CC BY
16
УДК 66.012-52
Д. В. Елизаров, В. В. Елизаров, С. А. Мерзляков
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТАРЕЛКИ ИЗ СТАНДАРТНОГО РЯДА КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ
Ключевые слова: ректификация, эффективность, массообмен, гидродинамическая аналогия, оптимальная конструкция.
Предлагается метод определения оптимальных конструктивных параметров контактного устройства из стандартного ряда. Под оптимальной конструкцией понимается относительное свободное сечение и высота приемного и сливного порогов, обеспечивающих максимум КПД. Эффективность определяется на основе гидродинамической аналогии, как зависимость от конструктивных и теплофизических параметров.
Keywords: rectification, efficiency, mass transfer, hydrodynamic analogy, the optimal design.
Propose a method for determining the optimal design parameters of the contact device of the standard range. Under the optimal design is meant the relative free area and the height of the receiving and discharge thresholds to ensure maximum efficiency. Efficiency is defined on the basis of the hydrodynamic analogy, the dependence on the structural and thermal parameters.
Задача проектирования ректификационных аппаратов заключается в определении числа ступеней разделения их типа и конструкции, при этом концентрация на концах колонны должна удовлетворять требуемым (заданным) значениям. Как показано в [1] число тарелок тем меньше, чем больше кпд тарелки, следовательно, задача проектирования колонных аппаратов сводится к выбору типа и конструкции контактного устройства, обеспечивающих максимальное значение кпд, где под конструкцией понимается высота приемного и сливного порогов, параметров зависящих от типа контактных устройств: для ситчатых тарелок - количество отверстий; для клапанных - тип клапана и их количество; для колпачковых - количество колпачков, размер и количество прорезей.
Задача модернизации действующих ректификационных установок включает определение конструкции контактного устройства, которая обеспечивает максимальный КПД и в независимости от типа контактного устройства имеет вид:
(1)
max л = n(sgpt,hOpt),
где Б^' - оптимальное относительное свободное сечение тарелки, которое учитывает количество и геометрию контактных элементов, - опти-
мальная высота приемного и сливного порогов.
При решении задачи модернизации контактное устройство должно обеспечивать:
• беспровальный режим работы: юд >ю0т1п, где юд - скорость газа в отверстиях тарелки, юот|П - скорость газа в отверстиях, при которой наступает провал жидкости [2], определяется по выражению: ( \
ю0
min
1 --
U
v
a^2ghCT
2(gPжИст -aPj.
(2с+ 1)рг
(2)
• скорость газа в колонне юк не должна превышать максимально возможную Ю|<тах
С учетом введенных ограничений для клапанной тарелки задача модернизации (1) примет вид:
max n = n(sOpt,hOpt), (3)
при ro0min <ю0'rak <rokmax •
Основной проблемой при решении задачи (3) является определение эффективности в зависимости от конструкции контактного устройства. Эффективность колонных ректификационных аппаратов можно оценивать по эмпирическим данным или общепринятой зависимости:
Nt
по =
N г
(4)
где Ыд и Ыт - число действительных и теоретических ступеней контакта, "о - к.п.д. колонны.
Эмпирические зависимости определения кпд колонных аппаратов получены путем обобщения опыта эксплуатации действующих установок и не позволяют установить зависимость эффективности разделения компонентов от конструкции тарелки. Аналогичным недостатком обладает выражение (4)
В ректификационных аппаратах на контактных устройствах можно принять режим полного перемешивания жидкости. Пар, поступающий с концентрацией У|_ барботируя через слой жидкости постоянного состава х| , уходит с концентрацией У| .
Эффективность по Мерфри 1-ой ступени для бинарной смеси запишется в виде [3,4].
п= 1_ ехр(_ К«/^), (5)
где кУ^ - коэффициент массопередачи (м3 /с), С|
- расход пара на 1-ой ступени (м / с).
Коэффициент массопередачи выражается через коэффициенты массоотдачи в паровой руу и
для заданного диаметра ®k < rak
жидкой фазах р
(i)
max
K(i) Kyv
1 mi
Pyv Pxv
(6)
где Ш; - коэффициент распределения для 1-ой ступени, который принимается в виде
Р* Р|
т, = ——L, 1 р М
Р*
. , - давление насыщенных паров низкокипя-щего компонента, определяемое по уравнению Ан-туана или Риделя-Планка-Миллера (мм.рт.ст.), р -давление на 1-ой ступени аппарата (мм.рт.ст.), р, -
плотность паров низкокипящего компонента, М -молярная масса.
Коэффициенты массоотдачи в паровой B
(i) yv
и жидкой фазах р XV на 1-ом контактном устройстве определяется на основе гидродинамической аналогии переноса импульса и массы, которое записывается в виде (индекс 1 опускается) [1]:
и*з[(ргюо/2 + Рж9^ст)во - Ргю 2/о|
(р зи°8 + э
(аД )s =■
arct
(Ky ад )"1 =(рАд)"1 + т(рАд))
(7)
Иф = 2,45d3
Рг юо
■Рг
0,35
U»s =
Рг
gda (р
(со2 -ю2)+ 2рждИф
, Res =■
urph
грИф 2v s
2Ps
К1ж = 11,6 ■
-■гр
C
Гж
'R1 =
11,6ю0
Cfs = 0,058 Re-0,2 , игр = ю0 - u^R1 2arctgR1r.
,1/2,
1/2
hCT = hn + Ah , Ah = 0.6671
{*-ф)-1 Г
где и*5 - динамическая скорость трения в пограничном слое на границе раздела фаз (8 = г - газовая фаза, 8 = ж - жидкая фаза); ю0, юк - скорость пара в отверстиях и сечении колонны; рг, рж - плотность газа и жидкости; во, вк - свободное сечение тарелки и колонны; Ист - высота столба жидкости на тарелке; R1s - число Рейнольдса для пограничного слоя; Scs - число Шмидта; ст - поверхностное натяжение; Rэ - эквивалентный радиус отверстия тарелки, Ист - высота столба жидкости на тарелке, Ип - высота перегородки, ДИ - подпор жидкости над сливной планкой, q = Ь/П - относительны объемный расход жидкости, ф - газосодержание, П - периметр сливной перегородки.
Теплофизические характеристики жидкой и паровой фаз р, V, й определяются по известными корреляциям в зависимости от состава, температуры и давления на тарелках колонны.
Как показано в [1] достаточно определить эффективность только в верхней и нижней секциях по средним параметрам и принять это значение постоянным для соответствующей секции. Задача (3) для верхней и нижней секций колонны примет вид: - ' --'_ в ,ьор(_в )
/ ' (8) 1вОр(_ н,с(_н)
max -q = — max=-(
при юomin < юо,rok < rakmax, где индексы в и н обозначают верхнюю и нижнюю секции.
Выражения (5 - 7) позволяют установить зависимость эффективности от конструктивных параметров контактного устройства и свойств разделяемых смесей.
Поиск решения задачи (8) осуществляется методом сканирования. Область, в которой производится поиск решения, показана на рис. 1.
hk
ю0п
ю0п
ю0
Рис. 1 - Схема поиска решения задачи модернизации клапанной тарелки методом сканирования
На рис. 1 ®0max определяется из выраже-
ния:
30max
rokmax
S
0
Рассмотрим задачу модернизации действующей установки разделения многокомпонентной смеси углеводородов (пропан, изобутан, бутан, изо-пентан, пентан, гексан) в ректификационной колонне со следующими характеристиками: диаметр колонны - 3.8 м; количество действительных тарелок - 71; тип тарелки: клапанная двухпоточная; относительное свободное сечение тарелки - 0.0646; количество клапанов - 580; номер тарелки питания - 36; расход питания Gf 60 ± 10% т/ч; состав смеси поступающей в колонну пропан (С3) 0.11 ± 0%, %масс, изобутан (1С4) 25.04 ± 5%, %масс, бутан (С4) 39.91 ± 5,5%, %масс, изопентан (1С5) 15.01 ± 5%, %масс, пентан (С5) 15.22 ± 4%, %масс, гексан (С6) 4.71 ± 0%, %масс.
В задачу модернизации контактных устройств в действующей установке входит определение конструктивных параметров контактных устройств, которые обеспечивают максимальное значение эффективности ступеней.
Справочная литература [5] для данного диаметра аппарата предлагает следующие варианты устанавливаемых тарелок - таблица 1, при этом вы-
1
h
н
2
и
U
* ж
«г
сота приемного и сливного порогов не регламентируется.
