CC BY
16
УДК 66.021.3.532.527
М. Р. Вахитов, А. Н. Николаев
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ С МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ И ОДНОЭЛЕМЕНТНЫМИ КОНТАКТНЫМИ СТУПЕНЯМИ
Ключевые слова: вихревые аппараты, контактная ступень, многоэлементная, одноэлементная.
В статье проведена сравнительная оценка двух направлении используемых в конструировании контактных ступеней массообменных аппаратов. первое направление заключается в создании многоэлементных контактных ступеней, т.е. ступеней, состоящих из большого числа прямоточно-вихревых контактных устройств диаметром 50-150 мм. второе направление заключается в увеличении диаметра контактных устройств до диаметра аппарата.
Keywords: vortex devices, contact stage, multi-element, single-element.
In the article the comparative evaluation of the two directions are used in the construction of the contact stages of mass transfer devices. the first direction is the creation of multi-contact stages, ie, steps consisting of a large number of direct-contact devices vortex diameter of 50-150 mm. The second direction is to increase the diameter of the contact devices to the unit diameter.
Одним из путей повышения производительности создаваемых массообменных установок является использование оборудования с высокой пропускной способностью по газу (пару) и жидкости. К такому оборудованию относятся многоступенчатые аппараты прямоточно-вихревого типа [1,2].
В конструировании контактных ступеней массообменных аппаратов прямоточно-вихревого типа определилось два основных направления [3,4]. Первое направление заключается в создании многоэлементных контактных ступеней, т.е. ступеней, состоящих из большого числа прямоточно-вихревых контактных устройств диаметром 50-150 мм. Типичные варианты многоэлементных контактных ступеней аппаратов прямоточно-вихревого типа представлены на рис. 1.
ГР П
-Г
П П
EOS
в
Рис. 1- Конструкции многоэлементных контактных ступеней: а - с рециркуляцией жидкости; в - без рециркуляции жидкости
Многоэлементные контактные ступени могут работать как с рециркуляцией, так и без рециркуляции жидкости. При циркуляции жидкости на ступенях аппарата она многократно проходит через контактные устройства ступени. При отсутствии рециркуляции, жидкость однократно проходит через контактные устройства ступени, а переток жидкости со ступени на ступень осуществляется или через общий переточный канал или через распределенные перетоки. Такое конструктивное оформление контактных ступеней позволяет создавать аппараты
любой заданной производительности и обеспечивает равномерное распределение потоков по контактным устройствам ступени.
Второе направление заключается в увеличении диаметра контактных устройств до диаметра аппарата, рис. 2. В этом случае применение аппаратов диаметром более 0,6- 0,8 м не целесообразно, поскольку дальнейшее его увеличение ведет к снижению центробежной силы и к ухудшению отделения жидкости от потока пара после их взаимодействия. В агрегатах большой производительности предполагается использовать несколько параллельно работающих аппаратов с одноэлементными ступенями. Это позволяет осуществлять ремонт и замену отдельных аппаратов без остановки агрегата.
б
Рис. 2 - Прямоточно-вихревые аппараты с одноэлементными ступенями
Результаты изучения работы прямоточно-вихревых аппаратов показали, что многоэлементные контактные ступени обладают более высоким гидравлическим сопротивлением по сравнению c одноэлементными ступенями [5]. Повышенное гидравлическое сопротивление многоэлементных контактных ступеней вызвано главным образом тем, что
газовый поток, получив закрутку на входе в контактные устройства ступени, полностью теряет ее в межступенчатом пространстве. В результате этого формирование закрученного потока на каждой ступени осуществляется заново, что и приводит к повышенным затратам энергии. На одноэлементных контактных ступенях не происходит полной потери крутки парового потока и в силу этого, на каждой последующей ступени энергия затрачивается только на дополнительную его подкрутку. Таким образом, гидравлическое сопротивление одноэлементных контактных ступеней оказывается меньше, чем многоэлементных. Зависимость гидравлического сопротивления одноэлементной контактной ступени от угла входа потока в завихритель [6] показана на рис.3.
О «0 20 30 ¡.0 50 60 70
Рис. 3 - Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления контактного устройства с углом установки лопастей осевого завихрителя р2 = 70° от угла входа потока р1
Снижению гидравлического сопротивления способствует также увеличение доли живого сечения одноэлементных контактных ступеней. Опыт проектирования прямоточно-вихревых аппаратов показал, что живое сечение многоэлементных контактных
ступеней не превышает 30-35% от площади поперечного сечения аппарата, в то время как живое сечение одноэлементных ступеней может составлять 50-70%.
Исследования массопереноса, проведенные в контактных устройствах диаметром 80 мм на примере абсорбции аммиака из газо-воздушной смеси водой показали , что эффективность переноса массы в контактных устройствах с тангенциальными завихрите-лями в 1,5-2 раза выше, чем в контактных устройствах с осевыми завихрителями, таблица 1.
Существенное увеличение эффективности мас-сопереноса в контактных устройствах с тангенциальными завихрителями объясняется, главным образом, многократным обновлением межфазной поверхности при взаимодействии капель жидкости между собой и с пластинами завихрителя.
Тем не менее, многоэлементные ступени аппаратов прямоточно-вихревого типа оснащаются, как правило, контактными устройствами с осевыми за-вихрителями благодаря простоте их изготовления. Применение на мнгоэлементных ступенях контактных устройств с тангенциальными завихрктелями приводит к увеличению стоимости изготовления аппаратов. В аппаратах с одноэлементными ступенями, наоборот, целесообразнее использовать контактные устройства с тангенциальными завихрите-лями, поскольку металлоемкость и стоимость изготовления контактных устройств большого диаметра (>0,5 м) с тангенциальными завихрителями ниже, чем контактных устройств с осевыми завихрителя-ми. Кроме того, применение в аппаратах одноэлементного типа контактных устройств с тангенциальными завихри-телями повышает эффективность массопереноса на ступенях и приводит к сокращению их количества.
