CC BY
5
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
УДК 66.015.23
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 5. С. 471-476
РАСЧЕТ КОЛОННЫ СО СТУПЕНЯМИ ИЗ ПЛАСТИН ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
Д. А. Земцов1, Н. В. Дерягина2, В. А. Кожухов1, Ю. Д. Алашкевич1, Н. А. Воинов1
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: Voynov@siberianet.ru 2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79
Представлены результаты исследования работы колонны и ее и алгоритм расчета при осуществлении термической ректификации, состоящей из ступеней, выполненных из перфорированных горизонтально установленных пластин. На каждой контактной ступени установки осуществлялась частичная конденсация поднимающихся паров смеси этанол-вода на поверхности трубы (дефлегматора) размещенной на всю длину колонны и тепломассообмен в конденсате на пластинах.
Выявлены основные кинетические и конструктивные параметры колонны, влияющие на эффективность укрепления смеси. Установлена плотность орошения конденсата на пластинах равная (0,01-0,03) кг/(с*м2) при которой обеспечивается смачиваемость поверхности пластин и нагревание конденсата до температуры кипения.
Определены зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи при конденсации паров и нагревании теплоносителя в дефлегматоре, расчета общей эффективности ступени.
Показано распределение температуры теплоносителя в дефлегматоре по высоте колонны.
Выявлены соотношения для расчета концентрации этанола в смеси, обусловленные эффектом парциальной конденсации и получено распределение концентрации этанола в паре и жидкости на пластинах по высоте ступени.
Представлен алгоритм расчета числа ступеней колонны и ее параметры включающий определение поверхности дефлегматора, расхода флегмы и конденсата, концентрации этанола в жидкости и паре на каждой ступени. На основании расчета установлено, что на укрепление смеси большое влияние оказывает начальная температуры теплоносителя поступающего в дефлегматор, вследствие изменения удельной нагрузки флегмы на пластинах ступени.
Ключевые слова: термическая ректификация, флегма, парциальная конденсация, эффективность, этанол-вода, конденсация, испарение, коэффициенты теплоотдачи.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 5, P. 471-476
CALCULATION OF COLUMNS WITH STEPS FROM PLATES THERMAL RECTIFICATION
D. A. Zemtsov1, N. V. Deryagina2, V. A. Kozhukhov1, Yu. D. Alashkevich1, N. A. Voynov1
^eshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Voynov@siberianet.ru 2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
The article presents the results of the study of the column and its calculation algorithm in the implementation of thermal rectification, consisting of steps made ofperforated horizontally mounted plates.At each contact stage, partial condensation of the rising vapors of the ethanol-water mixture on the surface of the pipe (reflux condenser) installed over the entire length of the column and heat and mass transfer in the condensate placed on the plates was performed.
The basic kinetic and structural parameters of the column affecting the effectiveness of strengthening the mixture are revealed. The mass flux of condensate on the plates is equal to (0,01-0,03) kg / (s*m2), which provides wettability of the surface of the plates and heating the condensate to the boiling point.
The dependences for calculation the heat transfer coefficients during vapor condensation and heating the heat carrier in a dephlegmator, for calculate the total efficiency of the stage are determined.
The paper shows the temperature distribution of the coolant in the dephlegmator at the height of the column.
Relationships were found for calculating the concentration of ethanol in the mixture, due to the effect ofpartial condensation, and the distribution of the concentration of ethanol in the vapor and liquid on the plates over the height of the step was obtained.
An algorithm for calculating the number of stages of the column and its parameters including the determination of the surface of a dephlegmator, consumption of reflux and condensate, the concentration of ethanol in the liquid and steam at each stage is presented.Based on the calculation, it was found that the initial temperature of the coolant entering the deflegmator due to changes in the load per unit surface of reflux on the plates of the stage has a great influence on the enrichment of the mixture.
Keywords: thermal rectification, reflux, partial condensation, efficiency, ethanol-water, condensation, evaporation, heat transfer coefficients.
ВВЕДЕНИЕ
Разделение сред при термической ректификации широко используются в лесохимической промышленности [1] для получения продуктов различного назначения. Одним из преимуществ такой ректификации является создание установок с низким гидравлическим сопротивлением и сравнительно высокой эффективностью. Направленное воздействие на процессы испарения и конденсации на ступенях ректификационной колонны 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 этой связи большой интерес представляют разработанные колонны, ступени которых выполнены из горизонтально размещенных перфорированных пластин [2; 3].
