CC BY
35
УДК 536.7:544.3.01
НОВЫЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ В ДИСТИЛЛЯЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ СО СТРУКТУРИРОВАННЫМИ НАСАДКАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ ЖИДКОСТИ
Александр Николаевич Павленко
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, зав. лабораторией низкотемпературной теплофизики, тел. (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Владимир Егорович Жуков
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: zhukov@itp.nsc.ru
Николай Иванович Печеркин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
Александр Дмитриевич Назаров
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова,1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
Анатолий Федорович Серов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru
Николай Богданович Миськив
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, лаборант; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, тел. (383)330-64-66, e-mail: nikerx@gmail.com
Ксинганг Ли
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: exg@tju.edu.cn
Бен Цзян
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: binjiang@tju.edu.cn
Хонг Суй
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: suihong@tju.edu.cn
Хонг Ли
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: lihong@tju.edu.cn
Гао Синь
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: gaoxin@tju.edu.cn
Описана автоматизированная система крупномасштабного стенда «Большая фреоновая колонна» по разработке и проверке принципиально нового метода повышения эффективности разделения смеси в дистилляционных установках со структурированными насадками с использованием динамически управляемого распределителя жидкости. Предложенный подход заключается в разрушении устойчивых структур неравномерностей распределения жидкости и пара путем динамического орошения структурированной насадки (по поперечному сечению колонны). Проведенные испытания показали возможность повышения эффективности разделения смесей на структурированных насадках с использованием данного метода.
Ключевые слова: дистилляция, разделение смеси, структурированная насадка, распределитель жидкости.
DYNAMICALLY CONTROLLED LIQUID DISTRIBUTOR FOR DISTILLATION COLUMN WITH A STRUCTURED PACKING
Alexandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, D. Sc., Head. the low temperature of the Laboratory of Thermal Physics, tel. (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Vladimir E. Zhukov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: zhukov@itp.nsc.ru
Nikolay I. Pecherkin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
Alexandr D. Nazarov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., tel. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
Anatoly F. Serov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Prof., tel. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru
Nikolay B. Miskiv
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, assistant; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, K. Marks pr., 20, Student, tel. (383)330-64-66, e-mail: nikerx@gmail.com
Xingang Li
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Prof., Leading Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: exg@tju.edu.cn
Bin Jiang
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Leading Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: binjiang@tju.edu.cn
Hong Sui
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: binjiang@tju.edu.cn
Hong Li
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: lihong@tju.edu.cn
Gao Xin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: gaoxin@tju.edu.cn
Here we describe the automated system of the large-scale setup "Large Freon Column" for development and check of a fundamentally new method of increasing the efficiency of mixture separation in the distillation apparatuses with the structured packing using the dynamically controlled liquid distributor. The proposed approach is based on destruction of the stable structures of liquid and vapor maldistribution by means of dynamic irrigation of the structured packing (over the column cross-section). These tests have shown the possibility to improve the efficiency of mixture separation on the structured packing by using this method.
Key words: distillation, separation of mixtures, structured packing, liquid distributor.
Исследования по изучению взаимосвязи параметров течения двухфазного потока жидкости и пара и эффективности разделения смесей в структурированных насадках интенсивно развиваются в последнее время, поскольку данные контактные массообменные поверхности все более широко используются в дистилляционных колоннах различного назначения [1 - 3]. Орошение структурированных насадок в крупномасштабных дистилляционных колоннах осуществляется распределителями жидкости, имеющими фиксированное количество/плотность точек орошения с заданной структурой их расположения по сечению аппарата. При стационарном задании точек орошения в условиях пленочного течения жидкости и противоточного потока пара развиваются весьма значительные крупномасштабные неравномерности распределения параметров потока (локальных расходов, температур и концентраций жидкости и пара) по сечению, которые приводят к существенному снижению эффективности разделения смесей на структурированных насадках в дистилляционных колоннах
большого диаметра [3 - 5]. Для разрушения крупномасштабных неравномерно-стей в насадке дистилляционной колонны авторами предлагается новый подход, заключающийся в динамическом изменении структуры точек орошения в распределителе жидкости. Эффективность воздействия на крупномасштабные структуры потока смеси внутри насадки контролируется в реальном времени измерениями распределения температур в различных по высоте колонны сечениях насадки. Автоматизированный комплекс динамического управления орошением насадки дистилляционной колонны диаметром 0.9 м создан на базе экспериментального стенда "Большая фреоновая колонна" [4, 5].
