Особенности гидродинамики и массопередачи при экстракции в системе жир- вода - глицерин

Рис. 2

особенностью способа обработки экспериментальных данных. г;,

выводы

1. Показано, что в условиях неэквимолярного переноса вещества и сопряженного с ним тепломассообмена в членах, учитывающих суммарный поток, можно с достаточной точностью использовать среднеарифметические значения концентраций и энтальпий на границе раздела фаз и в ядре потока.

2. При расчете процесса ректификации спиртовой смеси по уравнениям тепломассообмена обнаружено наличие большого суммарного потока вещества, приводящего к испарению жидкой фазы, и незначительное снижение температуры паровой фазы ниже температуры насыщения паров.

3. Разработан метод совместного учета тепломассообмена и термических эффектов испарения жидкости и мгновенной конденсации, возникающей за счет переохлаждения паров при тепломассообмене.

4. Установлено, что учет мгновенной конденсации паров практически не оказывает влияния на эффективность тарелки, поэтому этим эффектом

можно пренебречь, а эффект испарения жидкости приводит к увеличению эффективности в области малых концентраций и согласуется с экспериментальными данными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hübner W. Der Einflu/der Konzentration auf das Verstarkungsverhaltnis von Rectifizierboden // Chemieingenieur-Technik. — 1972. — 44. — № 8. — S. 546-552.

2. Плановский A.H., Артамонов Д.С., Орлов Б.Н. Сравнительная оценка эффективности ректификационной и абсорбционной аппаратуры / / Химическая пром-сть. —

1965. — № 4. — С. 53Í293)—57(297):

3. Пономаренко Д.Б. Математическое моделирование абсорбции многокомпонентных смесей и совершенствование процесса рекуперации растворителя в маслоэкстракционном производстве: Дис. ... канд. техн. наук. — Краснодар, 1986. — 256 с.

4. Рукенштейн Э., Смигельский О. К вопросу эффекта

Савистовского—Смита при ректификации смесей // Журн. нрикл. химии. — 1964. — 37. — № 7. —

С. 1530-1537.

5. Малюсов В.А., Лотхов В.А., Бычков Е.В., Жаворонков

Н.М. Тепло- и массообмен в процессе ректификации / / Теоретические основы химической технологии. — 1975. — IX. — № 1. — С. 3-10.

6. Александров И.А., Гройсман С.А. Тепло- и массообмен при ректификации в барботажном слое / / Теоретические основы химической технологии. — 1975. — IX. — № 1. — С. 11-19.

7. Stewart W.E., Prober ß. Matrix Calculation of Multicomponent Mass Transfer in Isothermal Systems // Ind. Eng. Chem. Fundam. — 1964. — 3. — № 3. — P. 224-235.

8. Шервуд Т., Пигфорд P., Уилки Ч. Массопередача / Пер. с англ. H.H. Кулова; Под. ред. В.А. Малюсова. — М.: Химия, 1982. — 695 с.

9. Справочник химика. 2-е изд., перераб. и доп. Т. 5. / Под ред. Б.П. Никольского (гл. ред.) и др. — М.-Л.: Химия,

1966. — 974 с.

10. Стабников В.Н., Попов В.Д., Редько Ф,А. Процессы и аппараты пищевых производств: Учеб. для вузов пищевой пром-сти. — М.: Пищепромиздат, 1959. — 584 с.

11. Перри Д. Справочник инженера-химика: В 2 т. — М.-Л,: Химия, 1969v .

12. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд., доп. и перераб. — М.: Наука, 1972. — 720 с.

13. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. — М.-Л.: Машгиз, 1952. — 232 с.

14. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. — М.: Энергия, 1977. — 240 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 27.10.98

665.1.03:517

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И МАССОПЕРЕДАЧИ ПРИ ЭКСТРАКЦИИ В СИСТЕМЕ ЖИР-ВОДА-ГЛИЦЕРИН

В.А. ВАЛЬДМАН, H.H. КОРНЕН '

Кубанский государственный технологический университет

При гидролизе жиров в схеме безреактивного их расщепления происходит попутно жидкостная экстракция в системе жир—вода—глицерин. Такой совмещенный процесс перспективно проводить в непрерывнодействующей колонне при противотоке фаз: расщепленный жир (жирные кислоты вверху)—водный конденсат (глицериновая вода внизу) [1]. Однако этот случай совмещенной жидкостной экстракции при высокотемпературном нагреве среды затруднительно рассчитывать на базе общепри-

нятых методик [2], что требует дополнительных исследований по гидродинамике и массопередаче в системе жир—вода—глицерин.

