CC BY
15
УДК 66.021.3/4
А. В. Дмитриев, А. Н. Логинова, О. С. Дмитриева
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУЙНО-БАРБОТАЖНОГО КОНТАКТНОГО УСТРОЙСТВА НА ЕГО МАССУ
Ключевые слова: масса, барботаж, контактное устройство, металлоемкость.
Струйно-барботажные устройства имеют ряд преимуществ и особенностей эксплуатации в технологических условиях. При выборе оптимальной конструкции струйно-барботажных контактных устройств необходимо учитывать жесткость каркаса.
Keywords: weight, bubbling, contact device, metal content.
Jet-bubble contact devices have a number of advantages and features of operation in industrial conditions. When selecting the optimal design ofjet-bubble contact devices must take into account the stiffness of the frame.
Достижение максимальной эффективности и интенсивности тепломассообменного процесса является одной из приоритетных задач в разработке новых контактных устройств для тепломассообменных аппаратов. В настоящее время известны различные конструкции контактных устройств. Каждые из них имеют свои достоинства и недостатки, которые в той или иной степени удовлетворяют требованиям современного химического и нефтехимического производства. Насадочные контактные устройства обладают более низким гидравлическим сопротивлением и большей пропускной способностью. В тарельчатых аппаратах движение потоков более организовано и путем совершенствования конструкции тарелок можно достигнуть их достаточно высокой эффективности [1]. Для осуществления прямого взаимодействия фаз друг с другом используют аппараты барботажного типа. При этом барботажные контактные устройства обладают рядом преимуществ и особенностей эксплуатации, таких как формирование большой площади контакта фаз, ограничение скорости движения потока газа без уноса жидкости, слияние пузырей газа в жидкости, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления, неустойчивость работы при частичных нагрузках и др. [2, 3].
Рис. 1 - Вид разработанного контактного устройства для тепломассообменных процессов (вид спереди с косым срезом): 1 - сливной стакан, 2 - стержень, 3 - отверстия
Поиски путей интенсификации
тепломассообменных процессов в системах газ-жидкость привели к разработке принципиально новых
аппаратов со струйно-барботажными контактными устройствами [4-6]. Предлагаемое контактное устройство (рис. 1) [7, 8] состоит из сливных стаканов 1, имеющих вертикальные стенки, необходимые для поддержания уровня жидкости внутри них. Стаканы 1 в каждом ряду соединены между собой с помощью стержней 2 круглого поперечного сечения, открыты с верхнего своего конца, а днище снабжено некоторым множеством отверстий 3, необходимых для слива жидкости на расположенный ниже сливной стакан 1.
Разработанное авторами настоящей статьи струйно-барботажное контактное устройство для тепломассообменных процессов работает следующим образом. Жидкость через отверстия 3, выполненные в днище сливных стаканов 1, стекает в виде струй на расположенный ниже сливной стакан 1. Причем в указанных сливных стаканах 1 поддерживается уровень жидкости за счет наличия вертикальных стенок сливных стаканов. Сливные стаканы 1 располагают горизонтально в шахматном порядке, образуя тарелку. При этом ниже расположенная тарелка имеет смещение стаканов, формируя шахматное их расположение по вертикали. По этой причине, газ, поступающий снизу под тарелку, приобретает зигзагообразный характер движения (рис. 2).
При движении струй жидкости происходит их распад с образованием множества капель. Последние, соударяясь о поверхность жидкости, находящейся внутри стаканов 1, разлетаются в разные стороны брызгами. Таким образом, создается развитая постоянно обновляющаяся поверхность контакта фаз, которая определяется наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями с поверхности. Кроме того, восходящий поток газа контактирует с падающими струями или каплями жидкости, при этом образуется вторая зона контакта газа и жидкости. Принимая расстояние между сливными стаканами на одном уровне, равными ширине сливного стакана, обеспечивается равнопроточность для прохода газа, что приводит к снижению гидравлического сопротивления предлагаемого струйно-барботажного контактного устройства. Для обеспечения максимальной
эффективности тепломассообменных процессов сливные стаканы в поперечном сечении имеют форму квадрата.
Стержни 2 могут удерживать требуемое количество сливных стаканов 1. Стержни 2 закреплены шарнирно по концам на противоположных стенках корпуса тепломассообменного аппарата, располагаясь в одном слое на одинаковом горизонтальном уровне. Расстояния между соседними стержнями 2 определяются размерами сливных стаканов 1 контактного устройства.
Выбор конструкции контактного устройства при проектировании аппарата зависит от его диаметра, осуществляется путем подбора оптимального количества сливных отверстий без потери жесткости днища сливного стакана и конструкции устройства в целом. С целью определения жесткости стержней, удерживающих сливные стаканы, была разработана компьютерная программа в Visual Basic, с помощью которой моделируется жесткость несущих элементов контактных устройств массообменного аппарата. В результате вычислительного эксперимента получены модельные прогибы сливного стакана в интересующих точках. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что компьютерная модель позволяет адекватно описывать процесс сопротивления действию нагрузки при работе контактного устройства с точки зрения необходимой жесткости. Однако данная программа работает только при заданной массе контактных устройств.
