Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ АППАРАТОВ
Посмотреть оригинал

Эффективность разделения на тарелках массообменного аппарата за счет прямотока и противотока жидкости

На рис. 4.2 представлены схемы прямотока (а) и противотока (б) жидкости на тарелках массообменного аппарата.

На основе большого числа результатов исследований промышленных аппаратов структуру потока жидкости на тарелке можно представить в виде упрощенной комбинированной модели, состоящей из зон полного перемешивания на входе и выходе потока и диффузионной зоны между ними. Структурные схемы потока жидкости для трех чередующихся тарелок при прямотоке изображены на рис. 4.2, в, а при противотоке - на рис. 4.2, г.

Анализ представленных схем позволяет заключить, что при прямотоке для любой /-Й тарелки структура потока жидкости

Прямоток (а, в, д) и противоток (б, г, е) на тарелках колонны

Рис. 4.2. Прямоток (а, в, д) и противоток (б, г, е) на тарелках колонны:

а, б - направление потоков; в. г - структурная схема жидкостного потока для 3-х смежных тарелок; д, е - усредненная структура парожидкостных потоков на /-й тарелке

сохраняется (рис. 4.2, д), в то время как при противотоке она может быть представлена в виде структуры потока жидкости (рис. 4.2, е), состоящей на 2/3 объема из прямотока для (/ + 1)-й и (/'- 1)-й тарелок и на 1/3 из рециркулирующего объема для /-й тарелки от выхода (/' + 1)-й тарелки к входу (/ - 1)-й тарелки.

Руководствуясь комбинированной моделью по жидкости, соответствующей прямотоку и противотоку, и полагая, что осуществляется полное перемешивание пара в межтарельчатом пространстве, определяли зависимости эффективности тарелок от гидродинамики и кинетики массопередачи.

При выводе уравнений связи эффективности тарелки с локальной эффективностью и параметрами комбинированной модели структуры потока жидкости были приняты следующие допущения: 1) линия равновесия в пределах тарелки имеет линейную зависимость; 2) локальная эффективность по всей площади барботажа постоянна; 3) жидкость по высоте барботажного слоя полностью перемешана; 4) объемные расходы пара и жидкости во времени и по сечению барботажной площадки постоянны;

5) межтарельчатым уносом жидкости можно пренебречь.

Математическая модель массопередачи для прямотока в соответствии со структурной схемой (рис. 4.2, д) может быть записана в следующем виде:

Граничные условия на границе зоны полного перемешивания и диффузионной зоны:

Вводя переменную Л/, = х,- - дс* и переходя к безразмерным параметрам (z = l/La, = У,/У), новую систему уравнений (4.7) и (4.8) решаем относительно профиля концентрации жидкости по длине тарелки (см. гл. 3), далее, интегрируя Ма по г от 0 до 1, а также с учетом допущений 1 и 2 и того, что тМвых = - w(xBblx - х*) = у* - уо> получим зависимость для к. п. д. тарелки при прямотоке

где

Математическая модель массопередачи для противотока в соответствии со структурной схемой (рис. 4.2, е) может быть

Граничные условия:

Так же, как и при прямотоке, вводим переменную Л/, = х, - - х* и безразмерные параметры ц, ?/. Решаем новую систему относительно профиля концентрации жидкости по длине тарелки. Интегрируя Л/д,- по г от 0 до 1, с учетом допущений 1 и 2 и того, что тМвь1Х = т(хвых - х*) = у* - уо, получим зависимость для к. п. д. /-й тарелки при противотоке для А'тарелок.

где

В табл. 4.3 приведены данные по эффективности тарелки при прямотоке (формула 4.9) и противотоке (формула 4.12) жидкости на тарелках. Из анализа этих данных видно, что при изменении фактора диффузионного потенциала (X) от 1 до 10 (ректификация, абсорбция) эффективность разделения выше при прямотоке, особенно при высокой локальной эффективности по>'> что, в свою очередь, достигается конструктивными и технологическими приемами.

На рис. 4.3 приведена зависимость эффективности разделения при прямотоке (кривые 1, 2, 3) и противотоке (кривые 4, 5, 6) жидкости от числа Пекле при ло^ = 1- Анализ зависимости показал, что эффективность разделения при прямотоке выше, чем при противотоке, в 1,1-2,7 раза при ректификации X = 1-3 во всем диапазоне изменения локальных эффективностей (ЛОу” 0,2-1,0) и изменении Ре от 2 до 50. Эффективность разде-

Таблица 4.3 Эффективность массопередачи г|Т/ при различных значе ниях фактора диффузионного потенциала X

ПО/

Фактор диффузионного потенциала X

0,001

0,5

1.0

1,5

2,0

3,0

5.0

ю.о

Прямоток

жидкости

(Ре = 2

,0; $1 =

Ь = 0; 5л =

= 0)

0,2

0,2

0,204

0,209

0,213

0,218

0,256

0,247

0,302

0,4

0,4

0,418

0,436

0,455

0,474

0,66

0,605

0,88

0,8

0,8

0,871

0,948

1,029

1,12

2,2

1,77

3,515

1,0

1,0

1,11

1,24

1,37

1,51

3,55

2,65

6,015

Противоток жидкости (Ре

= 2,0; ?

