CC BY
10
УДК 66.048:532.546
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ КОЛОННЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ НА СТРУКТУРИРОВАННЫХ НАСАДКАХ
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)316-50-49, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
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
Александр Дмитриевич Назаров
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-60, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
Георг А. Мески
Аэр Продактс энд Кэмикэлс, Инк., 7201 Хэмилтон Булевар, Аллентаун, Пенс. 18195-1501, США, e-mail: MESKIGA@airproducts.com
Патрик А. Хоуптон
Аэр Продактс энд Кэмикэлс, Инк., 7201 Хэмилтон Булевар, Аллентаун, Пенс. 18195-1501, США, e-mail: HOUGHTPA@airproducts.com
В статье представлены результаты исследования разделения бинарной смеси в дистил-ляционной колонне на структурированных насадках с круглой, полуцилиндрической и квадратной формой поперечного сечения. Показано, что эффективность разделения и гидравлическое сопротивление в большей степени зависят от конструктивных особенностей насадки (в частности, от угла наклона ребер), чем от формы колонны. Основные закономерности по влиянию расходов жидкости и пара, других режимных параметров, полученные для круглых колонн, действительны и для колонн с некруговой геометрией.
Ключевые слова: дистилляция, эффективность разделения, бинарная смесь, структурированная насадка, перепад давления.
INFLUENCE OF THE DISTILLATION COLUMN CROSS SECTION SHAPE ON THE SEPARATION EFFICIENCY OF THE BINARY MIXTURE ON STRUCTURED PACKINGS
Nikolay I. Pecherkin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)316-50-49, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
Aleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Акаёеш1к Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Corresponding Member of RAS, Head of Low Temperature Thermophysics Laboratory, phone: (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Vladimir E. Zhukov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-87-00, e-mail: zhukov@itp.nsc.ru
Aleksandr D. Nazarov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Senior Researcher, phone: (383)330-64-60, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
George A. Meski
Air Products and Chemicals, Inc., 7201 Hamilton Boulevard, Allentown, PA 18195-1501, USA, e-mail: MESKIGA@airproducts.com
Patrick A. Houghton
Air Products and Chemicals, Inc., 7201 Hamilton Boulevard, Allentown, PA 18195-1501, USA, e-mail: HOUGHTPA@airproducts.com
The article presents the results of the investigation of a binary mixture separation in distillation column on structured packings with a round, semi-cylindrical and square cross-sectional shape. It is shown that the efficiency of separation and hydraulic resistance depend more on the design features of the structured packing (in particular, on the corrugation angle) than on the shape of the column. The main regularities in terms of the influence of the liquid and vapor flows, other operating parameters obtained for round column, are also valid for columns with noncircular geometry.
Key words: distillation, separation efficiency, binary mixture, structured packing, pressure drop.
Дистилляционные колонны с разделительными стенками (DWC) являются интенсивно развивающимися системами для разделения многокомпонентных смесей. Они имеют огромный потенциал для сохранения энергии и уменьшения капитальных затрат. Большая часть публикаций по этой тематике посвящена разработке и анализу термодинамических схем всего технологического цикла разделения многокомпонентных смесей, включая вопросы тепловой интеграции [1-4]. Вопросам разработки систем для проектирования и методов расчета процесса массопереноса и гидродинамики в нецилиндрических насадках посвящено значительно меньше работ [5-7].
Конструирование раздельных колонн предполагает разделение внутреннего пространства колонны как минимум на две части с установкой разделительных стенок, а также производство и установку структурированных насадок, имеющих в сечении форму, соответствующую раздельным колоннам (сегменты, квадраты, треугольники и т. д.) [4, 8].
Эксперименты по разделению смеси хладонов R114 и R21 проводились в полуцилиндрической (0.8 м), квадратной (0.54x0.54 м) и круглой (0.6 м) колоннах с одинаковой площадью поперечного сечения. Вставки с различной формой поперечного сечения устанавливались в экспериментальную крупно-
масштабную модель ректификационной колонны диаметром 0.9 м [9, 10]. Высота насадки в колонне 2.2 м, угол наклона ребер листов насадки 45° и 60°,
2 3
удельная поверхность ~ 500 м /м . В статье представлены результаты исследования влияния расходов пара и жидкости на эффективность разделения, гидравлическое сопротивление, распределение локальных потоков жидкости и состава смеси по сечению.
32
Распределение локального расхода жидкости под насадкой (д, см 3/(см с)) показано на рис. 1.
