Исследование процесса разделения смеси фреонов

Внедрение: 2020 г.

Целью данной работы [1] является получение экспериментальных данных об эффективности разделения в крупномасштабных ректификационных колоннах и динамике формирования неравномерностей распределения локальных параметров пара и жидкости в противонаправленном потоке над структурированной насадкой при разделении смеси. Разделение смеси фреонов R114/R21 проводили на структурированной насадке Mellapack 350.Y диаметром 0,9 м и высотой 2100 мм. Эксперименты проводились в условиях полного орошения в диапазоне приведенной скорости пара 0,017 < K_v < 0,035 м/с.

Эксперименты проводились на модельной разделительной колонне, предназначенной для исследования интегральных и локальных характеристик разделения смеси дистилляцией на структурированной насадке. Для моделирования процесса разделения сжиженного воздуха при температуре окружающей среды была выбрана смесь фреонов R114/R21. Исследования проводились с использованием этой смеси. Основные элементы установки схематично представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – упаковка; 2 – испаритель; 3 – перфорированный лист; 4 – конденсатор; 5 – распределитель жидкости.

Эффективность разделения смеси определялась путем измерения концентрации паровой и жидкой фаз на входе и выходе ректификационной колонны. Концентрация определялась газовой хроматографией. 

Для исследования динамики формирования крупномасштабной неравномерности распределения температурного поля при разделении смеси миниатюрные датчики температуры были установлены на трех уровнях поперечного сечения насадки. В каждом слое равномерно было распределено по 16 датчиков. В качестве сенсоров использовались кремниевые диоды, температурная чувствительность которых выше, чем у платиновых и медных термометров и термопар. Каждый термометр питался от индивидуального прецизионного генератора REF200 с током 100 мкА. В условиях газовой среды нагрев самого термометра составлял около 0,06 К. При этом собственное тепловыделение составляло 6•10^-5 Вт. Падение напряжения на термометре измерялось 24‑битным АЦП LTR114. Время опроса всех 48 термометров составляло 5 с. Данные передавались на ПК и отображались в реальном времени в виде температурных полей для трех сечений упаковки. Для калибровки термометров использовался термостат ThermoHaake DC30 со стабильностью поддержания температуры 0,02 °C и точностью измерения температуры 0,1 °C.

Схема изменения локальных температур в среднем сечении насадки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема изменения локальных температур в среднем (h = 1,05 м) сечении насадки при стабилизации работы колонны. K_v = 0,03 м/с. Показания термометров: 1 – s14.

Данные по эффективности разделения смеси и падению давления на структурированной насадке Mellapack 350.Y показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Эффективность разделения смеси и падение давления на структурированной насадке Mellapak 350Y. Высота упаковки 2,1 м. 1 – эффективность разделения, HTU; 2 – перепад давления на набивке.

Повышение эффективности разделения смеси с увеличением скорости пара через колонну обусловлено факторами увеличения доли смоченной поверхности насадки и полным преобладанием противонаправленного потока пара через насадку над конвективными потоками. Полученные экспериментальные данные будут использованы для проверки модели массопереноса в крупномасштабных ректификационных насадочных колоннах, разработанной в рамках проекта РФФИ 19‑58‑18004.

Источник:
A N Pavlenko et al 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1614 012067

Разработчик: Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск; Институт химической инженерии Болгарской академии наук, София