CC BY
203
УДК 66.021.3
Д. А. Бурмистров, М. М. Фарахов, А. В. Малыгин,
А. В. Клинов
МАССООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕРЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ ИНЖЕХИМ
Ключевые слова: нерегулярная насадка, теоретическая ступень, ректификация.
В данной работе на горячем стенде исследованы массообменные характеристики нерегулярной насадки Инжехим типоразмера 12. Дано описание конструкции экспериментальной установки для проведения процесса ректификации, а также исследуемой насадки. Получены средние значения ВЭТС для всего насадочного слоя, а также локальные значения ВЭТС для каждой теоретической ступени.
Key words: random packing, HETP, distillation.
Total reflux distillation results of an experimental study are reported in this paper for a new random packing Ingehim. The construction of the packing and the experimental setup is described. The values of HETP and local HETP are derived.
В химической, нефтехимической, нефтяной и в ряде других отраслей промышленности широко применяются различные контактные устройства для осуществления процессов ректификации, абсорбции, теплообмена при непосредственном контакте фаз.
Известные виды контактных устройств могут быть разделены на две основные группы: тарельчатые и насадочные. Каждый из этих видов контактных устройств имеет свои определенные достоинства и недостатки. В тарельчатых аппаратах более организованное движение потоков, достаточно высокая эффективность. Насадочные контактные устройства в ряде случаев обладают низким гидравлическим сопротивлением и большей производительностью [1]. В свою очередь насадки обычно подразделяют на регулярные и нерегулярные.
В данной работе на горячем стенде были исследованы основные массообменные характеристики нерегулярной насадки Инжехим [2] типоразмера 12 (рис. 1), основные характеристики которой приведены в табл. 1.
Экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 2, состоит из колонны 1 внутренним диаметром 0,1 м и высотой 3 м, в которую укладывается насадка 2, куба 3, емкостью 70 л, спирального теплообменника-дефлегматора 4, арматуры для осуществления управления процессом и отбора проб с дефлегматора и кубовой части. В колонне расположены следующие внутренние устройства: распределитель жидкости для равномерного распределения поступающей в колонну флегмы, опорная и прижимная решетки, пробоотборники объемом 10 мл, установленные через каждые 300 мм по высоте колонны. Высота слоя насадки составляла 3 м. Исследования проводились на бинарной смеси этанол-вода, колонна работала при бесконечном флегмовом числе. Тепловая нагрузка на куб колонны регулировалась при помощи регулятора мощности (максимальная мощность 13 кВт). Измерение перепада давления производилось дифференциальным датчиком, подсоединенным к прибору ПРОМА ИДМ (В)-25-ДД (максимально измеряемый перепад давления 25 кПа, точность измерения 0,005 кПа). Измерение температуры до и после слоя насадки производилось двумя термопарами типа ТХК, подсоединенными к двум приборам ОВЕН ТРМ 202-Щ1.РР (точность измерения 0,05°C). Для определения состава продукта использовался газохроматографический анализ. Прибор: «Кристалл 2000М» (производство ЗАО СКБ «Хроматэк», г. Йошкар-Ола), колонка капиллярная полярная HP-FFAP-50x0.32x0.5, детектор ДТП (по теплопроводности).
Рис. 1 - Элемент нерегулярной
насадки Инжехим типоразмера 12
Таблица 1 - Основные характеристики насадки Инжехим типоразмера 12
Удельная поверхность, О 2/3 а, м /м 360
Удельный свободный объем, £, м3/м3 0,97
Эквивалентный диаметр, бЭ, м 0,0107
В куб колонны заливалась вода, затем добавлялся этанол. Колонна выводилась на режим при заданной нагрузке куба, работая сама на себя без отбора. После выхода колонны на режим процесс проводился в течение полутора часов, по истечении указанного времени из всех пробоотборных устройств одновременно осуществлялся отбор.
Рис. 2 - Схема экспериментальной установки: 1 - колонна, 2 - слой насадки, 3 - куб колонны, 4 - теплообменник-дефлегматор
В ходе экспериментов определялись следующие характеристики: состав верхнего и нижнего продуктов (ХВ и ХН), состав по высоте насадочного слоя (Х-|- Хю), температура в дефлегматоре и кубе колонны (ТВ и ТН), гидравлическое сопротивление слоя насадки (АР) и электрическая нагрузка на куб колонны.
Серия экспериментов была проведена при тепловой нагрузке на куб колонны в 6,3 кВт. Число теоретических тарелок определялось графическим методом по полученным из модели ККТЬ данным, адекватность которых проверена по литературным источникам.
Среднее значение высоты, эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС), определялось по следующему выражению:
И = - (1)
п
где Н - высота слоя насадки, м; п - число теоретических тарелок, определенное графическим методом.
В результате получено, что при высоте слоя насадки 3 м число теоретических тарелок равно 8, следовательно, ВЭТС для насадки Инжехим типоразмера 12 составляет 375 мм.
Локальные значения ВЭТС определялись следующим образом: сначала строился график зависимости профиля концентрации этанола от высоты насадочного слоя (рис. 3). Затем по графику для определения числа ступеней изменения концентрации находили значения х к и х н, соответствующие конечной и начальной концентрациям этанола на каждой теоретической тарелке. После этого определяли значения локальных ВЭТС по следующему выражению:
Нлок = Н(хк )- Н(хн ) (2)
где Н(х к) - высота в реальном аппарате, соответствующая конечной концентрации этанола на каждой теоретической тарелке; Н(хн) - высота в реальном аппарате, соответствующая начальной концентрации этанола на каждой теоретической тарелке.
Результаты расчета значений локальных ВЭТС представлены на рис. 4.
т &
• •• 1
tj н • •
PQ 02 •
) 0 2 0 4 0 0 со 8 х, масс
Рис. 3 - Измеренный профиль Рис. 4 - Значения локальных ВЭТС в
концентрации этанола по высоте зависимости от концентрации этанола насадочного слоя
Подобная зависимость локальных ВЭТС от концентрации наблюдается и у других авторов [3]. Следует отметить, что полученные экспериментальные данные в дальнейшем могут быть использованы для извлечения коэффициентов массоотдачи и массопередачи.
Литература
1. Лаптев, А.Г. Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке / А.Г. Лаптев, Н.Г. Минеев, П.А. Мальковский. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2002. - 220 с.
2 Карпеев, С.В. Характеристики высокоэффективной насадки в экстракционных колоннах / С.В. Карпеев, М.И. Фарахов, Д.А. Бурмистров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 11. - С. 532-535.
3. Rejl, J.F. Vapor- and liquid-side volumetric mass transfer coefficients measured in distillation column. Comparison with data calculated from absorption correlations / J.F. Rejl, V. Linek, T. Moucha, E. Prokopova, L. Valenz, F. Hovorka // Chemical Engineering Science. - 2006. - № 27.—P. 6096-6108.
© Д. А. Бурмистров - асп. каф. процессов и аппаратов химической технологии КГТУ; М. М. Фарахов -асп. той же кафедры; А. В. Малыгин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; А. В. Клинов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, [email protected].
