Внедрение: 2016 г.

В статьях [1], [2] ученых из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН описана автоматизированная система крупномасштабного стенда "Большая фреоновая колонна" по разработке и проверке принципиально нового метода повышения эффективности разделения смеси в дистилляционных установках со структурированными насадками с использованием динамически управляемого распределителя жидкости. Предложенный подход заключается в разрушении устойчивых структур неравномерностей распределения жидкости и пара путем динамического орошения структурированной насадки (по поперечному сечению колонны). Проведенные испытания показали возможность повышения эффективности разделения смесей на структурированных насадках с использованием данного метода.

Для разрушения крупномасштабных неравномерностей распределения параметров потока в насадке дистилляционной колонны авторами предлагается новый подход, заключающийся в динамическом изменении структуры точек орошения в распределителе жидкости. Эффективность воздействия на крупномасштабные структуры потока смеси внутри насадки контролируется в реальном времени измерениями распределения температур в различных по высоте колонны сечениях насадки. Автоматизированный комплекс динамического управления орошением насадки дистилляционной колонны диаметром 0,9 м создан на базе экспериментального стенда "Большая фреоновая колонна".

Комплекс состоит из следующих основных блоков, схематично показанных на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема автоматизированного комплекса динамического управления орошением насадки дистилляционной колонны: 1 – дистилляционная колонна; 2 – управляемый распределитель жидкости с 128-ю независимо управляемыми электромагнитными клапанами; 3 – структурированная насадка; 4 – датчики температуры (3 уровня по 16 датчиков); 5 – электронный блок управления клапанами распределителя жидкости; 6 – коммутирующий модуль на 48 датчиков температуры; 7 – компьютер с ПО управления распределителем жидкости и ПО измерения и отображения распределения температуры в 3‑х сечениях насадки; 8 – усилитель-формирователь; 9 – крейт LTR с модулем LTR42 дискретного управления опторелейными выходами; 10 – блок питания клапанов.

Основные элементы экспериментальной установки "Большая фреоновая колонна" показаны на рисунке 2. 

Рисунок 2. Схема автоматизированной системы динамического управления орошением насадки.   Управляемый распределитель жидкости представляет собой цилиндрический сосуд с плоским днищем, в котором равномерно установлены 128 съемных сопел. Расход жидкости через все сопла одинаков и определяется уровнем жидкости в распределителе. В разработанной конструкции над каждым соплом установлен электромагнит, шарообразный конец якоря которого является запорным клапаном для сопла. Управление электромагнитными клапанами осуществляется через программируемый 16-канальный модуль вывода дискретных сигналов LTR42 с поканальной гальванической развязкой и силовой коммутатор.

На рисунке 3 представлены структуры точек орошения и фотографии орошающего потока верхнего сечения насадки при периодическом переключении клапанов в управляемом распределителе жидкости. 

Рисунок 3. Структура точек орошения при периодическом переключении клапанов в управляемом распределителе жидкости: а – полупериод t₁; б – фотография потока орошения для структуры 1; в – полупериод t₂; г – фотография для потока структуры 2.

На рисунке 4 представлено распределение температуры по сечению структурированной насадки в верхней (рисунок 3а) и нижней (рисунок 3б) частях колонны при периодическом орошении управляемым распределителем жидкости.

Рисунок 4. Распределение температуры по сечению структурированной насадки в нижней (а) и верхней (б) частях колонны при периодическом орошении управляемым распределителем жидкости.

Рисунок 5. Павленко А.Н. с коллегами модернизируют большую фреоновую колонну (фото с сайта http://www.sbras.ru/).

Выполненные исследования на экспериментальной установке "Большая фреоновая колонна" Института теплофизики СО РАН с применением специально разработанных автоматизированного оборудования и программ позволили обосновать эффективность нового метода динамического орошения жидкостью верхней части структурированной насадки для промышленных дистилляционных колонн. В серии экспериментов выявлено повышение эффективности дистилляционных колонн до ~30 % за счёт заданного управления подачей жидкой фазы в структурированную насадку колонны. Применение автоматизированного динамического распределителя в производстве дистиллята значительно снижает энергозатраты и улучшает качество продукта дистилляции. Последующая эксплуатация автоматизированной системы экспериментальной установки "Большая фреоновая колонна" позволит выполнить поиск оптимальных режимов орошения для различных конструкций структурированных насадок.

Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14‑49‑00010).

Источники:

1. Павленко А.Н., Жуков В.Е., Печеркин Н.И., Назаров А.Д., Серов А.Ф., Миськив Н.Б., Ксинганг Ли, Бен Цзян, Хонг Суй, Хонг Ли, Гао Синь. Новый метод повышения эффективности разделения смеси в дистилляционных установках со структурированными насадками с использованием динамически управляемого распределителя жидкости // Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2016. – Т. 5, № 1. – С. 3‑8.
2. Павленко А.Н., Жуков В.Е., Печеркин Н.И., Назаров А.Д., Серов А.Ф., Миськив Н.Б., Li X., Jiang B., Sui H., Li H., Gao X. Автоматизированная система управления распределителем жидкости дистилляционного исследовательского стенда со структурированной насадкой // Автометрия. – 2017. – Т. 53, № 1. – С. 19‑25.

Разработчик: Павленко А.Н., Жуков В.Е., Печеркин Н.И., Назаров А.Д., Серов А.Ф., Миськив Н.Б., Li X., Jiang B., Sui H., Li H., Gao X.