Сравнительный анализ эффективности разделения при прямотоке и противотоке жидкости на тарелках аппарата

На рис. 24.2 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.24.2,в, а при противотоке - на рис.24.2, г.

Анализ представленных схем позволяет заключить, что при прямотоке для любой 1-й тарелки структура потока жидкости сохраняется (рис.24.2, д), в то время как при противотоке она может быть представлена в виде структуры потока жидкости (рис.24.2, е), состоящей на 2/3 объема для (i + 1)-й и (/ - 1)-й тарелок из прямотока и на 1/3 из рециркули-

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

Рис. 24.2. 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 парожидкостых потоков на /-Я тарелке

рующего объема i-й тарелки от выхода (/ + 1 )-й тарелки к входу (/' - 1 )-й тарелки.

Принимая по жидкости комбинированную модель, соответствующую прямотоку д или противотоку е, а по пару (газу) в межтарельчатом пространстве - модель полного перемешивания, определяли зависимости эффективности прямотока и противотока от гидродинамических и кинетических параметров процесса разделения.

При выводе уравнений связи эффективности тарелки с локальной эффективностью и параметрами комбинированной модели структуры потока жидкости были приняты следующие допущения:

  • - линия равновесия в пределах тарелки имеет линейную зависимость;
  • - локальная эффективность г по всей площади барботажа постоянна;
  • - жидкость по высоте барботажного слоя полностью перемешана;
  • - объемные расходы пара и жидкости во времени и по сечению барбо- тажной площади постоянны;
  • - межтарельчатым уносом жидкости можно пренебречь.

Математическая модель массопередачи для прямотока в соответствии

со структурной схемой (рис. 24.2, д) может быть записана в следующем виде:

Граничные условия на границе зоны полного перемешивания и диффузионной зоны:

где ? - коэффициент продольного перемешивания жидкости, м7/с F- площадь диффузионной зоны потока жидкости, V длиной /я; L.V- расходы жидкой и паровой (газовой) фаз, лг/с; хи у, - концентрации жидкости и пара (газа) в соответствующих зонах.

Вводя вместо х, переменную М, = xt-x* и переходя к безразмерным параметрам (г=///д, - Vi!V), получаем новую систему уравнений, которую решаем относительно профиля концентрации жидкости по длине тарелки (см. раздел 23.5). Далее, интегрируя Мл по z от 0 до 1, а также с учетом допущений 1 и 2 и того, что тМьых = т{хлих - х*) = у* - уо, получим зависимость для КПД тарелки при прямотоке

Математическая модель массопрередачи для противотока в соответствии со структурной схемой (рис. 24.2, е) может быть записана в следующем виде:

Граничные условия:

Так же, как и при прямотоке, вводим переменную А// = х,-х* и безразмерные параметры 2/, . Решаем новую систему относительно профиля

концентрации жидкости по длине тарелки. Интегрируя Мд1 по z от 0 до 1, с учетом допущений 1 и 2 и того, что тМлих = т(хлых -х*) -у* -уо, получим зависимость для КПД /-й тарелки при противотоке для N тарелок.

В табл. 24.3 приведены данные эффективности тарелки при прямотоке (формула 24.9) и противотоке (формула 24.12) жидкости на тарелках. Из

Таблица 24.3. Эффективность массопередачи rj^ при различных значениях фактора диффузионного потенциала X

Лоу

Фактор диффузионного потенциала X

0,001

0,5

L0

1,5

2.0

3,0

5,0

10,0

Прямоток жидкости (Ре=2,0; ^ =0; ^ =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

U4

1,37

1,51

3,55

2,65

6,015

Противоток жидкости (Ре=2,0; ^ ^ = 2 =0; Л =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

Таблица 24.4. Эффективность массопередачи т]при различных значениях доли объема Е. » зон полного пепемешивания

Доли объема

0,0

1_0J_

_Qi?_I

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 (Ре = 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

_L0_

0,968

1,050

1,17

1,183

0,851

0,612

анализа видно, что при изменении фактора диффузионного потенциала (X) от 1 до 10 (ректификация, абсорбция) эффективность разделения выше при прямотоке, особенно при высокой локальной эффективности tjok* что, в свою очередь, достигается конструктивными и технологическими приемами.

На рис. 24.3 приведены зависимости эффективности разделения при прямотоке (кривые 1,2,3) и противотоке (кривые 4,5,6) жидкости от числа Пекле при тоу= 1. Анализ зависимостей 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 (т|о>- = 0,2 ... 1,0) и изменении Ре от 2 до 50. Эффективность разделения при абсорбции (X = 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. 24.4.

На рис. 24.4 приведена зависимость эффективности разделения при прямотоке (кривые 7, 2, 3) и противотоке (кривые 4, 5, 6) от доли зон полного перемешивания на входе и выходе потока (§|д) при Ре = 2, X = 1;

Зависимость эффективности разделения при прямотоке (1, 2, 3) и противотоке (4, 5, 6) от числа Пекле

Рис. 24.3. Зависимость эффективности разделения при прямотоке (1, 2, 3) и противотоке (4, 5, 6) от числа Пекле:

Л ^ — X =10; 2. 5-X =5; J. 6- X = 1,0

Рис. 24.4. Зависимость эффективности разделения при прямотоке (1, 2, 3) и противотоке (4, 5,6) от доли зон полного перемешивания на входе и выходе потока:

Z3-X-5; З.б-Х=1,0

5; 10 и r|o>- = 1, из которой видно, что с ростом зоны полного перемешивания эффективность разделения при прямотоке снижается быстрее в 1,6 ... 12,8 раза, чем при противотоке.

Экстремальный характер зависимости изменения эффективности разделения от размера зон полного перемешивания позволяет определить оптимальный размер этих зон. Однако все усилия ученых, изобретателей и конструкторов по интенсификации процесса массопередачи на тарелке путем: секционирования, направленного ввода парового потока в строго определенных местах площади барботажа, закручивания потока и т.д., не дадут желаемых результатов при противоточном движении жидкости на тарелках колонны.

Поэтому при конструировании барботажных аппаратов с переливом необходимо сочетать (конструктивным путем) идеальную структуру пенного слоя на тарелке (идеальное вытеснение - Ре -> оо) с однонаправленным движением жидкости на них. Особенно это важно когда расчетное число тарелок достигает 100 и более единиц. В этом случае возможно снижение числа тарелок более чем на 30%.

Поверочный расчет на ЭВМ числа тарелок в действующих ректификационных колоннах по разделению смеси ацетон - вода и этиловый спирт — вода для 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 (24.12) составила 2%, в сравнении с числом тарелок в действующих колоннах (с противотоком жидкости на смежных тарелках). Это свидетельствует об адекватности математического описания структурной схемы парожидкостных потоков на тарелках (рис. 24.2, е) реальному процессу массопередачи в колонне.

Потарелочный проектный расчет ректификационных колонн с противо- точным движением жидкости на смежных тарелках (имеет место практически во всех колоннах) с использованием известных зависимостей для эффективности тарелок (по диффузионной, ячеечной и др. моделям) уже заведомо (ошибочно) предполагает структуру прямотока жидкости на смежных тарелках. Это вносит большую погрешность при определении числа тарелок (заниженное более чем в 1,5 раза). Поэтому не удивительно, что при проектировании новых ректификационных колонн число тарелок завышается в 1,5 и более раз по сравнению с расчетом.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >