CC BY
32
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 66.096 Скачков Илья Владимирович,
аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: [email protected]
Бальчугов Алексей Валерьевич, д. т. н., доцент, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: [email protected]
Рыжов Станислав Олегович, аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: [email protected]
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА НОВОЙ РЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКЕ
I. V. Skachkov, A. V. Balchugov, S.O. Rizshov
HYDRODYNAMIC RESEARCH OF GAS-LIQUID PROCESS TECHNOLOGY FOR A NEW REGULAR PACKING
Аннотация. Выполнены гидродинамические исследования сухой и орошаемой ленточной насадки, а также колец Рашига. Определено гидравлическое сопротивление насадок и их коэффициент сопротивления. Результаты исследований показали, что гидравлическое сопротивление новой регулярной ленточной насадки ниже сопротивления колец Рашига, что позволяет рекомендовать ее внедрение в производство.
Ключевые слова: технология, регулярная насадка, гидродинамика, газ, жидкость.
Abstract. Hydrodynamic studies of dry and irrigated belt packing, as well as Raschig rings, are performed. The hydraulic resistance of the packing and the drag coefficient are defined. The results of the research have shown that the hydraulic resistance of a new regular packing is lower than the Raschig rings resistance, which allows us to recommend its introduction into production.
Keywords: technology, regular packing, hydrodynamics, gas, liquid.
Предложена новая высокоэффективная технология проведения газожидкостных массообмен-ных процессов (абсорбции, десорбции, ректификации и др.) на ленточной насадке, конструкция которой подробно описана в работах [1-3]. Данная насадка позволяет обеспечить высокоразвитую поверхность контакта фаз в газожидкостных системах. Достоинством предложенной насадки является также низкая материалоемкость и высокий свободный объем.
Ленточная насадка состоит из каркаса и лент (рис. 1). Элементы каркаса могут быть выполнены как из металлических стержней, уголков полых трубок или проволоки, так и из плетеных канатов или других неметаллических материалов, устойчивых к среде, в которой будет применена предлагаемая насадка. На каркасе закрепляются элементы насадки в виде лент.
Рис. 1. Ленточная насадка: 1 - прутья каркаса, 2 - ленты, 3 - жидкая фаза, 4 - газовая фаза
При реализации данного способа изготовления регулярной насадки несущая способность переносится с элементов насадки, непосредственно участвующих в процессе массообмена и создающих удельную площадь насадки, на каркас, что позволяет делать эти элементы из тонких метал-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
лических лент или пластика, или химически и механически стойкой ткани.
Важной характеристикой любой насадки является ее гидравлическое сопротивление, которое определяет эксплуатационные затраты на компри-мирование газа, подаваемого в колонну. В настоящей работе поставлена задача исследования гидравлического сопротивления сухой и орошаемой ленточной насадки при различных нагрузках по газу и жидкости (в проведенных экспериментах были использованы воздух и вода).
Эксперименты проводились на лабораторной установке, изображенной на рис. 2. Установка состояла из колонны квадратного сечения (0,255x0,255 м) высотой 1,32 м (7), распределителя жидкости (5), воздуходувки (4), трубки Пито для измерения расхода газа (3), микроманометров (2), ротаметра (1) и ленточной насадки (6). Две противоположные стенки колонны выполнены из оргстекла с целью наблюдения за процессом в колонне, две оставшиеся стенки - из панелей ПВХ. Высота слоя ленточной насадки в колонне составляла 0,79 м. Характеристики насадки: высота волны ленты 0,01 м, шаг волны ленты 0,01 м, ширина ленты 0,02 м, свободный объем насадки 0,93 м /м , удельная поверхность насадки 447,2 м2/м3, эквивалентный диаметр насадки 0,0083 м. Материал лент - армированная полиэтиленовая пленка. Каркас насадки, на котором крепились ленты, выполнен из горизонтально установленных в шахматном порядке металлических стержнях диаметром 0,001 м.
Рис. 2. Лабораторная установка: 1 - ротаметр, 2 - дифманометры, 3 - трубка Пито; 4 - воздуходувка, 5 - распределитель жидкости; 6 - пакет насадки, 7 - колонна
На этой же установке (рис. 2) для сравнения проводились исследования гидродинамики в си-
стеме вода - воздух на широко известной в настоящее время насадке - керамических кольцах Ра-шига размером 15x15x2. Эквивалентный диаметр колец Рашига - 0,0085 м. Высота слоя колец Ра-шига составляла 0,475 м, диаметр цилиндрической колонны 0,15 м, колонна выполнена из оргстекла.
В первую очередь экспериментально определен коэффициент гидравлического сопротивления сухих насадок. В ходе экспериментов расход воздуха изменяли от 46,5 до 208 м3/ч.
Критерий Рейнольдса газа в слое насадки рассчитывали по уравнению:
4 Жр
Яег =
а/и
(1)
где р - плотность газа, кг/м1: Ж - приведенная скорость газа в колонне, м/с; р - вязкость газа, Пас; а - удельная поверхность насадки. м2/м\
Коэффициент сопротивления сухой насадки определяли по уравнению:
2АРс1£2
(2)
ИрЖ2 '
где АР - перепад давления на насадке, Па; к -высота слоя насадки, м; б/ - эквивалентный диаметр насадки, м; £ - свободный объем насадки.
Коэффициент сопротивления является
эффективным коэффициентом, который учитывает потерю давления как от трения газа о поверхность насадки, так и за счет изменения направления потока газа в каналах, образованных элементами насадки [4].
Эквивалентный диаметр насадки определяли по уравнению из работы [4]:
а
(3)
Результаты экспериментов по определению коэффициента сопротивления сухой ленточной насадки и колец Рашига представлены на рис. 3, на котором линия 1 соответствует ленточной насадке, линия 2 - кольцам Рашига.
