автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разделение бикомпонентной смеси в ректификационной установке непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой

На правах рукописи

Ворошин Андрей Валерьевич

РАЗДЕЛЕНИЕ БИКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ПАКЕТНОЙ ВИХРЕВОЙ

НАСАДКОЙ

05.17.08-Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Иваново - 2013

005543137

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре машин и аппаратов химических производств

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

- кандидат технических наук, доцент Чагин Олег Вячеславович

- Малышев Роман Михайлович

доктор технических наук, старший научный сотрудник, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) (Университет машиностроения), директор центра повышения квалификации специалистов по промышленной и экологической безопасности

- Авдюнин Евгении Геннадьевич

доктор технических наук, профессор, Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики

Ведущая - ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный

организация: технический университет", г. Ярославль.

Защита состоится « » декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205

Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Jji"

Ученый секретарь ]/чЛ Зуева Галина Альбертовна

диссертационного совета Д 212.063.05

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ различной чистоты играют ключевую роль в современной промышленности. При этом наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более чистых веществ. Среди процессов разделения жидких смесей доминирующую роль играет ректификация, и ее количественная доля в этих процессах составляет около 90 %.

Ректификация является одним из самых энергоемких процессов в химической и нефтехимической промышленности, в связи с необходимостью нагрева, испарения и конденсащш огромных количеств (объемов) жидкостей. Стремление к получению чистых и особо чистых легкокипящих компонентов приводит к высоким значениям флегмового числа, что резко повышает энергозатраты (и снижает производительность) процесса разделения, в связи с полным испарением флегмовых потоков жидкостей в ректификационной колонне.

Современная промышленная ректификация сложилась более 100 лет тому назад и за последнее время не претерпела принципиальных изменений. Усилия тысяч инженеров и ученых были направлены на совершенствование промышленных процессов дистилляции, но сами основы существующего ректификационного процесса до сих пор остались без изменений.

Сравнительно низкий кпд тарелок ректификационных колонн, малые оптимальные скорости пара на каждой тарелке приводят к увеличению габаритных размеров колонн и, следовательно, к увеличению капитальных затрат при их изготовлении. Многие тарельчатые промышленные ректификационные колонны имеют высоту более 40м. Большие затраты на изготовление, эксплуатацию п ремонт колонн в значительной степени ухудшают экономические показатели производств и повышают себестоимость продукции.

В настоящее время большинство работающих промышленных ректификационных колонн оснащены массообменными устройствами в виде тарелок. Однако в последние годы появился целый ряд работ по использованию в качестве массообмеиных устройств различных насадок. Насадочные колонны более компактны, имеют меньшие диаметры и высоты. В то же время необходимо отметить, что все применяемые насадочные устройства работают эффективно только в пленочном режиме, т.е. при малых скоростях пара (менее 1,5 м/с) и низких плотностях орошения (менее 10 - 15 мЗ/м2»ч).

Другим недостатком существующих насадочных колонн является тот факт, что повышение удельной производительности процессов тепло — и массообмена требует увеличения поверхности насадок, что, в свою очередь, приводит к росту гидравлического сопротивления и к невозможности равномерного распределения жидкой фазы в виде пленки по поверхности насадки.

Всех выше перечисленных недостатков лишена пакетная вихревая насадка, разработанная в ИГХТУ.

В отличие от тарельчатых колонн, которые работают в режиме барботажа, и всех известных насадочных устройств: регулярных и нерегулярных, работающих только в пленочном режиме, пакетная вихревая насадка работает в устойчивом режиме, (близком к эмульсионному, в широком диапазоне скоростей пара 2,5-5,5 м/с), при котором наблюдаются наиболее высокие значения коэффициентов тепло - и массопередачи, зафиксированные еще в работах акад. Н.М. Жаворонкова, акад. В.В. Кафарова и проф. А.Н. Плановского в середине прошлого столетия, но при меньших скоростях газа (2,0 — 2,2 м/с) в аппаратах с кольцами Рашига.

На кафедре МАХП ИГХТУ ранее были проведены исследования процесса периодической ректификации водного раствора этанола при использовании новой пакетной вихревой насадки. Пробные экспериментальные исследования процесса ректификации в периодическом режиме работы показали лишь достаточно высокую

эффективность процесса разделения смеси этанол-вода и необходимость продолжения исследований при больших скоростях пара и в непрерывном режиме работы колонны.

Цель работы: исследовать возможность применения пакетной вихревой насадки, показавшей высокую эффективность в других массообменньгх процессах, в ректификационном аппарате непрерывного действия.

Достижение этой цели осуществлялось путем решения комплекса задач:

- изучение процесса непрерывной ректификации бинарной смеси при различных режимах работы экспериментальной установки с пакетной вихревой насадкой;

- экспериментальное определение к.п.д. условной тарелки ректификационной колонны, как функции плотности орошения и скорости пара;

- разработка математической модели процесса непрерывной ректификации бинарной смеси в установке с пакетной вихревой насадкой, с учетом найденного к.п.д. контактного устройства;

- разработка инженерной методики расчета ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси с пакетной вихревой насадкой.

Научная новнзна. 1. Впервые экспериментально показана высокая эффективность пакетной вихревой насадки в диапазоне изменения скоростей пара от 1,5 до 4,5 м/с при осуществлении непрерывного процесса ректификации.

2. Получена эмпирическая зависимость к.п.д. условной тарелки (насадочного слоя) от переменных по высоте колонны критериев Яе по пару и жидкости.

3. Представлена математическая модель процесса непрерывной ректификации в аппарате с пакетной вихревой насадкой с учетом переменного значения к.п.д. условной тарелки (в виде жесткого пакета вихревых ячеек размером 11x11x30 мм).

Практическая ценность и реализация работы. Разработана методика расчета ректификационной колонны с применением пакетной вихревой насадки, позволяющая определить диаметр колонны и высоту насадки.