С целью более направленного подхода к расчету и конструированию экстракционной колонны (реактора) изучили особенности гидродинамики и массопередачи при экстракции на лабораторной модели. В эксперименте обеспечивали капельное орошение водой слоя жировой смеси, включающей жирные кислоты, глицерин и нерасщепленный жир, посредством оросителя с диаметром перфорации 2 мм. Установившаяся скорость движения капли воды в жире была найдена по формуле [3]

Re2 С, =

4 (р3 ~Pjd*gPs 3

Аг,

< 3

где Ее — критерий Рейнольдса;

С — коэффициент сопротивления для капли;

рв, р — плотность воды и жира, кг/м ; ак — диаметр капли, м; цж — вязкость жира, Па-с;

Аг — критерий Архимеда, откуда Сх = 7250/Ие .

Применим метод последовательных приближений, используя формулу

С. =

ц*СхХ + С

где

3-73-0,85

3 /.. in ос /..І

1,26-10 3 м3/с или

4,55 м /ч (0,85 кг/м — начальная концентрация глицерина в оборотном конденсате). При определении реального расхода экстрагента было приня-

то за основу, что эффективность распылительных колонн не превышает одной теоретической ступени. В таблице приведены расчетные значения необходимых ступеней при различных соотношениях V,/Ув шп.

Таблица

V /V vs' vb mm ХГЛ, кг/м3 Пт

10 22,736 1,49

15 15,676 1,28

20 11,739 1,15

— предельное значение вязкости, Па-с;

Сх — коэффициент сопротивления для 0 ’’легкой” фазы (жир) при ji -* 0; Сх№ — коэффициент сопротивления для ’’тяжелой” фазы (вода) при /<-»<».

В качестве первого приближения выбрали Re, = = 100.

Из выражений С. = 18,5/Re и

48

^хо = Re Г ~ vRej и Ф°РМУЛЫ &) найдем СхХ =

1,17; С, = 0,375 и соответственно Сг = 0,687;

хо Х1

7250

далее будем иметь Re2 = " • = 10570, откуда

0,оо7

Re ~ 103. Аналогичные расчеты для Re2 дали

результаты Сг00 = 1,145; С = 0,366 и С, = 0,689;

х *0 2

по аналогии получили Re23 = 10540 и Re3 = 102,5, что мало отличается от Re2. Для дальнейшего расчета приняли Re = 102,5, тогда искомая скорость капли воды в слое жира Vx = 5,27 см/с, время

гидродинамической стабилизации составило 0,14 с.

В результате численного эксперимента были определены основные гидродинамические и массообменные характеристики. Расчеты выполнены применительно к промышленной экстракционной колонне, при этом расход смеси жиров составлял 17 т/ч, содержание глицерина в смеси в конце реакции расщепления (перед экстракцией) 73 кг/м , а остаточное содержание глицерина в потоке жирных кислот (после экстракции) было принято равным 2,4 кг/м3. Давление процесса экстракции в колонне 4,3-106 Па. Очевидно, что требуемая степень извлечения глицерина составит 2,4

S = 1 - - 0,967. Коэффициент распределе-

ния при температуре экстракции 250°С приняли равным 3. Определили, что при объемном расходе

17000

жиров в колонне V = ------________________- =

ж Рж-3600 1200-3600

= 3,93-10 3 м3/с минимальный расход экстрагента-конденсата составит У 0,967-3,93-Ю"3-73

По результатам численного эксперимента расход конденсата приняли равным 91м /ч, при этом содержание глицерина в отходящей воде составит 11,74 кг/м3.

При расчете необходимого диаметра колонны учли трудности в определении скоростей ’’захлебывания”. Ориентировочный диаметр капель при капельном истечении оказался равным 10,7 мм, а скорость свободного осаждения капель составила 0,06 м/с. Принимая характеристическую скорость капель в распылительной колонне равной скорости свободного осаждения, определили величину суммарной фиктивной скорости фаз при ’’захлебывании” (0,015 м/с). Исходя из этого, нашли минимально возможный диаметр колонны, равный 1,62 м. При критерии Вебера We = 2,46 скорость в отверстиях распределителя WN составит, м/с:

г = = л/оШЕш „ 013

N psdo 815-0,005

где

d

коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

диаметр отверстий распределителя, м.

Необходимое для такой скорости истечения число отверстий перфорации будет равно 10100.

При определении задерживающей способности выявили, что скорость свободного осаждения для капель воды диаметром 5,07 мм, найденная по уравнению (3), со0 = 0,106 м/с; при этом характеристическое уравнение примет вид

03 - 2,3Ф2 + 1,15Ф - 0,117 = 0,

где

Ф — корень характеристического уравнения.

В дальнейшем подбором нашли, что минимальный положительный корень этого уравнения равен 0,151, тогда удельная поверхность контакта а составит, м2/м3;

6 Ф 6-0,151 _.

“=Т=5ДО^=178'

где Ф — минимальный положительный корень уравнения (4); й — диаметр капель воды, м.

