автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих аппаратурно-технологических решений в производстве капролактама и аммиака

Белорусский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт им.С.М.Иирова

На правах рукописи Экз. №

КА1ИШУК Дмитрий Григорьевич

РАЗРАБОТКА. РБСУРСОСВЕРЕГАЮ^^ АППАРАТУРНО-ТЁХНОЛОгаЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ в производстве КАПРОПАКТАМА. И А1М1АКА.

Специальность 05.17.08 - процессы и аппараты '' химической технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

в форме научного доклада

Минск° 1993

Работа выполнена в Белорусском технологическом институте им.С.М.Кирова. ./ 1

Научный руководитель доктор технических наук;

профессор А.И.ЕРШОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ДЕЙД/ШСКИЙ Э.И.,

к^одидат технических наук, с.н.с. ЧЕШЬСКИЙ A.C.

Ведущее предприятие - Гродненское ПО "Азот".

Защита состоится окли1993 г. в 14 час.

на заседании специализированного совета К 056.01.03 при БТИ лы.С.М.Кирова (220630, Республика Беларусь, г.Минск, ул.Свердлова, 13а) в ауд. 240 (корп.4).

С диссертаций ыовно ознакомиться в библиотеке БТИ им.С.(А.Кирова.

Автореферат разослан "gffi* 199 Ь г.

где (¡{ , , Сл - расходы поглотителя, уносимого в воде капель и в паровой фазе, а также распределяемого компонента, уносимого с каплями поглотителя, соответственно, кг/ч; Цг. стоимость поглотителя, руб/кг.

Обобщенное выражение для техно-аноноыической оценки абсорбционной установки с применением дорогостоящего поглотителя имеет вид

С,(цл-ц,нс?+с:Ж -а£цл -(Е-ю-зз')/гГОА>о. (4)

При его использовании для расчета противоточного абсорбера следует принимать: состав .уносимых капель поглотителя идентичен составу свежего поглотителя; концентрация улавливаемо-,го компонента всвэжэм поглотителе равна нулю (в реальных установках она близка к нулю); состав поглотителя на выходе газа из контактной зоны такой ае„ как и у свежего поглотителя; парогазовая сыесь, выходящая из абсорбера находится в состоянии равновесия со свеяим поглотителем и подчиняется закону Рауля. Используй уравнения материального баланса, зависимость (4) приводится к виду

[22.4(1-у")]~-Э3')/Ггч>0, (5)

где О - объемный расход газовой смеси на входе в абсорбер, приведенный к нормальным условиям, м3/ч; Л/л и Г1и - модярныа массы улавливаемого компонента и поглотителя соответственно, кг/кыоль; у' и у" - концентрации улавливаемого компонента в газовой смеси на входе и на выходе из абсорбера, кмоль/кноль; € - относительный унос поглотителя, кмоль/кмоль поглотителя; Xя- концентрация улавливаемого компонента в поглотителе на выходе из абсорбера (в отработанном поглотителе),кмольАмоль; 0 Рь - равнов-сное давление паров поглотителя при температуре газовой смеси на выходе из абсорб?ра, Па; Р - давление в аб-' сорбера на выходе а газовой смеси. Па.

Ив (5) следует, что допустимые значения В и относительного массового уноса Поглотителя . кг поглотителя/кг Iа-юпой смеси, определяятся следующим образом:

{£Н?-ЭУНЩММ' Тг,й(у'-у")]}; (б)

{ШЦ* -Ца)(у'-у") -22,4 (Е-ИЗ +Э3')(1 -уШ^Ш Шг-у')]-МиР:/Р}/М*, (7)

где Нц - полярная ыасса газовой смеси на выходе из абсорбера, кг/кмоль.

При реконструкциг- абсорбционных установок с целью повышения их эффективности капитальные затраты, как правило, невелики. В результате реконструкции не происходит значительного изменения эксплуатационных затрат 33 . Учитывая такае низкую летучесть жидкостей, используемых в качестве поглотителей, допустимую величину уноса поглотителя можно определить по приближенным зависимостям

г * НА Ц*Х"/[МиЦЛ-ХV; (8)

е<<МАЦ*и/„-¡/'р/смцци/-^)]. <9>

где у'Р и у'р - концертрации улавливаемогс компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера до и после реконструкции соответственно, кмоль/кмоль.

Для прямоточных абсорберов, когда состав уносимых капель принимается идентичным составу отработанного поглотителя, а отходящая газовая смесь находится а равновесии с ним, допустимую величину уноса поглотителя с использованием уравнения (4) можно определять из выражений

¿< х "ШЦв -Ць) -{М^р'л-хпа-ц ур+22а а-у жкъ +эъу (О ГгМу' -у'ЖМа (Ц* -Ц в1*°+/>ПЦи {/-Х'З; (10)

е^еМьГу'-у Мц х"{/-у'Л. ш>

Для оценки реконструируемых абсорберов выражения (10) и (II) упрощаются

е<МаЦ*х"/[М*и,яхп*М1.Ц1.(1-х")1; (12)

В, < МиК*и..<у1- уЖМ*СП>Ц*х'+ М.ЦЛ-х"Ю. (13)

Используя зависимости (б)-(13) при известных величинах уноса поглотителя и Ця для конкретного абсорбера, можно оценить применимость пота жителя. Например, при реконструкции противоточных абсорберов, предельное соотношение стоимостей поглотителя и извлекаемого компонента определяется выражением

Ць/и,*<у'Рп/(п*еч+МиР1/Р). (14)'

1.2. Исследование влияния параметров закрученного двухфазного потока на течение пленки в ПЦКСУ

Во многих аппаратах, предназначенных для взаимодействия и разделения гаэожццкостных систем (в том числе абсорберах), используются ПЦКСУ. Аппараты, снабженные ПЦКСУ высокопроиз-

водительны, компактны, в них достигается интенсивное взаимодействие фаз и их эффективное разделение после контакта.

Разработке ЩКСУ, изучении закономерностей вэаиыодейсз -вия, движения и разделения фаз в закрученном прямотоке посвящен целый рад крупных исследований. Результаты их отражены, в частности, в диссертациях на соискание ученой степени доктора технических наук, выполненных А.И.Ершовыы, Э.И.Лев-данским и др. Однако недостаточно изученным, в т.ь:. экспериментально, остается характер движения пленки »едкости по стенке ЯЦКСУ и практически отсутствуют сведения о величине ее взкторр полной скорости, что затрудняет совершенствовать конструктивное устройство узла сепарации и методику инженерного расчета.

Анализ публикаций показал, что исследования параметров для определения полной скорости пленки осуществлялись только на недельной системе воздух-вода, поэтому совсем не выяснено влияние вязкости жидкости на характер ее течения. Кроме того, большинство из использованных методик давало значительную погрешность измерений.

Авторо» получены экспериментальные данные о толщине пленки яидкости, направлении движения и, как следствие, о полной скорости и эе составляющих в широком диапазоне изменения расхода обеих фаз, закрутки газового потока, вязкости видкости. При проведении исследований на опытной установке (рисЛ) по возмояности шнимизированы погрешности методик измерения параметров пленки, допущенные ранее экспериментаторами при выполнении подобных работ. Например, погрешность измерения температуры не прэвшаяа С,5 К, барометрического давления 100 II-, других давлений 5 Па, расходов яидкости и газа 2 %, вязкости яидкосги 5 %.

Закрутка потока оценивалась величиной безразмерного мо-момента движения М и изменялась от 0,55 до 2,45. Нагрузка по газу оценивалась фактором газовой нагрузки Р* и изменялась от 15 ца 45 Па®»нагрузка по жидкости оцеш_>алась лк-юйной плотность» орошения Г и изменялась от 6-10"^ до

ы3/(м«с). Вязкость модельных вздкостей - вода и водные растворы глицерина - изменялась от I до 10 мПа-с.

^ Для определения направления движения пленки жидкости применен ме^од трассирования раствором электролита.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

I - газодавка; 2 - колонка; 3 - ячейка; 4 - сепаратор;

5 - насос: б - емкость: 7 - диафрагма: 8 т>ротаметр;

9-11 - дифференциальный манометр; 12,13 - Термометр;

К 17 - вентиль; 18 - задвижка.

—ф— _ жадность; —{>--воздух.

Устройство ячейки для этих целей и .принципиальная схема измерительного блока изображены на рис.2.В стенку патрубка I диаметром 57,2 мы, изготовленни'о из органического стекла, были вмонтированы с шагом 3,5 мм точечные датчики 2, изготовленные из калиброванной проволоки диаметром 0,7 мм, В вертикальном и горизонтальном р~дах'располагалось по 11 датчиков, соседние из которых попарно подключались через переключатель 8 к источнику напряжения •* генератору звуковых частот 4. Трассер вводился через один из штуцарог 3 диаметром 0,5 мм, горизонтальный р*щ которых б,гч вмонтирован в стенку патрубка ниже датчиков. Трассер смешивался с модельной «едкостью и двигался совместно с ее пленкой, достигая точечных датчиков. От концентрации трассера в жидкости, протекавшей над датчиками зависела величина падения напряжения на посто- ' янном сопротивлении 5. Падение напряжения фиксировалось по показаниям милливольтметра 6 и осциллографа 7. Максимальное падение напряжения, полученного при обработке результатов опроса датчиков, соответствовало точке на линии их расположения, по положению которой и положению точки вводе трассера

определялось направление пленки жидкости. За счет высокой точности установки датчиков разность падений напряжений на сопротивлении 5 при опроса всех пар без ввода трассера не превышала 2 %.

Рис.2, Ячейка для определения направления полной скорости жидкости.

а - электрическая схема; б-измерительная часть патрубка. I - патрубок; 2 - точечные электроды; 3 - штуцер ввода трассера; 4 - генератор звуковых частот ГЗ-ЗЗ; 5 - сопротивление; б - милливольтметр ВЗ-ЗЗ; 7 - осциллограф CI-93; 8 - многопозиционный переключатель.

На рис,За представлен характер кривых распределения падения напряжения при различных режимах исследований, который подтверждает высокую чувствительность метода. На рис.Зб-Зг приведены некоторые результаты исследований направления движения пленки жвдкости, где J~nn - угол между горизонталью и направлением полной скорости пленки, рад.

При анализе результатов эксперимента была выяснена область устойчивого поведения функции сСл* *f(ju,r,M,F&) о и вццален массив, состоявший из 200 точек. В результате обработки его получена аппроксииационная зависимость степенного веда

= 1,1-Hju ">"* (3 - ЛТГ" Г*мп (15)

Данное уравнение прминимо при значениях ñ от 0.55 до 2; Г - от 2,5-КГ4 до. Mí)"3 м3/(м с- от МО"3 до Ы0~л Па*с и Р»> 20 Па®»®-. Среднее квадратичное отклонение раочетных и экспериментальных значений <Сп, при этом составляет 7,2 что отражено на корреляционном графике Сгжс.4). При плотности орошения менее 2,5-10 и3/(и-с) <АЯ. меняет-

<3 30

© К

О-§

ж

*

V

И

¡1 " ¡'1-.....

2 4

Номер пары датчиков а)

& р-

1,1

3 и

и

-А // Г О''2 гЬ»*-

Ш,— --< —-г

№

20

30 I

в)

40 Л. па0»5

2 с

Ч

——* Г" ■3

>

20

30

40

К, Па°»5 б)

N = 0,55

30 40

Я. Па0'5 г)

Рис.3. Экспериментальные данные по исследованию направления полной скорости пленки жидкости:

а) распределение напряжения на датчиках;

б)-г) Л {(ц) . , 0к Обозначений точек:*- М= 1,1; Я = 25 Па"»4'; п с Г- 0,69« ыЗ?(м.с); * - А- 1,1; Я = 2& Па°Д&*

/•=10,7.10 м /(м*с)•

Обозначения линий по б—г; ■ = 1,3 мПа.с; — —— -

/и= 4.2 мПа.с:------& = 8,2 мПа.с;. I - Г ~

» 0,59.10"^ мэ/(м.с); 2 - Г = 2,56.10"4 цэ/(м.с); 3 - Г = 11,1 мЗ/(ы.с).