На основании проведенных исследований разработаны конструкции пилотных ректификационных колонн для разделения водно-метанольной, формальдегидной и этанольной смесей.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы-докладывались и обсуждались на III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», Казань - 2012, на IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011», труды конференции, Москва -2011, на региональной студенческой научной конференции «Дни науки-2013», Иваново -2013.

Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в зарубежном журнале.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 4 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 101 источник.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы, цель и основные задачи исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы и ее структура.

В первой главе представлен литературный обзор. Дан обзор существующих массообменных устройств, достоинств и недостатков тарельчатых и насадочных ректификационных колонн. Приведены методы расчета ректификационных колонн. Представлено несколько подходов к математическому описанию процесса ректификации бинарных систем.

Во второй главе описана экспериментальная установка непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой и методика проведения исследований.

Для проведения исследований процесса разделения водно-спиртовой смеси была изготовлена и собрана экспериментальная установка, работающая в непрерывном режиме. Схема установки представлена на рис. 1, а ее общий вид на рис. 2.

Рис.1. Схема экспериментальной установки процесса непрерывной ректификации бинарных смесей:

1 - емкость, 2 - центробежный насос, 3 - проточный нагреватель исходной смеси, 4 - электрический нагреватель, 5 - колонна, 6 - пакетная вихревая насадка,

7 - оросительное устройство нижней части колонны, 8 - куб колонны, 9 - выносной испаритель, 10 - электрические нагреватели, 11 - нагреватель флегмы, 12 - электрический нагреватель, 13 - оросительное устройство, 14 - дефлегматор, 15 - емкость для приема дистиллята, 16 - плунжерный насос, 17 - насос, 18 - емкость для слива кубовой жидкости, 19 - термопары, 20 - расходомер, 21 - 30 - вентиль.

Установка состоит из ректификационной колонны 5, дефлегматора 14, выносного куба-испарителя 9, нагревателя исходной смеси 3, сборника дистиллята 15, емкостей с исходной смесью 1, и емкости для приема сливаемой кубовой жидкости 1В. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна.

Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки

Ректификационная колонна, с внутренним диаметром 98 мм и общей высотой 2,5м, состоит из двух частей: верхней 1,5 м и нижней - 1 м. Корпус колонны выполнен из нержавеющей стали и состоит из отдельных царг, которые между собой соединяются фланцами через болтовое соединение. В качестве массообменных устройств в нижней и верхней части установлены пакетные вихревые насадки. В нижней части установлено 9 пакетов. Пакет имеет высоту 60 мм, ячейка с поперечным сечением 20x20 мм. В верхней части установлено 33 пакета, высотой 30 мм, с поперечным сечением ячейки 11x11 мм. Колонна снабжена двумя оросительными устройствами, в виде форсунок, для орошения нижней и верхней частей ректификационной колонны.

Нагреватель исходной смеси представляет собой теплообменник цилиндрической формы, внутри которого расположен один ТЭН, мощностью 15 кВт.

Куб, диаметром 0,45м и объемом 30 л, расположенный в нижней части колонны, закреплен на «юбочной» опоре. В кубовом пространстве, объемом 30 л, размещены три нагревателя, мощностью 5 кВт каждый.

В выносном кубе-испарителе, диаметром 0,25м и объемом 15 л также расположено три нагревателя, мощностью по 5 кВт, для удобства управления температурой испаряемой смеси.

Дефлегматор, Едсф=0,9 м2, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, жесткой конструкции (без компенсатора).

Для поддержания изотермических условий колонна, куб и нагреватель исходной смеси покрыты теплоизоляцией. По высоте колонны установлено 8 термопар. По показаниям термопар осуществляется регулирование температуры в кубе колонны. Для контроля уровня смеси в кубе имеется водомерное стекло. Количество флегмы устанавливается и регулируется дозировочным насосом. Расходы исходной смеси измеряются расходомерами и также регулируются вентилями.

Исследования проводились нами с применением пакетной вихревой насадки, один из вариантов которой представлен на рис. 3.

Пакетная вихревая насадка для тепло - и массообменных аппаратов состоит из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет удлиненных, загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель. На выходе из ячейки окончания обеих стенок также выполнены

удлиненными и загнутыми внутрь, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель. Поверхность каждой ячейки полностью или частично имеет регулярную шероховатость или покрыта перфорацией любой формы.

Исследование процесса ректификации с пакетно-вихревой насадкой проводили на смеси этанол-вода.

Для регулирования и поддержания заданных температур входной смеси, флегмы и куба колонны установка оснащена системой автоматизации. Программный комплекс «Консоль» позволял поддерживать заданные температуры в кубе колонны, нагревателе исходной смеси и флегмы, наблюдать за изменением температуры по высоте колонны и мощности, подводимой к нагревателям исходной смеси и куба, включать и отключать насосы. Данные с каждой термопары и подводимая мощность нагревателей выводились на экран компьютера, в виде таблицы. Полученные данные архивировались.

Рис.3. Пакетная вихревая насадка в блоке

В экспериментальной установке большинство исследований проводились при установлении следующих параметров:

Расход исходной смеси - 180 дмЗ/ч при начальной концентрации спирта 10% и 15%;

Расходы флегмы изменялись в диапазоне от 24 до 72 дмЗ/ч.

Большинство исследований проведено при температуре исходной смеси, равной Т = 70 С, за счет регулирования напряжения электрического нагревателя, мощностью 18 кВт и температуры куба, равной Т = )00°С.

В ходе эксперимента фиксировали изменение температуры по высоте колонны, расходы конденсата в дефлегматоре, флегмы и исходной смеси.

