CC BY
30
УДК 66.023.001.24
М. М. Башаров, А. Г. Лаптев ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН ОХЛАЖДЕНИЯ И ОЧИСТКИ ГАЗОВ ВОДОЙ
Ключевые слова: структура потоков, насадка, охлаждение газов, обратное перемешивание.
Сделано обобщение результатов математического моделирования структуры потоков в регулярной насадке при больших нагрузках по жидкой фазе в промышленной колонне охлаждения и очистки пирогаза водой в производстве этилена. Использован подход вычисления фиктивного числа единиц переноса с учетом обратного перемешивания потоков. Даны расчетные выражения и результаты определения тепловой эффективности и эффективности сепарации дисперсной фазы.
Keywords: flow structure, nozzle, gas cooling, backmixing.
Made generalization of the results of mathematical modeling offlow patterns in a regular nozzle at high loads on the liquid phase in an industrial cooling tower water in the pyrolysis of ethylene production. We use the approach of calculating the number of fictitious transfer the pieces to fit back mixing flows. Given the estimated expression and determination of thermal efficiency.
В процессах химической технологии довольно часто встречаются задачи охлаждения различных газов водой до требуемых температур. Причем такие процессы могут совмещаться с мокрой очисткой газов от мелкодисперсной фазы (пыли, копоти, аэрозолей и т.д.). Для этого могут использоваться как пенные теплообменники, так и насадочные скрубберы, так как, при непосредственном контакте фаз эффективность теплообмена значительно выше, чем через разделяющую стенку.
Для расчета таких аппаратов применяются различные полуэмпирические или численные методы. К полуэмпирическим методам относятся модели структуры потоков, которые при известных из экспериментов параметрах позволяют относительно быстро и достоверно получать результаты по эффективности процессов в аппаратах.
В работах [1-3] представлены математические модели для расчета температурных полей и эффективности охлаждения и очистки газа в насадочных скрубберах. Применяется ячеечная модель структуры потоков и получена система уравнений с источниковыми членами, которая решается итерационным методом. На основе использования полученных уравнений выполнены расчеты трех промышленных колонн охлаждения пирогаза водой на установках газоразделения в производстве этилена и пропилена. Разработаны технические решения по модернизации колонн за счет внедрения новых насадок [3].
В верхней части колонны, где нагрузки по жидкости меньше нашла применение хаотичная насадка «Инжехим» с номинальным размером 60 мм, а в нижней части, где расход жидкости в три раза выше, использована регулярная насадка Ш.Д [4]. Поле пуска модернизированных колон в промышленную эксплуатацию подтверждены результаты сделанных расчетов и технических решений. Температура охлаждения пирогаза снизилась на 30-40% (с 50-60°С до 40-45°С) и повышена производительность на 6070% при плотности орошения колонн примерно 60 м3/(м2 час) и скорости пирогаза 3,5-4,0 м/с [5]. Кроме
того повысилась эффективность очистки пирогаза от дисперсной фазы.
Целью данной работы является представить наиболее простую модель для расчета охлаждения газов в насадочном слое при пленочном режиме (с учетом обратного перемешивания потоков). Метод заключается в том, что вычисляется фиктивное число единиц переноса Np соответствующее полному
вытеснению. По фиктивному числу единиц переноса находится эффективность процесса, как для противотока по известным выражениям, подставляя в них Np вместо Nor. Таким образом косвенно
учитывается перемешивание потоков [6].
Фиктивное число единиц переноса с учетом перемешивания находится по уравнению
1 1 1
— =-+-, (1)
Np Nor Nd' К)
где число единиц
In A
перемешивания Nd = 1 1^Ф + РеПР' A = L/G; Nor = KF / Gc p - обычное число единиц переноса; K -
коэффициент теплоопередачи; L, G - массовые расходы жидкости и газа, кг/с; Ср - удельная
теплоемкость, Дж/(кгК); F - площадь контакта
фаз, м2.
Приведенный критерий Пекле:
1 1 1
-=-+-, (2)
Репр AfrPer ^Реж
гдеРепРеж - числа Пекле для газовой и жидкой фаз.