Колонна состоит из 25 царг высотой по 70 мм и диаметром 200 мм (рис. 1).
Рис. 1. Схема установки:
1 - куб; 2 - корпус; 3 - ступень; 4 - дефлегматор; 5 - конденсатор; 6 - теплообменник; 7- вентилятор; 8 - диафрагма; 9 - термометр сопротивления; 10 - пробоотборник
Пластины изготовлены из медного листа толщиной 0,5 мм. Расстояние между верхними пластинами диаметром 175 мм выдерживалось равным 15-32 мм. Средняя пластина имеет диаметр 200 мм, а нижняя -175 мм. По оси колонны устанавливался дефлегматор, включающий медную трубу диаметром 26 мм и длиной 1,75 м, в полость которой подавалась вода (теплоноситель). На нижнем конце трубы размещался распределитель жидкости и воздуха для организации восходящего пленочного течения, а в верхней ее части устанавливался сепаратор для отделения пленки жидкости от потока воздуха. Тепловой поток паровой смеси, выходящей из куба, составил 3-18 кВт. Скорость пара по сечению колонны в нижней части достигала до 0,5 м/с, а на верхних ступенях -0,05-0,1 м/с.
При работе парыс смеси из куба поступали в колонну, где при контакте с поверхностью дефлегматора частично конденсировались на ступенях с образованием конденсата (флегмы).
Полученный конденсат стекал на верхние пластины каждой ступени, где нагревался до температуры кипения поднимающимися парами. Затем конденсат перемещался в основной поток рабочей жидкости, стекающий по средним и нижним пластинам ступеней.
Укрепление смеси осуществлялось за счет эффекта вызванного парциальной конденсацией паров на поверхностях дефлегматора и пластин, а также путем испарения конденсата и потока стекающей флегмы на пластинах. На выходе из колонны пары дистиллята конденсировались в теплообменнике.
Результаты исследований на представленной выше установке отражены в работах [4-9], однако для внедрения колонны термической ректификации в инженерную практику и создания методики ее расчета требуется обобщение и анализ известных данных.
АНАЛИЗ ДАННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯ
В зависимости от концентрации этанола в паровой смеси и начальной температуры теплоносителя ин-
тенсивность конденсации паров на поверхности трубы дефлегматора по высоте колонны различна [4] (рис. 2). В этой связи выполнение одинаковой поверхности дефлегматора на каждой ступени приводит к неравномерному распределению флегмы на ступенях, влияние которой на эффективность не достаточно изучено. Требуемый расход сконденсировавшегося пара на ступени, может быть обеспечен путем изменения поверхности дефлегматора, расхода и температуры теплоносителя, его режима течения, а также -выбором способа теплосъема.
При длине трубы дефлегматора на ступени равной 70-140 мм и расходе сконденсировавших паров (0,5-5,0) кг/ч, температура конденсат составила ниже температуры его кипения до 5 °С. Установка верхних пластин на ступени позволяет при плотности орошения на них (0,01-0,03) кг/схм2 нагреть конденсат до температуры кипения (рис. 3), так как при низком расходе конденсата не достигается смачиваемость поверхности пластин, а при высокой плотности орошения конденсат не успевает нагреться.
На поверхности дефлегматора в рассматриваемой колонне осуществляется ламинарный режим течения конденсата, Reкон < 100. В этой связи, согласно рис. 4, величина коэффициента теплоотдачи, при конденсации паров смеси этанол-вода в колонне, составляет 1000-3000 Вт/(м2*К). Эти значения согласуются с данными, рассчитанными по общеизвестному уравнению Нуссельта [10].
Значения коэффициента теплоотдачи при однофазном течении теплоносителя в дефлегматоре колонны согласуются с данными, рассчитанными по зависимости [10]. Для увеличения числа Рейнольдса теплоносителя в полость трубы дефлегматора в работе [4; 5] устанавливалась дополнительная труба образующая канал для прохода теплоносителя.
С целью интенсификации теплообмена также использовалось восходящее пленочное течение, что обеспечило величину коэффициента теплоотдачи, рис. 5, до 12 000 Вт/м2хК.
