CC BY
31Гидродинамические исследования нерегулярной насадки
"ИНЖЕХИМ-2004"
Семёнов Д.Л. fcobald83@mail.ru), Фарахов М.И., Шигапов И.М., Маряхин Н.Н.
Казан. гос. технол. ун-т
Насадочные колонны находят широкое применение в промышленности при проведении процессов абсорбции, ректификации и жидкостной экстракции. К достоинствам насадочных колонн можно отнести высокую эффективность и широкий интервал устойчивой работы, сравнительно невысокую стоимость и простоту конструкции, небольшое гидравлическое сопротивление, что особенно важно для работы вакуумных колонн.
В качестве контактных устройств используются регулярные и нерегулярные насадки. Нерегулярные насадки, как правило, находят применение в колоннах небольшого диаметра и при переоборудовании тарельчатых колонн. Их преимущество заключается в том, что они менее чувствительны к начальному распределению орошения, обладают более низкой стоимостью и проще в обслуживании.
При создании новых насадок ставятся следующие цели: увеличение эффективности процесса массопередачи и расширение интервала устойчивой работы аппарата (как по газовой, так и по жидкой фазам). Для достижения указанных целей насадки должны удовлетворять определенным требованиям:
- высокая эффективность (т. е. по возможности более низкие ВЭТТ, более высокие коэффициенты массопередачи);
- низкое гидравлическое сопротивление;
- высокая пропускная способность;
- высокий диапазон нагрузки по жидкости и газу.
Кроме того, важнейшими требованиями являются простота технологии и доступность изготовления насадок, низкая материалоемкость, коррозионная стойкость. Насадка, обладающая достаточно хорошими технологическими характеристиками, может быть рекомендована для широкого использования, если разработана технология ее массового производства.
Специалистами ИВЦ "Инжехим" совместно с сотрудниками Казанского государственного технологического университета разработана конструкция нерегулярной насадки ''Инжехим-2004''.
Рис. 1 Насадка "Инжехим-2004".
Насадка образована четырьмя изогнутыми полосами, попарно через одну смещенными относительно друг друга. Особенностью данной насадки является то, что жидкость, омывающая элементы насадки, сходит преимущественно с них в виде пленки. Это происходит за счет того, что геометрия насадки имеет гладкий гидравлический профиль и не содержит ломанных поверхностей и торчащих деталей, которые могли бы быть центром образования отдельных капель и струй. Пленочный характер стока жидкости с элементов насадки обеспечивает высокие массообменные характеристики насадки при минимальном значении уноса и способствует снижению гидравлического сопротивления. Геометрия насадки такова, что контакт ее соседних элементов имеет почти точечный характер, что препятствует блокированию поверхности насадки и образованию застойных зон, которые могут возникать при контакте поверхностей с большим радиусом кривизны. Это особенно важно в случае присутствия в газовой и жидкой фазах примесей, склонных к полимеризации и образованию слоя твердых отложений на поверхности насадки. В этом случае уменьшаются свободное сечение колонны, свободный объем и удельная поверхность насадки, что приводит к ухудшению ее рабочих характеристик. Достаточно несложная конструкция насадки позволяет изготавливать ее методом листовой штамповки, что снижает себестоимость ее изготовления.
Для исследования характеристик насадочных контактных устройств в Казанском государственном технологическом университете создан экспериментальный гидродинамический стенд диметром 0.4 м, позволяющий исследовать основные гидродинамические и массообменные характеристики регулярных и нерегулярных насадок /1/.
Геометрические характеристики насадки ''Инжехим-2004'' представлены
ниже:
материал насадки размер элемента удельная поверхность, а удельный свободный объем е
3
количество элементов в 1 м N эквивалентный диаметр dэ фактор насадки
листовая сталь 0.5 мм
45 х 27 х 25 мм
149 м2/м3
0.96 м3/м3
61300 шт./м3
0.026 м
170.6
Исследовали слой новой насадки высотой 0.5 м. Опыты проводились на системе вода-воздух. Фиктивная скорость газа в колонне достигала 8 м/с, плотность орошения составляла 0, 1, 5, 10, 20, 25, 30 м /(м2^ч). На рис.2 приведены результаты проведенных испытаний.
