CC BY
29
УДК 66.021 Скачков Илья Владимирович,
аспирант кафедры «Машины и аппараты химических производств», Ангарская государственная техническая академия, тел. 8-3955-678335, e-mail: niya_8_7@mail.ru
Бальчугов Алексей Валерьевич, д. т. н., профессор кафедры «Машины и аппараты химических производств», Ангарская государственная техническая академия, тел. 8-3952-678335, e-mail: balchug@mail.ru
Мусева Татьяна Николаевна, к. т. н., доцент кафедры «Высшая математика», Ангарская государственная техническая академия, тел. 8-3955-678335, e-mail: balchug@mail.ru
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МАССООБМЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АБСОРБЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ НА РЕГУЛЯРНОЙ И КОЛЬЦЕВОЙ НАСАДКАХ
I. V. Skachkov, A. V. Balchugov, T. N. Museva
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE MASS TRANSFER EFFICIENCY OF ABSORPTION OF A MULTICOMPONENT MIXTURE OF REGULAR AND ANNULAR NOZZLES
Аннотация. В настоящее время абсорбер с кольцевой насадкой не обеспечивает требуемую степень очистки газа от аммиака и аминов в производстве метиламинов методом каталитического аминирования метанола в паровой фазе под давлением. Эффективность абсорбера можно повысить за счет замены кольцевой насадки на ленточную регулярную насадку. Выполнены расчеты объемных коэффициентов массопередачи в слое регулярной ленточной насадки и в слое колец Рашига при абсорбции аммиака из многокомпонентной газовой смеси, установлено распределение концентраций компонентов по высоте слоя насадки и выполнен сравнительный анализ массообменной эффективности абсорбции смеси аммиака и аминов на регулярной и кольцевой насадках. Установлено, что на кривой распределения концентрации триметиламина в слое насадки образуется экстремум при снижении коэффициента избытка расхода воды. Возникновение экстремума объясняется относительным снижением скорости абсорбции триметиламина в результате снижения расхода воды и увеличения ее температуры.
Ключевые слова: абсорбция, насадка, массообмен.
Abstract. Currently absorber with annular nozzle does not provide the required degree of gas purification from ammonia and amines in the production of methylamines by catalytic amination of methanol in the vapor phase under pressure. The effectiveness of the absorber can be improved by replacing the annular packing tape by a regular nozzle. Calculations of volumetric mass transfer coefficients in a layer of regular packing tape and a layer of Raschig rings in the absorption of ammonia from a multicomponent gas mixture are made, the distribution of concentrations of the components in a nozzle layer is determined and the comparative analysis of the mass transfer efficiency of absorption of a mixture of ammonia and amines on a regular and circular nozzles is carried out. It was established that the distribution curve of the concentration of trimethylamine in the nozzle layer formed extremum while reducing the flow rate of excess water. The occurrence of an extremum is attributed to the relative decrease in the rate of absorption of trimethylamine by reducing water consumption and increasing its temperature.
Keywords: absorption, nozzle, mass transfer.
Введение
На ОАО «АНХК» (г. Ангарск) метиламины получают методом каталитического аминирования метанола в паровой фазе под давлением. В данном процессе образуются технологические газовые выбросы (сдувки), которые подлежат улавливанию в абсорберах с последующей утилизацией. Газовая смесь, образующаяся в результате сдувок от предохранительных клапанов, очищается от аммиака и аминов (монометиламин, диметиламин, триметиламин) в абсорбере водой. Абсорбер представляет собой насадочную колонну диаметром 2800 мм. Контактное устройство - керамические кольца Рашига размером 50^50^5. Имеется распределительное устройство в верхней части колонны для абсорбента (вода). Газовая смесь подается в нижнюю часть колонны через распределительное устройство «грибкового» типа и движется противотоком по отношению к абсорбенту. Свежий абсорбент (вода) подается через распределительное устройство в верхнюю часть абсорбера, стекает по насадке, контактируя с газовой фазой, из которой поглощаются аммиак и амины. Затем
абсорбент поступает в холодильник кожухотруб-чатого типа, где охлаждается. Далее насосом абсорбент направляется в колонны на ректификацию и далее - на БОС (биологическую очистку сточных вод) согласно технологической схеме установки 71/72 цеха 39/71 химического завода ОАО «АНХК».
