Введение к работе
Актуальность работы. Ректификация является одним из основных процессов химической технологии. С помощью ее осуществляют разделение больших количеств жидких смесей на отдельные компоненты или фракции. На долю ректификации приходится огромный объем капиталовложений и энергетических затрат.
Наиболее распространенными аппаратами для осуществления ректификации смесей являются тарельчатые колонны. Особенность их устройства позволяет применить ступенчатый метод расчета, известный в литературе как метод "от тарелки к тарелке". В качестве основного элемента в нем вступает одиночная контактная ступень, математическое описание которой включает систему балансовых термодинамических и кинетических уравнений. При этом имеются различные подходы к оценке кинетики массопередачи, отличающиеся разной степенью детализации описания процесса.
Известно, что процессы массообмена между паром и жидкостью протекают на поверхности контакта фаз, которая образована пузырьками и струями пара, каплями и пленками жидкости и трудно поддается определению. Тем не менее разработаны методы измерения межфазной поверхности и выполнены систематические исследования, позволившие установить зависимость поверхности от гидродинамических факторов, конструктивных параметров тарелок и физико-химических свойств систем. Сведения о величине межфазной поверхности и о ее состоянии позволили определить истинные коэффициенты массо-отдачи в паре и в жидкости и установить их зависимость от определяющих факторов. В то же время вопросы, массообмена в тарельчатых ректификационных колоннах с учетом действительной поверхности контакта фаз обсуждались недостаточно, а использование такого подхода при разработке программ для расчета промышленных колонн вообще отсутствует.
Учитывая громадные масштабы переработки жидких смесей с помощью ректификации, большую металлоемкость аппаратуры и высоки затраты энергии, разработка надежных методов расчета тарельчатых ректификационных колонн и создание соответствующего программного обеспечения следует считать актуальной задачей.
Цель работы состояла в исследовании кинетики массопередачи между паром и жидкостью на тарелках ректификационных колонн и ее адекватном описании; в разработке программы кинетического расчета тарельчатых ректификационных колонн, основанного на сведениях о величине межфазной поверхности и истинных коэффициентах массоотдачи; в анализе работы установки ректификации ксилолов и этилбензола на химическом заводе ОАО АНХК и оптимизации ее режимных параметров.
Научная новизна. На основе лабораторных испытаний и анализа работы промышленных ректификационных колонн выполнена сравнительная оценка зависимостей для расчета гидравлических и массообменных характеристик провальных тарелок и рекомендованы к использованию наиболее надежные уравнения.
Путем оценки фазовых сопротивлений массообмену установлена разная степень влияния величины межфазной поверхности на эффективность разделения смесей, что позволило сформулировать требования к формированию парожидкостных слоев на контактных тарелках.
Разработан метод расчета положения условных линий равновесия для каждого компонента многокомпонентной смеси, что позволило определить разделяющее действие колонны и эффективность тарелок по каждому компоненту смеси.
Установлено значительное взаимодействие компонентов многокомпонентной смеси в области перегиба линий ректификации. Показано, что взаимодействие имеет термодинамический характер. Предложены приемы его учета при расчете промышленных аппаратов.
Уточнены зависимости для расчета гидравлического сопротивления провальных тарелок при ректификации смесей, отличающихся большой плотностью пара.
Предложен способ регулирования режима работы провальных тарелок при переменных нагрузках по пару и жидкости, основанный на изменении давления в колонне.
Практическая значимость. Разработана программа кинетического расчета ректификации многокомпонентных смесей в тарельчатых колоннах, основанная на использовании зависимостей для поверхности контакта фаз и истинных коэффициентов массоотдачи. С помощью ее выполнен проектный расчет
установки ректификации бинарной смеси изопропанол-вода и серия поверочных расчетов установки ректификации изомеров ксилола и этилбензола. Программа кинетического расчета рекомендована к использованию при проектировании и оптимизации режимов работы тарельчатых ректификационных колонн.
Сформулированы требования к высоте парожидкостного слоя и величине межфазной поверхности в зависимости от распределения сопротивлений мас-сообмену между паром и жидкостью, которые реализованы при проектировании установки ректификации смеси изопропанол-вода..
Разработаны рекомендации по изменению технологической схемы и режима работы установки ректификации ксилолов и этилбензола при пониженных нагрузках в АО АНХК, которые позволили перейти от трехколонной схемы на более простую двухколонную, и обеспечили значительную экономию энергетических затрат. Ожидаемый экономический эффект от реализации разработок составляет 29,2 млн. рублей в год.
Материалы исследования вошли в учебное пособие "Ректификация бинарных и многокомпонентных смесей" (издательство Иркутского государственного технического университета, 1998 г.), которое рекомендовано Региональным учебно-методическим центром для студентов химико-технологических специальностей вузов.
Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях. Они были доложены на Всероссийской научно-технической конференции "Теория и практика массообменных процессов химической технологии" г. Уфа (1996 г.); на конференциях Ангарского технологического института "Современные технологии и научно-технический прогресс" (1994 -1998 гг.).