В третьей главе рассмотрена математическая модель процесса ректификации, построенной на основе математической модели акад. В.В. Кафарова. Для математического описания процесса ректификации этилового спирта в колонне с пакетной вихревой насадкой принимаем балансовую модель изменения концентрации легкокипящего компонента по высоте пакетов вихревой насадки, которая описывают стационарную работу ректификационной колонны непрерывного действия с учетом переменного к.п.д. тарелки.

При составлении математического описания процесса ректификации были приняты следующие допущения:

1) давление на каждом пакете насадки постоянно и скачкообразно меняется от пакета к пакету;

2) жидкость находится при температуре кипения, пар - при температуре точки росы;

3) процесс проводим при атмосферном давлении;

4) физико-химические свойства компонентов постоянны на данном контактном устройстве и усреднены в возможном диапазоне концентраций;

5) концентрация легко — и труднокипяпщх жидкостей изменяются скачкообразно от ячейки к ячейке;

6) жидкая и паровая фаза идеально перемешана в каждой ячейке;

В качестве контактных элементов в ректификационной колонне применяем пакетную вихревую насадку. Под условной тарелкой в ректификационной колонне принимаем одинарный слой жестко связанных между собой одинаковых вихревых ячеек. Высота и размеры вихревых ячеек для промышленной и экспериментальной колонны не будут отличаться друг от друга. В промышленных колоннах при увеличении диаметра колонны меняется лишь число одинаковых ячеек по сечению аппарата. Тарелки (слой) могут быть отдельно положены друг на друга, либо связаны в один пакет до 6 штук, как показано на рис. 3.

Зная производительность колонны по исходной смеси и необходимые концентрации (массовые) легкокипящего компонента в продукте, находим производительность колонны по дистилляту и кубовому остатку на основании уравнения материального баланса.

{Ь ■ х р = Ld ■ xD + Lw ■ xw ^

F=Ln+ L,v

где F — расход исходной смеси, кг/ч; Ld - расход дистиллята, кг/ч; Lw - расход кубового остатка, кг/ч.

Математическая модель процесса ректификации при дискретной форме описания представляет собой систему алгебраических уравнений, которая может быть представлена в виде системы уравнений в конечных разностях.

Концентрация легколетучего компонента в паре, выходящем из куба — испарителя может быть записана следующим образом:

yw = xw + (у (:xw)-xw) • rtw (2)

где t]ty— эффективность испарителя, {r]w= 0, справедливо для полного испарителя); у*- равновесная концентрация легколетучего компонента в паре, кмоль/кмоль.

Расход теплоты, которую надо подвести в куб — испаритель рассчитываем следующим образом:

QK ~ QA + LDCd1D +LwCwtw -FCFtp (3)

где Qa - расход теплоты, отдаваемый в дефлегматоре при конденсации паров воды и спирта, кВт; СD,CW ,CF— удельная теплоемкость дистиллята, кубового остатка, исходной смеси, Дж/(кг-К); tD,tw,tF— температура дистиллята, кубового остатка, исходной смеси, °С.

Количество пара, выходящего из куба—испарителя:

попн

Уо=—--(4)

rw

где rw — удельная теплота конденсации кубового остатка, Дж/кг.

Записываем систему уравнений, описывающих значения расходов и концентрации жидкой и паровой фаз на i'-ом слое (тарелке):

Расход пара:

илк-к^-v,-^^ -к)

К, - //. i<f (5)

V, =

¿Р (*„■->»,)-к,_,(ЯМ-А,) ¿>/ (6)

h^-H,

где й, Н — энтальпия жидкости и пара, Дж/кг; - номер текущей тарелки;/- номер тарелки питания.

Расход жидкости:

г</ (7)

' к,-,-^ »■>/ ев)

Концентрация легколетучего компонента в жидкости:

|ЧдР (9)

' (К,- Ьвх0\ 1>/ (10)

v._, -L,

Концентрация легколетучего компонента в паре:

У,=У,-, W (11)

где - к.п.д. контактного устройства, который определяется экспериментально, в зависимости от гидродинамических режимов работы контактного устройства.

Номер тарелки питания определяем по количеству шагов расчета концентрации легколетучего компонента в жидкости, когда хр< х,.

Расходы жидкой и паровой фаз на тарелке питания:

Vf ,(Ям-/ь)

Vf = и lu ~ L»hf~> FHf (12)

"/+1 п f

L,=Vf_[+Lw (13)

Расчет концентрации легколетучего компонента в жидкости на i-слое колонны заканчиваем при условии xD<x¡.

Концентрация легколетучего компонента в дистилляте дефлегматора: хп=У„+(Уп-Уп)-т1и (14)

гщ- эффективность дефлегматора, (цг>=0, справедливо для полного дефлегматора) Рассчитываем температуру на каждой тарелке, как функцию текущей концентрации спирта в жидкости и парциального давления.

Г, =/(*„/>) (15)

Самым сложным вопросом в расчете ректификационных колонн является определение ее высоты:

Ик=Ннасп (16)

где Н„ас - высота условной тарелки (слоя), мм; п - число условных тарелок, определяется как функция заданной начальной и конечной концентрации легколетучего компонента и реального к.п.д. на каждой условной тарелке, шт. При расчете математической модели число условных тарелок считается путем итерационного расчета от тарелки к тарелке последовательно, начиная от куба колонны до ее дефлегматора, при заданной конечной концентрации легкокипящего компонента в дистилляте.

Данный подход позволяет проводить математическое моделирование процесса ректификации смеси этиловый спирт - вода наиболее близко к реальному процессу.

В четвертой главе проведены исследования процесса ректификации смеси вода-этанол на установке непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой.

Из анализа работы промышленных ректификационных установок с колпачковыми, ситчатыми и другими типами тарелок следует, что выход их на стационарный режим работы обычно составляет более 4-х часов, что свидетельствует, в первую очередь, о невысокой эффективности протекающих тепло — и массообменных процессов в колоннах с данными массообменными устройствами.

Анализ полученных нами данных о динамике выхода на стационарный режим работы экспериментальной колонны с пакетной вихревой насадкой, показывает, что во всех проведенных опытах время выхода на стационарный режим было менее 25 минут.

Такой малый промежуток времени выхода на стационарный режим работы уже свидетельствует о высокой эффективности тепло - и массообменных процессов, протекающих в ячейках пакетной вихревой насадки.

Нами проведен анализ изменения скорости пара на верхней тарелке колонны от величины флегмового числа.

32 3,0

гв

о

!,гбН

с 24-] >

га" 22-

CL

£ го-

J2

h гв

3 4 5 6 7

Фпбшювов число, R

а 1,5 о

15%|

20 25 3,0 35 4,0 45

Фпешсеое чисто, R

а) начальная концентрация спирта 10% б) начальная концентрация спирта 15%

Рис 4. Зависимость скорости пара от флегмового числа на верхней тарелке

Как видно, из рис. 4 с увеличением флегмового числа с 2 до 6,66 возрастает и скорость пара от 1,27 до 3,16 м /с, что свидетельствует о полном испарении флегмы.

Режим, близкий к эмульсионному, наступает в процессе ректификации уже при скорости пара, близкой к 2 м/с (в отличие от процесса абсорбции, где режим близкий к эмульсионному наступал при скорости газа более 2,5 м/с). В этом режиме высокоэффективного взаимодействия между паром и жидкостью наблюдается резкое увеличение эффективности разделения смеси вода - этанол, что наглядно видно из рис. 5, на котором показано, что при скорости пара более 2 м/с наблюдается существенное повышение конечной концентрации спирта в дефлегматоре. Чем выше начальная концентрация спирта в исходной смеси, тем интенсивнее возрастает его конечная концентрация на выходе из аппарата.

Как и во всех ректификационных колоннах, максимальная скорость пара была на выходе из куба колонны, которая медленно понижалась в нижней части колонны вплоть до тарелки подачи исходной смеси. На тарелке питания происходит более интенсивное изменение скорости пара вследствие эффективной конденсации паров воды. Далее по высоте укрепляющей (верхней) части колонны происходит некоторое повышение скорости пара за счет конденсации паров воды и испарения этилового спирта. Так как теплота испарения спирта составляет 850 кДж/кг, а теплота конденсации паров воды 2400 кДж/кг, то, соответственно, паров спирта испаряется существенно больше, чем конденсируется воды.

1,4 1,6 1,8 20 22 24 26 28 3,0 92

Ощростъ пара, уп (»Ус)

1.5 го 25 3,0 3.5

Скорость пэра, (мЬ)

а) начальная концентрация спирта 10% б) начальная концентрация спирта 15% Рис. 5. Зависимость конечной концентрации спирта в продукте от скорости пара

□

500 1000 1500 2Ю0 2500

Высота насадрчного слоя, Н^.. (мм)

-1540

500 1000 1500 2000 2500

Высота насадочного слоя, Ннас (мм)

а) начальная концентрация спирта 10% б) начальная концентрация спирта 15% Рис. 6. Изменение температуры по высоте колонны

На рис. 6 представлено экспериментально измеренное изменение температуры по высоте колонны при двух разных начальных концентраций спирта.

Как видно из данных рисунков, интенсивность тепло - и массопереноса в процессе ректификации в аппарате с пакетной вихревой насадкой мало зависит от начальной концентрации спирта, так как кривые изменения температур подобны друг другу.

О высокой интенсивности тепло - и массопереноса в ректификационной установке с пакетной вихревой насадкой свидетельствует тот факт, что практически при всех флегмовых числах (кроме очень малых, когда наблюдается пленочный режим течения), конечная концентрация спирта в продукте была близка его равновесной концентрации при экспериментально замеренной температуре паров верха колонны (рис.7.).

10%

■ 15%|

Флегмэвое число, К

2,5 3.0 3.5 <1.0 '

Флегмэвое число, И

а) начальная концентрация спирта 10% б) начальная концентрация спирта 15% Рис. 7. Зависимость температуры верха колонны от флегмового числа.

5 0.12-

| ■ 10%|

0.12-

:

а) расход жидкой фазы

б) расход паровой фазы

Рис. 8. Зависимость к.п.д. тарелки от расхода жидкой и паровой фаз при начальной концентрации спирта в исходной смеси 10%.

Поскольку основными факторами, влияющими на интенсивность тепло - и массопереноса на каждой тарелке ректификационной колонны, являются скорость пара и плотность орошения, то нами представлены расчетно-экспериментальные данные по изменению к.п.д каждой тарелки в зависимости от этих параметров, показанные на рис. 8.

Увеличение флегмового числа ведет к интенсификации тепломассообменных процессов в верхней части ректификационной колонны, что приводит к росту скоростей пара и, соответственно, к увеличению среднего к.п.д. тарелки. При относительно низких движущих силах процесса в верхней части колонны, решающее влияние на это оказывает гидродинамическое взаимодействие фаз. Интенсификация гидродинамического взаимодействия достигается увеличением расходов, как по жидкой, так и по паровой фазам.

На рис. 9 представлена зависимость высоты единицы переноса от Яе по жидкой фазе процесса ректификации с использованием пакетной вихревой насадки. Из рис. 9 наглядно видно, что высота единицы переноса существенно зависит от плотности орошения, так как Яеж считается по значению плотности орошения и интенсивно снижается с увеличением расхода как жидкой фазы, так и скорости пара.

а) начальная концентрация спирта 10% б) начальная концентрация спирта 15%

Рис. 9. Зависимость высоты единицы переноса от Яе жидкой фазы.

Нами был проведен анализ эффективности работы и габаритов ректификационных колонн с разными массообменными устройствами при одной и той же производительности. Результаты представлены в табл. 1.

