автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Ректификация смеси этанол-вода в прямоточно-вихревых аппаратах с тангенциально-пластинчатыми завихрителями

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Конструирование и закономерности работы прямоточно-вихревых аппаратов.

1.1. Классификация прямоточно-вихревых аппаратов.

1.2. Гидродинамика прямоточно-вихревых контактных устройств с тангенциально-пластинчатыми завихрителями.

1.2.1. Динамика закрученного течения в тангенциально-пластинчатом завихрителе.

1.2.2. Закономерности движения капель жидкости в закрученном потоке пара.

1.2.3. Диспергирование жидкости в прямоточно-вихревом контактном устройстве с тангенциально-пластинчатым завихрителем.

1.2.4. Гидравлическое сопротивление контактных устройств с тангенциально-пластинчатыми завихрителями.

1.3. Описание массопереноса в прямоточно-вихревых аппаратах с тангенциально-пластинчатыми завихрителями.

1.3.1. Эффективность массопереноса в прямоточно-вихревых контактных устройствах с тангенциально-пластинчатыми завихрителями.

1.3.2. Эффективность массопереноса на многоэлементной контактной ступени прямоточно-вихревых аппаратов.

1.4. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. Исследование и расчёт основных кинетических параметров прямоточно-вихревых контактных устройств с тангенциально-пластинчатыми завихрителями.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Методика проведения экспериментов.

2.3. Методика обработки опытных данных.

2.4. Массопередача при ректификации смеси этанол-вода.

2.5. Распределение сопротивлений массопередаче по фазам.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. Расчёт эффективности прямоточно-вихревых контактных устройств с тангенциальнопластинчатыми завихрителями.

3.1. Идеализированные математические модели, используемые для расчёта эффективности прямоточно-вихревых контактных устройств.

3.2. Сопоставление идеализированных математических моделей с экспериментальными результатами.

3.3. Роль частичного перемешивания газовой фазы в массопереносе.

3.4. Оценка эффективности массопереноса на стадии сепарации жидкой фазы и расчёт общей эффективности.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. Расчёт эффективности массообмена в многоэлементных вихревых аппаратах.

4.1. Расчёт эффективности массопереноса ступени с прямоточно-вихревыми контактными устройствами по известным моделям.

4.2. Расчёт эффективности многоэлементных контактных ступеней с общими перетоками по диффузионной модели.

4.3. Выводы.

ГЛАВА 5. Расчёт и конструирование ректификационных колонн с прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

5.1. Расчет ректификационной колонны от ступени к ступени при переменных весовых потоках пара и жидкости по высоте колонны.

5.1.1. Расчет числа ступеней контакта исчерпывающей части колонны.

5.1.2. Расчет числа ступеней контакта укрепляющей части колонны.

5.1.3. Влияние межступенчатого уноса жидкости.

5.1.4. Схема расчета ректификационной колонны "от ступени к ступени".

5.2. Расчёт прямоточно-вихревого контактного устройства с тангенциально-пластинчатым завихрителем.

5.2.1. Расчёт патрубков подачи жидкости.

5.2.2. Расчёт сепарационных устройств.

5.2.3. Расчёт тангенциально-пластинчатого завихрителя.

5.3. Промышленная реализация результатов исследований ректификационного аппарата с прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

В последнее время наметилась тенденция увеличения спроса на этиловый спирт [1,2]. Это связано не только с расширением ассортимента и качества продукции ликёроводочных производств, сколько с увеличением спроса на этиловый спирт со стороны пищевой и химико-фармацевтической промышленности. Этиловый спирт в последние годы начинает применяться при производстве широкого ассортимента пищевой продукции с использованием пектина, способствующего выводу радионуклидов из организма человека. Однако, производство кристаллического пектина предполагает большие расходы этилового спирта.

Широкое применение в большинстве экономически развитых стран получила 10% добавка этилового спирта к моторным топливам, нарастает потребление этилового спирта лакокрасочной промышленностью и другими производствами химической отрасли. Разрабатываются перспективные технологии де-сульфуризации каменного угля, как топлива энергетических установок.

Всё это предполагает значительное увеличение производства этилового спирта и, как следствие, реконструкция старых производств и строительство новых крупнотоннажных производств.

