книги из ГПНТБ / Стабников В.Н. Перегонка и ректификация спирта

170 Моделирование ректификационных аппаратов

кающую на каждый килограмм поступающего пара в секунду. Метод анализа размерности должен дать общий вид крите­ риального уравнения, определяющего величину F и, следова­ тельно, выявить те безразмерные комплексы, равенство которых определяет подобие условий возникновения новой поверхности

контакта.

Основной предпосылкой правильного решения задачи явля­ ется правильный отбор тех факторов, которые влияют на инте­ ресующую нас величину.

Экспериментальное изучение явлений, происходящих в меж­ тарелочном пространстве, показывает, что на F влияют те фак­ торы, которые определяют характер движения пара в межта­ релочном пространстве. Эти условия вполне определяются усло­ виями гидродинамического подобия, в том числе критерием Re„.

В этот критерий входят: скорость пара и, ширина паровы­ пускного отверстия I, удельный вес пара у п вязкость его г) „. Кроме того, F определяется факторами, влияющими на пенооб­ разующую способность флегмы и на унос. К ним относятся: удельный вес жидкости уж, вязкость жидкости \’ж поверхност­ ное натяжение жидкости а, характеристика устойчивости пены со, Еысота межтарелочного пространства Я, флегмовое число Ф.

Остановимся на значении величины со. Количественная харак­ теристика ее довольно неопределенна. Выберем в качестве ха­ рактеристики прочности пены скорость исчезновения пены в м3/сек (объемная коагуляция пены). Относя объемную коагу­ ляцию к ее поверхности в м2, получим линейную скорость коа­ гуляции со м/сек. Эту величину мы будем принимать как меру устойчивости пены.

Исходя из изложенного, можно написать:

[со] — м/сек\ [а] = KzjM\ [v j = мЧсек-, [Ф] = 0 ; [Н ) = м.

Сравнивая показатели, входящие в уравнение единиц изме­ рения, составляем три уравнения:

В качестве независимых переменных выбираем k, I, р, у. Вы­ ражаем через них все прочие. Получим;

т = — k — 1; п = \ — 1] р = z 2 k -\-1— \.

Мы имеем теперь:

F = С Re£ Тжю'а-*-1

Составив безразмерные комплексы, получим:

Таким образом, условия гидродинамического подобия в меж­ тарелочном пространстве, согласно изложенному, должны быть следующими:

Для выхода пара из щелей должно быть соблюдено равен­

ство:

Ren = idem.

Из выведенных выше уравнений подобия вытекает интерес­ ное заключение о моделировании ректификационных аппара­ тов. Предположим, что моделирование производится с исполь­ зованием в модели той же системы, что и в образце.

Для соблюдения условий подобия должны быть осуществ­ лены равенства:

^j = idem; p ^ -j = idem.

Если и в образце и в модели мы имели дело с той же систе­ мой, то:

шобр— “ мод' ^ж.обр— '''ж.мод! Тж .обр— Тж.мод; ° 0бр— а мод-

Отсюда вывод: выполнение условий, написанных выше, воз­ можно только в том случае, если Н — расстояние между тарел­ ками— в образце и в модели одинаково.

Так как при моделировании ректификационных аппаратов всегда исследуют ту же систему, что и в образце, то отсюда вытекает основное правило моделирования ректификационных аппаратов тарелочного типа: при м о д е л и р о в а н и и р е к ­ т и ф и к а ц и о н н ы х а п п а р а т о в т а р е л о ч н о г о т и п а р а с с т о я н и е м е ж д у т а р е л к а м и м о д е л и и о б р а з ­ ца о с т а е т с я п о с т о я н н ы м .

1.72Моделирование ректификационных аппаратов

Несоблюдение этого положения ведет к неправильным вы­ водам из результатов опытов.

Но если при моделировании ректификационных аппаратов расстояние между тарелками не изменяется, то часто теряется смысл и в изменении других размеров контактных устройств, особенно при исследовании многоколпачковых тарелок. Поэто­ му прц исследовании колонн прибегают к методу, который по­ лучил наименование метода «вертикальной вырезки». В этом случае устанавливают в модели колпачки нормального разме­ ра, но в меньшем количестве, чем в образце; расстояние же между тарелками оставляют без изменения.

Исследователь при этом выигрывает в расходе на сооруже­ ние аппарата и в эксплуатационных расходах при испытании контактного устройства.

Разумеется, при уменьшении диаметра колонны в модели мы не можем избежать «пристенного» эффекта, т. е. изменений в процессе, вызванных влиянием факторов, связанных с раз­ мерами сечения аппарата. Как показывает опыт, уменьшение диаметрального сечения связано с увеличением разделительного эффекта. Поэтому модели аппаратов, выполненные по методу вертикальной вырезки, дают лучшие показатели, чем образцы, подобные этим моделям. Это необходимо иметь в виду, проводя испытания на моделях.

§ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИТЧАТЫХ КОЛОНН

И. М. Аношин [4, 5] в работе, посвященной исследованию ректификационных аппаратов с сигчатыми тарелками, пред­ принял попытку составить критерии подобия для процесса на тарелках.

За основу было взято исходное положение автора о том, что

w a — скорость пара в отверстиях ситчатой тарелки в м/сек; рп — плотность пара в кг • сек?-/м*\ с ж — поверхностное натяжение жидкости в кг/м;

(Тж— Тп) — разность удельных весов жидкости и пара в кг/мг\ Н — расстояние между тарелками в м\

h — статическая глубина барботажа;

Р = T / d — отношение расстояния между отверстиями к диа­ метру их.

Применяя метод анализа размерностей, Аношин нашел сле­ дующие комплексы, характеризующие подобие процесса на сит­ чатых тарелках:

F { H - h ) 4 i ж - Тп) . (Тж- T n H f f - A ) 1 . Л .

W0 Сж ^

Эти критерии характеризуют гидродинамические явления в межтарелочном пространстве.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в приве­ денные выше комплексы не входят величины, характеризующие способность к пенообразованию и пеностойкость в рассматри­ ваемой системе.

Сомнительно также, что вязкость жидкости не нашла места в выражениях для найденных комплексов.

Г. К. Дьяконов [6] установил, изучая критерии пенообразования, что на процесс пенообразования при барботаже влияют следующие факторы: характерный линейный размер аппарата d, высота подъема пузырьков газообразной фазы Но, коэф­ фициент внутреннего трения v, характерная скорость v, плот­ ность жидкости qi, плотность газообразной среды дг, ускорение силы тяжести g , напряжение зеркала пенообразования Е, ста­ тическая устойчивость пены т (две последние величины связа­ ны с пенообразовательной способностью): Е — линейная ско­ рость выхода газообразной фазы (пены) с поверхности; х — устойчивость пены в статических условиях.

Таким образом, Дьяконов полагал необходимым включить в число факторов, определяющих гидродинамику пенообразова­ ния, также и факторы, характеризующие пеностойкость. Кри­ териальные уравнения Аношина довольно хорошо соответству­ ют экспериментальным данным. Это, по-видимому, говорит о том, что в пределах исследованных им систем (водно-спирто- Еые растворы) влияние факторов пенообразования невелико и не сказывается значительно.

Вместе с тем, анализируя критерии, выведенные Аношиным, можно сделать то же заключение, что мы сделали и ранее, т. е. что при моделировании процесса ректификации с применением той же системы, что и в образце, мы вынуждены сохранить в модели то же расстояние между тарелками Н, что и в образце. Точнее говоря, должна быть одинакова разность (Я — h), что дает некоторую незначительную возможность уменьшения раз­

меров аппарата.

Таким образом, рассматривая работу Аношина, мы прихо­ дим также к идее построения модели как «вертикальной вырез­ ки» из большого аппарата, с сохранением величины Я, одина­ ковой как в .образце, так и в модели.

§ 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН

В. В. Кафаров на основании глубокого исследования рабо­ ты насадочных колонн вывел простые соотношения для нахож­ дения размеров модели, если заданы размеры образца [7].

Для диаметров колонн:

Для нахождения высоты колонны-модели можно воспользо­ ваться следующим отношением;

Здесь hi и h2— эквивалентные высоты насадки для образца и модели. Эквивалентной высотой называется высота насадки, соответствующая одному теоретическому контакту.

Зная hi для образца, по уравнению ((72) легко найти 1г2 для модели. Умножая найденное h2 на число теоретических контак­ тов, необходимых для осуществления перегонки в заданных пре­ делах, получим высоту модели.

Для определения перепадов давления в модели и образце служит уравнение:

В этом уравнении Apj и Ар2— перепад давления в образце и в модели.

Предложенные уравнения позволяют определить основные размеры модели, если известны характеристики насадочной ко­ лонны-образца.

§ 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ АППАРАТУРНЫХ СХЕМ РЕКТИФИКАЦИИ

Другого рода задача стоит перед исследователем в том слу­ чае, когда необходимо соорудить модель производственного аппарата, состоящего из ряда колонн, для того чтобы прове­ рить технологические результаты его работы. В этом случае,

конечно, можно пойти по пути создания полной модели по ме­ тоду «вертикальной вырезки».

Но это, особенно при сложных многоколонных аппаратах, обходится дорого. Так как по заданию мы не должны в этом случае получить полную аналогию процессов в аппарате, а только одинаковый конечный результат, то мы можем восполь­ зоваться другим принципом моделирования, который может быть назван моделированием по принципу «равной эффектив­ ности».

Согласно этому принципу, мы не стремимся к моделирова­ нию гидродинамических и диффузионных процессов, но доби­ ваемся только одинаковой эффективности в отдельных колон­ нах, из которых состоит сложный аппарат, независимо от кон­ струкции модели.

Для того же, чтобы эффективность в образце и модели име­ ла одинаковое значение, необходимо, чтобы соответственные колонны образца и модели содержали одинаковое число тео­ ретических контактов, или одинаковое число единиц переноса.

При этом не обязательно моделировать тарелочные колон­ ны при помощи тарелочных моделей. В данном случае можно в качестве моделей использовать равно эффективные насадоч­ ные колонны. Отпадает также необходимость в равенстве флегмовых чисел в образце и в модели.

Такое моделирование, разумеется, не является тем модели­ рованием, принципы которого разработаны теорией подобия. Э то м о д е л и р о в а н и е м о ж е т б ы т ь н а з в а н о т е х ­ н о л о г и ч е с к и м . Однако при достаточно точном знании чис­ ла теоретических контактов (тарелок) в образце мы можем по­ лучить достаточно точную технологическую модель.

Допустим, что в качестве модели служит насадочная колон­ на с весьма эффективной насадкой *. Нам должна быть известна высота этой насадки, эквивалентная одному теоретическому кон­ такту (h мм) при условиях, подобных условиям работы образ­ на, т. е. при том же соотношении количества жидкой и паровой фаз.

Тогда высота насадки в колонне модели будет равной hX X 2 мм, где z — число теоретических контактов образца.

Дефлегматор колонны модели должен обеспечить находи­ мый расчетом жидкий обратный поток.

Технологическое моделирование является, разумеется, при­ ближенным, но оно может дать некоторые материалы для суж-

1 Следует иметь в виду, что при ректификации многокомпонентных систем насадочная колонна при одинаковом числе теоретических контактов может дать несколько иной состав продукта и остатка, чем тарельчатая ко­ лонна, На это указывает Багатуров [8].

дения при оценке новой, предлагаемой для разгонки сложной смеси, схемы. Оно может также дать представление о влиянии тех или иных факторов на работу аппарата, если мы не хотим ставить такие опыты в большом производственном масштабе.

ектирования ректификационных колонн, диссертация, Киевский технологиче­ ский институт, 1940.

3.В. В. Кафаров, «Журнал прикладной химии», т. XXX, 1957.

4.И. М. Аношин, Труды Краснодарского института пищевой промыш­ ленности, вып. 12, 1955.

5.И. М. Аношин, Исследование аппаратов с ситчатыми тарелками для ректификации спирта, канд. диссертация, Московский технологический институт пищевой промышленности, 1952.

6.Г. К- Дьяконов , Вопросы теории подобия в области физико-хими­ ческих процессов, изд. АН СССР, 1956.

от бражки в так называемой лютерной колонне. Аппарат этого типа выполняется двухколонным. На рис. 102 изображены прин­ ципиальные схемы аппаратов обоих типов. 'Как тот, так и дру­ гой тип аппаратов может быть приспособлен для работы с от­ бором сивушных масел.

Брагоперегонные аппараты с совместной вываркой бражки и погона

О д н о к о л о н н ы е б р а г о п е . р е г о н н ы е а п п а р а т ы . На рис. 103 приведена монтажная схема одноколонного браго­ перегонного аппарата. Аппарат имеет следующие основные части: колонну 1, которая состоит из двух частей, верхней — укрепляющей (спиртовой) и нижней истощающей (бражной), двухбарабанного дефлегматора 3 с горизонтальными трубками, холодильника спирта 4 комбинированного типа. Верхняя, труб­ чатая, часть этого холодильника служит для конденсации вод­ но-спиртовых паров, поступающих из дефлегматора, а нижняя, змеевиковая, часть—>для охлаждения конденсата. Кроме того, аппарат имеет ряд вспомогательных устройств. Работа аппара­ та протекает следующим образом. Бражку насосом прокачива­ ют через трубки дефлегматора, где она подогревается теплом конденсирующегося в дефлегматоре пара. Подогретая бражка, проходя через смотровой фонарь 10, поступает на верхнюю та­ релку бражной колонны. Греющий открытый пар поступает в аппарат в нижней части бражной колонны. Количество его ре­ гулируют при помощи манометрического парового регулято­ ра. Истощенная бражка отводится через бардяной поплавковый регулятор 2. Для контроля за содержанием спирта в отходя­ щей барде служит пробный холодильник 5. Пары из бражной колонны попадают в верхнюю колонку обогащения (спирто­ вую). На тарелках этой колонны они укрепляются и поступают в дефлегматор.

Флегму, образующуюся в дефлегматоре, направляют на верхнюю тарелку спиртовой колонны, а несконденсировавшиеся пары — в холодильник, где они конденсируются и охлаждаются, образуя спирт-сырец.

Спирт-сырец проходит через фильтр 8 и течет в фонарь 9. Для предохранения аппарата от образования в нем вакуума служит гидравлический предохранитель 7.

Гипроспиртом разработаны проекты четырех одноколонных медных аппаратов. В табл. 31 дана техническая характеристика этих аппаратов.