Таблица 1 - Технические характеристики клапанной двухпоточной тарелки диаметром 3800 мм
Шаг установки клапанов 50 мм
Относительное свободное сечение, % Число клапанов
12,8 1148
Шаг установки клапанов 75 мм
Относительное свободное сечение, % Число клапанов
8,65 776
Шаг установки клапанов 100 мм
Относительное свободное сечение, % Число клапанов
6,46 580
Согласно [1] принимаем исходную смесь как сумму двух ключевых компонентов: бутановая фракция (пропан-изобутан-бутан) - НК компонент -ключевой компонент бутан; пентановая фракция (изопентан-пентан-гексан) -ВК компонент - ключевой компонент изопентан.
В табл. 2 приведены оптимальные значения относительного свободного сечения, высоты планки, обеспечивающие максимальный кпд, при беспровальном режиме, в зависимости от изменения состава и расхода исходной смеси.
Таблица 2 - Выбор оптимальных конструктивных параметров контактного устройства
Состав много-ком. смеси, мол.д. Состав бин. смеси, мол.д. g0pt_ в S°pt-н, % h opUi х1п ' h^^ , мм max г|в max |н
Gf =54, т/ч
С3 0,0011 6,46 6,46 65 35 0,6632 0,4783
iC4 0,2504
C4 0,3991 0,6506
iC5 0,1501 0,3494
C5 0,1522
C6 0,0471
Gf =54, т/ч
С3 0,0011 6,46 6,46 85 55 0,6652 0,4913
iC4 0,2504
C4 0,3991 0,6506
iC5 0,1501 0,3494
C5 0,1522
C6 0,0471
Gf =60, т/ч
С3 0,0011 6,46 6,46 105 70 0,6626 0,486
iC4 0,2504
C4 0,3991 0,6506
iC5 0,1501 0,3494
C5 0,1522
C6 0,0471
Gf =66, т/ч
С3 0,0011 6,46 6,46 60 35 0,6615 0,49
iC4 0,2379
Состав много-ком. смеси, мол.д. Состав бин. смеси, мол.д. g0pt_ в S°pt-н, % h , мм max |в max |н
C4 0,3791 0,6181
iC5 0,1426 0,3819
C5 0,1922
C6 0,0471
Gf =60, т/ч
С3 0,0011 6,46 6,46 75 50 0,654 0,49
iC4 0,2379
C4 0,3791 0,6181
iC5 0,1426 0,3819
C5 0,1922
C6 0,0471
Gf =66, т/ч
С3 0,0011 6,46 6,46 100 65 0,6659 0,4875
iC4 0,2379
C4 0,3791 0,6181
iC5 0,1426 0,3819
C5 0,1922
C6 0,0471
В зависимости от нагрузки на колонну в пределах 10% по расходу и не более 5% от содержания легколетучих компонентов в питании, оптимальная высота планки, обеспечивающая наибольший кпд, тем больше, чем выше расход исходной смеси и больше концентрация легколетучих компонентов.
При значениях относительного свободного сечения больше, чем 6,46% условие беспровального режима работы контактного устройства не выполняется.
Для получения максимального КПД (при беспровальном режиме), для рассматриваемой колонны необходимо использовать высоту планки 105 мм в верхней части и 70 мм в нижней.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук, номер гранта МД-5663.2014.8.
Литература
1. В.И. Елизаров, Д.В. Елизаров, С.А. Мерзляков, С.Г. Дьяконов, Теор. основы хим. технол., 46, 5, 483-490 (2012)
2. Е.Н. Судаков, Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепеработки. Химия, Москва, 1979. 568 с.
3. С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, Д.В. Елизаров, С.А. Мерзляков, Вестник Казан. технол. ун-та, 3, 1, 57-63 (2009)
4. Д.В. Елизаров, В.И. Елизаров, С.А. Мерзляков, Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 12, 206-210 (2013)
5. А. А. Лащинский, А.Р. Толчинский, Основы конструирования и расчета химической аппартуры. Машиностроение, Ленинград, 1970, 752 с.
© Д. В. Елизаров - канд. техн. наук, доцент каф. автоматизации технологических процессов и производств НХТИ КНИТУ;
B. В. Елизаров - д-р. техн. наук, зав. каф. автоматизации технологических процессов и производств НХТИ КНИТУ;
C. А. Мерзляков - канд. техн. наук, доцент каф. автоматизации технологических процессов и производств НХТИ КНИТУ, sergew@inbox.ru.
© D. V. Elizarov - candidate of technical sciences, NCHTI KNRTU; V. V. Elizarov - doctor of technical sciences, NCHTI KNRTU; S. A. Merzlyakov - candidate of technical sciences, NCHTI KNRTU, e-mail: merzlyakovsa@nchti.ru.
