CC BY
17
УДК 54.07
А. Ф. Фархутдинов, И. Р. Маликов, Н. С. Гришин
РАЗРАБОТКА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ УТИЛИЗАЦИИ ПАРОВ РАСТВОРИТЕЛЯ ДЛЯ КОНЦЕНТРАТОР-ВЫПАРИВАТЕЛЯ
Ключевые слова: конденсатор, оборудование для пробоподготовки.
Рассмотрена актуальная проблема по утилизации паров органических растворителей. Рассчитана необходимая контактная площадь теплообмена.На основании рассчитанной площади теплообмена разработаны прототипы холодильников. Предложено перспективное устройство для реализации поставленных целей.
Keywords: condenser, equipmentfor samplepreparation.
The actual problem for the recycling of organic solvent vaporsis considered. The necessary contact area of heat exchange is calculated. Based on the calculated heat exchange area, the prototypes of refrigerators are designed. A promising device for the realization of the set goals is proposed.
Введение
В настоящее время выявлена необходимость в массовом анализе загрязнений окружающей среды. В методиках анализа широко используются наиболее доступные методы концентрированием микропримесей органических веществ, в том числе методом выпаривания. Ведутся работы по созданию перспективных устройств и аппаратов для процессов выпаривания [1].
В разработанном нами ранее модуле аппарата по прободготовке (концентратор-выпариватель) [2-4] применяется метод концентрирования, путем выпаривания. Соответственно предполагается использование органических растворителей. В качестве растворителей используются смеси различных индивидуальных веществ, например бензины, петролейный эфир, смеси спиртов и эфиров.
В лабораторных условиях, операции выпаривания с целью подготовки пробы для дальнейшего анализа за одну рабочую смену исчисляются десятками раз, и соответственно общий объем растворителей достигает больших объемов, что неблагоприятно сказывается на, окружающую атмосферу. Также экономически не целесообразен большой расход дорогостоящих растворителей. В связи с этим, возникает необходимость утилизация растворителей. Поэтому целесообразно в лабораториях применить регенерацию растворителей для повторного использования, путем последовательной
конденсации в холодильнике, параллельно операции концентрации в разработанных нами модулях.
Следовательно, направление
усовершенствования нашего 3-х модульного концентратор-выпаривателя, диктуется
необходимостью утилизации паров растворителя по двум основным причинам: 1) охрана окружающей среды; 2) экономия дорогостоящих расходных растворителей.
В связи с этим встала актуальная задача по решению утилизации паров растворителей, с целью последующей регенерации для повторного использования. Целесообразным решением является
разработка поверхностного холодильника, с целью конденсации насыщенных паров растворителя. Аппаратурное оформление предполагается разработать в единой конструкции (рис. 1), где позиция 5 является исследуемым конденсатором. Общий вид принципиальной схемы аппарата сверху представлен на рис.1. Воздушный поток (изображенный стрелками на схеме) из фена (позиция 3) направляется по каналу воздуховода (позиция 2) перемещает насыщенные пары растворителей, получаемые в результате выпаривания в модулях (позиция 4) в предполагаемый холодильник (позиция 5), где и происходит их дальнейшая конденсация.
Рис. 1 - Принципиальная схема 3-х модульного концентратор-выпаривателя: 1 - корпус, 2 -воздуховод, 3 - тепловентилятор, 4 -модули выпаривания, 5 - конденсатор; 6 - схематичная иллюстрация вывода конденсата, с последующим сбором в емкости
Экспериментальная часть и расчеты
В разрабатываемом аппарате планируется установить конденсатор поверхностного типа, где пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях разделяющих стенок различного профиля (трубки, пластины, рубашки и т.д.), омываемых с противоположной стороны холодной проточной водой. Для конечного
функционирующего оборудования, для начала необходимо теоретическое обоснование, а именно необходимая площадь поверхности теплообмена. В связи с чем, провели исследования.
В испарительной чаше каждого модуля аппарата максимальная загрузка не превышает объем в 100 мл. Следовательно, с 3-х испарительных чаш общий объем выпариваемых растворителей составляет 300 мл. Поэтому расчет площади поверхности произвели по соответствующему объему. При расчете учитывали теплофизические свойства воды, так как среди перечня используемых растворителей в концентратор-выпаривателе, вода обладает наиболее высокой температурой кипения.
Поверхность теплообмена конденсатора складывается из двух зон, которым соответствуют следующие стадии процесса конденсации, представленные на рис. 2:
а) конденсация насыщенного пара при постоянной температуре насыщения;
б) охлаждение конденсата до заданной температуры.
Рис. 2 - Схема зон процессов в конденсаторе
Исходя из схемы (рис. 2), общая тепловая нагрузка конденсатора Q представляет собой сумму количеств тепла, отнимаемого при конденсации насыщенных паров Qк и при охлаждении конденсата Qх [5].
