CC BY
30
УДК 665.3
Интенсификация процессов охлаждения и конденсации паров растворителя в маслоэкстракционном производстве
Канд. техн. наук A.B.ФЕДОРОВ Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт жиров» Российской академии сельскохозяйственных наук
A new method of conduction of the process of hydrocarbon condensation using the contact heat exchanger is offered. A principia! technological plan of distillation of a micelle in the oil-extraction production process with the selection of controlling units is presented.
Производство растительных масел на протяжении последних лет остается динамично развивающимся комплексом в масложировой отрасли пищевой промышленности России. В 2004 г. выработано растительного масла на 16,88 % больше, чем в 2003, и в 2005 г. тенденции сохраняются [ 1 ]. Большее количество масла в России производится экстракционным способом, который включает в себя цепь достаточно энергоемких операций, при этом происходит как потребление, так и значительный сброс теплоты.
По энергетике процесс дистилляции мисцеллы (получение двух составляющих раствора в чистом виде: растительного масла - для дальнейшей переработки и органического растворителя - для повторной экстракции масличного материала) занимает в маслоэкстракционном производстве большую долю. Даже сравнительно незначительная экономия энергоресурсов при большой производительности дистилляционных установок и огромных объемах переработки масличного сырья может дать существенные результаты.
При дистилляции растворитель переводится в газообразное состояние и удаляется из раствора, затем он вновь переводится в жидкое для повторного использования.
На предприятиях масложировой отрасли подавляющее большинство используемых конденсаторов - это водоохлаждаемые конденсаторы рекуперативного типа [7], имеется небольшое количество воздухоохлаждаемых или воздушных конденсаторов.
Процесс конденсации растворителя - ответственный узел в технологической цепи. Во-первых, он требует больших затрат на сам процесс, во-вторых, от качества работы конденсаторов напрямую зависят потери растворителя в производстве.
Ведение процесса конденсации в производственных условиях определяется большим количеством факторов, изменение которых в отдельных случаях может вызвать сбои в работе оборудования. Наибольшее влияние оказывают такие, как температура и расход охладителя, количество подаваемых на конденсатор паров растворителя.
Самым нежелательным в технологии является «пролет» паров растворителя, вызывающий не только его потери, но и выброс в атмосферу. Поэтому технологи и проектировщики подбирают режимы работы конденсаторов и их конструктивные, в особенности геометрические, параметры со значительным запасом, что приводит к дополнительным затратам.
Еще одним недостатком применяемых водяных конденсаторов является их большая инерционность, поэтому быстрое изменение режима работы при колебании входных параметров затруднительно.
Для преодоления этих недостатков предлагается в дополнение к водоохлаждаемому конденсатору устанавливать контактный теплообменник-конденсатор. Частично схема, включающая аппарат такого типа, была испытана и предложена к применению ранее [9].
К возможным причинам, препятствовавшим широкому распространению разработанных методов в предыдущие годы, можно отнести незначительную на первый взгляд экономию энергоресурсов и консерватизм специалистов, вызванный высокой взрывоопасностью данного типа производства. Оставался открытым вопрос о надежных методиках расчета контактных теплообменников именно для сред, образованных применяемыми в экстракции растворителями.
Практическое применение контактных теплообменников в других отраслях техники осуществляется давно [6]. Особенно широкое распространение они получили в энергетике, металлургии и холодильной технике. Контактные теплообменники более эффективны по сравнению, например, с рекуперативными, так как в них
теплота передается непосредственно от одного носителя к другому, кроме того, они обладают меньшей инерционностью.
В дистилляционных установках, как правило, наибольшее количество растворителя отгоняется на первой ступени, а значит, и ее система конденсации работает наиболее напряженно. Поэтому устанавливать связку из двух конденсаторов предлагается на этой стадии производства.
За основу применения метода взята ставшая классической трехступенчатая дистилляционная установка, которая представлена на рисунке. Она состоит из трех дистилляторов 1, 9, 11, работающих последовательно. Дистилляторы снабжены водоохлаждаемыми конденсаторами 5, б, 7. Перед входами в дистилляторы первой и третьей ступени имеются теплообменники 2, 8, для подогрева мисцеллы. Причем теплообменник 2 использует теплоту конденсата растворителя, а в теплообменник 8 подается водяной пар. В работу первой ступени включен контактный теплообменник 3, конденсат в который подается через распределительное устройство 4. Транспортировка мисцеллы от ступени к ступени осуществляется насосами 10,12,13.
По принципу работы принята модель контактного теплообменника орошения объемного типа, или, как его называют, конденсатор орошения.
В теплообменнике орошения движение потоков организовано встречно, сверху вниз движется распыленный жидкий растворитель, а снизу вверх - пары растворителя.
