CC BY
88
The composite materials of the car body are considered. Their advantages and disadvantages are analyzed. The basis of the body frame with the highest possible level of passive safety is ultra-high-strength steel and aluminum. However, the development of technologies and increasing requirements for passive safety force engineers to find new materials: thus appeared magnesium alloys and carbon fiber. They made it possible to make cars lighter, without losses in stiffness characteristics and load absorption capacity.
Key words: body rigidity, laser welding, aluminum, steel, passive safety.
Savin Ilya Vadimovich, master, ne@ilyasavin. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 66.048.3.069.82
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НАСАДОЧНОГО ТИПА
В.Г. Афанасенко, В.Ф. Хузиев, Ю.Л. Галимова
Представлен метод улучшения качества продукта при помощи модернизации лабораторной установки. Разработана система охлаждения, включающая в себя: змеевик сложной формы, центробежный насос, полимерная трубка и 2 емкости. Представлена усовершенствованная распределительная тарелка для ректификационной колонны с диаметром 150 мм. Проведен расчет и анализ полученных данных, из которых следует об эффективности предложенной модернизации.
Ключевые слова: массообмен, ректификация, ректификационная колонна, система охлаждения, устройство распределения жидкости, тепловой баланс, змеевик.
Ректификация - процесс разделения многокомпонентной смеси, путем противоточного движения пара и жидкости. Способ ее повышения является главной целью модернизации ректификационной колонны в данной работе.
Ректификационными колоннами называют вертикальные цилиндрические аппараты, предназначенные для четкого разделения смеси двух взаимно растворимых жидкостей с получением целевых продуктов требуемой концентрации. Такое разделение обеспечивается в результате процесса ректификации, под которым понимают двусторонний массообмен между двумя фазами растворов, одна из которых паровая, другая - жидкая. Диффузионный процесс разделения жидкостей ректификацией возможен при условии, что температуры кипения жидкостей различны. Для осуществления диффузии пары и жидкости должны как можно лучше контактировать между собой, двигаясь в ректификационной колонне навстречу друг другу: жидкость под собственным весом сверху вниз, пары - снизу вверх [1].
Экспериментальные исследования модернизации проводились на учебной ректификационной колонне для разделения модельной смеси «этанол-вода» (рис. 1). Исходная концентрация этилового спирта в кубе -10 %. Установленными в кубе колонны ТЭНами смесь доводится до кипения. Образовавшийся при этом пар поднимается вверх по колонне и взаимодействует, после выхода установки на рабочий режим, с жидкостью, стекающей по тарелкам колонны сверху вниз.
Ректификационная колонна представляет собой вертикальный аппарат, собранный из стеклянных царг, массообменными устройствами которой являются колпачковые тарелки (диаметр колонны 150 мм, число тарелок 10), так же состоит из куба колонны объемом 130 л, теплообменника и флегмоделителя.
Сырьем в колонне используется однородная смесь этилового спирта и воды. При нагревании кубовой части, из исходной смеси образуются пар, который поднимается вверх, охлаждается в теплообменнике и делится на два потока: один из которых поступает на верхнюю тарелку в качестве флегмы; другой направляется в кубовую часть колонны. Данная колонна не выводит продукт, следовательно, система является замкнутой.
Для достижения поставленной цели, предприняты такие действия как, замена верхней части колонного оборудования из тарельчатого типа на насадочный, где через слой нерегулярной насадки проходит змеевик с охлаждающей жидкостью. Также, для равномерного распределения флегмы по периметру колонны, поступающей с теплообменного оборудования, заменена колпачковая тарелка на распределительную [2-7].
Система охлаждения работает следующим образом. Часть поднимающихся паров конденсируют, при прохождении через слой насадки, охлаждающийся змеевиком. Далее смесь стекает на низ лежащие тарелки, нагревается, и повторяет процесс. Путем описанных манипуляций, модернизация позволяет интенсифицировать процесс ректификации.
Также, при достижении определённых параметров системы охлаждения, возможно создать режим, при котором отпадает необходимость ввода флегмы в колонну, а выводить уже ее как конечный продукт [8-10].
Принципиальная схема колонны представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема колонны: 1 - ректификационная колонна; 2 - теплообменник; 3 - флегмоделитель; 4 - насос; 5 - змеевик; 6 - тарелка; 7 - насадки (кольца Рашига); 8 - датчики температур; 9 - нагревательный элемент
Основным элементом охлаждающего контура является трубная система, по которой движется охлаждающая жидкость. Данное устройство выполнено в виде цельного змеевика без дополнительных ответвлений. Конструкция змеевика выбрана с учетом плотной упаковки, которая обеспечивается равными расстояниями как внутри секции, так и между ними.