ся по величине не более чем на 10 %, Для /><20 Па®'® получить апл р о к с кыаци онную функции на представляется возможным из-за сильной неустойчивости движения пленки жидкости.

11.0

I

0,0

0,6

+7,2 X 'У Г *

о В / / ф •уг / / / / '-7,2 %

3 I • 0 / п.. тЛ щ % г

-А у** А

/ / о <3

// '/А

0,6

0,8

1.0 с£/м, рад

Рис.4. Корреляция экспериментальных данных зависимостью (15). Обозначения экспериментальных точек

М

ГлФ

.10*. Па. с

1 М7(У-9) I_ьа

4.25 { 8.2

1.9

1.1 0,5^

2,78 5 56 8^33

2,78 5*56 Ь.ЗЗ

2,78 5 56 8 33

• -

о 9

0

0 9

0

а а а

А Л Л

V

V

~ > Для определи 1ия средней толщины пленки водке зти оПй и осевой сосаЛвляпщей ее скорости <*г»с нами использован метод л о: альной эяектропроводнисти. На р>;с.5 и обращена схема экс-

периментальной ячейки. Автором шесены иьденения в методику эксперимента по сравнению с другими исследователями, что позволило повысить точность измерений. Толщина пленки устанавливалась по величине падения напряжения на постоянном сопротивлении б, включен ,ои в цепь источник питания (генератор, звуковых частот о) - датчик (пара точечных электродов 9 в стенке патрубка I). При этом зависимость показаний милливольтметра 7 от воздействия внешних электрических полей била меньше, чем зависимость показаний ыикроаыперыетра, включенного в такую ве цепь у других исследователей. Тарировочную зависимость иевду юеличиной падения напряжения и толщиной пленки автор подучил, испсяьэуя пару точечных электрс-.ов 9, установленных непосредственно в патрубка X исследовательской ячейки. Фиксированная толщина пленки при тарировке устанавливалась ступенчатой вставкой 4 с точностью ±3 мкм. Другие исследователи использовали специальные тарировочные ячейки, которые не обеспечивали точную воспроизводим ость датчика и поверхности, на которой он установлен. .

Результаты исследований средней толщины пленки представлены на рис.6. Анализ и обработка опытных данных показали, что аппроксимация зависимости 5„„ от // дает мало-

достоверные зависимости. Например, для интервала изменения

а

7 I.*

о

/9'- 1.1

\ f-r~0.69.104

7 1.4

о

10 0,6 0.4

_/-/= 0,69.10^

Л л-л. 2,56.10* 3-Г=Я,П.104

\ч

35

Па0'5

/5=15Па0»5. I / >*,

£=25Па°'5-П

0

б)

П, Па0-5

1,5

Г,-10"° м3/(м.с) г)

Рис.6. Экспериментальные данные по исследованию толщины пленки: а-в - 5nЛ^f(ps) ; г - Г„„ =/ (Г) при М = 1,1;

--ы= 1,3-10-3 па.с;---- л,= 4,2 10--3 Па.с;

----8,2 10-3 па.о. ^ .

Примечание:0разьГгрность Г по а-в - ы3/(м.с).

В от I до 2,// от 1-1СГ3 до 5-1СР3 Па-с,Г от 1,5-КГ4 до 8,5» 1СГ4 м3/(м.с) и при &> 25 Па0,5 наибольшую точность (среднее квадратичное отклонение расчетных ч экспериментальных значений Б*, - 50 %) дала зависимость

Л.=35/. Й(16) Согласно результатам эксперимента средняя толщина пленки не монет превышать 1,5*10""^ и.

Дальнейший анализ -показал, что взаимосвязь параметров движения пленки может бьиь опосредована через величину удельного (отнесенного к I ы длины патрубка) кинетического момента пленки Аг , кг«м^/(с«ы)

К* = ЗгО) (17)

"где Зг - удельный момент инерции пленки, кг-м^/м; со - угловая частота вращения пленки, рад/с.

Удельный момент инерции пленки с погрешностью не более I % для патрубков диаметром более 30 мм можно рассчитать по формуле

О пя р»г гя- 5 па], (18)

где Р - радиус патрубка, и; д>к - плотность жидкости, кг/и3. Угловая частота вращения пленки

(19)

Обобщая (17)-(19), получили

Кг Я р>#Г,'Я - 8„л)/1д<}~п* . (20)

По зависимости (20) были установлены экспериментальные значения удельного кинетического момента для различных значений у1*,^,^7,. Их графически отображение частично представлено на рис.7. При анализе зависимостей выяснено: устойчивое поведение функции

Кг наблюдается в области изменения М от 0,75 до 2,45 и/и от МО4до МОГ2 Па-с ал % > 23 Па0«5 и Г< м /(м«с). Значение Кг мало зависит от вязкости

падкости. Аппроксимационная функция для указанного изменения параметров имеет вид

(21):

Среднее квадратичное отклонение расчетных и экспериментальных значений Нг составляет при этом 7,8 %. Корреляционный график функции представлен на рис.8. Аппроксимация опытных

значений Их с учетом вязкости жидкости показала, что К?

—О ОР

пропорционален ^ ' . Вклад этого параметра в величину

о я

Сч

«

= 1,9

и * 1,1

4

о

-■4-^'41

б

и и

\ 4

ы

- -

о

а •и

со 4 о

29 30 40 П. па0'5 б)

М = 1,1

N

/ ¡А Г у

¥

и, 0 I,

г, -10-ъ М3/(м.с) г)

Рис.7. Экспериментальные значения ыомента количества движения пленки жидкости.

а-в - зависимость Л г = • г - зависимость Иг 1

I - Г= 0,65.1(И мэ/(м-с); 2 - 2,77.10'«; 3 т 11,11-10-4.

. инии:

» I 5

;--уч* х,з мПа.с;----.// = 4,2 мПа-с;

- я ^"'9,25 мПа.с. Точки (графикг): « * , ца0,5; о : рг . ¿5 Па0,5; * - Г, - 35 Па0.5.

- 18 - •

Я ^

при вязкости »едкости от до '1-10'~ На-с не превдаает

0,5 %, что покрывается погрешностью эксперимента.

6-

с\Г

к

г

£

....... 1 +7,8% / // Иг

у -7,8%

' о / > /л. '/ А '/7

Ш/ ж ^ у

/

/ V •

Рис.8. Корреляционный график расчетных О ных ( • ) значений Кг, Обозначение экспериментальных точек

2 4 6

Кг,- Ю"3 кг.м2/(м-с)

.) и экспериментам

м

! Г, • Ю-4 мэ/(м.сГТ

в ,.п»и'а

25_ I

42.

1,9

1.1 0,55

2,78 5,56 8,33

1,39 5 56 8,33

0 в

о в

к о

® (V

1,39 5^56

Ф л

♦ @

Исходя из зависимостей (15), (20) и (21), представляется возможным с точностью ¿10 % рассчитывать среднюю тоящту пленки I.

— - ---------—--г* Ы ««^О^амш А илцпп^

ленки жидкости в диапазоне изменения М от 0,75 до 2,/Ч от • Ю"3 до МСГ2 Па.с при £> 23 Па°»5иГ< ЫОГ3 м^(м.с).

Полученная информация о толщине пленки жидкости, направлении ее движения, величине скорости позволяет решать задачи по оттоку жидкости чарез отверстия в стенке патрубка, * т.е. определять параметры работы с-ларационного узла ПЦКСУ (скорости истечения жадности через отверстие, коэффициента расход г,, и т.д.). Дня этого необходимо рассчитать суммарное давление Р на внутреннюю стенку патрубка, вызываемое воздействием закрученных газового потока Рг и пленки явдкости Рм Р = Рг'Я™. (22)

Используя теорему Эйлера для сплошных сред и вычислив регсто-ры объемных и поверхностных сил, а также количества движения через элементарные сечения в радиальных плоскостях, мояно определить Рг и Р.я. Объемной силой при этом является сила тяжести, поверхностной принимается сила динамической реакции стенки патрубка. Кроме того допускается, что силы трения компенсированы силами касательных напряжений, движение установившееся, тангенциальные составляйте скорости иг? в ваде-ленных элементарных сечениях равны, радиус % выделенного объема относительно оси а на изменяется.

С учетом принятых допущений я после соответствующих преобразований выражение для определения давления на стенку патрубка принимает вид

+ 2иг^дипШ * дг '(23)

где д - плотность среды; 2Х- угол конусности патрубка; д - ускорение свободного падения.

Данное уравнение применимо для расчета давления как от вращающейся пленки жидкости, так и от закрученного газового потока. Дня вохсодящего газожидкостного потока в цилиндри- . ческом патрубке, за вычетом силы тяжести, уравнение преобразуется к веду

сСР - (дах$/ч)е1*.. (24)

По зависимости (24) значение Р„„ можно рассчитать с использованием полученных ранеа_данных о §м я Лпл для различных значений Ц . Величину Й- следует опре-

делять, используя даннке о профилях поля скоростей закрученного газового потока в зависимости от , типа завихритеяя,/£

Поля скоростей закрученного газового клока, а также величины суммарного давления Р на внутренний стенку цияинд-

ричэского патрубка от закрученного газожидкостного потока на-ыи получены экспериментальным, путем для М от 0,85 до 1,9, Р* от 15 до ¿0 Па0'5, Г от 1,44«ИГ4 до 1,П.КГ3 м3/(м.с) на системах воздух-вода и воздух-раствор глицерина. Для этих ке случаев били проведены расчеты Р по зависимости (24). При расчетах Р»л использовалось осредненное по толщине пленки значение тангенциальной составляющей скорости

= Г/(5пл (25)

Учитывая малую ее толщину по сравнению с радиусом патрубка, давление рассчитывалось как

Рпа ~§ж г*/ЕЯб„*ад<}. „»)*]. (26)

где р^г - плотность жадности, кг/м , К - радиус патрубка, и.

Для газовой фазы значение Рр получено интегрированием профиля тангенциальной составляющей скорости. Пример результатов расчетов и экспериментальные данные давлений представлены в таблица.

Таблица

Экспериментальные данные

I г,- ю-4

Расчетные величины

{давление. Па

¿0.5!

в

л&

■Рг

22,2 2,87 1000 1,2 510 , 20,5 610 630

26,7 2,87 1000 1,2 655 24,0 785 809

31,5 2,87 1000 . 2 893 27,6 987 1014

22,2 11,11 1000 667 53,3 610 • 663

26,7 11,11 1000 иг 736 61,2 785 746

31,5 11,11 1000 1,2 922 86,6 987 1074

22,2 2,87 1095 3,3 568 6,5 610 617

26,7 2,87 {0«5 3,3 676 5,3 78" 790

31,5 2,87 1095 3,3 893 6,2 987 993

Расчеты покг- ,али, что давление пленки жидкости составляет не более 10 % от суммарного давления. Следовательно, до-статс хная точность расчетов параметров оттока «едкости через отверст; . узла сепарации ПЦКСУ может быть достигнута при ис-пс »зовании только данных о давлении.разового потока на стенку патрубка. Некоторое п,, эвышение рас^тной вел! .ины Р над •кспвуимантальнш обусловлено частичным затуханием крутки газового п тока прл взаимодействии с жидкостью.

1.3. Разработка совершенных конструкций ПЦКСУ, их испытание и внедрение

Результаты исследований параметров закрученного двухфазного потока, в том числе характеристик движения пленки, позволили автору разработать на уровне изобрения ПЦКСУ элементного типа с усовершенствованными узлами сепарации фаз, представленные на рис.9.

Устройство по а.с. 1031027 (рис.9а) содержит конический завихритель 3, установленный в узле сепарации 4 между горизонтальными рядами лепестков 6. При таком оформлении мелкие капли кидкости дополнительно улавливаются, осаждаясь на лопатках завихрителя и стекаясь в пленку, которая движется по лопаткам к с -энке патрубка I, где она отводите., от потока газа через отверстия под лепестками 6. За счет этого на 10-20 % уменьшается унос жцпкости, особенно при больших нагрузках по газу ( > 30 Па^'^). Кроме того достигается 1 л-тененфикация тепломассообмена благодаря созданию дополнительной активно обновляемой поверхности контакта фаз. Указанное ПЦКСУ внедрено в абсорберах моноэтанолаышовой очистки конвертированного газа цеха "Амыиак-П" на Гродненском ПО "Азот" взамен калюзийных сепараторов. В результате чего снижено потребление монозтаноламина, т.к. унос его уменьшился с 0,11 до 0,013 кг на I тонну производимого аммиака.

