Колонно-вибрационный экстрактор

Расхождение результатов расчета коэффициентов переноса по математической модели с опытными значениями находится в пределах (15-25)%.

4.2 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=0,1 м на системе трихлорэтилен - капролактам - вода при суммарном расходе фаз ч) и объемном соотношении дисперсной и сплошной фаз. W/W=1:2.

Для этих условий числа Рейнольдса равны: в сплошной фазе Re=177; в дисперсной Re=17,4.

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

(4.2.1), (4.2.2)

(4.2.3),(4.2.4)

где z,r - вертикальная и поперечная координаты; Р - давление; u,v - 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

- при z = 0

(на входе)

- при z = 1

, (на выходе)

(4.2.5)

- при r =0

(на оси симметрии)

-при r = ±R

v = 0, u = 0, (на стенках колонны)

, (4.2.6)

где R - радиус аппарата, Н- высота аппарата.

4.3 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

(4.3.1)

Найдем отсюда величину пульсационной составляющей скорости

(4.3.2)

Коэффициент турбулентного обмена пропорционален длине пути смешения l - амплитуде колебаний в виброэкстракторе

(4.3.3)

Учитывая (4.3.3), окончательно получим выражение для расчета среднего значения коэффициента турбулентной вязкости

(4.3.4)

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

(4.3.5)

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 .

4.4 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

(4.3.1)

n, m - число ячеек; a,b - 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:

(4.3.2)

где - объемный коэффициент массопередачи; - движущая сила массопереноса в ij ячейке.

Уравнение массопереноса (4.3.1) решается совместно с потоковым соотношением:

(4.3.3)

Уравнение баланса массы в фазах

(4.3.4)

и уравнением равновесия на границе раздела фаз

(4.3.5)

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

4.5 Алгоритм проектирования контактных устройств

Исходной информацией для проектирования массообменного аппарата является техническое задание (ТЗ) (состав разделяемой смеси; производительность, состав получаемого продукта и т.д.).

1. 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)

2. Если в литературе отсутствуют необходимые опытные данные гидравлических исследований для контактных устройств аналогичного типа, то изготавливается макет контактного устройства или макеты характерных областей.

3. 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.).

4. На основе результатов гидравлического исследования вычисляют коэффициенты массоотдачи и массопередачи по приведенным уравнениям.

5. Устанавливаются краевые условия к у равнениям движения и массопереноса. Вычисляются параметры дифференциальных уравнений переноса (источниковые члены, коэффициенты турбулентного обмена).

6. Система дифференциальных уравнений решается одним из численных методов, и находится распределение полей скоростей, давления, концентрации целевого компонента для макета контактного устройства.

7. По известному значению концентрации компонента на входе и выходе макета контактного устройства определяется среднее значение эффективности разделения.

8. 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

Часть III Методика расчета

Глава 5 Расчет экстракционных аппаратов

Основные условные обозначения

a	- удельная поверхность контакта фаз
c	- концентрация распределяемого компонента в кг/м
d	- размер капель
D	- диаметр аппарата, коэффициент диффузии
E	- коэффициент продольного перемешивания
H	- общая высота единицы переноса
H	- высота рабочей зоны колонны
K	- коэффициент массопередачи
n	- число отверстий в распределителе дисперсной фазы; частота вращения
n	- общее число единиц переноса
V	- объемный расход
w	- фиктивная скорость
w	- скорость свободного осаждения капель
?	- коэффициент массоотдачи
?	- вязкость
?	- плотность
??	- разность плотностей
?	- межфазное натяжение
Ф	- удерживающая способность

Индексы

х	- фаза экстрагируемого раствора
у	- фаза экстрагента
с	- сплошная фаза
д	- дисперсная фаза
н	- начальный параметр (на входе в аппарат)
к	- конечный параметр (на выходе из аппарата)
	Скорости осаждения капель
Скорость свободного осаждения мелких капель, уравнение Адамара	при
Скорость свободного осаждения крупных капель	при 2 < Т < 70, при Т >70, 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 в экстракторах
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 м/с	где ? - свободный объем насадки, кг/м3; ан - удельная поверхность насадки, м2/м3; - вязкость, Па·с; - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.
	Удерживающая способность
Удерживающую способность Для смесительно-отстойных экстракторов при достаточно интенсивном перемешивании
Удерживающая способность для противоточных колонн	. или
	Размер капель
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	где:
Некоторый равновесный размер капель	где - удельный свободный объем насадки;
Относительная скорость капель, рассчитываемая для насадочных колонн
Диаметр кольцевой насадки
Средние поверхностно-объемные диаметры капель,для 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 от их размера

Рис. 5.2 Функция f (R) для расчета размеров капель при истечении из отверстий

5.1 Расчет распылительной колонны

Задание на проектирование

Определить размеры распылительной колонны для извлечения фенола из воды экстракцией бензолом при следующих условиях: расход исходной смеси V₀ = 0,001389 м³/с (5 м³/ч); начальная концентрация фенола в воде = 0,3 кг/м³; конечная концентрация фенола в воде = 0,6 кг/м³; начальная концентрация фенола в экстрагенте = 0,01 кг/м³; температура в экстракторе - 25 °С

Равновесие между фазами. При выражении концентраций в кг/м³ коэффициент распределения фенола между бензолом и водой при малых концентрациях фенола является практически постоянной величиной, при 25°С равной 2,22.