Змеевик представлен на рис. 2.
Прежде чем был подобран змеевик данной конструкции, предлагались варианты, которые имели те или иные недостатки. Выбор оптимальной формы змеевика обусловлен его следующими положительными сторонами:
- большой охват площади поперечного сечения;
- плотная упаковка;
- возможность изготовить с помощью ручного трубогиба.
Из-за своих уникальных свойств, материалом змеевика выбрана медь. Главным из них является большой коэффициент теплопроводности. Также, в среде колонного оборудования медь медленно окисляется и темнеет, образуя на поверхности слой оксида меди, который «консервирует» металл, в дальнейшем предотвращая коррозию. Медь является материалом пластичным, что позволяет придать ему необходимую геометрию при помощи ручного трубогиба. Соединение отдельных элементов змеевика осуществлялось при помощи пайки.
Для визуального наблюдения за процессом взаимодействия паровой и жидкой фаз на тарелках, корпус колонны изготовлен из стеклянных царг.
На начальных этапах разработки рабочей модели, предполагалось, что входной и выходной концы змеевика должны выходить за пределы колонны. Такое решение предполагало собой избавление от проблемы образования деформации полимерной части змеевика, образующееся при рабочем режиме колонны. Однако такая конструкция змеевика не позволила установить его в лабораторную колонну, что потребовало модернизации устройства.
Опорная решетка, предназначенная для удержания нерегулярной насадки, выполнена из сетки. В качестве материала изготовления выбрана нержавеющая сталь для предотвращения коррозионных процессов [11-13].
Расположение змеевика в колонне представлено на рис. 3.
Рис. 2. Змеевик
Рис. 3. Расположение змеевика в колонне: 1 - царга; 2 - змеевик; 3 - силиконовая трубка; 4 - распределительная тарелка; 5 - слой насадки; 6 - решетка
Для равномерного распределения поступающей жидкости, в виде флегмы, по сечению колонны необходимо установить распределительную тарелку.
Распределительная тарелка представлена на рис. 4.
Рис. 4. Распределительная тарелка: 1 - полотно тарелки; 2 - трубки
337
Разработка и изготовление теплообменного модуля осуществлена в следующие этапы:
изготовление распределительной тарелки;
гибка медной трубки, необходимой формы, в рамках одной секции;
пайка секций между собой (для того чтобы снизить вероятность пропуска жидкости из соединения пайки, решено вставить в них медную трубку большего диаметра, что еще и обеспечивало необходимую жёсткость, которая сопутствовала процессу пайки); зачистка мест паяных соединений; установка змеевика в колонну.
Разбивка змеевика на отдельные участки с последующей их пайкой, значительно улучшило качество конструкции и упростило процесс изготовления. Однако это потребовало дополнительных приспособлений [1417].
Методика проведения эксперимента: подготовка насоса;
запуск колонны и выведение ее на режим; установка расхода флегмы;
регистрация технологических параметров массообменного процесса и режима работы теплообменного контура; отбор пробы с дефлегматора;
запуск насоса и подача охлаждающей жидкости с заданным расходом;
выведение режима в колонне;
повторная регистрация технологических параметров и отбор
проб;
выключение насоса и лабораторной колонны; обработка и анализ результатов эксперимента. Система охлаждения состояла из следующих элементов: центробежный насос «Oasis CВ 25/8»; кран;
счетчик расхода воды; полимерная трубка; медный змеевик; емкости V = 30 л и V = 50 л.
На рис. 5 представлено расположение элементов охлаждения. Регулирование расхода охлаждающей жидкости производилось при помощи шарового крана. Данный метод является весьма сложным, ввиду того что малейшее изменение положения ручки крана меняло расход на весьма большие значения. Предоставленная проблема привела к замене крана на вентиль, что значительно ускорило выставление необходимых параметров расхода.
Расчет энергетического баланса колонны. Затрачиваемая энергия находится по формуле:
= Гпот + W3M + WTO + W
зат.
пот.
зм.
дис.'
(1)
где Шпот. - потери колонны, которые составляют 5 % от затрачиваемой энергии, Вт; ШТ.о., Шзм., Шдис. - тепловые потоки теплообменного оборудования, змеевика и дистиллята, Вт.
Рис. 5. Расположение элементов охлаждения: 1 - центробежный насос «Oasis СВ 25/8»; 2 - кран шаровой; 3 - счетчик расхода воды
Тепловой поток определяется по формуле:
Ш = О ■ Ср-М, (2)
где О - расход теплоносителя, кг/с; Ср - удельная теплоемкость,
Дж/(кг-°С); Ы - разность температур, °С
Ы = Ы б +Atм, (3)
Влияние охлаждения верха колонны на качества продукта при расходе дистиллята 15 л/ч.
Результаты измерений представлены в табл. 1.
Результаты измерений
Таблица 1
Параметры До включения охлаждения Расходы хладагента
18 л/ч 45 л/ч 70 л/ч
1 Температура на 10 тарелке, °С 85,5 82,8 79,7 74,6
2 Расход дистиллята, л/ч 15 15 10,26 10,44
3 Средняя температура дистиллята, °С 61,7 64,9 68,7 73,3
4 Температура поступающей воды в змеевик, °С - 16,8 16,3 15,5
5 Температура, после прохождения змеевика, °С - 84,7 80,2 78
6 Расход воды в теплообменнике, л/ч 198 201 192 186
7 Разность температур в теплообменнике, °С 26,4 20,3 15,6 10,9
8 Показания проб 1,35754 1,35916 1,36194 1,36356
9 Содержания этилового спирта, % 75 81 90 95
10 Затрачиваемая энергия, кВт 8,2125 8,25 8,2125 8,2875
Результаты проведенных расчетов представлены в табл. 2.
339
Таблица 2
Результаты проведенных расчетов_
Параметры Расходы хладагента
18 л/ч 45 л/ч 70 л/ч
1 Тепловой поток теплообменника, Вт 4768,3 3501,8 2372
2 Тепловой поток змеевика, Вт 1413,5 3342 5084,7
3 Тепловой поток дистиллята, Вт 819 602,7 667
4 Общий расход энергии, Вт 7000,8 7446,5 7523,4
5 Потери, % 15 9,3 9,2
Из табл. 2 следует что, качество разделения конечного продукта растет при увеличении расхода охлаждающего агента в змеевике. Без системы охлаждения концентрация этанола на выходе составила 75 %. При подачи охлаждающей жидкости в змеевик (в количестве 18 л/ч), качество разделения увеличилось, а концентрация спирта на выходе достигла 81%. Дальнейшее увеличение расхода жидкости в охлаждающем контуре до 45 и 70 л/ч позволило увеличить концентрацию этанола на 15 и 20 %, соответственно. Это свидетельствует об эффективности модернизации.
В статье разработана конструкция змеевика для охлаждающего контура установки, подобран материал для его изготовления, а также предложена технология изготовления змеевика для лабораторной колонны диаметром 150 мм.
Создана технологическая схема охлаждающего контура, включающая в себя: насос, расходомер, кран, емкости на 50 и 30 литров, трубу железную и силиконовую трубка, которая соединяется, со змеевиком.
Проведены опыты с различными значениями расходов. По полученным данным осуществлена оценка работы системы охлаждения.
Список литературы
1. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В. А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: учебник для вузов. М.: Недра-Бизнесцентр, 2000, 677 с.
2. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979.
439 с.
3. Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты, М.: Химия, 1971. 295 с.
4. Попкова О.С., Дмитриева О.С. Исследование гидродинамических характеристик струйно-барботажного контактного устройства // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. №13. С. 135-136.
5. Боев Е.В., Афанасенко В.Г., Николаев Е.А., Иванов С.П. Повышение эффективности тепломассообменных насадок промышленных градирен // Газовая промышленность. 2010. № 7 (648). С. 85-88.
6. Boev E.V., Ivanov S.P., Afanasenko V.G., Nikolaev E.A. Polymeric drop-film sprinklers for cooling towers // Chemical and Petroleum Engineering. 2009. Т. 45. № 7-8. P. 454-459.
7. Taqvi S.A., Tufa L.D., Muhadizir S. Optimization and Dynamics of Distillation Column Using Aspen Plus® // Procedia Engineering. 2016. No. 148. P. 978-984.
8. Khafizov F.Sh., Afanasenko V.G., Khafizov I.F., Khaibrakhmanov A.Sh., Boev E.V. Use of vortex apparatuses in gas cleaning process// Chemical and Petroleum Engineering. 2008. Т. 44. № 7-8. С. 425-428.
9. Афанасенко В.Г., Боев Е.В., Николаев Е.А. Моделирование процесса охлаждения оборотной воды в градирнях // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 29. № 2. С. 122-127.
10. Афанасенко В.Г. Совершенствование конструкции массообмен-ного устройства для проведения процесса абсорбции: дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2008. 10 с.
11. Войнов А.Н., Жукова О.П., Паньков В. А., Войнов Н.А. Ректификация этилового спирта в колоннах со спирально-призматической насадкой // Техника и технология пищевых призводств. 2012. №4. 5 с.
12. Xiong W., Chen L., Liu F., Xu B. Multiple model identification for a high purity distillation column process based on em algorithm // Mathematical Problems in Engineering. 2014. Vol. 2014. No 712682. 9 p.
13. Monfared B. Simulation of solid-state magnetocaloric refrigeration systems with Peltier elements as thermal diodes // International Journal of Refrigeration. 2017. No. 74. P. 324-332.
14. ОСТ 26-705-79. Тарелки ТСН-2 И ТСН-3 колонных аппаратов. Конструкция и размеры. Введ. 1980-01-01. М.: Изд-во официальное, 1979. 20 с.
15. Афанасьев Ю.О., Богомолов А.Р., Дадонов П.В. К расчету распределительных тарелок насадочных колонн // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2003. С. 94-98.
16. Долинский А. А., Ободович А.Н., Сидоренко В.В. Интенсификация аэрации и массопереноса в технологии очистки сточных вод за счет дискретно-импульсного ввода энергии // Теплофизика и аэромеханика. 2018. Т.25. № 4. С. 649-656.
17. Rohman A.S., Rusmin P.H., Maulidda R., Hidayat E.M.I., Machbub C., Mahayana D. Modelling of the mini batch distillation column // International Journal on Electrical Engineering and Informatics. Indonesia: Institute of Advanced Engineering and Science, 2018. Vol. 10. Issue 2. P. 350-368.
Афанасенко Виталий Геннадьевич, канд. техн. наук, зав. кафедрой, afanasenko.v.g@yandex.ru, Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Хузиев Вильнар Файзуллович, магистрант, khuzievl305@ mail.ru, Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Галимова Юлия Ленаровна, аспирант, 449461832 атаИ. ги, Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет
IMPROVING THE DESIGN THE DISTILLATION COLUMN OF THE PACKED TYPE V.G. Afanasenko, V.F. Khuziev, Y.L. Galimova
The article presents a method of improving the quality of the product by upgrading the laboratory installation. A cooling system is developed, which includes: a coil of complex shape, a centrifugal pump, a polymer tube and 2 tanks. An advanced distribution plate of the distillation column with a diameter of 150 mm. The calculation and analysis of the data, which suggests the effectiveness of the proposed modernization.
Key words: mass transfer, rectification, distillation column, cooling system, liquid distribution device, heat balance, coil-pipe.
Afanasenko Vitaliy Gennadevich, candidate of technical sciences, head of department, afanasenko. v. g@ yandex. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technical University,
Khuziev Vilnar Fayzullovich, undergraduate, khuziev1305@ mail. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technical University,
Galimova Julia Lenarovna, postgraduate, 449461832@,mail. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technical University
УДК 629.3.054.4
РОЛЬ ЛИДАРА В СОВРЕМЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
В. А. Бопп
Рассматривается принцип работы лазерного лидара, выявляются его преимущества. Лидар позволяет строить объёмную SD-модель окружающего мира, рассчитывать скорость препятствия и расстояние до него, используя разницу во времени между отправленным и отражённым сигналом. На сегодняшний день не существует альтернативы лидарам с такими же характеристиками точности, компактности и конечной стоимости. Развитие электронных помощников водителям, а также беспилотного транспорта невозможно без использования лидаров.
Ключевые слова: лидар, лазерный радар, автопилот, адаптивный круиз-контроль, датчики.
Развитие технологий и ежегодно ужесточающиеся требования к безопасности транспортных средств подталкивают автопроизводителей к разработке новейших систем. В их числе система предупреждения столкновений. Она позволяет водителям снизить риск столкновения с попутным транспортным средством, пешеходом или велосипедистом. На минимальных скоростях (в среднем до 30 км/ч, в зависимости от особенностей системы на конкретном автомобиле) и вовсе избежать аварии. При риске столкновения подобные системы оповещают водителя, как правило, посредством звуковой индикации. Если водитель не реагирует, система автоматически применяет экстренное торможение. Прогнозы компании EURO NCAP, занимающейся тестированием безопасности автомобилей, показывают, что системы экстренного торможения могут сократить число аварий на 38%.