Г,°С
10
0.1
0.2 0.3 0.4
1.0 Я, м
Рис. 2. Изменение температуры воды в дефлегматоре по высоте колонны с 25 ступенями при начальной концентрации этанола в парах ун = 10 % мас. Экспериментальные точки (1-3): 1 - ^ = 40 "С; 2 - 28; 3 - 10
Согласно [11] при длине дефлегматора на ступени менее 0,5 м испарения конденсата на его тепло передающей поверхности не происходит. Зависимость для определения концентрации этанола в выходящих со ступени паров, обусловленная только парциальной конденсацией в этом случае имеет вид
Л / у' = А (L / Gbx)0,34(4 / /см)2,
(1)
трации этанола в жидкости, стекающей с нижней пластины этой ступени. А отношение концентрации этанола в конденсате на верхней пластине Хк к концентрации этанола в жидкости на нижней пластине Хн ступени в зависимости от средней концентрации этанола в конденсате составила (1,1-2,0), рис. 6.
Общая эффективность ступени, рассчитанная по соотношению Мерфри
где ук - конечная концентрация этанола в парах; у -равновесная концентрация этанола; /см - температура кипения этанола и водно-этанольной смеси; Ь, Овх -соответственно расходы конденсата и паров смеси.
Концентрацию легко летучего компонента в выходящем паре или в образованном конденсате при парциальной ректификации можно также рассчитать по методике [12].
Согласно проведенным исследованиям концентрация этанола в парах, поступающих на ступень, выполненную из пластин в 1,2-1,6 раза выше концен-
Ey
(2)
У - Ун
которая обобщена [4] в виде
____-0,2; -0,56 п -0,18 7^0,4 0,2
Ey ~ m '4 , G-out , F , u , , (3)
где m - тангенс угла наклона равновесной кривой; lc -удельный расход конденсата; Gout - расход пара на выходе из колонны; F - поверхность пластин; u -средняя скорость пара по колонне.
4 ,0С 95
90
85
80
75
70
65
60
0 0.01 0.02 0.03 0.04 /с, кг/с м2
Рис. 3. Изменение температуры конденсата от плотности орошения на верхней пластине смеси этанол-вода. Экспериментальные точки (1-4): 1 - хс = 3 % мас.; 2 - хс = 11 % мас.; 3 - хс = 40 % мас.; 4 - хс = 75 % мас.
акон х10-3, Вт/(м2 -К)
20 15 10 5 0
0 1000 2000 3000 4000 Яекон
Рис. 4. Зависимость коэф фициента теплоотдачи при конденсации паров от критерия Рейнольдса конденсата при диаметре трубы дефлегматора d = 26 мм, удельной тепловой нагрузки q = 15-100 кВт/м2. Экспериментальные точки (1-3) (атмосферное давление): 1 - при критерии фазового перехода К = 8; 2 - К = 12; 3 - К = 20. Экспериментальные точки (4-6): 4 - вакуум 80 %, К = 20; 5 - вакуум 60 %; К = 12, 6 - вакуум 20 %, К = 9
О - 1
□ - 2
ах10-3 Вт/(м2 -K)
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплоотдачи а при восходящем прямотоке от относительного критерия Рейнольдса газа Кег„ при й = 27 мм, I = 0,75 м. Линии - аппроксимация экспериментальных данных. Экспериментальные точки (1-3): 1 - при плотности орошения Г = 2,4 • 10_3 м2/с, 2 - 1,2 • 10_3, 3 - 0,8 ■ 10_3
Рис. 6. Изменение отношения А = Хк / Хн от средней массовой концентрации этанола в конденсате
Влияние на эффективность разделения большого количества кинетических и конструктивных параметров ступени усложняет конструирование рассматриваемых установок и ведения процесса термической ректификации что требует разработки метода ее расчета.
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА КОЛОННЫ
Исходными данными для расчета укрепляющей колонны при ректификации являются: расход дистиллята О¿, концентрация этанола в дистилляте общее флегмовое число Я; концентрация этанола в паровой смеси, поступающей на первую нижнюю ступень колонны У„, средне расходная скорость паров в нижней части колонны и.