В настоящее время абсорбер с кольцевой насадкой не обеспечивает требуемую степень очистки газа от аминов. Эффективность абсорбера можно повысить за счет замены кольцевой насадки на ленточную регулярную насадку. Конструкция ленточной насадки подробно описана в работе [1].
Основная часть
В настоящей работе выполнены расчеты объемных коэффициентов массопередачи в слое регулярной ленточной насадки и в слое колец Ра-шига при абсорбции аммиака из многокомпонентной газовой смеси, установлено распределение концентраций компонентов по высоте слоя насадки и выполнен сравнительный анализ массооб-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Компонент Значение,
об. %
аммиак 35
монометиламин (ММА) 10
диметиламин (ДМА) 10
триметиламин (ТМА) 5
азот 30
метан 5
оксид углерода 5
Технические характеристики новой регулярной ленточной насадки приведены в табл. 2.
Т а б л и ц а 2
Характеристика Значение
Параметр к 0,025 м
Ширина лент 0,05 м
Удельная поверхность насадки 121 м2/м3
Свободный объем 0,96
Эквивалентный диаметр 0,032 м
Характеристика Значение
Удельная поверхность насадки 90 м2/м3
Свободный объем 0,785
Эквивалентный диаметр 0,035 м
Расчеты выполнены для двух типов насадки: регулярной ленточной (аЭ = 0,032 м) [1] и колец Рашига «внавал» (50x50x5, ёэ = 0,035 м).
В расчетах принимается, что коэффициенты массопередачи и константы равновесия компонен-
менной эффективности абсорбции смеси аммиака и аминов на регулярной и кольцевой насадках.
Исходные данные для расчета: внутренний диаметр колонны ё = 2,8 м; расход газа на входе в колонну при н. у. Ун = 500 м3/ч; температура воды на входе в колонну ^ = 20°С; Тн = 293 К; температура газа на входе в колонну: tг = 20°C; Тг = 293 К; абсолютное давление в колонне Р = 100000 Па; концентрация аммиака в жидкости в верхней части аппарата, мольные доли: Хн = 0 кмоль NHз/кмоль р-ра. Требуемое содержание аммиака и аминов в газе на выходе из колонны в пересчете на ДМА: не более 20 г/м3. Состав газа на входе в колонну приведен в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
тов смеси не зависят от присутствия других компонентов. Расчет выполнялся в следующей последовательности.
Градиент температуры жидкости в колонне:
д ^ -М- сумм
я
с • т
НО
где Q - тепловой эффект абсорбции, Дж/кмоль;
Мс
сумм
- количество поглощенного компонента, кмоль/ч.
Критерий Рейнольдса в потоке газа в колонне рассчитывали по уравнению из работы [2]:
^ м • а Яе г =-,
Р-Ц
где а - удельная поверхность, м2/м3; р - плотность газа, кг/м3; ц - вязкость, Па-с; ^ - скорость газа в колонне, м/с.
Коэффициент диффузии аммиака в газе
(м2/с):
Ог = О г 0
г л1,5 г Т ^
Т
V1 0 у
где £го - коэффициент диффузии аммиака в газе при н. у., м2/с.
Критерий Прандтля в потоке газа внизу колонны:
Ц
Ргг = . г р-Ог
Критерий Нуссельта в газовой фазе:
Мыг = 0,407 • Яе^655 РгГ'33,
где Ргг - критерий Прандтля.
Коэффициент массоотдачи аммиака в газе
(м/с):
Р г =
Иыг • Вг
гг
Технические характеристики колец Рашига (50^50x5), для которых выполнены расчеты, представлены в табл. 3.
Т а б л и ц а 3
Приведенная толщина пленки жидкости, м:
5 = з
Ц Ж
Р Ж • £
Критерий Рейнольдса в жидкости:
'^но
яе ж =•
т, 4__
3600
5• а•Ц^ -у
где - площадь поперечного сечения аппарата, м2;
у - коэффициент смоченности насадки; тн^ -
массовый расход воды, кг/ч.
Критерий Прандтля в жидкости:
ц ж
РГж =
Р Ж •О
ж
Машиностроение и машиноведение
Критерий Нуссельта в жидкости:
№ж = 0,0021 • Re0^75 • Pr^5.
Коэффициент массоотдачи аммиака в жид-
m
yx
1
— + — Рг Рж
где $г,ж - коэффициенты массоотдачи в газе и жидкости, м/с; myx - константа фазового равновесия.
Высота единицы переноса для газовой фазы:
Ну = 0,615 • • Яе^345 • Рг°'67,
где dэ - эквивалентный диаметр насадки, м.
Высота единицы переноса для жидкой фазы:
^ = 119 -8- ЯеЖ25 • РГ*5,
где 8 - приведенная толщина пленки жидкости, м. Общая высота единицы переноса: myx • Vн/22,4
к = к + ухм н/ ,
м H2O
где Vн - начальный объемный расход газа, нм3/ч; Mн2o - рабочий мольный расход воды, кмоль/ч. Удельный расход поглотителя:
I
V,/'22,4
Компонент, константа фазового равновесия которого близка к удельному расходу поглотителя, выбирают ключевым компонентом. Для этого компоненте задается степенью извлечения.
Поскольку значение отношения
m„
l
для
ТМА ближе к единице, выбираем в качестве ключевого компонента ТМА ^ - удельный расход поглотителя, myx - константа фазового равновесия).
Отношение расхода газа на входе в колонну к расходу газа на выходе из колонны:
ён V ■
к
Отношение расходов жидкости на входе в колонну и на выходе из нее:
/1 = '
l -
1
+ 1
g
n
Средний расход газа в колонне:
ш
V
Gcp =---
ср 2 • 3600 • 22,4
1
f
1 + ■
V Sn
кости:
_ Nu ж • Рж
Р Ж = <-- .
о
Коэффициент массопередачи компонента (кмоль/м2•c):
к, = 1
Средний расход жидкости в колонне:
^+-1л
f1 ;
MhoO
M р =-—
ср 2 • 3600
Средний абсорбционный фактор:
Аср = „
m,„ • G„
Параметр В:
B = 1
A
ср
Число единиц переноса:
N = IlnlÄ.
B 1 -у
Суммарная высота слоя насадки:
H = (N +1)-h0y.
Объемный коэффициент массопередачи аммиака (по газовой фазе):
М
кг у =-
ЛСГ • H • S •
к• d 4
где М - количество поглощенного аммиака, кмоль/ч.
Рассчитанный по данному уравнению объемный коэффициент массопередачи аммиака (по газовой фазе) составил 355,1 ч-1. Аналогичный расчет для насадки из керамических колец Рашига (50^50x5) дает значение объемного коэффициента массопередачи аммиака (по газовой фазе): Krv = 295,6 ч-1 , что в 1,2 раза ниже, чем на регулярной ленточной насадке с таким же эквивалентным диаметром.
В работе [3] приведено эмпирическое уравнение для расчета коэффициента массопередачи по газовой фазе при абсорбции аммиака на хордовых насадках. Это уравнение получено в результате обобщения экспериментальных данных:
Кг = 0,0109w0,7 • l0,5, где Кг - коэффициент массопередачи по газовой фазе, кг/(м2-ч-мм рт. ст.); w - скорость газа, м/с; l -количество поглотителя в л на 1 м3 газа.
Преобразование этого уравнения дает уравнение для расчета объемного коэффициента мас-сопередачи (ч-1) на хордовой насадке:
Ку г = 4,81 -10-6 • a -у R • T • w0'7 • l05.
