CC BY
24Решетневские чтения. 2018
УДК 66.015.23
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ КОЛОННЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
Д. А. Земцов1, Н. В. Дерягина2, Н. А. Войнов1
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 Е-mail: n.a.voynov@mail.ru
Представлены результаты исследования и алгоритм расчета колонны термической ректификации. Выявлены основные кинетические и конструктивные параметры колонны, влияющие на эффективность укрепления смеси.
Ключевые слова: термическая ректификация, ступень, теплоотдача, эффективность.
RESEARCH AND CALCULATION OF THE THERMAL RECTIFICATION COLUMN
D. A. Zemtsov1, N. V Deryagina2, N. A. Voinov1*
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: n.a.voynov@mail.ru
The results of the study and the algorithm for calculating the thermal rectification column are presented. The main kinetic and structural parameters of the column, influencing the effectiveness of strengthening the mixture, are revealed.
Keywords: thermal rectification, step, heat transfer, efficiency.
Разделение сред на установках термической ректификации широко используются в лесохимической промышленности [1] для получения продуктов различного назначения.
Одним из преимуществ термической ректификации является возможность создания колонн с низким гидравлическим сопротивлением и сравнительно высокой эффективностью. Так как направленное воздействие на процессы испарения и конденсации на ступенях позволяет уменьшить время воздействия на среду высокой температуры, снизить количество обрабатываемой смеси в зоне контакта, обеспечить качественное разделение многокомпонентных, термолабильных и химически не стойких веществ, улучшить свойства получаемого продукта.
В настоящее время большой интерес представляют колонны, ступени которых выполнены из горизонтально установленных перфорированных пластин [2-4]. При работе таких установок поднимающиеся пары смеси контактируют с поверхностью трубы дефлегматора на каждой ступени и частично конденсируются с образованием конденсата (флегмы), который стекает по пластинам. Укрепление смеси осуществляется за счет эффекта вызванного парциальной конденсацией паров на поверхностях дефлегматора и пластин, а также за счет испарения конденсата и потока стекающей флегмы, размещенных на пластинах.
Требуемый расход флегмы на ступени таких установок, может обеспечиваться изменением: поверхно-
сти дефлегматора, расхода или температуры подаваемого теплоносителя, режима течения, способа тепло-съема.
В рассматриваемых колоннах протекает ламинарный режим течения конденсата на поверхности дефлегматора, в этой связи величина коэффициента теплоотдачи, при конденсации паров смеси этанол-вода, составляет 1000-3000 Вт/(м2К) и может быть рассчитан по уравнению Нуссельта.
Нагревание флегмы до температуры кипения достигается установкой требуемого количества пластин на ступенях и обеспечением плотности орошения конденсата на них (0,01-0,03) кг/(с м2).
Расчет величины коэффициента теплоотдачи при однофазном течении теплоносителя в дефлегматоре колонны рекомендуется проводить по общеизвестным зависимостям, например по формуле Михеева. Для увеличения числа Рейнольдса теплоносителя в полость трубы дефлегматора устанавливались вставка обеспечивающая зазор для прохода теплоносителя. В ряде случаев для интенсификации процесса теплообмена в дефлегматоре применялось пленочное восходящее течение.
Концентрацию этанола в парах и конденсате при парциальной ректификации можно рассчитать по зависимостям, представленным в работе [2]:
Анализ состава этанола по высоте колонны показал, что его концентрация в парах, поступающих на ступень колонны в 1,3-1,6 раза выше концентрации
Комплексная переработка возобновляемого сырья
этанола в жидкости стекающей с нижней пластины ступени.
Проведенные исследования и анализ процесса ректификации при термической ректификации позволили создать алгоритм расчета колонны, выполненной из пластин на примере разделения смеси этанол-вода.
Исходными данными для расчета укрепляющей колонны при ректификации являются: расход дистиллята; концентрация этанола в дистилляте; общее флегмовое число; концентрация этанола в паровой смеси, поступающей на первую (нижнюю) ступень колонны, среднерасходная скорость паров.
