CC BY
27
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6_
УДК 66.048.3.069.833
А.С. Иванова, А.Н. Букин*, С. А. Марунич
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: [email protected]
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАДЕРЖКИ В НАСАДОЧНЫХ КОЛОННАХ
Аннотация
Проведено сопоставление способов определения удерживающей способности по жидкости регулярной насадки Sulzer CY-типа. Показано, что рассмотренные методы дают более точную оценку величины динамической и статической задержек по сравнению с известными литературными данными. Показано, что в противоточных аппаратах происходит дополнительное накопление жидкости, обусловленное сопротивлением газовой фазы.
Ключевые слова: динамическая задержка, статическая задержка, регулярная насадка, удерживающая способность.
При исследовании массообменных процессов в насадочных колоннах показано, что, наряду с активной поверхностью насадки и ее пропускной способностью, одним из определяющих параметров является удерживающая способность по жидкой фазе. От величины задержки в колонне зависят эффективность и скорость массообмена. Особое внимание количеству задержки и ее распределению на насадке уделяется в процессах, протекающих при минимальных плотностях орошения по жидкости. Удерживающая способность насадки определяется техническими характеристиками контактных элементов (толщина проволоки, геометрические особенности, материал) и условиями проведения процесса. Например, в работах [1,2] показано, что насадочные элементы, изготовленные из черненой меди и алюминия, обладают более развитой поверхностью по сравнению с насадкой, изготовленной из нержавеющей проволоки, а, следовательно, лучшей удерживающей способностью и более высокой эффективностью массообмена. Поэтому целью данной работы стало сопоставление методик определения удерживающей способности различных насадок в условиях реального движения фаз в ректификационной колонне, заполненной регулярной насадкой Sulzer CY-типа. Удерживающую способность насадочной колонны принято считать состоящей из двух частей:
1) Статической удерживающей способности - это количество жидкости, которое находится на насадке за счет действия капиллярных сил материала;
2) Динамической удерживающей способности - это избыточное количество жидкости, находящееся на насадке при данных условиях проведения процесса [3].
Для определения величин динамической и статической задержки были проведены эксперименты в условиях пропускания потока жидкости через исследуемый блок насадки. Схема экспериментального стенда представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда для определения величины статической и динамической задержек
В колонну 2 загружаются предварительно высушенные блоки регулярной насадки Sulzer CY-типа (D=62 мм, H=16 см, n=12 шт). Из емкости 1 с помощью регулятора потока 4 на орошение колонны поступает поток питания. Вся вода на выходе из колонны после измерителя расхода 5 собирается в приемную емкость 3. Моментом окончания
эксперимента считается установление постоянного потока жидкости на выходе из колонны. В начале и в конце эксперимента измеряются массы емкостей 1 и 3, а по их разности определяется суммарная задержка насадочного слоя. После прекращения подачи жидкости в течение 15 часов происходит стекание избыточной воды, которая считается динамической
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6
задержкой, а оставшаяся на насадке жидкость -статической задержкой. Было проведено два эксперимента, результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты экспериментов по измерению задержки на насадке 8и1/сг-СУ
Расход жидкости, мл/ч Динамическая задержка в колонне, г Динамическая задержка, г/блок Статическая задержка в колонне, г Статическая задержка, г/блок
238 127,2 10,6 78 6,5
230 126 10,5 69,6 5,8
Из представленных данных (табл. 1) видно, что величина динамической задержки составляет приблизительно 10,5 г/блок, а статической -примерно 6,1 г/блок. Полученные значения статической задержки на регулярной насадке Sulzer существенно (на 50%) меньше, чем известные литературные [4]. Данное несоответствие объясняется различием в методике измерения задержек. В работе [4] статическая задержка определялась после погружения блока насадки в воду, с последующей выдержкой в герметичной емкости, исключающей испарения статической задержки, до полного стекания лишней воды. Недостатком данного метода является игнорирование условий накопления задержки в условиях колонны, обусловленных неравномерностью распределения жидкости по сечению насадочного слоя.
В качестве альтернативного способа измерения удерживающей способности насадки были проведены эксперименты с импульсным введением солевой метки в поток жидкости. Эксперименты проводились по аналогичной методике, но на колонне большей высоты (п=30 блоков насадки). После установления равенства потоков жидкости на входе и выходе из колонны в водный поток на входе в колонну (Ь_225 см3/ч=0,0625 см3/с) мгновенно (1ввода<<1пребывания в колонне) вводится 2 мл 0,1 М раствора КаС1. Величина задержки оценивалась по среднему времени пребывания соли в колонне. Концентрация соли на выходе из колонны измеряется с помощью проточной электролитической ячейки. В рамках данной серии были проведены два эксперимента: с противотоком и без противотока газа в колонне.
