CC BY
21
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
УДК 66.021 Рыжов Станислав Олегович,
аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии,
e-mail: clericne@mail.ru Бальчугов Алексей Валерьевич, д. т. н., доцент, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств
Ангарской государственной технической академии,
e-mail: balchug@mail.ru Кузора Игорь Евгеньевич, к. т. н., главный технолог ОАО «Ангарская нефтехимическая компания»,
e-mail: balchug@mail.ru
МАССООБМЕН В ДЕСОРБЕРЕ С НОВОЙ ЦЕПНОЙ
НАСАДКОЙ
S.O. Rizshov, A. V. Balchugov, I.E. Kuzora
MASS TRANSFER IN THE DESORBER NEW CHAIN WITH A PACKING
Аннотация. Разработана цепная насадка для проведения тепло- и массообменных процессов в газожидкостных системах. Исследована зависимость объемного коэффициента массоотдачи на предложенной насадке от F-фактора и плотности орошения. Показано, что цепная насадка может быть рекомендована к применению в производстве.
Ключевые слова: десорбция, массоперенос, газ, жидкость.
Annotation. The chain packing for heat and mass transfer processes in gas-liquid systems is designed. The dependence of the volumetric masstransfer coefficient in the nozzle of the proposed F-factor and density of irrigation is investigated. It is shown that the chain attachment can be recommended for use in production.
Keywords: desorption, mass transfer, gas,
liquid.
Абсорбционные и десорбционные процессы широко используются в химической промышленности, в частности в процессах очистки промышленных газов. В промышленных аппаратах применяются контактные устройства - насадки, увеличивающие площадь контакта фаз и определяющие интенсивность массообмена. Таким образом, насадки играют ключевую роль в массообменных процессах в промышленности, а создание новых эффективных насадок является важной задачей промышленной безопасности.
В ходе научных исследований нами была предложена новая насадка, состоящая из вертикально подвешенных круглозвенных цепей [1]. Жидкость, стекающая по насадке, образует пленку
в каждом звене цепи. Данный эффект дополнительно увеличивает удельную поверхность насадки. Цепи изготовляются в настоящее время в промышленных масштабах, следовательно, не требуется отдельного производства для создания насадки, что значительно снижает ее стоимость. Создание цепной насадки с заданными характеристиками и из требуемого материала возможно также на имеющихся производствах.
Ранее нами было исследовано гидравлическое сопротивление цепных насадок двух модификаций с разной плотностью упаковки, а также колец Рашига и сетчатой насадки [2]. Эксперименты проводились с различными плотностями орошения и различными скоростями газа, вплоть до режима захлебывания. Результаты экспериментов показали существенное преимущество новой насадки, так как ее гидравлическое сопротивление оказалось значительно ниже сопротивления насадки из колец Рашига и сетчатой насадки. Сравнение с литературными данными по гидравлическому сопротивлению других насадок (колец Палля) также свидетельствует о преимуществе цепной насадки.
Целью настоящей работы является исследование эффективности массообмена на цепной насадке. Исследование проводилось на системе вода - углекислый газ при десорбции газа из воды в поток инертного газа (воздуха). Для осуществления данных экспериментов была создана лабораторная установка. На рис. 1 представлено схематичное изображение установки для исследования эффективности массообмена.
Колонна 1, диаметром 150 мм и высотой 2,3 м заполнена насадкой 2, состоящей из верти-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
кально подвешенных круглозвенных цепей, выполненных из проволоки диаметром 2 мм. Высота слоя насадки составляет 1,35 м, расстояние между осями цепей равняется 6,4 мм. При данных параметрах насадка имеет характеристики, представленные в табл. 1.
гаа ?
Жидкость |
Рис. 1. Лабораторная установка
Т а б л и ц а 1
Методика эксперимента заключается в следующем. Дистиллированная вода, применяемая в качестве абсорбента, подается сверху в абсорбер 12, представляющий собой пластиковую вертикальную колонну диаметром 100 мм и высотой 2 м. В нижнюю часть абсорбционной колонны через пористые распределительные устройства подается углекислый газ. При этом происходит интенсивный барботаж и насыщение абсорбента углекислым газом. Газ и абсорбент движутся навстречу друг другу. Не поглотившийся углекислый газ выходит из абсорбера в верхней его части. Насыщенный абсорбент из нижней части абсорбера подается центробежным насосом 13 в десорбцион-ную колонну 1 через распределительное устройство 3. Количество подаваемого абсорбента регулируется с помощью вентиля 9, а измеряется ротаметром 8. Для выделения углекислого газа из абсорбента в нижнюю часть колонны 1 подается инертный газ (воздух) с помощью воздуходувки 5. Количество инертного газа, поступающего в колонну, определяется с помощью измерительной трубы 6, трубки Пито 7 и микроманометра 10. Расход газа регулируется вентилем 9. Распределитель газа 4 служит для более равномерного рас-
Ж--«*
Насадка Удельная поверхность, м-1 Свободный объем Эквивалентный диаметр, м
Цепная 433,35 0,7833 0,00723
пределения газа по сечению колонны и предотвращения заливания подающей трубы потоком стекающего абсорбента. Отбор проб абсорбента осуществляется непосредственно перед насадкой и после нее с помощью пробоотборников 11. Между отбором верхней и нижней проб проводится задержка по времени 4 секунды. Это время, необходимое для прохождения жидкости по насадке.