Табл. 1. Сравнение эффективности работы и габаритов ректификационных колонн при производительности Р=500 кг/ч и конечной концентрации хп=96 кг-к/кг-смеси.

Массообменные устройства Диаметр, мм Высота, мм Скорость пара, м/с Плотность орошения. м3/м2-ч

Тарельчатые 1000 10 000 0,3-2 200

Насадочные (кольца Рашига) 1000 18 000 до 1,5 15

Насадка Зульцер 200 6 000 до 2,5 25

Пакетная вихревая насадка 150 6 000 до 5,5 100

Из данной таблицы видны преимущества пакетной вихревой насадки перед другими массообменными устройствами. Данные взяты из литературных источников.

Пятая глава посвящена обработке экспериментальных данных и разработке методики расчета ректификационной колонны непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой для разделения бинарной смеси.

Обработка экспериментальных данных по изменению скоростей пара и расходов по высоте колонны позволила получить явный вид к.п.д. условной тарелки (слоя) пакетной вихревой насадки, зависящий от критериев Яе по жидкости и по пару, в которых плотность орошения жидкостью изменялась в диапазоне от 0,6Т0"3 до 1,4-10"3 м3/м2-с, а скорость пара в диапазоне 1,2 до 3,2 м/с:

Ц

Яе, =

4,5 • 10 ■ Яе," ПгЬ-р,ж

■Яе,

Яе.. = -

■ь-р,„

А»

(17) (18)

(19)

где П- плотность орошения жидкостью, м3/м2 с; Ь- ширина ячейки пакетной вихревой ячейки, м; рж, р„ - плотность жидкости и пара, кг/мЗ; рж, Цп - коэффициент динамической вязкости жидкости и пара, Па с; v„- скорость пара, м/с.

Предлагаемая методика расчета представлена в виде блок - схемы.

Средняя погрешность расчетных по уравнению (17) от экспериментальных данных составляет ± 16 %.

Выводы по работе:

1. Анализ литературных источников и существующих технологических схем с применением процессов ректификации показал, что в настоящее время нет высокоэффективных массообменных устройств, позволяющих существенно снижать энергоемкость этих процессов и габариты ректификационных колонн.

2. Исследования процесса ректификации бинарных систем (на примере смеси вода-этанол) в установке непрерывного действия показали, что наряду с исследованными ранее процессами пылеулавливания, деаэрации и абсорбции применение в качестве массообменного устройства пакетной вихревой насадки в процессе ректификации позволило существенно интенсифицировать данный процесс и повысить средние оптимальные скорости пара до 4,5 м/с, по сравнению с существующими ректификационными колоннами, у которых средняя скорость пара составляет 1 м/с.

3. Экспериментальными исследованиями показано, что конечная концентрация спирта в продукте, практически во всех случаях, была близка к его (спирта) равновесным концентрациям при температуре паров в верхней части колонны.

4. Принятая балансовая математическая модель процесса непрерывной ректификации позволяет рассчитывать, начиная с куба, переменные по высоте колонны концентрации легколетучего компонента в жидкой и паровой фазах, их потоки с учетом переменного к.п.д. каждой тарелки в виде жесткого пакета пакетной вихревой насадки.

5. Обработка полученных экспериментальных данных позволила найти эмпирическую зависимость к.п.д. тарелки от критериев Re по паровой и жидкой фазам, в которых в качестве характеристического размера использовался размер ячейки, равный

0.011.м.

6. Разработана методика расчета ректификационной колонны с пакетной вихревой насадкой, позволяющая рассчитывать ее высоту и диаметр.

Основные обозначения, принятые в работе. L - расход жидкой фазы, кг/ч; V - расход паровой фазы, кг/ч; п - число тарелок, шт; Re* -критерий Рейнольдса жидкости; Re„ - критерий Рейнольдса пара; Т - температура, °С; v -скорость, м/с; х - концентрация легколетучего компонента в жидкости, кмоль/кмоль; у -концентрация легколетучего компонента в паре, кмоль/кмоль; »// - эффективность контактного устройства (тарелки).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Журналы, рекомендованные ВАК

1. Ворошин, A.B. Анализ конструктивного оформления ректификационных колонн / A.B. Ворошин, О.В. Чагин, В.Н. Блиничев // Химическая промышленность сегодня. - 2013. -№9. - С. 23-28.

2. Ворошин, A.B. Математическое описание процесса ректификации бинарных систем в ректификационной колонне с пакетной вихревой насадкой / A.B. Ворошин, О.В. Чагин, В.Н. Блиничев // Изв. Вузов. Химия и хим. технология. - 2013. Т.56. Вып.11. - С. 120-123.

Зарубежные журналы

3. Ворошин, А. Эффективность пакетной вихревой насадки по сравнению с другими насадками / Krawczyk J., Чагин О., Шарнин В., Блиничев В. // Czasopismo Techniczne, ISSN 0011-4561, ISSN 1897-6328, Wydawnictwo Politecniki Krakowskiej. 2-M/2012, Zeszyt 6 Rok 109, ISSUE 6 YEAR 109, P. 465-472.

/f-

Другие издания

4. Ворошин, A.B. Математическая модель процесса ректификации в колонне с пакетной вихревой насадкой / Неробелов А.О., Полянский A.B., Чагин О.В. // Сборник трудов XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». - Саратов. - 2013. - б. — С. 39-41.

5. Ворошин, A.B. Разработка ректификационной колонны непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой для получения этилового спирта / Неробелов А.О., Полянский A.B. // Сборник трудов III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». - Казань. - 2012. - С. 42-43.

6. Ворошин, A.B. Модель процесса ректификации в колонне с пакетной вихревой насадкой / Неробелов А.О., Полянский A.B. // Сборник трудов III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». - Казань. - 2012. - С. 224-228.

7. Ворошин, A.B. Описание процесса ректификации в колонне с пакетной вихревой насадкой / Чагин О. В., Блиничев В.Н. // Сборник трудов XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». - Саратов. - 2012. - 2. -С. 91-95.

8. Ворошин, A.B. Ректификация этилового спирта в ректификационной колонне с высокоэффективной пакетной вихревой насадкой / Чагин О.В., Ковалев А.Ю., Блиничев В.Н. // IV Международная научно-практическая конференция « Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011». Труды конференции. - Москва. - 2011. - 2. - С. 240-243.

9. Ворошин, A.B. Конструктивное оформление ректификационных колонн // Шестьдесят пятая всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и магистрантов высших учебных заведений с международным участием, тезисы докладов. -Ярославль.-2012,-ч.1.-С. 145.

10. Ворошин, A.B. Математическая модель процесса ректификации водно-спиртовых смесей / Неробелов А.О., Полянский A.B. // Материалы региональной студенческой научной конференции «Дни науки-2013». - Иваново, ИГХТУ. - 2013. - 1. - С. 203.

11. Ворошин, A.B. Разработка и исследование процесса ректификации водно-спиртовых смесей в установке непрерывного действия / Неробелов А.О., Полянский A.B. // Материалы региональной студенческой научной конференции «Дни науки-2013». — Иваново, ИГХТУ. - 2013. - 1. - С. 205.

12. Ворошин, A.B. Конструктивное оформление ректификационных колонн / Чернов М.А. // Материалы студенческой научной конференции «Дни науки-2011».- Иваново, ИГХТУ. -2011.-1.-С. 203.

Автор выражает благодарность заслуженному деятелю наук, доктору технических наук, профессору Блиничеву Валерьяну Николаевичу за ценные консультации и помощь в проведении научно-исследовательских работ.

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,00. Уч.-изд л. 1,03. Тираж 85 экз. Заказ 3430

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7

/f

Министерство образования и науки РФ

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение

Ворошин Андрей Валерьевич

РАЗДЕЛЕНИЕ БИКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ПАКЕТНОЙ ВИХРЕВОЙ НАСАДКОЙ

Специальность: 05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий

Высшего профессионального образования

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На ] гаси

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Чагин О.В.

Иваново 2013

Содержание стр.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 3

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13

1.1 Обзор существующих массообменных устройств ректификационных колонн 13

1.2 Расчет процесса ректификации бинарных систем 26

1.3 Математическое описание процесса ректификации 29

1.4 Моделирование ректификационных установок 30

1.5 Математические модели процесса ректификации бинарных систем 34 Выводы по литературному обзору 45 ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 48

2.1 Описание схемы экспериментальной установки 48

2.2 Описание конструкции экспериментальной установки 52

2.3 Описание пакетной вихревой насадки 53

2.4 Методика проведения исследований 59 ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ 62 ГЛАВА IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 73

4.1 Гидродинамика процесса ректификации 75

4.2 Тепло - и массообмен в ректификационной колонне с пакетной вихревой насадкой 82 ГЛАВА V. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ 94 ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 103 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Ъ - ширина ячейки пакетной вихревой ячейки, м;

Са — удельная теплоемкость дистиллята, Дж/(кг-К);

С№— удельная теплоемкость кубового остатка, Дж/(кг-К);

Судельная теплоемкость исходной смеси, Дж/(кг-К);

С/"н - динамический коэффициент трения;

С/- коэффициент трения пара о пленку жидкости;

и — количество дистиллята, кг/ч;

Е>тж~ коэффициент продольного перемешивания, м2/с;

Е\у—эффективность куба;

.Р - количество исходной смеси, кг/ч;

/- номер тарелки питания;

(7лг— количество пара на выходе из колонны, кг/ч; О^ — количество пара на ¡-ой тарелке, кг/ч; (7 - расход пара, кг/ч;

- энтальпия флегмы, Дж/кг; hf — энтальпия питания, Дж/кг;

- энтальпия пара на выходе из колонны, Дж/кг; Нуу - энтальпия пара кубового остатка, Дж/кг; Нк - высота колонны, м; Н— энтальпия пара, Дж/кг; к — энтальпия жидкости, Дж/кг; Ннас- высота ячейки пакетной вихревой насадки, м; Нед- высота единицы переноса, м; / — количество тарелок, пгг;

j - массовый поток сконденсировавшегося пара, кг/м2-с; Ьы+] — количество флегмы, кг/ч;

Ь( - количество жидкости на ьой тарелке, кг/ч; 1Ж - длина пути, проходимая жидкостью, м; 1т—длина пути жидкости на тарелке, м;

/, - высота сепарационного пространства над 1-ой тарелкой, м;

1], 12 — интервалы в ячейке полного перемешивания, м;

Ь - расход жидкой фазы, кг/ч;

Ьр - расход жидкой фазы исходной смеси, кг/ч;

Ьо — расход жидкости дистиллята, кг/ч;

Ьцг - расход жидкости кубового остатка, кг/ч;

I, - корректированный расход жидкой фазы, кг/ч;

М] — молярная масса легколетучего компонента, кг/кмоль;

М2 — молярная масса инертной фазы, кг/кмоль;

Иоу - общее число единиц переноса;

Ит — число тарелок, пгг;

п - число тарелок, шт;

Ре - диффузионный критерий Пекле;

(Х - количество тепла, подводимое к кубу колонны, кВт;

С)к — расход теплоты, получаемой в кубе — испарителя, кВт;

<2Драсход теплоты, отдаваемый в дефлегматоре при конденсации паров

воды и спирта, кВт; ¿7 - доля высоты колонны;

<ух — тепловой поток от пара к жидкости, Дж/м2 с; Л - флегмовое число;

гп- удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;

