автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Гидродинамика и массопередача в роторно-пленочном аппарате с кольцевыми контактными элементами

РГ6 од

На правах рукописи

2 3 !;:0!| ¡Т7 •

МИХАЛЬЧУК ЕВГЕНИЙ МАКСИМОВИЧ

ГИДРОДИНАМИКА И МАССОПЕРЕДАЧА В РОТОРНО - ПЛЕНОЧНОМ АППАРАТЕ С КОЛЬЦЕВЫМИ КОНТАКТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

05.18.12- Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар 1997

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете

Научные руководители - кандидат технических наук,

доцент Нечаев Ю.Г. - кандидат технических наук., профессор Галоненко A.M. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Берлин М.А. - кандидат технических наук, профессор Мамин В.Н. Ведущая организация - АО СЕВКАВГОЩЕПРОШРОЕКТ

Защита состоится " 1997 года в

часов

на заседании диссертационного совета по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук при Кубанском государственном технологическом университете по адресу: г. Краснодар, ул. ауд- ¿МУфф^УХу0*'*-'

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

Автореферат разослан _1997года

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н._ доцент

Янова Л.И.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы исследования.' Роторно-пленочные аппараты (РПА) используются на предприятиях различных отраслей промышленности для разделения продуктов, обладающих низкой термической стойкостью. Их преимуществом является низкое гидравлическое сопротивление, малая задержка и время пребывания продукта в аппарате, высокая эффективность массообмена, стабильная работа при различных плотностях орошения, что позволяет применять РПА для дистилляции мисцеллы растительных масел, кориандрового и розового масла, синтетических жирных кислот, дэаэрации и дэзодорации масла, разделения близкокипящих и многокомпонентных смесей, а также тонкой очистки спиртов и мономеров.

Перспективными конструкциями РПА являются такие, в которых контактные ступени выполнены—в- виде горизонтально расположенных вокруг распределительного стакана концентрических колец. Для них характерны высокая эффективность разделения, высокая скорость газовой фазы при незначительном гидравлическом сопротивлении, возможность создания аппаратов большего диаметра. Однако, их внедрение в промышленность идет медленными темпами. Одной из причин этого, на наш взгляд, является отсутствие методики расчета гидравлического сопротивления аппарата, времени пребывания продукта, изменения эффективности массообмена по радиусу и высоте 'контактной ступени, что не позволяет определить - оптймаль-ные размеры колонны. Поэтому возникла задача провести "исследование гидродинамики и массообмена, разработать математическую модель массопередачи в РПА с кольцевыми кон-

тактными элементами для определения оптимальных параметров его работы, а также наметить пути совершенствования роторно-пленочной аппаратуры.

Работа проводилась в соответствии с координационным планом Минхимпрома СССР и Минудобрений для головного подразделения ГИАП по теме "Разработка и стендовая проверка роторных и пленочных контактных устройств" на 1976-1980 гг., "Разработка и исследование новых массо-обменных' устройств" на 1981-1985 гг. и 1985-1990 гг. и по хоздоговору с Усть-ЛаСинским ЭМЭК.

Целью работы являлось экспериментальное исследование гидродинамики контактных ступеней с различными геометрическими характеристиками для определения гидравлического сопротивления, средней толщины пленки жидкости и времени ее пребывания- в- аппарате; экспериментальное исследование процесса ректификации различных смесей на контактных ступенях с различными геометрическими характеристиками для определения эффективности массообмена; разработка математической модели массопередачи и на ее основе определение оптимальных геометрических размеров ступени; определение параметров работы установки для ректификации кориандрового масла; разработка новых конструкций РПА.

.Научная новизна работы заключается в том, что:

- на основе опытных данных определены гидравлическое сопротивление контактной ступени, средняя толщина пленки жидкости, время ее пребывания и получены уравнения для их расчета;

- определена эффективность массообмена на ступени в условиях ректификации различных смесей п получено урав-

»

нение для расчета числа единиц переноса в газовой фазе;

- предложена математическая модель массообмена на ступени РПА и на ее основе проведен анализ эффективности работы аппарата, позволяющий оптимизировать размеры ступени и нагрузки;

- определены параметры работы РПА в условиях ректификации под вакуумом кориандрового масла, позволяющие получить продукт высокого качества;

- новизна разработанных конструкций PEA подтверждена семью авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведенных исследований используются при расчете и проектировании роторно-пленочных аппаратов с кольцевыми контактными элементами, а также установок, состоящих из нескольких колоннт"^азработаны семь новых конструкций РПА, обеспечивающих эффективную работу и позволяющие проектировать аппараты для разделения различных смесей. Для осуществления ректификации термически нестойких продуктов по предложенной методике были рассчитаны и спроектированы аппараты новой конструкции диаметром 0,2 и 1,4 м. Первый предназначен для ректифи-.кации кориандрового масла на Усть-Лабинском ЭМЭК, второй для производства капролактама на стадии его ректификации на кемеровском ПО "АЗОТ". Аппарат прошел производственные испытания и работает на линии .очистки капролактама, экономический эффект составил. .340 тысяч рублей в ценах 1986 года.

