CC BY
38
УДК 621.317.39 : 536.53
В.Е. Жуков, А.Н. Павленко, Н.И. Печеркин, В.Ю. Чехович Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ФОРМИРОВАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВНУТРИ СТРУКТУРИРОВАННОЙ НАСАДКИ ДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ КОЛОННЫ
V. Zhukov, A. Pavlenko, N. Pecherkin, V. Chekhovich Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS 1 Lavrentjev Ave., Novosibirsk, 630090, Russian Federation
APPLICATION OF SILICON DIODES FOR INVESTIGATION OF DYNAMICS OF LARGE-SCALE MALDISTRIBUTION OF TEMPERATURE INSIDE A STRUCTURED PACKING IN THE DISTILLATION COLUMN
The technique for measurement of temperature maldistribution, formed inside a structured packing of the distillation column at separation of R114 + R21 mixture, is presented. The measurement system allows temperature measurements at many points (about 200-300) with high accuracy (about 0.05-0.1 degrees) and resolution (0.01 degree), using a cheap 24-bit ADC. Silicon diodes KD512 are used as the measures; they act simultaneously as the measurers and switching units.
Представлена методика измерения распределения температурной неравномерности, формирующейся внутри структурированной насадки дистилляционной колонны при разделении смеси фреонов R114 и R21. Измерительная система позволяет с использованием недорогостоящего 24 разрядного АЦП измерять температуру в большом числе точек (порядка 200300) с хорошей точностью (порядка 0.05-0.1 градуса) и высокой разрешающей способностью (0.01 градуса). В качестве измерителей использованы кремниевые диоды КД512, которые одновременно выполняют функцию измерителя и коммутатора.
Результаты исследований и эксплуатации промышленных ректификационных колонн с регулярными насадками показали, что эффективность разделения при увеличении диаметра колонн очень часто может снижаться, что сказывается на производительности и на чистоте готовой продукции. Фундаментальными причинами, ответственными за снижение разделительной способности колонны, являются эффекты, вызванные поперечной неравномерностью распределения и продольным перемешиванием. Эти эффекты относятся к потокам пара и жидкости внутри насадки и проявляются в отклонении производительности и чистоты продукта от расчетных значений для идеальных условий равномерного распределения. В настоящее время известно ограниченное число работ, посвященных экспериментальному исследованию распределения потоков по сечению колонны в лабораторных моделях насадочных колонн. Наиболее распространенным методом при исследовании неравномерности
распределения является метод сбора жидкости под насадкой с помощью коллекторов, [1-2]. Известны примеры применения методов рентгеновской компьютерной томографии и гамма-томографии к исследованию течения в упаковках с катализаторами и структурированными насадками [3-4].
В данной работе представлена методика экспериментального исследования динамики формирования крупномасштабной неравномерности внутри структурированной насадки дистилляционной колонны посредством измерения температурного поля в разных по высоте сечениях насадки.
Эксперименты проводились на установке «Фреоновая колонна». Схема установки детально описана в работе [5]. В колонне диаметром 0.9 м была установлена цилиндрическая вставка диаметром 0.6 м заполненная структурированной насадкой из алюминия с удельной поверхностью 500
2 3
м /м . Насадка состояла из 11 одинаковых слоев и имела общую высоту 2.2 м. Эксперименты проводились на смеси фреонов R114 и R21 при противоточном движении жидкости и пара. Соотношение мольных расходов жидкости и пара было равным единице. Насадка равномерно орошалась из распределителя жидкости с плотностью точек орошения 450 м- . Неравномерность распределения локальной плотности расхода жидкости в сечении колонны на выходе из насадки измерялась с помощью специально разработанного малонапорного расходомера, установленного на двухкоординатном устройстве [6]. Также на этом устройстве был установлен пробоотборник жидкости, через который проба подавалась на хроматограф для измерения состава двухкомпонентной смеси. Измерения на выходе из насадки показали наличие существенной неравномерности распределения по сечению колонны локального расхода жидкости и распределения локального состава смеси [7]. Для измерения неравномерности распределения локального состава смеси внутри насадки и ее развития по высоте были установлены датчики температуры в трех сечениях по высоте колонны. В каждом сечении установлено по 16 датчиков. По измерениям температуры рассчитывалось распределение состава смеси в сечении насадки.
В качестве датчиков температуры использовались стандартные кремниевые диоды КД512. Опыт использования диодов и транзисторов в качестве термодатчиков имеет полувековую историю [8]. Кремниевые приборы имеют хорошую временную стабильность, малые габариты (бескорпусные приборы - менее миллиметра), высокую чувствительность (порядка 2 мВ/град), низкую стоимость. Кроме того, используя свойство односторонней проводимости диодов, можно реализовать различные коммутационные схемы прямо на термометрах, сократив тем самым число измерительных линий, что бывает немаловажно при необходимости проводить измерения в большом числе точек. В нашем случае была разработана измерительная система, которая обеспечивает опрос четырех групп датчиков по 32 датчика в группе с помощью одного четырехканального 24-разрядного дельта-Сигма АЦП со встроенным цифровым фильтром. Количество датчиков в группе может быть увеличено при незначительной доработке системы до 64, а возможно и до 128, но такая возможность нами не
проверялась. Структурная схема измерений показана на рис. 1. Диоды в группе включены параллельно. Высокостабилизированный источник тока REF200 запитывает всю группу током 100 мкА. При этом в открытом состоянии единовременно находится лишь один из диодов. Остальные диоды заперты высоким потенциалом на катоде посредством дешифратора, управляемого с компьютера. Дешифратор обеспечивает циклическое переключение диодов в группе, а по единственному на всю группу информационному каналу полезный сигнал подается на вход дифференциального усилителя, где он сравнивается с сигналом компенсационной петли, запитанной от второй половины микросхемы REF200. Компенсационная петля служит для компенсации наведенных помех, температурной зависимости подводящих линий и так называемого пьедестала температурной характеристики диода. Провода компенсационной петли собраны в один жгут с информационным каналом и проводами коммутирующих сигналов. Весь цикл опроса всех датчиков в нашем случае составлял 4 секунды. При включении диода начинается разогрев измерителя за счет протекания тока 100 мкА. Постоянная времени для диода КД512 составляет 5-6 с, при этом диод разогревается на 0.06-0.08 градуса. В нашем случае время включенного состояния диода составляло менее 0.3 с, что приводило к погрешности от разогрева менее чем на 0.01 градуса.
Для использования в качестве термодатчиков из партии в 1000 штук были отобраны 48 диодов с минимальным обратным током и близкими между собой значениями прямого падения напряжения при комнатной температуре. Обратный ток в партии был в пределах (3-7)-10'9 А. Калибровка термометров проводилась вместе с соединительными линиями. Для калибровки использовался термостат Thermo Haake DC-30, обеспечивающий
стабильность поддержания температуры 0.02 град. В качестве термостатируемой жидкости использовалось трансформаторное масло, имеющее высокую диэлектрическую прочность. Калибровка проводилась в диапазоне температур (25-45) °С через 2.5 градуса. Каждый температурный режим выдерживался в течение часа, при этом опрос всех датчиков производился каждые 4 секунды. Величина стандартного отклонения сигнала датчика составляла в каждом режиме (0.008-0.01) мВ, что в пересчете на температуру соответствует (0.004-0.005) градуса. Калибровочные характеристики датчиков были представлены линейной зависимостью, поскольку нелинейность в данном диапазоне температур не превысила 0.02 градуса и была на уровне точности поддержания температуры в термостате. Таким образом, разработанная нами система измерения температуры позволила регистрировать температуру в 48 точках с точностью порядка 0.05 градуса. Установленные внутри насадки датчики проходили тестирование при течении жидкости по насадке без противоточного потока пара. В этих условиях неравномерность распределения температуры по сечению составила 0.12 градуса.
При разделении смеси на структурированной насадке дистилляционной колонны происходит массообменный процесс в противоточном потоке жидкости и пара, который характеризуется для данного давления и данного локального состава смеси конкретной величиной локальной температуры. На рис. 2 показано, как в процессе выхода дистилляционной колонны на стационарный режим происходит формирование неравномерного поля температур в сечении насадки. На рис. 3 можно видеть характер температурной неравномерности в сечении насадки в различные моменты времени. Полученные температурные распределения по сечению и высоте насадки и их эволюция во времени позволяет получить дополнительную важную информацию по закономерностям и взаимосвязи локальных гидродинамических и массообменных характеристик и общей эффективности разделения смесей в колонне.
Рис. 2. Формирование неравномерного поля температур в среднем (по высоте) сечении насадки при выходе колонны на стационарный режим. Тниз, Тверх - температура в колонне ниже и выше насадки, соответственно; У01-У16
- температуры, измеренные диодами
38.4
-50 0 50
150 200 250 300
Рис. 3. Поля температур в среднем (по высоте) сечении насадки при выходе колонны на стационарный режим в различные моменты времени. Изотермы
построены через 0.2 градуса. Значения изотерм в °С. а) - 0:44 (0 час 44 мин);
б) - 0:56; в)- 1:41
Использование в качестве термодатчиков стандартных кремниевых диодов позволило создать недорогую измерительную систему, позволяющую работать с большим числом измерителей. Система имеет высокую разрешающую способность, достаточно высокую точность и хорошую временную стабильность.
Применение данной системы в исследованиях процессов массообмена на структурированных насадках позволило наблюдать динамику формирования крупномасштабной неравномерности внутри насадки дистилляционной
колонны.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Gunn, D.J. Liquid distribution in packed columns/D.J. Gunn, H.B.S. Al-Saffar // Chem. Eng. Sci. - 1993. - V. 48. - №. 22. - P. 3845-3854.
2. Olujic, Z. Liquid distribution behaviour of conventional and high capacity structured packings
/ Z. Olujic, R. van Baak, J. Haaring// Distillation and Absorption. - 2006. - IChemE Symp. Series № 152. -
P. 252-266.
3. Marchot, P. Liquid distribution images on structure packing by X-ray computed tomography/P. Marchot, D. Toye, A-M. Pellser et al. // AIChE J. - 2001. - V 47. - №. 6. - P. 1471-1476.
4. Shaibal, Roy. Countercurrent flow distribution in structure packing via computed tomography/Roy Shaibal, A. Kemoun, M.H. Al-Dahhan et al. // Chem. Eng. and Processing. - 2004. -V. 44. - P. 59-69.
5. Pavlenko. A. Large industrial-scale model of structured packing distillation column/A. Pavlenko, N. Pecherkin, V. Chekhovich et al. // Journal of Engineering Thermophysics. - 2005. - V. 13. -№. 1. - P. 1-18.
6. Серов, А.Ф. Пузырьковый расходомер для исследования струйно-капельного течения в массообменных аппаратах / А.Ф. Серов, А.Н. Павленко, Н.И. Печеркин, А.Д. Назаров, С.В. Кротов, В.Е. Жуков // Приборы и техника эксперимента. - 1998. - № 5. - С. 145-149.
7. Павленко, А.Н. Теоретические основы химической технологии / А.Н. Павленко, Н.И. Печеркин, В.Ю. Чехович и др. - Т. 40. - № 4. - 2006. - С. 355-365.
8. Фогельсон, И.Б. Транзисторные термодатчики / И.Б. Фогельсон. - М.: Советское радио, 1972. - 129 с.
© В.Е. Жуков, А.Н. Павленко, Н.И. Печеркин, В.Ю. Чехович, 2008