Зависимость перепада давления от скорости газа
3000
■ Плотность орошения 1 м/ч
Плотность орошения 5 м/ч
Плотность орошения 10 м/ч
Плотность орошения 20 м/ч
Плотность орошения 25 м/ч
Плотность орошения 30 м/ч
Плотность орошения 0 м/ч
3 4 5 6
Скорость газа м/с
Рис. 2. Гидравлическое сопротивление слоя насадки в зависимости от фиктивной скорости
газа.
Также был проведен сравнительный анализ насадки ''Инжехим-2004'' с кольцами Рашига 50 и кольцами паля 37 при разных плотностях орошения, результаты приведены на рисунках 3-5.
Зависимость перепада давления от скорости пара
1600
0 -I--------
012345678
Скорость пара м/с
Рис. 3. Гидравлическое сопротивление слоя насадки в зависимости от фиктивной скорости
газа при плотности орошения 0 м/ч.
Зависимость перепада давления от скорости газа
3500
3000
2500
а
с
я
не 2000 л в а
д1500
д
а п е
а 1000 е
С
500
3 4 5 6
Скорость газа м/с
Насадка Инжехим Кольца рашига 50 Кольца паля 37
Рис. 4. Гидравлическое сопротивление слоя насадки в зависимости от фиктивной скорости
газа при плотности орошения 5 м/ч.
0
7
8
9
Зависимость перепада давления от скорости газа
4000 2 3500
"те с
_ 3000
ф 2500
вл а
д2000 д
а
1500
е р
е
С 1000
Насадка Инжехим Кольца рашига 50 Кольца паля 37
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Скорость газа м/с
Рис. 5. Гидравлическое сопротивление слоя насадки в зависимости от фиктивной скорости
газа при плотности орошения 30 м/ч.
Из графиков видно, что при малых скоростях воздуха (до 3 м/с) кольца Рашига и Паля имеют меньшее сопротивление, однако при увеличении нагрузки по газу, сопротивление колец Рашига и Паля резко возрастает, они переходят в режим подвисания, а насадка ''Инжехим-2004'' продолжает стабильно работать с относительно небольшим гидравлическим сопротивлением.
На основе результатов исследований установлено, что зависимость удельного сопротивления сухой насадки ''Инжехим-2004'' от фиктивной скорости газа описывается уравнением
АР
сух
н
159,23 -Жг
1,04
(1)
где АР - гидравлическое сопротивление, Па; Н - высота слоя насадки, м; -фиктивная скорость газа, м/с.
Потеря давления на 1 м высоты насадки наиболее часто описывается уравнением вида /2,3/
сух
(2)
Н 8е3 '
где - коэффициент сопротивления; рг - плотность газа, кг/м .
В работе /3/ обработано большое количество экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению различных насадок и на их основе получена зависимость
4500
500
= 9879,1 • К^ Г0'9734 , (3)
К 4^0 рГ
где —г =-; ЦГ - коэффициент динамической вязкости газа, Пах.
а^ г
Сопротивление орошаемых насадок а пленочном режиме работы рассчитывается по формуле (4)
АР (^ V Р V'5
^^ ор т 1 о (4)
АР,
ор
= exp
200
сух V 200 J\S SЖ J
Т?о _ U L PL тт 3 и 2 \
где Rel -; UL - плотность орошения м /(м •ч); pL - плотность орошения
ajL
жидкости, кг/м ; juL - коэффициент динамической вязкости жидкости, Пах; £Ж - количество удерживаемой жидкости.
Разработанная насадка может быть рекомендована для использования в массообменных аппаратах при проведении процессов разделения при высоких нагрузках по газовой фазе (фактор пара больше 2,5) и небольшой плотности орошения (меньше 45 м/ч).
Библиографический список
1. Экспериментальная установка для исследования новых контактных устройств. /Г.С. Дьяконов, М.И. Фарахов, М.Х Ясавеев, Н.Н. Маряхин, И.М. Шигапов Е.Б Ильяшенко. // Теплообменные процессы и аппараты хим. технологии.: Межвуз. сборник научных трудов.; КГТУ. Казань,2000. 239 с.
2. Р а м м В.М. Абсорбция газов. 2-е изд. М.: Химия, 1976. 656 с.
3. Billet R. Packed towers in processing and environmental technology. VCH. -New York, 1995.