Результаты исследований ректификации под вакуумом кориандрового масла использованы при проектировании и работе 3-х колонной установки Усть-Лабинского ЭМЭК.

Апробация' работы и публикации. Результаты диссертационной работы доложены на Всесоюзных совещаниях ■"Абсорбция газов" в г. Черкассы в 1983 г., "Повышение эффективности и надежности машин в основной химии" в г. Сумы в 1986 г., "Работы в области массообменных процессов" в г. Северодонецке в 1989 г. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ и получено 1 авторских свидетельств на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения общим объемом 14(6 страниц, 55 рисунков, 21 таблицы, списка литературы из 124 наименований и. 3 приложений.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована ) актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные положения, выносимые на защиту. .

Глава 1. Анализ исследований роторно-пленочных аппаратов и пути повышения эффективности их работы.

Глава посвящена обзору литературы по теме диссертационной работы. Показана область применения роторных аппаратов, рассмотрены различные конструкции, гидродинамика и массообмен на их контактных элементах. Анализ результатов исследований показал, что разделение смесей значительно усложняемся, когда речь идет о прсдук-

тах с низкой термостойкостью, так как это требует применение аппаратуры с низкими гидравлическим сопротивлением и временем пребывания фаз в зоне контакта и достаточной эффективностью и производительностью. При этом повышение производительности аппаратуры за счет увеличения пропускной способности по пару и жидкости или увеличение диаметра аппарата приводит к значительному снижению эффективности. Наиболее перспективной для широкого применения ее в различных отраслях промышленности является конструкция роторно-пленочного аппарата со ступенями из кольцевых контактных элементов, разработанная в ГИАПе. Особенностью этого аппарата является сочетание, принципа тонкослойного распределения потоков с осуществлением взаимодействия фаз в режиме перекрестного тока в пределах одной^ступени. Массообменная ступень такого аппарата состоит из концентрических, расположенных в одной плоскости с распределительным стаканом отбортованных цилиндров (колец) с отверстиями на границе с•отбортовкой для перетока жидкости с одного цилиндра на другой. Отверстия располагаются на цилиндрах поочередно сверху и снизу, что дает возможность всю геометрическую поверхность покрыть тонкой пленкой жидкости. Жидкость из центрального распределительного стакана движется от центра к периферии, газ поступает снизу "и проходит через зазоры между цилиндрами, контактируя с жидкостью. »

Внедрение такого аппарата для ректификации капро-лактама позволило существенно увеличить производительность и повысить качество выпускаемого продукта. Однако

ряд вопросов расчетного определения гидравлических па. - ' <

раметров взаимодействующих потоков, а также массопере-

дачи не были решены, кроме того для проектирования аппаратов различных диаметров необходимо изучить изменение эффективности массообмена по радиусу и•высоте контактной ступени. Описаньая конструкция принята за базовую и выбрана в качестве объекта исследования.

Глава 2. Исследование гидродинамики РПА с кольцевыми контактными элементами.

На холодном стенде на системе вода-воздух были проведены опыты по изучению влияния высоты кольцевых контактных элементов, зазора между кольцами, частоты вращения ротора на гидравлическое сопротивление ступени, толщину пленки и время пребывания жидкости в аппарате для получения данных, которые представляют теоретический и практический интерес, так как процесс массообмена на контактной ступени непосредственно связан с гидродинамикой.

В результате обработки опытных данных была получена зависимость для расчета ДР0 'Неподвижной ступени

е» = 2171Ле;*ц^^ . . (1)

Для вращающейся неорошаемой ступени ДРвр получено

уравнение др Ч>0Д5

др0 \ ;

(2)

Влияние орошения на АР учитывали отношением Ь*/Су, в результате чего было получено уравнение для расчета АР вращающейся орошаемой ступени

Учитывая,' что в РИА основное гидравлическое сопротивление создают контактные ступени, а сопротивление пространства между ними из-за незначительной высоты очень мало, то его влиянием можно пренебречь. Тогда, предполагая аддитивность составляющих коэффициент сопротивления,. можно записать:

ЦгАи+Ьр+§вр'

где - соответственно коэффициенты

гидравлического сопротивления неподвижной неорошаемой ступени, вращающейся и за счет орошения вращающейся.

