CC BY
23
УДК 536.7:544.3.01
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ТОЧЕК ОРОШЕНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ ЖИДКОСТИ НА РАВНОМЕРНОСТЬ ПОТОКА ВНУТРИ СТРУКТУРИРОВАННОЙ НАСАДКИ ДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ КОЛОННЫ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ КОСВЕННЫМ И ПРЯМЫМ МЕТОДАМИ
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
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)330-87-00, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
Александр Дмитриевич Назаров
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
Анатолий Федорович Серов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru
Николай Богданович Миськив
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, ассистент, тел. (383)330-64-66, e-mail: nikerx@gmail.com
Ксинганг Ли
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: exg@tju.edu.cn
Бин Джианг
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: binjiang@tju.edu.cn
Хонг Суи
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: suihong@tju.edu.cn
Хонг Ли
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: lihong@tju.edu.cn
Ксин Гао
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: gaoxin@tju.edu.cn
Приведены результаты исследования о влиянии структуры точек орошения на эффективность разделения смеси в дистилляционной колонне со структурированными насадками. Проведено сопоставление косвенного метода на основе измерения распределения температуры по сечению и высоте насадки в реальном времени с методом прямых измерений на основе регистрации распределения локального расхода жидкости под насадкой для оценки равномерности течения потока жидкости внутри насадки.
Ключевые слова: дистилляция, разделение смеси, структурированная насадка, распределитель жидкости.
INFLUENCE OF THE IRRIGATION POINTS STRUCTURE OF DISTRIBUTER ON FLOW DISTRIBUTION INSIDE THE STRUCTURED DISTILLATION COLUMN AND THE EVALUATION OF SEPARATION EFFICIENCY BY INDIRECT AND DIRECT METHODS
Aleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, D. Sc., Corresponding Member of the RAS, Head of the Low Temperature Thermophysics Laboratory, tel. (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Vladimir E. Zhukov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (383)330-87-00, e-mail: zhukov@itp.nsc.ru
Nikolay I. Pecherkin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (383)330-87-00, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
Aleksandr D. Nazarov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., D. Sc., senior researcher, tel. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
Anatoly F. Serov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavren-tiev Prospect, D. Sc., Professor, chief researcher, tel. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru
Nikolay B. Miskiv
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, graduate student; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., assistant, tel. (383)330-64-66, e-mail: nikerx@gmail.com
Xingang Li
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Professor, leading scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: exg@tju.edu.cn
Bin Jiang
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Professor, leading scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: binjiang@tju.edu.cn
Hong Sui
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Professor, senior researcher, tel. (383)330-87-00, e-mail: binjiang@tju.edu.cn
Xong Li
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., senior researcher, tel. (383)330-87-00, e-mail: lihong@tju.edu.cn
Xin Gao
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., senior researcher, tel. (383)330-87-00, e-mail: gaoxin@tju.edu.cn
The results of a study on the effect of the irrigation points structure on the efficiency of separation of a mixture in a distillation column with structured packing are presented. The indirect method on the basis of measuring the temperature distribution over the section and height of the packing in real time is compared with the method of direct measurements based on recording the distribution of liquid flow rate under the packing to estimate the uniformity of the liquid flow inside the packing.
Key words: distillation, separation of mixtures, structured packing, liquid distributor.
В настоящее время ректификацию во всем мире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, продуктов криогенного разделения воздуха и различных других веществ высокой чистоты).
Принцип действия разделительной колонны заключается в том, что исходная смесь, нагретая до температуры «питания» в жидкой фазе, поступает из распределителя жидкости на поверхность насадки в верхней части колонны. Снизу колонны навстречу жидкости подается пар исходной смеси. Стекая вниз по структурированным поверхностям насадки, жидкость обогащается высококипящими компонентами, а пары, чем выше поднимаются вверх колонны, тем более обогащаются легкокипящими компонентами. Таким образом, отводимый с верха колонны продукт (дистиллят) обогащен легкоки-пящим компонентом [1].
