CC BY
12
УДК 66.021.3
А. В. Дмитриев, Р. Р. Ишматов, О. С. Дмитриева
ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОГО УГЛА НАКЛОНА СТРУЙНО-БАРБОТАЖНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСИ
Ключевые слова: контактное устройство, тепломассообменные процессы, угол отклонения.
Развитие тепломассообменных аппаратов связано с разработкой новых контактных устройств. В связи с этим предложено струйно-барботажное контактное устройство. Конструкция представляет собой комплекс центральных и периферийных контактных устройств, расположенных поочередно по высоте аппарата. Дана оценка отклонения устройства от горизонтального положения.
Keywords: contact device, heat and mass transfer processes, the deflection angle.
The development of heat and mass transfer apparatuses associated with the development of new contact devices. In this regard, jet-bubble contact device is proposed. Structure is a complex of the central and peripheral contact devices arranged alternately adjustment apparatus. The deviation of the device from a horizontal position is evaluated.
По планам Министерства экономического развития до 2020 необходимо получить прирост потребления энергии до 85% за счет снижения энергоемкости производств [1]. Нефтехимическая промышленность использует для проведения тепломассообменных процессов такое традиционное массообменное оборудование, как насадочные и тарельчатые массообменные аппараты, имеющие ряд своих достоинств и недостатков. Среди отрицательных сторон можно отметить их невысокий коэффициент полезного действия, связанный с применением перекрестного движения газовой фазы через слой жидкости, когда межфазный контакт происходит в ограниченном слоем жидкости пространстве на тарелке. Однако, это не единственный недостаток подобного режима. Прорыв газами слоя жидкости на тарелке или проход через толщу насадки влечет с собой значительные энергетические затраты, вызванные высоким гидравлическим сопротивлением. При этом, как правило, в традиционных контактных устройствах реализуется лишь один режим контакта, к примеру, это барботажный [2-6]. Поэтому необходима разработка контактных устройств, которые минимизируют недостатки существующих конструкций и будут сочетать разные режимы контакта фаз. Исходя из вышеперечисленных проблем, необходимо провести поиск наиболее рациональных, с точки зрения гидравлических потерь, компоновок контактных устройств, увеличения эффективности массопередачи.
Предложена конструкция контактного устройства [7], состоящая из элементов квадратной или круглой формы с вертикальными стенками. В днище элементов выполнены отверстия круглой формы. Описание работы устройства и результаты определения профилей абсолютных скоростей газа в продольном сечении предлагаемого контактного устройства при различном давлении представлены в работе [8]. Проведя анализ параметров традиционных контактных устройств, можно считать, что предпочтительна компоновка, представленная на рис. 1.
Конструкция представляет собой комплекс центральных и периферийных контактных устройств, расположенных поочередно по высоте аппарата. На днищах и бортах устройств предусмотрены отверстия для стекания жидкости на нижерасположенный уровень. При падении струи жидкости непрерывно контакти-
руют с восходящими потоками газа. Попадая на следующее контактное устройство, струи разбивают слой жидкости на нем, при этом захватывая определенное количество газа, что приводит к интенсивному барботажу в слое. Также струи, падающие с бортовых отверстий центральных устройств, попадают на стенки аппарата, и стекая по ним образуют пленку, непрерывно контактирующую с газом [9].
Рис. 1 - Схема расположения контактных устройств в аппаратах небольшого диаметра: 1 -центральное контактное устройство; 2 - периферийное контактное устройство
В совокупности пленочного, барботажного и струйного межфазного контакта можно судить, что, теоретически, такие устройства будут иметь более высокую эффективность, относительно своих предшественников, использующие, зачастую, только один вид межфазного контакта. Также в разработке данного устройства основным требованием являлось условие равнопроточности - площадь для прохода газа в каждом сечении должна быть равна. Исходя из этого требования, расстояние между нижней точкой центрального контактного устройства и верхней точкой периферийного контактного устройства определяется Л = 0/4, а диаметр центрального контактного устройства определяется:
■ тт
где D - диаметр корпуса аппарата, м.
Расходы жидкости, проходящей через центральные и периферийные устройства должны быть одинаковыми. Следовательно, количество отверстий в них также одинаковое. Но, как известно, на стадии проектирования можно встретить довольно много проблем, связанных с геометрической точностью изготовления аппаратов. Как и для всех тарельчатых аппаратов, для данных контактных устройств важно, чтобы уровень жидкости поддерживался оптимальным, для достижения большей эффективности. Необходимо, чтобы уровень жидкости в любой точке контактного устройства был больше нуля. Для этого должны выполняться условия: для аппаратов небольшого диаметра
"max ■ arCtg ^D для аппаратов большого диаметра
Omax ■ arCtg (2b
где amax - максимальное значение угла наклона контактного элемента к плоскости поверхности жидкости, b - ширина элемента контактного устройства, м. Для определения пространственного расположения струйно-барботажного контактного устройства были получены графические зависимости, представленные на рис. 2 и 3. Размеры контактного устройства 60x60x30 мм, которые расположены друг под другом на расстоянии 90 мм. Уровень жидкости внутри контактного элемента h2 ограничивается высотой борта устройства.
6
5
4
3
2
1
0
а ° "max?
h2/D
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Рис. 2 - Зависимость максимального значения угла наклона контактного элемента к плоскости поверхности жидкости от отношения уровня жидкости в элементе к диаметру аппарата
Параметры газового потока такие, как его давление и скорость, должны быть достаточными для преодоления давления слоя жидкости на струйно-барботажном контактном устройстве, препятствуя при этом ее сте-канию через отверстия в днище. В тоже время проскок жидкости возрастает с увеличением диаметра контактного устройства и отклонением ее от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать так, чтобы жидкость удержи-
валась в контактном устройстве и не уносилась газом за собой.
6
5 4 3 2 1
а ° "max?
h2
2b
0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Рис. 3 - Зависимость максимального значения угла наклона контактного элемента к плоскости поверхности жидкости от отношения уровня жидкости в элементе к ширине элемента
Обычно диаметр отверстий выполняют равным
0.8.3 мм. Отмечено, что входные кромки отверстий в днище контактного устройства практически не влияют на величину гидравлического сопротивления, т.к. при любом варианте из изготовления края остаются достаточно гладкими [10].
Таким образом, полученные исследования помогут в дальнейшем для подбора благоприятных аэродинамических условий для прохода газу, обеспечивая оптимальную величину брызгоуноса.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-60081 мол_а_дк.
Литература
1. Федеральный закон от 23.11.09 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».
2. Б. А. Сокол, А.К. Чернышов, Д. А. Баранов и др. Насадки массообменных колонн. ЗАО «Инфохим», М., 2009. 358 с.
3. А.И. Скобло, И.А. Трегубова, Ю.К. Молоканов Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Химия, Москва, 1982. 584 с.
4. А.К. Панов, Т.Г. Белобородова, Т.А. Анасова, Г.Е. Заи-ков, Пластические массы, № 10, 54-58 (2012).
5. М.И. Фарахов, А.Г. Лаптев, М.М. Башаров, Теоретические основы химической технологии, 49, 3, 247-252 (2015).
6. А. С. Пушнов, А. С. Карпенко, Химическая технология, 16, 9, 557-563 (2015).
7. А.В. Дмитриев, И.Р. Калимуллин, О.С. Дмитриева, Р.Р. Ишматов, Заявка на полезную модель № 2015152723 (081253). Контактное устройство для тепломассообмен-ных процессов. Заявл. 08.12.2015.
8. О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев, Вестник технол. ун-та, 19, 4, 74-76 (2016).
9. А.В. Дмитриев, И.Н. Мадышев, Вестник технол. ун-та, 18, 8, 110-111 (2015).
10. И.А. Александров, Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования. Химия, Москва, 1978. 280 с.
© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ КГЭУ, ieremiada@gmail.com, Р. Р. Ишматов - ассистент кафедры ПАХТ НХТИ КНИТУ», starcount37@gmail.com, О. С. Дмитриева - старший научный сотрудник КГЭУ, ja_deva@mail.ru.
© A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, KSPEU, ieremiada@gmail.com, R. R. Ishmatov - assistant of PAHT, NCHTI KNRTU, starcount37@gmail.com, O. S. Dmitrieva - the senior researcher, KSPEU, ja_deva@mail.ru.