1 - = Vi = Ц =

0; R= 1)

0,2

0,2

0,194

0,189

0,184

0,181

0,175

0,168

0,164

0,4

0,4

0,378

0,361

0,35

0,341

0,331

0,327

0,359

0,8

0,8

0,723

0,683

0,663

0,655

0,66

0,719

1,0

1,0

1,0

0,888

0,839

0,82

0,818

0,846

0,968

1,494

Зависимость эффективности разделения г), при прямотоке (1, 2, 3) и противотоке (4, 5, б) от числа Пекле

Рис. 4.3. Зависимость эффективности разделения г)х>, при прямотоке (1, 2, 3) и противотоке (4, 5, б) от числа Пекле:

1,4-к -10; 2. 5-1 = 5; 3.6-к - 1.0

ления при абсорбции = 5-10) при тех же гидродинамических условиях увеличивается в 1,47-19,5 раза.

Зависимость эффективности тарелок от размера зон полного перемешивания при прямотоке и противотоке жидкости приведена в табл. 4.4.

На рис. 4.4 приведена зависимость эффективности разделения при прямотоке (кривые 1, 2, J) и противотоке (кривые 4, 5,

б) от доли зон полного перемешивания на входе и выходе пото- ка (41.2) ПРИ Ре = 2, X = 1; 5; 10 и = 1, из которой видно, что с ростом зоны полного перемешивания снижение эффективности разделения при прямотоке происходит быстрее в 1,6- 12,8 раза, чем при противотоке.

Таблица 4.4. Эффективность массопередачи при различных значениях доли объема 4 зон полного перемешивания

ПОу

Доли объема

0.0

0,1

0.2

0,4

0.8

1.0

Прямоток жидкости (Ре =

2,0; X = 5,0)

0,2

0,247

0,26

0,268

0,27

0,235

0,2

0,4

0,6

0,667

0,705

0,716

0,547

0,4

0,8

1,77

2,15

2,36

2,36

1,44

0,8

1,0

2,65

3,37

3,74

3,7

2,04

1,0

Противоток жидкости (Рс = 2

X = 5,0;

R- 1)

0,2

0,168

0,171

0,175

0,176

0,235

0,2

0,4

0,327

0,340

0,353

0,357

0,312

0,272

0,8

0,719

0,780

0,836

0,847

0,65

0,499

1,0

0,968

1,050

1,17

1,183

0,851

0,612

Экстремальный характер зависимости изменения эффективности разделения от размера зон полного перемешивания позволяет определить оптимальный размер этих зон, что особенно важно при конструировании тарелок. Однако усилия ученых, изобретателей и конструкторов, направленные на интенсификацию процесса массопередачи по всей площади барботажа тарелки путем ее секционирования, направленного ввода парового потока в строго определенных местах площади барботажа, закручивания потока и т. д., конечной целью которых является приближение структуры пенного слоя к режиму идеального вытеснения (Ре -» да), не дадут желаемых результатов при противо- точном движении жидкости на тарелках колонны.

Поэтому при конструировании барботажных аппаратов с переливом необходимо сочетание идеальной структуры пенного слоя на тарелке с однонаправленным движением жидкости на них. Особенно это важно там, где число контактных устройств достигает более 100 единиц, что позволит более чем на 30% снизить металлоемкость аппарата, а также энергозатраты на ведение процесса разделения.

Поверочный расчет на ЭВМ числа тарелок в ректификационных колоннах по разделению смеси ацетон - вода и этиловый спирт - вода для действующих производств АО “Уфаоргсинтез” показал, что при однонаправленном движении жидкости на тарелках колонны их число снижается в среднем на 30-50%.

Потарелочный расчет показал, что ошибка в определении числа тарелок для разделения вышеуказанных смесей при использовании уравнения (4.12), в сравнении с числом тарелок существующих колонн с противотоком жидкости на смежных

Зависимость эффективности разделения т при прямотоке (I, 2, 3) и противотоке (4, 5, б) от доли зон полного перемешивания на входе и выходе потока

Рис. 4.4. Зависимость эффективности разделения тту при прямотоке (I, 2, 3) и противотоке (4, 5, б) от доли зон полного перемешивания на входе и выходе потока:

1,4- = 10; 2,5-к = 5; 3,6-Х= 1,0

тарелках, составила 2%, что свидетельствует о соответствии структурной схемы потока жидкости на тарелках (рис. 4.2, е) реальному процессу массопередачи в колонне.

Традиционный потарелочный расчет ректификационных колонн с использованием широкоизвестных зависимостей для определения эффективности тарелок по диффузионной, ячеечной, комбинированной и др. моделям уже предполагает прямоток жидкости на смежных тарелках, что не верно и, в свою очередь, вносит большую погрешность в определение числа тарелок. Не удивительно поэтому, что при проектировании ректификационных колонн число тарелок в 1,5 и более раз завышается по сравнению с расчетом.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы