Сравнительная характеристика контактных насадок в декарбонизаторах и термических деаэраторах ТЭС Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.311.22

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНТАКТНЫХ НАСАДОК В ДЕКАРБОНИЗАТОРАХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕАЭРАТОРАХ ТЭС

Е.А. Лаптева, Г.К. Шагиева, А.Г. Лаптев

Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия

tvt_kgeu@mail.ru; h.g.ka@mail.ru

Резюме. В работе на основе ячеечной модели получено выражение для расчета высоты слоя насадки по заданной эффективности очистки воды. Представлены выражения для расчета коэффициентов массоотдачи и числа ячеек. Проведено сравнение нескольких типов регулярных и нерегулярных насадок и на основании расчетов показан выбор наиболее эффективной насадки для очистки воды от коррозионно-активных газов в деаэраторах и декарбонизаторах ТЭС.

Ключевые слова: регулярная насадка; нерегулярная насадка; ячеечная модель; высота слоя насадки; эффективность очистки воды; декарбонизация; деаэрация.

COMPARATIVE CHARACTERISTIC OF CONTACT ELEMENTS IN WATER TREATMENT APPARATUS FROM DISSOLVED GASES

E. Lapteva, G .Shagieva, A. Laptev

Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia

tvt_kgeu@mail.ru; h.g.ka@mail.ru

Abstract. In work on the basis of a cell model, an expression is obtained for calculating the height of the nozzle layer for a given water purification efficiency. A comparison of several types of regular and irregular nozzles was made and, based on calculations, the best choice was made for water purification from corrosive gases in deaerators and calciner.

Keywords: Regular nozzle, Irregular nozzle, Cell model, Height of the nozzle layer, Water treatment efficiency, Decarbonization, Deaeration.

Введение

Для очистки воды от растворенных коррозионно-активных газов на ТЭС в основном используется метод десорбции, реализуемый в аппаратах пленочного, барботажного, струйного и комбинированного взаимодействия с воздухом или водяным паром [1-6]. В данной работе для выбора наиболее эффективных конструкций регулярных насадок рассмотрена ячеечная модель и получено выражение для расчета высоты слоя насадки по заданной эффективности очистки воды.

Математическая модель Ячеечная модель, наряду с диффузионной наиболее адекватно описывает структуру потока в аппаратах при условии равномерной подачи газа и жидкости в насадочный слой. Учет возможных неравномерностей первоначального распределения фаз является отдельным предметом исследования. Далее рассматривается режим противотока при пленочном течении жидкости по насадке. Известно, что при десорбции труднорастворимых газов основное сопротивление

33

массопередачи сосредоточено в жидкой фазе и тогда коэффициент массопередачи равен коэффициенту массоотдачи в жидкости. В таком случае выражение для расчета эффективности процесса с применением ячеечной модели имеет вид [5]

Еж = Сн Ск = 1 - (1 + Иж / п)-п, С - С*

Сн С

(1)

где Сн, Ск - начальная и конечная концентрация растворенного газа в воде; С -равновесная концентрация; Мж - число единиц переноса в жидкой фазе; п - число ячеек полного перемешивания.

В водоподготовке концентрацию С принято выражать мг/кг или мг/л. Число единиц переноса для насадки запишем в виде

^ж =

Рж^ в ж ^ НУ У

к

(2)

где вж - коэффициент массоотдачи, м/с; Е - поверхность контакта фаз, м2; Уж -объемный расход жидкости, м3/с; ^ - удельная поверхность насадки, м2/м3; Н -высота слоя насадки, м; - коэффициент смачиваемости поверхности; иж = ¥ж / Б - средняя скорость жидкости на полное сечение аппарата, £, м2 (без насадки).

Выражение (1) с Мж (2) получит вид

(

Еж = 1 -

1 +

в ж ^ HVw

V

пи.

(3)

ж у

Отсюда при заданной эффективности очистки воды (в большинстве случаев достаточно Еж = 0,96 0,98) запишем высоту насадки

ижп Н = ■ ж

Рж

1

(1 - Еж) п -1

(4)

Основными параметрами в данных выражениях являются коэффициент массоотдачи Рж и число ячеек п. Коэффициент смачиваемости при больших плотностях орошения (>40 м 3/м2ч) можно принять = 1.

Число ячеек п связано с модифицированным диффузионным числом Пекле [7]

Ре

Ре (5)

2[ Ре -1 + ехр(-Ре)]'

где Ре = исрI / Оп; I - характерный размер, м; иср - средняя скорость среды, м/с; Оп

- коэффициент обратного перемешивания, м2/с. Для насадок так же записывают Ре = qdэ / О есв; где q - плотность орошения, м3/м2с; dэ - эквивалентный диаметр

насадки, м; есв - удельный свободный объем слоя.

Отмечено [7], что по данным различных авторов наблюдается довольно значительный разброс (до 2х и более раз) по значениям Ре для однотипных насадок. Обобщённое выражение для числа Пекле в газовой фазе Реэ получено с применением модели Тейлора и имеет вид [8]

Реэ = ^ = 0,52(Яег / ^)0'25, (6)

где Яег = w dэ / V - число Рейнольдса; - коэффициент гидравлического сопротивления насадки; ^ - скорость газа в слое, м/с; V - коэффициент

кинематической вязкости газа, м 2/с;

Записывая значение Реэ= ^^И / £>п, где в качестве характерного размера

применяется высота слоя Н, имеем

Рен = 0,52 И (Яег / £)°'25. (7)

Тогда число ячеек в газовой фазе по высоте слоя можно вычислить по формуле (5).

Конечно, числа Пекле в жидкой фазе (пленке) и в газовой фазе не совпадают, но имеют один и тот же порядок. Причем чаще Реж > РеТ. Поэтому примем наихудшее условие - расчет п по числу Пекле в газовой фазе (7).

Довольно сложной задачей является достоверное определение коэффициента массоотдачи в жидкой фазе для насадок различных конструкций, тем более разработанных за последние годы. Известно большое количество эмпирических и полуэмпирических формул [7; 9].

Так, в частности, для насадочных колонн с нерегулярными кольцевыми насадками на основе выражения Вязова получено уравнение, которое дает удовлетворительные результаты по массоотдаче в жидкой фазе при ламинарном безволновом пленочном течении [9]:

Рж = 0,68

Чау Уw °ж (8)

8 све жд

2

где £>ж - коэффициент диффузии компонента, м/с ; е жд - динамическая задержка

жидкости в слое насадки.

Уравнение (8) дает удовлетворительные результаты при ёэ < 0,015 м, При

ёэ > 0,015 м, а значения рж по (8) меньше экспериментальных, что можно объяснить возникновением волн на поверхности пленки.

Выражение (8) содержит параметры, которые, как правило, определяются при гидравлическом исследовании насадочных колонн - динамическую задержку жидкости ежд и коэффициент смачиваемости поверхности насадки .

Для насадочного слоя в уравнении Вязова используем поправочный коэффициент Дэвидсона К = л/ 2. Тогда получим

Рж = 1,38/§ "^ ScЖ0'5.

(9)

где 8еж — критерий Шмидта в жидкой фазе, _

^ж

°ж - Рж

; цж - динамический

коэффициент вязкости жидкости, Па с; рж - плотность жидкости, кг/м3 ; —ср -

средняя скорость жидкости в пленке, м/с; I - длина пути жидкости, м.

При ламинарном волновом пленочном течении необходимо учитывать длину и амплитуду волны. При волнообразовании коэффициент массоотдачи Рж увеличивается в 1,5 -2,0 раза и более по сравнению с гладкой пленкой. При условии непрерывного роста диффузионного слоя по всему орошаемому каналу уравнение для Рж получено в виде [10]:

Рж =

1,96

£

6-а2

5,„ ч (0ж - —ср

1 + 5(8пл -а-т)

(10)

где а - амплитуда волны; параметр т = ; X - длина волны, м.

Волнообразование может быть создано искусственно за счет регулярной шероховатости.

При расчете коэффициента массоотдачи в жидкой фазе необходимо учитывать известные данные о соотношении высоты выступа шероховатости и толщины пленки жидкости. Для ламинарного волнового режима получено выражение [10]:

Рж =

(о — Л

^ж-ср

_X

0,5

2

1 + 0,6 (ат§ш ) / (а)

(11)

где принято X = S - шаг регулярной шероховатости, м.

Для расчета амплитуды волны а получены выражения [10]:

а = Re (1,444 - Re+ 44,48)-1, Re < 100,

а = 0,505 + 2,3-10-^ , 600> > 100, а = 0,643, Re > 600, где число Рейнольдса Re = 3—гср8; 8пл

- толщина пленки, м.

В формуле (11) функция / (а) имеет вид: / (а) = 1,22 - 0,23а при а< 0,4, / (а) = 1,1 при а> 0,4.

При турбулентном течении пленки жидкости по гладкой поверхности коэффициенты тепло- и массоотдачи можно вычислить по уравнениям, полученным на основе использования модели диффузионного пограничного слоя [8; 9].

Кроме коэффициентов массоотдачи также важной характеристикой насадок является гидравлическое сопротивление (перепад давления) сухого и орошаемого

слоя. Коэффициент сопротивления чаще всего записывают в виде 4 = /(Дег); (различные степенные функции) [1; 9].

Рассмотрим несколько современных насадок [9] (рис.1).

а

б

Рис. 1. Насадки:

а - «Инжехим-2000»; б - «Инжехим-2002»; в - сегментно-регулярная насадка «Инжехим»; г - регулярная рулонная гофрированная насадка «Инжехим» 9

в

г

К сожалению, для многих новых отечественных и зарубежных насадок авторы не представляют информации для их расчетов, поэтому далее рассмотрены только насадки научно -производственной фирмы «Инжехим» (г. Казань).

1. Сегментно-регулярная насадка «Инжехим» Насадка выполнена в виде пакета, образованного металлическими лентами, на боковых поверхностях имеются треугольные гофры с лепестками в форме круговых сегментов (рис. 1.в). Ориентация лепестков противоположная предыдущей. Насадка изготавливается из перфорированных сплошных лент шириной 40 мм. Удельная поверхность ау от 485 м2/м3, удельный свободный объем 0,95. Насадка

сворачивается в рулон и указывается на опорную решетку. В результате экспериментов получен коэффициент гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки

(12)

е п 1гкт:> 0,108 е е , п т>Лт,,Р,3410 3 Ые-

4о = 0,105 Яе°' ^ор =Ьо + 226Кеж

при w г от 0,5 до 4,5 м/с и плотности орошения от 5 до 30 м3/ м2 час (Reж=qdэ/vж).

Для вычисления динамической составляющей задержки жидкости в слое насадки получено выражение

п 1ЛТЗ 0,186- -0,123 вЖд =0,16 Яеж ва , ,

2 3

где Яеж =4q/(vжау ); Ga=g/( ужау) - числа Рейнольдса и Галилея.

2. Регулярная рулонная гофрированная насадка «Инжехим» Насадка состоит из пакетов, набранных из гофрированных листов. Центральный пакет выполнен в виде долей коаксиальных цилиндров, при этом гофры листов расположены под углом к горизонту, а в смежных листах пакета выполнены перекрестно (ау =150-300 м2/м3; есв=0,95) (рис.1.г). В результате

экспериментов получены коэффициенты гидравлического сопротивления (при wг от 0,5 до 6,5 м/с)

- для рулонной с шероховатой поверхностью (микрорельефом):

37

^ = 3,89Reг

-0,294

- для рулонной просечной: = 0,8, при wг от 0,6 до 6 м/с. Для орошаемой насадки установлено (при плотности орошения от 10 до 110 м3/м2 час)

^Р = ю^, (15)

где Ь=0,0082 - насадка с шероховатой поверхностью; Ь=0,0091 - насадка с просечками; q - м3/(м2 час). Для расчета задержки жидкости получено выражение

п Л^ттз 0,186- -0,23 вжл = 0,652Reж Ga ' . жд ' ж (16)

3. Нерегулярная насадка «Инжехим-2000»

Особенностью данной конструкции является то, что жидкость, омывающая элементы насадки, сходит преимущественно с них в виде пленки. Это происходит за счет того, что геометрия насадки имеет гладкий гидравлический профиль и не содержит ломаных поверхностей и выступающих деталей, которые могли бы быть центром образования отдельных капель и струй (рис.1.а). Пленочный характер стока жидкости с элементов насадки обеспечивает высокие массообменные характеристики при минимальном значении уноса и способствует снижению гидравлического сопротивления.

Геометрия насадки такова, что контакт ее соседних элементов имеет почти точечный характер, что препятствует блокированию поверхности насадки и образованию застойных зон, которые могут возникнуть при контакте поверхностей с большим радиусом кривизны. Это особенно важно в случае присутствия в газовой и жидкой фазах примесей, склонных к полимеризации и образованию слоя твердых отложений на поверхности насадки. В этом случае уменьшаются свободное сечение колонны, свободный объем и удельная поверхность насадки, что приводит к ухудшению ее рабочих характеристик.

Удельная поверхность ау =165,8 м2/м3, удельный свободный объем 0,968 при номинальном размере элемента 0,024м.

Для расчета гидравлического сопротивления орошаемой насадки предлагается использовать уравнение

^ = А - ^ - wгd . (17)

АР

АР сух

Для нерегулярной насадки «Инжехим-2000»: А=0,708; с=0,247; d=0.198;

3 2 q, м /(м час)

Потеря давления на 1 м высоты слоя насадки часто описывается уравнением

о

АРсух _^гРг«у (18)

Н 88,

св

Коэффициент сопротивления для насадки получен в виде

= 4,99Re-0,04 . (19)

Выражение для расчета динамической составляющей задержки жидкости получено в виде

8жд = 0,704Яеж48^а-0,346 , (20)

где Яеж = 4д/(оуУж ),Ga = (а^)-3,9 = (у* /g)1/3

Выражение (20) получено при dэ = 0,011-0,038 м и плотности орошения от 2,5 до 30 м3/м2 час.

Результаты исследования структуры потока жидкости в слое насадки обобщены известным критериальным уравнением

Peж = 2,348Яе^428 , (21)

где реж = qdэ / (Dп 8св № ж 4qp

4. Нерегулярная насадка Инжехим-2002

Насадка образована тремя изогнутыми полосами, смещенными относительно друг друга. Края насадки изогнуты для исключения плотного прилегания отдельных элементов друг к другу (рис. 1.б).

Удельная поверхность ау =200 м2/м3, удельный свободный объем 0,95 при номинальном размере элемента 0,04м.

На основе результатов исследований установлено, что зависимость удельного сопротивления сухой насадки «Инжехим-2002» от фиктивной скорости газа описывается уравнением (Па)

АР

АРсух „, 1,95

-— = 213,86 - ^ . (22)

Н г

Потеря давления на 1 м высоты насадки имеет вид (18)

В работе [9] обработано большое количество экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению насадки и на их основе получена зависимость

^0 = 1,34

( 64 1,8 + ■

„0,08

Яег Яе

г Яег у

(23)

Сопротивление орошаемых насадок в пленочном режиме работы рассчитывается по формуле

АР,

оР

АР,

= ехр

сух

Кбж 200

п3/2

(24)

^ 'Р 3 2 где Яеж =-— , q - плотность орошения м / (м - с) .

ау ' М-ж

Результаты расчетов

В качестве примера рассмотрим процесс декарбонизации СО2 из воды

3 2

воздухом. Расход воды 60м /(м час); скорость воздуха иг = 0,7 м/с; высота насадки Н=1м. Рулонная гофрированная насадка с элементами шероховатости (пуклевкой или микрорельефом), с расстоянием между выступами 1 = 5 -10 м. Сегментная насадка с шириной пакета I =0,04 м. Эти характеристики используются в расчетах коэффициентов массоотдачи (9)-(11).

Средняя толщина пленки вычислялась как 5^ ~ ежд / ау , а средняя скорость

3 2

жидкости в пленке иср « Уж /(8- ежд) = q / ежд , д -плотность орошения, м /(м с).

Таблица 1

Результаты расчетов сегментно-регулярной насадки «Инжехим»

,м Кеж ЯеГ ^ор иср ,м/с Рж ,м/с ^ж Е АРор,Па

7,8 -10_3 137,5 362,9 0,6 0,17 1,5 -10_4 8,66 0,99 23,02

Таблица 2

Результаты расчетов регулярной рулонной гофрированной насадки «Инжехим»

,м Кеж ЯеГ ^ор иср ,м/с Рж ,м/с ^ж Е АРор,Па

0,0127 222,2 586,8 1,85 0,177 2,75 -10_4 9,9 0,993 43,02

Таблица 3

Результаты расчетов нерегулярной насадки «Инжехим-2000» _

,м Кеж ЯеГ ^ор иср ,м/с Рж ,м/с ^ж Е АРор,Па

23,3 -10_3 402,1 1113,4 8 6,84 0,2 1,7 -10_4 3,38 0,913 86,06

Таблица 4

Результаты расчетов нерегулярной насадки «Инжехим-2002» _

ёэ ,м Кеж ЯеГ ^ор иср ,м/с Рж ,м/с ^ж Е АРор,Па

19 -10_3 333,3 923,08 10,4 0,18 1,79 -10_4 4,29 0,945 160,5

Выводы

Как следует из расчетов, все насадки обеспечивают требуемую эффективность массопередачи, но насадка 1 имеет значительно меньшее гидравлическое сопротивление (в 2,6 раза), чем насадки 2, 3, 4. Однако, учитывая, что деаэраторы и

3 2

декарбонизаторы работают при больших нагрузках по воде (60-100м /(м час)), то

наиболее предпочтительной является насадка 2 (рис. 1.г), исследованная в широком интервале нагрузок по газу и жидкости. Так, например, при увеличении расхода

3 2

жидкости с 60 до 90 м /(м час), эффективность насадки 2 составляет Е = 0,995, что является вполне достаточной для удаления CO2 до нормы [6,11].

Литература

1. Шарапов В.И., Пазушкина О.В., Кудрявцева Е.В. Энергоэффективный способ низкотемпературной деаэрации подпиточной воды теплосети на ТЭЦ // Теплоэнергетика.

2016. №1. С. 59

2. Лаптев А.Г., Лаптева Е.А., Шагиева Г.К. Повышение эффективности очистки воды от растворенных газов на ТЭС // Теплоэнергетика. 2017. №1. С. 79-83.

3. Leduhovsky G.V., Gorshenin S.D., Vinogradov V.N., Barochkin E.V., Korotkov A.A. Predicting the indicators characterizing the water decarbonization efficiency when using atmospheric-pressure thermal deaerators without subjecting water to steam bubbling in the deaerator tank // Thermal Engineering. 2015. Т. 62. № 7. С. 526-533.

4. Larin B.M., Bushuev E.N., Larin A.B., Karpychev E.A., Zhadan A.V. Improvement of water treatment at thermal power plants // Thermal Engineering. 2015. Т. 62. № 4. С. 286-292.

5. Лаптева Е.А., Шагиева Г.К., Лаптев А.Г. Эффективность очистки воды от растворенных газов на тарелке с закрученным дисперсно - кольцевым потоком // Вода: химия и экология.

2017. №3. С. 3-8.

6. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. М: Издательский дом МЭИ, 2006. 309 с.

7. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия,1976. 655 с.

