ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 5, с. 567-574
УДК 66.021.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В НАСАДОЧНЫХ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОННАХ
© 2009 г. Л. С. Гордеев, А. И. Козлов, М. Б. Глебов, Н. В. Хитров
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
glebov@muctr.ru Поступила в редакцию 20.01.2009 г.
Рассмотрение применение высокопористых ячеистых керамических материалов в насадочных ректификационных колоннах. Экспериментально оценены гидродинамические и массообменные характеристики насадки на их основе. На примере ректификационной очистки хлороформа от близкокипящих примесей проведено сравнение тарельчатых ректификационных колонн с ректификационными колоннами с предлагаемой насадкой.
ВВЕДЕНИЕ
Высокопористые ячеистые материалы представляют собой особый класс пористых материалов. Одним из существенных признаков, по которому высокопористые ячеистые материалы могут быть выделены в отдельный класс, является специфичная для них структура. В основе получения высокопористых ячеистых материалов лежит принцип нанесения слоя вещества (металлов, оксидов, карбидов и др.) на поверхность органической структурообразующей матрицы с последующим спеканием этого слоя и удалением матрицы путем термодеструкции [1].
Технологический процесс изготовления высокопористых ячеистых материалов (см. рис. 1) методом дублирования полимерной матрицы включает в себя несколько шагов. Во-первых, готовятся заголовки
будущего ячеистого мотериала (необходимого размера, с учетом усадки материала в процессе спекания) из пенополиуретана. Во-вторых, готовится шликер (суспензия, содержащая оксид алюминия, инертный наполнитель и раствор высокомолекулярного спирта для улучшения реологических свойств шликера). В-третьих, шликер равномерно наносится на полимерную заготовку и удаляется излишек суспензии. Далее пропитанные заготовки сушатся, а затем обжигаются для удаления органической основы и прокаливаются до 1430-1550°С для получения прочно связанного керамического изделия.
Получение полимерных заготовок включает выбор полимера с сетчато-ячеистым каркасом (обычно это пенополиуретан), операции по обеспечению его максимальной проницаемости за счет удаления
Приготовление суспензии (шликера)
Предварительная обработка заготовок
Рис. 1. Технологическая схема получения высокопористого ячеистого материала.
Рис. 2. Внешний вид (а) и структура (б) насадки на основе высокопористого ячеистого керамического материала.
перегородок между ячейками и нарезку пластин по размерам. После выщелачивания заготовки пенополиуретана использовали для образцов высокопористых материалов без предварительной обработки. Качество нанесения керамического порошка на поверхность пенополиуретана варьировали изменением концентрации клеящих реагентов в составе шликера. Пропитку осуществляли погружением в керамический шликер с применением вибрации или механического воздействия (циклы сжатия-растяжения). Наиболее сложной задачей является удаление избытка шликера при сохранении по возможности более однородного слоя керамического порошка на поверхности пенополиуретана (отжатие или прокатка через валки).
В интервале 330-420°С наблюдается быстрое разрушение полимерного каркаса. Выше 420°С происходит окисление высокоуглеродистого остат-
Таблица 1. Техническое характеристики высокопористого ячеистого керамического материала
Характеристики
Значение
минимальное
е, % 85 92
й, мм 0.5 3.0
ец, % 15 25
р, г/см3 0.32 0.45
о, МПа 0.3 1.0
А, м2/г 150 200
максимальное
ка, и к 660°С разрушение полимера прекращается практически полностью.
При более высоких температурах и вплоть до спекания форма сетчато-ячеистого каркаса сохраняется только за счет адгезии керамических частиц.
Высокопористый материал с сетчато-ячеистым каркасом отличается высокой проницаемостью для жидкостей и газов по всем направлениям.
В РХТУ им. Д.И. Менделеева разработан блочный высокопористый кислотостойкий ячеистый носитель, получаемый методом нанесения слоя оксида алюминия на структурообразующую матрицу из ретикулированного пенополиуретана [2, 3]. Отличительные особенности этого материала - открытая пористая структура с небольшой разницей в размерах пор и доступной технологией регенерации. На рис. 2 показана структура материала, а в табл. 1 даны его технические характеристики.
Блочные ячеистые материалы, используемые в качестве насадки благодаря арочно-лабиринтной структуре обладают более высоким коэффициентом внешнего массообмена, по сравнению с сотовыми материалами, имеющими канально-прямоточную структуру. Увеличение коэффициента внешнего массообмена позволяет без снижения эффективности насадки уменьшить объем, а, значит, и стоимость.
Использование блочной высокопористой ячеистой насадки позволяет проводить процесс с достаточно высокими скоростями благодаря низкому гидравлическому сопротивлению, высокой степени перемешивания и диспергирования.
Высокопористый керамический ячеистый материал может использоваться как эффективная насадка во многих массообменных процессах: абсорбции, экстракции, ректификации и др.