в
Рис. 1. Распределение локального расхода жидкости (слева) и локального состава смеси (справа). Угол наклона ребер насадки 45°, К = 0.046-0.049 м/с. а) круглая насадка; б) полуцилиндрическая насадка; в) квадратная насадка
Распределение жидкости по сечению характеризуется повышенным расходом в центральной части и пониженным расходом в пристенной зоне. В угловых зонах полуцилиндрической и квадратной колонн локальный расход жидкости резко уменьшается. Распределение состава смеси в жидкой фазе на выходе из исследуемых насадок характеризуется наличием в углах крупномасштабных зон с максимумом и минимумом концентрации летучего компонента. В работе также проведены измерения полей температур в различных сечениях по высоте исследуемых колонн с целью выявления взаимосвязи между эффективностью разделения и распределением локальных параметров потоков жидкости и пара.
Сравнение данных по эффективности разделения смеси, полученных на
структурированных насадках с различной формой поперечного сечения, пока-
1/2 1/2
зано на рис. 2. В диапазоне низких значений параметра Ку = и0рп /(рж-рп) , где и0 - приведенная скорость пара, величина НЕТР, характеризующая эффективность разделения, для всех форм поперечного сечения насадки с углом наклона ребер 45° оказывается примерно одинаковой. При низких значениях расходов пара и жидкости в условиях их слабого взаимодействия, коэффициенты массоотдачи в каждой фазе определяются только их расходами и геометрическими характеристиками насадки. При Ку ~ 0.052 м/с наблюдается резкий рост НЕТР, так называемый «кризис массоотдачи». До этого момента наименьшие значения НЕТР, т. е. наибольшая эффективность разделения, наблюдались для круглой насадки, наибольшие значения НЕТР были получены для насадки квадратной формы. Эффективность разделения на полуцилиндрической насадке слабо меняется с увеличением нагрузки колонны по пару в этом диапазоне. Резкое увеличение перепада давления, свидетельствующее о наступлении гидравлического кризиса, происходит при Ку > 0.056 м/с, т. е. после наступления режима ухудшения массообмена. Величина НЕТР при этом значении Ку достигает локального максимума. После наступления гидравлического кризиса эффективность разделения также слабо зависит от формы поперечного сечения насадки.
Рис. 2. Влияние формы поперечного сечения на эффективность разделения и перепад давления на структурированных насадках
с углом наклона ребер 45° (слева) и 60° (справа): 1 - круглая насадка; 2 - квадратная насадка; 3 - полуцилиндрическая насадка
Величина HETP для насадки с углом наклона ребер 60° в круглой и в квадратной вставках оказывается примерно одинаковой. С увеличением расхода пара в диапазоне Kv = 0.032-0.042 м/с величина HETP уменьшается, затем наблюдается широкая область с практически постоянной эффективностью разделения. При Kv > 0.08 м/с величина HETP в круглой колонне начинает возрастать. По сравнению с насадкой с меньшим углом наклона ребер HETP увеличилась на 40-50%, но при этом во всем диапазоне изменения нагрузки колонны сохраняет примерно постоянное значение.
Данные по эффективности разделения и гидравлического сопротивления на насадках с различным углом наклона ребер в круглой колонне приведены на примере сравнения с инженерными расчетными моделями «Delft» [11] и «SRP» [12, 13]. В экспериментах наблюдается более сильное влияние угла наклона ребер на эффективность разделения, чем это предсказывают обе модели, рис. 3.
1/2
На этом рисунке параметр Fv = [/0рп . Модель «SRP» удовлетворительно предсказывает нижнюю границу диапазона изменения величины HETP для насадки с углом 45°, а модель «Delft» - верхнюю границу. Экспериментальные значения HETP для насадки с углом 60° лежат в промежутке между расчетными зависимостями «SRP» и «Delft». Ухудшение массоотдачи на насадке с углом наклона ребер 45° начинается при меньшей нагрузке по пару, чем резкий рост перепада давления, а на насадке с углом наклона ребер 60° при большей нагрузке. Характер изменения перепада давления с изменением расхода пара верно предсказывается обеими моделями. В области до начала гидравлического кризиса более близкие результаты дает модель «SRP», а при больших расходах пара - модель «Delft». На этом рисунке также видно, что насадка с углом наклона ребер 60° имеет значительно меньшее гидравлическое сопротивление, чем насадка с углом наклона ребер 45°. Кризис гидравлического сопротивления на насадке с углом наклона ребер 60° начинается при существенно больших расходах пара.