Рис. 3. Коэффициент сопротивления сухих насадок
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
Как видно, коэффициент сопротивления сухой ленточной насадки составляет в среднем 5,18 и практически не изменяется в широком диапазоне изменения критерия Рейнольдса. Это говорит о том, что сухая ленточная насадка работает в автомодельном режиме. Коэффициент сопротивления колец Рашига зависит в исследованном диапазоне от критерия Рейнольдса и составляет 4,63-3,91, что несколько ниже коэффициента сопротивления ленточной регулярной насадки. Анализ уравнения (2) показывает, что повышенный коэффициент сопротивления ленточной насадки объясняется его квадратичной зависимостью от свободного объема (у ленточной насадки свободный объем 0,93, а у колец Рашига - 0,7).
Зависимость гидравлического сопротивления сухих насадок от приведенной скорости газа в колонне представлена на рис. 4, обозначения кривых те же, что и на рис. 3. Исследования гидравлических сопротивлений проведены в широком диапазоне приведенных скоростей газа 0,21,04 м/с.
Приведённая скорость г
Рис. 4. Гидравлическое сопротивление сухих насадок
Как видно из рис. 4, гидравлическое сопротивление сухой ленточной насадки ниже сопротивления колец Рашига во всем исследованном диапазоне приведенных скоростей газа в среднем на 27-37 %.
Зависимость гидравлического сопротивления сухой ленточной насадки от приведенной скорости газа описывается следующим уравнением с величиной достоверности аппроксимации 0,999:
— = 416 -Ж1'919 И
(4)
а колец Рашига следующим уравнением с величиной достоверности аппроксимации 0,999:
— = 541,1-Г1'837 ...
И (5)
Далее проведены эксперименты по определению гидравлического сопротивления орошаемой ленточной насадки и колец Рашига при различных нагрузках по газу и жидкости.
В экспериментах с орошаемой насадкой расход воды изменяли в диапазоне 0,346-2,187 м7ч, что соответствовало плотности орошения 5,32-33,63 м7(\Г-ч) для колонны с ленточной насадкой. Плотность орошения в колонне с кольцами Рашига изменялась в диапазоне 9,79-30,29 м7(м2-ч).
Результаты экспериментов для ленточной насадки для различных плотностей орошения частично представлены на рис. 5, для колец Рашига частично представлены на рис. 6.
Номера кривых на рис. 5 соответствуют следующим плотностям орошения: 1 - 5,32 м7(м2-ч); 2 - 11,00 м7(м2-ч); 3 - 16,79 м7(м2-ч); 4 - 23,38 м7(м2-ч); 5 - 30,14 м7(м2-ч); 6 - 33,63 м7(м2-ч); 7 -0 м7(м2-ч).
На рис. 6 (кольца Рашига) кривой 1 соответствует плотность орошения 9,79 м7(м2-ч): 2 -19,59 м7(м2-ч); 3 - 24,94 м7(м2-ч); 4 - 30,29 м7(м2-ч); 5-0 м7(м2-ч).
Рис. 5. Гидравлическое сопротивление орошаемой ленточной насадки
Рис. 6. Гидравлическое сопротивление орошаемых колец Рашига
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Сравнение рис. 5 и 6 показывает, что гидравлическое сопротивление орошаемой ленточной насадки ниже сопротивления колец Рашига, при том что их эквивалентные диаметры приблизительно равны (0,0083 м и 0,0085 м соответственно).
На рис. 7 приведено сравнение гидравлических сопротивлений исследованных насадок. Кривая 1 соответствует ленточной насадке (плотность орошения 19,99 м7(м2-ч)); кривая 2 - кольцам Ра-шига (плотность орошения 19,60 м3 7(м"-ч)). Данные рис. 7 убедительно свидетельствуют о преимуществе ленточной насадки в сравнении с кольцами Рашига.
Необходимо отметить, что удельная поверхность ленточной насадки (447 м2/м3) значительно выше удельной поверхности колец Рашига (330 м2/м3), что благоприятно скажется на массо-обменной эффективности работы ленточной насадки.
Рис. 7. Сравнение гидросопротивлений насадок
Гидравлическое сопротивление ленточной насадки можно существенно снизить за счет перфорации лент, или за счет использования лент, изготовленных из металлической сетки. В этом
шшт
случае также возрастет свободное сечение для прохождения газа.
Как уже отмечалось, дополнительным достоинством ленточной насадки является низкая материалоемкость. Так, удельная масса исследованных керамических колец Рашига составляет 690 кг/м3 [5], а исследованной ленточной насадки - 100 кг/м3.
Проведенные эксперименты свидетельствуют о перспективности использования ленточной насадки в качестве контактного устройства для проведения массообменных процессов в газожидкостных системах.
На представленную конструкцию ленточной насадки и на способ изготовления насадки поданы заявки на изобретения [2, 3], и в настоящее время получено положительное решение о выдаче патентов РФ по указанным заявкам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Скачков И. В., Бальчугов А. В. Моделирование процесса десорбции на насадке // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 3. С. 102-104.
2. Заявка 2011112698 Российская Федерация, Регулярная насадка для массообменных аппаратов. / Бальчугов А. В., Скачков И. В., Кузо-ра И. Е.
3. Заявка 2011112700Российская Федерация. Способ изготовления регулярной насадки для мас-сообменных аппаратов. / Бальчугов А. В., Скачков И. В., Кузора И. Е.
4. Рамм В. М. Абсорбция газов. М. : Химия, 1976. 620 с.
5. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л. : Химия, 1976, 552 с.