Рис. 3. Внешний вид лабораторной установки для исследования гидродинамических характеристик высокопористой ячеистой керамической насадки: 1 - колонна с насадкой; 2 - расходомер водуха; 3 - образцовый манометр; 4 - расходомер воды.
Целью настояцей работы являлось исследование применения насадки на основе высокопористых ячеистых материалов для проведения массообменных процессов.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСАДКИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОПОРИСТОГО ЯЧЕИСТОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Исследование гидродинамической характеристики насадки на основе высокопористого ячеистого керамического материала проводилось на лабораторной установке диаметром 50 мм и высотой 0.85 м, представленной на рис. 3.
При проведении исследований определяли гидродинамическое сопротивление сухой и орошаемой насадок, удерживающих способности насадки в за-
висимости от расхода газа (фактора скорости) при различных нагрузках по жидкости (воды).
Расход подаваемого газового потока (воздуха) контролировали с помощью ротаметра типа РМ-0.25 ГУЗ и РМ-10 ГУЗ, а расход жидкости (воды) с помощью ротаметра типа РМ-0,016 ЖУЗ и РМ-0.16 ЖУЗ. Гидродинамическое сопротивление насадки измеряли с помощью образцового манометра классом точности 0.15 с максимальной шкалой 5000 мм водн. ст. Объем воды, удерживаемой на насадке, измеряли с помощью мензурки различной вместимостью.
На рис. 4 представлены графики зависимости удельного сопротивления насадки на основе высокопористого ячеистого материала при различных нагрузках.
Как видно из полученных результатов, при малых плотностях орошения и небольших скоростях газа возникает пленочный режим, при котором жидкость движется от элемента к элементу насадки
Р, мбар/м
350 -
300 -
250 -
200 -
150 -
100 -
50
0 0.20
и, м/с
Рис. 4. Зависимость удельного сопротивленя Р высокопористой ячеистой керамической насадки от скорости потока газа и при различных рагрузках по жидкости: 1 - Ь = 0; 2 - 1.8; 3 - 6.4; 4 - 25.5; 5 - Ь = 41 м3/(м2ч).
в виде капель и пленок. Взаимодействие между фазами осуществляется на поверхности смоченных элементов насадки.
При промежуточном режиме жидкость покрывает насадку в виде стекающей тонкой пленки и отдельных струй. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности пленки и струй жидкости в точках контакта жидкости с отдельными элементами насадки. Пленка и струи жидкости подтормаживают поток с образованием отдельных вихрей.
Дальнейшее повышение скорости газа вызывает начало подвисания жидкости в насадке, когда жидкость все в большем количестве удерживается противоточно движущимся газом. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности турбули-зованной пленки жидкости.
Q, м3/м3 0.60
0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
1.20 1.40 и, м/с
Рис. 5. Зависимость удерживающей способности Q высокопористой ячеистой насадки от скорости потока газа и при различных нагрузках на жидкость: 1 -Ь = 1.8 м3/(м2/ч); 2 - 6.4; 3 - Ь = 25.5 м3/(м2/ч).
Дальнейшее накопление жидкости в насадке приводит к тому, что взаимодействие между потоками и смоченной поверхностью насадки переносится в его объем (область свободно развитой турбулентности).
При дальнейшем увеличении скорости газа высота слоя газо-жидкостной эмульсии становится больше высоты слоя насадки, и над насадкой будет накапливаться слой жидкости, представляющий собой барботажный слой с интенсивным перемешиванием.
На рис. 5 представлены зависимости удерживающей способности насадки на основе высокопористого ячеистого материала от скорости газового потока при различных нагрузках на жидкость.
Как видно из полученных результатов, при малых плотностях орошения и небольших скоростях газа возникает пленочный режим, при котором жидкость движется от элемента к элементу насадки в виде капель и пленок, не удерживаясь на насадке. В режимах, близких к захлебыванию колонны, сопротивление сильно возрастает за счет быстрого накопления орошающей жидкости в насадке.
С количеством жидкости, удерживаемой в насадке, тесно связана эффективность работы насадоч-ных колонн.
До точки инверсии фаз скорость газа не оказывает существенного влияния на удерживающую способность насадки. Выше точки инверсии удерживающая способность резко возрастает, что отвечает крутому ходу зависимостей, соответствующих режиму эмульгирования.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАСАДКИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОПОРИСТОГО ЯЧЕИСТОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Исследование эффективности насадки на основе высокопористого ячеистого материала проводилось на лабораторной установке ректификации диаметром 50 мм и высотой 0.85 м. В куб колонны заливали 500 мл смеси, содержащей бензол и толуол. Обогрев куба производился с помощью электрической спирали, намотанной на куб колонны.
Вывод колонны на режим проводили при полном возврате флегмы на орошение колонны. При достижении установившегося состояния в колонне, что определялось постоянством температуры в четырех точках контроля температуры, производили отбор жидкости при числе флегмы 20 в течение 10 мину
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.