Q = Qк + Qх (1)
Соответственно двум стадиям процесса в поверхностном конденсаторе поверхность теплообмена состоит из суммы двух слагаемых:
(2)
Е =рк +рх = _0_+ ,
Кк(А1Ср)к Кх(Д^р)х
В разработке конденсатора для утилизации растворителей наиболее важно обеспечить полную конденсацию, поступающих из концентратор-выпаривателя паров. Определяющим является расчет площади конденсации, охлаждение же последующего конденсата до более низких температур не имеет в нашем случае практического значения. Тем более, что сконденсированная жидкость далее поступит в емкость для хранения, где и приобретет более низкую температуру. Поэтому, было принято решение исключить из расчета зону «б». Тогда искомая площадь составляет:
^ =Fк (3)
Конденсация пара происходит при следующих условиях (рис. 2): пар поступает с температурой
насыщения £нас, и эта температура остается постоянной в течение всего процесса; вода поступает с некоторой температурой и за счет теплоты конденсации Qк нагревается до температуры £2к.
Наиболее важной составляющей в формуле (2) является коэффициент теплопередачи,
учитывающий особенности теплофизического характера процесса конденсации[6]:
Кк =
а^ Ас а2
(4)
где 6ст (м) - толщина стенки трубы; Ас Вт/(м-°С) -коэффициент теплопроводности материала трубки (Алюминиевый сплав); аг - коэффициент теплоотдачи пара к стенке поверхности, Вт/(м-°С); а2 - коэффициент теплоотдачи от стенки воде, Вт/(м-°С).
Вытекающий из коэффициента теплопередачи коэффициент теплоотдачи от пара стенке конденсатора, играет соответственно также немаловажную роль в процессе конденсации пара на стенках [7]:
а = 0,943-
УШР
(5)
где И - высота поверхности конденсатора
^ = 15 - гс, (6)
где - температура поверхности пленки равная температуре насыщения; Ьс - температура поверхности стенки.
Откуда параметр А:
А= р"\ (7)
где X - теплопроводность насыщенного пара, Вт/(м-°С); г — теплота конденсации насыщенного пара, Дж/кг; р' - плотность жидкости при температуре насыщения, кг/м3; р" - плотность пара на линии насыщения, кг/м3; V -кинематическая вязкость пара, м2/с.
Так как физические величины принимали постоянными, ввели поправку учитывающую переменность физических параметров от температуры. Также было введено выражение поправки к формуле Нуссельта [7]:
г, = (Яе5/4)0'04, (8)
где Яе5 - число Рейнольдса конденсатной пленки, выраженное через теплообменные характеристики процесса:
С учетом поправки еу на волновое течение, расчетное соотношение для теплоотдачи при конденсации пара на поверхности вертикальных труб, а также с учетом поправки, учитывающей зависимость физических свойств конденсата от температуры для воды [7, табл. 4.4] имеет вид:
аг = а •еуе1 (9)
Коэффициент с учетом поправок на переменность физических параметров, позволил достичь более близких результатов.
Коэффициент теплопередачи (4) также зависит от коэффициента теплоотдачи от стенки конденсатора хладоагенту а2 [7].
Ми •Л /1Лч
а2 = —, (10)
А
где d - диаметр трубы; критерий Нуссельта для ламинарного режима течения, так как Re <:ReKp [7]
Nu = 0,74(RePrf'2(GrPrf'1, (11)
где Pr - определяемый из справочника при температуре жидкости 15°С
Gr= ^ • £ • AT, (12)
где р - коэффициент объемного расширения (1/°С), определяемый из справочника также при температуре жидкости 15°С
Тогда, искомая площадь конденсации составляет, по формуле (3):
FK = 752,58 = 0,058-0,06 м2
193,2-67,68
Таким образом, отталкиваясь от теоретических исследований по нахождение искомой площади поверхности теплообмена, смогли с помощью CAD программы «Компас» создать модели будущего образца, с целью последующего проектирования опытного оборудования. Для дальнейших исследований по уточнению режима работы и особенностей конструкции. Было предложено для последующей работы два образца. Первый из которых, поверхностный конденсатор с водяной рубашкой и двойным змеевиком по центру аппарата рис. 3.
1
У\_
Рис. 3 - Поверхностный конденсатор двух змеевиковый: 1 - выход воздуха, 2 - сетчатый отбойник, 3 - крышка, 4 - корпус, 5 - рубашка, 6 - двойной змеевик, 7 -патрубок входа проточной воды, 8 - слив конденсата, 9 - днище, 10 - впуск газовой фазы, 11 - выходной патрубок проточной воды
Устройство работает следующим образом: конденсатор устанавливается в корпус основного аппарата, как на рис. 1 под углом в 30° , снизу подается через входное отверстие пары растворителя, противотоком рубашка и змеевик заполняется холодной проточной водой, тем самым обеспечивая стабильную низкую, относительно линии насыщения данного растворителя, температуру контактной поверхности. Пары конденсируются на поверхности змеевика и рубашки, затем стекают под гравитационными
силами в нижнюю часть конденсатора, откуда сливается в емкость.
