УДК 546.46:661 846
повышение эффективности массообмена, путем использования процесса организованной нестационарности.
+*, , *.
Кафедра «Машины и аппараты химических производств». Казанский национальный исследовательский технологический университет. ул. К. Маркса, 68. г. Казань, 420015.
Республика Татарстан. Россия. Тел.: (843) 231-41-54. E-mail: enhort@mail.ru
Ключевые слова: организованная нестационарность, ректификация, процессы разделения, колонна, массопередача, массообмен, математическое моделирование.
Аннотация.
Организованная нестационарность является одним из перспективных направлений в области интенсификации тепло и массообмена. В данной работе рассмотрены результаты исследователей и приведены выкладки математической модели ректификационной колонны работающей в режиме организованной нестационарности.
Введение
Процессы ректификации широко распространены в нефтяной и химической промышленности. Эти процессы являются наиболее крупнотоннажными и энергоемкими. С развитием научно-технического прогресса представляется целесообразным выявление новых эффектов и методов оптимизации процесса ректификации. Для решения поставленной задачи перспективным направлением является использование аппаратов, работающих в режиме организованной (контролируемой) нестационарности.
Под контролируемой нестационарностью можно понять создание специальных режимов работы ректификационных аппаратов, путем внесения в систему организованных возмущений (по температуре, по давлениям, расходу материальных потоков и т. д.), характеризуемых некоторой амплитудой и частотой.
При использовании режима организованной нестационарности могут быть достигнуты следующие положительные эффекты [1-7]:
•Повышение движущей силы массообмена, вследствие увеличения разности концентраций на ступенях контакта.
•Снижение энергозатрат на процесс разделения из-за уменьшения необратимых термодинамических потерь.
•Снижение продольного и поперечного перемешивания, а также предотвращение застойных зон.
•Увеличение парожидкостной нагрузки, вплоть до значений близких к критическим значениям, что в свою очередь позволяет повысить производительность аппарата.
•Повышение турбулизации газожидкостного слоя и увеличение степени обновления поверхности межфазного контакта.
•Увеличение пропускной способности колонны (в определенных режимах работы), ввиду того, что гидравлическое сопротивление со стороны неподвижного слоя жидкости меньше, чем при его движении.
, , и многие другие авторы [1,2] в (60-70)-е годы 20-го столетия интенсивно исследовали эффекты организованной нестационарности. Решение искалось экспериментальными способами, в том числе и путем создания специальных конструкций контактных устройств (КУ), обеспечивающих поддержание контролируемой нестационарности, например, за счет управления циклом опорожнения жидкости, удерживаемой на КУ [5, 6] .
Опытными путями были выявлены ряд специфических эффектов (как положительных, так и отрицательных), присущих исследуемым режимам. Было обнаружено, что в многотарельчатых колоннах наблюдается быстрое затухание эффектов нестационарности по мере прохождения импульса от точки его создания по любому из внешних контуров воздействия (давление, расход материального потока и т. д.). Эти обстоятельства объясняют причины относительно слабой эффективности ранних экспериментальных исследований.
Исследование процесса организованной нестационарности при помощи СХТС
Многотарельчатая ректификационная колонна с наложенными внешними источниками генерирования организованных возмущений является сложной химико - технологической системой (СХТС), исследование которой должно подчиняться определенной стратегии, основные положения которой выглядят следующим образом:
•любой объект исследования следует рассматривать как абстрактную систему, отвлекаясь от его конкретной природы;
•эффективность функционирования системы зависит от её состава и структуры;
•отдельные элементы системы не могут изучаться в отрыве от других элементов, с ним связанных, поскольку воздействие на один элемент вызывает ответную реакцию всей системы;
•полное знание свойств одного элемента системы не означает знание свойств всей системы, а неполнота информации о свойствах любого элемента может привести к самым неожиданным последствиям;
•для изучения состава и структуры СХТС используют метод декомпозиции системы (расчленение целого на части);
•для изучения свойств системы используют метод стратификации.
Следовательно, исследование СХТС декомпозиционными методоми оказывается малоэффективным, поскольку все элементы системы обладают своими характеристиками, конкретные значения которых устанавливаются только в рамках интегративной характеристики СХТС. Представляется, что только комбинирование численных и экспериментальных исследований может привести к успеху при решении многоуровневых иерархических задач, подобных поставленной.