2,0Е-03
1,5Е-03
^ 1,0Е-03 и
5,0Е-04 0,0Е+00
без воздуха противоток
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 т, мин
0
Рис. 2. Изменение электропроводности воды на выходе из колонны во времени
Из полученных данных видно, что при появлении противотока газа время пребывания соли в колонне увеличивается, т.е. на поверхности насадки происходит дополнительное накопление воды. Зная величину потока жидкости и среднее время выхода пика соли, рассчитаем величину задержки: а) эксперимент без потока воздуха:
д _ ТсрЬводы_7800-0.0625
— 16,2 г/блок
п 30
б) эксперимент с потоком воздуха:
(1)
д _ ТсрЬводы_10200-0.0б25
= 21,3 г/блок (2)
п 30
Как видно, различные методики оценки удерживающей способности насадки в отсутствии противотока воздуха дают сопоставимые результаты. При отсутствии потока воздуха на одном блоке насадки накапливается примерно 16 г воды (10 г-
динамическая задержка, 6 г - статическая задержка). При противотоке воздуха на поверхности пленки жидкости, стекающей по насадке, происходит волнообразование и накопление дополнительной динамической задержки, сопоставимой по количеству со статической задержкой (21,3-16,2=5,1 г/блок). Для оценки режима накопления динамической задержки в условиях противотока была снята кинетическая кривая изменения расхода воды на выходе из колонны. Поток воды, подаваемый на орошение колонны, в первом случае равен влагосодержанию подаваемого в колонну воздуха, а во втором в два раза его превосходит.
Из представленных данных видно, что при предварительном смачивании насадки двойным потоком воды (кривая II) в первые 10-15 мин происходит стекание избытка жидкости, а кривая изменения потока воды во времени минимума не имеет. Смачивание насадки рабочим потоком
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6_
жидкости приводит к тому, что при подаче в колонну (кривая I), а далее величины потоков на кривых I и II воздуха в течение 23-25 мин происходит становятся одинаковыми. дополнительное накопление динамической задержки
0
20
40
60 т, мин
80
100
120
Рис. 3. Динамика изменения потока жидкости на выходе колонны в условиях противотока. I - поток подаваемой в колонну воды 220 г/ч, II - предварительное смачивание насадки потоком 450 г/ч с изменением потока воды перед
подачей в колонну воздуха до 220 г/ч
Таким образом, задержка делится на три составляющие: статическая задержка, обусловленная капиллярными силами поверхности материала; динамическая задержка, создаваемая рабочим потоком жидкости, и третья составляющая, возникающая за счет противотока газа. Для достоверного определения удерживающей
способности насадки ее измерение необходимо проводить по описанным методикам, приближенным к реальным условиям движения фаз в колонне. Наличие третьей составляющей задержки приводит к необходимости изучения режима запуска колонна как фактора, влияющего на количество задержки и ее распределение.
Иванова Анна Сергеевна, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Букин Алексей Николаевич, к.т.н., ведущий инженер кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Марунич Сергей Андреевич, к.т.н., старший научный сотрудник кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Сумченко А. С., Букин А. Н., Марунич С. А., Пак Ю. С., Розенкевич М. Б., Селиваненко И. Л., Тхет Мью Аунг. Влияние способа запуска насадочной колонны на эффективность процессов ректификации воды и детритизации газов методом фазового изотопного обмена // Теоретические основы химической технологии. 2015.Т. 49. № 3. С. 267-276.
2. Сумченко А.С., Букин А.Н., Марунич С.А. Исследование эффективности массобмена на алюминиевой спирально-призматической насадке // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. № 9 (158). С. 13-15.
3. Зельвенский Я.Д., Титов А.А., Шалыгин В.А. Ректификация разбавленных растворов. Л.: «Химия», 1974. 216 с.
4. Марунич С.А. Фазовый изотопный обмен как метод очистки воздуха от паров третированной воды: дис .... канд. тех. наук. М.: 2012. 115 с.
Ivanova Anna Sergeevna, Bukin Aleksei Nikolaevich*, Marunich Sergey Andreevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: [email protected]
METHODS FOR DETERMINATION OF SUMMARY AND DYNAMIC HOLDUP IN PACKED COLUMNS
Abstract
Some methods for estimating liquid holdup on Sulzer CY-type regular packing were compared. It is shown that methods investigated provide more accurate estimation than existing literature data. Experiments showed that in countercurrent apparatuses exist additional liquid holdup caused by gas phase resistance.
Key words: Dynamic hold-up, static hold-up, regular package, holding capacity
0