Вместе с тем, увеличение мощности спиртовых производств сдерживается низкой производительностью колонной ректификационной аппаратуры. Увеличение производительности колонн возможно за счёт увеличения их диаметра, либо за счёт пропускной способности аппаратов.

Существенное увеличение диаметра ректификационных аппаратов приводит к резкому повышению их веса и металлоёмкости, усложняет изготовление, транспортировку и монтаж аппаратов, что в результате, ведёт к повышению капитальных и транспортных затрат [3]. Транспортировка крупногабаритной аппаратуры требует, как правило, создания специальных видов транспорта или реконструкции шоссейных дорог и мостов, поскольку железные дороги пропускают грузы с поперечными габаритами не более 4,5 м. Особенно усложняется перевозка крупногабаритных аппаратов в отдалённые районы страны. Транспортные расходы в этом случае оказываются чрезвычайно высокими и намного превышают стоимость аппаратов. С другой стороны, увеличение диаметра ректификационных аппаратов барботажного типа вызывают необходимость решения проблемы масштабного перехода [4], которая в настоящее время остаётся не решённой, в силу чего переход на большие размеры аппаратов приводит к снижению эффективности [5].

В настоящее время на спиртовых предприятиях в производстве этилового спирта используются ректификационные многоступенчатые аппараты барботажного типа с колпачковыми, клапанными тарелками. Барботажные аппараты обладают низкой пропускной способностью, поскольку скорость пара в них не может превышать 1,0-1,5 м/с (при атмосферном давлении). Увеличение скорости пара выше указанного предела приводит к развитию интенсивного уноса жидкости на вышележащие ступени и "захлёбыванию" аппаратов [6-7].

Исследование пропускной способности массообменных аппаратов привело к созданию противоточных пластинчатых и трубчатых колонн плёночного типа [8-19], скорость потока в таких аппаратах составила 7-8 м/с. Однако, пластинчатые колонны не нашли применения в спиртовой промышленности. Автором работы [20] было выявлено, что при скорости пара выше 7 м/с противо-точное движение фаз переходит в прямоточное. В работах [21-34] проводились исследования прямоточного движения фаз в трубчатых насадках, которые показали высокую эффективность процессов при высокой производительности аппаратов. В частности, рядом авторов [27, 33, 35] установлено, что эффективность массопереноса в жидкой и газовой фазах при прямоточном движении в 10 раз выше, чем при противоточном. Это послужило основанием для конструирования и исследования прямоточных многоступенчатых колонных аппаратов [35-44]. Не смотря на это, прямоточные трубчатые аппараты характеризуются низким диапазоном устойчивой работы и большим процентом уноса жидкости [45-47].

Поиски путей интенсификации массообмена в газожидкостных системах привели к разработке принципиально новых аппаратов с прямоточно-вихревым движением фаз в зоне контакта [48-49]. Придание двухфазному потоку дополнительного вращательного движения обеспечило надёжную сепарацию фаз после контактирования [50-51]. Сочетание однонаправленного (прямоточного) движения фаз в зоне контакта с центробежным отделением жидкости от потока пара позволяет исключить "захлёбывание" аппаратов и проводить процесс при высоких скоростях пара (8-15 м/сек) по сечению колонны [50], на порядок превышающих скорость пара в аппаратах барботажного типа.

Для достижения полного разделения исходной смеси в прямоточно-вихревых ректификационных аппаратах свободно организуется многоступенчатый процесс взаимодействия фаз, который предполагает эффективное отделение жидкости от пара на каждой контактной ступени с последующим переходом пара на вышележащие ступени, а жидкости -на нижележащие.

Использование в аппаратах ступеней с прямоточно-вихревыми контактными устройствами вместо тарелок барботажного типа позволяет в 2,5-3,0 раза сократить диаметр колонн и их металлоёмкость [52]. Поэтому создание аппаратов прямоточно-вихревого типа сделало возможным резкое сокращение затрат на изготовление ректификационной колонной аппаратуры, а также расходов на её транспортировку к месту эксплуатации и монтаж. Конструктивное оформление многоэлементных контактных ступеней прямоточно-вихревых ректификационных колонн исключает необходимость решения вопросов масштабного перехода [48-49] и позволяет использовать их в установках большой единичной мощности, создавать аппараты любой заданной производительности без снижения эффективности разделения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые проведены экспериментальные исследования кинетики ректификации смеси этанол-вода в прямоточно-вихревых контактных устройствах с тангенциально-пластинчатыми завихрителями в широком диапазоне нагрузок и концентраций компонентов.