В результате проведенной обработки опытных данных получены уравнения "для расчета составляющих общий коэффициент сопротивления .

в-^Г- . ... . <>•

V^Re^Re^V (6)

где R«=(nD2cp)/ (vy) -механическое числа Рейнольдса

-°'9-Rex0'7 , , (7)

где Rex=4L/2nrcpVx - число Рейнольдса для жидкой фазы. . _

Доля сопротивления неподвижной ступени в общем коэффициенте сопротивления составляет от 30-40%, от эффекта вращения 40-50%, от эффекта орошения 15-20 %.

• Для определения осредненной толщины пленки, жидкости на кольцах ступени были проведены опыты" "по определению задержки жидкости- на ступенях различных геометрических характеристик при различных частотах вращения ротора. Основными величинами, влияющими на толщину пленки явля-

ются расход жидкости Ь* и частота вращения ротора и.

Учитывая имеющиеся рекомендации по расчету толщины пленки, нами известная формула была преобразована для ступени с кольцевыми контактными элементами. Вследствие того, что даже при небольшой частоте вращения ступени центробежная. сила значительно превышает силу тяжести,

2 ___

целесообразно заменить д на ю г и отнести расход жидко-

сти к периметру перелива в результате чего получим:

После обработки опытных данных получим: 5, - 1.7^

Сравнение расчетных и опытных значений толщины пленки жидкости подтвердило"корректность формулы (9).

При помощи скоростной киносъемки определяли время пребывания жидкости на контактной ступени. Установлено, что с увеличением расхода жидкости и частоты вращения ротора тх заметно уменьшается. В результате обработки опытных данных получено уравнение для расчета времени пребывания жидкости на контактной ступени

т, = 15Д|Ц^ , (10)

где 3=п(Ь+Д) - длина I пути движения жидкости; п - число колец ступени.

Глава 3. Исследование массообмена в роторно-пленочном аппарате.

С целью определения ,эффективности массообмена на контактных ступенях с различными геометрическими харак-

теристиками было проведено исследование процесса ректификации трех бинарных смесей на полупромыщленной установке. Чтобы, сохранить гидродинамические условия .процессов в колонне устанавливались контактные ступени, те же, что и на холодном стенде.

Эффективность массообмена оценивали посредством КПД ступени по Мерфи и через число единиц переноса в газовой фазе.

Для определения числа единиц переноса в газовой фазе был использован принцип аддитивности диффузионных сопротивлений в фазах

i i 1 oG

— = —+ —-Р, (11)

Шоу ^y m« L«

ftA0178

где mx = 0.42-R^as5-Sca5l — i - число единиц переноса в жидкой фазе.

При проведении опытов количество _яаров, проходящих через колонну, определяли по количеству дистиллята.

Опыты показали, что при увеличении скорости пара в колонне от 0,6 до 1,4 м/с при полном возврате флегмы в колонну Пу Для всех частот вращения ротора монотонно уменьшается, что объясняется, по-видимому, увеличением толщины пленки жидкости на кольцевых элементах ступени. При увеличении величины зазора А от 0,005 до 0,015 м % снижается с 0,6. до 0,4 для U - 5,6 м/с, т.е. на 30%, хотя поверхность контактной ступени при этом уменьшается в 3 раза. Но влияние высоты ступени h-.на т]у при раз-, личных нагрузках сказывается значительно"-меньше, чем влияние зазора, что объясняется более лучшим обновлением поверхности контакта фаз при перетоке.-диспергированной жидкости с цилиндра на. цилиндр .

Увеличение высоты ступени Ь, от 0,02 до 0,068 м не вызывает значительного увеличения % . Можно было бы предположить, что эффективность массообмена должна увеличиваться пропорционально поверхности ступени, т.е. при одинаковых рабочих режимах, но разных геометрических размерах ступени, образующих, однако, равные поверхности контакта, значения Л/ должны совпадать. Но опытные данные показывают, что влияние высоты ступени на % при различных нагрузках сказывается значительно меньше, чем влияние зазора, что объясняется более лучшим обновлением поверхности контакта при перетоке диспергированной жидкости с цилиндра на цилиндр.

Наиболее высокие значения % при одних и тех же режимах работы относятся к системе ацетон-четыреххлористый углерод, наименьшие к системе этанол-вода, система ацетон-толуол занимает промежуточное положение . Это объясняется по видимому тем, что наивысшей вязкостью и величиной поверхностного натяжения обладает система этанол-вода, что ухудшает перемешивание текущей пленки жидкости и приводит к снижению вффективности массообмена.

Частота вращения ротора оказывает положительное влияние на эффективность массообмена только при и<7 м/с, что объясняется по-видимому, недостаточно полным распределением пленки жидкости по поверхности первых колец. При увеличении частоты вращения ротора и> 7 м/с происходит полное смачивание колец и дальнейшее увеличение частоты вращения ротора не приводиткповышению так как возрастание скорости движеги::: *и.пкости приводит

к уменьшению времени пребывания ее в зоне контакта с паром.

По экспериментальным данным на основе принципа аддитивности диффузных сопротивлений по формуле (11) было рассчитано число единиц переноса в газовой фазе для каждого опыта. В результате обработки опытных данных было получено уравнение

шу = 4б,55Ке;°'"Зе°'33(^)'2. (12)

Уравнение описывает опытные данные с точностью ±15%.

Глава 4. Математическое описание массообмена в РПА.

Принимаем, что по поверхности контактной ступени жидкость движется в виде тонкой пленки, а между кольцами жидкость в диспергированном виде движется в радиальном направлении. Газ движется снизу вверх. Эффективность массообмена в основном определяется условиями взаимодействия фаз в зазоре между кольцами.

Рассмотрим плоскую задачу распределения концентраций по радиусу контактного устройства и его высоте при перекрестном токе фаз с учетом идеального вытеснения жидкости по радиусу и газа по высоте контактного устройства. Примем, что в пределах контактной ступени равновесная зависимость имеет линейный характер. Материальный баланс рассмотрим отдельно по фазам.

Примем Следующие обозначения: КХ,КУ - частные коэффициенты ыассоотдачи, выраженные соответственно через концентрации . компонентов в жидкой .и паровЬй фазах, м/с-моль/моль; Р — поверхность контакта фаз на контактной ступени, м2 ; г - текущий радиус контактной ступени, м; Ио и Я - радиус переливного стакана и контактной

ступени, и; Z - текущая координата по высоте контактно-

го устройства, м.

I

а

Рис. 1. Схема потоков газа и жидкости на ступени (13) (14)

I*(15) л V Ои = УуРу (16)

Ос

02,= КуРСу *-у)сЬ (17)

(18)

Тогда для элементарного объема в соответствии со схемой потоков можно определить количество входящего и выходящего компонента для жидкой фазы:

I* - Ъх^г +1,1Г (19)

Массообменом вдоль оси Ъ пренебрегаем, так как вследствие малой высоты ступени по координате Ъ концентрация в потоке изменяется незначительно.

Подставив значения Ьг, Ьг+а,, Ь1г в уравнение (19) окончательно получим уравнение, описывающее распределение концентраций в жидкой фазе

1 дх. К,

Знание распределения концентраций в жидкой фазе позволяет оценить эффективность массообмена в жидкой фазе посредством КПД по Мерфи.

Уравнение материального баланса для паровой фазы имеет вид " СНх + ви - (Ьх . ' (21)

Подставив в уравнение (21) значения (Зах, (Згх и (ч„ окончательно получим уравнение, описывающее распределение концентраций в паровой фазе

$-^Чу'-У)=0 . (22)

дг V,

Уравнения (20) и (22) связаны между собой равновесными соотношениями, которые могут быть аппроксимированы уравнениями прямой

у* - тх -I- Ь; у «■ тх' + Ь. (23)

Присоединим к системе уравнений (20) и (22) краевые условия при

г = 1*0, X - Хо _ (24)

г = Я, ^=0 (25)

йг

г - 0, у - Уо (26)

2 К

Введем комплексы £ = - ,А = —. Из уравнений (20) и

п ц.

(22) с учетом (23) получим А2

)=0 (27)

га V г та/

Л ^-«в,(тх+Ь-у)=0 (28)

Для решения системы (27) - (28) с краевые условиями (24)-(2б) целесообразно воспользоваться"мётодом преобразований ХанкеЛя. Опуская промежуточные преобразования в итоге получим уравнение для расчета -КПД по жидкой фазе контактной ступени

и уравнение для расчета КПД контактной ступени по паровой фазе

У~Уо___1^1 "а VMi*/ "1 __(30)

i-^Eri—.г* „ 4I«P(-40

jjf W„ll?

где l=R0/R;X = -^-;g = ;^=PnR;

ту ^

J - функция Бесселя"1-го рода;

,Y - функция Бесселя 2-го рода;

Р - параметр преобразования.

