автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Массообмен в жидкой фазе на тарелках ректификационных колонн

ст.

О".

5 Ангарский государственный технологический институт

-з-СХ/

На правах рукописи УДК 66.021.33 + 66.048.3

ФЕРЕФЕРОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

МАССООБМЕН В ЖИДКОЙ ФАЗЕ НА ТАРЕЛКАХ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

(05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ангарск 1997 г.

Работа выполнена в лаборатории тепло- и массообмена кафедры технологии топлива Ангарского технологического института

Научные руководители - доктор технических наук, профессор Б. А. Ульянов и кандидат технических наук, доцент Б. И. Щелкунов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор В. И. Косинцев; кандидат технических наук, доцент Н. Д. Губанов.

Ведущее предприятие - Усольское АО ХИМПРОМ

Защита состоится . 1997 г на за-

седании диссертационного совета К 064.51.01 при Ангарском государственном технологическом институте по адресу: 665835 Ангарск, ул. Чайковского 60, в ауд. 23 в / Ч час.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Реферат разослан.

4 0 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидата технических наук, доцент

А. А. Асламов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ректификация является одним из наиболее распространенных методов разделения смесей. Несмотря на то, что исследованию ее посвящено большое количество работ, имеется ряд нерешенных вопросов, касающихся статики и кинетики процесса. В частности, недостаточно изученными являются процессы взаимодействия пара и жидкости на контактных тарелках и связанная с ними скорость переноса вещества из одной фазы в другую. В связи с этим нужно отметить одно важное обстоятельство. С одной стороны накоплен большой экспериментальный материал по кинетике массопередачи на тарелках ректификационных колонн и предложен ряд уравнений, позволяющих рассчитать эффективность тарелок различной конструкции. В тоже время сопоставление результатов расчета кинетических параметров по разным уравнениям дает очень большие расхождения. По-видимому, полученные разными авторами уравнения оказываются справедливыми для частных условий массообмена и для определенной группы смесей, а в других случаях могут приводить к большим погрешностям в расчетах.

Реальным путем повышения точности корреляций является более глубокое проникновение в механизм происходящих процессов и учет важных дополнительных факторов, определяющих эффективность их протекания. В частности, сведения о величине межфазной поверхности и о средних размерах пузырьков пара в двухфазном слое содержат в себе ценную информацию о процессе массообмена и могут способствовать уточнению кинетических зависимостей. К сожалению, вопросы массообмена в тарельчатых ректификационных'колоннах с учетом действительной поверхности контакта фаз обсуждались недостаточно, а примеры использования такого подхода к расчету промышленных ректификационных колонн практическй отсутствуют.

Вопрос о поверхности контакта фаз в тарельчатых аппаратах связан не только с ее величиной, но и с ее состоянием. Известно, что при ректификации потоки пара и жидкости находятся на линиях насыщения и отличаются большой неустойчивостью. Уже небольшие эффекты, обусловленные перегревом слоев, могут приводить к их разрушению, сопровож-

дающемуся изменением скорости перехода вещества через границу раздела. Вопросы состояния поверхности раздела фаз являются исключительно важными для понимания процессов массопередачи между паром и жидкостью и их адекватного описания. Однако эти вопросы изучены пока крайне недостаточно.

Учитывая громадные масштабы производства, большую металлоемкость аппаратуры, высокие удельные затраты энергии, изучение кинетики массопередачи и разработку точного и надежного математического описания процессов массообмена между паром и жидкостью следует считать вполне актуальной задачей.

Цель работы состояла в исследовании кинетики процесса ректификации бинарных смесей с учетом межфазной поверхности на ситчатых и провальных тарелках; изучении и учете влияния тепловых эффектов на скорость массообмена в жидкой фазе; использование полученных зависимостей при расчетах тарельчатых ректификационных колонн, представляющих интерес для промышленных предприятий.

