CC BY
26
УДК 66.021.3/4
И. Н. Мадышев, О. С. Дмитриева, А. В. Дмитриев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОБРАЗУЮЩИХСЯ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЕЙ В СТРУЙНО-БАРБОТАЖНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Ключевые слова: барботаж, контактное устройство, массообмен, струя, лопатка.
Предложено струйно-барботажное контактное устройство для массообменных аппаратов. Разработка новых контактных устройств позволяет увеличить эффективность тепломассообменных процессов, что в свою очередь способствует снижению эксплуатационных затрат на электроэнергию. Реализация новых технологических решений в области техники и технологии позволит решить данную проблему. Разрабатываемые контактные устройства используют энергию жидкости, стекающей сверху вниз, что снижает гидравлическое сопротивление по паровой (газовой) фазе.
Keywords: bubbling, contact device, mass transfer, jet, blade.
Proposed is a jet-bubbling contact device for mass-transfer apparatus. The development of new of contact devices can increase the efficiency of heat and mass transfer processes, which helps to reduce operating expenses for electricity. Using new technologies in the field of engineering and technology will solve this problem. Developed delivery devices use energy of the liquid, flowing downwards, which reduces the flow resistance for the vapor (gas) phase.
В современной химической,
нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности используются разнообразные конструкции контактных элементов [1-3], отличающихся своими эксплуатационными параметрами. Реализуя выбор контактного элемента, его типа, как правило, учитывают такие показатели, как гидравлическое сопротивление,
производительность, рабочие нагрузки по фазам, эффективность, стойкость к агрессивным средам, металлоемкость, простота конструкции, удобство изготовления, монтажа и ремонта [4].
Важен и принцип контактного устройства, так различают тарельчатые и насадочные. При этом тип контактного устройства оказывает наибольшее влияние на гидродинамику, процессы тепло- и массообмена и габариты аппарата [5].
Используемые в настоящее время тарельчатые и насадочные контактные устройства имеют ряд недостатков. Например, в тарельчатых колонных аппаратах необходимо предусматривать зоны сепарации, которые существенно увеличивают объем аппарата, и, как следствие, металлоемкость. Кроме того, увеличение высоты аппаратов приводит к росту энергетических затрат на подъем жидкости. В насадочных колоннах наблюдается неравномерность распределения жидкости и газа (пара) по поперечному сечению аппарата, что значительно может снизить эффективность массообменных процессов. Также существует проблема уноса капель жидкости газовым потоком, что может привести к «захлебыванию» колонны.
С целью устранения указанных недостатков авторами статьи разработаны струйно-барботажные контактные устройства [6, 7], представленные на рис. 1. Контактное устройство представляет собой радиальные треугольные лопатки 1, соединенные с горизонтальной осью 2, которая установлена на перфорированной тарелке 3. Причем в отверстиях тарелки 3 установлены переливные патрубки 4, предназначенные для стекания потока жидкости с вышележащей тарелки. Радиальные лопатки 1
имеют две боковые и одну нижнюю стенки. При этом с целью увеличения удельной площади поверхности контакта фаз и организации свободно стекающих струй по периметру на конце радиальных лопаток 1 предусмотрены прорези треугольной формы. Предлагаемое струйно-барботажное контактное устройство работает следующим образом. Жидкость с вышележащей тарелки поступает в переливные патрубки 4 через отверстия, выполненные в тарелке 3, при этом поток жидкости создает крутящий момент на горизонтальной оси 2 струйно-барботажного контактного устройства и приводит к его вращению. Газ, поступающий с нижележащей тарелки, заполняет верхнюю его часть. При вращении струйно-барботажных контактных устройств радиальные лопатки 1 захватывают объем газа. Газ, находящийся внутри лопаток 1, погружается в слой жидкости, где происходит барботирование вытесняемого объема через слой жидкости в виде пузырьков. Когда объем газа станет равным нулю, лопатки 1 захватывают жидкость, которая при дальнейшем вращении контактных элементов стекает струей на поверхность потока жидкости. Стоит заметить, как в переливных устройствах настоящего аппарата восходящие потоки газа взаимодействует с нисходящими струями жидкости, образующимися сливной регулирующей планкой с треугольными прорезями.
Отличительной особенностью
предложенных авторами статьи устройств является интенсивный противоточный контакт между газом и жидкостью в каждом контактном элементе. Такой способ взаимодействия газа и жидкости существенно увеличивает коэффициенты массоотдачи, следовательно, повышает
эффективность протекающих в аппарате процессов. Кроме того, предлагаемые контактные устройства обладают низким гидравлическим сопротивлением, т.к. поток газа не расходует энергию на контакт с потоком жидкости. Таким образом, можно констатировать, что применение разработанных
струйно-барботажных контактных элементов позволит существенно снизить энергетические затраты на проведение массообменных процессов.