Параметры Ф и fr и fÄ вычисляются по выражениям:
Ф = 1 -
0,05
Ре
0,25
fr =
_ Nor + 6,8А
А
VNory 0,5
0,5
Чж + 6,8А
1,5
(3)
(4)
=
Nor + 6,8А0'5
Ыож+6,6А0,5' (5)
Числа Пекле для регулярной насадки IRG по полуэмпирическим зависимостям [3,7]:
Реог = :т4|Н, Реж = 2,193 ReЖж336 Н/dз (6) ^э^ор
где числа Рейнольдса Reж = 4q / vжаv ; ReOг = / Vг; ^0р - коэффициент сопротивления орошаемой насадки; dэ - эквивалентный диаметр насадки, м. Н - высота слоя, м; Шг - скорость газа, м/с; Vг,vж - коэффициенты кинематической вязкости газа и жидкости, м2/с, аv — удельная поверхность насадки, м2/м3.
Коэффициент сопротивления орошаемой насадки
^ор = 3,16Ре00г,1210вЧ, (7)
—3 3 2
где в = 5,06 • 10 ^ - плотность орошения, м/(м час).
Общее число единиц переноса в формуле (1)
Nor = n!A
Nr
(8)
.. ажР агF
где Nж =-; N = а- - частные числа единиц
ж Vж г ч переноса; аж, аг - коэффициенты теплоотдачи в жидкой и газовой фазах, Вт/(м2 К); -
объемные расходы жидкости и газа, м3/с.
Поверхность контакта фаз F = SHаvфw , м2.
S - площадь поперечного сечения колонны, м2; фw - коэффициент смачиваемости поверхности насадки. При q > 10, фw = 1,0 .
Число Нусельта для вычисления коэффициента
аг [3]:
0 26
МЫг = 0,176Ре0г75 (*ор/2) ' РГг0,33 , (9) где Nuг = агdз/Лг;Prг - число Прандтля; Лг — удельная теплопроводность газа, Вт/(м К).
Массоотдача в жидкой фазе регулярной насадки с шероховатой поверхностью по формулам Холпанова Л.П. [7], но учитывая, что 1/аг<<1/аж, можно принять Ког = N . Тогда число единиц переноса, с коэффициентом теплоотдачи по формуле (9), получит вид
аvHфw
Nor = Nr = 0,175
Re0,25pr0,67'
(10)
где фw - коэффициент смачиваемости поверхности
насадки; при q > 10, фw = 1,0 .
По определению тепловой эффективности охлаждения газа имеем [8]
Е =
t -t
1н,г - 1н,ж
(11)
где ^нг^кг - начальное и конечное значения
температуры газа; 1н ж - начальная температура
жидкости, °С.
Эффективность теплопередачи при известном числе Ыр и А ф 1 равна [6]
ехр(В^) — 1
Е =
exp(BNp) -1/A
(12)
где В = 1 - G/L.
При А = 1 ; Е = Nop/ (l + Nop). (13)
На рис.1 дана расчетная зависимость (12) при охлаждении пирогаза водой (L / G = 5). Насадка IRG; av = 160 м2/м3; £св = 0,98 свободный объем.
Рис. 1 - Зависимость тепловой эффективности охлаждения пирогаза водой в регулярной насадке от высоты слоя. Reог=5300, dэ=0,022 м
Получено, что при Н > 3 м, Е « 100 % , что соответствует данным промышленной работы колонн.
Кроме охлаждения пирогаза важное значение имеет его очистка от дисперсной фазы (смолы, копоть и др.), которая образуется в процессе пиролиза. Для моделирования этого процесса на основе применения миграционной теории переноса [2,3] и моделей структуры потока получено выражения для эффективности очистки в насадочном слое
П =
Сн - С
С
к = 1 -
1 +
utavH wrn
-n
(14)
где С - концентрация частиц; n - число ячеек полного перемешивания, связано с числом Пекле известный зависимостью
n = 0,5Pe2 [Per -1 + ехр (-Рег)] 1; ut - скорость
турбулентной миграции частиц, м/с, может быть вычислена по зависимости Liu и Agarwal: 2
u+ = 6 • 10-4 (т+) , где т+= Tpu2 / Уг;
Tp = d2p4 / (18ргуг) - время релаксации, с; d4 -
диаметр частиц, м; рч - плотность частиц,
кг/м3; u+ = Ut / u* ; u* - динамическая скорость на поверхности контакта фаз, м/с.
u* = 1,85wг (^/2Reoг)0,25 [3].
Из расчетов по формуле (14) следует, что эффективность улавливания частиц из пирогаза, при
1
+
диаметре dч = 3 • 10 6, м (3 мкм) составляет
П = 0,64 (64%), а при dч = 5 • 10-6, м (5 мкм)
П = 0,999 (99,99%). При dч < 3 • 10"6, м эффективность резко снижается.
Расчеты выполнены при Н = 4,0 м и скорости пирогаза wг = 3,5 м/с. Регулярная металлическая насадка ШД. Учитывая, что дальнейшая очистка пирогаза после секции с регулярной насадкой происходит в верхней секции с нерегулярной насадкой «Инжехим», общая эффективность будет составлять
п^ = 1 "(1 -П1)(1 -П2), (15)
где П1 ,П2 - эффективности очистки в нижней и верхней секциях.
Общая эффективность при очистки частиц
dч = 3 • 10-6, м получается равной п^ = 0,85 ; для
частиц dч = 2 • 10-6, м составляет п^ = 0,34 . Учитывается, что более 90% частиц в пирогазе dч > 3 • 10-6, м, то эффективность очистки является удовлетворительной.
После колонн охлаждения и очистки пирогаза загрязненная вода очищается в отстойниках и затем охлаждается в теплообменниках. Для повышения эффективности отстойников разработаны технические решения по модернизации путем установки в них тонкослойных элементов [3,9,10]. После модернизации качество очистки воды повысилась в несколько раз.
Представленные в данной статье уравнения математической модели могут применяться для расчета противоточных насадочных скрубберов в химической технологии.
Статья выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности. Задание №13.405.2014/К.
Литература
1. М.М. Башаров, А.Г. Лаптев Эффективность
охлаждения газов в противоточных насадочных скрубберах // Вестник технологического университета, Т.18, №16, C.111-113 (2015)
2. М.М. Башаров, А.Г. Лаптев Метод единиц переноса для расчета насадочных газосепараторов аэрозолей // Вестник технологического университета, Т.18, № 21, С.43-45 (2015)
3. А.Г. Лаптев, М.М. Башаров Эффективность тепломассообмена и разделения гетерогенных сред в аппаратах нефтегазохимического комплекса. Казань, Центр инновационных технологий, 2016. 344с.
4. А.М.Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов / Под ред. Лаптева А.Г. Казань: Отечество, 2013. 544с.
5. М.М. Башаров, Е.А Лаптева. Модернизация промышленных установок разделения смесей в нефтегазохимическом комплексе. Казань: Отечество, 2013. 297с.
6. В.М. Рамм Абсорбция газов - М.: Химия, 1976. 655с.
7. Е.А. Лаптева, А.Г. Лаптев Прикладные аспекты явлений переноса в аппаратах химической технологии и теплоэнергетики. - Казань: Издательство «Печать Сервис XXI век», 2015. 236с.
8. Л.П. Холпанов, В.Я. Шкадов Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела - М.: Наука, 1990. 271с.
9. А.Г. Лаптев, М.М.. Башаров, А.И. Фарахова Эффективность турбулентной сепарации мелкодисперсной фазы в тонкослойных отстойниках // Энергосбережение и водоподготовка, №5(73) С.43-46 (2011).
10. М.И. Фарахов, А.Г. Лаптев Энергоэффективное оборудование разделения и очистки веществ в химической технологии // Вестник Казанского технологического университета, №9. С.152-158 (2011).
© М. М. Башаров - АО «ТАНЕКО», заместитель генерального директора по техническому обслуживанию и инжинирингу, кандидат технических наук, tvt_kgeu@mail.ru; А. Г. Лаптев - д-р техн. наук, профессор, зав. каф. «Технология воды и топлива», КГЭУ.
© М. М. Basharov - JSC TANECO, deputy general director in charge of maintenance and engineering, candidate of technical sciences (Ph.D.), tvt_kgeu@mail.ru; А. G. Laptev - doctor of technical sciences (D.Sc.), Professor, Chairman of department "Technology of water and fuel", Kazan State Power Engineering University.