г№— удельная теплота конденсации кубового остатка, Дж/кг;

Яеж - критерий Рейнольдса жидкости;

Кеп - критерий Рейнольдса пара;

Я - площадь поперечного сечения слоя жидкости, м2;

температура дистиллята, °С; температура кубового остатка, °С; температура исходной смеси, °С; Т— температура, °С; Уяч— объем ячейки, м3; V- расход паровой фазы, кг/ч; К/г - расход паровой фазы исходной смеси, кг/ч;

- количество пара выходящего из куба—испарителя, кг/ч;

V] - корректированный расход паровой фазы, кг/ч; ¥„ - расход пара на выходе из колонны, м3/с; у„ - скорость пара, м/с;

— скорость жидкости, м/с;

Ж — количество кубового остатка, кг/ч;

Л

1¥ж - коэффициент молекулярной диффузии, м /с; х - концентрация легколетучего компонента в жидкости, кмоль/кмоль; х*1_1 - состав жидкости, равновесной с паром, поступающий на тарелку, кмоль/кмоль;

хр - концентрация легколетучего компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль; х0 - концентрация легколетучего компонента дистиллята, кмоль/кмоль; хцг - концентрация легколетучего компонента кубового остатка, кмоль/кмоль; хр - массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, кг-к/кг-смеси;

хп - массовая доля легколетучего компонента в дистилляте, кг-к/кг-смеси; х№ - массовая доля легколетучего компонента в кубовом остатке, кг-к/кг-смеси;

хр - молярная доля легколетучего компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль;

у — концентрация легколетучего компонента в паре, кмоль/кмоль;

5

у* — равновесная концентрация состава пара, кмоль/кмоль;

уР*~ концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в

равновесии с жидкостью, кмоль/кмоль;

Ууу — концентрация легколетучего компонента в кубе -испарителя, кмоль/кмоль;

Ур -концентрация легколетучего компонента в паровой части расхода питания, кмоль/кмоль;

уп — концентрация легколетучего компонента в паровой фазе на выходе из колонны, кмоль/кмоль;

у о* — равновесная концентрация легколетучего компонента в паровой фазе дефлегматора, кмоль/кмоль; Z- координата, м;

а — коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов в условиях разделения;

е — заданная точность выполнения общего покомпонентного баланса; Цту~ коэффициент полезного действия тарелки; г/оу — величина локальной эффективности; г] ¡у - эффективность кипятильника;

— эффективность контактного устройства (тарелки); ///- эффективность контактного устройства питания; г}о - эффективность дефлегматора; X — фактор диффузионного потенциала; цж — коэффициент динамической вязкости жидкости, Па-с; //„ — коэффициент динамической вязкости пара, Па-с; рж — плотность жидкости, кг/мЗ; рп — плотность пара, кг/мЗ; Тир— время пребывания, ч;

3 2

П - плотность орошения жидкостью, м /м с;

ВВЕДЕНИЕ

Процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ различной чистоты играют ключевую роль в современной промышленности. При этом наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более чистых веществ. Среди процессов разделения жидких смесей доминирующую роль играет ректификация, и ее количественная доля в этих процессах составляет около 90 %.

Известно [1,2,6,7,33], что ректификация является одним из самых энергоемких процессов в химической и нефтехимической промышленности, в связи с необходимостью нагрева, испарения и конденсации огромных количеств (объемов) жидкостей. Стремление к получению чистых и особо чистых легкокипящих компонентов приводит к высоким значениям флегмового числа, что резко повышает энергозатраты (и снижает производительность) процесса разделения, в связи с полным испарением флегмовых потоков жидкостей в ректификационной колонне.

Современная промышленная ректификация сложилась более 100 лет тому назад и за последнее время не претерпела принципиальных изменений. Усилия тысяч инженеров и ученых были направлены на совершенствование промышленных процессов дистилляции, но сами основы существующего ректификационного процесса до сих пор остались без изменений [75].

Сравнительно низкий кпд тарелок ректификационных колонн, малые оптимальные скорости пара на каждой тарелке приводят к увеличению габаритных размеров колонн и, следовательно, к увеличению капитальных затрат при их изготовлении. Многие тарельчатые промышленные ректификационные колонны имеют высоту более 40м. Большие затраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт колонн в значительной степени ухудшают экономические показатели производств и повышают себестоимость продукции [16,17,23].

В настоящее время большинство работающих промышленных ректификационных колонн оснащены массообменными устройствами в виде тарелок. Однако в последние годы появился целый ряд работ по использованию в качестве массообменных устройств различных насадок. Насадочные колонны более компактны, имеют меньшие диаметры и высоты. В то же время необходимо отметить, что все применяемые насадочные устройства работают эффективно только в пленочном режиме, т.е. при малых скоростях пара (менее 1,5 м/с) и низких плотностях орошения (менее 10-15 мЗ/м2*ч).

Другим недостатком существующих насадочных колонн является тот факт, что повышение удельной производительности процессов тепло — и массообмена требует увеличения поверхности насадок, что, в свою очередь, приводит к росту гидравлического сопротивления и к невозможности равномерного распределения жидкой фазы в виде пленки по поверхности насадки.

Новая высокоэффективная пакетная вихревая насадка, применяемая нами при ректификации, появилась благодаря плодотворному 20—летнему сотрудничеству между кафедрами: промышленной аппаратуры Краковской Политехники и машины и аппараты химических производств ИГХТУ.

Эффективность тепло - массопереноса данной насадки исследовали в процессах абсорбции [68], конденсации низкоэнергетических паров [69], пылеулавливания [70] и термической десорбции кислорода из воды [71].

Впервые на процессе абсорбции экспериментально доказано, что

обнаруженный ранее рядом российских ученых Н.М. Жаворонковым, В.В.

Кафаровым, А.Н. Плановским эффект создания высокоэффективного

эмульсионного режима в аппарате с кольцами Рашига в узком диапазоне

скоростей газа, близком к зависанию жидкости в слое насадки, реализуется в

пакетной вихревой насадке в широком диапазоне скоростей газа 2,5-6 м/с за

счет образования в каждой ячейке устойчивого вихря, вращающегося

8

относительно как горизонтальной, так и вертикальной осей, в результате взаимодействия которого с жидкой фазой возникает и быстро сепарируется на стенках ячеек огромное количество капель различного размера, а, следовательно, развивается большая поверхность тепло - и массопереноса и наблюдаются высокие коэффициенты массопереноса. Также обнаружено, что генерирование и одновременная эффективная сепарация образующихся капель в каждой ячейке насадки за счет сложного вращения вихря приводит к «самоорганизации» потоков газожидкостной смеси, следствием которой (в отличие от других типов насадочных устройств) является низкое гидравлическое сопротивление насадки (существенно более низкое по сравнению с имеющимися насадками), которое начинает возрастать только при скоростях газа более 5 м/с [60, 68].

Исследования процесса конденсации низкоэнергетических паров впервые показали высокую эффективность тепло - и массообмена при конденсации пара в аппарате с вихревой пакетной насадкой. Объемный средний коэффициент массоотдачи в исследованном аппарате составляет 12000- 13000 кг/м3-ч. Показано, что гидравлическое сопротивление пакетной насадки существенно зависит от размеров входных и выходных каналов завихрителей. Для осуществления эффективного тепло- и массообмена и минимального гидравлического сопротивления в данной насадке при поперечных ее размерах 20x20 мм, размеры входных и выходных каналов должны быть 8-9 мм. Экспериментально обнаружен факт наличия больших амплитуд турбулентных пульсаций во всем диапазоне их частот, что является одной из причин высоких значений коэффициентов массоотдачи при конденсации пара в аппаратах с пакетной вихревой насадкой [69].

Для процесса пылеулавливания предложена новая конструкция пакетной вихревой насадки, отличающаяся более низким гидравлическим сопротивлением (ДР=850Па/м, при скорости движения газа иг=4 м/с, и

3 3 2

плотности орошения П=4,5-10" м /м с, ДР=1100Па/м, при иг=6 м/с

9

3 3 2

и П=4,5-10" м /м с) и высокой эффективностью массообмена, по сравнению с пакетной вихревой насадкой. Установлен оптимальный режим эффективной работы пакетной вихревой модифицированной насадки, позволяющий иметь к.п.д. пылеулавливания более 99,5% для всех испытанных пылей с размерами частиц менее Юмкм (скорость движения аэрозоля иг=4 м/с, при количестве пакетных вихревых тарелок равном 5 и их высоте 65 мм, плотности орошения П=4,510"3м3/м2с) [70].

Проведенные исследования показали высокую эффективность процесса термической (острым паром) десорбции кислорода из воды, реализованного в аппарате с пакетной вихревой насадкой при противоточном движении потоков пара и воды при практически полной конденсации пара. Лабораторные исследования показали, что применение высокоэффективной насадки резко интенсифицируют процесс тепло и массообмена за счет развитой межфазной поверхности, высокой турбулизации фаз и больших удельных расходов фаз, что приводит к уменьшению габаритов аппарата термической десорбции кислорода из воды, а также к снижению энергозатрат [71].

На кафедре МАХП ИГХТУ ранее были проведены исследования процесса периодической ректификации водного раствора этанола при использовании новой пакетной вихревой насадки [9]. Пробные экспериментальные исследования процесса ректификации в периодическом режиме работы показали лишь достаточно высокую эффективность процесса разделения смеси этанол-вода и необходимость продолжения исследований при больших скоростях пара и в непрерывном режиме работы колонны.

Цель работы: исследовать возможность применения пакетной вихревой насадки, показавшей высокую эффективность в других массообменных процессах, в ректификационном аппарате непрерывного действия.

Достижение этой цели осуществлялось путем решения комплекса задач:

ю

- изучение процесса непрерывной ректификации бинарной смеси при различных режимах работы экспериментальной установки с пакетной вихревой насадкой;

- экспериментальное определение к.п.д. условной тарелки ректификационной колонны, как функции плотности орошения и скорости пара;

- разработка математической модели процесса непрерывной ректификации бинарной смеси в установке с пакетной вихревой насадкой, с учетом найденного к.п.д. контактного устройства;

- разработка инженерной методики расчета ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси с пакетной вихревой насадкой.

Научная новизна. 1. Впервые экспериментально показана высокая эффективность пакетной вихревой насадки в диапазоне изменения скоростей пара от 1,5 до 4,5 м/с при осуществлении непрерывного процесса ректификации.

2. Получена эмпирическая зависимость к.п.д. условной тарелки (насадочного слоя) от переменных по высоте колонны критериев Яе по пару и жидкости.

3. Представлена математическая модель процесса непрерывной ректификации в аппарате с пакетной вихревой насадкой с учетом переменного значения к.п.д. условной тарелки (в виде жесткого пакета вихревых ячеек размером 11x11x30 мм).

Практическая ценность и реализация работы. Разработана методика расчета ректификационной колонны с применением пакетной вихревой насадки, позволяющая определить диаметр колонны и высоту насадки.

На основании проведенных исследований разработаны пилотные ректификационные колонны для разделения водно - метанольной, формальдегидной и этанольной смесей.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались на III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», Казань - 2012, IV Международная научно-практическая конференция « Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011», труды конференции, Москва - 2011, Материалы региональной студенческой научной конференции «Дни науки-2013», Иваново-2013.

Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 статья в зарубежном журнале.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 4 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 101 источник, из которых 24 иностранные.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Обзор существующих массообменных устройств ректификационных колонн.

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделять на составные части.

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых сме