Интенсификация работы газожидкостных массообменных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 66.021.3:62-1

Я.В. Чистяков, магистрант, (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),

A.А. Махнин, канд. техн. наук, доц., (4852) 44-68-13 (Россия, Ярославль, ЯГТУ),

B.М. Пузырева, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-37-60 (Россия, Тула, ТулГУ)

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Исследована возможность повышения интенсивности массоотдачи в жидкой фазе за счет использования концевого эффекта барботажа для контактного устройства. Поверхность контакта фаз формируется в результате барботажа газа через слой жидкости на перфорированной тарелке

Ключевые слова: массоотдача, барботаж, контактное устройство, перфорированная тарелка.

Известно, что интенсификация работы газожидкостных массообменных аппаратов в основном осуществляется за счет увеличения в них плотности орошения и скорости газа. При этом достигаемая интенсификация массообменного процесса невелика, так как повышение плотности орошения и скорости газового потока имеют определенный предел, выше которого происходит захлебывание аппарата. Одним из способов интенсификации газо-жидкостных процессов, особенно процессов, лимитируемых скоростью массоотдачи в жидкой фазе, является расширение и использование в контактных устройствах зон с нестабилизированным режимом движения потоков, характеризующихся повышенной турбулизацией взаимодействующих фаз, что приводит к повышению локальных коэффициентов массоотдачи. Такая локальная интенсификация процесса массоотдачи имеет место на входных и выходных участках контактных устройств, которая носит название концевого эффекта массообменного устройства. Это явление открыто и обосновано в середине прошлого века ученым Calder-bank P.H.[1], суть его заключается в том, что эффективность одной десятой части барботажного слоя прилежащего к тарелке равна эффективности остальной части барботажного слоя. Ранее попытки создать контактные устройства, использующие только эту высокоэффективную часть барботаж-ного слоя, в массообменных колоннах не увенчались успехом.

В данной работе исследована возможность повышения интенсивности массоотдачи в жидкой фазе за счет использования концевого эффекта барботажа для контактного устройства, в котором поверхность контакта фаз формируется в результате барботажа газа через слой жидкости на перфорированной тарелке. Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе ß проводились опыты по абсорбции плохо растворимого газа (СО 2) водой. В этом случае сопротивлением в газовой фазе можно пренеб-

203

речь и считать, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе приблизительно равен общему коэффициенту массопередачи Кж.

В работе было проведено экспериментальное исследование контактного устройства, состоящего из шести ситчатых тарелок, установленных с шагом по 50 мм по высоте, с живым сечением 10 %. Так как в барбо-тажных абсорберах сложно определять поверхность контакта фаз, то для оценки интенсивности массообмена в исследуемом барботажном слое, секционированном ситчатыми тарелками, использовался объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе в жу, отнесенный к единице рабочего объема всего секционированного барботажного слоя. Исследования контактного устройства проводились при изменении скорости газовой смеси в

3 2

диапазоне от 0,4 до 1,45 м/с и плотности орошения от 104 до 343 м /м -ч. Результаты экспериментальных исследований по определению зависимости в жу от скорости газовой фазы и плотности орошения представлены на рис. 1.

Анализ экспериментальных данных показал, что в жу изменяется в пределах от 0,25 до 0,555 1/с, что значительно выше, чем в обычных бар-ботажных слоях (в жу = 0,05... 0,14 1/с). Полученные результаты экспериментальных исследований показали, что данное контактное устройство дает возможность получить высокие значения вжу в широком диапазоне изменения скоростей газа и плотности орошения. Перенос вещества от границы раздела фаз в ядро газовой или жидкой фазы описывается уравнениями гидродинамики и конвективной диффузии. Ввиду сложности решения дифференциальных уравнений конвективной диффузии эти уравнения обычно преобразуют методом теории подобия, при этом находят критерии подобия, пользуясь которыми можно описать процесс, не интегрируя уравнения. Связь между критериями подобия устанавливается только экспериментальным путем. В результате обработки экспериментальных данных были получены зависимости критерия Нуссельта для жидкой фазы (уравнения (1) и (2)).

Как показал анализ экспериментальных данных характер зависимостей объемного коэффициента массоотдачи в жу от плотностей орошения Ь и скорости газовой смеси 'г в исследованных пределах 0,4.1,45 м/с существенно изменяется при превышении плотности орошения порядка 250м3/м2-ч.

Поэтому решение критериального уравнения выполнялось отдельно для каждой из двух областей:

- для плотностей орошения Ь = 104,3 .223,4 м3/м2-ч

№ж = 0,12Еу Яё

0,583 -

,5 о' Г 0,338 Ґ \ 0,83

ж \ иж у 1 ь

для плотностей орошения Ь = 308,5...342,6 м3/м2ч

Ыыж = 0,817г Яв

0,478'

0,5

жр

V иж J

,-0,11

\0,78

V к у

(2)

(З ж\ ,1/с

0,6 0.55 0,5 0,45 0,4 0.35 0,3 0,25

0,2 0.15

0 0,2 0,4 0.6 0.8 1,0 1 ,2 1 4

\\т,м/с

Рис. 1. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи рж от скорости газовой смеси Жг и плотности орошения L в секционированном барботажном слое: Ф- L = 342,6 м3/м2ч; ◊ -L = 308,5м3/м2ч; О-L = 223,4м3/м2-ч; А-L = 138,3м3/м2ч;

О- L = 104,3 м3/м2 ч

Сравнение значений критерия Нуссельта, полученного расчетным путем, с экспериментальными значениями показало удовлетворительную сходимость. При этом для уравнения (1) среднее относительное отклонение не превышало 6,0 %, а для уравнения (2) - 1,5 %.

Гидравлическое сопротивление орошаемого контактного устройства изучалось в зависимости от основных влияющих факторов - скорости воздуха 'г и плотности орошения. Исследования выполнялись при изменении скорости воздуха от 0,35 до 1,6 м/с и плотности орошения в диапазоне от 153 до 383 м3/м2-ч. Полученные экспериментальные данные показывают, что с увеличением скорости газа при всех плотностях орошения общее гидравлическое сопротивление монотонно возрастает. При неизменной плотности воздуха с повышением плотности орошения сопротивление барботажного слоя также увеличивается, но при этом, чем выше фиксированная скорость воздуха, тем выше темп роста сопротивления АР с ростом плотности орошения. В результате обработки экспериментальных данных было получено выражение (3) для определения гидравлического

сопротивления барботажного слоя, секционированного ситчатыми тарелками,

Е2,565

Р = а ■ п ■■ ж

А Рсух + ёНРж

/ ч -0 ,298

ґжгл

Re

-0,251

н_

V к у

0 8

]^£>1,628 А" сух ' Ь"Г ж -т т г , , . > (3)

где А - безразмерный коэффициент, определяемый графически, зависящий от Квж.

Сравнение расчетных значений общего гидравлического сопротивления секционированного барботажного слоя, полученных по уравнению (3), с экспериментальными значениями, показало хорошую сходимость. Среднее относительное отклонение расчетных величин не превышало 5 %.

На основании полученных данных была разработана конструкция абсорбера с контактными устройствами, состоящими из пакета ситчатых тарелок (рис. 2) [2]. В пакете ситчатые тарелки размещены на небольшом расстоянии 30.50 мм одна над другой и секционируют сплошной барботажный слой по высоте. Парогазовая смесь (ПГС) поступает в нижнюю часть абсорбера. Каждый из пакетов работает в прямотоке при общем противотоке в абсорбере. Ступени контакта в аппарате имеют переливные устройства для перетока жидкости с вышележащего секционированного барботажного слоя на нижележащий, причем газ по переливам не проходит.

Рис. 2. Схема абсорбера, состоящего из трех пакетов ситчатых тарелок: 1 - корпус; 2 и 3 - подшипники; 4 - ось; 5 - пакет ситчатых тарелок; 6 - втулка; 7 - привод; 8 - эксцентрик; 9 - опорные кольца

В представленной схеме абсорбера для дополнительного повышения турбулизации взаимодействующих фаз применено колебательно-вращательное движение ситчатых тарелок с помощью механизма эксцентрика. Ход по окружности ближайших по оси перфораций равен их диаметру.

Таким образом, контактное устройство, состоящее из пакета ситчатых тарелок имеет значительно более высокие показатели по массопередаче по сравнению с другими устройствами.

Список литературы

1. Устройство для тепло- и массообмена: пат. № 53583 Рос. Федерация, опубл. 25.11.05, Бюл. № 15.

Y. Chistaykov, A. Mahnin, V. Puzireva

Intensification operating gas-liquid mass-transfer apparatuses

There are results ofpossibility for improving mass output intensity in liquid phase at the expense of using end effect barbotage in contact apparatus at this paper. The contact surface ofphases is formed as result of sparging gas through liquid seam on a perforated disc.

Key words: mass output, barbotage, contact device, perforated plate.

Получено 17.03.2010