При разработке ПЦКСУ, изображенных на рис.9б-9г использованы данные о толщине пленки жидкости и направлении ее движения. Узел сепарации 4 данных устройств выполнен в ввде горизонтальных радов лепестков 7, имеющих форму арок и расположенных на внутренней поверхности патрубка I с перекрытием отверстий в его стенке. Арки выполнены сужаищимися и их оси направлены под углом к образующей патрубка соответственно направлению полной скорости пленки жидкости . Высота входных отверстий у арок соответствует максимальной толщине пленки яадкости с учетом ее волновой структуры.

Опытно-промышленные испытания ПЦКСУ с узлом сепарации, представляющим один горизонтальный ряд лепестковых арок (диаг-метр патрубка 70 мм, размеры входных отверстий 2,5x12 мм, число лепестков 12), показали, что ориентация осей лепестков в соответствие с направлением полной скорости пленки аевдкос-ти позволяет повысить расход жидкости чарез них на 10-50 %. На рис.10 изображены схема движения пленки жидкости относи-

А.с. 1031027

А. с. 1266034

а)

А. с. 1506680

б)

А.с. 1697323

Рис.9. ПЦКСУ элементного типа

т - патрубок; 2 - узел /одвода жадности; 3 - завихритель; ^ - узел сепарации; 5 - тарелка; б - лепе ток; 7 - лепесток .! виде арки; 8 - конический воротник; 9 - выпуклость; 10 - пластина

рельно лепестков и график зависимости относительной эффективности сепарации ф от величины угла наклона оси лепестка к рориэонтали для одной из серий опытов.

I

0,1

п \ХГ Чй

лл

ч

0,5

1,0

1,5 рад

Рис.Ю. Влияние ориентации оси лепестка на эффективность сепарации при Я = 1.1» Р = 5,55.10-4 ыЗ/См-с). I - лепесток в ввде арки; 2 - входное отверстие. * - отмечены экспериментальные значения «Сп» .

£5 определялась по зависимости

? ~ , (27)

где 1р - эффективность сепарации; - максимальная эффек-

тивность сепарации, достигаемая при заданных нагрузках по газу и явдкости.

Испытания ЭДКСУ с лепестками в ввде арок, установленного после ситчатой тарелки, работающей при нагрузках по газу от начала провала жидкости до величины, на 30 % превышающей низшею границу струйного режима, дали также положительный результат. Унос жидкости не превшая 0,003 кг/кг газа.

Результаты исчытаний, а также расчеты по зависимостям (б)-(9) позволили успешно внедрить разработанные автором ПЦКСУ в установквт очистки отдувочных газов от циклогексано-на на стадии гидрирования бензола в производстве капролакта-ма Гродненского ПО "Азот". Ввиду того, что нагрузка по газу в установках колеблется от 400 до 1500 мэ/ч, контактно-св-парационные устройства смонтированы в абсорберах согласно а.с. 1530193 (рис.11). В качестве поглотителя использована смесь циклогексанон-циклогексанол, цена которой примерно в 1,5 раза выше цены улавливаемого компонента - циклогэксана. В соответствии с расчетами технс-экономической оценки при

степени улавливания циклогексана 0,75 унос поглотителя не должен был превышать 0,005 кг/кг.

В результата достигнута средняя степень улавливания цикло-гексана 78 % при уносе поглотителя не превышающем 0,0004 кг/кг. За счет возврата циклогексана в -технологический цикл достигнут годовой экономический эффект более 48 тыс.рублей (в ценах 1985 г.), примерно на 250 т снижены выбросы органических паров в окружающую среду.

ГВДСУ по а.с. 1506680 (рис. 9в) содержат для снижения уноса конический воротник 8, препятствующий движению жцдкости по наружной поверхности патрубка I, и выпуклости 9 на внутренней 'его поверхности* направляющие пленку в отверстия лепестков в веде арок 7. Такие конструкции внедрены в установках очистки отдувочных газов от циклогексана на Черкасском ПО "Азот".

ПЦКСУ по а.с. 1697323 (рис.9г) содержат пластины 10 на наружной поверхности патрубка I, препятствующие пазб'чзгива-нио струй евдкости, выходящих из-под лепестков 7, за счет чего снижается вторичный унос. Сил внедрены в установке очистки отдувочных газов от циклогексана на Северодонецком ПО "Азот". При использовании указанных новшеств унос поглотителя дополнительно снижен на 20-25 %, по сравнению с техническими решениями, внедренными на Гродненской ПО "Азот".

2. СОВЕЙМЕНСГВОКиШЕ АППАРАТУРН0-ТВХН0Л0П1ЧЕСК0Г0 ОФОРМЛЕНИЯ РЕКИШК * иконных УСТАНОВОК В ПРОИЗВОДСТВЕ КАПР0ДАК1АМА.

2.1. Техно-экономическая о; ^нка утилизации вторичного тепла я ректификационных установках

"дням из путей снижения затраг те.,i о вой энергии на про~_ ведение процессов ректификации является утилизация вторичного тепла паров дистиллята. При таком апг?.ратурно-технологи-

Р1§§&ЬзАбсо^ер п0 а*с*

I - корпус; 2-5 - патрубки; 6-обечайка; 7-бар-ботажная тарелка; 8-перелив; 9 - ЩКСУ; 10 -тарелка; II-кольцевая перегородка.

чэском оформлении процесса снижаются эксплуатационные затраты, связанные с потреблением тепла извне, однако из-за необходимости создания дополнительных поверхностей теплообмена, 'коммуникаций и т.д. возрастают капитальна затраты.