Научная новизна. На основе исследования ректификации ряда бинарных смесей установлена зависимость эффективности тарелок от определяющей разности температур взаимодействующих фаз и предложен критерий, учитывающий эти эффекты; определены коэффициенты массо-отдачи в жидкой фазе и установлена зависимость их от определяющих факторов; предложена критериальная зависимость для расчета коэффициентов массообмена в жидкой фазе, отнесенных к действительной поверхности контакта фаз.

Получены новые данные по равновесию между паром и жидкостью для смесей, образованных хлорпроизводными этилена и этана.

Практическая ценность. Полученные в работе зависимости для расчета коэффициентов массоотдачи могут быть использованы при проектировании тарельчатых ректификационных аппаратов.

Результаты работы использованы при расчете и проектировании установки ректификации трихлорэтилена в Усольском АО Химпром. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 5270 млн. рублей в год.

Материалы исследования вошли в учебное пособие "Гидравлика контактных тарелок" (издательство Иркутского государственного университета, 1ЭЭ7 г.), которое рекомендовано Министерством общего и специального образования для студентов химико-технологических специальностей вузов.

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 8 статьях. Они были доложены на Международной конференции " Экология Сибири" Иркутск (1993 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Теория и практика массообменных процессов химической технологии" г. Уфа (1996 г.); на конференциях Ангарского технологического института "Современные технологии и научно-технический прогресс" (1994-1997 гг.);

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации изучены вопросы массообмена на тарелках ректификационных колонн и определены кинетические характеристики с учетом действительной поверхности контакта фаз. Полученные зависимости использованы при расчете и оптимизации установки ректификации хлор-производных этана и этилена в Усольском АО ХИМПРОМ.

В первой главе диссертации рассмотрены теории и модели массо-передачи применительно к процессам взаимодействия пара и жидкости. Наибольшее внимание уделено теории диффузионного пограничного слоя, которая непосредственно связывает коэффициенты массоотдачи с гидродинамическими параметрами потока.

Рассмотрены соотношения между различными кинетическими характеристиками массопередачи. При этом обосновывается необходимость более глубокой детализации в описании процессов массопередачи на тарелках ректификационных колонн. Более детальное описание кинетики массопередачи между паром и жидкостью может быть достигнуто путем учета величины межфазной поверхности и ее состояния.

Известно, что величина поверхности контакта между паром и жидкостью на тарелках образована пузырьками и струями пара, каплями и пленками жидкости и трудно поддается измерению. Тем не менее к настоящему времени выполнены обширные исследования в этой области и

3

получены количественные соотношения, позволяющие рассчитать величину межфазной поверхности на ситчатых, колпачковых, клапанных и провальных тарелках. В настоящей главе рассматриваются результаты этих исследований и приводятся уравнения для расчета величины поверхности контакта фаз.

Состояние межфазной поверхности между паром и жидкостью в большой мере определяется тепловыми эффектами, сопровождающими переход компонентов из одной фазы в другую. Приводится анализ работ, посвященных исследованию влияния тепловых эффектов на массообмен при ректификации и рассматриваются пути учета влияния теплообмена на скорость массопередачи между паром и жидкостью.

На основе обзора литературы формулируется задача работы, которая заключается в исследовании ректификации ряда бинарных смесей, определении коэффициентов массоотдачи, отнесенных к действительной поверхности контакта фаз, и их зависимости от определяющих факторов, а также в реализации полученных результатов при расчете промышленных аппаратов.

Вторая глава посвящена описанию лабораторных ректификационных установок, методике проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных. Экспериментальная часть работы была выполнена на двух лабораторных тарельчатых ректификационных установках. С целью наблюдения за гидродинамическим режимом имелись царги, выполненные из термостойкого стекла. Установки были снабжены необходимыми приборами, позволяющими фиксировать параметры процесса и осуществлять отбор проб. Для замера перепада давления на тарелках была разработана специальная методика, исключающая образование пробок конденсата в соединительных трубках.

Была исследована ректификация пяти бинарных спиртовых и водо-спиртовых смесей, смеси гексан-этанол, а также трехкомпонентной смеси хлорпроизводных этана и этилена, представляющей интерес для Усольского АОХИМПРОМ.

