Характеристики высокоэффективной насадки в экстракционных колоннах

С. В. Карпеев, М. И. Фарахов, Д. А. Бурмистров

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ НАСАДКИ В ЭКСТРАКЦИОННЫХ КОЛОННАХ

Ключевые слова: нерегулярная насадка, экстракция.

В статье предложена новая нерегулярная насадка для экстракционных процессов жидкость-жидкость. Представлены гидравлические и массообменные характеристики различных типов насадок. Получены выражения для расчета диаметра и высоты экстракционной насадочной колонны.

Key words: dumped packing, extraction.

A new dumped packing used for liquid- liquid extractions process is offered.

The hydraulic and mass transfer characteristics of the packing different types are presented. The predictive equations for diameter and height extraction column are derived.

Процессы жидкостной непрерывной экстракции широко применяются для разделения веществ в различных областях промышленности [1]. На фоне энергосберегающих технологий этот процесс выгодно отличается от такого распространенного процесса разделения, как ректификация, следующими моментами:

1. Не используется дорогостоящий греющий пар.

2. Не используется охлаждающая вода.

Использование насадочных контактных устройств позволяет еще больше укрепить позиции экстракционных процессов. Так, в настоящее время актуальными являются задачи очистки жидкостей от примесей с помощью жидкостной экстракции в нефтехимической промышленности и предприятиях органического синтеза. Например, такая потребность возникает на предприятиях таких городов, как Тобольск, Нижнекамск, Тольятти, Нижний Новгород. Эта востребованность связана как с вводом нового производства, так и с модернизацией существующей технологии производства. При этом предпочтение отдается конкурентоспособному аппарату, позволяющему получить продукцию требуемого качества, при минимальном вложении капитальных и эксплуатационных затрат. Здесь под конкурентоспособностью понимается создание аппарата обладающего меньшими размерами и меньшей металлоемкостью при прочих равных условиях. В этой работе предлагается один из вариантов такого колонного аппарата.

Классическая схема проектирования колонного массообменного аппарата включает технологический, а за тем конструктивный расчет. В результате технологического расчета определяются температуры, давления, расходы и составы потоков по высоте колонны. На основании последних данных проводят конструктивный расчет, в результате которого определяют наиболее приемлемый тип контактного устройства.

Более или менее успешно технологический расчет можно провести в таких специализированных пакетах как ChemCad, HYSYS и AspenPlus. Конструктивный же расчет можно выполнить только в некоторых пакетах, и то только для контактных устройств общеизвестной конструкции. Иными словами, задача выбора насадочных контактных уст-

ройств остается актуальной. Кроме этого, применяемые модели [1] используют для расчета только такие характеристики, как порозность в и удельную свободную поверхность насадки а. Однако, насадки, имеющие одинаковые в и а, могут иметь разные гидравлические и массообменные характеристики. Учесть индивидуальность насадки можно с помощью специальных коэффициентов. Ниже показана математическая модель для колонного экстрактора, заполненного высокоэффективной насадкой Инжехим (рис. 1).

Для описания процессов, происходящих в насадочных экстракционных колоннах, представляет интерес модель Биллита [2]. Эта модель позволяет учитывать гидравлические и массообменные характеристики конкретного типа насадки с помощью коэффициентов Сь, СРІ , Сс _ д и в .

Рис. 1- Элемент нерегулярной насадки Инжехим

Знание численных значений коэффициентов Сь и Ср^ для конкретной насадки позволяет вычислить рабочую скорость сплошной фазы, а затем и диаметр экстракционной колонны. Расчет проводят в следующей последовательности:

и =

,1 / 4

рС

л

орі

{

иСРІ = срі в • и (1 _ лорі ) (1 _ 2 • лорі ),

Ло =

Сс и ^ с

Сьио

рС

Л

1 / 4

4•д• Ар •а

(для иС <0.7 • иС рі ),

где Сь -параметр насадки характеризующий удерживающую способность; Ср!_ - параметр насадки характеризующий точку захлебывания; д - ускорение свободного падения; 1!0 -удерживающая способность по дисперсной фазе; и - скорость индивидуальных капель; иС -объемный расход сплошной фазы; ис - объемный расход дисперсной фазы; рС - плот-

ь

ность сплошной фазы; Ар - разность плотностей фаз; а - межфазное натяжение; в - пороз-ность насадочного слоя; БЬ- индекс означает режим захлебывания.

Рабочую скорость сплошной фазы в колонне принимают 35% от и^. Численное

значение коэффициентов Сь и Ср1_ для различных типов насадок сведены в табл.1.

Массообменные характеристики насадки позволяют определить высоту колонны. Требуемая высота колонны может быть получена, как произведение высоты единицы переноса ВЕП на число единиц переноса ЧЕП. ВЕП вычисляется на основании теории нестационарной диффузии, где Хигби использует такие понятия, как время контакта и длину пути контакта. Так, ВЕП по дисперсной фазе для направления массопереноса из дисперсной фазы в сплошную:

5 / 8 ( л 1 р ^

.

ВЕП д = а

Д~Сд _с (9.81 •Ар)3 / 8 (рс )1 / 4

1 1 рд

+ т •  Д

ОД5 ОС'5 рс

Таблица 1- Характеристики различных типов насадок

№ Тип насадки в сь СР1_ Сс _ Д

1 25-мм кольца Паля в навал (металл) 0,94 2,976 0,45 0,29

2 25-мм кольца Биалески в навал (металл) 0,94 3,521 0,45 0,29

3 25-мм кольца Хивлоу в навал(пластик) 0,924 2,667 0,565 0,32

4 35-мм кольца Хивлоу в навал (керамика) 0,83 2,128 0,57 0,27

5 25-мм кольца Биалески уложенные упорядочно (металл) 0,928 2,151 0,67 0,37

6 Листовая насадка Монтз В1-300 (металл) 0,93 2,105 0,6 0,32

7 Насадка Монтз С1-300(пластик) 0,897 1,621 0,6 0,27

8 24-мм насадка Инжехим в навал (металл) 0,965 4,134 0,806 0,34

9 35-мм насадка Инжехим в навал (металл) 0,977 4,134 0,830 0,29

10 45-мм насадка Инжехим в навал (металл) 0,979 4,134 0,855 0,255

11 60-мм насадка Инжехим в навал (металл) 0,971 4,134 1,031 0,221

ВЕП по сплошной фазе для направления массопереноса из сплошной фазы в дисперсную:

ВЕПс =

а

5 / 8

иС

Сс _ Д (9.81 •Ар)3 / 8 (рс )1 / 4 ид

1

1

рс

Л

ОС'5 т • ОД5 рд

где СС_д -параметр насадки характеризующий её массообменную способность; р - плотность фазы; D- коэффициент диффузии распределяемого компонента; т- коэффициент распределения; и -объемный расход фазы; С- индекс относится к сплошной фазе; Д- индекс относится к дисперсной фазе.

Уравнение, показывающее связь между направлением массопереноса, которое было получено экспериментально:

Сс_д / Сд_с = 3 / 2.

Число единиц переноса по сплошной фазе вычисляют так:

С _ С АС

Чеп = Ссо Сси еп-^0-,

с АСо _АСи АСи’ W

где С- концентрация распределяемого компонента; О- индекс относится к верхней части

колонны; U- индекс относится к нижней части колонны; АС0 и АСи - движущая концентрационная сила в верху колонны и в низу колонны, соответственно.

Значения коэффициентов Сс_д для различных типов насадок приведены в табл.1.

Высокоэффективные современные насадки Инжехим хорошо зарекомендовали себя в процессах ректификации и абсорбции [3], [4]. Также эти насадки успешно применяются для жидкостной экстракции. Так, на ОАО “Нижнекамскнефтехим” завода ИФ-6 была введена в эксплуатацию промышленная насадочная экстракционная колонна Кт-72 диаметром 1,6 м, предназначенная для извлечение триметилкарбинола и диметилдиоксана из водного слоя с помощью изобутан-изобутеленовой фракции. Обследование колонны на различных режимах работы позволило получить коэффициенты, характеризующие насадку Инжехим (см. табл.1). Из таблицы видно, что эта насадка имеет наибольшую скорость захлебывания, а значит и большую производительность [5].

Из представленных табличных данных так же видно, что насадка Инжехим обладает наилучшими массообменными характеристиками (за исключением насадки №5), которые позволяют запроектировать колонну с меньшей высотой и, соответственно, с меньшим значением ВЭПс. Так, на ОАО “Нижнекамскнефтехим” для колонны Кт-72, заполненной насадкой Инжехим, значение ВЭПс имеет значение 2 метра. Для сравнения, стандартные насадочные и тарельчатые колонны диаметром 1,5-2 м имеют ВЭПс более 3 м (до 6-7 м) [6].

Из табл.1 видно, что насадка №5 имеет лучший показатель эффективности, чем насадка Инжехим. Однако насадка Инжехим обладает рядом других преимуществ перед насадкой №5: насадку внавал проще и быстрее загружать в колонну, насадка Инжехим обладает большей производительностью.

Литература

1. Трейбал, Р. Жидкостная экстракция / Р. Трейбал. - 2-е изд. - М.: Химия, 1966. - 724 с.

2. Billet, R. Packed Tower in Processing and Environmental Technology, VCH Publisher, Weinheim, Germany, 1995.

3. Лаптев, А.Г. Разделение гетерогенных систем в насадочных аппаратах / А.Г. Лаптев, М.И. Фа-рахов. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. - 342 с.

4. Дьяконов, Г.С. Разработка новой нерегулярной насадки и ее гидродинамические исследования / Г.С. Дьяконов, М.И. Фарахов, М.Х. Ясавеев и др.// Темат. сборник научн. трудов Вестника КГТУ. Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. - Казань, 2000. - с. 239-248.

5. Карпеев, С.В. Гидравлические характеристики насадочных экстракционных колонн.- Сб. тр. МНК ММТТ-22. Т.4. Псков: ППИ, 2009.

6. Карпачева, С.М. Пульсирующие экстракторы / С.М. Карпачева, Е.И. Захаров, Л.С. Рагинский, В.М. Муратов. - М.: Атомиздат, 1964. - 299 с.

© С. В. Карпеев - доц. каф. АТПП КГЭУ; М. И. Фарахов - д-р техн. наук, проф. каф. ПАХТ КГТУ; Д. А. Бурмистров - аспирант той же кафедры. E-mail: k_serega@rambler.ru.