УДК 66.063.2

Оптимальное проектирование промышленной экстракционной колонны на примере процесса селективной очистки масел

Алиев Солтан Аскерали оглы – кандидат химических наук, доцент кафедры Нефтепереработки и промышленной экологии Азербайджанского государственного университета нефти и промышленности.

Бабаев Рауф Камиль оглы – кандидат химических наук, доцент кафедры Нефтепереработки и промышленной экологии Азербайджанского государственного университета нефти и промышленности.

Аннотация: В ходе эксплуатации промышленных экстракционных колонн промышленных установках, можно подобрать эффективный режим работы аппарата. Исходя из этого, целью явился подбор конструктивных параметров проектируемой экстракционной колонны заданной производительностью по параметрам колонны меньшей производительности, работающей в квазиоптимальном режиме так, чтобы режим работы новой колонны был также квазиоптимальным.

Ключевые слова: Оптимизация, конструктивные параметры, экстракция колонна, время контакта.

Как известно, аналитическое соотношения, применяемых при конструировании промышленных экстракционных колонн, выведены при определенных положениях и не могут учесть все действующие на процесс факторы в их сложном взаимодействии [1]. Вместе с тем в ходе эксплуатации промышленных экстракционных колонн промышленных установках, можно подобрать эффективный режим работы аппарата. Очевидно, что этот режим есть некоторый практический оптимум совокупности взаимосвязанных параметров. влияющих на процесс, полученный эмпирически. Назовем такой режим работы аппарата оптимальным или же квазиоптимальным.

Использование найденных таким образом оптимальных условий при расчете и оптимальном проектировании новых экстракционных колонн наибольшой единичной мощности представляет большой практический интерес.

Возможна следующая постановка задачи: подобрать конструктивные параметры проектируемой экстракционной колонны заданной производительности по параметрам колонны меньшей производительности, работающей в квазиоптимальном режиме так, чтобы режим работы новой колонны был также квазиоптимальным..

Примем, что функционирование аппарата заданной производительности будет проходить в квазиоптимальном режиме, если параметры аппарата таковы. что выдерживается соответствующее значение коэффициента массообмена K_у, имеющее, место в реально функционирующем аппарате. За основной конструкционный параметр, связанный с K_у, примем технологическую высоту колонны H_T при заданном значении ее диаметра, определяемом исходя из гидродинамических условий процесса.

Пусть имеется некоторая экстракционная колонна, функционирующая в квазиоптимальном режиме. Известны следующие конструкционные и технологические параметры модельной колонны: H_Т — технологическая высота колонны, м; S_T—площадь одной тарелки, м²; D— диаметр колонны, м: d — диаметр отверстий в тарелке, м²; G₁, G₂ —расход сырья и растворителя. м³/ч; h_T — расстояние между тарелками, м; y_к — конечная концентрация в экстракте; y_н — начальная концентрация распределяемого компонента.

Для определения времени контакта каждой из фаз при установившемся режиме работы можно воспользоваться следующей системой уравнений:

где τ₁— время межфазного контакта сырья с растворителем; τ₂ — время заполнения аппарата растворителем; V_p — рабочий объем аппарата.

Из решения этой системы получим:

Тогда, очевидно, суммарная капельная поверхность сырья, прошедшего через колонну ситчатого типа, равна ,

где S_кап, V_кап – соответственно площадь поверхности и объем капли дисперсной фазы.

Диаметр капли принимаем согласно работе равным диаметру отверстия в ситчатой тарелке. Следовательно, общая поверхность контакта за счет капель и поверхности тарелок равна;

Тогда удельная контактная поверхность f* в колонне будет соответственно равна:

где S_пп– площадь поперечного сечения колонны; k-коэффициент полезного действия ситчатых тарелок.