Жидкий растворитель поступает в конденсатор орошения из водоохлаждаемого конденсатора 5 через распределительное устройство 4 и теплообменник 2, а пары растворителя подаются из дистиллятора 1 первой ступени. Внутри аппарата происходит охлаждение и частичная конденсация газообразного растворителя
3 4 5 6 7
Трехступенчатая дистилляционная установка
за счет передачи теплоты жидкому растворителю. Далее несконденсированные пары направляются в водоохлаждаемый конденсатор 5, а жидкий растворитель -в сборник для дальнейшей обработки и использования.
В конденсаторе орошения выделены следующие узлы изоны:
узел подачи паров в аппарат;
распылительное устройство;
область взаимодействия частиц жидкости и пара в объеме;
система твердая стенка - пленка жидкости.
Вполне понятно, что для каждой из зон действуют свои законы тепло- и массообмена. Для распылительной зоны можно воспользоваться достаточно хорошо отработанной моделью, с помощью которой разрабатывались так называемые пароэжекторные форсунки, подробно она изложена в работе [4]. В работе [5] обобщены и представлены материалы по взаимодействию сред в объеме и в пленках. При построении моделей процесса был проработан ряд первоисточников, ставших классическими, основные из которых-работы [2,8], а также современные представления, изложенные в [3,10]. В рамках настоящей публикации не представляется возможным изложить подробно разрабатываемую методику расчета конденсаторов орошения, отметим лишь следующее. Поперечное сечение цилиндрического аппарата разделяется на концентрические зоны в виде колец. Для каждой зоны решается замкнутая система дифференциальных уравнений, описывающих процессы переноса импульса, массы и энергии. Затем устанавливается баланс взаимообмена пара и капель между соседними кольцами. Далее алгоритм построен так, что входные и выходные параметры обоих конденсаторов 3 и 5 и промежуточного теплообменника 2 связываются в единую систему.
Выбор наиболее выгодных режимов определяется, исходя из принципа сбалансированности количественных и качественных показателей потоков жидкости и газа и из возможности исключения «пролета» частиц растворителя через второй - водоохлаждаемый конденсатор.
Следует отметить, что фракционный состав применяемого углеводородного растворителя играет в процессе конденсации очень важную роль. Температура «начала» конденсации может несколько смещаться и иметь довольно существенный диапазон. Поэтому требуется подбирать соответствующий режим ведения процесса, а это как раз и позволяет сделать предлагаемая система из двух конденсаторов.
В качестве управляющего звена предлагается использовать поток жидкого растворителя, направляемого из водоохлаждаемого конденсатора в контактный кон-
денсатор, т.е. для орошения может использоваться не весь конденсат, а только его часть. Управление газовыми потоками из-за высокой степени взрывоопасности производства исключается.
Параметры и конструктивные особенности контактного теплообменника могут быть рассчитаны для конкретной дистилляционной установки, и он легко вписывается в действующую технологическую схему. В качестве узла подачи жидкости в нем рекомендуется использовать либо форсунки, либо провальные тарелки, самое главное, чтобы диспергированная жидкость равномерно покрывала сечение аппарата. К конструкции узла подачи паров растворителя не предъявляется особых требований.
Таким образом, предлагается хорошо управляемый эффективный способ ведения процесса конденсации паров растворителя, который при соответствующей адаптации может быть использован и на других стадиях производства. Разрабатываемая схема открывает благоприятные возможности для применения современных средств автоматики и управления технологическим процессом.
Список литературы
1. Артеменко И.П., Дзюбинский Р.Н. Масложировая отрасль России в 2004 г. и тенденции ее развития // Масложировая промышленность. 2005. № 2.
2. Бай Ши-и. Турбулентное течение жидкостей и газов. -М.: Изд-во иностр. лит., 1962.
3. Дж. Делайе М. Гио, М. Ритмюллер. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков в атомной и тепловой энергетике / Пер. с англ. - М.: Энергоатомиз-дат, 1984.
4. Залетнев А.Ф., Федоров A.B., Готовский А.М. Моделирование распылительной дистилляции масляных мис-целл // Масложировая промышленность. 1987. № 10.
5. Ключкин. ВВ., Залетнев А.Ф., Данилюк O.A., Сла-бодчиков Д.Ю. Принципы математического моделирования тепломассообмена при распыливании жидкости в колонном аппарате // Вестник ВНИИЖ. 2002.
6. Кошкин В.Я., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители. - М.: Машиностроение, 1971.
7. Кректунов О.П., Савус A.C. Процессы конденсации и конденсаторы масложирового производства. - СПб.: АООТ «НПО ЦКТИ», 1998.
8. Рейнольдс АДж. Турбулентные течения в инженерных приложениях. - М.: Энергия, 1979.
9. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров. - Л.: изд. ВНИИЖ, 1989. Т. 6. Кн. 2.
10. Симаков H.H. Экспериментальное исследование и расчет гидродинамической структуры двухфазного потока в свободном факеле распыла механической форсунки // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики: Материалы Всесоюзной конференции. 1985.