Руководствуясь базовыми параметрами для определения массы контактных устройств (диаметр сливных отверстий d0 = 5 мм; ширина струйно-барботажного элемента b = 60 мм; уровень жидкости в одном элементе h2 = b/4; толщина листа металла, из которого изготовлен сливной стакан струйно-барботажного контактного устройства 5c = 0,6 мм; количество сливных отверстий в элементе n0 = 9) были определены уравнения для вычисления массы самого контактного устройства и жидкости внутри него.
Масса одного сливного стакана струйно-барботажного контактного устройства определяется по формуле:
(
mc =
3b 2 -
\
nn
5 Pc, кг
где Ь - ширина струйно-барботажного элемента, м; сС0 - диаметр сливных отверстий, м; п0 - количество сливных отверстий в элементе; 5С - толщина листа металла, из которого изготовлен струйно-барботажный контактный элемент, м; рс - плотность листа металла, из которого изготовлен струйно-барботажный контактный элемент, кг/м3.
Масса жидкости внутри сливного стакана струйно-барботажного контактного устройства определяется по формуле:
т1 = Ь2Л2 р1, кг
где Р)_ - плотность жидкости, кг/м3.
Оценочные расчеты проводились для системы воздух-вода при температуре 20°С, при различных геометрических параметрах контактного устройства. В качестве материала исполнения сливных стаканов разработанного авторами статьи контактного
устройства была выбрана нержавеющая сталь с плотностью рс = 7900 кг/м .
Результаты исследований показали, что количество отверстий не оказывает существенного влияния на массу, как самого устройства, так и на массу жидкости в нем (рис. 2).
160 140 -120 -100 80 -60 40
20 .
Ь, мм
0 -I-1-г
40 55 70 85 100 Рис. 2 - Зависимость массы жидкости в сливном стакане струйно-барботажного контактного устройства (линии 1, 2, 3) и массы одного стакана (линии 4, 5, 6) от его ширины и количества отверстий в нем, n0: 1, 4 - 4;2, 5 - 9; 3, 6 - 16
Так же очевидно, что масса жидкости увеличивается пропорционально с увеличением размеров сливных стаканов (рис. 2).
250
200 -
150
100 -
50
0
*
-х- '
Ь, мм
-I-
40 55 70 85 100 Рис. 3 - Зависимость массы жидкости в сливном стакане струйно-барботажного контактного устройства (линия 1) и массы одного стакана (линии 2, 3, 4) от его ширины, толщины листа металла, из которого он изготовлен бс, мм: 1 - 4;
2 - 0,3; 3 - 0,5; 4 - 1
Как видно из графика (рис. 3), максимальное значение массы сливного стакана приходится на линию 4 при толщине листа 1 мм, минимальная на линию 2 при толщине листа 0,3 мм. При этом с увеличением ширины сливного стакана увеличивается и металлоемкость (рис. 3).
Таким образом, можно сделать вывод, что применение для изготовления устройств из листа стали наименьшей толщины, при сохранении размеров самого устройства шириной в пределах 55-
85 мм, при максимальном количестве отверстий на дне коробки, приводит к уменьшению массы устройств. Оптимальная масса устройства вместе с жидкостью в нем составляет 50-100 грамм. Данные значения являются наиболее приемлемыми для программы, рассчитывающей жесткость стержней, на которых закреплены сливные стаканы и в дальнейшем могут использоваться при проектировании данных струйно-барботажных контактных устройств.
Литература
1. А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов, Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов, Казань, 2013. 454 с.
2. И.И. Борисов, А.А. Халатов, Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 3, 84-89 (2008).
3. В.П. Жуков, Е.В. Барочкин, А.Ю. Ненаездников, А.Н. Беляков, А.Н. Росляков, Вестник Ивановского гос. энергетич. ун-та, 4, 12-16 (2012).
4. O.S. Dmitrieva, A.V. Dmitriev, A.N. Nikolaev, Chemical and Petroleum Engineering, 50, 3-4, 169-175 (2014).
5. Пат. РФ 2559496 (2015). Тепломассообменный аппарат, Дмитриев А.В., Дмитриева О.С., Мадышев И.Н., Николаев А.Н.; заявл. 14.04.2014; опубл. 10.08.2015, Бюл. № 22. - 8 с.
6. A.V. Dmitriev, I.R. Kalimullin, N.A. Nikolaev, Chemical and Petroleum Engineering, 47, 1, 87-92 (2011).
7. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, Г.С. Сагдеева, А.Н. Николаев, Заявка на полезную модель № 2015119123, заявл. 30.04.2015.
8. Г.Х. Гумерова, А.В. Дмитриев, И.Н. Мадышев, Вестник технологического университета, 18, 10, 105-107 (2015).
9. О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, А.В. Дмитриев, Вестник технологического университета, 18, 9, 147-149 (2015).
© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», ieremiada@gmail.com, А. Н. Логинова - аспирант кафедры ТОТ ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», anastasiya2915@mail.ru, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ».
© A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY, ieremiada@gmail.com, A. N. Loginova - the graduate student of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, Kazan State Power Engineering University, anastasiya2915@mail.ru, O. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru.