Наиболее оправданным и рациональным подходом при этом является исследование нестационарных режимов (по крайней мере, на первом этапе исследования) приемами математического моделирования. В этой связи ранее нами была разработана и представлена математическая модель ректификационного аппарата работающего в режиме организованной нестационарности. На этом этапе нами были решены следующие задачи:
•Изучены наиболее значимые факторы, стимулирующие положительные эффекты режимов организованной нестационарности;
•Выявлены закономерности распространения нестационарных циклов (амплитуда, частота) по высоте аппарата, а также факторы, способствующие затуханию (или поддержанию) этих циклов;
•Выбраны уровни направленного генерирования нестационарности в СХТС, а также аппаратные или конструктивные приемы её создания.
•Разработаны рекомендации для аппаратурного и технологического оформления экспериментального этапа исследования.
Существенным отличием обсуждаемой математической модели от традиционных моделей ректификации являются возможности описывать динамические режимы работы колонны и возможности генерировать в системе организованные возмущения по отдельным контурам управления.
На вышеописанной установке режим организованной нестационарности достигается следующим образом: исходная смесь поступает на питающую тарелку ректификационной колонны, стекая по жалюзийным тарелкам жидкость, попадает в куб. Жалюзи на тарелках опрокидываются в с определенной заданной частотой. В результате ввиду увеличения разности концентраций на ступенях контакта, повышается движущая сила массообмена. Также повышается турбулизация газожидкостного слоя и увеличивается степень обновления поверхности межфазного контакта. Конструкция контактных устройств позволяет снизить продольное и поперечное перемешивания, и предотвращает появление застойных зон. На этом этапе нами были решены следующие задачи:
•Изучены наиболее значимые факторы, стимулирующие положительные эффекты режимов организованной нестационарности;
•Выявлены закономерности распространения нестационарных циклов (амплитуда, частота) по высоте аппарата, а также факторы, способствующие затуханию (или поддержанию) этих циклов;
•Выбраны уровни направленного генерирования нестационарности в СХТС, а также аппаратные или конструктивные приемы её создания.
•Разработаны рекомендации для аппаратурного и технологического оформления экспериментального этапа исследования.
Существенным отличием обсуждаемой математической модели от традиционных моделей ректификации являются возможности описывать динамические режимы работы колонны и возможности генерировать в системе организованные возмущения по отдельным контурам управления.
Схема установки
Следующим этапом нашей научно-исследовательской работы было проектирование технологической схемы аппарата. Схема предполагаемой установки представлена на рис.1.
Рис.1 Схема предполагаемой установки
Описание технологической схемы ректификационной установки.
Рассмотрим технологическую схему ректификационной установки
Исходная смесь из расходной емкости Е1 подается на питающую тарелку ректификационной колонны РК. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб-кипятильник. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары, попадают в дефлегматор Д и конденсируются. Дистиллят поступает в емкость-разделитель Е1, где разделяется на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает по тарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая часть охлаждается и попадает в куб-кипятильник. Имеется возможность снимать пробу продукта из каждой тарелки. Измерение и регулирование расхода жидкости и рабочих паров производятся при помощи САР расхода газа (жидкости). Контроль температур на установке осуществляется системами САК температуры. Уровень жидкости на емкости Е1 поддерживается с помощью САР уровня жидкости в емкости. Также на емкости Е1 установлена сдувка, для спуска избыточных газов. На колонне установлен интеллектуальный датчик избыточного давления, для снятия показаний давления.
Выводы. В настоящее время, на основе полученных успешных результатов на ранних этапах проекта, мы работаем над конструированием ректификационного аппарата для постановки физических опытов и разработкой контактного устройства для массообмена в режиме контролируемой нестационарности.
Литература
[1]. Соммерфельд циклическая ректификация / // Хим. промышленность. - 1968. - № 1. - С. 51-57.
[2]. Конобеев циклической ректификации в тарельчатой колонне / , , // - ТОХТ. - 1977. - Т. 11, - №4. - С. 491-502.
[3]. Малюсов процессы и аппараты для разделения и очистки веществ / // ТОХТ. -1987. - Т. 21, - № 1. - С. 26-34.
[4]. Конобеев вопросы гидродинамики и массообмена в процессе ректификации с контролируемыми циклами / , // В сб.: XI Менделеевский съезд по общей химии. Теоретические основы химической технологии. - Алма-Ата, 1974. - С. 24-26.
[5]. Гельперин работы ректификационной колонны с колпачковыми тарелками в циклическом режиме / , // Труды Московского ин-та тонкой хим. технологии. - М., 1974. - Т. 4, - №1.- С. 149-151.
[6]. Тукманов многокомпонентной ректификации (моделирование, исследование и управление): Автореферат дисс. канд. тех. наук. - Казань, 1998. -20 С. (не знаю как в примерах нет)
[7]. Поникаров технологических процессов использованием центробежного поля / , , // Вестник Казанского технологического университета, - Казань, 1998. - №1, с.96. (с какой по какую надо указывать)