По данному уравнению выполнен расчет объемного коэффициента массопередачи аммиака для хордовой насадки при условиях, сходных с
1
теми, что были использованы для расчетов ленточной насадки и колец Рашига. Объемный коэффициент массопередачи для хордовой насадки при тех же условиях составил 206,5 ч-1, что в 1,72 раза ниже, чем на ленточной насадке.
Конечная концентрация аммиака и аминов в газе в пересчете на ДМА определена по уравнению:
С
1000 • Мг
г £
ДМА
• р •тYi
V Т
где Мгдма - молекулярная масса ДМА, кг/кмоль; Yi - конечная концентрация компонента г в газе, отнесенная к начальному количеству газа, кмоль/кмоль.
Расчеты показали, что при одинаковых технологических условиях и одинаковой высоте слоя насадки концентрация аминов в газе на выходе с колонны понижается на 10 % при замене кольцевой насадки на регулярную ленточную.
Таким образом, использование ленточной насадки позволит интенсифицировать процесс массопереноса при абсорбции аммиака водой из многокомпонентных газовых смесей и повысить эффективность очистки газов.
По нашему мнению, более высокая эффективность ленточной насадки объясняется формированием развитой поверхности контакта фаз на элементах насадки и оптимальной конструкцией насадки.
Представленный расчет распределения концентраций компонентов по высоте слоя насадки основан на численном решении дифференциальных уравнений массопередачи [4]. Предварительными расчетами определено число единиц переноса по ТМА: N = 6, удельный расход поглотителя l = 20,59. При этом коэффициент избытка жидкости выбран равным q = 3.
Высота слоя насадки разбивается на п = 20 одинаковых участков, каждый участок имеет свой номер у.
Концентрации газа и жидкости будем относить к количествам поступающих в абсорбер газа
и жидкости (О],Мно) и обозначим их через Yi иX
Соотношение между мольными долями и выраженными указанным способом концентрациями запишется в виде:
У. = £ • Г
■/Ц Ь 1 у
ч п ■ ¡1 • X п
У •> 1 У '
где gj - отношение расхода газа на входе в колонну к расходу газа на участке у; / - отношение расходов жидкости на входе в колонну и на участке у.
В первом приближении принимается, что gj линейно изменяется по высоте слоя насадки.
По значениям gj рассчитываются / для каждого участка слоя насадки по формуле:
/ =_/_.
^ , 1 1 /--+ —
§у+1 §у
В первом приближении принимается, что константа равновесия для каждого компонента ту линейно изменяется по высоте слоя насадки.
Определены относительные коэффициенты массопередачи (по отношению к ТМА): для аммиака к = 1,723; для ММА Ь = 1,754; для ДМА ^ = = 1,205; для ТМА к4 = 1.
Для каждого компонента и для каждого участка слоя насадки рассчитываются следующие вспомогательные величины:
г =
у
К • N
2 • п • / § " '"ч
(§у •1 - ту • ¡у)
§ у+1 § у -1 4 §,
к, • N
2 • п • /
„ § 1+1 § 1-1 ти • /---т1
у+1 • /]+1 + т у-1 • /]-1
1 - Гу
и.. =--
Ру 1 + г..
Далее для каждого компонента на первом участке слоя насадки рассчитывается абсорбционный фактор по формуле:
А = 4 -1V 2
г1 3 + (2 • к • М/п/ )тг1 • / - и2 / V2
и =
(2 • к, • М/п/
4 -1V,
Абсорбционный фактор для каждого компонента на остальных участках слоя насадки рассчитывается по формуле:
А V
у 1 - и,. • А '
=
V
и у • А,у-1 • ^-1
V,
Таким образом, в первую очередь рассчитываются А г] и по данным формулам, затем для у = 2, 3, ..., п+1 определяются Ау и Вц (прямой
2
у
§
у
Машиностроение и машиноведение
myx,1 j = mpc,1j
P
P • Mr,
ho
Во втором приближении gj определяется по значениям Yy, найденным в первом приближении:
ё; =■ 1
1-!(у, - Y )
Во втором приближении fj-' определяется по уравнению:
/'=- l
l -
1
1
g j+1 g j
Определенные таким образом g-'и f 'используются для следующего расчетного цикла.