Определение составов отобранных проб жидкости проводилось на газо-жидкостных хроматографах моделей 3700 и Хром-ЗК. В качестве не-

подвижной фазы использовался полимерный сорбент Полисорб-1. Определение площади хроматограмм проводилось электронным интегратором ИЦ-26. Анализ проб осуществлялся методом внутренней нормировки. Физико-химические свойства жидкости и пара анализируемых смесей рассчитывались на ПЭВМ по специальной программе " Физхим", разработанной в лаборатории тепло- и массообмена института.

Располагая сведениями о гидравлическом сопротивлении, запасе жидкости на тарелке, паросодержании слоя, а также зная физические свойства системы, рассчитывалась величина межфазной поверхности по уравнению:

{к-АРгжК-ЦсУ'к/р^^-^У ■/ (1)

Значение констант зависит от типа тарелок: для провальных тарелок: Ь0 = 0,14; Ьх =1,283,- 62 =0,133; ¿, = -0,6; при А, < 0,02 м / = (^/0,02)°" ; при Аь>0,02 м / = 1; для ситчатых переточных тарелок: Ь„ = 22,1; Ъ, = 0,49; Ь2 = -0,2; Ъ3 = -0,6; / = 1

Сведения о величине межфазной поверхности позволяли определить истинные коэффициенты массоотдачи, отнесенные к действительной поверхности контакта фаз. Величина межфазной поверхности совместно с паросодержанием слоя позволяли рассчитать средний условный поверхностно-объемный диаметр пузырьков пара:

Л ^ЛА •(!-«-) (2)

Размер пузырьков пара служил характерным линейным размером при формировании критериев подобия и обобщении опытных данных по массообмену.

В связи с тем, что диаметры обеих лабораторных колонок были невелики и составляли соответственно 51 мм и 28 мм, допускалось полное перемешивание жидкости и эффективность тарелок по Мэрфри Ема отождествлялась с локальной эффективностью контакта. При обработке данных по ректификации бинарной смеси гексан-этанол в колонне с ситча-тыми переточными тарелками диаметром 100 и 300 мм учитывалось перемешивание жидкости с помощью однопараметрической диффузионной

модели. Коэффициент турбулентной диффузии при этом находился по уравнению Вайсхуна:

= (3)

Полученные в опытах данные по гидродинамике и массообмену позволяли рассчитать общие коэффициенты массопередачи Ку и общие числа единиц переноса Ыж. Для оценки частных коэффициентов массо-отдачи в паре Д} и жидкости Д или частных чисел единиц переноса необходимо было выполнить их разложения. Из всех методов разложения нами выбраны два: графический метод и метод аддитивности фазовых сопротивлений. Графический метод основан на зависимости общих коэффициентов или Коа от тангенса угла наклона т линии равновесия. Для его реализации требуется широкий диапазон изменения т. Он более прост, но имеет существенные недостатки и позволяет выполнить лишь усредненные оценки. Для более детального анализа нами был использован иной подход, который состоял в следующем. Если имеются надежные зависимости для расчета одного из двух фазовых сопротивлений массообмену, то на основе уравнения аддитивности можно определить второе сопротивление и найти его кинетические параметры. В предыдущих работах на примере взаимодействия перегретого пара с охлажденной жидкостью, а также испарительного охлаждения чистых жидкостей в газы-носители была изучена скорость массообмена на стороне пара и получена зависимость для расчета коэффициента массоотдачи в паровой фазе:

Важно отметить, что эти исследования проводились с одновременным измерением величины межфазной поверхности и коэффициенты массоотдачи в первой фазе были отнесены к действительной поверхности контакта фаз.

На основе уравнения (4) рассчитывалось число единиц переноса в паровой фазе как:

Н0=Ра-А/ТГк (5)

При этом величина поверхности определялись по уравнению (1). Найденное число единиц переноса в паре подставлялось в уравнение аддитивности: ■,,

= Л^/К (6)

из которого находилось число единиц переноса в жидкости:

- АГ^Д.^ ' (7)

Последнее соотношение позволяет рассчитать коэффициенты мас-соотдачи в жидкой фазе, отнесенные к действительной поверхности контакта фаз.