Целесообразность утилизации тепла паров дистиллята в указанном выше случае можно приближенно оценить по зависимости

/Ь -- / -£ С,//лТСг-«£ГоЛ К 3600), (28)

где Я) - параметр оценки эффективности; Се - стоимость единицы поверхности теплообмена, руб/м^; лТ - разность температур паров дистиллята высокотемпературной колонны и кубовой явдкости низкотемпературной колонны, К; Ст - стоимость тепловой энергии, руб/кДж; И - коэффициент теплопередачи в конденсаторе-испарителе, кВт/( м^. К).

Стоимость крупногабаритных теплообменников примерно пропорциональна их поверхности. Для теплообмена между конденсирующимся органическим паром и кипящей органической жидкостью может быть использована зависимость, дающая погрешность не более 30 % при дТ < 35 К

К = (29)

Из (29) следует, что поверхность, необходимая для утилизации тепла паров дистиллята, резко возрастав с падением лТ и она пропорциональна параметру 1/л7а'55. Как показали расчеты для ректификационных установок производства капролак-тама Гродненского ПО "Азот" при дТ<4 К утилизация тепла таким способом всегда убыточна, при дТ > 22 К дает положитель-* ный эффект, при 4 К ■< лТ< 22 К необходимо проводить точный теплотехнический расчет и. техно-экономический анализ, либо интенсифицировать теплообмен в конденсаторе-испарителе.

2.1. Исследование тетообмена в трубчатых теплообменниках с подводом острого пара на начальном участке

Согласно анализу опубликованных источников теплообмен при кипении можно интенсифицировать за счет ввода острого пара в нагреваемую жидкость. Однако информация 'б изучении теплообмена с вводом острого пара при малых температурных напорах в литературе отсутствует.

Поэтому нами проведены исследования влияния ввода острого пара в нагреваемую жидкость на начальном участке трубы при температурном напоре, не превышающем 15 К. Схема экспери-

ментальной установки представлена на рис. 12. Основным элементом ее являлась вертикальная труба (испаритель) I с паровым кожухом и -'злом ввода (распределителем) острого пара 7.

2

Рис.12. Схема эксперт нтальной установки.

I - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - термостат; 4,5,6 - кон-денсатортводчик!': 7 - распределитель; 8 - ротаметр; 9 -мерный цилгщр; 10-16 - вентили; 17 - манометр; 1о,19 ~ ' термометры.

Обозначения потоков: I - исходная жидкость; 2 - вторичный пар; 3-конденсат вторичного пара; 4-конде зат греющего пара; -греющий пар; 6-острый пар; 7 - охлаждающая вода.

Пр.; проведении опытов изменялся геыпечатурный нь юр меаду поступающим в пароьой кожух паром и кипящей в труб'4 жидкостью

т 4 до 15 К. Температура измерялась с точностью 0,5 К, по- -грешность ри изменении расходов не превылага 3 %. В ходе эксперимента уровень светлой жадности в вертикальной трубе-

составляя от 24 до 72 % еэ высоты. Расход острого пара изменялся от 0 до 60 % от расхода испаряемой жидкости. Модельной средой являлись дистиллированная Есууг.

12

« о

ь , о

с

«

о

а о

¡3^ « «

ч

0) £

Д--— * л>—"

/ я

А /

= 0,3

4 8 12

Температурный напор, К

Рио.13. Зэгисимость удельного теплового потока от температурного ^апора п|эи цазличннх^у^овнях светлой жедкости:

На рис.13 представлены результаты экспериментов согласно которым нами выяснено:

1) при малых температурных напорах интенсивность теплообмена возрастает с вводом острого пара в кипящую жвдкость, причем увеличение теплового потока составляет до 50 % при отношении расходов острого пара и испаряющейся жидкости

0,2-0,3;

2) с повьшен/"М температурного напора и высоты уровня светлой жидкости свыше 50 % от длины труб интенсифицирующий эффект снижается;

3) в кояухотрубных вертикальных испарителях для достижения интенсификации кипения требуется равномерное распределение острого пара между трубами.

2.3. Новое аппаратурно-технологическое решение паи проведении процесса ректификации в производстве капролактама

На основе техно-экономического анализа использования вторичного тепла ректификационных установок производства

капролактама согласно (2Б>, (29) бшо выяснено, что пары дистиллята спиртовых колонн могут-быть использованы в испарителях колонн поучения циклогвксансла-сырца. При этом значительный экономический эффект достигается только при интенсификации кипения жидкости в испарителе-конденсаторе за счет ввода острого пара. Указанное техническое решение предложено к реализации в установке по а.с. 1386217 (рис.14). С этой целью разработан проект реконструкции ректификационных установок и передан дль внедрения на Гродненском ПО "Азот". Предполагаемая экономия тепла при внедрении установки составит 1СХ-12 тыс.Гкал в год в расчете на одну технологическую линию.

1 - высокотемпературная колонна;

2 - низкотемпературная колонна; 3,7 - испарители; 4 - испаритель-коеденсатор; 5,6 -дефлегматоры; 8 -вакуум-насос; 9 -насос; 10-дополнительный испаритель; II - калле-отбойник; 12-пароперегреватель ; 13 - распределитель.; •14 - циркуляционная линия; 15 - ответвление циркуляционной линии

Рис.14. Ректификационная установка по а.с. 1386217

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТАДИИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КИСЛОТ И ОШЛЕШЫ ЭФИРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ КАПРОНАКГАМА

Продукты окислен л циклогексена перед разделе; .ем ректификацией отделяются от кислот и эфирсв нейтрализацией и омылением рас гворли'челочи.

Лабораторные исследования и опытно-промышленные испытания, проведенные на ПО "Азот", показали, что аскад реакторов с мелалками, используемый для окисления зфиров, может бьиь заменен на "онтактно-омульгацисчые аппарат с интенсивны" диспергированием и разделением рганичес; Л и водной *аз. С использованием контактного устройства по а.с. 126603 " был разра^тан и внедрен в производство контактно-змульгаци-

Рис.15. Контактно-эцульгаци-онный аппарат; I - корпус; 2- контактное устройство по а.с.1266034! 3-5 - патрубки.

8- . э

Рис.16. Экстрактор по а.с. 1646570: I-корпус; 2-насадка; 3,6 - отстойные зоны; 4,7-распределители; 5,8 -штуцера; 9-отбойник; 10 -обтекатель; II - обечайка;

12- переточный патрубок;

13-сливная труба; 14-переточная труба.

