CC BY
38
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070
УДК 536.248.2:536.46
В.В.Кузнецов
д.ф.-м.н., заведующий отделом ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Г. Новосибирск, Российская Федерация
МАКРОМАСШТАБНЫЕ ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЙ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ С НАСАДКОЙ
Аннотация
Рассмотрены процессы самоорганизации противоточного парожидкостного течения при разделении многокомпонентной смеси в ректификационной колонне. Получены условия возникновения макромасштабных конвективных течений при разделении бинарной смеси хладонов R21-R114 в колонне, заполненной регулярной структурной насадкой Koch 1Y. По физическим свойствам такая смесь близка к свойствам компонент воздуха при криогенных температурах.
Ключевые слова
Бинарные смеси, макромасштабные конвективные течения, ректификация
Наиболее эффективным способом разделения жидких смесей на чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, является ректификация, которую проводят в колоннах различного типа при противоточном непрерывном контакте паров и жидкостей [1]. В последнее время задачи повышения производительности ректификационных колонн обусловили необходимость применения регулярных насадок для создания непосредственного контакта между паром и жидкостью. Такие насадки обеспечивают меньшие потери давления и увеличивают поверхность контакта фаз по сравнению с нерегулярным насадками или ректификационными тарелками. Для регулярных структурных насадок изучаются физические процессы в сложных канальных системах, создаются методы расчета эффективности разделения бинарных смесей для насадок различного типа [2].
Процесс обогащения пара более летучими компонентами и обеднение ими жидкости с выходом продуктов разделения в верхней и нижней частях колонны происходит вследствие имеющейся разности концентраций компонент в жидкости и паре. Поэтому возникновение крупномасштабных неоднородностей течения жидкости и пара и концентраций компонент вызывает ухудшение эффективности разделения [3]. В данной работе рассмотрены условия возникновения макромасштабных конвективных течений в колонне и их влияние на процесс разделении бинарной смеси хладонов R21 -R114 в колонне, заполненной структурной насадкой Koch 1Y. По физическим свойствам такая смесь при комнатной температуре, близка к свойствам компонент воздуха при криогенных температурах.
Рассмотрим противоточное течение жидкости и пара в ректификационной колонне со структурной насадкой при разделении бинарной смеси газов. В такой колонне жидкость стекает вниз под действием силы тяжести в виде тонкой пленки по поверхности структурной насадки и пар поднимается вверх в условиях интенсивного массообмена на межфазной поверхности. Основной причиной спонтанной самоорганизации противоточного многокомпонентного течения с образованием крупномасштабных структур в процессе разделения в сложных канальных системах являются конвективные течения, возникающие в колонне с отрицательным градиентом плотности пара вдоль силы тяжести из-за перехода легколетучего компонента из жидкости в пар.
Численные расчеты разделения смеси хладонов R21-R114 в колонне, заполненной структурной насадкой Koch 1Y, выполненные на основе одномерной неравновесной модели неэквимолярного разделения [4] для условий, соответствующих экспериментам [2], показали, что наибольшие градиент концентрации легколетучего компонента и плотность пара расположены в верхней части колонны. Градиент концентрации значительно возрастает при увеличении отношения мольных расходов жидкости и пара от 1 до 1.7, рисунок 1, что может служить причиной развития конвективных течений в поле силы тяжести.
Рисунок 1 - Изменение градиента концентрации легколетучего компонента вдоль вектора силы тяжести
при разделении К21-Я114.
Рассмотрим влияние отрицательного градиента плотности смеси газов вдоль вектора силы тяжести на устойчивость течения в колонне. Предположим малое изменение плотности смеси газов вдоль колонны и получим:
Р = Ро +р\ Р = Р(Г), Р = Ро + Лро/Ж ■ Г,
(1)
где
Г ~ Го + Г - концентрация легколетучего компонента. Введем следующие обозначения
Ру=-(ф/57)Р0_1, Р = Р0 (1 - РуУ) . Тогда уравнение движения для приведенной скорости газа ио в колонне принимает вид:
(uGV)uG = -VvPq + VqAUq -ßYg
Po
(2)
Обезразмерим уравнение (2) по характерному размеру I, характерной скорости газа Иа, характерной концентрации Го = 1 ■ /^ и получим:
(UqV)Uq = - noy g 1
+
Po
g Re
Au
q
(3)
Здесь введен параметр, определяющий соотношение гравитационных и инерционных сил при конвективном течении (число конвекции):
N
l2 gß dYjdz _Ra ■ Pr
U
q
Pe1
(4)
Параметр Ыаопу определяет соотношение гравитационных и инерционных сил при восходящем течении пара, и неустойчивые режимы течения пара соответствуют числу конвекции Ыаопу существенно больше единицы. Расчеты разделения смеси хладонов и криогенных жидкостей показывают, что число конвекции Ыаопу может существенно изменяться вдоль координаты, отсчитываемой от верхнего края колонны. На
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070
рисунке. 2 показано изменение числа конвекции Nconv вдоль вектора силы тяжести для отношения мольных расходов жидкости и пара L/V=1 и L/V=1.7.