Расчет осуществляется в следующей последовательности:
Определяется общий расход флегмы [10] GR = х R. Расход паровой смеси, поступающий на нижнюю ступень колонны Оп = ОЯ + Ол. Диаметр колонны Б = (Оп / 0,785^)°'5. Тепловой поток, поступающий на первую ступень колонны
Ян = Оп * г,
где г - теплота парообразования смеси этанол-вода. Тепловой поток паров дистиллята = Оа г. Тепловой поток, отводимый в дефлегматор Я = Ян - Расход подаваемой воды в дефлегматор Ов = Я / (св (4 - 4)), где св - теплоемкость воды; 4, 4 - температура воды в дефлегматоре на входе и выходе. Ориентировочная поверхность теплообмена дефлегматора ^ = Я / (К • ДО, где К - коэффициент теплопередачи, согласно [10], Д - средняя разность температур. Средняя удельная
тепловая нагрузка q = Q / F. Поверхность дефлегматора ступени Fd = F/nCT, где nCT - число теоретических ступеней. Определяется температура теплоносителя в дефлегматоре на выходе с первой ступени ts1 из соотношения Овсв (tE1 - 4) = F^KAc, где К - коэффициент теплоопередачи дефлегматора на ступени; Ас - средняя температура на ступени; tw - температура конденсата на ступени, принимается исходя из концентрации этанола пара на входе на ступень. Величина коэффициентов теплоотдачи при конденсации и нагревании определяется по зависимостям указанным в статье. Затем определяется тепловой поток, переданный в дефлегматор на первой ступени Qd1 = Овсв (tEl - 4). Количество сконденсировавших паров на ступени Lt = Qd1/r. Расход паров, выходящих с первой ступени колонны
Q = Qн - Qd1.Удельный расход конденсата lc на верхних пластинах первой ступени lc = LJS, где S - поверхность верхних пластин, которая подбирается [4] в диапазоне lc = 0,01-0,03 кг/м2хс. Исходя из конструктивных размеров ступени и количества верхних пластин, рассчитывается высота ступени. Определяется эффективность первой ступени, согласно (3). Принимается концентрация этанола на нижней пластине ступени согласно рис. 7, по зависимости (2) определялась концентрация этанола в пара Ук1 на выходе из первой ступени. Приравняв Ук1 равной концентрации этанола в парах на входе на вторую ступень Ун2 производился расчет параметров следующей ступени и т. д. Расчет проводится до тех пор, пока концентрация этанола на выходе из последней ступени составит равнойзаданной концентрации этанола в дистилляте. После чего проводится расчет расход общей флегмы GR = Lt пст и его сравне-
ние с заданным. В случае не совпадения расчетного и заданного флегмовых чисел осуществляется корректировка параметров теплоносителя подаваемого в дефлегматор и повторение расчета.
При осуществлении расчета параметров колонны по выше представленному алгоритму проводилось варьирование конструктивными параметрами ступени, расходом и температурой подаваемой воды в дефлегматор.
Как установлено наименьшее число ступеней в колонне достигается при низкой начальной температуре теплоносителя равной (10-20) °С и организации теплосъема восходящим пленочным течением, что обусловлено достижением оптимального орошения верхних пластин конденсатом, а также наибольшим воздействием эффекта парциальной конденсации на укрепление паровой смеси.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанный алгоритм расчета колонны термической ректификации позволяет определять требуемое количество ступеней и будет востребован при конструировании промышленных установок и осуществлении процесса разделения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Дёмин В. А. Технология и оборудование лесохимических производств [Электронный ресурс] : учеб. пособие : самост. электрон, изд. ; Сыктывкар, лесной ин-т. Сыктывкар, 2013. 119 с.
2. Пат. 2437698 Российская Федерация, МПК B01D3/14 С1. Способ ректификации / Войнов Н. А., Паньков В. А., Войнов А. Н. ; заявитель. № 2010118012/05 ; заявл. 04.05.2010 ; опубл. 27.12.2011. Бюл. № 36. 7 с.
3. Пат. 2445996 Российская Федерация, МПК B01D3/14 С1. Ректификационная колонна / Войнов Н. А., Паньков В. А., Войнов А. Н. ; заявитель. № 2010118010/05 ; заявл. 04.05.2010 ; опубл. 27.03.2012. Бюл. № 9. 6 с.
4. 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.
5. Study of Thermal Fractionation Columns / N. A. Voi-nov, D. A. Zemtsov, O. P. Zhukova, V. A. Pan'kov // Chemical and Petroleum Engineering. 2016. Vol. 52. № 7-8, P. 515-519. Doi: 10.1007/S10556-016-0224-3.
6. Земцов Д. А., Войнов Н. А. Укрепляющая колонна на основе эффектов термической ректификации // Хвойные бореальной зоны. 2015. Т. 33, № 3-4. С. 153-155.
