Энергосберегающая технология системы газоочистки при безреактивном расщеплении жиров

УДК 66.013

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СИСТЕМЫ ГАЗООЧИСТКИ ПРИ БЕЗРЕАКТИВНОМ РАСЩЕПЛЕНИИ ЖИРОВ

Д.Ф. ЗИАТДИНОВА, Н.Ф. ТИМЕРБАЕВ, Р.Г. САФИН Казанский государственный технологический университет

Проведено усовершенствование системы газоочистки технологии безреактивного расщепления жиров путем герметизации оборудования и установки конденсаторов смешения для паров акролеина, жирных кислот и воды, позволившее резко сократить энергозатраты и выбросы токсичных веществ в атмосферу. Разработана математическая модель данного процесса.

Ключевые слова: газоочистка, герметизация, конденсатор, акролеин, очистка, конденсация, математическая модель, улавливание, пар, безреактивное, расщепление, жир.

При производстве глицерина методом безреактивного расщепления жиров выделяется ценное и, в то же время, токсичное вещество - акролеин [1]. Он представляет собой легко воспламеняющееся слезоточивое вещество с резким запахом и предельно допустимой концентрацией в воздухе рабочей зоны 0,2 мг/м3. Для предотвращения попадания акролеина в окружающую среду до настоящего времени применяли сложную систему газоочистки абсорбционного типа. В связи с возможностью герметизации данного процесса наиболее приемлемым способом очистки отходящих газов в данном случае является ступенчатая конденсация [2,3].

Математическая модель, основанная на совместном рассмотрении процессов испарения жидкой смеси и конденсации выделяющихся паров, включает уравнения материального и теплового балансов паровой и жидкой фаз, а также уравнение теплового баланса конденсатора [4].

Дифференциальное уравнение переноса энергии для жидкой фазы имеет вид

С ж т см ЛТ + с см^т см + т см с см йс см = п п п

Xз С[Тт йт ]1С жТГйт +

¿=1 I=1 I=1

п

+ ХШх-Р ™I РжУйт + /пйпйт.

I=1

Левая часть уравнения (1) определяет изменение теплосодержания жидкой смеси; первое слагаемое правой части характеризует приход тепла с загружаемыми компонентами; второе - потеря тела с уходящими парами компонентов; третье - расход тепла на парообразование; четвертое - теплота, выделяющаяся в результате химической реакции; пятое слагаемое определяет количество тепла, поступающее с острым паром.

Дифференциальные уравнения переноса массы можно записать соотношением [1]

п п п

йт см = X йт - X рйт - X ш 1Р ж«' Ут -йп йт .

¿=1 ¿=1 ¿=1

© Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин Проблемы энергетики, 2009, № 5-6

Левая часть уравнения (2) определяет изменение массы г'-го компонента в реакторе; первое слагаемое правой части характеризует изменение массы г-го компонента за счет загрузки компонента; второе - за счет испарения г-го компонента; третье - расход компонента на реакцию, четвертое - изменение за счет загружаемого пара.

При выгрузке продуктов безреактивного расщепления жиров можно допустить отсутствие химической реакции. Поэтому уравнения (1) и (2) применительно к рассматриваемому процессу будут иметь вид:

с ж т см ЛТ + с см Тйт см + т см ТЛс см =

Е&зс1ТтЛт-ЕжТРЛт -1=1 г=1

п

-Е +* п й п ;

г=1

Лт см = Е йгз Лт - Е ^ - йп Лт.

г'=1 г=1

Уравнение теплового баланса паровой смеси определяется по соотношению

( 2 N

рпсм с псмУсв ЛТ = с см РТ

Е

УI=1

Лт - йкР псм спсм ТЛт .

Левая часть уравнения (3) характеризует изменение теплосодержания смеси; первый член правой части - приток тепла с паровой смесью, удаляемой с поверхности жидкости; второй член - отвод тепла из реактора за счет работы конденсатора.

Учитывая то, что испарение жидкой смеси происходит за счёт сброса давления, а покомпонентная конденсация выделяющихся паров осуществляется понижением давления среды, движущей силой этих процессов является разность парциальных давлений удаляемых паров над поверхностью жидкости и в парогазовой среде.

Объемная производительность конденсатора находится из уравнения теплового баланса:

йк Е Д= КАТср 5кЯТ, г=1

где левая часть уравнения (4) учитывает тепловой эффект конденсации; правая часть характеризует тепло, переданное от пара к хладагенту.

Преобразовав дифференциальное уравнение (3) с использованием законов Рауля и Антуана [5], получаем соотношение, позволяющее рассчитать изменение парциального давления пара в системе:

ЛРг =

РЯТ

с

-¡'Лт - у ;х;ехр

Усв д ;

Б;

А1--

у Т )

йк , ЛТ -ат--

У Усв т ,

Проверка на адекватность приведенной модели реальному процессу показала удовлетворительную сходимость (расхождение не более 14%).

Анализ источников парообразования, а ими могут быть перегретая композиция, экзотермический процесс, а также установление функциональной зависимости источника парообразования от производительности системы отвода паров, позволяют применить данную методику расчета практически в любом технологическом процессе, сопровождающемся паровыделениями.

На основе рассмотренной математической модели спроектирована установка безреактивного расщепления жиров (рис. 1). Герметичное исполнение всей конструкции является необходимым условием эффективной работы системы улавливания. Основными элементами системы улавливания являются кожухотрубчатый теплообменник, теплообменник типа «труба в трубе», струйный насос и фильтр-барботер. Струйный насос служит для удаления инертного газа из зоны конденсации, а фильтр-барботер - для улавливания несконденсировавшихся паров.

Рис. Усовершенствованная технологическая схема безреактивного расщепления жиров: 1 - автоклав; 2 - отстойник; 3 - кожухотрурчатый теплообменник; 4 - теплообменник типа «труба в трубе»; 55 - струйный насос; 6 - фильар-барботер

Приведенная модель позволяет рассчитать режимные параметры процесса улавливания, характеристики оборудования, необходимые при проектировании экологически безопасных процессов.

Применение предлагаемого метода улавливания паров в технологическом процессе безреактивного расщепления жиров позволило улучшить условия работы обслуживающего персонала и сократить расходы ценных исходных

компонентов путем возвращения их в технологический процесс, резко сократить энергозатраты.

Путем последовательной установки нескольких конденсаторов и подбора (в соответствии с физико-химическими свойствами улавливаемых веществ) температурных диапазонов хладагента в конденсаторах можно получить конденсаты отдельных компонентов паровой смеси.

Обозначения

j - поток пара, кг/(м2с); F - площадь испарения, м2; т - время, с; Q -объемная производительность конденсатора, м3/с; р - плотность, кг/м3; V - объем аппарата, м3; q - удельная теплота химической реакции, Дж/кг; ш - скорость, кг/с; J - энтальпия, Дж/кг, АГср- средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К; S - площадь поверхности конденсации, м2; r - скрытая теплота парообразования при текущей температуре, Дж/кг; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмольК); д - молярная масса, кг/кмоль; Р - парциальное давление, Па; G - массовый расход, кг/с; х - мольная доля компонента в жидкости, кмоль/кмоль; А,В - эмпирические коэффициенты в уравнении Антуана; с - теплоемкость, Дж/(кгК); К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); индексы: i - компонент пара или жидкости; к - конденсация; з - загрузка; н -начальная; ж - жидкость; п - пар; св - свободный; см - смесь; к - конечная.

Summary

It is spent the improvement of systems of gas purification of technology nonreactive splittings of fats, by hermetic sealing of the equipment and installation of condensers of mixture for steams acrolein, fat acids and the waters which have allowed sharply to reduce power inputs and emissions of toxic substances in atmosphere. The mathematical model of the given process is developed.

Key words: gas purification, hermetic sealing, the condenser, acrolein, clearing, condensation, mathematical model, catching, steam, nonreactive, splitting, fat.

Литература

1. Мухутдинов А.А. и др. Улавливание акролеина из отходящих газов производства глицерина // Хим. пром. 1994. №4.

2. Пат. 2173001, РФ МПК С 11 В 13/00. Установка безреактивного расщепления жиров / Сафин Р.Г., Башкиров В.Н. и др. 20.10.01.

3. Сафин Р.Г. и др. Тепломассоперенос процесса ступенчатой конденсации. В кн.: Компрессорная и вакуумная техника. Казань: ГУП ПИК «ИДЕЛ-ПРЕСС», 2000.

4. Сафин Р.Г. и др. Математическая модель технологических процессов, сопровождающихся локальными выбросами // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2004. Т.47. №10. С.129-132.

5. Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г. и др. Ресурсо- и энергосберегающие технологии и аппаратурное оформление процессов, сопровождающихся выделением газовой фазы: Монография. Казань: КГТУ, 2008. 168 с.

Поступила в редакцию 27января 2009г.

Зиатдинова Диляра Фариловна - канд. техн. наук, доцент Казанского государственного технологического университета. Тел. 8-9274-120141. E-mail: ziatdinova@rambler.ru.

Тимербаев Наиль Фарилович - канд. техн. наук, доцент Казанского государственного технологического университета. Тел. 8-9274-396314. E-mail: tnail@rambler.ru.

Сафин Рушан Гареевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ПДМ Казанского государственный технологического университета.