350 300 250 200
150 100
• 1 Delft 60
о 2 о
Delft 45^-—-<=? О о о~*о ° о О
• •
-------- • SRP60
ИКР4Ь
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 F,, Па"5
Рис. 3. Сравнение экспериментальных данных по эффективности разделения (слева) и перепаду давления (справа) на структурированных насадках с различным углом наклона ребер с расчетными моделями
для круглой колонны: 1 - угол наклона ребер 45°; 2 - угол наклона ребер 60°
Получены новые опытные данные по эффективности разделения смеси и перепаду давления на структурированной насадке для круглой, квадратной и полуцилиндрической колонн. На насадке с углом наклона ребер 45° при малой плотности орошения эффективность разделения не зависит от формы поперечного сечения колонны при отношении мольных расходов жидкости и пара L/V = 1. Форма поперечного сечения колонны также не влияет на эффективность разделения и перепад давления на насадке с углом наклона ребер 60°. В области, предшествующей гидравлическому кризису, наименьшие значения HETP наблюдаются на круглой колонне. Наибольшие значения HETP получены для квадратной насадки.
Важнейшим результатом проведенного исследования является то, что в практическом диапазоне работы дистилляционных колонн для высокоэффективной насадки с низким гидравлическим сопротивлением эффективность разделения в колонне с квадратным поперечным сечением сравнима с эффективностью разделения в традиционных круглых колоннах.
Основные закономерности по влиянию высоты насадки, отношения расходов жидкости и пара, других режимных параметров, полученные для круглых колонн, действительны и для колонн с некруговой геометрией.
Работа выполнена в рамках научно-технического сотрудничества Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе и компании «Аэр Продактс энд Кэми-кэлс, Инк.» США и при финансовой поддержке ФАНОРоссии по Программе ФНИ ГАНна 2013-2020 годы (тема Ш.18.2.3, АААА-17-117030310025-3).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Yildirim О., Kiss A. A., Kenig E. Y. Dividing wall columns in chemical process industry: A review on current activities // Separation and Purification Technology. - 2011. - Vol. 80. -P. 403-417.
2. Staak D., Grutzner T., Schwegler B., Roederer D. Dividing wall column for industrial multipurpose use // Chem. Eng. and Processing. - 2014. - Vol. 75. - P. 48-57.
3. Wang S.-J., Wong D. S. H. Controllability and energy efficiency of a high-purity divided wall column // Chem. Eng. Sci. - 2007. - Vol. 62. - P. 1010-1025.
4. Dejanovic I., Halvorsen I. J., Skogestad S. et al. Hydraulic design, technical challenges and comparison of alternative configurations of a four-product dividing wall column // Chem. Eng. and Processing. - 2014. - Vol. 84. - P. 71-81.
5. Olujic Z., Jodecke M., Shilkin A. et al. Equipment improvement trends in distillation // Chem. Eng. and Processing. - 2009. - Vol. 48. - P. 1089-1104.
6. Kiss A. A., Olujic Z. A review on process intensification in internally heat-integrated distillation columns // Chem. Eng. and Processing. - 2014. - Vol. 86. - P. 125-144.
7. Chen W., Huang K., Chen H. et al. Design and operation of dividing-wall distillation columns. 1. Diminishing the black-hole problem through overdesign // Chem. Eng. and Processing. -2014. - Vol. 75. - P. 90-109.
8. Wilson J., Sunder S., Houghton P. Structured packing. US Patent: US 2013/0233016 A1. -Sep. 12, 2013.
9. Pavlenko A.N., Pecherkin N.I., Chekhovich V.Yu., Zhukov V.E., Sunder S., Houghton P., Serov A.F., Nazarov A.D. Separation of mixtures and distribution of a liquid on a structured pack-
ing in a large-scale model of a distillation column // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2006. - V. 40 (4). - P. 329-338.
10. Pavlenko А., Zhukov V., Pecherkin N., Chekhovich V., Volodin O., Shilkin A., Grossmann C. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing // AIChE Journal. - 2014. - V. 60, Issue 2. - P. 690-705.
11. Olujic Z., Kamerbeek A. B., de Graauw J. A corrugation geometry based model for efficiency of structured distillation packing // Chem. Eng. and Processing. - 1999. - Vol. 38 (4-6). -P. 683-695.
12. Bravo J. L., Rocha J. A., Fair J. R. Mass transfer in gauze packings // Hydrocarbon Processing. - 1985. - Vol. 64 (1). - P. 91-95.
13. Fair J. R., Seibert A. F., Behrens M. et al. Structure packing performance - Experimental evaluation of two predictive models // Ind. Eng. Chem. Res. - 2000. - Vol. 39 (6). - P. 1788-1796.
© Н. И. Печеркин, А. Н. Павленко, В. Е. Жуков, А. Д. Назаров, Г. Мески, П. Хоуптон, 2018
