Колонно-вибрационный экстрактор

Диплом бакалавр.doc

Часть I Современное состояние аппаратурного оформления массообменных процессов
Глава 1 Жидкостная экстракция
1 Способы организации процесса 9
2 Оптимизация экстракции 11
3 Аппаратурное оформление процесса 11
4 Колонные экстракторы 12
5 Гравитационные экстракторы 13
6 Эффективность использования экстракторов 16
Часть II Способы повышения эффективности
Глава 2 Массообменные характеристики жидкостной экстракции
1 Общие закономерности массоотдачи 20
2 Массообмен при образовании капель 24
3 Массообмен в интенсифицированных экстракторах 28
Глава 3 Модель массопереноса на контактных устройствах
1 Потарелочный расчет колонных экстракторов 35
2 Модели для расчета эффективности разделения . 39
Глава 4 Анализ эффективности массопереноса в колонных вибрационных экстракторах
1 Массопередача в вибрационных экстракторах .43
2 Уравнения процессов для вибрационных экстракторов ..48
3 Турбулентная вязкость и источник импульса ..50
4 Вычисление поля концентрации 51
5 Алгоритм проектирования контактных устройств ..54
Часть III Методика расчета
Глава 5 Расчет экстракционных аппаратов
1 Расчет распылительной колонны 61
2 Расчет роторно - дискового экстрактора 71
Глава 6 Экономическая часть 78
Глава 7 БЖД и охрана труда 80
Список используемой литературы ..86
Процесс экстракции является одним из способов разделения жидких смесей применяющийся в различных отраслях промышленности. Жидкостная экстракция широко используется для извлечения компонентов из разбавленных растворов. Экстракция эффективно используется для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза извлечения редких элементов очистки сточных вод и т.д.
Преимуществом жидкостной экстракции перед другими процессами разделения например ректификацией выпариванием и др. является возможность разделения термически нестойких смесей извлечения нелетучих компонентов из смеси находящихся в ничтожно малой концентрации.
Среди большого многообразия экстракционного оборудования можно выделить гравитационные колонны с ситчатыми тарелками и насадочные колонны. Для интенсификации процессов массопереноса используются экстракторы с вводом внешней энергии в контактирующие фазы (вибрационные пульсационные и с механическим перемешиванием).
Одним из наиболее эффективных способов подведения дополнительной внешней энергии является наложение низкочастотных колебаний на взаимодействующие фазы. Аппараты в которых используются низкочастотные колебания характеризуются высокой эффективностью при большой удельной производительности. Происходит это вследствие того что вводимая внешняя энергия распределяется равномерно или по заранее заданному закону по поперечному сечению и высоте аппарата.
Это в свою очередь ведет к определенному распределению поля скоростей взаимодействующих фаз. Тем самым создаются предпосылки к оптимальному дроблению дисперсной фазы к уменьшению ее полидисперсности а так же к выравниванию поперечной неравномерности и уменьшению продольного перемешивания.
Работа посвящена анализу эффективности массопереноса в колонных вибрационных экстракторах.
Вибрационный экстрактор - противоточный экстрактор колонного типа для жидкостной экстракции в котором диспергирование фаз достигается возвратно-поступательным колебанием пакета перфорированных тарелок подвешенных к центральному штоку.
1. Способы организации процесса
Жидкостную экстракцию осуществляют в аппаратах которые называют экстракторами с однократным и многократным контактом фаз. Соответственно различают однократную (одноступенчатую) и многократную (многоступенчатую) экстракцию; при этом ступенями разделения служат отдельные аппараты или их секции.
Многократная экстракция наиболее распространенная в промышленности проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную полупротивоточную и перекрестноточную. Чаще всего применяют противоточную экстракцию одним экстрагентом (рис. 1) с числом ступеней обычно 5-10. Для трудноразделяемых компонентов (например близких по свойствам лантаноидов) число ступеней достигает 70-100.
Рис. 1. Схема противоточной многократной экстракции: 1-4 n – экстракторы.
Четкость разделения исходной смеси можно повысить используя следующие способы: при жидкостной экстракции с обратной флегмой экстрагент и рафинат частично отделяются от соответствующего экстракта и исходного раствора; далее определенные доли этих фракций обратно возвращаются в экстрактор навстречу уходящим потокам (процесс проводят подобно ректификации). При жидкостной экстракции с двумя несмешивающимися экстрагентами каждый из них избирательно растворяет компонент или группу компонентов экстракционной системы.
Реже используют полупротивоток и перекрестный ток. При полупротивоточной экстракции одна фаза "неподвижна" (не перемещается со ступени на ступень) а другая фаза последовательно проходит все ступени каскада вымывая компоненты раствора в порядке убывания коэффициента α. Полупротивоток применяют для извлечения и разделения компонентов присутствующих в системе в очень малых количествах. При необходимости более полного извлечения целевого компонента из исходного раствора иногда используют перекресточную экстракцию (рис. 2): исчерпываемая фаза движется последовательно вдоль ступеней каскада а извлекающая фаза поступает на каждую ступень и с нее же выводится.
Рис. 2. Схема перекресточной многократной экстракции (Э - экстракторы).
Однократная экстракция осуществляемая периодически или непрерывно возможна лишь при высоких значениях α и применяется преимущественно для аналитических целей. Примером промышленной реализации одноступенчатого процесса может служить мембранная экстракция основанная на использовании мембран жидких и сочетающая одновременно прямой процесс и реэкстракцию. Роль мембран выполняет слой органической жидкой фазы разделяющий два водных раствора - исчерпываемый и извлекающий. Жидкая мембрана обычно содержит активный компонент - экстрагент служащий для переноса целевых компонентов из исчерпываемой фазы в извлекающую. Разновидность мембранной жидкостной экстракции - экстракция во множественных эмульсиях вода - масло – вода.
2. Оптимизация экстракции
Жидкостная экстракция - многофакторный процесс материальное описание и оптимизация которого требуют сведения воедино совокупности равновесных кинетических гидродинамических конструктивных данных и результатов масштабирования. Эта задача успешно решается с помощью структурного моделирования экстракционных процессов. В основе его лежат так называемые структурные модели адекватно описывающие равновесие кинетику и аппаратурное оформление каждого реального процесса. В отличие от функциональных моделей которые также используются для описания экстракции процесса но рассматривают его или отдельные элементы лишь с целью установления количественной корреляции между отдельными параметрами структурные модели обладают более широкими экстраполяционными возможностями и пригодны для оптимизации жидкостной экстракции на стадии промышленного проектирования.
3. Аппаратурное оформление процесса
По способу контакта фаз промышленные экстракторы подразделяют на:
-дифференциально-контактные (колонные аппараты)
-промежуточные конструкции.
Аппараты первой группы отличаются непрерывным контактом фаз и плавным изменением концентрации извлекаемого компонента вдоль длины (высоты) аппарата. При таком профиле концентраций фазы ни в одной точке экстрактора не приходят в равновесие. Эти аппараты более компактны и требуют ограниченных производственных площадей однако в них за счет продольного перемешивания (обусловлено конвективными осевыми потоками застойными зонами турбулентными пульсациями и т. д.) может значительно уменьшаться средняя движущая сила.
Аппараты второй группы состоят из дискретных ступеней в каждой из которых осуществляется контакт фаз после чего они разделяются и движутся противотоком в последующей ступени. Продольное перемешивание выражено слабее но необходимость разделения фаз между соседними ступенями может приводить (при плохо отстаивающихся системах) к существенному увеличению размеров экстрактора.
4. Колонные экстракторы
Подразделяют на гравитационные и с внешним подводом энергии. Эффективность колонн оценивают КПД отдельных ступеней разделения высотой эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС) либо высотой единицы переноса (ВEП). ВЭТС зависит от гидродинамического режима в колонне и физико-химических свойств экстракционной системы. Высоту (длину) колонны в которой проводится многоступенчатый процесс рассчитывают по формуле:
где N - необходимое число ступеней определяемое как правило графически по изотермам экстракции и материальным балансам или с помощью расчетов на ЭВМ.
5. Гравитационные экстракторы
В них движение взаимодействующих жидкостей происходит под действием разности плотностей фаз; поверхность их контакта образуется за счет собственной энергии потоков. К этим аппаратам относятся распылительные насадочные и ситчатые экстракторы.
Распылительные экстракторы (рис. 3) - полые колонны снабженные соплами инжекторами и др. распылителями для диспергирования взаимодействующих фаз. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны но менее производительны насадочные экстракторы не отличающиеся по устройству от других подобных массообменных аппаратов. Ситчатые экстракторы представляют собой колонны с перфорированными тарелками снабженными переливными устройствами. Одна из взаимодействующих жидкостей проходя через отверстия тарелок диспергируется благодаря этому создается большая поверхность контакта с встречной жидкостью протекающей по переливным устройствам в виде сплошной фазы. Ситчатые экстракторы уступают по производительности только распылительным экстракторам надежны в работе (вследствие простоты конструкции и отсутствия движущихся частей) однако имеют низкую эффективность.
По сравнению с другими колонными аппаратами все гравитационные экстракторы малоэффективны (ВЭТС может достигать 3м) из-за относительно небольшой площади удельная поверхности контакта фаз обусловленной крупными размерами капель (до нескольких мм). Подвод энергии позволяет раздробить капли (до десятых долей мм) в результате чего требуемую высоту колонны можно уменьшить на порядок.
Рис. 3. Распылительный экстрактор: 12 - распылители.
Экстракторы с внешним подводом энергии подразделяются на пульсационные и вибрационные с механические перемешиванием. К аппаратам последнего типа относятся экстракторы роторно-дисковые и с чередующимися смесителями и отстойными насадочными секциями (колонны Шайбеля). В роторно-дисковых аппаратах (рис. 4) вращающиеся диски перемешивают и диспергируют контактирующие жидкости после чего они расслаиваются. В колоннах Шайбеля (рис. 5) лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки. Перемешанные жидкости пройдя через слой насадки расслаиваются.
Рис. 4. Роторно - дисковый экстрактор: 1 - ротор (вал с дисками); 2 – кольцевые перегородки статора.
Рис. 5. Экстрактор с чередующимися смесительными и отстойными секциями (колонна Шайбеля): 1 -вал; 2 - мешалка; 3 - насадка.
6. Эффективность использования экстракторов
Процессы жидкостной экстракции получили широкое распространение в химической нефтехимической химико-фармацевтической гидрометаллургической и других отраслях промышленности.
Большое значение для эффективного проведения конкретного процесса экстракции имеет правильный выбор соответствующей экстракционной аппаратуры.
По принципу взаимодействия фаз промышленные экстракторы делятся на две группы: ступенчатые и дифференциально-контактные.
В аппаратах первой группы составы фаз изменяются скачкообразно при переходе из ступени в ступень. При этом на каждой ступени происходит разделение фаз т.е. в каждой ступени имеется своя граница раздела фаз.
В дифференциально-контактных аппаратах происходит непрерывный контакт фаз и плавное изменение концентрации вдоль высоты (длины) аппарата. В этом случае имеется лишь одна граница раздела фаз – на выходе дисперсной фазы. Аппараты этой группы более компактны и поэтому для их размещения необходима ограниченная производственная площадь.