Адекватность математической модели ректификации реальному процессу была подтверждена, опытами в условиях ректификации смеси ацетон - четыреххлористый углерод. Так как отбор проб по радиусу контактной ступени выполнить технически сложно, сравнение расчетных и опытных данных проводим при.условии г = R. По уравнению (30) была рассчитана локальнай эффективность массообмена для ступени диаметром 0,2 ы,. высотой 0,05 м и А = 0,005 м для частоты вращения ротора от 13,3 до 23,3 .с"1, при R/r = 1, f=l, фактор массообмена Я,=1-2 для различных значений шу. Расчетные данные сопоставлены с экспериментальными, опытные точки хорошо располагаются около расчетных кривых, что подтверждает адекватность принятой модели реальному процессу. Решение уравнений (29) и (30), описывающих эффективность ыгссопбмена в жидкой и паровой фазах реализовано' на вычислительной машине Ис-

следование математической модели позволяет провести оптимизацию параметров, так как имеется возможность варьировать в широких пределах массообменный фактор А, число единиц переноса ту, текущую координату по высоте контактной ступени Z и радиусу контактной ступени R.

Учитывая реальные возможности создания роторных аппаратов с кольцевыми контактными элементами, максимальный диаметр ступени принимали равным 2м, " высоту ступени 0,15м, диаметр распределительного стакана 0,4 м.

Для анализа процесса ректификации в РПА с кольцевыми ступенями с горизонтальным щелевым переливом по формулам (29) и (30) были рассчитаны для укрепляющей части колонны, когда диффузионное сопротивление массообмену сосредоточено в паровой фазе, значения % и для исчерпывающей части колонны, когда диффузионное сопротивление массообмену сосредоточено в жидкой ^>аз«П~ значения п*-

Исследовали изменение % по высоте ступени h и по радиусу ступени г.

. Изменение % по радиусу контактной ступени для различных геометрических размеров показано на рис.2. Из графика следует, что наибольшее'изменение значений % отмечено на ступенях малого диаметра. Кроме того, из графика следует, что для ту =» const предельные значения % независимо от диаметра ступени постоянны. В то же время следует отметить, что по радиусу ступени эффективность массробмена для всех диаметров ступеней снижается, что объясняется уменьшением движущей силы массо-обмена по радиусу ступени.

%

О,С

0,1 &

о ох W ofi № г*

Рис. 2. ^-Зависимость i] у= f (г) Установлена зависимость . ijy от высоты контактной ступени..На рис. 3. показано изменение % по высоте контактной ступени. Из графика "видно, что по высоте контактной ступени увеличивается незначительно.

К

К ¥ «Л

0 0,г ty 0t€ O.t Z/h

Рис. 3 -Зависимость % = f(Z/h)

Rt=o/6»

г

ту-ОЛ з _

-

Глава 5. разработка новых конструкций роторно-пленочных аппаратов.

Практические- выводы из- результатов исследования гидродинамики и массообмена на ступени РПА из концентрических отбортованных цилиндров могут быть использованы при разработке новых, более эффективных конструкций массообменных колонн и сводятся к следующему:

- Обеспечение рационального вывода жидкости при ее перетоке с цилиндра на цилиндр' для уменьшения брызго-/носа.

- Наложение на газовую (паровую) фазу вращательного цвижения приводит к незначительной интенсификации массообмена в этой фазе. Это приобретает особое значение цля процессов ректификации, когда основное диффузионное сопротивление сосредоточено в паровой фазе. Поэтому при зазработке новых конструкций РПА необходимо обеспечить 1нтенсификацию массообмена именно в паровой фазе.

- Учитывая, что Пу незначительно увеличивается с

увеличением высоты рабочей части ступени, следует стре-шться к созданию многоступенчатых аппаратов, состоящих 13 коротких ступеней, последовательно установленных в голонне. -

- Принимая во внимание, что концентрация компонента I жидкой пленке по радиусу ступени значительно изменятся, для сохранения достаточной движущей силы массооб-юна следует обеспечить между ступенями" йГгЬлуое перемешивание паровой фазы по радиусу РПА.

Эти основные требования нашли практическое осущест-ление в ряде конструкций РИА, описываемых" ниже.

В роторно-пленочном аппарате со ступенями из' отбортованных цилиндров с тангенциальным выводом жидкости за счет каплевидных вмятин с отверстиями для перетока жидкости с цилиндра на цилиндр исключается брызгоунос, что позволяет увеличить пропускную способность его по жидкой фазе при сохранении эффективности массообмена.

В роторном аппарате с сетчатой насадкой в пространстве между отбортованными цилиндрами созданы условия для устранения проскока газа без контакта с жидкостью, что увеличивает КПД ступени.