В третьей главе диссертации приводится обсуждение результатов исследования массоотдачи в жидкой фазе на тарелках ректификационных колонн. На рис. 1 приведена характерная зависимость локальной эффективности контакта от состава смеси изопропанол-вода. Видно, что в области низких концентраций изо-пропилового спирта -эффективность тарелок резко снижается, а при увеличении концентрации возрастает и достигает значений 0,7-0,8. Аналогичная зависимость наблюдается и для смеси гексан-этанол. Такое изменение эффективности следует объяснить перераспределением фазовых сопротивлений, а именно, возрастанием доли сопротивления массообмену в жидкости в области низких концентраций.

о

0.2 0 3 0. 4 0.5

Рис. 1. Зависимость эффективно сти провальных тарелок от состава. Смесь изолропанол-вода.

1

N

I ■ ■ I / _

/ /•

/ /

16

20 ж

Рис. 2. Разложение общего числа единиц переноса на частные. Смесь изопропанол-вода. Колонна 0 51 мм, тарелки провальные, Я = со.

С целью оценки фазовых сопротивлений был использован графический метод. Для этого были выбраны опыты с достаточно одинаковыми гидродинамическими условиями и для них построен график (рис. 2), из которого следует, что числа единиц переноса в паровой фазе составляют Ыа «2,5, а в жидкой фазе Л^ «2. Числа единиц переноса в паровой фазе можно было рассчитать и на основе коэффициентов массоотдачи (уравнение 4). Сопоставление их приведено в табл. 1, Видно, что значение рассчитанных чисел единиц переноса для обеих смесей хорошо согласуются друг с другом. При этом более точными следует считать параметры, рассчитанные на основе корреляции. Надежность уравнения (4) позволяет использовать его для определения кинетических характеристик массообмена в жидкой фазе, в соответствии с уравнениями (5-7).

Таблица 1

Сравнение чисел единиц переноса в паровой фазе, определенных графическим методом и расчетом

N9 п/п Гх. м/с м х, М.Д. т м2/с Па с А. м/с Nо

по графику по расчету

смесь "гексан-этанол"

1 0,59 0,020 0,17 4,8 0,53 0,98 0,028 1,25 1,16

2 0,57 0,021 0,57 0,12 0,49 0,82 0,026 1,33

з 0,45 0,021 0,93 7,4 0,51 0,75 0,026 1,52

| смесь "изопропанол-вода"

I 1 0,18 0,006 0,008 20,0 1,77 1,25 0,063 2,5 2,34

2 0,17 0,005 0,024 8,1 1,76 1,24 0,077 2,31

3 0,18 0,004 0,23 0,5 1,63 1,63 0,098 2,64

На рис. 3 представлена зависимость рассчитанных чисел единиц переноса в жидкости NL от тангенса угла наклона линии равновесия. Видно, что в области высоких значений т числа единиц переноса в жидкой фазе имеют сравнительно большие значения и резко уменьшаются в области малых значений т. Такое

3

» т 9 I >

•

/

к * т »

О

2

к

10 ш

Рис. 3. Зависимость чисел единиц переноса в жидкости от тангенса угла наклона линии равновесия. Смесь гексан-этанол.

поведение параметра NL может быть объяснено влиянием тепловых эффектов, сопровождающих массообмен при ректификации.

Если рассмотреть разность температур жидкости на тарелке и пара, поступающего на нее, т.е. характерную разность температур Д1 = {ж~*п< то поведение ее в зависимости от тангенса угла наклона имеет аналогичный характер (рис. 4).