Комплекс состоит из следующих основных блоков, схематично показанных на рис. 1:
- распределитель жидкости (2) с 128 независимо управляемыми электромагнитными клапанами;
- электронный блок управления клапанами распределителя жидкости (5);
- коммутирующий модуль на 48 датчиков температуры (3 уровня по 16 датчиков) (6);
- компьютерная программа управления распределителем жидкости и программа измерения и отображения распределения температуры в 3-х сечениях насадки (7).
Рис. 1. Блок-схема автоматизированного комплекса динамического управления орошением насадки дистилляционной колонны:
1 - дистилляционная колонна; 2 - управляемый распределитель жидкости; 3 - структурированная насадка; 4 - датчики температуры (3 уровня по 16 датчиков); 5 - электронный блок управления клапанами; 6 - коммутирующий модуль датчиков температуры; 7 - компьютер; 8 - усилитель-формирователь; 9 - крейт LTR с модулями
ключей Ц^-42; 10 - блок питания клапанов
Управляемый распределитель жидкости представляет собой цилиндрический сосуд с плоским днищем, в котором равномерно установлены 128 съемных сопел с заданным диаметром отверстия (диаметр отверстий 5 мм). Расход
жидкости через все сопла одинаков и определяется уровнем жидкости в распределителе. В разработанной конструкции над каждым соплом установлен электромагнит, шарообразный конец якоря которого является запорным клапаном для сопла. В обесточенном состоянии все клапаны закрыты. Ток гарантированного открытия клапана 3 А, при этом время срабатывания электромагнита 80 - 100 мс, ток удержания в открытом состоянии - 0.9 А. Активное сопротивление соленоида - 6 Ом. Все элементы электромагнитов и изоляция обмотки выполнены из фреоностойких материалов, что гарантирует надежную эксплуатацию оборудования при использовании в экспериментах смесей фреонов Я21и R114.
В экспериментах использовались 3 группы датчиков температуры по 16 штук, установленных в трех уровнях по высоте колонны. Информация о распределении температуры по сечению насадки в нижней, средней и верхней частях колонны в режиме реального времени позволила регистрировать формирование крупномасштабных неравномерностей и их реакцию на различные режимы динамически управляемого орошения насадки. В качестве датчиков температуры использовались стандартные кремниевые диоды КД512. 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, реализованы различные коммутационные схемы с использованием диодов-термометров. Данный способ коммутации сокращает число измерительных линий, что важно при многоточечном измерении температуры в различных зонах структурированной насадки. В нашем случае была разработана измерительная система, которая обеспечивает опрос трех групп по 16 датчиков в группе с помощью одного четырехканального 24-разрядного дельта-Сигма АЦП со встроенным цифровым фильтром и погрешностью измерения температуры в точке 0.125 % (~ 0.05 град.).
На рис. 2 представлены структуры точек орошения и фотографии орошающего потока верхнего сечения насадки при периодическом переключении клапанов в управляемом распределителе жидкости. На рис. 2а показана структура 1, где черными точками отмечены клапаны в открытом положении продолжительностью tj. Рис. 2б демонстрирует фотографию потока, соответствующую структуре точек орошения 1, на рис. 2в, 2г - представлены структура точек орошения 2 с продолжительностью открытия t2 и фотография потока, соответствующая этой структуре. Полный период орошения распределителем period t равен сумме продолжительностей полупериодов tj и t2: period t = tj + t2.