Исследования взаимосвязи параметров течения двухфазного потока жидкости и пара и эффективности разделения смесей в структурированных насадках интенсивно развиваются в последнее время, поскольку данные контактные массообменные поверхности все более широко используются в дистилляцион-ных колоннах различного назначения [2-4]. Многочисленные исследования направлены на тестирование новых типов структурированных насадок и подбор оптимальных режимов стационарного орошения распределителем жидкости и расходов противоточных потоков жидкости и пара.
Целью данной работы является исследование влияния параметров орошения структурированной насадки в верхней части колонны на распределения потоков по сечению и высоте насадки в условиях пленочного течения жидкости по насадке и противоточного потока пара. Важной составляющей данных исследований является сопоставление косвенного метода, основанного на измерении распределения температуры по сечению и высоте насадки, с методом прямых измерений на основе регистрации расхода жидкости под насадкой для объективной оценки возможности повышения эффективности разделения смеси в дистилляционной колонне при изменении структуры точек орошения.
Исследовательская ректификационная «Большая фреоновая колонна», созданная в Институте теплофизики СО РАН, предназначена для поиска наиболее эффективных процессов разделения жидких смесей на фракции, каждая из которых содержит вещества с близкой температуройкипения. Стенд представляет собой колонну диаметром 0.9 м и высотой 7.2 м. В верхней части размещен многосопловый динамический распределитель жидкости, под ним расположены слои структурированной насадки, в нижней части колонны находятся устройства подачи паровой фазы и сбора жидкости высококипящей компоненты. Под насадкой расположена оригинальная измерительная секция, состоящая из двухкоординатного устройства и первичных датчиков для измерения локальных характеристик струйно-капельного потока жидкости, стекающей из насадки. Подробно описание данного оборудования приведено в [2-4]. Распределитель жидкости имеет 128 магнитных клапана, управляемых программно, для орошения насадки с заданной структурой точек орошения [5, 6].
Равномерность распределения потока жидкости в насадке контролируется двумя методами: 1) косвенными измерениями в реальном времени системой регистрации температуры в 48 точках по сечению и высоте колонны [6]; 2) прямыми измерениями распределения локального потока под насадкой по сечению колонны в установившемся режиме. Измерения локального расхода струйно-капельного потока осуществляется малонапорным измерителем [7]. Принцип действия основан на регистрации средней скорости дрейфа парового пузыря в потоке внутри калиброванного миниканала. Момент прохождения переднего фронта пузыря фиксируется оптопарой ИК диапазона длин волн. Малонапорный расходомер перемещается по сечению колонны с помощью специально разработанной автоматической двухкоординатной системы [7].
На рис. 1 показаны структуры точек орошения распределителя жидкости до и после переключения клапанов в зонах, отмеченных контурными овалами.
Точки, указанные темными кружками, соответствуют состоянию с открытым клапаном.
На рис. 2 приведено распределение температуры в сечении нижнего слоя и ее стандартное отклонение до и после переключения клапанов в распределителе жидкости. Меньшее значение стандартного отклонения указывает на более равномерные распределения температуры и локального расхода жидкости по сечению и высоте насадкипосле переключения распределителя в состояние 2, и, в конечном итоге, соответствует режиму с более высокой эффективностью разделения смеси в дистилляционной колонне.
Состояние 1 Состояние 2
ку = 0.03 м/с, Н = 2.1 м
Рис. 1. Состояние клапанов распределителя жидкости в начальном положении
и в режиме после переключения
Рис. 2. Распределения температуры в нижнем слое насадки при двух различных структурах точек орошения
На рис. 3 приведены результаты измерений распределения локального расхода жидкости под насадкой при двух заданных структурах точек орошения.