Наблюдаемые зависимости могут быть связаны с термической нестабильностью пограничных слоев жидкости. Ввиду того, что числа Прандтля и Шмидта для жидкости в десятки и сотни раз отличаются друг от друга, перенос тепла через ламинарный слой жидкости происходит быстрее, чем диффузия высококипящего компонента. Вследствие этого, профили температур и концентраций не согласуются между собой. Слои жидкости у границы раздела оказываются перегретыми, более склонными к разрушению и образованию поверхностной конвекции. Это и приводит к росту коэффициентов массоотдачи и чисел единиц переноса в жидкой фазе.

Такие эффекты будут выражены тем сильнее, чем больше разность температур между паром и жидкостью и меньше скрытая теплота парообразования г. Поэтому для количественной оценки этих эффектов мы предлагаем использовать критерий фазового превращения:

К = с-Аф (8)

На рис. 5 представлена зависимость эффективности одноколпачко-вых тарелок установки РУТ-25 от критерия фазового превращения. В зависимости от сочетания спиртов, а также от области концентрации смесей, характерная разность температур менялась от сотых долей до двух-трех градусов. Одновременно с этим наблюдалось и изменение эффективности тарелок. Средняя эффективность тарелок колебалась от 0,38 до 0,83. Гидродинамическая обстановка на тарелках при разделении всех

А f

8'! —

Ж

I

О 0/2 0. 0.6 0 8 1.0 т

Рис. 4. Зависимость характерной разности температур от тангенса угла наклона линии равновесия для смеси гексан-этанол.

12

¡-на 0.7

0.5 0.3

У

У*

Л У ук^У

-2

-I

0

% (К- /О')

смесей была практически одинаковой. Поэтому наблюдаемое изменение эффективности мы связываем, в первую очередь, с изменением характерной разности температур.

На рис. 6 показана зависимость чисел единиц переноса в жидкой фазе для смеси гексан-этанол в узком диапазоне изменения т (о,1 ч- 1,о), где особенно четко проявляется изменение температур. Видно, что между Л^и К наблюдается определенная связь. Причем

сомножитель 102 делает эту зависимость удобной по порядку величин.

Таким образом критерий фазового превращения призван учесть усиление массообмена в жидкой фазе за счет термической нестабильно-

Рис. 5. Зависимость эффективности тарелок от критерия К. х - метанол-этанол; о - метанол-изопропанол; д. - этанол-изопропанол.

А/д

0.9 0.6 0 4 0 2

0"

•

♦ < •

• •

2

сти пограничных слоев. Если перепады температур между паром и жидкостью очень малы, то слои прилегающие к границе раздела фаз, должны быть термически стабиль-4 /С- ю2 ными и влияние критерия К

Рис. 6. Зависимость числа единиц переноса на скорость массообмена не в жидкой фазе от критерия К. Смесь гексан-

этанол. Колонна 0 100 мм. должно проявляться. Исходя

из этого, определяющим параметром может служить сомножитель

(1+#-102), который стремится к единице при очень малых значениях критерия К.

На основе анализа теоретических положений, изложенных в литературном обзоре, можно предположить, что другими определяющими критериями будут служить числа Рейнольдса и Шмидта, характеризующие, соответственно, режим движения жидкости на тарелке и молекулярные транспортные свойства жидкой фазы. Определяемым критерием

служит критерий Шервуда, включающий в себя коэффициент массоотда-чи, отнесенный к действительной поверхности контакта фаз.

Важным является вопрос о выборе характерного линейного размера в критериях ReL и ShL, а также характерной скорости движения жидкости на тарелке. Известно, что при взаимодействии потоков на тарелке наблюдаются пульсации жидкости. Скорости наиболее крупных пульсаций соизмеримы со скоростью пара, а размер - с высотой двухфазного слоя. Исходя из этого, в качестве характерной скорости в критерииRet, по нашему мнению, необходимо использовать скорость пара в колонне.

В качестве характерного линейного размера следует использовать средний поверхностно-объемный диаметр пузырьков пара в двухфазном слое. Несмотря на то, что наиболее крупные пульсации жидкости соизмеримы с высотой двухфазного слоя, более важными являются пульсации, соизмеримые с величиной газовых образований. Именно они ответственны за деформацию пузырьков пара и их дробление, которые, в свою очередь , оказывают влияние на интенсивность подвода вещества к межфазной поверхности. От размера пузырьков пара зависят и силы поверхностного натяжения, стабилизирующие межфазную поверхность и определяющие формирование пограничных слоев в системе пар-жидкость.

Используя парную корреляцию параметров было найдено, что зависимость критерия Шервуда от параметра (l+KMO2) близка к линейной, а от числа Рейнольдса соответствует пропорциональности:

ShL~Ref2 (9)

При обобщении результатов был принят следующий вид зависимости для описания массоотдачи в жидкой фазе:

ShL = Ь„ ■ Re"l ■ S<£ • (l+ЛМ О2)®3 (10)

Показатели степени при числах Рейнольдса и Шмидта были приняты на основе, соответственно, парной корреляции ¿,=0,5 и литературных данных è2 = 0,5. Значение Ьъ и А3 определены путем статистической обработки всего имеющегося экспериментального материала по программе "Статграф". При этом получено следующее расчетное уравнение для ко-

эффициента массоотдачи в жидкой фазе, отнесенного к действительной поверхности контакта фаз:

ShL = 0,044 • Reí5- &°'5 • (l +100- К)1'

(11)

Корреляция опытных данных показана на рис. 7.

Сравнение локальных ■ эффективностей контакта,

измеренных в опытах и рассчитанных на основе зависимостей (1, 4, 11) показано на рис. 8 и 9. Достаточно хорошее совпадение опытных и рассчитанных величин Еж позволяет реализовать полученные зависимости для расчета массообмена на тарелках ректификационных колонн.

В четвертой главе использованы результаты исследования на примере расчета и

LÍ " L

г

е J

• /

л /

* / л •

1 / л

у

*

/ « *

;/ , * t

X X

i

f i/ *

• & < —

У

* 5 (1+WOK)

Рис. 7. Корреляция для коэффициента мае- оптимизации системы колонн, предназначенных для

• - смесь гексан-этанол; ^ "

* - смесь изопропанол-вода. ректификации смеси хлор-производных этана и этилена. Этот процесс представляет практический интерес для Усольского АО ХИМПРОМ, где производят трихлорэтилен (ТХЭ) путем взаимодействия 1,1,2,2-тетрахлорэтана (ТТХЭ) с гидроокисью кальция в водной среде при нагревании:

2 СНС12 - СНС12 + Са{ОН)2 Л 2 НС1 = СНС1г + СаС1г + Я20 Одновременно с целевым продуктом образуются побочные продукты такие как хлорвинил, дихлорэтилены, перхлорэтилен (ПХЭ), пента и гексахлорэтаны (ПнХЭ и ГХЭ).

0.8 0.6 0.4 0.2

О

> /1 * У * А

4-20 / J Ж

!/ /

\у г

/ У> -2 3% —

у/ • / Г* у

/ •т/

/

р ■А

/ Л -

0.2

0.4

0.6

08

О 6

О 4

О 2

0-8

Рис. 8. Сравнение опытных и рассчитанных величин локальной эффективности контакта.

• - смесь гексан - этанол, колонна 0 100 мм;

х - смесь изопропанол-вода, колонна 0 51 мм.

•р /1 /

+20% / /

/

/ /

4 '-2 0%

/ /

У / 0 '•V

А № *

Ж С"

/

02

0.1

0.6

0.8 Еп

Рис. 9. Сравнение опытных и рассчитанных величин Е00. # -гексан-этанол, колонна 0 300 мм.

Недостатком существующей схемы является большое содержание трихлорэтилена и перхлорэтилена в кубовой жидкости ректификационной колонны. Это приводит к ощутимым потерям товарного продукта при их сжигании и ухудшению работы всей аппаратуры из-за наличия циркулирующих в ней балластных веществ, концентрирующихся в кубе колонны. Кроме этого перхлорэтилен находит применение в химической чистке одежды и в настоящее время имеет большой спрос на рынке сбыта.