В роторно-пленочном аппарате с кольцевыми перегородками между отбортованными цилиндрами пар изменяет свое направление и движется противоточно по отношению.к жидкости, контактируя с ней. При этом увеличивается движущая сила массообмена "и время контакта фаз, что увеличивает эффективность массообмена.

Для устранения неравномерности нагрузки по жидкой фазе на кольцевые элементы ступени предложена роторная колонна с подачей жидкости по радиусу ступени, что позволяет увеличить производительность аппарата, так как в каждую часть ступени .подается максимально возможное для нее количество жидкости.

В роторно-пленочных аппаратах с гурбулизацией газовой фазы за счет наложения ' пульсаций определенной частоты на газовый поток за счет установки вибрирующих пластин или вращающихся лопастей и неподвижных дисков с прорезями происходит увеличение эффективности массообмена.

В тепломассообменной колонне отбортованные цилиндры имеют горизонтальные прорези, располагаемые на некотором расстоянии друг от друга по высоте цилиндров бла-

содаря чему создается несколько уровней контакта фаз по зысоте ступени в зазорах между цилиндрами, исключается 1роскок газа рез контакта с жидкостью, что. увеличивает эффективность массообмена.

Глава 6. Установка для непрерывной вакуумной ректификации эфирного кориандрового масла.

Преимуществом непрерывной ректификации является то, 1то время пребывания разделяемой смеси в аппарате мень-ае, чем при периодической ректификации. Это весьма благоприятно для душистых веществ и эфирных масел, обычно гувствительных к длительному термическому воздействию. )т того,. как проводится вакуум-ректификация зависит вы-сод и качество фракций, а наилучшим способом разгонки сориандровогр масла на парфюмерные фракции является ва-:уум-ректификация омыленного масла. Эфирное кориандро-юе масло представляет собой сложную смесь органических ¡еществ, среди•которых линалоол является одним из сред-1екипящих компонентов, поэтому для получения фракций с удержанием линалоола 90% и выше требуются установки, гостоящие из нескольких колонн. Для определения режимов >аботы установки были проведены опыты по вакуум->ектификации эфирного кориандрового масла на роторно-[леночной лабораторной колонне. , .

Для пдрведения опытов по вакуум-ректификации эфир-юго кориандрового масла использовалась установка, со-:тоящая из ректификационной колонны. диаметром. 60 мм, с ютором высотой 1,0 м, со ступенями из кольцевых кон-актных элементов.

В результате проведенной серии опытов для получения предварительных данных о влиянии на работу колонны давления и температуры пара в верхней части, скорости подачи кориандрового масла, места ввода его в колонну и флегмового числа было установлено, что при однократной ректификации получение дистиллята с содержанием углеводородной фракции свыше 75 % от исходного количества невозможно, так как значительно увеличиваются потери линалоола. Изменение флегмового числа от 2 до 10, давления в верхней части колонны от 10 до 60 мм. рт. ст. и места ввода питания не привело к увеличению содержания углеводородов'в дистилляте. Дальнейшие опыты с кубовыми остатками первой и второй разгонок при давлении от 30 до 20 мм рт. ст. позволили сделать вывод о возможности получения дистиллята с содержанием линалоола 90% и выше. .

При проведении однократной ректификации при флегмо-вом числе Н=5, подаче питания в среднюю часть колонны и давлении 50 мм рг ст был получен дистиллят с содержанием углеводородной фракции ' 72,6 % от исходного количества в кориандровом''; масле, при этом выход линалоола составил менее 1 %.

Кубовый остаток первой разгонки был направлен на второе разделение при флегмовом числе И=8 и давлении в верхней части колонны 30 мм.рт.ст. Подача питания осуществлялась в среднюю часть колонны. После двукратной ректификации с дистиллятом было отобрано 26 % углеводородов, а потери линалоола составили 1,3 %.

Кубовый остаток второй разгонки был направлен на третье разделение при флегмовом Я=3 и давлении в

верхней части колонны 20* мм.рт.ст. В результате трех-

кратной ректификации получен 97 % линалоол с содержанием камфоры 2,19 % и углеводородов 0,75 %. Выход лина-лоола с дистиллятом составил 40 %, при этом достигнуто практически .полное отделение линалоола от гераниола и других вышекипящих веществ, уходящих с. кубовым остатком. Кубовый остаток с содержанием 82 % линалоола с почти полным отсутствием углеводородной фракции может быть разделен ректификацией под вакуумом в присутствии водяного" пара, что даст возможность отделить линалоол, камфору и частично барнеол от более высококипящего гераниола.

