Снижение энергетических затрат при ректификации смеси этиловый спирт-вода

УДК 66.021.3/4

А. В. Дмитриев, О. С. Дмитриева, И. Н. Мадышев

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ СМЕСИ

ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ-ВОДА

Ключевые слова: флегмовое число, контактное устройство, энергосбережение, ректификация.

Разработано контактное устройство для интенсификации тепломассообмена и повышения энергосбережения. В статье представлен сравнительный анализ контактных устройств по нескольким показателям.

Keywords: reflux ratio, energy efficiency, the contact device, energy saving, rectification.

Designed contact device for intensification of heat and mass transfer and improve energy efficiency. The article presents a comparative analysis of the contact devices on several indicators.

Одним из важнейших этапов производства пищевого спирта является ректификация этилового спирта-сырца на периодически и непрерывно действующих ректификационных установках, которые характеризуются высоким энергопотреблением и низкой энергетической эффективностью [1]. Поэтому снижение энергетических затрат в процессах получения пищевого ректификованного спирта является актуальной задачей. Одним из способов, позволяющих сократить расход тепла на ректификационных установках, является

использование теплового насоса [2-3].

В промышленных ректификационных установках зачастую используется такое традиционное массообменное оборудование, как насадочные и тарельчатые массообменные аппараты, имеющие ряд недостатков. Существующие тарельчатые колонные аппараты имеют зоны сепарации, которые существенно увеличивают объем аппарата и, как следствие, металлоемкость. Кроме того, увеличение высоты аппаратов приводит к росту энергетических затрат на подъем жидкости. В насадочных колоннах наблюдается неравномерность распределения жидкой и паровой фаз в поперечном сечении рабочей зоны, что существенно снижает эффективность массообменных процессов. Также существует проблема уноса капель жидкости паровым потоком, что может привести к «захлебыванию» колонны. Исследованию эффективности процесса ректификации в ректификационной установке непрерывного действия с пакетной вихревой насадкой посвящена работа [4]. Перспективным является использование в пищевой промышленности периодически

действующих ректификационных установок малой и средней мощности, обладающих достаточной эффективностью [5-7].

С целью устранения вышеуказанных недостатков авторами статьи разработаны струйно-барботажные контактные устройства [8], представленные в работе [9]. Контактное устройство представляет собой радиальные треугольные лопатки, соединенные с горизонтальной осью, установленной на перфорированной тарелке. Причем в отверстиях тарелки установлены патрубки, предназначенные для стекания потока жидкости с вышележащей тарелки. Радиальные лопатки имеют две боковые и одну

нижнюю стенки. При этом с целью увеличения удельной площади поверхности контакта фаз и образования свободно стекающих струй по периметру на конце радиальных лопаток выполнены прорези треугольной формы. Предлагаемое струйно-барботажное контактное устройство работает следующим образом. Жидкость с вышележащей тарелки поступает в патрубки через отверстия, выполненные в тарелке, при этом поток жидкости создает крутящий момент на горизонтальной оси струйно-барботажного контактного устройства и приводит к его вращению. Пар, поступающий с нижележащей тарелки, заполняет верхнюю его часть. При вращении струйно-барботажных контактных устройств радиальные лопатки захватывают объем пара. Пар, находящийся внутри лопаток, погружается в слой жидкости, где происходит барботаж вытесненного объема через слой жидкости в виде пузырьков. Когда объем пара станет равным нулю, лопатки захватывают жидкость, которая при дальнейшем вращении струйно-барботажных контактных устройств стекает в виде струй на поверхность потока жидкости. При этом размеры образующихся струй и пузырей в основном определяются размерами выполненных треугольных прорезей на конце радиальных лопаток. 700

600 -500 -400 -300 -200 -100 -0

Др, Па

y = 7,2948х1'9886

R = 1

W, м/с

0 2 4 6 8 10

Рис. 1 - Изменение гидравлического

сопротивления тарелки Др со струйно-

барботажными контактными устройствами в

зависимости от скорости пара № на контактной тарелке

Стоит отметить, что в переливных

устройствах предлагаемого массообменного аппарата восходящий паровой поток контактирует с нисходящей струей жидкости, которая образуется с помощью сливной регулирующей планки, имеющей треугольные прорези. Отличительной особенностью струйно-барботажных контактных устройств является интенсивный противоточный контакт между паром и жидкостью в каждом контактном элементе. Данный способ организации контакта фаз позволяет существенно увеличить коэффициенты массоотдачи, следовательно, повысить эффективность

массообменных процессов. Кроме того, предлагаемые контактные устройства обладают низким гидравлическим сопротивлением, т. к. поток пара не расходует энергию на контакт с потоком жидкости. Таким образом, можно утверждать, что использование предлагаемых струйно-барботажных контактных устройств позволит существенно снизить энергетические затраты на проведение массообменных процессов.

Целью проводимых исследований является определение степени влияния гидравлического сопротивления контактных устройств на флегмовое число и, следовательно, на затраты энергии при ректификации смесей. Исследования проводились для узла разделения этанольной фракции производительностью 5150 т/год, в котором предлагается замена колпачковых тарелок на струйно-барботажные контактные устройства.

Принимая приведенную к площади аппарата скорость пара в колонне со струйно-барботажными контактными устройствами равной скорости пара в аппарате с колпачковыми тарелками можно определить скорость пара на контактной тарелке: М = ШоПй 7 (45,), где Wо - приведенная к площади

аппарата скорость пара, м/с; й - диаметр аппарата, м;

- площадь канала, м2.

На рис. 1 представлено изменение гидравлического сопротивления тарелки со струйно-барботажными контактными устройствами в зависимости от скорости пара на контактной тарелке. В данном случае, гидравлическое сопротивление сухой тарелки составляет 200 Па, орошаемой - 240 Па.

9

8 -7 -

6 5

100 300 500 700

Рис. 2 - Зависимость флегмового числа R от гидравлического сопротивления тарелок Др и их эффективности ц при ректификации смеси этиловый спирт-вода

Как видно из графика, представленного на рис. 2, значительное уменьшение гидравлического

сопротивления тарелки приводит к снижению флегмового числа. Так, например, в рассматриваемом случае, снижая гидравлическое сопротивление в 2,34 раза (с 562 Па у колпачковых тарелок до 240 Па у струйно-барботажных) при одинаковой эффективности тарелок п = 0,5 флегмовое число уменьшается на 49,1%.

Анализируя представленный на рис. 3 график, можно сделать вывод, что при существенном снижении гидравлического сопротивления также уменьшается флегмовое число при различных количествах тарелок в аппарате.

9

8 -7 -

6 5

100 300 500 700

Рис. 3 - Зависимость флегмового числа R от гидравлического сопротивления тарелок Др и их количества N в аппарате при ректификации смеси этиловый спирт-вода

Уменьшение флегмового числа приводит к практически пропорциональному снижению расхода теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, и расхода теплоты в кубе-испарителе колонны (рис. 4). Так, например, при ректификации смеси этиловый спирт-вода, уменьшение флегмового числа на 49,1% приводит к снижению расхода охлаждающего агента в дефлегматоре на 36,6%, а греющего агента в кипятильнике колонны - на 35,2%. 1750

О, кВт

н

1650 1550 1450 1350 1250 1150 1050 950

5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 Рис. 4 - Изменение расхода теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе Ой и расхода теплоты в кубе-испарителе колонны Ок в зависимости от флегмового числа R

В таблице 1 представлен сравнительный анализ колпачковых тарелок и предлагаемых струйно-барботажных контактных устройств, используемых при ректификации смеси этиловый спирт-вода.

Таблица 1 - Сравнительный анализ контактных устройств

Экономический расчет узла разделения этанольной фракции мощностью 5150 тонн в год этилового спирта показал, что при внедрении струйно-барботажных контактных устройств произойдет снижение энергетических затрат на сумму 3200849,3 рублей в год (экономия оборотной воды составит 112806,1 рублей в год, водяного пара - 3088043,2 рублей в год). При этом полная себестоимость продукции снизилась на 1,76%. Экономия от снижения себестоимости составит 4963356,3 рублей, годовой экономический эффект - 3661356,5 рублей. Следовательно, использование в массообменных

аппаратах предлагаемых контактных устройств

экономически целесообразно.

Литература

1. В. Л. Яровенко, В. А. Маринченко, В.А. Смирнов, Б. А. Устинников, П.С. Цыганков, В.Н. Швец, Н.И. Белов, Технология спирта. Колос-Пресс, Москва, 2002.

2. Х.Р. Сиюхов, С.С. Мариненко, В.В. Энговатова, Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 2-3, 96-100 (2013).

3. Б.Л. Скрыпников, Ю.Н. Смолко, С.А. Толстов, С.А. Чернопятова, Вестник Воронежского государственного технического университета, 8, 10-1, 36-41 (2012).

4. А.В. Ворошин, О.В. Чагин, В.Н. Блиничев, Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 56, 12, 128-132 (2013).

5. Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов, Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 325, 1, 87-90 (2012).

6. И.М. Гилязетдинов, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 20, 209-212 (2014).

7. А.Н. Войнов, О.П. Жукова, В.А. Паньков, Н.А. Войнов, Техника и технология пищевых производств, 4, 27, 95-99 (2012).

8. И.Н. Мадышев, Г.Х. Гумерова, А.Н. Николаев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Патент 152191 Российская Федерация, № 2014149169/05; заявл. 05.12.2014; опубл. 10.05.2015, Бюл. № 13. - 2 с.

9. А.В. Дмитриев, И.Н. Мадышев, Вестник технологического университета, 18, 8, 110-111 (2015).

Тип контактных устройств

Показа тель Колпачковые тарелки Струйно-барботаж- ные контактные устройства Абсолютная разность

Др, Па 562 240 322

R 8,2 5,5 2,7

Qd, кВт 1475 1080 395

Qte кВт 1650 1220 430

© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», ieremiada@gmail.com, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», И. Н. Мадышев - аспирант кафедры МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ».

© A. V. Dmitriev - the head of MAHP chair, NCHTI KNRTU, ieremiada@gmail.com, O. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, I. N. Madyshev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU.