CC BY
33УДК 66.023.532.525.3
В.К. Леонтьев, М.А. Барашева
РАСЧЕТ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ЭЖЕКЦИОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ
(Ярославский государственный технический университет) e-mail: leontevvk@ystu.ru; barashevama@ystu.ru
Представлено описание принципа действия газожидкостного аппарата с эжек-ционным диспергированием газа. Предложена методика расчета диаметра газожидкостных эжекционных аппаратов для процесса абсорбции.
Ключевые слова: газожидкостной эжекционный аппарат, процесс абсорбции, диспергирование, метод расчета, число единиц переноса, высота единиц переноса
В химической, нефтехимической, микробиологической и других отраслях промышленности широко распространены массообменные аппараты для проведения процессов смешения, абсорбции, газожидкостных химических реакций. Дальнейшее развитие технологий обработки жидкостей газами неразрывно связано с разработкой новых газожидкостных аппаратов, превосходящих существующие по эффективности и надежности в эксплуатации.
Газожидкостные эжекционные аппараты на сегодняшний день находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Такие аппараты предназначены для создания технического вакуума, откачивания и перекачивания газообразных сред, парогазовых и водогазовых смесей. Они используются в энергетике, металлургии, химической, нефтяной и газовой промышленности в качестве газоотводящих аппаратов, вакуумных насосов, смесителей газовых, жидких и газообразных сред, гидрокомпрессоров. В технике существует целый ряд производств, проведение технологического процесса в которых возможно только при условии применения таких аппаратов. Например, в химической промышленности они используются для удаления газов из вакуум-холодильных и вакуум-кристаллизационных аппаратов при осуществлении процессов дистилляции, процессов сушки и выпаривания, в системах улавливания легких фракций в процессе транспортировки и распределения бензинов. Широко применяются газожидкостные эжекционные аппараты в энергетике при вакуумировании конденсаторов паровых турбин. Так же эжекционные струйные аппараты применяются в пищевой промышленности, где одновременно с функцией перекачивания жидкостей ими выполняется функция смешения различных сред. Эжекционные аппараты хорошо зарекомендовали себя при возможности осуществления бескомпрессорного газлифта.
Столь широкое распространение газожидкостных эжекционных аппаратов в технике обусловлено их конструктивной простотой, отсутствием подвижных частей, возможностью размещения в труднодоступных местах. Так же к достоинствам можно отнести стабильный режим работы аппаратов и отсутствие срывов подачи эжекти-руемой среды, возможность перекачки жидких и газовых сред без дополнительного насосного или компрессорного оборудования. Эжектор не изнашивается в процессе работы, поэтому он в некотором смысле не имеет ограничений по сроку эксплуатации.
Нами была сделана попытка изучения применения газожидкостных эжекционных аппаратов для проведения процесса абсорбции для хорошо растворимых газов. Экспериментальные исследования, проведенные на системе ^02 + воздух) - вода дали положительные результаты. Поэтому целью данной работы является создание методики расчета газожидкостных эжекционных аппаратов для проведения процесса абсорбции.
Конструкция газожидкостного эжекцион-ного аппарата представлена на рисунке. Жидкость насосом 6 под давлением подается в распылитель жидкости 3, распыляется и засасывает газ, поступающий в эжекционную камеру 2. Образовавшаяся газожидкостная смесь проходит через смеситель 4, где происходит интенсивное перемешивание газа с жидкостью. В смесителе происходит первая фаза контакта жидкости и газа, обусловленная развитой поверхностью распыленной жидкости. В зависимости от режима работы смесителя, его геометрических параметров и перепада давления на распылителе, в смесителе может образовываться газожидкостный двухфазный поток с различным соотношением жидкости и газа. Двухфазный поток может быть с дисперсной жидкой, либо газовой фазой. При определенных условиях может происходить инверсия фаз в самом
смесителе, и газовая фаза становится дисперсной. Подобный режим работы наиболее эффективен ввиду того, что в момент инверсии наблюдается наибольшее значение коэффициента массопередачи. При выходе из смесителя газожидкостной поток с большой скоростью ударяется о диспергатор 5. При ударе газожидкостного потока о диспергатор газовые пузырьки дробятся, в результате чего происходит вторая стадия контакта газа с жидкостью.
Я„ = -
G fY, dY
K y Sa
Y - Y*
■ = hoy «oy'
(1)
компонента в газе, поступающем в аппарат, кмоль/кмоль инертного газа; Ук - относительная молярная концентрация компонента в газе, выходящем из аппарата, кмоль/кмоль инертного газа; Иоу - высота единицы переноса, м; поу - число единиц переноса.
Площадь поперечного сечения аппарата может быть выражена через его диаметр:
пБ 2
S = -
(2)
4
где Dan - диаметр аппарата, м.
С учетом того, что для газожидкостного эжекционного аппарата D3n=Ho, формулу (1) преобразуем в следующее выражение:
4G j К dY (3)
Dan =-
K y D a" - Y - Y*
Из формулы (3) выразим диаметр аппарата:
Dan = 3
V
4G rY„ dY
(4)
Kyna к Y - Y*
Рис. Схема газожидкостного эжекционного аппарата: 1 - корпус аппарата; 2 - эжекционная камера; 3 - распылитель жидкости; 4 - смеситель; 5 - диспергатор; 6 - центробежный насос
Fig. Scheme of gas-liquid ejection device: 1 - device body; 2 - ejection chamber; 3 -liquid sprayer; 4 - mixer; 5 - disperser;
6 - centrifugal pump
Основными величинами, определяемыми при проведении технологических расчетов массо-обменных аппаратов, являются диаметр аппарата, определяющий его производительность, и высота, определяющая интенсивность протекающих в нем процессов.
Для газожидкостного эжекционного аппарата необходимо рассчитать только диаметр аппарата, т.к. для него высота рабочей части равна диаметру [1].
Для расчета высоты рабочей части массо-обменного аппарата можно использовать модифицированное уравнение массопередачи [2]:
При этом число единиц переноса рассчитывается графическим интегрированием.
Высота единиц переноса определяется по формуле:
G
-. (5)
K у Sa
Для расчета коэффициента массопередачи используется уравнение:
1
hoy =■
K y =
1 m
— + —
ßy ßx
(6)
где ßy, ßx - коэффициенты массоотдачи, соответ-
фазе,
y
ственно,
газовои
и
жидкои
m -
кмоль/(м -с-(кмоль/кмоль инертного газа)); коэффициент распределения.
Для расчета коэффициентов массоотдачи (по аналогии с процессом экстракции [3]) используются критериальные уравнения [4]:
- в жидкой (сплошной) фазе:
тх = 1,13РеХ'5;
- в газовой (дисперсной) фазе:
( \
(7)
Nu y = 0'65Pey,5
1
^x
(8)
где Ho - высота рабочей части аппарата, м; G -мольный расход газа, кмоль/с; Щ - коэффициент массопередачи, кмоль/(м2-с-(кмоль/кмоль инертного газа)); S - площадь поперечного сечения аппарата, м2; a - удельная межфазная поверхность, м2/м3; Ун - относительная молярная концентрация
где N4х и N4у - критерий Нуссельта, соответственно, в сплошной и дисперсной фазе; Pex и Pey -критерий Пекле, соответственно, в сплошной и дисперсной фазе, цх, ц - динамические коэффициенты вязкости, соответственно, для жидкой и газовой фазы, Па-с.
Y
Nu =
Dr
(9)
где I - определяющий размер, м; Вг - коэффициент диффузии в соответствующей фазе. Отсюда
в = —. (10)
В
Критерий Пекле определяется по уравнению:
(11)
P = • dn
Вг
где w- скорость относительного движения фаз, м/с; йп - средний диаметр пузыря, м.
Средний диаметр пузыря рассчитывается по полученной ранее формуле [5]:
d n = ( 0,36 ■ 0,84 )-
ст0,6ф0,55
Р
0,2
( V N
(12)
V
V ж у
где с - поверхностное натяжение, Н/м; ф - газосодержание; рж - плотность жидкой фазы, кг/м ; Ш¥ж - удельная вводимая мощность, определяется по рабочей диаграмме [6]; N - мощность, вводимая в аппарат, Вт; Уж - объем жидкости в аппарате, м3.
Мощность, вводимая в аппарат, определяется по формуле:
N = РФЯЖ, (13)
где РФ - давление на форсунке, Па; Qж - расход жидкости через форсунку, м3/с.
Расход жидкости через форсунку определяется по формуле:
п ф
Qж = ^р —
4 1
2P
(14)
Рж
где цр - коэффициент расхода через форсунку, цр=0,73; йф - диаметр форсунки, м.
Объем жидкости в аппарате с учетом того, что Вап=Н0, определяется по формуле:
V = .
Удельная межфазная поверхность определяется по формуле:
а = 6ф/йп, (17)
тогда с учетом формулы (12)
,„0,45 „0,2
ф Рж
( N V
a = (7,1 ■ 16,7)-
V
V ж У
(18)
а
(15) 4
Скорость относительного движения фаз для режима деформированных эллипсоидальных капель и пузырей Ишии и Зубер [6] рекомендуют определять по формуле:
ч0,25
, (16)
w = 72 |ЯсАрр2
ч / Рж
где g - ускорение свободного падения, м/с2; Ар=рж - рг - разность плотностей сплошной (жидкой) и газовой фаз, кг/м3.
Расчет проводили методом последовательных приближений.
На основе предложенной методики был проведен расчет процесса абсорбции SO2 из смеси с воздухом водой для газожидкостного эжекцион-ного аппарата и насадочной колонны для расхода газовой смеси 1000 кг/ч. Для эжекционного аппарата H=D3n = 1,5 м, для насадочной колонны D3n =0,6 м, Н=8 м. Рассчитанный газожидкостной эжекционный аппарат значительно компактней, чем насадочная колонна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галицкий И.В. Исследование гидродинамики и массо-обмена в реакторах с эжекционным диспергированием газа. Дис. ... к.т.н. М.: МГУ тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова. 1978. 202 с.;
Galitskiy IV. The study of hydrodynamics and mass transfer in a reactor with ejection gas dispersion. Dissertation for candidate degree on technical sciences. M. MITHT. 1978. 202 p. (in Russian).
2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Изд. третье. М.: Химия. 1987. 540 с.;
Planovskiy A.N., Nikolaev P.I. Process and devices of chemical and petrochemical technology. Izd. third. M.: Kimiya. 1987. 540 p. (in Russian).
3. Волченков А.Н., Леонтьев В.К. // Тез. докл. Шестьдесят четвертой региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и магистрантов высших учебных заведений с международным участием. Ярославль: Изд-во ЯГТУ. 2011. 133 с.;
Volchenkov A.N., Leontiev V.K. // Abstracts of LXIV regional scientific-technical conference of students, graduates and undergraduates of higher educational institutions with international participation. Yaroslavl: Izd YAGTU. 2011. 133 p. (in Russian).
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 15-е изд. М.: Альянс. 2009. 759 с.; Kasatkin A. G. The basic processes and devices of chemical technology. Izd. fifteenth. M.: Alliance. 2009. 759 p. (in Russian).
5. Абрамова Т.Е., Леонтьев В.К., Шалыгин Е.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 7. С. 118-121;
Abramova T.E., Leontiev V.K., Shalygin E.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 7. P. 118-121 (in Russian).
6. Ishii M., Zuber N. // AIChE J. 1979. V. 25. N 5. P. 843-855.
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