Прямые измерения расхода жидкости под насадкой показывают изменение распределения жидкости внутри насадки и подтверждают достоверность результатов, полученных косвенным методом. При измененной структуре точек орошения (состояние 2) достигается более равномерное распределение по сечению локального расхода жидкости (величина стандартного отклонения снижается от 14,5 % до 11,7 %, соответственно), что приводит, как показывает обработка опытных данных, к повышению эффективности разделения смеси.
Состояние распреде лиге ля 1 Состояние распределителя 2
Стандартное отклонение - 14.5 » о Стандартное отклонение - 11Л » о
Н =2.1 га К\ = 0.03 га я
Рис. 3. Распределения локального расхода жидкости под насадкой при двух различных структурах точек орошения
Анализ экспериментальных данных показывает, что переключение всего четырех из восьмидесяти трех клапанов управляемого распределителя жидкости приводит к существенному изменению распределения потоков в структурированной насадке. Это указывает на весьма существенную зависимость распределения параметров двухфазного потока по сечению и высоте насадки и эффективности разделения смеси от структуры точек орошения данной массообмен-ной поверхности.
Таким образом, прямыми измерениями подтверждена возможность использовать косвенный метод, основанный на регистрации распределения температуры по сечению и высоте насадки, для оценки эффективности работы ди-стилляционной колонны в реальном времени.
Исследования показали, что распределения локальных параметров потоков в структурированной насадке находятся в весьма сильной зависимости от структуры точек орошения в верхней части колонны. При эксплуатации крупномасштабных промышленных дистилляционных колонн существует реальная возможность использовать новые распределители жидкости с управляемой структурой точек орошения насадки для повышения эффективности разделения смесей в таких массообменных аппаратах.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. - 2-е изд. пере-раб. - М. : Химия, 1971. - 296 с.
2. Экспериментальное исследование влияния неравномерности орошения на входе структурированной насадки на эффективность разделения смеси фреонов / А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин, В. Ю. Чехович, В. Е. Жуков, С. Сандер, П. Хоуптон // Теоретические основы химической технологии. - 2009. - Т. 43, № 1. - С. 3-13.
3. Развитие неравномерности распределения состава смеси в структурированной насадке дистилляционной колонны / А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин, В.Ю. Чехович, В. Е. Жуков, С. Сандер, П. Хоугтон // Теоретические основы химической технологии. - 2010. - Т. 44, № 6. - С. 1-11.
4. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing / А. N. Pavlenko, V. E. Zhukov, N. I. Pecherkin, V. Yu. Chekhovich, O. A. Volodin, A. Shilkin, C. Grossmann // AIChE J. - 2014. - Vol. 60, Is. 2. - P. 690-705.
5. Effect of Dynamically Controlled Irrigation of a Structured Packing on Mixture Separation Efficiency / А. N. Pavlenko, H. Li, V. E. Zhukov, N. I. Pecherkin, O. A. Volodin, A. S. Surtaev, X. Gao, L. Jiang, H. Sui, H. Li // Engineering Thermophysics. - 2015. - Vol. 24, No. 3. - Р. 210-221.
6. Автоматизированная система управления распределителем жидкости дистилляцион-ного исследовательского стенда со структурированной / А. Н. Павленко, В. Е. Жуков, Н. И. Печеркин, А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, Н. Б. Миськив, X. Li, B. Jiang, H. Sui, H. Li, X. Gao// Автометрия. - 2017. - Т. 53, № 1. - С. 19-25.
7. Малонапорный измеритель для исследования распределения потоков жидкой фазы в массообменных аппаратах / А. Ф. Серов, А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин, А. Д. Назаров, С. В. Кротов, В. Е. Жуков // Приборы и техника эксперимента. - 1998. - № 5. - С. 145-149.
© А. Н. Павленко, В. Е. Жуков, Н. И. Печеркин, А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, Н. Б. Миськив, Ксинганг Ли, Бин Джианг, Хонг Суи, Хонг Ли, Ксин Гао, 2017
