CC BY
84
УДК 621.039
А.П. Сизов, А. С. Снегирев, С.А. Чередниченко, А.В. Хорошилов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИСПЫТАНИЕ НОВОЙ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ МАССООБМЕННОЙ КОЛОННЫ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПА
First tests of rotor horizontal mass exchange column with high-performance packing of stainless steel were carried out. Design specificity of this apparatus is rotation of nonregular dumped packing in fixed case. Standard mixture of benzene and 1,2-dichloroethane was used to hydrodynamic and mass exchange tests. Efficiency of horizontal column is shown to be not worse than that of traditionally used in separation processes vertical columns.
Проведены первые испытания горизонтальной массообменной колонны роторного типа заполненной высокоэффективной спирально-призматической насадкой из нержавеющей стали. Конструктивная особенность такого аппарата заключается во вращении нерегулярной насыпной насадки, относительно неподвижного корпуса. В результате испытаний, выполненных на модельной смеси бензол—1,2-дихлорэтан, установлено, что эффективность горизонтальной колонны не хуже эффективности традиционно используемых массообменных колонн вертикального типа.
Разделение изотопов легких элементов наиболее эффективно осуществляется физико-химическими методами, к числу которых относят метод ректификации и метод химического изотопного обмена [1]. Для разделения большинства изотопов легких элементов требуется очень большое число теоретических ступеней разделения, что требует использования высокоэффективных насадочных колонн, высота которых, тем не менее, может достигать нескольких десятков метров и более. Например, в США действовала установка для разделения изотопов углерода высотой более 100 м [2]. Для строительства подобных установок требуются большие капитальные затраты на сооружение высотных зданий, оборудование шахт, тщательный монтаж строго вертикальных колонн. При этом, не дешевой является и эксплуатация высотных сооружений. Указанные выше расходы можно снизить при использовании горизонтальных роторных колонн, которые должны обладать близкой эффективностью массообмена по сравнению с классическим вертикальным оборудованием. Испытаниям такого аппарата и посвящено наше исследование.
Испытываемый массообменный аппарат представляет собой противоточную роторную колонну, заполненную нерегулярной спирально-призматической насадкой и расположенную практически горизонтально. Насадочная часть колонны приводится во вращение относительно неподвижного корпуса с помощью электродвигателя, снабженного электронным регулятором числа оборотов. Длина насадочной части колонны составляет 900 мм, а ее свободное сечение 5 см2. Конструкция колонны позволяет осуществлять процесс разделения смесей как в режиме ректификации, так и в режиме химического изотопного обмена. В настоящей работе представлены результаты испытаний такого аппарата в режиме ректификации при использовании рекомендуемой в литературе стандартной смеси бензол - 1,2-дихлорэтан [3].
В общем случае на режим работы исследуемой ректификационной колонны должны влиять такие факторы как угол наклона колонны и число оборотов ротора. При проведении испытаний угол наклона колонны оставался постоянным и не превышал 10°, а число оборотов ротора варьировалось в интервале (20 - 40) об/мин.
В серии предварительных экспериментов изучено влияние перехода колонны из режима без вращения в режим вращения насадочного слоя в условиях контроля гидравлического сопротивления и эффективности процесса разделения стандартной смеси (см. рис. 1 и рис. 2). Как хорошо видно из результатов экспериментов, обе исследуемые
характеристики резко изменяются при переходе колонны в режим вращения насадки. При этом, гидравлическое сопротивление насадки (см. рис. 1) с течением времени в условиях вращения постепенно снижается, достигая в дальнейшем постоянного значения, причем, установившееся значение АР выше гидравлического сопротивления при отсутствии вращения. Эффективность процесса разделения, представленная степенью разделения компонентов смеси (см. рис. 2), как и следовало ожидать, в режиме без вращения соответствует ~1 ТСР (при среднем значении коэффициента разделения для используемой смеси веществ аср = 1,08-1,09). При переходе колонны в режим вращения процесс массопереноса значительно интенсифицируется и степень разделения резко и монотонно возрастает.
Рис. 1. Изменение гидравлического сопротивления во времени при значении Ьуд = 1,7 мл/(см2-мин) 4( - момент включения вращения насадки с частотой 20 об/мин).
Рис. 2. Изменение степени разделения во времени при ректификации смеси бензол - 1,2-дихлорэтан как без, так и с вращением насадки (♦ - момент включения вращения насадки).
В дальнейших экспериментах по отработанной методике определено гидравлическое сопротивление насадочного слоя при частоте вращения ротора 20 об/мин и 30 об/мин, а также выполнено определение удерживающей способности насадки для режима 20 об/мин (см. рис. 3 и табл. 1). При этом, в ходе обработки экспериментальных данных проведено сравнение АР роторной колонны с расчетными, полученными по известным уравнениям [1, 4], значениями гидравлического сопротивления вертикальных колонн, заполненных высокоэффективной насадкой. Из рис. 2 видно, что в пределах удельной нагрузки (0,8 - 1,3) мл/(см2мин) экспериментальные и расчетные значения гидравлического сопротивления близки, однако при дальнейшем увеличении плотности орошения АР исследуемой колонны начинает возрастать быстрее расчетных значений гидравлического сопротивления.
Анализ данных табл. 1 показывает, что значения полной удерживающей способности насадки в режиме работы колонны с вращением, как минимум, в 1,5 раза выше по сравнению со статическими условиями. В целом, АНполн при изменении нагрузки изменяется от 17 % до 39 %, в то время как по литературным данным для вертикальных
насадочных слоев полная удерживающая способность составляет (8 - 12) % [1, 4]. Указанное превышение обусловлено, как это видно из данных табл. 1, относительно высокими значениями динамической удерживающей способности ДНдин при соответствии значений статической составляющей ДНстат традиционным представлениям [1, 4]. Хорошее согласование экспериментальных значений ДНстат с литературными объясняется зависимостью указанной величины практически только от физико-химических свойств смеси и характеристик насадки, при слабом влиянии конструктивных особенностей аппарата. Высокие значения ДНполн по сравнению с литературными данными могут быть обусловлены как конструкционными особенностями насадочной колонны, так и гидродинамическим режимом ее работы (возможно, что значения ДНполн > 30 % соответствуют относительной нагрузке ф > 0,8).
Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления насадочного слоя от плотности орошения при частоте вращения ротора: 1 - 20 об/мин; 2 - 30 об/мин (кривая 3 -данные расчета для колонны вертикального типа).
Рис. 4. Изменение степени разделения во времени при ректификации стандартной смеси бензол -1,2-дихлорэтан при потоке жидкости по колонне 5,8 мл/мин и частоте вращения 20 об/мин.
Рис. 5. Значения ВЭТС при различном потоке смеси ректифицируемой смеси бензол - 1,2-дихлорэтан при частоте вращения 20 об/мин.
Наиболее интересными с практической точки зрения следует считать результаты определения эффективности процесса разделения смеси веществ и массообменных характеристик роторной колонны, т.к. известно, что для традиционных аппаратов вертикального типа даже небольшое отклонение от вертикальности может привести к значительному снижению степени разделения [4]. Массообменные испытания колонны выполнены при частоте вращения ротора 20 об/мин. Пример кинетической кривой приведен на рис. 4. В целом, в ходе испытаний были достигнуты значения степени разделения К « 16. По полученным значениям степени разделения методом расчета “от ступени к ступени” [5], определяли число теоретических ступеней разделения (ЧТСР) и, далее, значения высоты, эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС). Указанный метод применен вследствие зависимости коэффициента разделения используемой рабочей смеси веществ от ее состава. При этом, данные по парожидкостному равновесию в системе бензол - 1,2-дихлорэтан взяты из источника [6]. Результаты определения значений ВЭТС приведены на
рис. 5. Как видно из рис. 5, значения ВЭТС в пределах ошибки измерения этой величины практически не зависят от потока смеси в колонне и находятся на уровне примерно 3,5 см, что свидетельствует о высокой эффективности массообмена.
Табл. 1. Удерживающая способность насадочного слоя горизонтальной колонны при частоте вращения ротора 20 об/мин
Lн, мл/мин LVд, мл/(мин*см2) ДИпол^ м /м ДНдин м /м ДНстат, м' /м'
4,8* 0,97 0,17 0,115 0,051
3,9 0,78 0,22 0,164 0,055
4,7 0,95 0,25 0,169 0,079
7,4 1,48 0,30 0,228 0,070
9,0 1,80 0,39 0,303 0,085
*- без вращения насадки
Для сравнения полученных результатов с характеристиками традиционных вертикальных колонн нами выполнены эксперименты по ректификации той же смеси веществ в вертикальной колонне высотой 600 мм и диаметром 30 мм, заполненной спирально-призматической насадкой с размером элемента 3х3х0,2 мм. При плотности орошения Lyд = (1,2 - 1,4) мл/(см2мин) значение степени разделения составило К = 8,8, что соответствует 20,5 ТСР и ВЭТС = 2,9 см. Для испытываемой наклонной колонны стационарная степень разделения практически при той же плотности орошения Lyд = 1,5 мл/(см2мин) оказалась равной К = 16,4 - 16,8. Такое значение степени разделения соответствует 26,7 ТСР и ВЭТС = 3,4 см, что с учетом ошибки определения ВЭТС позволяет говорить о близкой или фактически идентичной эффективности массообмена.
Подводя итоги массообменных испытаний горизонтальной колонны с высокоэффективной спирально-призматической насадкой, отметим, что для выбранных условий (угол наклона и частота вращения) ее эффективность близка к эффективности классических вертикальных насадочных колонн. Это позволяет сделать вывод о том, что при разделении веществ с близкими свойствами, применение роторных горизонтальных колонн, заполненных высокоэффективной насадкой, может привести к значительному снижению затрат на строительство и эксплуатацию высотных производственных сооружений.
Список литературы
1. Андреев, Б.М. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах/ Б.М.Андреев, Э.П.Магомедбеков, М.Б.Розенкевич и др. / Под ред. Андреева Б.М. -М.: ИздАТ, 2003. - 376 с.
2. Зельвенский, Я.Д. Разделение изотопов низкотемпературной ректификацией: Учебное пособие для вузов. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1998. - 208 с.
3. Крель, Э. Руководство по лабораторной перегонке — Пер. с нем. / Под ред. В. М. Олевского —М.: Химия, 1980.— 520 с.
4. Зельвенский, Я.Д. Ректификация разбавленных растворов/ Зельвенский Я.Д., Титов А.А., Шалыгин В.А.. - Л.: Химия, 1974. - 216 с.
5. Андреев, Б.М. Лабораторный практикум по методам разделения изотопов и других близких по свойствам веществ. Учебное пособие/ Б.М.Андреев, С.Г.Катальников,
A.В.Хорошилов, В.А.Шалыгин. - М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1985. - 88 С.
6. Коган, В.Б. Равновесие между жидкостью и паром: Справочное пособие. кн. 1. /
B.Б.Коган, В.М.Фридман, В.В.Кафаров - М: Наука, 1966. - 645 с.