Экстракторы классифицируются также по роду сил под действием которых происходит диспергирование одной фазы в другую. По этому принципу экстракторы делятся на работающие под действием силы тяжести и под действием внешней энергии вводимой в жидкость.
Экстракторы в которых движение жидких фаз происходит под действием разности плотностей фаз называют гравитационными.
К этим экстракторам относятся распылительные ситчатые и насадочные.
Все гравитационные экстракторы отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью эксплуатации. Производительность гравитационных экстракторов относительно высока но интенсивность массопередачи низкая.
Гравитационные экстракторы применяют для обработки систем с низким межфазным натяжением и систем для разделения которых требуется небольшое число теоретических ступеней.
К экстракторам с вводом внешней энергии в контактирующие жидкости относятся смесительно-отстойные роторные струйные пульсационные ситчатые пульсационные с пакетной насадкой КРИМЗ пульсационные насадочные вибрационные центробежные.
Наиболее прогрессивным типом экстракторов с внешним подводом энергии являются колонные экстракторы с вибрирующими перфорированными тарелками. Они экономичнее пульсационных экстракторов по энергозатратам; в них в отличие от пульсационных аппаратов колебательное движение совершает пакет перфорированных тарелок а не столб жидкости.
В аппаратах одинаковых размеров (при прочих сравнимых условиях) расход энергии на перемещение тарелок меньше чем на создание пульсации вследствие того что в пульсационной колонне весь объем находящейся в ней жидкости должен перемещаться на высоту равную удвоенной амплитуде пульсации в то время как вибрирует лишь пакет тарелок вес которого не превышает 10 % от веса жидкости в колонне. Кроме того в вибрационном экстракторе ускорение сообщается не всему объему жидкости а лишь его части находящейся в непосредственной близости от тарелок.
Экстракторы с вибрирующими тарелками отличаются высокой производительностью и массообменной эффективностью.
Экстрактор для системы жидкость-жидкость позволяет интенсифицировать процесс экстракции и снизить энергозатраты.
Процесс экстракции и разделения происходит в поле центробежных сил что также способствует интенсификации процесса.
Снижение энергозатрат происходит за счет того что чаши имеют размер перфораций увеличивающийся по высоте в результате чего уровень заполнения этих чаш практически постоянный т.е. отсутствует полное затопление секций поэтому расход электроэнергии для привода ротор-вала во вращение значительно снижается.
Выбор оптимальной конструкции экстрактора для того или иного технологического процесса жидкостной экстракции определяется особенностями разрабатываемого экстракционного процесса и часто требует проведения предварительных экспериментальных исследований с использованием теории подобия.
При выборе экстрактора для реализации конкретного технологического процесса необходимо учитывать:
) пригодность конструкции которая определяется физико-химическими характеристиками реагентов степенью проработки конструкции и масштабом производства;
) технологичность конструкции которая определяется удельной производительностью и эффективностью коэффициентом масштабного перехода;
) экономичность конструкции которая характеризуется капитальными и эксплуатационными затратами.
Для предварительного выбора экстрактора необходимо учитывать конструктивные его особенности и значения параметров процессов экстракции.
Наиболее прогрессивным типом колонных экстракторов с внешним подводом энергии на настоящий момент являются колонны с вибрирующими перфорированными тарелками. Они экономичнее пульсационньгх экстракторов по энергозатратам; в них в отличие от пульсационных аппаратов колебательное движение совершает пакет (или пакеты) перфорированных тарелок а не столб жидкости. Если учесть что в аппаратах промышленных размеров вес столба жидкости на порядок больше веса пакета тарелок то станет очевидным что инерционные нагрузки в вибрационном экстракторе значительно меньше нежели в пульсационном. (Разработаны и применяются в промышленности более сложные конструкции пульсационных и вибрационных колонн с пониженными (компенсируемыми) инерционными нагрузками.)
Еще одно важное преимущество экстракторов с вибрирующими тарелками (по сравнению с остальными типами колонн с внешним подводом энергии) — сочетание высокой производительности и массообменной эффективности.
Производительность противоточных колонн лимитируется размером капель дисперсной фазы и свободным сечением секционирующих (поперечных) перегородок. При одинаковом размере капель производительность вибрационных экстракторов примерно вдвое превышает производительность колонн типа РДЭ. Секционирующие кольца занимают примерно половину сечения РДЭ; отсюда можно сделать вывод что колеблющиеся в вертикальном направлении перфорированные тарелки в отличие от неподвижных не тормозят движение капель дисперсной фазы.
При равной эффективности механического перемешивания (одинаковом подводе внешней энергии) эффективный коэффициент продольного перемешивания в потоках фаз Еэф практически одинаков в обоих типах колонн (РДЭ и виброэкстракторе). Однако при оценке влияния продольного перемешивания на эффективность массообменного процесса следует оперировать не самим коэффициентом Еэф а его отношением к средней скорости потока соответствующей фазы. (Эти отношения можно рассматривать упрощенно как диффузионные добавки на продольное перемешивание в фазах в эффективную высоту единицы переноса.) В соответствии с изложенным выше степень продольного перемешивания для вибрационного экстрактора примерно вдвое ниже чем для колонны типа РДЭ того же диаметра. Именно поэтому наряду с высокой производительностью промышленные виброэкстракторы обладают также более высокой по сравнению с РДЭ массообменной эффективностью.
Глава 2 Массообменные характеристики жидкостной экстракции
Интенсивность массопередачи через межфазную поверхность при экстракции в системе жидкость-жидкость характеризуется коэффициентами массоотдачи. Различают массоотдачу при движении капель и массоотдачу при диспергировании и коалесценции капель.
Рассмотрим некоторые подходы определения коэффициентов массоотдачи в системах жидкость-жидкость (и как частный случай – твердая фаза – жидкость) при различных условиях движения потоков без химических реакций.
1. Общие закономерности массоотдачи
Теоретические методы моделирования и исследования массо- и теплообменных процессов условно подразделяются на точные асимптотические численные и приближенные. В связи с разнообразием конструкций контактных устройств и одновременно происходящих процессов обмена импульсом массой и теплом в большинстве задач химической технологии получить точные аналитические решения невозможно поэтому наибольшее применение получили последние три метода. Так например среди различных асимптотических методов применяется метод функциональных параметров. Для этого строится разложение оператора относительно малой шкалы сравнения. Зависимость членов асимптотической последовательности от малого параметра осуществляется с помощью процедуры сращивания. Получаемые асимптотические ряды часто расходятся или очень медленно сходятся. Кроме этого удается вычислить только несколько первых членов разложения. Эти обстоятельства ограничивают использование асимптотических формул для инженерных расчетов.
Для моделирования и исследования процессов массотеплообмена в химической технологии используются чаще приближенные и численные методы. К приближенным методам относятся например однопараметрические интегральные методы в теории пограничного слоя пленочная и пенетрационные модели методы ленеаризации уравнений и др. приближенные методы позволяют получать необходимые формулы для выполнения конкретных инженерных расчетов.
Механизм массопередачи в системе жидкость - жидкость недостаточно исследован и математически описан несмотря на значительное число отечественных и зарубежных публикаций. Большой вклад в развитие теории и практики исследования гидродинамики и массообменных процессов двухфазных сред при экстракции в системе жидкость – жидкость внесли отечественные исследователи: Левич В.Г. Броунштейн Б.И. Железняк А.С. Розен А.М. Рыскин Г.М. и др.
Как правило для определения параметров характеризующих скорость массопередачи применяются в большинстве случаев полуэмпирические зависимости или приближенные модели существенно упрощающие реальную картину и имеющие ограниченную область применения. Вследствие этого разработка математических моделей наиболее полно описывающих массообменные процессы и распространение их на более широкие области применения является одной из актуальных задач.
В рамках приближенных методов находит применение подход когда сложное явление заменяют совокупностью «элементарных процессов (актов)». Такими элементарными актами прежде всего являются процессы переноса импульса массы и тепла в пограничном слое.
Приближенное математическое описание процессов переноса в пограничном слое связано с моделями Прандля Кармана Ландау и Левича а так же с развитием гидродинамической аналогии: Рейнольдсом и Чилтоном-Кольборном. Причем наиболее теоретически обоснованной и перспективной является модель диффузионного пограничного слоя Ландау-Левича.
Рассмотрим также широко используемые в настоящее время эмпирические и полуэмпирические подходы моделирования массо- и теплообмена в двухфазных средах.
Кинетика массопередачи в гетерогенных системах жидкость – жидкость изучается на основе анализа и описания элементарных актов массопередачи – переноса вещества через поверхность раздела фаз капли.
При расчете скорости массопередачи необходимо учитывать конкретную гидродинамическую обстановку и поэтому при исследовании уравнений конвективного переноса используются компоненты скорости жидкости определяемые из рассмотрения соответствующей этому процессу гидродинамической задачи. При этом используется предположение что влияние потока массы на гидродинамические характеристики потока незначительно. На этом допущении построены различные приближенные модели массопередачи.
Описание процессов массоотдачи в сплошной и дисперсной фазах имеют существенные различия. Они вызваны тем что внутри каждой из фаз имеются различные гидродинамические условия массоотдачи – сплошная фаза турболизирована за счет движения дисперсных частиц а циркуляция жидкости внутри капель обусловлена трением между каплей и сплошной фазой возникающим в результате относительного движения фаз.
Известен целый ряд моделей описания массоотдачи с различными допущениями: отсутствие сопротивления переносу со стороны поверхности раздела фаз независимость протекания переноса в пределах каждой фазы практически мгновенное достижение состояния равновесия на границе раздела.
Эти допущения позволяют использовать формулы аддитивности фазовых сопротивлений
где К – коэффициенты массопередачи и массоотдачи соответственно; m – коэффициент распределения (константа равновесия).
Принцип аддитивности дает возможность развернутого изучения массоотдачи в каждой из фаз и в ряде случаев позволяет выделить фазу сопротивление которой является лимитирующим. Но существует ограничение на практическое применение этого метода изучения частных коэффициентов – наличие ПАВ явлений межфазной турбулентности переменных коэффициентов распределения.
Известно что даже незначительные количества ПАВ адсорбируясь на границе раздела существенно снижают ее подвижность и ухудшают условия массопередачи.
Явления межфазной турбулентности наблюдаемые у некоторых систем ведут к ускорению переноса массы.
При приемном коэффициенте распределения формула аддитивности неприемлема но в случаях когда частные коэффициенты не зависят от концентрации условие аддитивности выполняется.
Наиболее перспективным представляется путь описания массооьдачи в двухфазных системах с подвижными границами основанный на представлениях теории диффузионного пограничного слоя в которой учитываются гидродинамические условия у границы раздела фаз. Теория развитая Левичем предполагает постепенное изменение скорости переноса вещества от ряда потока до границы раздела фаз сначала в турбулентном слое затем в вязком где уменьшается доля конвективной составляющей и наконец в диффузионном подслое с преобладанием молекулярной диффузии.