Согласно составленному алгоритму, вначале ориентировочно определяется общий расход флегмы, расход паровой смеси, поступающий на нижнюю ступень колонны, диаметр колонны, тепловой поток, поступающий на первую ступень, тепловой поток паров дистиллята, расход теплоносителя в дефлегматор, ориентировочная поверхность дефлегматора, средняя удельная тепловая нагрузка, поверхность дефлегматора одной ступени.
Затем проводится уточненный расчет ступеней колонны в следующей последовательности: определяется температура теплоносителя в дефлегматоре на выходе с первой ступени, тепловой поток, переданный в дефлегматор на первой ступени, количество сконденсировавших паров на ступени, расход паров выходящий из первой ступени колонны, удельный расход конденсата на верхних пластинах, исходя из конструктивных размеров ступени и количества верхних пластин, рассчитывается высота ступени, определяется эффективность первой ступени, согласно [5], определяется концентрация этанола в парах на выходе из первой ступени, которая является начальной концентрацией на входе во вторую ступень. После чего производится определение параметров второй ступени и т. д. Расчет проводится до тех пор, пока концентрация этанола на выходе из ступени будет равна заданной концентрации этанола в дистилляте.
При реализации алгоритма расчет проводится варьирование конструктивными параметрами ступени, расходом и температурой подаваемой воды в дефлегматор.
Как установлено с увеличением начальной температуры теплоносителя (10-46) оС концентрация этанола в дистилляте достигается при меньшем количестве ступеней.
Установлена зависимость между концентрацией этанола в дистилляте и флегмовым числом в зависи-
мости от конструктивных и технологических параметров ступени.
Библиографические ссылки
1. Гордон, Л. В., Скворцов С. О., Лисов В. И. Технология и оборудование лесохимических производств. М. : Лесн. пром-сть, 1988. 360 с.
2. Voynov N. A., Zemtsov D. A., Zhukova O. P. Study of Thermal Rectification in a Column with Low Mass Transfer on the Steps // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2017. Vol. 51, № 2. P. 174-181. Doi: 10.1134/S0040579517020130.
3. Земцов Д. А., Войнов Н. А. Укрепляющая колонна на основе эффектов термической ректификации // Хвойные бореальной зоны. 2015. Т. 33, № 3-4. С. 153-155.
4. Пат. 2437698 Российская Федерация, МПК В0Ш3/14 С1. Способ ректификации / Войнов Н. А., Паньков В. А., Войнов А. Н. ; заяв. № 2010118012/05 ; заявл. 04.05.2010 ; опубл. 27.12.2011, Бюл. № 36. 7 c.
5. Войнов Н. А., Земцов Д. А., Дерягина Н. В. Исследование парциальной конденсации при неадиабатной ректификации // Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. 36, № 2. С. 198-204.
References
1. Gordon. L. V, Skvortsov S. O., Lisov V. I. Tekhnologiya i oborudovaniye lesokhimicheskikh proiz-vodstv. M. : Lesn. prom-st, 1988. 360 р.
2. Voynov N. A., Zemtsov D. A., Zhukova O. P. Study of Thermal Rectification in a Column with Low Mass Transfer on the Steps // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2017. Vol. 51, № 2. P. 174-181. Doi: 10.1134/S0040579517020130.
3. Zemtsov D. A., Voynov N. A. Ukreplyayushchaya kolonna na osnove effektov termicheskoy rektifikatsii // Khvoynyye borealnoy zony. 2015. T. 33, № 3-4. Р. 153-155.
4. Pat. 2437698 Rossiyskaya Federatsiya. MPK V01D3/14 S1. Sposob rektifikatsii / Voynov N. A., Pankov V. A., Voynov A. N. ; zayavitel №2010118012/05 ; zayavl. 04.05.2010 ; opubl. 27.12.2011. Byul. № 36. 7 c.
5. Voynov N. A., Zemtsov D. A., Deryagina N. V. Issledovaniye partsialnoy kondensatsii pri neadiabatnoy rektifikatsii // Khvoynye borealnoy zony. 2018. T. 36, № 2. Р. 198-204.
© Земцов Д. А., Дерягина Н. В., Войнов Н. А., 2018
