Процессы переноса массы и тепла системы “жидкость-жидкость”  в аппаратах с объемом, структурированном мембранными перегородками (12.07.2010)

Автор: Схаляхов Анзаур Адамович

от температуры, которая определяется как сумма опорной температуры (0 и разности между расчетной температурой t и температурой известной вязкости tн определяется по уравнению:

Для проверки метода получения температурных зависимостей вязкости сравнили известные значения вязкости при различных температурах c расчетными значениями, что представлено на рисунке 28.

Рисунок 28- Зависимости экспериментальных и расчетных данных вязкости от температуры для триацилглицеринов (ТАГ), глицерина (Г) и метанола (М):

1 – глицерин (? опыт; ? расчет); 2 - триацилглицерины (? опыт; ? расчет);

3 – метанол (? опыт; ? расчет)

Модель кинетики реакции переэтерификации можно связать с моделью вязкости системы, предполагая зависимость между вязкостью чистых компонентов (i и мольным составом реакционной смеси Мi, в виде следующей зависимости:

Полученные зависимости вязкости от состава смеси позволяют определить долю фильтрационной составляющей по длине мембранного реактора и получить математическую модель процесса многостадийной химической реакции с фильтрацией продуктов через стенку мембранного реактора.

Проведено математическое моделирование мембранного реактора для производства биодизельного топлива из растительных масел.

Учитывая, что состав смеси, а, следовательно, и вязкость зависит от времени пребывания смеси в канале фильтрующего элемента, параметр вязкости смеси на выходе из аппарата определяется с учетом полученного состава реакционной смеси.

В этом случае расходы смеси на входе и выходе из фильтрационного канала определяют время ее пребывания в аппарате.

Итерационным пересчетом добивались совпадения прогнозируемой вязкости смеси и вязкости по данным состава на основе кинетики реакции. Для дополнительного контроля за сходимостью итераций контролировали расчетное значение времени контакта фаз.

При совпадении значения вязкости и времени с точностью до 0,1% итерации прекращались, и результат численного моделирования считался окончательным.

Используя полученную модель, определяли влияние конструктивных параметров мембран, а также установили влияние начального давления и перепада давлений на концах мембран на выходе целевого продукта.

На рисунке 29 приведены данные, характеризующие зависимость выхода целевого продукта от числа фильтрующих элементов.

Проведенные расчеты позволили создать многопараметрическую модель мембранного модуля для производства биотоплива.

Рисунок 29 - Выход целевого продукта в зависимости от числа фильтрующих

элементов: 1 - nM=4; 2 - nM=5; 3 - nM=6; 4 - nM=7

Относительный выход биотоплива, т.е. отношение выхода на моделируемом модуле к выходу на модуле такой же конфигурации, но при увеличении времени контакта фаз до бесконечности в зависимости от набора критериев, равен:

где безразмерные критерии:

- степень заполнения поперечного сечения мембранами;

- относительный перепад давления поперек мембраны.

На основе математического моделирования и экспериментальных данных разработан узел получения биотоплива с использованием мембранного реактора, который является одним из основных узлов комплексной линии переработки растительных масел.

В восьмой главе рассмотрен теплообмен при конденсации парогазовых смесей и обоснована схема конденсатора с полимерными половолоконными мембранами в линии комплексной переработки растительных масел [11, 12, 14, 32, 36, 38, 42].

На рисунке 30 представлен принцип конденсации парогазовых смесей с полимерными половолоконными мембранами с внутренним источником тепла.

Рисунок 30 - Принцип конденсации парогазовых смесей:

а) принципиальная схема;

б) температурные профили потоков

Парогазовая смесь, поступив в трубу, охлаждаемую от размещенной на ее поверхности спиральной навивки из мембран, внутри которых проходит хладагент, уменьшает свою температуру и достигает состояния насыщения. Конденсация происходит во внешнем межтрубном пространстве. При этом тепло от поступающей в трубу парогазовой смеси передается к конденсируемой смеси в межтрубном пространстве, предохраняя от образования тумана, что возможно при наличии в смеси неконденсирующихся газов.

Половолоконные мембраны в качестве теплообменных элементов развивают поверхность для конденсации парогазового потока и позволяют осуществлять подачу хладагента во внутреннее пространство мембран, а формирование их в виде пучка способствует коалесценции капель жидкой фазы конденсирующегося пара, при этом на поверхности труб образуются пленки конденсата, которые увеличивают коэффициент теплопередачи.

Математическая модель процесса конденсации включает массовые и энергетические потоки в дифференциальном объеме мембранного конденсатора, представленные на рисунке 31 и поперечные профили температуры от смеси «газ-пар», представленные на рисунке 32.

Рисунок 31 - Массовые и энергетические потоки в дифференциальном объеме мембранного конденсатора Рисунок 32 - Поперечные профили температуры от смеси «газ-пар»

На основе полученной математической модели разработана конструкция парогазового мембранного конденсатора, позволяющая реализовать процесс конденсации парогазовой смеси, используя половолоконные мембраны.

На рисунке 33 приведена конструкция мембранного конденсатора.

Разработанный мембранный конденсатор включен в узел получения обезжиренных фосфолипидов в комплексной линии переработки растительных масел.

Рисунок 33 - Мембранный конденсатор: 1 - цилиндрический корпус; 2 - фланец для подвода исходной смеси; 3 – фланец для отвода газовой фазы; 4 - фланец для отвода конденсата паровой фазы; 5,6 – крышка; 7,8 - фланец для подвода исходной смеси; 9 – стержень; 10, 11 - гайка; 12 - трубный пучок; 13, 14 - распределительные камеры; 15 - фланец для подвода хладагента; 16 - фланец для отвода хладагента; 17 - полипропиленовый непористый половолоконный мембранный пучок; 18, 19, 20 - поперечные перегородки; 21, 22, 23, 24 - фиксаторы

В девятой главе обоснована технологическая схема и линия комплексной переработки растительных масел с применением мембранных аппаратов[43, 44].

На рисунке 34 приведена разработанная технологическая схема комплексной переработки растительных масел. Применение мембранных технологий позволяет получать высококачественные продукты переработки: жирные кислоты, являющиеся сырьем для мыловарения и этерификации, обезжиренные фосфолипиды, являющиеся физиологически ценными биологически активными добавками, рафинированное масло и биотопливо.

Рисунок 34 - Технологическая схема комплексной переработки растительных масел: 1- резервуар для нерафинированного масла; 2, 5, 8, 10, 16, 18, 24, 25, 27,30, 33, 36, 39, 40, 42 – насосы; 3 – мембранный экстрактор; 4 - резервуар для двуокиси углерода; 6, 9, 26, 37, 41 – выпарные аппараты; 7, 38 – конденсаторы; 11 – теплообменник; 12 – инжектор; 13 – экспозитор; 14– отстойник для фосфолипидной эмульсии; 15 – вакуум – сушильный аппарат; 17 – резервуар для фосфолипидной эмульсии; 19 – ротационно – пленочный сушильный аппарат; 20 – экстрактор; 21 – резервуар для ацетона; 22 – чанный испаритель; 23 – мембранный парогазовый конденсатор; 28 – сборник смеси; 29 – резервуар для метанола; 31 – мембранный реактор; 32 –датчик уровня;

34 – теплообменник; 35 – отстойник

Показатели качества рафинированного масла, обезжиренных фосфолипидов, жирных кислот и биотоплива, полученных при проведении процессов на представленной линии, приведены в таблице 6.


загрузка...