Массоотдача в газовой фазе в регулярных рулонных насадках при слабом и сильном взаимодействии газа и жидкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 66.048.37+66.015.23

Е. А. Лаптева, А. Г. Лаптев МАССООТДАЧА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ В РЕГУЛЯРНЫХ РУЛОННЫХ НАСАДКАХ ПРИ СЛАБОМ И СИЛЬНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ГАЗА И ЖИДКОСТИ

Ключевые слова: регулярные насадки, прямоток, противоток, массоотдача, пленочные аппараты.

Рассмотрены режимы слабого и сильного взаимодействия пленки жидкости и газа в регулярных рулонных насадках и контактных трубках. Даны уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи и экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению при различных нагрузках по газу и жидкости. Представлены результаты расчетов числа Шервуда и объемных коэффициентов массоотдачи для двух типов рулонных насадок и контактных трубок при увлажнении воздуха водой.

Keywords: structured packings, co-current, counter-current, mass transfer, film-type apparatus.

Regimes of weak and strong interaction of a liquid film with a gas in structured roll-type packings and contact tubes are considered. Equations for calculation of mass-transfer coefficients are presented along with experimental data on hydraulic resistance at various gas and liquid loads. Results of calculations of the Sherwood number and of volumetric mass transfer coefficients for two types of roll-type packings and contact tubes are presented for the case of humidification of air with water.

Введение

Большинство пленочных аппаратов, работающих при противотоке газа (пара) и жидкости характеризуются невысокой эффективностью массопередачи на единицу высоты аппарата. Поэтому требуется увеличение площади поверхности контакта фаз или интенсивности взаимодействия потоков. Если нет существенных ограничений по перепаду давления в аппарате, то одним из способов значительного повышения эффективности явлений переноса является организация сильного взаимодействия фаз [1-4]. В таких аппаратах (контактных устройствах)газовый или паровой поток за счет силы трения на межфазной поверхности увлекает жидкую пленку в направлении своего движения. Тогда происходит восходящий или нисходящий прямоток. При таком режиме происходит значительное повышение коэффициентов массопередачи (до 10 раз), а также гидравлического сопротивления. Например, по исследованиям Жаворонкова Н.М., Кулова Н.Н., Николаева Н.А., и др. в контактных трубках сильное взаимодействие фаз (пленки жидкости и газа) начинается при скорости газа более 7-8 м/с при нормальных условиях.

Целью данной работы является - определение коэффициентов массоотдачи в газовой фазе в колоннах с регулярными насадками при различных режимах взаимодействия фаз.

Коэффициенты массоотдачи в газовой фазе

Рассмотрен режим восходящего прямотока в регулярной рулонной насадке с гофрированной поверхностью (рис. 1) [5].

Насадка может изготавливаться как с шероховатой поверхностью (микрорельефом), так и с просечками. Выполнены экспериментальные исследования [6] орошаемой насадки и получены данные по гидравлическому сопротивлению при различных скоростях воздуха (фактора скорости

wг^PГ) и плотности орошения (рис. 2). Как

следует из рис. 2. в насадке с шероховатой поверхностью восходящий прямоток при больших плотностях орошения (> 80 м3/(м2ч)) происходит

при №Тт[рГ > 3 ;

Рис. 1 - Вид регулярной насадки: 1 - гофры смежных листов; 2 - центральный пакет; 3 -остальные пакеты

wr

при 30-50 м3/(м2ч) - при wг д/рТ >3,6 Па-0,5, где

- скорость газа в колонне, м/с; рг -плотность газа, кг/м3.

Рассмотрим уравнения для определения коэффициентов массоотдачи в газовой фазе насадочных колонн.

На основе модификации гидродинамической аналогии для потоков с различными возмущениями получено следующее выражения для коэффициента массоотдачи при турбулентном режиме [7]

рг = 0,158(тст /рг)317(г / d)117Scf2/3,

(1)

где рг - коэффициент массоотдачи в газовой фазе, м/с; тст - среднее касательное напряжение трения на стенке (поверхности газ-жидкость контактного устройства), Па; vг - кинематической вязкости коэффициент, м2/с; ё - диаметр канала, м; Scг -число Шмидта для газа.

Касательное напряжение на поверхности насадки запишем с применением средней объемной скорости диссипируемой энергии [8]

Рис. 2 - Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в зависимости от фактора скорости газа и плотности орошения

_ (еУГ Тст _ крг I

I Рг

1 / 2

(2)

где е - средняя объемная скорость диссипации энергии, Вт/м3; к эмпирический коэффициент пропорциональности; установлено к « 1,85 [5]. Тогда при записи диссипации энергии в виде

ЛрSwг ^г Рг

2dэ

получим

тСт _ 2,43р|/кг2 (í/Reэ)(

0,5

(3)

(4)

где Лр - перепад давления газового потока, Па; £ -

2 Кг -

площадь поперечного сечения колонны, м объем газа в слое насадки, м3; £ - коэффициент гидравлического сопротивления насадки; Reэ _ нг^э / уг - число Рейнольдса; <!э _ 4всв / аЛ!

св

- эквивалентный диаметр насадки, м; удельный свободный объем (м3/м3) и ау - удельная поверхность насадки, м2/м3.

Для восходящего газожидкостного потока следует учитывать и влияние жидкой фазы. Тогда касательное напряжение по поверхности раздела газ-жидкость найдем по выражению [9]

тг - ж _ Рж [(тст / Рж )2 + 1,94^жР,уо

(1 — Фг )2 ]0,5<

(5)

где иот - относительная скорость движения фаз, м/с; фг - газосодержание слоя насадки; Фг_всв — вж, вж - задержка жидкости в слое, м3/м3.

Оценка слагаемых в правой части выражения (5) показывает, что при рассмотренных условиях взаимодействия фаз правое слагаемое на два порядка меньше левого. Тогда расчет тг—ж можно выполнять по формуле (4).

Из выражений (1) и (4) получим число Шервуда БГ! _ ргдэ /Dг

Shт _ 0,342ReЭ643[§/2)0124БС^/3 .

Результаты расчетов

(6)

На рис. 3 показано сравнение коэффициента моссоотдачи с экспериментальными данными [10] для регулярной металлической насадки с лепестками в виде круговых сегментов

(ау _ 480 м2 /м3; всв _ 0,95) Процесс увлажнения воздуха водой при пленочном режиме. Коэффициент сопротивления насадки

0,105 ReЭД08 + 0,0225 Re ж34'10" , где Reж _ иёэ / Уж - число Рейнольдса по жидкой фазе; и - плотность орошения, м3/(м2с).

Рис. 3 - Зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе от скорости газа при плотности орошения 10 (м3/м2 ч), dЭ=0,0079, м - эксперимент [10], линия - расчет по (6)

При известном из экспериментов перепада давления для насадок выражение (6) удобнее использовать в виде

в _

Shr = 0,342 Re00'643 Sc^3

dэAр

ч 0,214

Hwf

(7)

где Ар записано по выражению Дарси-Вейсбаха; Н -высота слоя насадки, м.

При плотности орошения 30 м 3/(м2ч) и факторе скорости 3,6 перепад давления сегментно рулонной насадки Ар =650 Па/м [10], а рулонной гофрированной с шероховатой поверхностью (рис. 2) А^=500 Па/м. Тогда для сегментно рулонной насадки (ёэ = 0,011м) получено Shг=39,5 и с шероховатой поверхностью (ёэ = 0,011м) Shг= 37,3. Увлажнение воздуха водой ^сг=0,7)

При противотоке пленки жидкости и газа в контактных трубках (wг < 6 - 8 м/с) коэффициент массоотдачи в газовой фазе можно вычислить по выражению [7], полученному на основе формулы (1)

Shг = 0,158Рег°'857 £сг2/3(0р /8)°'429, (7)

где Рег =^г (^ - 25)/vг - число Рейнольдса; ё -

диаметр трубки, м; 5 - толщина пленки, м; ^ор -коэффициент сопротивления орошаемой трубки, вычисляется по формуле Борисова [11]. На рис. 4 даны результаты расчетов объемных коэффициентов массоотдачи в газовой фазе для рулонной насадки (рис. 1) и трубки при одинаковом эквивалентном диаметре, факторе скорости и плотности орошения. Причем при таком режиме в насадке происходит восходящий прямоток (сильное взаимодействие), а в трубке противоток (слабое взаимодействие). Из рис. 4 следует, что в рулонной насадке объемный коэффициент массоотдачи в 3-4 раза больше, чем в контактной трубке. Плотность орошения в насадке 50 м3/(м2 ч), в контактной трубке к примеру пленочного течения 0,2 м3/(м ч). Процесс увлажнения воздуха водой = 0,015м.

Рис. 4 - Зависимость объемного коэффициента массоотдачи в газовой фаз от фактора скорости: 1 - гофрированная насадка с шероховатой поверхностью; 2 - орошаемые трубки

Выводы

В статье использованы выражения, полученные авторами в результате модификации гидродинамической аналогии для пленочных аппаратов. Приведены уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в газовой фазе для насадочных колонн и контактных трубок со стекающей пленкой жидкости. Даны выражения для определения основных параметров приведенных уравнений. Показаны результаты расчетов коэффициентов массоотдачи в колоннах с регулярными насадками при слабом и сильном взаимодействии фаз, а также при противотоке фаз в трубках (сделано сравнение по объемным коэффициентам массоотдачи).

Литература

1. А.Н. Николаев, Л.П. Холпанов, В.А. Малюсов ТОХТ, 23., 5, 563-568 (1989).

2. А.Н. Николаев Динамика пленочного течения жидкости и массопереноса в условиях сильного взаимодействия с газом (паром) при однонаправленном восходящем или нисходящем движении, Казань, 2011. 104 с.

3. Е.А. Лаптева, Г.К. Шагиева, А.Г. Лаптев Вода: химия и экология, 3, 27-33 (2017).

4. А.М. Закиров, В.В. Алексеев, В.А. Булкин Вестник КНИТУ, 20, 4, 88-89 (2017).

5. А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов, Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Отечество, Казань, 2013. 454 с.

6. А.Г. Лаптев, Т.М. Фарахов, Е.А.Лаптева, Р.М. Минигулов, Энергосбережение и водоподготовка, 1, 3537 (2010).

7. А.Г. Лаптев, Е.А. Лаптева, ТиА, 22, 4, 453-458 (2015).

8. В.Н. Соколов, И.В. Доманский, Машиностроение, Ленинград, 1976. 216 с.

9. Е.А. Лаптева, Е.Ю. Столярова, А.Г. Лаптев, Изв. вузов Пробл. эн. 19, 1-2, 170-173 (2017).

10 С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров, Теоретические основы проектирования промышленных аппаратов химической технологии на базе сопряженного физического и математического моделирования. КГТУ, Казань, 2009, 456 с. 11. Г.С. Борисов, В.П. Брынков, Ю.И. Дытнерский Основные процессы и аппараты химической технологии. Химия, Москва, 1991. 496 с.

Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (№13.6384.2017/БЧ).

© А. Г. Лаптев - д-р техн. наук, проф., зав. ка техн. наук, доцент той же, grivka100@mail.ru.

«Технология воды и топлива» КГЭУ, tvt kgeu@mail.ru; Е. А. Лаптева - канд.

© A. G. Laptev - "Kazan State Power Engineering University", chairman of department "Technology of Water and Fuel", D.Sc. in Engineering, Professor, tvt_kgeu@mail.ru; E. A. Lapteva - "Kazan State Power Engineering University", department "Industrial Thermal Power Engineering", Ph.D. in Engineering, Associate Professor, grivka100@mail.ru.