Зная f* и высоту H_τ конкретной действующей экстракционной колонны ситчатого типа, определим для нее величину обобщенного коэффициента массообмена, соответствующего оптимальному режиму, из соотношения;

- постоянная, определяемая параметрами рабочей линии

х =Ay+B и линией равновесия, которая в пределах [y_н;y_k] аппроксимируется прямой линией x_p=A_Py+ B_P.

Теперь, опираясь на соотношения (3), (4), перейдем к расчету конструкционных параметров новой колонны заданной производительности по оптимальному значению коэффициента массообмена модельной колонны. Пусть заданы производительность новой колонны по сырью G_1н концентрации y_н, y_к, y_p.

Проведя эксперименты с заданными видами сырья и растворителя на экспериментальной колонне, определим оптимальный температурный режим экстракционной очистки, соотношения масс сырья и растворителя R.

Тогда .

Рассчитав диаметр новой колонны и диаметр ее тарелок по формулам, приведенным в работе [3], определяем величину удельной контактной поверхности для новой колонны f_н* согласно вышеприведенной зависимости (3).

Используя соотношение (4) и выбирая для проектируемой колонны в качестве оптимального значение K_у, найденное для модельного аппарата, находим технологическую высоту проектируемой колонны.

Таким образом, получим возможность определить общую технологическую высоту экстракционной колонны, при которой аппарат будет работать с квазиоптимальным значением коэффициента массообмена K_у и величиной удельной контактной поверхности f_н*. Зная величину H_τ и принимая расстояние между тарелками h_τ равным этой величине в модельной колонне.

По предложенной методике нами был выполнен расчет оптимальных конструктивных параметров для экстракционной колонны ситчатого типа с производительностью по сырью 80м³/ч для процесса селективной очистки масла фенолом. При этом в качестве модельной была принята экстракционная колонна Волгоградского НПЗ, значения заданных и рассчитанных параметров которой: G₁ = 50 и G₂ = 100 м³/ч; D = 3,4, H_τ = 20, n_τ=15 и d = 0,008 м; S_τ*= 6,76 м²; n_τ = 13 (число тарелок); N = 2292 (количество отверстий в тарелке); y_к = 0,402*10^-2; y_p = 0,22x10^-2.

Для проектируемой колонны с найденными квазиоптимальными значениями коэффициента массоотдачи Ky, удельной контактной поверхности f* при заданных значениях G_1н= 80 и G_2н= 160м³/ч; k = 0,25; y_к = 0,402x10^-2; y_н = 0,02x10^-2; y_p = 0,22x10^-2 были определены следующие значения конструкционных параметров:

D = 4, d = 0,008, H_τ = 21 и h = 1,5 м; S_τ*= 10,06м²; n_τ = 13.

Из приведенного алгоритма легко убедиться, что при расчете по предложенной методике сохраняются основные принципы физического моделирования экстракционных колонн рассматриваемого типа, так как f*мод = f*проект; K_{у мод} = K_{у проект}.

Кроме того, благодаря подбору живого сечения колонны как из условия равенства линейных скоростей дисперсной фазы, так и равенства диаметров отверстий в ситчатых тарелках обеих колонн [3] очевидно, что выполняется и условие равенства основного гидравлического критерия—числа Рейнольдса в модельной и проектируемой колоннах.

На наш взгляд, предложенный метод позволит решить также ряд задач масштабирования технологических аппаратов, в которых физические процессы массообмена не осложнены химической кинетикой, и может быть успешно использован при их расчете и проектировании.

Список литературы

Разработка математической модели процесса экстракции в колонном экстракторе // «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В. И. Вернадского» : сб. материалов 4-й Межд. науч.-практ. конф. — Тамбов : ТАМБОВПРИНТ,2009,380с.
Кривопустов С. И., Пищулин В. П. Анализ работоспособности экстракционной колонны // Известия Томского политехнического университета. 2009.Т.315,№3.С.39–44.
Кузнецов А.А., Кагерманов С.М. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности.-М.:Химия, 1974.-341с.