Провели расчет высоты рабочей зоны экстрактора. Нашли коэффициент диффузии в разбавленном растворе глицерина в воде (1,16-10-^ м2/с) и растворе глицерина в жире (1,72-10 7 м2/с). Определение коэффициентов массоотдачи проводили по уравнениям для осциллирующих капель. Получили соответственно со . - 0,93 см/с, Не = 1640, Рг* = 0,244.

П!

где

И<

= 57

где

л

ДИСПІ

капе; = 10

где

Ко] = 2,£ = ( где

= р,

откуд!

где

Коэ

КОНДЄІ

м/с: ,

При ЭТОМ

Nu. = 50 + 0,0085 Re • Pr,'

в - - - - о.?

= 50 + 0,0085 • 1640  0,244 = 57,1,

К =

у

ß,+ß.

т

где Nub — диффузионный критерий Нуссель-та (для воды);

Ргв — диффузионный критерий Прандт-ля для воды при температуре экстракции (250°С).

• DB

Исходный коэффициент ßx = ßs = Nus — =

_ „ , 1,16-10" _ „ ,

~ 5,07-1(Г* ~ 13.1 - ‘О .

где ßx, /?в — коэффициенты массоотдачи со стороны ’’тяжелой” (дисперсионной) фазы и со стороны капель воды (система жир—вода—глицерин), м/с;

DB — коэффициент диффузии в разбавленном растворе глицерина в воде, м2/с.

Для определения коэффициента массоотдачи в дисперсной фазе рассчитывали время пребывания капель в колонне. Задаваясь высотой колонны Я = = 10 м, получили

ФН 0,151-10 •/.

Х соу 1,28-10"2

, 4DTv 4-1,72-10“7-118

Fo = —— = о,2 5, я d2 (5,07-10 3)“

где т — время пребывания капель в колон-

не, с;

Еод — диффузионный критерий Фурье;

DT — коэффициент диффузии в растворе глицерина в жире, м2/с.

Комплекс

Рш°

765-0,027

2,95-1016, тогда

gAp/u-l 9,81 -50

- 0,14

Nu = 0,32Fo Re

0,68

/ 2 3 \ '

= 0,32-3,25  1640  (2,95• 10 ) = 13,7,

где — диффузионный критерий Нуссель-

та для дисперсной фазы (глицерин);

Ао =

= рв ~ рж — разность плотностей воды и жира, кг/м3,

откуда

/», = /»« = Nu,

, Д,

л-7

13-7'іШїїГ = 4-6'1

где ¡3 , /Зж — коэффициенты массоотдачи со стороны ’’легкой” (дисперсной) фазы и со стороны жировых частиц (система жир—вода—глицерин), м/с.

Коэффициент массопередачи по фазе водного конденсата Ку при температуре 250°С составит, м/с:

1

4,6-10"

+

13,1-10"

= 2,22-10"

где

т

коэффициент распределения при температуре экстракции (250°С).

В расчете принята следующая структура потоков: для сплошной фазы — идеальное перемешивание, для дисперсной — идеальное вытеснение. В этом случае необходимое число единиц переноса по дисперсной фазе п составит

Пау = ІП •

тх

тх„

0,85-3-2,4-0

110,49 - 3-73 -0 ’ ’ ^

где

*гл. *гл’

хкв, хя содержание глицерина в воде (вод-

гл’ гл ный конденсат на входе в колон-

ну), в потоке жирных кислот (остаточное после экстракции), в глицериновой воде (на выходе из колонны), в смеси в конце реакции расщепления (перед экстракцией), кг/м3;

т0 — коэффициент расщепления при температуре экстракции, °С (то = 0).

При этом высота рабочей зоны Я составит, м: н= пшНоУ = 31,4 • 0,325 = 10,25,

где Я

со..

1,28-10"

где

Я

Куа

= 0,325,

2,22-10"4-178 оу высота колонны, эквивалентная единице переноса по дисперсной фазе, м;

о) — фиктивная скорость (определяется специальным расчетом), м/с. Высота колонны Я, полученная расчетом, практически не отличается от ранее принятой (10 м).

Определили диаметр отстойных зон, исходя из условия, что сплошная фаза должна двигаться в зазоре между краем распределителя дисперсной фазы и стенкой отстойной зоны с той же фиктивной скоростью, что и в колонне. Оказалось, что диаметр зон должен быть равен 3,32 м.

Невысокая эффективность спроектированной колонны обусловлена довольно большим продольным перемешиванием в сплошной фазе (при расчете принято полное перемешивание). В случае, если бы режим движения обеих фаз соответствовал идеальному вытеснению, необходимая высота рабочей зоны колонны уменьшилась бы на порядок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технология переработки жиров /Под ред. Н.С. Арутюня-на. — М.: Пищепромиздат, 1998.

2. Трейбал Р. Жидкостная экстракция. — М.: Химия, 1966.

3. Броунштейн Б.Й., Фишбейн Г.А, Гидродинамика, массо-и теплообмен в дисперсных системах. — Л.: Химия, 1977.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 11.08.98