Вихревая контактная ступень для бражных колонн Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Химия растительного сырья. 2011. №4. С. 295-300.

УДК 66.015.23

ВИХРЕВАЯ КОНТАКТНАЯ СТУПЕНЬ ДЛЯ БРАЖНЫХ КОЛОНН

© Н.А. Войнов , С.А. Ледник, О.П. Жукова

Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: [email protected]

Представлены новые вихревые контактные ступени для укрепляющих тепломассообменных колон и результаты исследования гидродинамики и массообмена на тарелках с лопастными тангенциальными завихрителями. Получены зависимости для определения кольцевого режима течения газожидкостной смеси на ступени, величины гидравлического сопротивления, коэффициента массоотдачи, а также произведена оценка эффективности вихревой ступени.

Ключевые слова: контактная ступень, тангенциальный завихритель, коэффициент сопротивления, гидравлическое сопротивление, коэффициент массоотдачи, эффективность.

Введение

Бражные (исчерпывающие) ректификационные установки используются в технологических линиях получения этилового спирта, в том числе и на основе гидролизатов древесины. Основным их отличием от действующих в технологических линиях ректификационных колонн является большая производительность по жидкости (40-180 м3/ч) и сравнительно низкая концентрация этанола (от 2 до 8% об.), что обусловливает высокий расход пара, который достигает 60% от общего его расхода [1, 2]. Также известно, что содержание в рабочей жидкости большой концентрации лигнино-гуминовых веществ вызывает их осаждение в процессе ректификации на поверхности контактных ступеней и приводит к частой остановке оборудования.

Наибольшее применение в бражных колоннах нашли ситчатые, решетчатые, чешуйчатые и колпачковые контактные ступени.

Ситчатые тарелки были сняты с производства вследствие нарушения их горизонтальности, вызванного короблением полотна тарелки температурными напряжениями, что нарушало устойчивую работу колонны по причине недостаточного контакта пара с жидкостью.

Тарелки провального типа хотя и не так чувствительны к загрязнениям, однако из-за небольшого диапазона устойчивой работы по пару и жидкости, а также в связи с большими потерями этанола при вынужденных остановках колонны, в настоящее время практически не применяются.

Эксплуатация тарелок чешуйчатого типа показала их устойчивую работа в широком диапазоне нагрузок по пару, но быстрое забивание отверстий отложениями и повреждение чешуек при их очистке заставило отказаться от их использования в связи со сложностью ремонта и изготовления новых.

Наибольшую промышленную апробацию нашли одноэлементные колпачковые тарелки (рис. 1а), основным преимуществом которых является их надежная работа и достижение минимальных потерь продукта при плановых или вынужденных остановках колонны. Одно элементные колпачковые тарелки имеют невысокую производительность по жидкости, поэтому в дальнейшем были заменены на многоэлементные (рис. 16). Однако стандартные колпачковые тарелки имеют большое количество контактных устройств на ступени, что обуславливает их низкую производительность по жидкости и приводит к быстрому забиванию каналов для прохода пара отложениями. На Красноярском биохимическом заводе были внедрены [3, 4] две бражные колонны диаметром 2,6 мс 24 тарелками колпачкового типа (рис. 16). Каждая тарелка содержала по 13 колпачков диаметром 380 мм. Диаметр газового патрубка рассчитывался из условия скорости пара в них равной 10 м/с и составил 260 мм, площадь сечения сегментного перетока - 0,1 м2, величина периметра слива - 3,5 м, высота перетока над полотном тарелки - 95 мм, межступенчатое расстояние -

* Автор, с которым слдеует вести переписку.

0,6 м. При начальной концентрации этанола в бражке 2-3,6% об. концентрация этанола в спиртовом конденсате составила 25-29%, а расход пара - 128 кг на 1 м3 бражки в час. Однако такие тарелки металлоемки и имеют большие габариты, что требует их замены на более совершенные контактные ступени.

Наряду с перечисленными известны пленочные прямоточные контактные устройства (рис. 1в). Вследствие интенсивного перемешивания пленки жидкости на их поверхности эффективность таких ступеней в рассматриваемом диапазоне концентрации этанола составляет 0,4-0,9, а скорость по сечению колонны достигает 5 м/с. В настоящее время промышленную апробацию прошли спиртовые колонны с пленочными прямоточно-вихревыми контактными устройствами [5, 6]. Однако размещение в действующей бражной колонне трех ступеней с 13 пленочными прямоточными контактными устройствами [3] (рис. 1в), диаметром 260 мм, высотой 150 мм показало ее непродолжительную работоспособность вследствие быстрого забивания каналов для ввода жидкости в контактные устройства отложениями.

Таким образом, отсутствие перемешивания жидкости на тарелках бражной колонны приводит к интенсивному осаждению на них поверхности коллоидных веществ. Поэтому длительная работа бражных колонн возможна только при отсутствии застойных зон на контактных ступенях и интенсивном перемешивании жидкости.

В связи с этим широкие перспективы при конструировании колонн имеют вихревые контактные устройства, в которых пар, проходя через каналы завихрителя, приобретает высокую тангенциальную скорость, за счет чего дробится в жидкости, размещенной на тарелке, на мелкие пузырьки, образуя вращающуюся газожидкостную смесь без застойных зон, с развитой межфазной поверхностью.

Как показывает анализ [7], наиболее предпочтительными для конструирования бражных колонн являются вихревые контактные ступени с тангенциальными завихрителями. Ранее нами были исследованы завихрители [7, 8] с параллельными каналами и плоской входной и выходной кромками. Поиск контактных ступеней, обеспечивающих эффективную работу аппарата при больших нагрузках по жидкости и пару, привел к разработке тангенциального завихрителя с профилированными каналами.

В связи с высокой нагрузкой по жидкости для бражных колонн наиболее предпочтительна схема вихревой контактной ступени, представленная на рисунке 2. Такая компоновка отличается простотой конструктивного исполнения, высокой пропускной способностью по жидкости за счет достижения требуемого периметра слива и сечения перетоков.

Установка нескольких завихрителей на контактной ступени (рис. 26), позволяет создать равномерный вращающийся газожидкостный слой по сечению колонны и устранить образование застойных зон, что препятствует накоплению осадка на поверхности устройств и увеличивает продолжительность работы колонны.

Вследствие недостаточной изученности работы вихревых контактных ступеней были продолжены исследования их гидродинамических и массообменных параметров.

Рис. 1. Схемы контактных ступеней колпачкового типа (а, б) и устройства пленочного типа (в). 1 -корпус; 2 - колпачок; 3 - сливной патрубок

Рис. 2. Схемы вихревых контактных ступеней. 1 - корпус; 2 - нижняя ступень; 3 - верхняя ступень; 4 -

центральный переток ; 5 - внешний переток; а) с горизонтальным завихрителем; б) с коническими

завихрителями

Методическая часть

Диаметр контактной степени составил Б = 100-350 мм, диаметр завихрителя Б3 = 110 мм, высота канала И = 5-15 мм, ширина канала 8 = 2,5-12 мм. Расход воздуха определялся нормальной диафрагмой и достигал 95 м3/ч. Гидродинамические параметры газожидкостного слоя на ступени рассчитывались согласно [7]. Концентрация кислорода в жидкости определялась датчиком полярографического типа АЖА101М. Величина коэффициента массоотдачи определялась опытным путем на примере абсорбции водой кислорода из воздуха. Величина объемного коэффициента массоотдачи определялась по зависимости [9]:

_ Ь(е - с )

& =—^——, (1)

- У(с * -Ск ) ( )

где сниск - концентрация кислорода в жидкости на входе на контактную ступень и на выходе, кг/м3; V -объем жидкости на ступени, м3; Ь - расход обескислороженной воды на ступени, м3/с; с* - равновесная концентрация кислорода в воде на ступени, кг/м3.

Обсуждениерезулътатов

Условие вращения газожидкостной смеси на ступени. В зависимости от расхода газа можно выделить следующие режимы течения газожидкостной смеси на ступени: барботажный; переходный; кольцевой и пленочный.

При переходном режиме течения газожидкостная смесь полностью занимает всю тарелку, при этом пузырьки газа и часть жидкости совершают вращательное движение. При кольцевом режиме течения жидкость из центральной части колонны за счет силы инерции выдавливается к периферии с образованием вращающегося газожидкостного слоя в виде цилиндра с начальным внутренним диаметром 15-20 мм. По мере роста скорости газа происходит уменьшение толщины слоя и переход в пленочный режим [7].

Наибольший интерес для инженерной практики представляет величина критической скорости газа в каналах завихрителя, при которой осуществляется переход в кольцевой режим течения, от правильного определения которой зависит эффективная и производительная работа колонны и ступени в целом.

Исходя из теоремы об изменении кинетического момента J в предположении, что трение о стенки и дно ступени много меньше сил вязкого трения и считая жидкость сплошным цилиндром массой m и радиусом R3 можно записать

Tdw ... .

Jhi = Мвр ~ Мин . (2)

Момент, обеспечивающий вращение газожидкостного слоя

2

М,„ =^f-М, cos с, (3)

где R3 - радиус завихрителя, м; а - угол наклона канала, град; - критическая скорость газа, обеспечиваю-

щая переход в область кольцевого течения, м/с; рг - плотность газа, кг/м3; f - площадь сечения каналов, м2.

Момент инерции цилиндра, кг м2 с-1:

Мии = т Я .

(4)

где Я - радиус вращающегося цилиндра газожидкостной смеси, м.

Тогда в установившемся режиме, когда угловая скорость постоянна в каждом сечении вращающегося слоя и, соответственно, ускорение равно нулю, можно записать

- /К3 соз а = тК

(5)

отсюда

кр

= [-

(Рж (! -ф) +РгФ) К 2У -.0,5

Рг

К3 / соза

]0

(6)

где V - объем газожидкостной смеси, участвующей во вращательном движении, м .

Величина критической скорости газа возрастает с увеличением объема и плотности жидкости на ступени и снижается с уменьшением угла наклона канала и увеличением радиуса завихрителя, величины газосодержания, плотности газа и суммарной площади каналов.

Согласно представленным на рисунке 3 данным, опытные и расчетные значения критической скорости при геометрическом симплексе ОТ= 0,23 различаются между собой на 20-35%, что обусловлено влиянием проскальзывания слоев жидкости [8] и неучетом сил вязкого трения при выводе уравнения (6). При дальнейшем уменьшении отношения ОТ различие в опытных и расчетных значения икр возрастает. Так как снижается поверхность контакта струй газа с вращающимся газожидкостным слоем, где Г = яБзЬ.

м/с

70

60

50

40

30

20

10

0

д

.Xх і

\к ни -зх* -1; Ь- 2; -3; (-4; -- 5.

V у

1

1000 2000 3000 4000 5000 т//, кг/м2

Рис. 3. Зависимость критической скорости газа в каналах завихрителя от удельной нагрузки т/ Экспериментальные точки (1-5): 1 - расчет по уравнению (6); 2 - п = 8 шт, Ь= 5 мм, э = 10 мм, ОТ= 0,23; 3 - п = 8 шт, Ь = 10 мм, э = 2 мм,

ОТ= 0,05; 4 - п = 4 шт, Ь= 5 мм, э = 10 мм,

ОТ= 0,11; 5 - п = 8 шт, Ь= 10 мм, э = 10 мм,

ОТ= 0,23

Гидравлическое сопротивление контактной ступени. Расчет перепада давления на вихревой ступени проводился согласно зависимости

Сопротивление сухой ступени

АР =АР +АР.

сух м

АР =^£^1

сух * 2

сопротивление орошаемой ступени

АР. =РЖ ЕЙ (1 -у) + Щ+р

(7)

(8)

(9)

где и - средне расходная скорость газа в канале, м/с; рж и рг - плотность жидкости и газа, кг/м ; АР^ - потери напора, вызванные касательными напряжениями, Па; АРа - потерн напора, вызванные поверхностным натяжением, Па; Н - высота газожидкостного слоя, м; ф - газосодержание; £ - коэффициент сопротивления сухой ступени.

2

2

Как показали расчеты, вклад АРя и АРС составляет не более 1% от общего сопротивления ступени.

Характерная зависимость общего сопротивления вихревой ступени с тангенциальным завихрителем представлена на рисунке 4.

Величина коэффициента сопротивления сухой ступени представлена на рисунке 5. Как установлено, величина £ имеет существенно меньшее значение, чем для ступени с тангенциальным завихрителем, выполненным с параллельными фрезерованными каналами [7, 8]. Это достигается снижением местных сопротивлений, вызванных входом и выходом газа, а также устранением образования вихрей за кромкой пластин, образующих каналы завихрителя.

Значения межфазной поверхности на контактной ступени представлены на рисунке 6. В режиме кольцевого течения эта величина составила 100-1000 м-1.

Величина объемного коэффициента массоотдачи, согласно рисунку 7, для исследуемой вихревой ступени составила ру= (150^400) ч-1. Исходя из значений межфазной поверхности величина поверхностного коэффициента р = (0,4-1,3)10-4м/е.

АР, Па

2500

2000

1500

© -и А Кольц евой

СП "'Г 1 1 □ X Переходный 1 1 Г\^ і

Барботаж 1 1 1 1 1 і/— 1 у/

і г 1 " 1 1 \^Г 1 _| 1 \

і 1 і 1 1 1 1 1

1 і

и,м/с

Рис. 4. Зависимость общего сопротивления вихревой ступени при п = 8 шг, И = 5 мм, 8 =10 мм.

Б3= 110 мм. Экспериментальные точки (1-4): 1 - высота жидкости на ступени 44 мм; 2 - 30; 3 - 16; 4 - сопротивление сухой ступени. Пунктирная - граница смены режима

£

3

2.5 2

1.5 1

0,5

□ -1;

Д -3.

-7* О—с ® дч П Г

и О 4

л А л л

л А А ^ 1Л

15

25

35

45

55

м/с

Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления вихревых ступеней от скорости газа в узком сечении канала. Экспериментальные точки (1-3): 1 - п = 4 шт, И = 5 мм, 8 = 10 мм; 2 - п = 8 шт, И = 5 мм, 8 = 10 мм; 3 - п =8 шт, И =12 мм, 8 = 2,5 мм при = 110 мм

Рис. 6. Зависимость межфазной поверхности от скорости газа в каналах. При Б3 = 110 мм, п = 4 шт. Экспериментальные точки (1-4): 1 - ш/Я = 6000,

2 - ш/Я =20000, 3 - ш/Я = 30000,

4 - п = 8 шт, ш/Я = 15000

Рис. 7. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи с тангенциальным завихрителем от расхода подаваемой жидкости на ступень.

При V = 2 л; п = 8 шт, И = 10 мм, б = 10 мм. Экспериментальные точки (1-5): 1 - и = 31,5 м/с; 2 - 25; 3 - 21; 4 - 9; 5 - 6

Число единиц переноса рассчитано по зависимости [9]:

Коу = р-Д^п/а-шХ

(10)

где КСу - число единиц переноса; Оп - расход пара, кг/с; а - межфазная поверхность, м-1; ш- масса жидкости на ступени, кг.

Эффективность вихревой контактной ступени согласно [9]:

Е _ Коу

у 1 + N.

(11)

оу

При расходе пара в колонне 2 кг/с (что соответствует производительности по бражке 80 м3/ч и диаметру колонны 0,9 м) в среднем эффективность составила Еу = 0,45.

Основным преимуществом вихревой контактной ступени является ее высокая производительность по жидкости и пару при малых габаритах, а отсутствие застойных зон увеличивает продолжительность ее работы.

Список литературы

1. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. М., 1989. 496 с.

2. Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. Киев, 1979. 456 с.

3. Воинов Н.А. Процесс ферментации кормового белка на гидролизате в пленочных аппаратах; способы интен-

сификации и методы расчета : дис. ... д-ра тех. наук. Красноярск, 1995. 375 с.

4. Воронин С.М. Повышение экологичности процессов переработки растительного сырья : автореф. дис. ... канд. тех. наук. Красноярск, 1997. 30 с.

5. Войнов Н.А., Харин В.Ф., Кабанов Г.П,. Николаев Н.А. Исследование процесса массообмена в пленочной ректификационной колонне // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1980. №3. С. 301-312.

6. Савельев Н.И., Войнов Н.А., Николаев Н.А. Закономерности массопереноса на многоэлементных контактных ступенях прямоточно-вихревых аппаратов // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1983. №1. С. 107-110.

7. Войнов Н.А., Николаев Н.А., Кустов А.В., Николаев А.Н., Тароватый Д.В. Вихревые контактные ступени для ректификации // Химия растительного сырья. 2008. №3. С. 173-184.

8. Войнов Н.А., Жукова О.П., Николаев Н.А. Гидродинамика вихревой ступени с тангенциальными завихрите-лями // Теоретические основы химической технологии. 2010. Т. 44, №2. С. 225-232.

9. Рамм В.М. Абсорбция газов. М., 1976. 655 с.

Поступило в редакцию 21 февраля 2011 г.

После переработки 29 сентября 2011 г.