2. Массообмен при образовании капель
При проведении процесса экстракции в тарельчатой колонне имеет место многократное диспергирование и коалесценция одной из фаз. При этом наблюдаются так называемые "концевые эффекты" представляющие собой явления интенсивного массопсреноса. Эти явления объясняются турбулизацией поверхности раздела в период роста капли в следствии образования областей с различным поверхностным натяжением.
Концевой эффект при образовании капель сюда же входит и струйное истечение намного больше концевого эффекта при коалисценции капель. В связи с этим представляет интерес исследования процесса массоотдачи на входе дисперсной фазы в слой сплошной фазы.
Расчет массоотдачи при образовании капли часто ведут в приближении пенетрационной модели полагая что глубина проникновения диффундирующего вещества много меньше радиуса капли. В этом случае локальный поток вещества на поверхность капли к моменту времени t определяется выражением:
где с* и с0 - равновесное и начальное значения концентрации растворенного в капле вещества масс д.; D - коэффициент диффузии м2с; s(t) - площадь поверхности растущей капли м2.
Для площади поверхности капли получено:
где d-диаметр сформировавшейся капли м; -время формирования каплис.
Полный поток вещества в каплю за время равен:
Эту же величину можно определить как:
Из (2.2.3) и (2.2.4) для степени извлечения в период образования капель получена формула:
где - критерий Фурье для образовавшейся капли; А - степень извлечения.
Расчет по формуле (2.2.5) не учитывает эффекта переноса вещества в результате конвекции при растекании жидкости в капле за время ее образования. Попытка учета такого эффекта в радиальном направлении впервые была осуществлена в работе Ильковича. Согласно расчетам Ильковича локальный поток вещества на каплю определяется выражением
и отличается от расчета по модели Хигби множителем .
Рукенштейн и Константинеску учли конвективный перенос вещества не только в радиальном но и в тангенциальном направлении полученное ими для степени извлечения выражение незначительно отличается от формулы Ильковича. Известны другие приближенные модели для описания механизма массопередачи в образующуюся каплю.
Поповичем осуществлен систематический обзор приближенных моделей массопередачи в период образования капли и показано что количество вещества поступившего в каплю за время t может быть представлено выражением:
Здесь α постоянный коэффициент величина которого варьируется в пределах от 085 до 38 в зависимости от свойств жидкостных систем. Постоянные m и n определяют степенной закон роста поверхности со временем.
Исследован массообмен при образовании капель в сплошной жидкой среде. В результате анализа ряда моделей каплеобразования получены зависимости степени извлечения при лимитирующем сопротивлении как в дисперсной так и в сплошной фазе:
При расчете коэффициента массоотдачи в процессе каплеобразования и отрыва капли принимают следующие допущения:
Массобмен происходит в результате нестационарной диффузии в полубесконечный объем.
Капли являются сферическими и массообмен происходит через все их поверхности.
Раствор является разбавленным.
Поток сплошной фазы намного больше дисперсной фазы то есть концентрация в сплошной фазе постоянная.
Скорость роста и отрыва капель постоянна.
Новая поверхность образуется в результате роста капли то есть нет обновления поверхности. При турбулентном массопереносе будет происходить обновление поверхности и коэффициенты массоотдачи будут выше.
В процессе отрыва капли имеет место инверсия в каплеобразовании то есть поверхность образованная позже первой разрывается.
В соответствии с первым допущением средний полок массы равен
где φ - функция распределения межфазной поверхности N поток массы в поверхность в момент времени t.
Для сферы чей объем линейно зависит от времени функция распределения φ(t) определяется как доля поверхности занятая элементами в момент времени l и t-dt.
где - возраст капли с.
Комбинируя уравнения можно показать что средний коэффициент массоотдачи в период образования капли есть
где 0 - время каплеобразования с.
Для периода отрыва капли функции распределения:
Средний коэффициент массоотдачи в период отрыва капли:
Как видно из приведенных уравнений коэффициенты массоотдачи при стационарном и нестационарном режимах почти на порядок отличаются между собой.
3. Массообмен в интенсифицированных экстракторах
Для более однородного распределения элементов дисперсной фазы в объеме сплошной среды увеличения поверхности массопередачи и регулярного редиспергирования и коалисценции и следовательно повышения интенсивности массоперсноса. осуществляют процесс жидкостной экстракции в аппаратах с вводом внешней энергии: с мешалками вибро пульсационных.
Перемешивание жидких сред содержащих элементы дисперсной фазы в виде капель или твердых частиц широко применяемый процесс интенсификации массопередачи; этим объясняется большое количество как отечественных так и зарубежных исследований. Но механизм массообмена на межфазной границе пока не может считаться полностью выясненным так как представляет собой весьма сложное физическое явление.
Аналитический расчет коэффициентов массоотдачи удается лишь в немногих случаях. Поэтому для предсказания потоков массы в фазах используются расчетные уравнения полученные путем обработки экспериментальных данных выведенных с помощью метода анализа размерностей.
Наиболее изучена массоотдача в системах твердое тело - жидкость. При этом многие авторы изучают не процесс экстрагирования а процесс растворения твердых частиц (например растворение NaCl в воде). В этом случае процесс массообмена лимитируется сопротивлением только сплошной фазы.
Опытные данные большинства экспериментов обобщаются критериальными уравнениями вида:
Коэффициенты A и m зависят от условий перемешивания типа вещества геометрии системы.
Предлагается следующая зависимость:
Предлагаются соответственно следующие значения для коэффициентов m и n выражении (2.3.1):
Широкое применение получил метод расчета скорости массоотдачи через диссипацию энергии затрачиваемой на перемешивание. Согласно теории локальной изотропной турбулентности между величиной скорости обтекания частицы и скоростью диссипации энергии в ее окрестности устанавливается определенное соответствие.
Анализ микроструктуры потока в аппарате с мешалкой говорит о том что наряду с крупномасштабными существуют пульсации размер которых мал по сравнению с диаметром частицы. Предполагается что обтекание частиц происходит крупномасштабными пульсациями в результате чего образуется ламинарный пограничный слой на частице и массоотдача в этом случае описывается уравнением:
где – скорость диссипации энергии Втм.
Пограничный слой на поверхности частицы турбулентный пронизываемый мелкомасштабными пульсациями; перенос вещества в слое осуществляется совокупным действием молекулярной и турбулентной диффузии. Получено выражение для коэффициента массоотдачи
Предложена модель учитывающая одновременное воздействие на частицу мелко и крупномасштабных пульсаций
где Vо - скорость турбулентных пульсаций на границе вязкого подслоя.
Модели основанные на предположении о существовании на частицах развитого турбулентного пограничного слоя верны при локальных числах Rec>105. Однако локальные числа Rec в аппаратах с мешалкой порядка 10-103.
Итак существует два теоретических подхода рассматривающих процессы массоотдачи от мелкодисперсных твердых частиц в аппаратах с мешалками. Один из них связан с моделью обтекания взвешенных частиц в ламинарном или переходном режиме и другой с турбулентным режимом в пограничном слое частиц с продольным масштабом пульсаций порядка диаметра частицы или толщины пограничного слоя.
На практике в промышленных аппаратах на частицах малого размера турбулентный пограничный слой не успевает сформироваться в ламинарный характер не подтверждается экспериментально.
Профессором Дьяконовым С.Г. с сотрудниками были проведены экспериментальные исследования методом голографической интерферометрии характеристик диффузионного пограничного слоя в случае массообмена мелкодисперсных твердых частиц в турбулентной жидкости.
Экспериментальные исследования позволили установить автомодельность профиля концентрации характерную для ламинарного пограничного слоя и наличие логарифмического профиля концентрации присущего турбулентным пограничным слоям. Пульсации турбулизованного внешнего течения проникая в вязкий подслой вызывают усиление процессов массоперсноса. Все вышеперечисленное позволяет рассматривать пограничный слой как "псевдоламинарный".
Предложена модель массопереноса позволяющая учитывать влияние внешней турбулентности на поведение псевдоламинарного слоя.
Получено уравнение для расчета коэффициента массоотдачи для гладкостенных аппаратов с перемешивающими устройствами и невысоким уровнем турбулентности потоков. Это уравнение имеет вид:
где - толщина псевдоламинарного пограничного слоя определяемая из решения трансцендентного уравнения:
Рассмагривается массоотдача в аппарате с отражательными перегородками с высоким уровнем турбулентности. Для расчета получена формула:
где х - продольная координата; a b - параметры базисных функций компонент скорости u v; Ти - интенсивность турбулентности.
Экспериментального материала по изучению массопередачи в системах жидкость - жидкость в аппаратах с мешалками явно недостаточно для нахождения обобщенных зависимостей по коэффициентам массоотдачи в сплошной и дисперсной фазах.
Мелкие сильно раздробленные капли дисперсной фазы несмешивающиеся с другой жидкой фазой а также капли с * >>1 ведут себя аналогично твердым частицам. Поэтому закономерности массоотдачи со стороны сплошной фазы могут быть аналогичны массоотдаче к твердым частицам. Также рекомендуют для расчета коэффициентов массоотдачи в системах жидкость - жидкость такие же корреляции как и для систем жидкость - твердое тело.
При рассмотрении массоотдачи в проточном смесителе при перемешивании двухлопастной мешалкой получено эмпирическое выражение:
Данное уравнение позволяет рассчитывать коэффициенты массоотдачи и в аппаратах с турбинными мешалками.
Как и в случае нахождения коэффициентов массоотдачи в сплошной фазе от твердой частицы через диссипацию энергии затрачиваемой на перемешивание получено уравнение для определения скорости массоотдачи в сплошной фазе в системе жидкость – жидкость
Для приближенного расчета коэффициентов массоотдачи в случаях когда лимитирующим является сопротивление дисперсной фазы рекомендуется методика основанная на модели Кронига-Бринка.
Среди многочисленных конструкций современных экстракционных аппаратов особое внимание заслуживают колонные экстракторы с подводом внешней энергии (пульсационные вибрационные). Основное достоинство этих аппаратов заключается в сочетании необходимой производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи.
Исследования массопередачи в вибрационных экстракторах немногочисленны и не содержат достаточно широких обобщений необходимых для конструктивных расчетов виброаппаратов. Приводимые ниже зависимости получены обработкой экспериментальных данных для аппаратов промышленного масштаба.
Традиционно для оценки эффективности массопередачи промышленных экстракторов применяются следующие величины: высота эквивалентная теоретической тарелке (ступени) (ВЭТС); высота единицы переноса (ВЕП).
Экспериментальные данные для системы вода - фенол - поглотительное масло полученные в аппаратах Dк = 09 м и 13 м Н = 6 м обобщены уравнением
где I- интенсивность вибраций мч.
На системах лактамное масло трихлорэтилен (ТХЭ) и ТХЭ капролактам вода исследовалась массопередача в виброэкстракторе диаметром от 03 до 1м и рабочей высотой от 6 до 10м. Массопередача изучалась в широком диапазоне изменения нагрузок частоты и амплитуды вибраций а также объемного соотношения фаз.