1 А. ± 1
Г Л~ Г Г
Рис. 1 - Схематичный вид массообменного аппарата со струйно-барботажными
контактными устройствами: 1 - радиальные лопатки; 2 - горизонтальная ось; 3 -перфорированная тарелка; 4 - патрубок
Ступени струйно-барботажных аппаратов образуются из контактных элементов одного размера, их количество задается по производительности аппарата. Такое
конструктивное оформление исключает
необходимость решения вопроса масштабного перехода, что позволит разработать любой аппарат с заданной производительностью без потерь в эффективности.
В связи с тем, что интенсивность и эффективность массообменных процессов в основном определяется гидродинамической структурой взаимодействующих фаз, авторами настоящей статьи были проведены экспериментальные исследования
гидрогазодинамики струйно-барботажного
контактного устройства.
Целью проводимых экспериментальных исследований было определение размеров образующихся газовых пузырей. Исследования гидрогазодинамики проводились в струйно-барботажном контактном устройстве, внутренний диаметр цилиндрического барабана которого - 192 мм, длина барабана - 15 мм, расстояние от оси барабана до угла лопатки - 65 мм, вылет лопатки -15 мм, количество лопаток - 12. Схема научной экспериментальной установки для исследования взаимодействия жидкости и газа представлена в работе [8].
Экспериментальные исследования
проводили на системе вода-воздух при температуре 20°С, при этом уровень жидкости в контактном устройстве изменялся в пределах 30-65% от внутреннего диаметра барабана. Газожидкостные характеристики струйно-барботажного контактного устройства определялись фотографическим методом. Условный диаметр образующегося газового пузыря можно определить из выражения С = (45/п)1/2, где 5 - площадь проекции
образующегося газового пузыря, м2.
Исследования работы струйно-
барботажного контактного устройства показали, что на размеры образующихся газовых пузырей оказывают влияние уровень жидкости в контактном устройстве и месторасположение образующихся пузырей. Для определения месторасположения образующихся пузырей часть струйно-барботажного контактного устройства,
расположенная ниже его оси, была условно разделена на 4 сектора - каждый по 45°.
На рис. 2 представлены экспериментальные данные зависимости среднего диаметра с образующихся газовых пузырей от номера сектора N. Как видно из рис. 2, в первом секторе пузырей нет, максимальный диаметр образующихся пузырей соответствует 3-ему сектору контактного устройства. К 4-ому сектору средний диаметр образующихся газовых пузырей уменьшается, так как уменьшается объем газа, находящийся в лопатках [9]. В целом, при уменьшении уровня жидкости в контактном устройстве наблюдается уменьшение среднего диаметра образующихся пузырей на 3-21%.
14
12 10 8
6
Рис. 2 - Изменение среднего диаметра образующихся газовых пузырей d в зависимости от номера сектора N при разности между поверхностью потока жидкости и осью вращения барабана ДЛ, м: 1 - -0,0384; 2 - 0; 3 - 0,0288
Следует отметить, исследования показали, что применение разработанных контактных устройств для проведения процессов разделения и очистки жидких, газовых и паровых смесей является перспективным, так как они смогут обеспечить высокую эффективность работы массообменных аппаратов при относительно невысоких энергетических затратах.
Литература
1. А.В. Дмитриев, О.С. Макушева, К.В. Дмитриева, А.Н. Николаев, Химическое и нефтегазовое машиностроение, 5, 19-21 (2011)
2. А.В. Дмитриев, О.С. Макушева, Н.А. Николаев, М.Г. Гарипов, Патент 87103 Российская Федерация, № 2009121974/22; заявл. 08.06.2009; опубл. 27.09.2009, Бюл. № 27. - 2 с.
3. О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев, Патент 96786 Российская Федерация, № 2010115464/05; заявл. 19.04.2010; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 23. - 2 с.
4. А.И. Скобло, Ю.К. Молоканов, А.И. Владимиров, В.А. Щелкунов, Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, Москва, 2012. 725 с.
5. А.С. Пушнов, А.С. Соколов, М.М. Бутрин, Известия Московского государственного технического университетаМАМИ, 4, 1 (15), 237-242, (2013)
6. И.Н. Мадышев, Г.Х. Гумерова, А.Н. Николаев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Заявка на полезную модель № 2014149169 (079099), заявл. 05.12.2014
7. Р.Р. Ишматов, И.Н. Мадышев, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 166-167 (2014)
8. И.Н. Мадышев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 23, 159-161 (2013)
9. И.Н. Мадышев, А.Н. Николаев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Промышленная энергетика, 11, 17-20 (2014)
© И. Н. Мадышев - аспирант кафедры МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», О. С. Дмитриева - доцент каф. ПАХТ Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», ja_deva@mail.ru, А. В. Дмитриев - зав. кафедрой МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», ieremiada@gmail.com.
© I N. Madyshev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU, О. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT chair, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru, A. V. Dmitriev - the head of MAHP chair, NCHTI KNRTU, ieremiada@gmail.com.