На рис. 3 представлено распределение температуры по сечению структурированной насадки в верхней (рис. 3а) и нижней (рис. 3б) частях колонны при периодическом орошении управляемым распределителем жидкости при значении приведенной скорости пара Kv = 0.022 м/с.
(а) (б) (в) ' (г)
Рис. 2. Структура точек орошения при периодическом переключении клапанов
в управляемом распределителе жидкости:
а - полупериод 11, б - фотография потока орошения для структуры 1, в - полупериод 12, г - фотография для потока структуры 2
(а)
(б)
400300200100 0-100 -200-300-400-
40.5
40
39.5
39
38.5
38
37.5
400300200100 0-100 -200-300-400-
В
38 37.5 37 -36.5 -36 -35.5 -35 J 34.5
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
2-й слой
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
16-й слой
Рис. 3. Распределение температуры по сечению структурированной насадки в нижней (а) и верхней (б) частях колонны при периодическом орошении управляемым распределителем жидкости
На рис. 4 приведена зависимость высоты переноса HTU от времени полного периода переключения клапанов period t в управляемом распределите жидкости. Метод расчета величины HTU, характеризующей эффективность разделения смеси, детально описан в [3]. Точки в виде ромба (1) соответствуют равномерному стационарному режиму орошения, квадратные точки (2) - периодическому орошению. Опытные данные для двух способов орошения насадки, представленные на рис. 6, получены при одинаковых значениях так называемого фактора нагрузки f = , характеризующего скорость пара (здесь: U v
-приведенная скорость пара, м/с; pv - плотность пара, кг/м ). Из данных, приведенных на рисунке, видно, что при периодическом орошении по сечению на-
садки, эффективность разделения смеси выше, чем при стационарном орошении насадки. Максимальная эффективность разделения,
при которой достигается снижение величины HTU примерно на 20 % - 30 %, соответствует значению period t = 110 сек.
Рис. 4. Зависимость высоты единицы переноса от периода переключения клапанов в распределителе жидкости: 1 - ^ = 0.63-0.65; 2 - (0.64-0.66) Па
1/2
Результаты исследований наглядно демонстрируют положительный эффект использования метода динамического орошения регулярной насадки на эффективность разделения смеси. Последующие серии опытов будут направлены на поиск оптимальных параметров динамического управления структурами точек орошения распределителя для широкого диапазона расходов жидкости и пара, их соотношения в структурированных насадках различной высоты.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Soulaine C., Horgue P., Franc, J., Quintard M., Gas-Liquid Flow Modeling in Columns Equipped with Structured Packing // AIChE J. 2014. V. 60. Issue 10. P. 3665- 3674.
2. Ehlers C., Fieg G., Experimental Validation of a Flexible Modeling Approach for Distillation Columns with Packings // AIChE J. 2014. V. 60. Issue 11. P. 3833- 3847.
3. Pavlenko А. N., Zhukov V. E., Pecherkin N. I., Chekhovich V. Yu., Volodin O. A., Shilkin A., Grossmann C. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing // AIChE J. 2014. V. 60. Issue 2. P. 690-705.
4. Павленко А.Н., Печеркин Н.И., Чехович В.Ю., Жуков В.Е., Сандер С., Хоуптон П. Экспериментальное исследование влияния неравномерности орошения на входе структурированной насадки на эффективность разделения смеси фреонов // Теоретические основы химической технологии. 2009. Т. 43. № 1. С. 3-13.
5. Павленко А.Н., Печеркин Н.И., Чехович В.Ю., Жуков В.Е., Сандер С., Хоугтон П. Развитие неравномерности распределения состава смеси в структурированной насадке дистил-ляционной колонны // Теоретические основы химической технологии. 2010. Т. 44. № 6. С. 1-11.
© А. Н. Павленко, В. Е. Жуков, Н. И. Печеркин, А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, Н. Б. Миськив, Ксинганг Ли, Бен Цзян, Хонг Суй, Хонг Ли, Гао Синь, 2016
