CC BY
34
УДК 66.096 Скачков Ил ья Владимирович,
аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: [email protected]
Бальчугов Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: balchug@mail. ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕСОРБЦИИ НА НАСАДКЕ
I. V. Skachkov, A. V. Balchugov
THE DESORPTION IN THE PACKING LAYER MATHEMATICAL MODELING
Аннотация. Математически смоделирован процесс десорбции газа из жидкости в слое насадки. Исследована зависимость концентрации газа в жидкости от высоты слоя и вида используемой насадки в массообменном аппарате. Описан способ создания слоя регулярной насадки, позволяющий существенно экономить материалы на ее изготовление.
Ключевые слова: десорбция, массоперенос, регулярная насадка.
Abstract. The process of the gas desorption from the liquid in the packing layer is mathematically modeled. The dependence of the gas concentration in the liquid from the layer height and type of packing used in the mass exchange apparatus is researched. The method of a regular packing layer creation, that allows essentially economy of materials for the layer manufacture is described.
Keywords: desorbtion, mass transfer, regular packing.
В настоящее время известны различные типы насадок для проведения массообменных процессов в системах «газ - жидкость»: кольца Раши-га, седла Берля, хордовые насадки, листовые, сеточные и т. д. Общим недостатком большинства типов насадок являются довольно большие затраты достаточно дорогих материалов (металла, керамики и т. д.) на их изготовление. Так, на изготовление 1 м3 колец Рашига (50x50x1) затрачивается 430 кг стали. Предлагается новый тип насадки, состоящей из каркаса и лент (рис. 1), требующей значительно меньших затрат материала.
Сущность способа изготовления регулярной насадки заключается в том, что для сборки слоя насадки предлагается установить каркас, элементы которого 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. Затем на каркас закрепляются элементы насадки в виде плоских лент.
Таким образом, 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 разрешает делать эти элементы из тонких металлических лент или пластика, или химически и механически стойкой ткани.
В частности, новая насадка может быть применена для проведения десорбции сероводорода из воды - процесса, применяемого на химических производствах для очистки технологической воды. В настоящее время процесс осуществляется в колонных аппаратах, заполненных кольцами Рашига. Сверху в аппарат подается загрязненная вода, а выделившийся газ отводится через штуцер в верхней части аппарата. Таким образом, фазы (газ и жидкость) движутся в противотоке.
1 2
1 - прутья каркаса, 2 -ленты
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Представляет интерес оценке эффективности массопереноса при десорбции сероводорода из воды на предложенной насадке. Как и в случае применения колец Рашига, в аппарате сверху стекает раствор сероводорода в воде на слой насадки. Принимаем, что по высоте слоя насадки коэффициент массоотдачи в жидкой фазе остается постоянным. Массопередача между жидкой и газовой фазами лимитируется массоотдачей в жидкости. В этом случае массообмен между газовой и жидкой фазами в аппарате описывается уравнением
™ж°ж--РжаА = 0 ,
(1)
к л
г = — 1п
тС - п
Г тСв -п^
т
тС - п
Уж 1пС - С /Зжа Сн - С"
(4)
т
т ■ ехр
г ■ т
ехр
гт
ш
Коэффициент диффузии сероводорода в воде рассчитывали по уравнению из [2]:
Dнs =
10
+ о113
1
М.
- + -
1
Mf
(6)
'Н2Б ^Н20,
где A,B - коэффициенты, зависящие от диффундирующего компонента и среды [2]; M - молекулярная масс, кг/кмоль.
где ^ж - истинная средняя скорость жидкости в аппарате, м/ч; оЖ - содержание жидкости в слое насадки, м3/м3; C - концентрация сероводорода в жидкости, кмоль/м3; г - высота слоя насадки, м; Рж - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/ч; а - удельная поверхность контакта фаз в слое насадки, м /м ; А - движущая сила массоотдачи в жидкости, кмоль/м3.
Движущая сила массоотдачи в жидкой фазе при десорбции описывается уравнением
А = С - С*, (2)
где С - равновесная концентрация сероводорода
в жидкости, кмоль/м3.
После подстановки уравнения (2) в уравнение (1) получаем:
к--тС+ п = 0, (3)
йг
где к = wж ■ иж, т = /Зжа , п = ¡ЗжаС .
Решив уравнение (3), получим зависимость для определения высоты слоя насадки. Уравнение (3) является уравнением с разделяющимися переменными: к—— = йг . Интегрируем и получаем
Критерий Нуссельта в жидкости рассчитывали по уравнению из [2]:
Мы = 0,0021 ■ Ке0,75 ■ Рг05. (7)
Критерий Рейнольдса 4Ь
Ке = ^-, (8)
Бащиж
где Ь - расход жидкости, кг/с; Б - площадь поперечного сечения колонны, м2; ^ - коэффициент
смачиваемости; иж - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па-с. Критерий Прандтля
иж
Рг = -
(9)
Р ■ Бнгз
где р - плотность жидкости, кг/м3; D - коэффициент диффузии.
Приведенная толщина жидкой пленки
8 =
^ иж ^' Рж ё
(10)
где g - ускорение свободного падения, м/с2.
Коэффициент массоотдачи рассчитывали по уравнению
Рж =-
Б^« ■ Ыи
8
(11)
Расчет удельной поверхности насадки а состоит в следующем. Принимается угол сгиба ленты а равным 90°. Высота волны ленты И, м (рис. 2).
!—Г В Г^Н
где С и С - концентрация сероводорода
в жидкости соответственно в верхней и нижней части аппарата, кмоль/м3.
По уравнению (4), задавшись концентрацией сероводорода в жидкости вверху и внизу аппарата, можно определить требуемую высоту слоя насадки г, м.
Преобразовав уравнение (4), получаем зависимость для определения концентрации сероводорода в любом сечении аппарата:
п тСВ - п . Св - С * С = п +-;-- = С + С - \ . (5)
Рис. 2. К расчету поверхности ленточной насадки
Длина одной волны равна 2Н. Учитываем, что смачивается только верхняя поверхность ленты, площадь которой составит
f = , (12) где с - длина ленты, м; 5 - ширина ленты, м.
Суммарное число лент в слое насадки ЬН
М = 4ЬН • <13)
6
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
(15)
где Ь - ширина слоя лент, м; Н - суммарная высота слоя насадки, м.
Суммарная смачиваемая поверхность слоя насадки
р=^ -4-, (14)
где V - объем слоя насадки, м .
Удельная поверхность слоя насадки
_ р
а = V ~ 4Н Используя приведенную выше методику расчета, проведем сравнительный анализ эффективности применения используемой и предлагаемой насадки в процессе десорбции сероводорода из воды.
Расчеты выполнены для следующего режима: расход жидкости 50 м3/ч, начальная концентрация сероводорода в жидкости 0,118 кмоль/м3 (4 кг/м3), конечная - 0,00115 кмоль/м3 (0,038 кг/м3), внутренний диаметр аппарата 1,6 м, растворимость сероводорода в воде при 20 °С и 1 ат 0,00115 кмоль/м3 [1], коэффициент диффузии сероводорода в воде при этих же условиях 1,93-10"9 м2/с, динамическая вязкость жидкости 0,958-Ш"3 Па-с. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Таблица 1 Распределение концентрации сероводорода по высоте слоя насадки
Высота слоя насадки,м Концентрация, кмоль/м3 (Ленточная насадка) Концентрация, кмоль/м3 (кольца Рашига)
1 0,037332 0,023755
2 0,012388 0,005536
3 0,004640 0,002001
4 0,002234 0,001315
5 0,001487 0,001182
6 0,001255 0,001156
7 0,001183 0,001151
8 0,001160 0,001150
9 0,001153 0,001150
10 0,001150 0,001150
Как видно из предоставленного результата расчетов, предлагаемая насадка незначительно уступает применяемой в настоящее время на производстве (кольца Рашига), однако существенно экономит затраты материалов на изготовление слоя насадки. Ранее было указано, что для изготовления слоя насадки, состоящего из колец Ра-шига (50x50x1) объемом 1 м3, затрачивается 430 кг стали, в то время как на изготовление слоя ленточной насадки того же объема затрачивается около 120 кг, т. е. расход материала снижается более
чем в 3 раза. И это при исполнении лент насадки из металла хотя, как было указано ранее, ленты в данной насадке могут быть выполнены из пластика или химически и механически стойкой ткани.
Также сравнительный анализ такого показателя, как удельный свободный объем, показывает преимущество предлагаемой насадки перед используемой. Удельный свободный объем регулярной насадки составляет 0,985 м3/м3, в то время как удельный свободный объем колец Рашига в данном исполнении составляет 0,945 м3/м3. Данный показатель непосредственно влияет на гидравлическое сопротивление слоя насадки.
Ленты насадки могут принимать различную форму: такую, как показано на рис. 1, а также трапециевидную или волнообразную. Целесообразно между вертикальными рядами лент устанавливать вертикальные плоские листы сеток. При этом изменится характер взаимодействия потоков газа и жидкости на насадке. При перетекании потока жидкости с одной ленты на другую она будет проходить через сетку, разбиваясь на струи. Это позволит увеличить поверхность контакта фаз в слое насадки. В этом случае рабочей окажется и нижняя поверхность лент, которая будет смачиваться образующимися струями.
На представленную конструкцию ленточной насадки и на способ изготовления насадки поданы заявки на изобретения [3, 4].
На основании представленных результатов моделирования можно сделать вывод, что предложенная насадка является эффективной и конкурентоспособной в сравнении с другими известными типами насадок. Основное преимущество данной насадки состоит в снижении затрат дорогостоящих материалов на ее изготовление и снижении веса конструкции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Перри Дж. Справочник инженера-химика. - Т. 1. - Л. : Химия, 1969. - 640 с.
2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л. : Химия, 1976. - 552 с.
3. Бальчугов А. В., Скачков И. В., Кузора И. Е. Регулярная насадка для массообменных аппаратов // Заявка на изобретение. № 2011112698.
4. Бальчугов А. В., Скачков И. В., Кузора И. Е. Способ изготовления регулярной насадки для массообменных аппаратов // Заявка на изобретение № 2011112700.