Оценить эффективность массопереноса и самой насадки можно, узнав изменение концентрации углекислого газа в воде при прохождении ее через насадку. Концентрация СО2 в воде определялась путем прямого титрования проб, отобранных из пробоотборников. Концентрацию углекислого газа в воде определяли титрованием 0,1н раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина до получения розовой окраски раствора, соответствующей окраске стандартного раствора, рН которого по фенолфталеину равно 8,4. Титрование обеих проб проводится одновременно, сократив до минимума возможные потери углекислого газа в атмосферу.
Концентрацию углекислого газа в воде рассчитывали по формуле
Д Т . Д и, . 1 ПАП
(1)
V • N • Мг -1000
X
У2
где У - объем раствора NaOH, пошедший на титрование, мл; У2 - объем исследуемого раствора, взятый для титрования, мл; N - нормальность раствора NaOH, моль/л; Мг - молекулярная масса СО2, кг/кмоль; Х - концентрация углекислого газа в воде, мг/л.
В исследуемой газожидкостной системе (СО2 - воздух - вода) основное сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе. Объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяли по уравнению
Рьа =
М
АС -У„
(2)
где Р^а - объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, ч-1; М - количество вещества, перешедшего через границу раздела фаз, моль/ч; АС - средняя движущая сила процесса, моль/м3; УН - объем насадки, м3.
Часто при описании работы насадок используется понятие F-фактора [3], который рассчитывают по формуле:
Р = , (3)
где м - приведенная скорость газа в аппарате, м/с; рГ - плотность газа, кг/м3.
Результаты экспериментов частично представлены на рис. 2 и 3. На рис. 2 приведена зависимость коэффициента массоотдачи на цепной насадке (кривая 1) от F-фактора при постоянной
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
JS
i
S ai А vo О
I- т Z
Ш S
S т
s 5
1 5 о
т и
0 £
^ (О
170 160 150 140 130 120 110 100
■1 ■2
0
1
F-фактор, м/с(кг/м3)0
2
3)0,5
плотности орошения 111 м3/м2ч, кривая 2 соответствует коэффициенту массоотдачи на насадке «Инталокс» (50 мм) по литературным данным [3]. Видно, что в значительном диапазоне изменения F-фактора объемный коэффициент массоотдачи на цепной насадке превышает коэффициент массоот-дачи на насадке «Инталокс».
На рис. 3 представлена зависимость коэффициента массоотдачи на указанных насадках от плотности орошения при постоянном F-факторе, равном 1,45 м/с(кг/м3)0'5. На данном рисунке обозначения кривых те же, что и на рис. 2. Наблюдается незначительная разница в коэффициентах массоотдачи цепной насадки и насадки «Инталокс» в исследованном диапазоне плотностей орошения.
Принимая во внимание, что цепная насадка обладает значительно меньшим гидравлическим сопротивлением в сравнении с такими насадками, как кольца Палля, кольца Рашига и сеточная насадка, учитывая также, что в результате настоящих экспериментов установлена достаточно высокая эффективность массообмена на цепной насадке, можем рекомендовать предложенную насадку для широкого применения на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности.
Рис. 2. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от F-фактора
200
150
I- т
1 ¡s *
i fS 100 vá-^o 50
oSS
ока 0
0 100 200 Плотность орошения, м3/м2ч
Рис. 3. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от плотности орошения
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Насадочный аппарат для массообменных процессов : пат. 2465957 РФ., МПК B01J19/32 / Бальчугов А.В., Рыжов С.О., Кузора И.Е. №2011141617/05 ; заявл. 13.10.2011 ; опубл. 10.11.2012.
2. Рыжов С. О., Бальчугов А. В., Кузора И. Е. Технология газожидкостных процессов на цепной насадке. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 1(33). С.64-68.
3. Каган А. М., Юдина Л. А., Пушнов А. С. Нерегулярная металлическая насадка ГИАП-НЗ и некоторые аспекты ее промышленного использования // Химическая промышленность. 2001. №5. С. 43-46.