Преимуществом конденсатора с двойным змеевиком перед традиционными холодильниками для аналитической химии служит то, что поступающий конденсат окружен со всех сторон охлаждаемыми контактными стенками, благодаря рубашке и центрированным змеевикам. В традиционных лабораторных моделях, чтобы добиться такого условия необходимо газовую фазу направлять в трубки змеевика, что весьма затруднительно с гидродинамической стороны. Также установка двойного змеевика дает большую площадь поверхности теплообмена, тем самым обеспечивая полную конденсацию паров, в любой части холодильника.
В обязательном порядке произвели проверку площади поверхности, путем сравнения теоретической площади (формула 6) и геометрической, найденной путем сложения площади поверхности простых геометрических плоскостей. В результате чего, геометрическая площадь поверхности на 0,034 м2 больше расчетной, следовательно спроектированный конденсатор удовлетворяет поставленным задачам.
Другим перспективным вариантом решения нашей задачи является конденсатор с выемками на корпусе рис. 4.
Рис. 4 - Поверхностный конденсатор с зигзагообразным каналом: 1 - сетчатый отбойник, 2 - выход воздуха, 3 - патрубок ввода проточной воды, 4 - корпус, 5 - рубашка, 6 -выемки на корпусе, 7 - отбойник, 8 - патрубок вывода проточной воды, 9 - слив конденсата, 10 - вход газовой фазы
Принцип работы сходен с первым вариантом предложенного аппарата. С входного отверстия (позиция 10) поступает газовая фаза, обтекая выемки, устремляется в верхнюю часть аппарата. С входного штуцера противотоком, рубашка с выемками заполняется проточной водой, пары конденсируются на поверхности выемок, и
внутренних стенок корпуса, затем стекают в нижнюю часть аппарата, откуда сливаются в емкость. Поверхностный конденсатор с зигзагообразным каналом также обладает преимуществом перед «классическими» лабораторными холодильниками. Так как насыщенные пары проходят по каналу четырехугольного профиля, то есть также окружен со всех сторон охлаждаемыми контактными поверхностями, где и происходит конденсация паров.
Также выполнили проверку площади. Холодильник имеет четырех угольный профиль, следовательно, общая геометрическая площадь поверхности контакта будет составляться суммой отдельных четырех угольных плоскостей. Из расчета выяснили, что геометрическая площадь поверхности на 0,0247 м2 больше теоретически найденной, следовательно и данный аппарат с поставленной задачей справится.
Исходя из вышеизложенного, рекомендуется для реализации единого аппаратурного оформления, создание опытного образца - концентратор-выпаривателя с конденсатором. На нем предполагается провести экспериментальные исследования, с целью уточнения рабочих характеристик и формообразования данного аппарата. Важно соблюсти на этом этапе оптимальность размера: необходимая площадь поверхности для конденсации, но в то же время нужно учесть компактность оборудования, так как
устройство лабораторное. Под этот критерий лучшего всего подходит поверхностный конденсатор двух змеевиковый, рис. 3. Также общая площадь теплообмена в этом варианте холодильника больше, что лучше скажется в работоспособности. Поэтому целесообразным решением, является в дальнейшем использование двух змеевикового поверхностного конденсатора.
Литература
1. Н.С. Гришин и др., Проблемы аналитической химии, X, 104-113 (1990).
2. А. Ф. Фархутдинов, А. Н. Горшунова, Н. С. Гришин, Вестник Казанского технологического университета, 21, 19, 79-85 (2016).
3. Патент РФ № 131982 МКН В0Ш1/00 Концентратор-выпариваетель/ Н.С. Гришин; заявитель и патентообладатель С.Н. Гришин. - №2013109612/05; заявл. 04.03.13; опубл. 10.09.13.
4. Пат. РФ № 2257243 (2004), МКН В01Д1/00, В0^7/00 Концентратор-выпариватель/ С.Н. Гришин [и др.];заявитель и патентообладатель С.Н. Гришин. -№20041/1085; заявл. 12.04.04; опубл. 27.06.05.
5. А.Г. Касаткин, Основные процессы и аппараты химической технологии. Типография Госхимиздата, Москва, 1961. С. 392 - 394
6. И.И. Поникаров, С.И. Поникаров, С.В. Рачковский, Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): Учебное пособие. - М.:Альфа-М, 2008. С. 201
7. М.А. Михеев, И.М. Михеев, Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. М., «Энергия», 1977. С. 81-89, 142-147
© А. Ф. Фархутдинов - магистрант кафедры МАХП, КНИТУ, azmfar@mail.ru; И. Р. Маликов - магистранттой же кафедры; Н. С. Гришин - доктор технических наук, профессор той же кафедры, mahp_kstu@mail.ru.
© A. F. Farkhutdinov-undergraduate student, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, azmfar@mail.ru; 1 R. Malikov-undergraduate student of the same department; N. S. Grishin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, mahp_kstu@mail.ru.