Таблица 1 - Эффективность массопереноса в прямоточно-вихревых контактных устройствах с осевым и тангенциальным завихрителем
Скорость газа W, м/сек Соотношение нагрузок L/G, кг/кг
0,5 1,0 1,5 2,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Осевой завихритель Тангенциальный завихритель
16,6 0,26 0,27 0,28 0,30 0,46 0,47 0,49 0,51
21,1 0,28 0,30 0,31 0,33 0,47 0,49 0,52 0,55
25,4 0,32 0,33 0,34 0,35 0,49 0,53 0,54 0,60
28,8 0,34 0,35 0,37 0,38 0,51 0,55 0,58 0,63
Одним из важных экономических показателей является металлоемкость аппарата, включающая вес корпуса аппарата и вес контактных ступеней. При сравнительной оценке металлоемкости аппаратов удобно пользоваться металлоемкостью, приходящейся на одну контактную ступень аппарата, которая складывается из веса обечайки М|э с высотой, равной межступенчатому расстоянию Н , веса контактных устройств Мку , веса тарелки с опорным устройством Мт и веса переточного канала Мпер .
М = Мс + Мк.у + Мт + Мпер (1)
Вес обечайки:
Мс = лйН5к р (2)
Толщина стенки корпуса аппарата определяется
из соотношения
§к =
РР
2 [ст]ф-Р
+ Д,
(3)
где Р - диаметр аппарата, Р - давление в аппарате, Л - поправка на коррозию.
Вес одного контактного устройства вихревого типа Мк.у складывается из веса контактного стакана Мкс =яdh5р, веса завихрителя, составляющего
(0,5 -1,0)Мкс и веса сепаратора, составляющего ~
0,2 • Мкс. Общий вес контактных устройств на ступени
Мк.у =(1,7 - 2,2)л^8РП, (4)
где d,h, 8 - диаметр, высота и толщина стенки контактного стакана; п - число прямоточно-вихревых контактных устройств на ступени.
Вес тарелки с опорным устройством
^D2
MT = 1,2 (1 - f1 - f2 ) — 8Tp,
(5)
где ^ - доля живого сечения тарелки, ^ - доля сечения проточного канала, 8Т - толщина полотна тарелки.
Вес переточного канала
МПер = HS8p , (6)
где Б - периметр слива, б - толщина стенки канала.
Расчет металлоемкости аппаратов производился при одинаковой их производительности. Рабочая скорость парового потока в полном сечении аппаратов определялась из соотношения:
W =
- С/
(7)
где рп - плотность пара.
В табл. 2 представлены результаты расчета металлоемкости, приходящейся на одну ступень одноэлементного и многоэлементного аппаратов прямо-точно-вихревого типа. Для наглядности в табл. 2 представлены также результаты расчета металлоемкости аппарата с ситчатыми тарелками равной производительности. Численные значения коэффициента С были приняты на основании результатов исследований и опыта промышленной эксплуатации аппаратов.
С1 = 15,0; С2 = 10,0; С3 = 1,5.
Таблица 2 - Металлоемкость, приходящаяся на одну контактную ступень аппаратов
Металлоемкость, кг
Давле- Аппарат с Аппарат с Аппарат с
ние P, одно-эле- много- эле- ситчаты-
МПа ментными ментными ми
ступенями ступенями тарелками
0,1 85,3 111,6 248,5
0,4 90,4 119,2 299,5
1,6 110,5 149,9 504,8
6,4 192,8 275,8 1346,0
Как видно из представленной таблицы, увеличение пропускной способности прямоточно-вихревых аппаратов с одноэлементными контактными ступенями и сокращение их диаметра позволяет существенно снизить металлоемкость аппаратов этого типа.
Литература
1. А.В. Дмитриев, И.Н. Мадышев, Вестник технологического университета, 18, 8, 110-111 (2015).
2. А.Н. Николаев, О.В. Козулина, А.А. Овчинников, Р.Р. Фатыхов, Вестник Казанского технологического университета, 11, 82-89 (2010).
3. Н.А. Николаев, А.А. Овчинников, С.С. Сабитов Конструирование и расчет массообменных аппаратов вихревого типа. РИО КХТИ, Казань, 1980, с.35.
4. С.С. Сабитов, Н.И. Савельев, Н.А. Николаев, В.М. Закревский, Обзор. инф. Сер. Общеотраслевые вопросы развития хим. промышленности. НИИТЭХИМ. Москва, 1981. Вып. 3. 30 с.
5. С.С. Сабитов. Дисс. канд. техн. наук. КХТИ, Казань, 1979. 155 с.
6. А.А. Овчинников, Н.А. Николаев, Тезисы докл. Все-союзн. совещ. по проблеме: Абсорбция газов. Чирчик, 1979, с. 126.
© М. Р. Вахитов - ведущий инженер-технолог, лаборатория 1053, ФКП «Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов», mkstu@mail.ru; А. Н. Николаев - д.т.н., проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, opp-srv@rambler.ru.
© M. R. Vakhitov, leading engineer, the «State research institute of chemical products» FCP, the laboratory in 1053, mkstu@mail.ru; A. N. Nikolaev, head of department, professor, «Equipment for food production» department, KNRTU, opp-srv@rambler.ru.