8. Лаптева Е.А., Лаптев А.Г. Прикладные аспекты явлений переноса в аппаратах химической технологии и теплоэнергетики. Казань: Печать-Сервис XXI век, 2015. 236 с.

9. Каган А.М., Лаптев А.Г., Пушнов А.С., Фарахов М.И. Контактные насадки промышленных тепломассобменных аппаратов / под ред. А.Г. Лаптева. Казань: Отечество, 2013. 454 с.

10. Холпанов Л.П., Шкадов В.Я. Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела. М.: Наука, 1990. 271 с.

11. Шарапов В.И., Сивухина М.А. Декарбонизаторы. Ульян. гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ,2000. 204 с.; ил.

References

1. Sharapov V.I., Pazushkina O.V., Kudryavtseva E.V. Energoeffektivnyi sposob nizkotemperaturnoi deaeratsii podpitochnoi vody teploseti na TETs // Teploenergetika. 2016. №1. P. 59

2. Laptev A.G., Lapteva E.A., Shagieva G.K. Povyshenie effektivnosti ochistki vody ot rastvorennykh gazov na TES // Teploenergetika. 2017. №1. P. 79-83.

3. Leduhovsky G.V., Gorshenin S.D., Vinogradov V.N., Barochkin E.V., Korotkov A.A. Predicting the indicators characterizing the water decarbonization efficiency when using atmospheric -pressure thermal deaerators without subjecting water to steam bubbling in the deaerator tank // Thermal Engineering. 2015. T. 62. № 7. P. 526-533.

4. Larin B.M., Bushuev E.N., Larin A.B., Karpychev E.A., Zhadan A.V. Improvement of water treatment at thermal power plants // The rmal Engineering. 2015. T. 62. № 4. P. 286-292.

5. Lapteva E.A., Shagieva G.K., Laptev A.G. Effektivnost' ochistki vody ot rastvorennykh gazov na tarelke s zakruchennym dispersno - kol'tsevym potokom // Voda: khimiya i ekologiya. 2017. №3. P. 3-8.

6. Kopylov A.S., Lavygin V.M., Ochkov V.F. Vodopodgotovka v energetike. M: Izdatel'skii dom MEI, 2006. 309 p.

7. Ramm V.M. Absorbtsiya gazov. M.: Khimiya,1976. 655 p.

8. Lapteva E.A., Laptev A.G. Prikladnye aspekty yavlenii perenosa v apparatakh khimicheskoi tekhnologii i teploenergetiki. Kazan': Pechat'-Servis XXI vek, 2015. 236 p.

9. Kagan A.M., Laptev A.G., Pushnov A.S., Farakhov M.I. Kontaktnye nasadki promyshlennykh teplomassobmennykh apparatov / pod red. A.G. Lapteva. Kazan': Otechestvo, 2013. 454 p.

10. Kholpanov L.P., Shkadov V.Ya. Gidrodinamika i teplomassoobmen s poverkhnost'yu razdela. M.: Nauka, 1990. 271 p.

11. Sharapov V.I., Sivukhina M.A. Dekarbonizatory. Ul'yan. gos. tekhn. un-t. Ul'yanovsk: UlGTU,2000. 204 p.; il.

Авторы публикации

Лаптева Елена Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» Казанского государственного энергетического университета.

Шагиева Гузель Камилевна - аспирант кафедры «Технология воды и топлива» Казанского государственного энергетического университета.

Лаптев Анатолий Григорьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология воды и топлива» Казанского государственного энергетического университета.

Authors of the publication

Elena A. Lapteva - Cand. Sci. (techn.), associate professor of department "Industrial heat power engineering and heat supply systems", Kazan State Power Engineering University. Guzel K. Shagieva - post-graduate student of the department "Technology of water and fuel", Kazan State Power Engineering University.

Anatoly G. Laptev - Doc. Sci. (techn.), professor, Chairman of department "Technology of water and fuel", Kazan State Power Engineering University.

Дата поступления 06.05.2017.