Для улучшения работы установки нами предложено исключить циркуляцию и сжигание кубового остатка, а подвергнуть его ректификации с целью выделения товарных продуктов - ТХЭ и ПХЭ. Выполненное нами обследование работы установки путем изучения режимных листов, отбора и анализа проб кубового остатка за большой промежуток времени показало, что содержание высококипящих компонентов ПнХЭ и ГХЭ невелико. Температура кипения их значительно превосходит температуру кипения ТТХЭ и поэтому они будут отделяться вместе с ТТХЭ, не мешая выделению целевых продуктов ТХЭ и ПХЭ. Это значительно упрощает анализ процесса и расчет аппаратуры.

Для расчета процесса ректификации необходимы сведения о равновесии между паром и жидкостью в многокомпонентной смеси (МКС). При описании равновесия в МКС нами использована модель Вильсона, которая, в свою очередь, требует сведений и о равновесии пар-жидкость для каждой пары компонентов, образующих МКС. Равновесные данные для одной из бинарных пар (ТХЭ-ПХЭ) были найдены в литературе. Сведения о парожидкостном равновесии в двух других бинарных системах были получены путем исследований в лаборатории тепло- и массообмена АГТИ. Исследования равновесных составов проводилось на приборе, аналогичном прибору Бушмакина - Джилеспи. Анализ проб осуществлялся хроматографически на хроматографе Хром-ЗК, снабженным электронным интегратором типа И-02.

Опытные данные по равновесию в бинарных смесях были обработаны на ПЭВМ типа IBM по специальной программе с целью получения параметров уравнения Вильсона %.\г и которые представлены в табл. 2. Там же приведены относительные ошибки в расчете концентраций и температур. Так как относительные погрешности невелики, найденные параметры уравнения можно использовать для расчета парожидкост-ного равновесия в МКС.

Таблица 2

Параметры уравнения Вильсона и относительные расхождения

опытных и рассчитанных величин

Смесь Параметры уравнения Средняя погрешность расчета

А-12 ^■21 Л у', м.д. At, °С

ТХЭ - ПХЭ -128,64 279,74 0,0186 0,179

ТХЭ -ТТХЭ -571,13 2479 0,0234 2,16

ПХЭ - ТТХЭ -170,1 523,73 0,0081 . 0,42

С целью оценки точности описания равновесия и выбора работоспособных схем разделения смеси были проведены опыты по ректификации трехкомпонентной смеси ТХЭ-ПХЭ-ТТХЭ на лабораторной колонне с 20-ю тарелками провального типа.

На рис.10 показаны линии ректификации трехкомпонентных смесей ТХЭ-ПХЭ-ТТХЭ разных исходных составов. Они нанесены сплошными ли-

ниями. Пунктирные линии соответствуют расчетным траекториям, которые получены с использованием найденных параметров уравнения Вильсона. Хорошее совпадение опытных и рассчитанных траекторий свидетельствует о надежности описания парожидкостного равновесия в многокомпонентной смеси с помощью выбранной нами модели. Видно также, что линии ректификации имеют монотонный характер в отношении концентрации низкокипящего компонента - трихлоэтилена. Они выходят на левую или нижнюю грань диаграммы или стремятся к чистым высококипящему (ТТХЭ) или низкокипящему (ТХЭ) компонентам. Таким образом имеется полная уверенность получения товарных продуктов ТХЭ и ПХЭ в двухколонной системе. При этом возможны две схемы синтеза аппаратов (рис. 11).

пхэ ттхэ

Рис. 10 Траектория линии ректифика-

ции.

ТХЭ

пхэ

ТТХЭ

Рис. 11 Варианты разделения смеси.

Оценки этих вариантов разделения и выбор наиболее выгодного из них были выполнены путем расчета системы колонн на ПЭВМ по специальной программе. При этом эффективность тарелок определялась на

основе полученных зависимостей для коэффициентов массоотдачи и межфазной поверхности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнены исследования процесса ректификации ряда спиртовых и водоспиртовых смесей на лабораторных моделях и определена эффективность контактных тарелок.