Полученные результаты использованы при проектировании промышленной установки для Усть-Лабинского ЭМЭК.

Выводы.

1. Получены уравнения для расчет а. „гидравлического "сопротивления ступени, осредненной толщины пленки жидкости и её времени пребывания.

2. Получено уравнение для расчета числа единиц переноса в газовой фазе.

3. Выявлены факторы, влияющие на работу контактных ступеней и даны рекомендации по' повышению эффективности массообмена в РПА.

4. Обоснован механизм и разработано математическое описание массообмена в РПА. Подтверждена адекватность математической модели реальному процессу-

5. Разработаны семь новых конструкций* РПА, обеспечивающих эффективную работу. ' .

6. Проведено исследование процесса . ректификации под вакуумом в РПА кориандрового масла, установлены

параметры работы установки, позволяющие получить продукт высокого качества. . "

7. Методика расчета РПА апробирована при проектировании аппаратов диаметром 0,2 и 1,4 м с контактными ступенями ид отбортованных колец с организованным переливом жидкости. Ректификатор диаметром 1,4 м установлен на линии очистки капролактама Кемеровского П0"А30Т", подтвержденный годовой экономический эффект составил 340 тысяч рублей в ценах 1986 г. Роторный аппарат диаметром 0,2 м спроектирован для ректификации кориандрового масла.

Основные условные обозначения

х - концентрация компонента в жидкой фазе, % (мольная доля); у - концентрация компонента в паровой фазе, % (мольная доля); Э'- коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; Б- диаметр ступени, м; 0^=2/30 - осредненный диаметр ступени, м; сЗ - диаметр распределительного стакана, м; А - величина зазора между цилиндрами, м;

- высота контактной ступени, м; дР -гидравлическое сопротивление ступени; £ -коэффициент сопротивления; Иу - скорость газа (пара), м/с; VIх - скорость жидкости, м/с; Ьх - расход жидкости, м3/с; Су - расход пара, кг/с; 8Х - толщина слоя жидкости на ступени, м; тх - время пребывания жидкости на ступени, с; п - частота вращения ротора, сек"1; и' - окружная скорость вращения ротора, м/с; ю - угловая частота вращения ротора, с-1; тоу- общее число единиц переноса; ту - число единиц переноса в газовой фазе; т - константа фазового равновесия;- V -

кинематическая вязкость среды» mVc; р - плотность среды, кг/м3; т]у - коэффициент полезного действия ступени, рассчитанный по газовой фазе; R - флегмовое число;

4L, .'••'*- Htf,

Rex=—-3- - число Рейнольдса для жидкои фазы; Кеу=-^— -Vй. "«

число Рейнольдса для паровой фазы; Sc = v/D' - число

Шмидта;

Список публикаций

1. Ручинский В.Р. Исследование работы контактной ступени с кольцевым переливом// Азотная промышленность/ Нечаев Ю. Г., Михальчук Е. М. и др.-М., 1979.- Вып.З.-С. 25-29.

2. A.c. 768410 CCCt," МКИ3- B01D 3/30. Роторный массооб-менный аппарат/ В.Р. Ручинский, S.A. Гурков, Ю.Г. Нечаев, В.К. Чубуков, JI.С. Блох, Е.В. Бушуев, Е.М. Ми.. хальчук, В.П. Гаврилин, H.H." Саркисян, Ю.А. Басков

(СССР).-№ 2676217/23-26; . Заявлено 23.10.78; Опубл. 07.10.80, Бюл. »37.- Зс.

3. A.c. 82 9125 СССР, МКИ3 ВОЮ 3/30. Роторная массооб-менная колонна/ -Ю.Г. Нечаев, Е.М. Михальчук, В.Р. Ручинский, Ю.А. Басков (СССР).2813524/23-26; Заявлено 31.08.79; Опубл. 15.05.81, Бюл. №18.- Зс.

4. Нечаев Ю.Г., Малашихин К.В., Михальчук Е.М. Математическая модель .массопередачи на контактных ступенях

» ,

роторно-плекочных аппаратов// Журнал прикладной химии.-1981.- Т. LIV.- С. 97-101. •

5. A.c. 899055 СССР, МКИ3 ВОЮ 3/30. Роторная массооб-менная колонна/ Ю.Г. Нечаев, Е.М. Михальчук, Г.П. Еси-

пов (СССР).-№ 2930926/23-26; Заявлено 26.05.80, ,-Опубл. 23.01.82, Бюл. №3.- 2с.

6. A.c. 927260 СССР, МКИ3 ВОЮ 3/30. Роторная массооб-менная колонна/ Ю.Г. Нечаев, Е.М. Михальчук, В.Р. Ручинский, Ф.Г. Кокоулин, Ю.А. Басков, В.И. Вальс, Л.С. Блох М.А. Бутов(СССР).2970633/23-26; Заявлено 23.07.80; Опубл. 15.05.80, Вюл. №18.- Зс..

3. Нечаев Ю.Г., Ручинский В.Р., Михальчук Е.М. К вопросу гидродинамики роторных пленочных массообменных устройств// Тез. Докл. 2-го Всесоюзного совещания «Абсорбция газов», 15 мая 1983. г.- Черкассы, 1983,-С. 36-37..

8. Ручинский В.Р., Биркалова Г.И., Саркисян Ü.M., Михальчук Е.М., Нечаев Ю.Г. Исследование массопередачи на контактных ступенях из коаксиально отбортованных цилиндров роторно-пленочной колонны//.Теоретические основы химической технологии.- 1983,- Т.XVII.- С. 830-832.

9. A.c. 1095920 СССР, МКИ3 B01D 3/30. Роторная массо-обменная колонна/ Ю.Г. Нечаев, Е.М. Михальчук, Ю.Г. Назарова, Е.А. Шкуропат (СССР).-№ 3598094/23-26; Заявлено 27.05.83; Опубл. 07.06.84, Бюл. №21.- Зс.

10. Нечаев Ю.Г., Михальчук Е.М. Об эффективности мас-сообмена в паровой фазе на контактных ступенях роторно-пленочных аппаратов// Тез. Докл. Всесоюзного совещания «Повышение эффективности и надежности машин в основной химии», 11 апр. 1986 г; Сумы, 1986.- С. 176-177. .

11. A.c. 1212450 СССР, МКИ3 ВОЮ 3/30. Тепломассооб-менная колонна/Ю.Г. Нечаев, Е.М. Михальчук, В.Р. Ручинский, Ю.А. Басков (СССР).-№ 3738288/23-26; Заявлено 08.05.84; Опубл. 23.02.86, Бюл. 11*7.- Зс.

12. Нечаев Ю.Г., Михальчук Е.М., Овсюков A.B., Тепломассо-обменные колонны // Химическое и нефтяное машиностроение. -1988.- №11.- С. 49.

13. Гидродинамика роторного пленочного аппарата с кольцевыми контактными элементами./Нечаев Ю.Г., Михальчук Е.М.//Процессы и аппараты пищевых производств, их интенсификация и управление: Межвузовский сб. науч. трудов.-Л.,1989.-С. 80-82.

14. A.c. 1606137 СССР, МКИ3 ВОЮ 3/30. Роторная массо-обменная колонна/ Ю.Г. Нечаев, Е.М. Михальчук, A.B. Овсюков, Т.О. Щербакова(СССР).-№ 4 644798/23-26; Заявлено 01.12.88; Опубл. 15.07.90, Бюл. №42.- Зс.

15. Нечаев Ю.Г., Михальчук Е.М. Исследование гидродинамики роторного пленочного аппарата с кольцевыми контактными ступенями// Библиогр. указатель "Депонированные рукописи" (ВИНИТИ)/Краснодар. Политех, ин-т.- Краснодар, 1990.-Зс.-Деп. в АгроНИИТЭИПП 02.04.90, № 2232.

16. Нечаев Ю.Г., Михальчук Е.М. Исследование массообмена в роторно-пленочном аппарате с кольцевыми контактными ступенями// Библигр. указатель "Депонированные Рукописи"/ (ВИНИТИ)Краснодар.Политех.ин-т.Краснодар,1990.-3 е.- Деп. в

АгроНИИТЭИПП 02.04.90, № 2233.

17. Нечаев Ю.Г., Гапоненко A.M., Михальчук Е.М., Об оптимизации параметров роторно-пленочных аппаратов// Библиогр. указатель "Депонированные рукописи"/(ВИНИТИ)/ Куб. гос. технолог, ун-т.- Краснодар, 1996.-8 с.-Деп. в АгроНИИТЭИПП 12.07.96, № 2589-тц96.

18. Нечаев Ю.Г., Гапоненко A.M., Михальчук Е.М. К вопросу проектирования промышленных роторно-пленочных аппаратов с кольцевыми контактными элементами//Библиогр. указатель "Депонированные рукописи" (ВИНИТИ) / Куб.- гос. технолог, ун-т.- Краснодар, 1996.-5 е.- Деп. в АгроНИИТЭИПП 12.07.96, № 2588-пщ9б.