Следовательно, равновесие между фазами в данном случае определяется уравнением

причем

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 (0,001016 м³/с), то конечная концентрация фенола в нем, составит:

0,38

Подставляя это значение в уравнение, написанное для концентраций в кг/м³, при = 0 получим

Результаты расчетов при других расходах экстрагента приведены ниже:

2 3 4 5 6 7

0,338 0,229 0,174 0,141 0,119 0,104

2,02 1,42 1,18 1,04 0,94 0,87

Как видно, требуемая эффективность колонны составит около одной теоретической ступени при расходе экстрагента в 5-6 раз больше минимального. Примем расход экстрагента равным V_Д= 0,002778 м³/с (или 10 м³/ч), т. е. примерно в 5,5 раз больше минимального расхода и в 2 раза больше расхода исходной смеси. При таком расходе бензола конечная концентрация фенола составит = 0,13 кг/м³. 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 кг/м³; = 0,894 мПа·с; =0,0341 Н/м; =874 кг/м³; =0,6 мПа·с; = 123 кг/м³

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:
1 - капельный режим; 2 - струйный режим

При струйном истечении приближенный размер капель должен иметь, близкое значение:

Скорость свободного осаждения капель. Для капель бензола диаметром
7,9 мм находим

.

Для капель диаметром 7,68 мм получается практически такое же значение скорости свободного осаждения (0,122 м/с).

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 0,5 м. Фиктивные скорости фаз в такой колонне равны: см/с; см/с. 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:

при Re < 0,317

при Re > 0,317

Рассчитаем число отверстий распределителя дисперсной фазы так, чтобы размер капель был минимальным. Так как в данном случае R = 0,266, то критерий Вебера должен быть равен We = 0,59/0,266 = 2,22. 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 (0,147 м/с) 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 0,126 м/с, 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 =0,126 м/с и фиктивных скоростях фаз =0.707 см/с и = 1,414 см/с 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:

где

Корни кубического уравнения равны Для решаемой задачи .

Следовательно,

Тогда:

Таким образом,

Корни кубического уравнения получаются равными:



Наименьшее значение, Ф=0,142, 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 0,5

Фиктивная скорость, см/с:

дисперсной фазы (бензола) 1,414

сплошной фазы (воды) 0,707

Число отверстий распределителя дисперсной фазы диаметром 4 мм 1500

Шаг между отверстиями, мм 12,3

Средний диаметр капель, мм 6,16

Удерживающая способность 0,142

Удельная поверхность контакта фаз, м²/м³ 138

Коэффициенты диффузии. Вычислим коэффициенты диффузии:

где М - молекулярная масса растворителя, равная для воды 18,02, для бензола - 78,2; - фактор ассоциации растворителя, равный для воды 2,6, для бензола 1; v - мольный объем диффундирующего вещества, равный для фенола 103 см³/моль; 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

м²/с.

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 = 8,21 м, получим: м/с; К_у = 0,44910⁴ м/с; = 2,28 м; Н = 8,32 м. При повторении расчета высота колонны не меняется. Принимаем Н = 8,5 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 0,8 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 (6,16 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 1,2 м. На рисунке 5.6 приведены основные размеры распылительной колонны, определенные в результате технологического расчета.



Рис. 5.6. Эскиз распылительной колонны: 1, 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.

5.2 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 0,009 кг/м³ (степень извлечения - 97 %).

Остальные исходные параметры будем считать такими же, как и при расчете распылительной колонны:

V_x = V_c = 0,001389 м³/с V_y = V_Д = 0,002778 м³/с

с_Х.Н. = 0,3 кг/м³ с_У.Н. = 0,1 кг/м³

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 1,5-2 раза меньше диаметра колонны, высота секции (расстояние между дисками) в
2-4 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 = 0,2 м/с.

Рис. 5.7 Схема расчета размеров роторно-дисковых экстракторов

Средний размер капель. Для определения размеров капель необходимо знать число секций (дисков). Зададимся числом секций
N = 20. Получим

.

Суммарная фиктивная скорость фаз при захлебывании. Рассчитав скорость свободного осаждения капель бензола размером 2,03 мм в воде, получим w₀ = 5,73 см/с. Определим характеристическую скорость капель:

Следовательно, = 0,485, 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

см/с; =0,177 см/с

Суммарная скорость фаз составит 69% от суммарной скорости фаз при захлебывании.

Основные размеры внутренних устройств экстрактора

,

,

.

Частота вращения

.

Удельная поверхность контакта фаз.

Решая это уравнение (см. пример расчета распылительной колонны), находим удерживающую способность Ф = 0,169. 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 Е_с и дисперсной Е_Д 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 кг/м³ может быть представлено в виде

Для рассматриваемого процесса .

Следовательно,

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

где

Значению м соответствует высота колонны

м.