2. С помощью графического метода и на основе уравнения аддитивности фазовых сопротивлений проведены оценки распределения сопротивлений массообмену между паровой и жидкой фазами. Оба метода разложения дали сходимые результаты. Установлено, что в области средних концентраций основная доля сопротивления массообмену сосредоточена в паровой фазе, а при низких концентрациях смеси доля сопротивления в жидкой фазе возрастает и становится определяющей.

3. На основе экспериментальных данных и сведений о скорости массоотдачи в паровой фазе вычислены коэффициенты массоотдачи в жидкости, отнесенные к действительной поверхности контакта фаз. При этом установлено, что на величину коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе оказывают влияние термические эффекты, сопровождающие процессы массопередачи при ректификации.

4. Для учета влияния термических эффектов на коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе предложено использовать критерий фазового превращения, включающий в себя характерную разность температур между контактирующими потоками пара и жидкости. Полученное при этом обобщенное уравнение массоотдачи в жидкой фазе достаточно точно описывает скорость процесса и эффективность контакта во всей области концентраций смесей.

5. Выполнено обследование установки ректификации трихлорэти-лена в условиях Усольского АО ХИМПРОМ и установлены значительные потери ценных веществ с кубовым остатком колонны выделения товарного продукта. Для сокращения потерь трихлорэтилена и дополнительного выделения ценного компонента - перхлорэтилена предложена двухколонная схема ректификации кубового остатка.

6. Для расчета колонн выполнено экспериментальное исследование равновесия между паром и жидкостью для двух бинарных смесей ПХЭ-ТТХЭ и ТХЭ-ТТХЭ и получено математическое описание его на основе модели Вильсона. Кинетический расчет колонн и оценка вариантов синтеза аппаратов выполнены на основе обобщенных зависимостей для межфазной поверхности и корреляций для коэффициентов массоотдачи, полученных в настоящей работе. Результаты приняты к внедрению в Усольском АО ХИМПРОМ. Ожидаемый экономический эффект составляет 5270 млн. руб. в год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Ульянов Б.А., Щелкунов Б.И., Фереферов М.Ю., Родионов А.И. Массообмен при ректификации трехкомпонентных смесей. В сб. Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах. - Иркутск, 1974,- С. 102-106.

2. Ульянов Б.А., Щелкунов Б.И., Фереферов М.Ю. Гидравлическое сопротивление провальных тарелок большого размера. Межвузовский сборник. Разработка, исследование и расчет машин и аппаратов химических производств. МИХМ. - М., 1980. - С. 94-98.

3. Фереферов М.Ю., Щелкунов Б.И., Ульянов Б.И. Равновесие жидкость - пар в системах, образованных хлорпроизводными этилена и этана. ЖПХ. - № 1. - 1989,- С. 184-185.

4. Ульянов Б.А., Фереферов М.Ю., Щелкунов Б.И., Быстрицкий A.A. Разделение кубовых остатков производства трихлорэтилена. В сб. Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах, Иркутск, 1989,- С. 7-13.

5. фереферов М.Ю., Щелкунов Б.И., Рыбалко Л.И. Стабильность продуктов в процессе производства трихлорэтилена омылением тетра-хлорэтана. В сб. Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах. - Иркутск, 1989.- С. 69-71.

6. Ульянов Б.А., Щелкунов Б.И., Фереферов М.Ю., Янчуковская Е.В. Влияние тепловых эффектов на массообмен при ректификации. В сб.

Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах,-Иркутск, 1990. - С. 17-20.

7. Щелкунов Б.И., Фереферов М.Ю., Ульянов Б.А. Фазовые сопротивления при ректификации смеси гексан-этанол. В сб. Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах,- Иркутск, 1996.-С. 21-23.

8. Щелкунов Б.И., Фереферов М.Ю., Асламов A.A., Ульянов Б.А. Уравнение массоотдачи в паровой фазе на тарелках ректификационных колонн. В сб. Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах. - Иркутск, 1996.- С. 95-98.