Данные по массопередаче с учетом продольного перемешивания описываются с точностью до ± 30 % уравнением:
Как видно если изучению массоотдачи в системах жидкость - твердое тело в аппаратах с мешалками посвящено достаточно теоретических и экспериментальных работ то описание массоотдачи в системах жидкость - жидкость является недостаточно разработанным и нет надежных зависимостей для определения кинетических характеристик процесса экстракции в аппаратах с вводом в контактирующие фазы внешней энергии в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.
Разделение исходной жидкой смеси в колонных экстракторах происходит при взаимодействии с экстрагентом на контактных устройствах различных конструкций. В данной главе рассматривается частный случай модели многоскоростного континуума для описания процессов переноса импульса и массы в двухфазном потоке жидкость - жидкость на тарелках колонных экстракторов. Система уравнений переноса импульса и массы применяется для вычисления эффективности (КПД) контактного устройства.
1. Потарелочный расчет колонных экстракторов
Для определения числа действительных ступеней тарельчатых экстракционных колонн необходимого для достижения требуемой степени разделения смеси используют процедуру потарелочного расчета с использованием КПД контактного устройства.
В гравитационных колоннах процесс экстракции происходит при противоточном движении сплошной и дисперсной фаз. Рассмотрим схему движения взаимодействующих фаз от тарелки к тарелке (рис. 3.1). Пусть компонент переходит из дисперсной фазы с концентрацией CD в сплошную - Сс. Дисперсная фаза подается в нижнюю часть колонны сплошная - в верхнюю. Эффективность тарелки или КПД по Мерфри представляет собой отношение изменения состава жидкости на тарелке к движущей силе процесса. Эффективность контактного устройства Е по дисперсной фазе(3.1.1) по сплошной фазе (3.1.2)
где CDn+1 - средний состав экстрагируемой смеси поступающий на n-ую тарелку; СDn - средний состав экстрагируемой смеси поднимающийся с n-й тарелки; - состав экстрагируемой смеси равновесный с экстрагентом покидающим n-ую тарелку; Сcn - состав экстрагента поступающий на n-ую тарелку; - состав экстрагента равновесный со средним составом экстрагируемого раствора.
Рис. 3.1. Схема движения потоков в противоточном тарельчатом колонном экстракторе: L G - массовые расходы сплошной и дисперсной фаз соответственно п - номер тарелки
Материальный баланс для колонны при непрерывном процессе экстракции имеет вид:
-покомпонентный материальный баланс
-общий материальный баланс
Здесь L - расход экстрагента; G - расход экстрагируемой смеси; индексы "н" и "к" соответствуют начальным и конечным расходам соответственно.
Используя эффективность ступени по фазе экстрагента рабочая концентрация компонента на выходе из тарелки выражается в виде
Для определения состава экстрагируемой смеси поступающей на n-ую ступень используем соотношение материального баланса:
Алгоритм потарелочного расчета (рис. 3.2) состоит из следующих стадий:
Ввод исходных данных:
-начальный расход экерагента Gн;
-начальный расход экстрагируемой смеси L;
- начальная концентрация экстрагируемой смеси ;
- начальная концентрация экстрагента Ссн;
- конечная концентрация экстрагируемой смеси CDк.
Рис. 3.2. Алгоритм потарелочного расчета колонного экстрактора
По уравнениям материального баланса рассчитываются:
-конечный расход экстрагента Ск;
-конечный расход экстрагируемой смеси Lк;
-конечная концентрация экстрагента Cск.
Начальная концентрация экстрагента на входе в колонну Ссн принимается равной начальной концентрации экстрагента на входе в первую тарелку Сс 0.
Задается начальное приближение числа теоретических ступеней например равное двум п= 2.
Производится расчет эффективности тарелки по одной из моделей структуры потока или задается экспериментальный КПД.
Рассчитывается рабочая концентрация экстрагента на выходе с n-й тарелки Сcn.
Проводится сравнение Ссn с конечной концентрацией Сск. Проверка условия: Ссn > Сск. Если условие выполняется то число действительных теоретических ступеней N приравнивается n. На этом расчет заканчивается. Если условие не выполняется переход к пункту 8.
Расчет концентрации компонента в дисперсной фазе на входе и выходе с n-ой тарелки по уравнениям материального баланса.
Увеличиваем число п на единицу. Возврат к пункту 5.
Расчет продолжают до тех пор пока конечная концентрация извлекаемого компонента не достигнет заданной. Число ступеней при котором удовлетворяется это условие соответствует числу теоретических ступеней необходимых для достижения заданной степени разделения. При КПД тарелки равной единице получаем число тарелок равное числу теоретических ступеней. Реальное число тарелок будет равно
2. Модели для расчета эффективности разделения
В процессе жидкостной экстракции в тарельчатых колонных аппаратах происходит ступенчатое взаимодействие фаз. Для определения профиля концентраций в фазах по высоте колонного аппарата используют метод потарелочного расчета с использованием КПД тарелки (E) (раздел 3.1).
В общем виде КПД тарелки или эффективность по Мерфри определяют как отношение изменения концентраций компонента в фазе на тарелке относительно равновесной:
где Ск - концентрация компонента в фазе на выходе с тарелки масс д.;
Сн концентрация компонента в фазе на входе в тарелку масс д.; С* - равновесная концентрация компонента на входе в тарелку масс. д.
Эффективность разделения смеси зависит от структуры потоков сплошной и дисперсной фаз на тарелке интенсивности массообмена и площади межфазной поверхности. Используются разные модели для определения эффективности тарелки в зависимости от принятой структуры потоков в аппарате:
Модель идеального смешения для обеих фаз.
Модель идеального смешения для фазы экстрагируемого раствора и модель идеального вытеснения для фазы экстрагента.
Модель идеального вытеснения для фазы экстрагируемого раствора при перекрестном движении фаз.
Ячеечная модель для фазы экстрагируемого раствора при перекрестном движении фаз.
Диффузионная модель для фазы экстрагируемого раствора при перекрестном движении фаз.
Модель идеального вытеснения для обеих фаз при прямоточном движении.
Модель идеального вытеснения для обеих фаз при противоточном движении.
Из вышеперечисленных моделей могут создаваться комбинированные модели осложненные бойпасом и рециклом. При этом число параметров определяемых экспериментальным путем увеличивается.
Модели 1 2 3 6 7 являются идеализированными и не описывают реальную структуру потока. Модели 4 5 содержат параметры которые определяются экспериментально. Такими параметрами являются: число ячеек полного перемешивания и коэффициент продольного (обратного) перемешивания. Эти параметры зависят как от режима работы аппарата так и от его масштаба и конструкции. В аппаратах больших размеров возникают значительные гидродинамические неравномерности что снижает эффективность разделения смеси. Актуальной является задача создания математической модели процессов переноса импульса и массы при экстракции и с минимальным привлечением экспериментальных данных.
Известно что при экстракции в системе жидкость - жидкость через межфазную поверхность переносится только масса распределяемого компонента поскольку фазы с некоторым допущением принимаются взаимонерастворимыми. Поток массы распределяемого компонента через межфазную поверхность Fв объеме V можно записать в виде:
где j - плотность потока массы компонента через поверхность F.
С учетом (3.3.1) выражения для источника массы компонента rс имеет вид:
где av - удельная межфазная поверхность av =FV м2м3. Суммарный источник массы в сплошной фазе при экстракции:
При допущении в объеме F равномерного распределения фаз имеем φ = const av = const. Плотность потока компонента j передаваемого в фазу определяется из условия равенства потоков на границе раздела фаз:
где ρс. ρD - плотности сплошной и дисперсных фаз соответственно кг м3 ; с D - коэффициенты массоотдачи в сплошной и дисперсной мс; Cс CD - концентрация компонента в сплошной и дисперсной фазах соответственно масс д.; Сгр концентрация на границе раздела фаз масс. д. Обычно используется известное допущение о равновесии на границе раздела фаз .
Средняя удельная межфазная поверхность равна:
где dк - средний диаметр капли м.
Для определения источникового члена (3.5.2) необходимо предварительно выполнить расчет гидравлических и массообменных характеристик по известным методикам для заданного типа контактного устройства.
В данной главе рассматривается приближенный метод вычисления полей скоростей и концентраций в виброэкстракторе на основе решения системы уравнений переноса импульса и массы записанных в дифференциальной форме.
1. Массопередача в вибрационных экстракторах
Одним из наиболее эффективных способов подведения дополнительной внешней энергии является наложение низкочастотных колебаний на взаимодействующие фазы. Аппараты в которых используются низкочастотные колебания характеризуются высокой эффективностью при большой удельной производительности. Происходит это в следствии того что вводимая внешняя энергия распределяется равномерно или по заранее заданному закону по поперечному сечению и высоте аппарата. Это в свою очередь ведет к определенному распределению поля скоростей взаимодействующих фаз. Тем самым создаются предпосылки к оптимальному дроблению дисперсной фазы к уменьшению ее полидисперсности а так же к выравниванию поперечной неравномерности и уменьшению продольного перемешивания.
Низкочастотные колебания можно подводить в массообменную аппаратуру двумя способами: за счет создания возвратно поступательного движения взаимодействующих фаз и колебательного движения насадки аппаратов. Первый способ реализуется в пульсационных аппаратах второй – в вибрационных.
Аппараты с вибрирующей насадкой характеризуются наличием в них перемешивающих устройств совершающих колебательные движения и получающих колебательные импульсы от вибраторов. Аппараты с вибрирующей насадкой благодаря целому ряду достоинств активно применяются в промышленности.
Так в производстве капролактама используют колонны с вибрирующими тарелками конструкций Прохазки ГИАП КРИМЗ. Каждый диск данных насадок имеет срез по хорде отсекающий от 5 до 15% площади диска. Насадка собирается так чтобы срезы соседних дисков располагались у противоположных сторон корпуса аппарата.
При работе экстрактора часть потока рабочих сред проходит через сегментообразные сечения имеющиеся в местах срезов дисков двигаясь в межтарельчатом пространстве в поперечном направлении. Другая часть потока проходит через отверстия с направляющими лопатками ориентированными определенным образом. У насадки КРИМЗ эта ориентация по концентрическим окружностям; насадки ГИАП-3 вдоль радиальных линий.
Насадка ГИАП-2 представляет собой набор горизонтальных дисков с прямоугольными отверстиями снабженными направляющими лопатками позволяющими создать активное поперечное движение рабочих сред полностью исключающими их вращение и центробежную сепарацию. При этом несколько ухудшаются условия подведения внешней энергии и секционирования.
Схематично виброэкстрактор и насадка ГИАП-2 изображены на рис. 4.1 4.2.
Рис. 4.1. схема экстракционной колонны с насадкой ГИАП-2;
-корпус колонны; 23 – отстойные зоны; 4 – диски насадки; 5 - штанга
Для исследования экстракции капролактама водой из трихлорэтилена используем колонну диаметром 100 мм с двадцатью тарелками насадки ГИАП-2. Объемное соотношение дисперсной (вода) и сплошной фаз W1:W2=1:2; суммарный расход фаз ΣW=17м(мч). Частоту колебания тарелок варьировали в пределах 25-55 с при амплитуде s= 8*10м. доля свободного сечения колонны 30%; относительная площадь сегментарного среза -9%.
Рис. 4.2. насадка ГИАП-2 (вид сверху)
Ниже рассмотрено применение математической модели массоотдачи для расчета коэффициента массопередачи и сравнения с экспериментальными данными.
Для расчета коэффициентов массоотдачи и массопередачи необходимо оценить долю дисперсной фазы проходящей через различные зоны тарелки – отверстия и сегментный срез.
Средние коэффициенты массоотдачи и массопередачи находятся по уравнениям
где - коэффициент массоотдачи и массопередачи в зоне тарелки а - в зоне среза тарелки.
Доля капель прошедших определенную зону или выражается через отношение соответствующего объемного расхода потока к общему объемному расходу ее через сечение колонны V.
Объемные расходы зон и связаны со скоростями потока и поперечными сечениями соответствующих зон следующими соотношениями
Неравномерность распределения скоростей в зонах можно учитывать через их гидравлическое сопротивление
Используя известные значения определяется суммарный объемный расход потока через сечение колонны
В табл. 4.1приведены результаты расчета коэффициентов массоотдачи по сплошной и дисперсной фазам и массопередачи в различных зонах тарелки.
Результаты расчетов коэффициентов массоотдачи по зонам и средних коэффициентов массоотдачи и массопередачи
На рисунке 4.3 представлена корелляция расчетных и экспериментальных значений коэффициента массопередачи в виброэкстракторе с насадкой ГИАП-2.
Рис. 4.3. Зависимость коэффициента массопередачи от диссипации энергии : 1-расчет; 2- эксперимент
Расхождение результатов расчета коэффициентов переноса по математической модели с опытными значениями находится в пределах (15-25)%.
2. Уравнения процессов для вибрационных экстракторов
При точном математическом описании процессов в вибрационном экстракторе уравнения переноса импульса и массы необходимо записать для каждой зоны аппарата с соответствующими краевыми условиями. При этом необходимо учесть конструктивные особенности контактного устройства – свободное рабочее сечение форму отверстий и вырезов и т.д. очевидно что в данной постановке задача моделирования массопереноса для расчета эффективности промышленных аппаратов практически труднореализуема т.к. число отверстий на тарелке достигает несколько сот и даже тысяч. В связи с этим точное описание процесса противоточного движения двухфазного потока через рабочие отверстия и вырезы на контактном устройстве не предоставляются возможным.
В этом случае воспользуемся известным приемом при математическом моделировании сложных объектов – представим их в совокупности более простых с установлением связей между явлениями различных масштабов.
Выполним оценку режимов движения сплошной и дисперсной фаз в колонном экстракторе без наложения (учета) вибрационного движения.
Исследована массопередача в вибрационном аппарате диаметром D=01 м на системе трихлорэтилен – капролактам – вода при суммарном расходе фаз ч) и объемном соотношении дисперсной и сплошной фаз. WW=1:2.
Для этих условий числа Рейнольдса равны: в сплошной фазе Re=177; в дисперсной Re=174.
Таким образом режим движения фаз без учета вибраций находится в ламинарной области. Следовательно турбулентность в вибрационном экстракторе вызвана главным образом за счет вибрационного движения контактного устройства а влияние скорости относительного движения фаз на режим движения незначительный. Поэтому одну из основных характеристик турбулентности - коэффициент турбулентной вязкости примем независимым от пространственных координат и определим на основе теории локальной изотропной турбулентности используя среднее значение диссипации энергии вибрационного движения среды.
Запишем уравнения переноса импульса и массы при движении сплошной фазы в рабочем объеме экстрактора как в полом проточном аппарате. Влияние дисперсной фазы конструкции тарелок амплитуды и частоты вибрационного движения учтем коэффициентом турбулентного объема и источниками импульса и массы. Допущение о симметричности профилей скорости и концентраций относительно продольной оси позволит значительно упростить математическое описание процессов переноса и выполнить расчет полей осредненных скоростей и концентраций в рабочей зоне аппарата.
Уравнения переноса импульса и массы в сплошной фазе в осесимметричпой двухмерной постановке в цилиндрических координатах имеют вид
где zr – вертикальная и поперечная координаты; Р – давление; uv – составляющие вектора скорости сплошной среды; - источник импульса.
Для системы уравнений (4.2.1)-(4.2.4) описывающей перенос импульса и массы в сплошной фазе при движении двухфазного потока в аппаратуре устанавливаются следующие граничные условия
v = 0 u = 0 (на стенках колонны)
где R – радиус аппарата Н- высота аппарата.
3. Турбулентная вязкость и источник импульса
Параметрами системы уравнений (4.2.1)-(4.2.4) являются коэффициенты турбулентного обмена и источник импульса .
Коэффициент турбулентного обмена можно найти на основе теории локальной изотропной турбулентности согласно которой турбулентные пульсации в данной точке пространства в различных направлениях равновероятны на расстоянии l отвечающих условию где L – основной масштаб турбулентности - масштаб пульсации.
При этом величина диссипации для данного турбулентного движения постоянна и не зависит от масштаба пульсации так как энергия диссипируемая в самых мелкомасштабных высокочастотных пульсациях передается им низкочастотными пульсациями более крупного масштаба.
В связи с этим диссипация энергии записывается в виде
Найдем отсюда величину пульсационной составляющей скорости
Коэффициент турбулентного обмена пропорционален длине пути смешения l – амплитуде колебаний в виброэкстракторе
Учитывая (4.3.3) окончательно получим выражение для расчета среднего значения коэффициента турбулентной вязкости
Потеря энергии сплошной фазы при ее движении в колонном экстракторе обусловлена сопротивлением вызванным движением дисперсной фазы и сопротивлением тарелок колонны . Тогда источник импульса в уравнениях движения (4.2.1) запишется следующим образом
где коэффициент сопротивления движению сплошной фазы в отверстиях тарелки; - коэффициент сопротивления движению дисперсной фазы; F – площадь межфазной поверхности; - объем сплошной фазы.
Значение источника импульса в поперечном направлении практически равно нулю .
4. Вычисление поля концентрации
Эффективность процесса разделения определяется из решения уравнения массопереноса (4.2.4) в сплошной фазе на основе известного распределения профиля скорости.
Конечно – разностный аналог уравнения переноса массы в сплошной фазе имеет вид
n m - число ячеек; ab - размеры ячеек.
Вследствие того что турбулентное число Шмидта незначительно отличается от единицы принимаем .
Источник массы характеризующий массообмен между сплошной и дисперсной фазами определяется на основе расчетов по уравнениям математической модели. Источник связан с движущей силой процесса и коэффициентом массопередачи. Для ячейки это выражение имеет вид:
где - объемный коэффициент массопередачи; - движущая сила массопереноса в ij ячейке.
Уравнение массопереноса (4.3.1) решается совместно с потоковым соотношением:
Уравнение баланса массы в фазах
и уравнением равновесия на границе раздела фаз
записанным для nm ячеек; где – константа равновесия. Уравнение равновесия может иметь и нелинейный вид.
Для определения поля концентрации решается уравнение (4.3.1) совместно с (4.3.3) (4.3.5) при заданном значении концентрации на входе находится распределение концентрации переходящего вещества в сплошной фазе каждой ячейки.
Выполнен расчет поля концентрации при экстракции капролактама водой из трихлорэтилена в виброэкстракторе диаметром 100мм с тарелками ГИАП-2.
На рис. 4.4 4.5 показана корреляция экспериментальных и расчетных профилей концентрации при различных значениях диссипации энергии.
Рис. 4.4. Корреляция экспериментальных и расчетных профилей концентрации при =206 Вт м3
Рис. 4.4. Корреляция экспериментальных и расчетных профилей концентрации при =290 Вт м3
5. Алгоритм проектирования контактных устройств
Исходной информацией для проектирования массообменного аппарата является техническое задание (ТЗ) (состав разделяемой смеси; производительность состав получаемого продукта и т.д.).
На основе известных рекомендаций а также исходя из опыта и интуиции проектировщика предварительно выбирается тип контактного устройства задаются его конструктивные особенности выделяются характерные области формируемые конструкцией устройства (рис. 4.6)
Если в литературе отсутствуют необходимые опытные данные гидравлических исследований для контактных устройств аналогичного типа то изготавливается макет контактного устройства или макеты характерных областей.
При физическом моделировании процесса на макете контактного устройства или макете характерной области исследуются гидравлические характеристики двухфазного потока (перепад давления диссипация энергии межфазная поверхность функция распределения капель по размерам и др.).
На основе результатов гидравлического исследования вычисляют коэффициенты массоотдачи и массопередачи по приведенным уравнениям.
Устанавливаются краевые условия к у равнениям движения и массопереноса. Вычисляются параметры дифференциальных уравнений переноса (источниковые члены коэффициенты турбулентного обмена).
Система дифференциальных уравнений решается одним из численных методов и находится распределение полей скоростей давления концентрации целевого компонента для макета контактного устройства.
По известному значению концентрации компонента на входе и выходе макета контактного устройства определяется среднее значение эффективности разделения.
На основе расчета эффективности исходя из требований ТЗ выбираются режимные и конструктивные параметры проведения процесса разделения. Если данный тип контактного устройства не удовлетворяет требованиям ТЗ по эффективности разделения то выбирается другая конструкция и повторяются пункты 1-8 данного алгоритма.
Рис.4.6. Исследование и расчет эффективности КУ
Основные условные обозначения
- удельная поверхность контакта фаз
- концентрация распределяемого компонента в кгм
- диаметр аппарата коэффициент диффузии
- коэффициент продольного перемешивания
- общая высота единицы переноса
- высота рабочей зоны колонны
- коэффициент массопередачи
- число отверстий в распределителе дисперсной фазы; частота вращения
- общее число единиц переноса
- фиктивная скорость
- скорость свободного осаждения капель
- коэффициент массоотдачи
- разность плотностей
- межфазное натяжение
- удерживающая способность
- фаза экстрагируемого раствора
- начальный параметр (на входе в аппарат)
- конечный параметр (на выходе из аппарата)
Скорости осаждения капель
осаждения мелких капель уравнение Адамара
где – межфазное натяжение. Значение параметра Т = 70 соответствует критическому размеру капель. Капли более крупного размера являются осциллирующими.
Скорости стесненного осаждения капель
Скорости захлебывания в противоточных
экстракционных колоннах
Расчет предельных скоростей фаз
Суммарная фиктивная скорость при захлебывании
Удерживающая способность при захлебывании
где – соотношение объемных расходов дисперсной и сплошной фаз
Характеристическая скорость для роторно-дисковых экстракторов
Коэффициент а равен наименьшей из следующих величин:
где – диаметры соответственно колонны ротора и внутренний диаметр колец статора; h – высота секции.
Характеристическая скорость для колонн с турбинными мешалками
Фиктивные скорости фаз при захлебывании
Для насадочных колонн величина в мс
где – свободный объем насадки кгм3; ан – удельная поверхность насадки м2м3; – вязкость Па·с; – коэффициент поверхностного натяжения Нм.
Удерживающая способность
Удерживающую способность Для смесительно-отстойных экстракторов при достаточно интенсивном перемешивании
Удерживающая способность
для противоточных колонн
Переход от капельного истечения к струйному происходит при некоторой критической скорости в отверстии
где d0 – диаметр отверстия;
При капельном истечении размер образующихся капель
где - безразмерный объем капель; -безразмерный радиус отверстия; – критерий Вебера; – скорость в отверстии;
Приближенное значение размера капель
Определение средних размеров капель с учетом сужения струи
Некоторый равновесный размер капель
где – удельный свободный объем насадки;
Относительная скорость капель рассчитываемая для насадочных колонн
Диаметр кольцевой насадки
Средние поверхностно-объемные диаметры капельдля роторно-дисковых экстракторов
где – диаметр дисков; N – число дисков в экстракторе.
Массопередача в экстракционных аппаратах
Коэффициенты массоотдачи для мелких капель
где – время пребывания капель в колонне; – диффузионный критерий Фурье для дисперсной фазы; и – коэффициенты диффузии соответственно в сплошной и дисперсной фазах; – критерий Рейнольдса для капель; – диффузионные критерии Нуссельта Пекле и Прандтля для сплошной фазы.
Коэффициенты массоотдачи для более крупных капель
где – диффузионные критерии Нуссельта и Прандтля для дисперсной фазы; – критерий Вебера для капель.
Для осциллирующих капель
Размер отстойных зон
. Время необходимое для коалесценции капель
где Н – высота падения капли перед ее попаданием на межфазиую поверхность где происходит коалесценция.
Рис. 5.1. Зависимость скорости
свободного осаждения капель
Рис. 5.2. Функция f (R)
для расчета размеров капель
при истечении из отверстий
1 Расчет распылительной колонны
Задание на проектирование
Определить размеры распылительной колонны для извлечения фенола из воды экстракцией бензолом при следующих условиях: расход исходной смеси V0 = 0001389 м3с (5 м3ч); начальная концентрация фенола в воде
= 03 кгм3; конечная концентрация фенола в воде = 06 кгм3; начальная концентрация фенола в экстрагенте = 001 кгм3; температура в экстракторе – 25 °С
Равновесие между фазами. При выражении концентраций в кгм3 коэффициент распределения фенола между бензолом и водой при малых концентрациях фенола является практически постоянной величиной при 25°С равной 222.
Следовательно равновесие между фазами в данном случае определяется уравнением
Расход экстрагента. Ввиду малой концентрации фенола изменением плотностей фаз и их расходов в процессе экстракции можно пренебречь. Так как конечная концентрация в экстрагенте не может превышать концентрации равновесной с концентрацией исходной смеси то минимальный расход экстрагента будет равен
Реальный расход экстрагента должен быть больше минимального. Эффективность полых распылительных колонн обычно невелика (ввиду большого продольного перемешивания в сплошной фазе) и как правило не превышает одной теоретической ступени. Поэтому в данном случае определим расход экстрагента исходя из условия что необходимое число теоретических ступеней должно быть близко к единице. Например если расход экстрагента в два раза больше минимального (0001016 м3с) то конечная концентрация фенола в нем составит:
Подставляя это значение в уравнение написанное для концентраций в кгм3 при = 0 получим:
Результаты расчетов при других расходах экстрагента приведены ниже:
Как видно требуемая эффективность колонны составит около одной теоретической ступени при расходе экстрагента в 5–6 раз больше минимального. Примем расход экстрагента равным VД= 0002778 м3с (или 10 м3ч) т. е. примерно в 55 раз больше минимального расхода и в 2 раза больше расхода исходной смеси. При таком расходе бензола конечная концентрация фенола составит = 013 кгм3. Поскольку расход бензола больше расхода воды будем проводить расчет колонны считая бензол дисперсной фазой. Ввиду малых концентраций фенола необходимые для расчета физические свойства фаз примем равными соответствующим свойствам воды и бензола при 25 °С: = 997 кгм3; = 0894 мПа·с; =00341 Нм; =874 кгм3; =06 мПа·с; = 123 кгм3.
Диаметр колонны. Основная трудность расчета диаметра распылительных колонн заключается в том что для определения скоростей захлебывания нужно знать размеры капель и скорости их осаждения. Размеры капель зависят от скорости дисперсной фазы в отверстиях распределителя. Последняя же зависит от числа этих отверстий а число отверстий необходимое для равномерного распределения дисперсной фазы зависит от диаметра колонны.
Поэтому был принят следующий порядок расчета распылительных колонн (рис. 5.4). Исходя из диаметра отверстий распределителя дисперсной фазы сначала определим ориентировочный размер капель. Затем после расчета скоростей осаждения капель этого размера и предельных нагрузок при которых наступает захлебывание находим удовлетворяющий требованиям стандарта диаметр колонны пригодный для проектируемого процесса. Определив размеры распределителя (шаг между отверстиями и их число) уточним размер капель и проверим правильность выбора диаметра колонны. Затем рассчитаем требуемую высоту рабочей части колонны.
Проведем расчет размеров распылительной колонны приняв диаметр отверстий распределителя дисперсной фазы равным мм.
Приближенный размер капель. Определим приближенный размер капель при капельном истечении бензола в воду:
По графику на рисунке 5.3 находим . Следовательно
Таким образом ориентировочный диаметр капель при капельном истечении равен
Рис. 5.4. Схема расчета размеров распылительной колонны
Рис. 5.5. Зависимость средних размеров капель от скорости истечения:
– капельный режим; 2 – струйный режим
При струйном истечении приближенный размер капель должен иметь близкое значение:
Скорость свободного осаждения капель. Для капель бензола диаметром
Для капель диаметром 768 мм получается практически такое же значение скорости свободного осаждения (0122 мс).
Суммарная фиктивная скорость фаз при захлебывании. Удерживающая способность при захлебывании в данном случае равна
Принимая характеристическую скорость капель в распылительной колонне равной скорости свободного осаждения находим:
Таким образом минимально возможный диаметр колонны равен:
Выбираем внутренний диаметр колонны равным 05 м. Фиктивные скорости фаз в такой колонне равны: смс; смс. Колонна будет работать при нагрузке составляющей 65 % от нагрузки при захлебывании. В данном случае диаметры колонны определяемые из приближенных размеров капель для капельного и струйного истечения одинаковы. Если бы они различались то окончательный выбор диаметра колонны должен был бы проводиться после расчета распределителя и определения режима истечения дисперсной фазы.
Расчет распределителя дисперсной фазы. Работа распылительных колонн во многом определяется конструкцией распределителя дисперсной фазы. Он должен подавать в рабочую зону колонны достаточно малые капли по возможности близкие по размерам и обеспечить равномерное распределение капель по объему аппарата. При близких размерах капель время пребывания их в колонне не должно сильно различаться и режим движения дисперсной фазы близок к режиму идеального вытеснения. Поэтому предпочтительнее капельный режим истечения при котором образуются одинаковые капли (иногда наряду с однородными крупными каплями образуются капли-спутники значительно меньшего размера).
Капельный режим работы распределителя дисперсной фазы не всегда осуществим так как может потребоваться слишком большое число отверстий которые невозможно разместить по его поперечному сечению. Для равномерного распределения капель по сечению аппарата необходимо чтобы диаметр распределителя был равен диаметру рабочей зоны экстрактора (в месте установки распределителя колонна должна иметь расширение для свободного прохода сплошной фазы в отстойную зону). Число отверстий распределителя при размещении их по треугольникам примерно определяется соотношением
Максимальное число отверстий соответствует минимальному шагу S между отверстиями который определяется конструкцией распределителя и не должен быть меньше размера капель (во избежание их слияния при выходе из распределителя). В основу расчета числа отверстий распределителя дисперсной фазы может быть положен принцип минимального размера капель. Зависимость среднего размера капель от скорости истечения обычно имеет вид показанный на рисунке 5.5. Примерное положение минимума определяется следующими соотношениями:
Рассчитаем число отверстий распределителя дисперсной фазы так чтобы размер капель был минимальным. Так как в данном случае R = 0266 то критерий Вебера должен быть равен We = 0590266 = 222. Скорость в отверстиях распределителя соответствующая этому значению критерия Вебера равна:
Необходимое для такой скорости истечения число отверстий составляет:
Шаг между отверстиями должен быть равен:
Это значение заметно больше и размера отверстий и ориентировочного размера капель. Следовательно по сечению распределителя можно разместить 1500 отверстий. Найдем критическую скорость истечения:
При числе отверстий п = 1500 скорость истечения (0147 мс) немного превышает критическую. Следовательно распределитель будет работать в начальной стадии струйного режима когда размеры образующихся капель отличаются незначительно.
Размер капель. Уточненный расчет размеров капель проводим для струйного истечения:
Скорость свободного осаждения для капель этого диаметра составляет
26 мс а суммарная предельная нагрузка при такой характеристической скорости практически равна предельной нагрузке полученной в предварительных расчетах на основе приближенной оценки размеров капель. Следовательно нет оснований вносить изменения в выбранный диаметр колонны.
Удерживающая способность. При характеристической скорости =0126 мс и фиктивных скоростях фаз =0.707 смс и
= 1414 смс принимает вид:
Для решения этого уравнения используем аналитический метод решения кубических уравнений в тригонометрической форме. Решение сводится к тому что уравнение вида
путем подстановки приводят к виду: Коэффициенты р и q равны:
Коэффициенты имеют следующие значения:
Подстановкой преобразуем это уравнение к виду
Коэффициенты р u q в данном случае равны:
В этом случае соблюдения условия уравнение имеет три действительных корня:
Корни кубического уравнения равны Для решаемой задачи .
Корни кубического уравнения получаются равными:
Наименьшее значение Ф=0142 принимаем за величину удерживающей способности. Удельная поверхность контакта фаз
Таким образом при расчете гидродинамических параметров распылительной колонны получены следующие результаты:
Диаметр колонны (и распределителя дисперсной фазы) м 05
Фиктивная скорость смс:
дисперсной фазы (бензола)1414
сплошной фазы (воды)0707
Число отверстий распределителя дисперсной фазы диаметром 4 мм 1500
Шаг между отверстиями мм123
Средний диаметр капель мм616
Удерживающая способность0142
Удельная поверхность контакта фаз м2м3138
Коэффициенты диффузии. Вычислим коэффициенты диффузии:
где М – молекулярная масса растворителя равная для воды 1802 для бензола – 782; – фактор ассоциации растворителя равный для воды 26 для бензола 1; v – мольный объем диффундирующего вещества равный для фенола 103 см3моль; вязкость раствора (в мПа·с) можно принять равной вязкости растворителей.
Рассчитаем коэффициент диффузии в разбавленном растворе фенола в воде:
Аналогичный расчет коэффициента диффузии в бензоле дает
Коэффициенты массоотдачи. Параметр Т равен:
Так как в данном случае Т > 70 размер капель больше критического
(рис. 5.2) и капли должны осциллировать в процессе осаждения. Поэтому определение коэффициентов массоотдачи проводим по уравнениям для осциллирующих капель. Расчет дает:
Для определения коэффициента массоотдачи в дисперсной фазе нужно знать время пребывания капель в колонне зависящее от ее высоты. Зададимся высотой Н = 5 м. Тогда:
Коэффициент массопередачи по фазе бензола
Высота рабочей зоны. При расчете высоты рабочей зоны колонны примем следующую модель структуры потоков: для сплошной фазы – идеальное перемешивание для дисперсной – идеальное вытеснение. Такой выбор основан на том что степень продольного перемешивания в сплошной фазе распылительных колонн гораздо сильнее чем в дисперсной (если капли не очень широко распределены по размерам). Для данной модели структуры потоков при постоянстве расходов фаз и линейной равновесной зависимости следует:
Вычислив по этому уравнению величину рассчитанную по дисперсной фазе (экстрагент) находим рабочую высоту колонны:
Поскольку высота колонны получилась отличной от Н = 5 м (которую задали при определении коэффициента массоотдачи в дисперсной фазе) расчет следует повторить. Принимая Н = 821 м получим: мс; Ку = 0449104 мс; = 228 м; Н = 832 м. При повторении расчета высота колонны не меняется. Принимаем Н = 85 м.
Размер отстойных зон. Диаметр отстойных зон (принимаем их одинаковыми) определим 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. Тогда диаметр отстойных зон можно найти из уравнения
Принимаем диаметр отстойных зон равным 08 м. Найдём время необходимое для коалесценции капель бензола:
Найденное время коалесценции является приближённым так как размер капель в отстойной зоне вследствие коалесценсии капель должен быть больше чем в колонне (616 мм). Для расчета объема верхней отстойной зоны примем что половина верхней отстойной зоны занята слоем чистого коалесцировавшего бензола а другая половина заполнена коалесцирующими каплями. Считая что объемная доля бензола в коалесцирующей эмульсии составляет 80 % получим объем верхней отстойной зоны:
Следовательно высота отстойной зоны должна быть равна
Принимаем отстойные зоны одинаковыми высотой 12 м. На рисунке 5.6 приведены основные размеры распылительной колонны определенные в результате технологического расчета.
Рис. 5.6. Эскиз распылительной колонны:
3 – вход и выход сплошной фазы; 2 4 – вход и выход дисперсной фазы
Низкая эффективность спроектированной колонны (высота эквивалентная теоретической ступени равна 8 м) обусловлена большим продольным перемешиванием в сплошной фазе (при расчете принято полное перемешивание). Если бы режим движения обеих фаз соответствовал идеальному вытеснению необходимая высота рабочей зоны колонны составила бы около 1 м.
2 Пример расчета роторно-дискового экстрактора
В качестве примера расчета роторно-дискового экстрактора рассмотрим тот же процесс очистки воды от фенола экстракцией бензолом но очистки более глубокой – до конечной концентрации фенола в воде 0009 кгм3 (степень извлечения – 97 %). Остальные исходные параметры будем считать такими же как и при расчете распылительной колонны:
Vx = Vc = 0001389 м3с Vy = VД = 0002778 м3с
сХ.Н. = 03 кгм3 сУ.Н. = 01 кгм3
Конечная концентрация фенола в бензоле при такой степени извлечения равна
Для расчета роторно-дисковых экстракторов недостаточно определить диаметр и высоту рабочей части колонны. Необходимо подобрать также размеры внутренних устройств (диаметры дисков и статорных колец расстояние между дисками) и частоту вращения дисков. Используем методику расчета схема которой показана на рисунке 5.7. В этой методике исходными данными являются соотношения размеров внутренних устройств экстрактора (где D и – диаметры соответственно колонны и дисков и внутренний диаметр статорных колец; h – высота секции) а также величина (где
n – частота вращения ротора).
Обычно диаметр дисков в роторно-дисковых экстракторах в 15–2 раза меньше диаметра колонны высота секции (расстояние между дисками) в
–4 раза меньше диаметра колонны а внутренний диаметр колец статора составляет 70–80% от диаметра колонны. Примем следующие соотношения для размеров внутренних устройств: и рассчитаем размеры экстрактора работающего при = 02 мс.
Рис. 5.7. Схема расчета размеров роторно-дисковых экстракторов
Средний размер капель. Для определения размеров капель необходимо знать число секций (дисков). Зададимся числом секций
Суммарная фиктивная скорость фаз при захлебывании. Рассчитав скорость свободного осаждения капель бензола размером 203 мм в воде получим w0 = 573 смс. Определим характеристическую скорость капель:
Следовательно = 0485 и характеристическая скорость капель равна:
Фиктивная суммарная скорость фаз при захлебывании:
Диаметр колонны и размеры внутренних устройств. Минимально допустимый диаметр колонны в данном случае равен
Принимаем внутренний диаметр колонны равным 1 м. Фиктивные скорости фаз в такой колонне равны: смс; =
= 0177 смс. Суммарная скорость фаз составит 69% от суммарной скорости фаз при захлебывании.
Основные размеры внутренних устройств экстрактора:
Удельная поверхность контакта фаз.
Решая это уравнение (см. пример расчета распылительной колонны) находим удерживающую способность Ф = 0169. Следовательно удельная поверхность контакта фаз равна
Высота рабочей зоны колонны. Рассчитаем высоту рабочей зоны колонны и следовательно число дисков с учетом продольного перемешивания на основе диффузионной модели. Коэффициенты продольного перемешивания в сплошной Ес и дисперсной ЕД фазах вычислим из следующих эмпирических зависимостей:
Расчет по этим уравнениям дает:
Для определения коэффициентов массоотдачи необходимо знать относительную скорость капель в колонне и критерий Рейнольдса:
Параметр T в уравнении равен:
Так как Т 70 то капли не осциллируют.
При определении размеров капель число секций экстрактора принято равным 20. Поэтому в качестве первого приближения для высоты экстрактора примем значение:
Рассчитаем коэффициенты массоотдачи:
Критерии и определены при расчете распылительной колонны. Находим коэффициент массопередачи и высоту единицы переноса по водной фазе соответствующую режиму идеального вытеснения:
Так как расходы фаз в рассматриваемом процессе практически не меняются а равновесие между фазами характеризуется линейной зависимостью для расчета общих чисел единиц переноса можно использовать уравнение которое при выражении составов в кгм3 может быть представлено в виде
Для рассматриваемого процесса .
Таким образом при режиме идеального вытеснения по обеим фазам высота рабочей зоны колонны м. Для определения высоты колонны с учетом продольного перемешивания находим методом последовательного приближения кажущуюся высоту единицы переноса. Сначала определим значение критерия Пекле для продольного перемешивания в обеих фазах:
В первом приближении коэффициенты и вычисляем пренебрегая вторыми членами в правой части:
Находим первое приближение для кажущейся высоты единицы переноса:
Значению м соответствует высота колонны
Полученные значения и используем для более точного определения критерия Пекле и коэффициентов и :
Второе приближение для кажущейся высоты единицы переноса равно:
При таком значении требуемая высота колонны равна
Проводя расчет и Н несколько раз до тех пор пока значения этих величин в двух последовательных итерациях не станут практически равными получим: = 115 м; Н = 584 м. Так как расстояние между дисками принято равным 0333 м колонна такой высоты должна иметь 5840333 = 175 дисков. Принимая число дисков равным 18 получим для высоты рабочей зоны значение:
В начале расчета при определении размеров капель число секций в колонне было принято равным 20. Если в уравнение (5.20) подставить N = 18 получим средний размер капель d = 208 мм что на 25 % отличается от значения d при N = 20. Поскольку такое отклонение находится в пределах точности уравнения (5.20) пересчет размеров капель и всех остальных гидродинамических параметров экстрактора не имеет смысла. Практически не изменится также и коэффициент массоотдачи зависящий от высоты колонны в дисперсной фазе. Однако если бы полученная в результате расчета высота экстрактора сильно отличалась от значения которым задались вначале весь расчет следовало бы повторить начиная с определения среднего размера капель.
Результаты расчета высоты колонны свидетельствуют о значительном продольном перемешивании в роторно-дисковых экстракторах. Вследствие продольного перемешивания необходимая высота рабочей зоны увеличивается в 3 раза.
Сравнивая результаты расчета роторно-дисковой и распылительной экстракционных колонн можно отметить гораздо большую эффективность первой: число теоретических ступеней при заданных концентрациях фаз примерно равно 26 и следовательно ВЭТС равняется 23 м в то время как для распылительной колонны ВЭТС будет 8 м. Однако производительность распылительного экстрактора гораздо больше: диаметр его при тех же расходах вдвое меньше.
Энергетические затраты на перемешивание. Для вращающегося диска критерий мощности при достаточно больших значениях критерия Рейнольдса (ReM > 105) равен примерно KN = 003 [2]. В данном случае
Средняя плотность перемешиваемой среды:
Следовательно затраты энергии на перемешивание одним диском составляют
Таким образом затраты мощности на перемешивание очень невелики и для всех дисков составляют около 2 Вт. Мощность электродвигателя в данном случае следует подбирать на основе механического расчета. Она должна быть достаточной для преодоления пускового момента и сил трения в опорах.
Размер отстойных зон. В роторно-дисковых экстракторах диаметры рабочей зоны и отстойных зон обычно одинаковы. Если определить время необходимое для коалесценции капель бензола в верхней отстойной зоне и исходя из этого времени рассчитать объем отстойной зоны (как при расчете распылительной колонны) то высота отстойной зоны получится равной около 02 м.
Но в данном экстракторе отстойные зоны являются продолжением рабочей зоны в которой происходит интенсивное движение жидкостей. Поэтому отстойные зоны должны состоять из двух частей: собственно отстойных зон (где происходит разделение фаз) и промежуточных успокоительных зон высотой обычно не меньше диаметра колонны (наличие которых создает лучшие условия для отстаивания). Исходя из этих соображений принимаем полную высоту отстойных зон равной 12 м. Основные размеры роторно-дискового экстрактора полученные в результате технологического расчета приведены на рисунке 3.8.
Приведенный пример расчета роторно-дискового экстрактора выполнен при условии что произведение числа оборотов ротора на его диаметр составляет 02 мс.