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

м.

Проводя расчет и Н несколько раз, до тех пор, пока значения этих величин в двух последовательных итерациях не станут практически равными, получим: = 1,15 м; Н = 5,84 м. Так как расстояние между дисками принято равным 0,333 м, колонна такой высоты должна иметь 5,84/0,333 = 17,5 дисков. Принимая число дисков равным 18, получим для высоты рабочей зоны значение:

м.

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 = 2,08 мм, что на 2,5 % 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 2,6 и, следовательно, ВЭТС равняется 2,3 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 (Re_M > 10⁵) равен примерно K_N = 0,03 [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 0,2 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 1,2 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 0,2 м/с.

Рис. 5.8. Эскиз роторно-дискового экстрактора: 1 - вал; 2 - успокоительная втулка; 3 - обечайка; 4 - кольцо; 5 - диск; 6, 7 - вход и выход тяжелой фазы; 8, 9 - вход и выход легкой фазы

Глава 6 Экономическая часть

Основные показатели	Распылительная колонна	Роторно-дисковой экстрактор
Расход исходной смеси V0, м3/с	0,001389	0,001389
Начальная концентрация фенола в воде, кг/м3	0,3	0,3
Конечная концентрация фенола в воде , кг/м3	0,6	0,009
Начальная концентрация фенола в экстрагенте , кг/м3	0,01	0,1
Конечная концентрация фенола в бензоле , кг/м3	0,38	0,1555
Межфазное натяжение , H/м	0,0341	0,0341
Вязкость сплошной фазы , мПа · с;	0,894	0,894
Вязкость дисперсной фазы , мПа · с	0,6	0,6
Температура в экстракторе °С	25	25
Равновесие между фазами m,	2,22	2,22
Диаметр колонны D, м	0,5	0,75
Скорость осаждения капель wo, м/с	0,121	0,0573
Удерживающая способность Ф,	0,142	0,169
Скорости захлебывания в экстракционных колоннах (wD+wc)з	0,0328	0,756
Коэффициент массоотдачи ?y	2,07•10-4	0,0488•10-4
Размер капель d, мм	6,16	2,03
Удельная поверхность контакта фаз а, м2/м3	138	500
Размер отстойных зон Dоm, м	0,8	1,2
Коэффициент диффузии фенола в воде Dc, м2/с	1,05•10-9	1,05•10-9
Коэффициент диффузии в бензоле Dc, м2/с	2•10-9	2•10-9
Расход экстрагента Vy, м3/с	0,002778	0,002778
Высота рабочей зоны Н, м	8,5	6

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

1. 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.

2. 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;

3. Технологическое оборудование, в котором возможно образование взрывоопасных смесей, обеспечивается системами подачи флегматизатора (азота).

4. Экстракционное производство оснащается автоматическими средствами контроля параметров, значения которых определяют взрывоопасность процесса, с сигнализацией предельных значений и системами блокировок, препятствующими возникновению аварийных ситуаций.

5. 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.

6. 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

1. 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.

2. Для вновь строящихся предприятий экстракционный цех необходимо располагать в отдельно стоящем здании.

3. Экстрагируемый материал перед поступлением в экстрактор очищается от металлических примесей.

4. В целях недопущения распространения аварийной ситуации из тостера в экстрактор между ними устанавливается шлюзовый затвор или осуществляются другие технические решения.

5. Приводы экстракторов обеспечиваются системами защиты от превышения предельно допустимой нагрузки на валы, исключающими их поломку при запрессовках и заклинивании в случае попадания посторонних предметов.

6. 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 0,15 м с отводом разлитого растворителя (мисцеллы) в аварийную емкость.

7. При остановках экстракционной линии не допускается:

- выключать принудительную вентиляцию цеха;

- прекращать циркуляцию охлаждающей воды, рассола или абсорбента в технологических аппаратах.

ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ

Общие требования

1. Для технических устройств, применяемых в экстракционных производствах, устанавливается срок службы (ресурс) с учетом конкретных условий эксплуатации. Данные о сроке службы указываются в эксплуатационной документации.

2. На каждый вид производственного оборудования оформляется комплект эксплуатационных документов, номенклатура которых приведена в государственных стандартах.

3. 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.

4. 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

1. 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.

2. 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.

3. 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

1. 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.

2. 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

1. Электрообеспечение, устройство, монтаж, обслуживание электроустановок должны соответствовать требованиям нормативно-технических документов.

2. 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

1. Системы вентиляции и отопления должны выполняться в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.

2. Отопительно-вентиляционные системы должны обеспечивать в рабочей зоне производственных помещений метеорологические параметры и содержание вредных веществ в пределах норм, установленных государственными стандартами.

3. 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

1. Водоснабжение экстракционного производства должно соответствовать требованиям нормативно-технических документов.

2. Система оборотного водоснабжения экстракционного цеха предусматривается автономной.

ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ

1. Объемно-планировочные и конструктивные решения производственных помещений и зданий должны соответствовать требованиям строительных норм и правил.

2. 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.

3. 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.

Размещено на Allbest.ru