2. Экспериментально установлены основные кинетические закономерности процесса ректификации смеси этанол-вода, а именно:

- зависимость чисел единиц переноса Ых и Ыу от тангенса угла наклона равновесной кривой при нескольких постоянных нагрузках

- зависимость Ых и Ыу от скорости пара Жвх при постоянном орошении для нескольких т;

3. Проведено критическое рассмотрение имеющихся в литературе методов для определения частных высот и чисел единиц переноса.

4. На основе метода разложения общего числа единиц переноса на частные, выявлен характер распределения сопротивлений массопередаче по фазам.

5. Предложены соотношения для расчёта общего числа единиц переноса с учётом физических свойств системы. Сравнение экспериментальных значений и величин, рассчитанных по предложенным уравнениям, показало их удовлетворительную сходимость.

6. Разработана научно-обоснованная методика расчёта эффективности массо-переноса в прямоточно-вихревых контактных устройствах. Сопоставление расчетных значений эффективности с их экспериментальными значениями показало их хорошее согласование.

7. Установлено, что прямоточно-вихревое контактное устройство с тангенциально-пластинчатым завихрителем можно разделить на две зоны. Оценка эффективностей каждой из двух зон показала, что эффективность контактного устройства с тангенциально-пластинчатым завихрителем зависит от эффективности завихрителя.

8. Проведено критическое рассмотрение математических моделей, используемых для расчёта эффективности прямоточно-вихревых контактных ступеней. На основе диффузионной модели была предложена методика расчёта эффективности массопереноса на многоэлементных контактных ступенях с учётом рециркуляции жидкости на ступени и её частичного перемешивания. Проверка адекватности показала соответствие предложенной математической модели результатам предшествующих экспериментальных исследований.

9. Предложена инженерная методика расчёта ректификационных колонн с прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

1. Ярмош В.И. Проблемы и перспективы спиртовой отрасли, Производство спирта и ликёроводочных изделий. №2. 2002 С. 4-5.

2. Сергеев В.Н. Состояние спиртовой и ликёроводочной промышленности России, Производство спирта и ликёроводочных изделий. №4. 2002 С. 511.

3. Жаворонков Н.М., Романков П.Г. Хим. пром., №2. 1965. С. 81.

4. Масштабный переход в химической технологии // Под. ред. A.M. Розена М.: Химия. 1980. С. 320.

5. Розен A.M. Производство тяжёлой воды методом ректификации аммиака с тепловым насосом. Опыт пуска промышленной установки // Хим. пром. 1995. №4. С. 15.

6. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1966. 768 с.

7. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1962. 656 с.

8. Жаворонков Н.М., Малюсов В.А., Малафеев H.A. Массопередача в процессе плёночной абсорбции Хим. пром. №8. 1951. С.240.

9. Семёнов П.А., Шварцштейн Я.В. Абсорбер с плоскопараллельной насадкой Хим. пром. №9. 1952. С.268.

10. Семёнов П.А., Шварцштейн Я.В. Абсорбер с плоскопараллельной насадкой Хим. пром. №7. 1953. С.218.

11. Малюсов В.А., Малафеев H.A., Жаворонков Н.М. Массопередача в процессе плёночной абсорбции Хим. пром. №4. 1953. С.110.

12. Bancroft A.R., Rae H.K. cañad. J. Chem. Engng. №277. 1957. C.35.

13. Adolphy A.R., Fileischer R. Chem. Techn. №5. 11. 1957. C. 245.

14. Hatta S. J. Soc. Chem. Ind. Japan. 35. 1932. 559B.

15. Жаворонков H.M., Малюсов В.А. Докл. высш. школы. Химия и хим. технология. №1. 1962. С.185.16.