссылки

1. Войнов Н. А., Земцов Д. А. Колонна с низким сопротивлением на основе термических эффектов //

Химия растительного сырья. Барнаул, 2016. № 2. С. 117-122.

2. Пленочная тепло- и массообменная аппаратура (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) / В. М. Олевский, В. Р. Ручинский,

A. М. Кашников, В. И. Чернышев. М. : Химия, 1988. 240 с.

3. Пат. СССР 1291171, В0Ю3/26, Ректификационный аппарат / И. М. Плехов, В. А Борович,

B. Н. Гуляев, М. В Самойлов, Н. П. Кохно ; заявитель и патентообладатель авторы. № 3965874/31-26 ; заявл. 21.10.1985 ; опубл. 23.02.1987, Бюл. № 7. 3с.

4. Пат. Российская Федерация 006452, Б0Ю 3/04, 1/06 ; С10в 7/00 ; Р28Б 1/00, 13/14. Компактная ректификационная установка для разделения смешанных текучих сред и ректификационный способ разделения таких смешанных текучих сред / Сайфутдинов А. Ф., Бекетов О. Е., Ладошкин В. С., Нестеров Г. А. ; заяви-

тель и патентообладатель авторы. № 200401225 ; заявл. 20.03.2002 ; опубл. 25.09.2003, Бюл. № 1, № 6. 44 с.

5. Иссследование термической ректификации в пленочной колонне / Д. А. Земцов, О. Н. Лукачева, Н. А. Войнов // Хвойные бореальной зоны. Красноярск, 2017. Том XXXV, № 1-2. С. 111-116.

References

1. Voinov N. A., Zemtsov D. A. Kolonna s nizkim soprotivleniem na osnove termicheskikh effektov // Khimiya rastitel'nogo syr'ya. Barnaul, 2016. № 2. Р. 117-122.

2. Plenochnaya teplo- i massoobmennaya apparatura (Protsessy i apparaty khimicheskoy i neftekhimicheskoy tekhnologii) / V. M. Olevskiy, V. R. Ruchinskiy, A. M. Kashnikov, V. I. Chernyshev. M. : Khimiya, 1988. 240 р.

3. Pat. CCCR 1291171, V01D3/26, Rektifikatsionnyy apparat / Plekhov I. M., Borovich V. A, Gulyaev V. N.,

Samoylov M. V., Kokhno N. P. ; zayavitel' i paten-toobladatel' avtory. № 3965874/31-26 ; zayavl. 21.10.1985 ; opubl. 23.02.1987, Byul. № 7. 3 р.

4. Pat. Rossiyskaya Federatsiya 006452, B01D 3/04, 1/06 ; C10G 7/00 ; F28F 1/00, 13/14. Kompaktnaya rekti-fikatsionnaya ustanovka dlya razdeleniya smeshannykh tekuchikh sred i rektifikatsionnyy sposob razdeleniya takikh smeshannykh tekuchikh sred / Sayfutdinov A. F., Beketov O. E., Ladoshkin V. S., Nesterov G. A. ; zayavitel' i patentoobladatel' avtory. № 200401225 ; zayavl. 20.03.2002 ; opubl. 25.09.2003, Byul. № 1, № 6. 44 р.

5. Isssledovanie termicheskoy rektifikatsii v plenochnoy kolonne / D. A. Zemtsov, O. N. Lukacheva, N. A. Voinov // Khvoynye boreal'noy zony. Krasnoyarsk, 2017. Tom XXXV, № 1-2. Р. 111-116

© Земцов Д. А., Земцова И. В., Жукова О. П., Войнов Н. А., 2017