окный аппарат, изображенный на рис.15. В результате внедрения таких аппаратов на Гродненском и Черкасском ПО "Азот" получен годовой экономический эффект 75 тыс.рублей (вценах 1987 г.). За счет интенсивного взаимодействия фаз время их контакта снижено с 30 до 2 минут, содержание эфиров в продуктах омыления уменьшилось с 0,8 до 0,5 %, а побочных продуктов омыления на 3-5 %.

При внедрении в производстве экстрактора по а.с. 1646570 (рис.16) осуществлена интенсификация л оптимизация процесса отмывки органических солей из продуктов окисления циклогек-сана после нейтрализации и омыления.

При интенсификации производства нагрузки были увеличены на 20-25 %. Это вызвало повышение уноса воды (тяжелой фазы) продуктами окисления (легкой фазы) в существовавших экстракторах с 8 до 20 %. В разработанном автором экстракторе для снижения уноса тяжелой фазы и интенсификации мас-сообмена в верхней отстойной зоне 6 установлены отбойник 9 с обтекателем 10 и сливной трубой 13, а также .ЗечаЙк^ II с переточными патрубками 12. Верхняя отстойная зона 6 дополнительно сообщается с нижней отстойной зоной 3 посредством переточной трубы 14. При опыт-

- зс -

но-промышленных испытаньях модели экстрактора удельные нагрузки по легкой и тяжелой фазам превшали расчетные для существовавших экстракторов на 40-50 %, унос тяжелой фазы при этом был не более 10 %. При эксплуатации внедренных реакторов унос тяжелой фазы составляет не более 6 %, что позволило снизить потребление тепла на отгонку воды из продуктов окисления, уменьшить количество органических солей в них и накопление солей в кубах ректификационных колонн. За счет экономии тепла годовой экономический эффект составил 74 тыс.рублей (в ценах 1990 г.).

шведа

1. Аналитическим пут- « выведены зависимости для техно-экономической оценки допустимого уноса дорогостоящего поглотителя из противоточных и прямоточных абсорберов. Данные зависимости апробированы при оценке целесообразности абсорбционной очистки отходящих газов в производстве капролактама и при разработке ее аппаратурного оформления.

2. Предложена зависимость для экспресс-оценки экономической целесообразности _ тилизации втор-чного тепла органических паров в конденсаторах-испарителях при низких температурных напорах.

3. На основе результатов экспериментальных исследований и теоретического анализа получены зависимости для определения направления полной скорости, удельного кинетического момента и средней толщины пленки яедкости в закрученном двухфазном восходящем потоке с учет:м изменения нагрузок по фазам, крутки по: ка и вязкости жидкости.

4. Разработана методика измерения направления полной скорости пленки яедкости в закрученном двухфазном потоке по-

г средством трассирова дя электролитом, отличающаяс. простотой исполнения в лабораторных условиях и надежностью получаемой информации.

5. Получена зависимость для расчета величины давления на сгонку патрубка от закрученного двухфазно о потока, учи-тывшощ?;! вклад давления пленки жидкости в величину указанного давления.

6. В результате оп*.гно-промголен''чх испытг. .ий установлено влияние условий входя пленки жцдкостк в отводящие кан, лы на эфф.ктивносхь сепарации, и создаия ногъте конструкции

ПЦКСУ, отличающиеся высокой степенью разделении фаз. Разра-ботянчыэ ПЦКСУ внедрены з абсорберах, использующих дорогостоящие поглотители, на производствах капролактаыа и анииака "о суммарным экономическим эффектом около 150 тыс. рублей в год.

7. Разработана и подготовлена к внедрению в производство ректификационная установка с утилизацией тепла паров дистиллята при матом температурном напоре в конденсаторе-испарителе. По предварительны« расчетам ожидаемая экономия тепла от внедрения одной установки на производстве капролактама Гродненского ПО "Азот" составит 10-12 тыс. Гкал/год. . .

8. Разработаны и внедрены в производство на Гродненской н Черкасском ПО "Азот1' контактно-омульгационный аппарат и экстрактор с интенсивными режимами взаимодействия и разделения фаз. Экономический эффект от внедрения составил около 15£ тыс.руб. в год.

Основное содержание доклада опубликовано в следующих работах:

1. Ершов А.И., Калишук Д.Г., ШнаДцерман М.Ф., Протасов С.К., Говако Е.М. Усовершенствование очистки отходящих газов в производстве циклсгексансна // Хим.пром. - 1988. - i? I. -С. 16-18. • ,

2. A.c. I03I027 СССР. Контактное устройство для тепяо-массообменных колонн / А.И.Ершов, М.Ф.Шнайдерыан, С.К.Протасов, Д.Г.Калишук, А.И.Карпович, Н.И.Евстратов. МКИ3 BOID 3/26. 1981. Гриф "Г.

3. A.j. 1266034 СССР. Контактное устройство для тепло-массообменных колонн / А.И.Ершов, Д.Г.Калишук, М.Ф.Шна!\дер-аан, С.К.Протасов, Е.М.Го'вано, С.Н.Гучэк, В.В.Лащэвский, Н.К.Германович. М3 BOID 3/26. 1984. Гриф "ДСП".

4. Ершов А.И., Протасов С.К., Шнайдерман М. Ф., Кали-шук Д.Г. Исследование контактного устройства / Работы в области массообменных процзссов за период IS8I-83 гг. по координационному плану головного подразделения. - Северодонецк. - 1983. - С. ¡16-47.

5. Ершов А.И., Калишук Д.Г., ШнаЦцерман М.Ф. и др. Использование вторичных энергоресурсов в вакуумных ректификационных установках / Работы в области массообменных процессов за период 1986-1990 гг. по координационному плану головного подразделения (абсорбция, ректификация, экстракция). -Северодонецк: ГосНИИметанолпроект. - 1989. - С. 10-12.

- эс -

6. Марков В.А., Каллщук Д.Г. Определение величины давления на стенку центробежного сепарационного патрубка // Хим. пром. - 1992. -» II.. -С. 29-31.