Рис. 5.8. Эскиз роторно-дискового экстрактора:
– вал; 2 – успокоительная втулка; 3 – обечайка; 4 – кольцо;
– диск; 6 7 – вход и выход тяжелой фазы; 8 9 – вход и выход легкой фазы
Глава 6 Экономическая часть
Распылительная колонна
Роторно-дисковой экстрактор
Расход исходной смеси V0 м3с
Начальная концентрация фенола в воде
Конечная концентрация фенола в воде кгм3
Начальная концентрация фенола в экстрагенте кгм3
Конечная концентрация фенола в бензоле кгм3
Межфазное натяжение Hм
Вязкость сплошной фазы мПа · с;
Вязкость дисперсной фазы мПа · с
Температура в экстракторе °С
Равновесие между фазами m
Скорость осаждения капель wo мс
Удерживающая способность Ф
Скорости захлебывания в экстракционных колоннах (wD+wc)з
Коэффициент массоотдачи y
Удельная поверхность контакта фаз а м2м3
Размер отстойных зон Dоm м
Коэффициент диффузии фенола в воде Dc м2с
Коэффициент диффузии в бензоле Dc м2с
Расход экстрагента Vy м3с
Высота рабочей зоны Н м
Глава 7 БЖД и охрана труда
Вопрос безопасности и надежности экстракционных заводов может быть разделен на две части: механическая надежность и технологическая надежность. Очень важно не иметь отказов в работе экстрактора наполненного растворителем мисцеллой и насыщенным растворителем лепестком. Если приходится открывать экстрактор полный гексана и паров это неизбежно влечет за собой опасную ситуацию. Поэтому все типы экстракторов требуют постоянной инспекции. Необходима тщательная подгонка рабочего механизма как внутри экстрактора так и вне его. Необходимо своевременно менять изношенные части. В зависимости от конкретного типа экстрактора и его характеристик выбирается периодичность инспекционных проверок экстрактора. Возможно инспекции должны проводиться дважды в году.
Ключевой технологической проблемой в экстракторах является плохая перколяция. Недостаточный дренаж растворителя влечет за собой реальную опасность перегрузки тостера и увеличения давления во всей системе отвода паров растворителя и если такая ситуация продолжается достаточно долгое время опасность поступления содержащего растворитель шрота на склад. На экстракционных заводах в настоящее время устанавливаются датчики и аварийные выключатели по превышению давления как в экстракторе так и в тостере.Также предусматривается аварийное отключение по понижению температуры шрота на выходе из тостера. Если перколяция растворителя ухудшается до такой степени что вся поверхность слоя материала оказывается залитой растворителем завод должен быть остановлен и должны быть немедленно приняты меры по исправлению ситуации. Во многих случаях нерешительность операторов остановить завод в подобном положении приводила к более опасным последствиям для предприятия в целом.
ТРЕБОВАНИЯ К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ЭКСТРАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Для каждого взрывопожароопасного участка производства экстракционного процесса предусматриваются меры по максимальному снижению уровня взрывоопасности технологических блоков входящих в него предотвращению взрывов и загораний внутри технологического оборудования в объеме производственных помещений и наружных установок по предотвращению или ограничению выбросов горючих веществ в сточные воды при аварийной разгерметизации оборудования по снижению тяжести последствий возможных аварий.
При создании и эксплуатации экстракционных производств во избежание возникновения постоянных и случайных дестабилизирующих факторов обеспечиваются условия устойчивой работы в том числе:
- надежное обеспечение электроэнергией паром водой сжатым воздухом инертным газом (азотом);
- обеспечение необходимого запаса сырья материалов а также контроль их качества в соответствии с действующей нормативной документацией;
Технологическое оборудование в котором возможно образование взрывоопасных смесей обеспечивается системами подачи флегматизатора (азота).
Экстракционное производство оснащается автоматическими средствами контроля параметров значения которых определяют взрывоопасность процесса с сигнализацией предельных значений и системами блокировок препятствующими возникновению аварийных ситуаций.
Для максимального снижения выбросов в окружающую среду растворителя в виде паров и жидкой фазы при аварийной разгерметизации системы в технологических системах экстракционного производства предусматриваются:
- для технологических блоков I категории взрывоопасности - установка автоматических быстродействующих запорных и (или) отсекающих устройств со временем срабатывания не более 12 с;
- для технологических блоков II и III категорий взрывоопасности - установка запорных и (или) отсекающих устройств с дистанционным управлением и временем срабатывания не более 120 с;
- для технологических блоков со значением относительного энергетического потенциала Qв 10 допускается установка запорных устройств с ручным приводом при этом предусматривается минимальное время приведения их в действие за счет рационального размещения (максимально допустимого приближения к рабочему месту оператора) но не более 300 с.
В помещениях цеха экстракции отгонки растворителя из шрота дистилляции насосных для перекачки растворителя предусматривается установка газосигнализаторов довзрывных концентраций горючих газов с сигнализацией превышения 10% уровня от нижнего концентрационного предела распространения пламени.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ СТАДИЯМ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ
Во избежание попадания паров растворителя из экстракционного цеха (категория А) в смежные помещения другой категории подача экстрагируемого материала в экстракционный цех должна производиться таким образом чтобы часть транспортных элементов осуществляющих эту подачу располагалась снаружи здания.
Для вновь строящихся предприятий экстракционный цех необходимо располагать в отдельно стоящем здании.
Экстрагируемый материал перед поступлением в экстрактор очищается от металлических примесей.
В целях недопущения распространения аварийной ситуации из тостера в экстрактор между ними устанавливается шлюзовый затвор или осуществляются другие технические решения.
Приводы экстракторов обеспечиваются системами защиты от превышения предельно допустимой нагрузки на валы исключающими их поломку при запрессовках и заклинивании в случае попадания посторонних предметов.
Во избежание растекания (розлива) растворителя (мисцеллы) из оборудования экстракционного цеха участки перекрытий под этим оборудованием (фильтры экстракторы мисцеллосборники и другое оборудование содержащее растворитель или мисцеллу) выполняются без проемов в виде поддонов и ограждаются бортом высотой не менее 015 м с отводом разлитого растворителя (мисцеллы) в аварийную емкость.
При остановках экстракционной линии не допускается:
- выключать принудительную вентиляцию цеха;
- прекращать циркуляцию охлаждающей воды рассола или абсорбента в технологических аппаратах.
ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ
Для технических устройств применяемых в экстракционных производствах устанавливается срок службы (ресурс) с учетом конкретных условий эксплуатации. Данные о сроке службы указываются в эксплуатационной документации.
На каждый вид производственного оборудования оформляется комплект эксплуатационных документов номенклатура которых приведена в государственных стандартах.
Применяемое оборудование должно соответствовать требованиям промышленной безопасности и охраны труда государственным стандартам а его установка должна обеспечивать удобный доступ ко всем обслуживаемым и съемным агрегатам узлам блокам и аппаратуре для проведения пусконаладочных эксплуатационных ремонтных работ и технического обслуживания.
Для коллективной защиты рабочих от вибрации и шума разрабатываются мероприятия согласно нормативным документам по проектированию.
Допустимые уровни вибрации и шума на рабочих местах методы и средства контроля этих величин должны соответствовать требованиям санитарных норм.
Размещение и монтаж оборудования
Размещение технологического оборудования в производственных помещениях и на открытых площадках должно обеспечивать удобство и безопасность его обслуживания ремонта и принятие оперативных мер по предотвращению аварийных ситуаций или локализации аварий.
Не допускается размещение технологического оборудования взрывопожароопасных производств:
- над и под вспомогательными помещениями;
- под эстакадами технологических трубопроводов с растворителем.
При проектировании должно быть предусмотрено необходимое пространство для выемки вала при ремонтах шнековых экстракторов сушилок чанных испарителей и др.
Для обслуживания оборудования требующего нахождения или перемещения работающих выше уровня пола должны быть предусмотрены стационарные площадки и лестницы к ним.
Системы противоаварийной автоматической защиты
Экстракторы оборудуются средствами контроля сигнализации уровня экстрагируемого материала в загрузочном устройстве и разгрузочном бункере (для карусельных экстракторов) и блокировками обеспечивающими:
- остановку экстрактора при снижении уровня экстрагируемого материала в загрузочном бункере (царге) экстрактора до отметки минимально допустимого;
- остановку конвейера подающего материал в экстрактор при повышении уровня материала в загрузочном бункере (царге) до отметки максимально допустимого;
- остановку разгрузочного винтового конвейера при снижении уровня шрота в разгрузочном бункере карусельных экстракторов до отметки минимально допустимого;
- остановку экстрактора при повышении уровня шрота в разгрузочном бункере до отметки максимально допустимого.
Минимально и максимально допустимые уровни экстрагируемого материала в зависимости от типа экстрактора вида экстрагируемого материала и конкретных условий определяются проектом и регламентом.
Системы связи и оповещения
Взрывопожароопасные технологические объекты экстракционных производств (экстракционный цех) а также взаимосвязанные с ним технологические объекты (прессовый цех подготовительное отделение элеватор шрота бензохранилище и др.) должны оборудоваться системами двухсторонней громкоговорящей и телефонной или радиосвязью; в необходимых случаях - сигнализацией о работе связанного между собой технологического оборудования.
Структура и вид связи определяются разработчиком проекта в зависимости от особенностей технологического процесса архитектурно-планировочных решений и других факторов.
Организация и порядок оповещения производственного персонала и гражданского населения об аварийной ситуации обязанности по поддержанию в состоянии готовности технических средств и соответствующих служб и ликвидации угрозы аварии определяются планами локализации аварийных ситуаций.
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЕ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ И ПОЖАРООПАСНЫХ ЗОНАХ
Электрообеспечение устройство монтаж обслуживание электроустановок должны соответствовать требованиям нормативно-технических документов.
Обеспеченность электроэнергией электроприемников экстракционного производства для блоков II III категорий взрывопожароопасности предусматривается не ниже 2 категории надежности а электроприемников систем оборотного водоснабжения аварийной вентиляции аварийного освещения обеспечения КИПиА сжатым воздухом автоматической пожарной сигнализации и системы пожаротушения - не ниже 1 категории.
ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ
Системы вентиляции и отопления должны выполняться в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
Отопительно-вентиляционные системы должны обеспечивать в рабочей зоне производственных помещений метеорологические параметры и содержание вредных веществ в пределах норм установленных государственными стандартами.
На каждую вентиляционную систему оформляются: санитарно-технический паспорт журнал эксплуатации и ремонта инструкция по эксплуатации график ремонта и чистки. Содержание форма и порядок реализации требований перечисленных документов определяются в установленном порядке.
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И КАНАЛИЗАЦИЯ
Водоснабжение экстракционного производства должно соответствовать требованиям нормативно-технических документов.
Система оборотного водоснабжения экстракционного цеха предусматривается автономной.
ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ
Объемно-планировочные и конструктивные решения производственных помещений и зданий должны соответствовать требованиям строительных норм и правил.
Помещения экстракционного производства категорий А и Б должны иметь наружные ограждающие конструкции легко сбрасываемые при воздействии взрывной волны. Площадь и тип легко сбрасываемых конструкций устанавливается в проекте.
В здании экстракционного цеха площадки для обслуживания технологического оборудования и межэтажные перекрытия проектируют таким образом чтобы исключить возможность образования непроветриваемых пространств а для вновь строящихся и реконструируемых цехов они выполняются преимущественно решетчатыми.

схема.cdw

Материальный баланс процесса
Моделирование и расчет
Техническое задание (ТЗ)
Выбор конструкции и исследование
Расчет эффективности
Исследование и расчет эффективности КУ
Алгоритм потарелочного расчета колонного экстрактора

График.cdw

Зависимость коэффициента массопередачи К
от диссипации энергии
: 1 - расчет; 2 - эксперимент.
Корреляция экспериментальных и расчетных профилей концентрации при

Схема экстракционной колонны с насадкой ГИАП-2.cdw

Вибрационный экстрактор.cdw

динамически неуравновешенный
динамически уравновешанный