14 12 10
I 1 1 1 D=0.4 m / /
D=0.3 m ♦
D=0.2 m V \ -
D=0.1 m
0.0
2
1.6
Ё 1.2 о
z 0.8 0.4 О
0.2
0.4
0.6
0.8
0.5
z, m
1.0
а)
- i D=0.4 m
— D=0.3 m -
D=0.2 m
------------- L)=U.1 m
1.5
б)
Рисунок 2 - Изменение числа конвекции в колонне вдоль вектора силы тяжести при а) Ь/У=1, б)
Ь/У=1.7.
При расчете рассматривались возмущения, характерный размер которых l равен диаметру колонны D. Как видно, число конвекции значительно превышает единицу для колонн с диаметром, превышающим 0.2 метра, при L/V=1. В таких условиях можно ожидать возникновение конвективного течения и значительную неоднородность концентрации компонент по сечению колонны, что и наблюдалось в [3].
В заключение отметим, что отношение мольных расходов жидкости и пара в ректификационной колонне с регулярной насадкой близкое к единице, является наиболее опасным и может привести к развитию конвективных течений в колонне большого диаметра при отрицательном градиенте плотности пара вдоль направления вектора силы тяжести. В этом случае эффективность разделения многокомпонентной смеси снизится из-за возникновения крупномасштабных неоднородностей концентраций компонент в жидкости и паре.
Работа выполнена в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010). Список использованной литературы:
1. Справочник по физико-техническим основам криогеники // Под ред. М. П. Малкова. - 2-е изд. - Москва: Энергия, 1973.
2. Hanley B. and Chen C.C. New Mass-Transfer Correlations for Packed Towers // AIChE. 2012. Vol. 58. P. 132— 152.
3. Pavlenko A., Zhukov V., Pecherkin N., Chekhovich V., Volodin O., Shilkin A., Grossmann C. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing // AIChE Journal. 2014. Vol. 60, No 2. P.690-705.
4. Taylor R., Krishna R. Multicomponent Mass Transfer // Wiley - IEEE, 1993.
© Кузнецов В В., 2016
УДК62
Е.Д.Мирвода
Донской государственный технический университет
Магистр кафедры СУЗ
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В АРХИТЕКТУРЕ МАЛОЭТАЖНЫХ ДОМОВ
Аннотация
Исходя из данных аналитического центра, проблемы с добычей нефти возникнут уже в ближайшие 20-30 лет. Соответственно перед инженерами разных областей стоит серьезная задача. Необходимо уже сегодня найти альтернативные источники энергии для обеспечения уверенного будущего.
Ключевые слова: энергия, источники, топливо, нефть.
Нынешнее производство электроэнергии значительно отражается на окружающей среде и к сожалению, не в лучшую для нас сторону. Когда мы сжигаем ископаемые виды топлива выделяется токсический газ, который негативно отражается на нашей экологии. Со временем потребление энергии будет только увеличиваться, и мы не сможем отказаться от данного топлива. Но помимо вопроса экологии, вопрос возникает также в следующем, а на какой же период времени хватит миру природных ресурсов. Эти две причины являются весьма весомыми для рассмотрения такой темы как возобновляемые источники энергии и тем более применение их в наших домах.
В настоящее время в строительной индустрии России, да и в мире в целом весьма незначительно используют возобновляемые источники энергии. Также об этой теме заставляет задуматься финансовая сторона вопроса, ведь использование возобновляемых источников поможет снизить большинство расходов на топливо. Данная тема на рассмотрении многих стран в том числе и России уже давно. До недавних пор считалось, что у России никогда не будет проблем с традиционными, на данный момент, видами топлива такими как газ, уголь и нефть. Но по данным аналитиков проблемы с добычей нефти у нас возникнут уже в 2035 году. В связи с этим в аналитической справке Комитета Госдумы по энергетике, транспорту и связи сказано: «В связи с истощением месторождений нефти и природного газа российская энергетика в течении XXI века обязана претерпеть существенные структурные изменения... Россия ставит цель снижения удельной энергоёмкости экономики к 2030 г. в 2 раза по сравнению с 2000 г.
Итак, основные причины для использования возобновляемых источников энергии:
- Истощение традиционных видов топлива
- пагубное влияния токсического газа, который выделяется при использовании топлива, на окружающую среду
- в свою очередь возобновляемые источники энергии - неисчерпаемы, не наносят вреда и дисбаланса экологии, существенно снижают затраты на транспортировку, т. к. данные источники есть в любой местности.
На данный момент мировыми лидерами по установленной мощности возобновляемых источников