7. A.c. 997709 СССР. Контактное устройство для тепло-ыассообменньк колонн / А.И.Ершов, Д.Г.Калишук. МКИ^ BOI0 3/26. Ш. - № 7. - 1983.

8. A.c. 1506680 СССР. Контактное устройство для тепло-массообменньк колонн / А.И.Ершов, Д.Г.Калишук, М.Ф.Ыиайдер-ман, С.К.Протасов» А.Н.Горобченко, Л.Ф.Миних. МКИ4 B0IZ) 3/26. 1387. Гриф "ДСП".

9. Протасов С.К., Шна^дерыан М.ф., Калишук Д.Г. Исследование капельного ун^са жццкости в прямоточно-центробежном сепараторе / 2-е Всес.соЕмание по проблеме "Абсорбция газов". Тезисы докладов. - Гродно-Черкассы: ВНИИТЭХИМ. - 1983. - С. 26-28.

10. Ершов А.И., Калишук Д.Г., ШнаЦцерман М.Ф. Техно-э к он омиче с ко! оценка эффективности прямогочно-ирнгробежных контактных ртупеней для процесса ректификации / Всес.семинар "Математическое моделирование и оптимизация процессов масло-жировой промышленности". Гез.док*. - Краснодар: Изд. КПИ. -1983. - С. 49-51.

11. Ершов А.И., Калишук Д.Г., Шнайдерман М.Ф. Еыгода доказана // Промышленность Белоруссии.. - 1983. - № 4. -С. 12.

12. A.c. 1697323 СССР. Контактное устройство для тепло-цассообменных колонн / А.И.Ершов, Д.Г.Калишук, М.Ф.У'чайдер-ман, С.К.Протасов, Б.Н.Бяох, Н.".Фисенко, М.А.Горобинский, В. В.кацаев, В.И.Тваритаиков. МКИ5 B0ID 3/26. 1990. Гриф ' "ДСП".

13. Калишук Д.Г., Шнайде'рман М.Ф., Протасов С.К., Го* вахо Е.М. Интенсификация массообмена во встречных .врученных потоках J Интенсификация оборудования для массообме^ных процессов. - Суш: С-чская облтипография, 1986. - С.68-69.

. 14. A.c. 15301903 СССР. Абсорбер / А.И.Ершов, Д.Г.Калишук.'М.^'.ШнаДдерыан^ С.К.Протасов, А.Н.Горобчйнко, Л.Ф.Миних. МКИ4 ВО ID 3/26. БИ. - » 47. - т989.

15. A.c. 1"(^7918 СССР. Завихри^ль для тепломассообмен-ных : '•тройств / А.И.Ершов, М.Ф.Шнайде^...ан, С.К.цротасов, Д.Г.Калишук, Е.И.Говако, С.И.Пучек, Н.К.Германович, В.И.Иванов. !Ш4 ¿OID 3/26, - БИ. - № 23. - Г'39.

16. Калишук Д.Г; Техно-экономическая оценка эффективности работы тепдообменных установок / Труды Белорусского технологического института. - Мн.: БТИ, 1993. -- С. 56-59.

17. Ершов А.И., Говако Е.М.Шна^ерман Ы.Ф., Кали-шук Д.Г., Протасов С.К. Техно-экономическая эффективность использования вторичных энергорвсурсов процесса ректификации / Тезисы докладов Всес.совещания "Тепломассообменное оборудование^". - М.: ЦШИХИМНЕФТЕМ, 1983. - С. 147-148.

18. Шнайдерман М.Ф., Калишук Д.Г., Протасов С.К. Оптимизация работы вакуумных ректификационных установок разделения продуктов окислег^ш циклогексана / Тезисы докладов У1 Всесоюзной конференции по теории и практика ректификации* -Северодонецк: ГосНИИметанолпроект, 1991. - С. 306-308.

19. A.c. I3862I7 СССР. Установка для ректификации многокомпонентных смесей / А.И.Ершов, М.Ф.Шнайдерман, Д.Г.Калишук, С.К.Протасов, С.И.Гучек, Н.И.Кротов, Е.М.Говако, Г.В.Иванов,

A.М.Колодко, В.И.Иванов. МКИ4 B0ID 3/32. БИ. - № 13. - 1988.

20. A.c. 1646580 СССР. Экстрактор / А.И.Ершов, М.Ф.Шнай-дерман, Д.Г.Калишук, С.К.Протасов, Е.М.Говако, С.И.Гучек,

B.И.Иванов, Г.Б.Иванов. МКИ5 B0ID 11/04. БИ. - № 17. - 1991.

21. Калишук Д.Г., Ершов А.И., Шнайдерман М.Ф. Влияние уноса поглотителя на техно-окономическуга эффективность абсорбера / Тезисы докладов Всес.совещания "Тепломассообменное оборудование-88". - М.: ЦИНТИХИЬНЕФТЕМ. - 1988.-С. 143-144.

22. Калишук Д.Г., Ершов А.И., Шнайдерман М.Ф. Исследование закг юыерностей течения пленки жидкости в закрученном

" друхфазном потоке / Ш конференция молодых ученых химико-технологического факультета РПИ. - Рига: РПИ, 1989. - С.145.

23. Ректификационная установка / А.И.Ершов, М.Ф.ШнаЦдер-ман, В.В.Лацевский, И.И.Мацуяезип, Д.Г.Калмук, С.К.Протасов, И.Ф.Ларионов, В.П.Сеген // Полоя.реш. по заявке 4476476/26/ /110803 от 27.04.1^92 г. МКИ5 B0ID 3/32".

24. Калишук Д.Г. ,■ Саевич H.H. , Шнайдерман М.Ф. Исследование теплообмена в испарителях при малых температурных напорах / Материалы юбилейной научно-технической к^нферонц-г» по итогам чяучно-иссл<=довч?вльск1« гчбот.,- : БТИ,1990.~С.197.

25. Саевич Н.П., Калишук Д.Г. Исследование утилизации тепла паров при малых температурных напорах в испарителе / Тезисы докладов, областная научно-техническая конференция студентов и молодых ученых "Химия, химическая технология^си-мическое машиностроение". -Днепропетровск: ДХТИЛ991. -/С.37.

\