7. Земцов Д. А., Войнов Н. А. Колонна с низким сопротивлением на основе термических эффектов // Химия растительного сырья. 2016. № 2. С. 117-122.
8. Войнов Н. А., Земцов Д. А., Жукова О. П. Контактные ступени неадиабатной ректификации // Техника и технология пищевых производств. 2017. Т. 44, № 1. С. 58-64.
9. Интенсификация массообмена при термической ректификации / Д. А. Земцов [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2017. № 9. C. 8-10.
10. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учеб. пособие для вузов / под
ред. П. Г. Романкова. 12-е изд., стереотип. Перепечатка с изд. 1987 г. М. : ООО ТИД «Альянс», 2005. 567 с.
11. Войнов Н. А., Земцов Д. А., Дерягина Н. В. Исследование парциальной ректификации при неадиабатной ректификации // Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. 36, № 2. С. 198-204.
12. Tröster E. Berechnung der Trennwirkung von Teilkondensatoren // Chemieingenieur Technik. 1960. Vol. 32 (8). P. 525-531.
REFERENCES
1. Бетш V. A. Tekhnologiya i oborudovaniye leso-khimicheskikh proizvodstv [Elektronnyy resurs] : ucheb. posobiye : samost. elektron, izd. ; Syktyvkar, lesnoy in-t. Syktyvkar, 2013, 119 s.
2. Pat. 2437698 Rossiyskaya Federatsiya, MPK B01D3/14 S1. Sposob rektifikatsii / Voynov N. A., Pan'kov V. A., Voynov A. N. ; zayavitel'. №. 2010118012/05 ; zayavl. 04.05.2010 ; opubl. 27.12.2011. Byul. №. 36, 7 s.
3. Pat. 2445996 Rossiyskaya Federatsiya, MPK B01D3/14 S1. Rektfikatsionnaya kolonna / Voynov N. A., Pan'kov V. A., Voynov A. N. ; zayavitel'. №. 2010118010/05 ; zayavl. 04.05.2010 ; opubl. 27.03.2012. Byul. № 9. 6 s.
4. 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.
5. Study of Thermal Fractionation Columns / N. A. Voi-nov, D. A. Zemtsov, O. P. Zhukova, V. A. Pan'kov // Chemical and Petroleum Engineering. 2016, Vol. 52, № 7-8, P. 515-519, Doi: 10.1007/S10556-016-0224-3.
6. Zemtsov D. A., Voynov N. A. Ukreplyayushchaya kolonna na osnove effektov termicheskoy rektifikatsii // Khvoynyye boreal'noy zony. 2015, T. 33, №. 3-4, S. 153-155.
7. Zemtsov D. A., Voynov N. A. Kolonna s nizkim soprotivleniyem na osnove termicheskikh effektov // Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2016, №. 2, S. 117-122.
8. Voynov N. A., Zemtsov D. A., Zhukova O. P. Kon-taktnyye stupeni neadiabatnoy rektifikatsii // Tekhni-ka i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. 2017, T. 44, №. 1, S. 58-64.
9. intensifikatsiya massoobmena pri termicheskoy rektifikatsii / D. A. Zemtsov [i dr.] // Khimicheskoye i neftegazovoye mashinostroyeniye. 2017, №. 9, C. 8-10.
10. Pavlov K. F., Romankov P. G., Noskov A. A. Pri-mery i zadachi po kursu protsessov i apparatov khimi-cheskoy tekhnologii : uchebnoye posobiye dlya vuzov / pod red. P. G. Romankova. 12-e izd., stereotip. Perepechatka s izd. 1987 g. Moscow, OOO TID "Al'yans", 2005, 567 s.
11. Voynov N. A., Zemtsov D. A., Deryagina N. V. Issle-dovaniye partsial'noy rektifikatsii pri neadiabatnoy rektifikatsii // Khvoynyye boreal'noy zony. 2018, T. 36, №. 2, S. 198-204.
12. Tröster E. Berechnung der Trennwirkung von Teilkondensatoren // Chemieingenieur Technik. 1960, Vol. 32 (8), P. 525-531.
© Земцов Д. А., Дерягина Н. В., Кожухов В. А., Алашкевич Ю. Д., Войнов Н. А., 2018
Поступила в редакцию 16.08.2018 Принята к печати 31.10.2018