Для расчета абсорбции многокомпонентной смеси аммиака и аминов водой на регулярной ленточной насадке потребовалось 5 приближений.
Распределение концентрации аммиака и ТМА в газовой фазе по высоте ленточной насадки (кривая 1) и колец Рашига (кривая 2) представлено на рис. 1.
Как видно из рис. 1, скорость снижения концентрации аммиака на ленточной насадке выше скорости снижения концентрации аммиака в газе на кольцах Рашига, что свидетельствует об интенсификации процесса массопередачи при использовании ленточной насадки вместо кольцевой.
ш
ход). Далее определяются значения Ху для / = п, п - 1, ..., 2, 1 (обратный ход) по формуле:
Х у = А (В + Х,у+1).
Из уравнения материального баланса находим концентрации компонентов в газовой фазе на каждом участке:
Т, = Т 1 -1(х! - X п).
Осуществим пересчет концентраций в другую единицу измерения (кмоль/м3):
£ _ ху ' р н 20
МГн 2о
Температура жидкости на данном участке слоя насадки составит:
У Qi - хг-
с
Уточненная константа равновесия аммиака трс (м3-Па/кмоль) на данном участке определяется по уравнению из работы [3]:
^^СУ = 4,125 + 0,1 • ^С. -1750.
98100 Т
Уточненная константа равновесия аммиака т'уХ1 * составит:
Рис. 1. Распределение концентрации аммиака в газе по высоте слоя ленточной насадки (1) и колец Рашига (2)
Начальный горизонтальный (пологий) короткий участок на кривой распределения концентрации ТМА в газе (рис. 2) объясняется тем, что интенсивное поглощение аммиака на начальном участке слоя насадки приводит к резкому снижению объема газовой фазы, что вызывает некоторую задержку снижения концентрации ТМА.
Рис. 2. Распределение концентрации ТМА в газе по высоте слоя ленточной насадки (1) и колец Рашига (2)
В предыдущих расчетах рабочий расход воды, подаваемой на орошение колонны, превосходил значение минимального требуемого расхода воды в три раза. Расчеты показали, что в случае снижения коэффициента избытка расхода воды с 3 до 2 характер кривой изменения концентрации ТМА в газовой фазе меняется. На начальном участке кривой появляется экстремум (рис. 3).
Обсуждение результатов
Возникновение экстремума объясняется относительным снижением скорости абсорбции ТМА в результате снижения расхода воды и увеличения ее температуры. Резкое снижение суммарного расхода газовой фазы на начальном участке насадки при относительном снижении скорости абсорбции ТМА приводит к росту концентрации ТМА в газовой фазе. По нашему мнению, этот эффект нежелателен, поскольку может привести к проскоку ТМА с газовой фазой через
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
слой насадки и снижает общую эффективность абсорбции.
Рис. 3. Распределение концентрации ТМА в газе по высоте слоя ленточной насадки (1) и колец Рашига (2) при снижении коэффициента избытка расхода жидкости
В связи с этим можно рекомендовать в расчетах по абсорбции аммиака из многокомпонентных газовых смесей аммиака и аминов использо-
вать коэффициент избытка расхода воды не менее
3 (q > 3).
Выполненные расчеты могут быть использованы при разработке и модернизации насадоч-ных колонн стадии очистки сбросных газов в производстве аминов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Скачков И.В., Бальчугов А.В., Кузора И.Е., Коро-бочкин В.В. Определение гидравлического сопротивления ленточной насадки // Химическая промышленность сегодня. 2013. № 11. С. 45-50.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Химия, 1976. 552 с.
3. Рамм В.М. Абсорбционные процессы в химической промышленности. М., 1951. 359 с.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. М. : Химия, 1976. 656 с.
УДК 621.443 - 519.6 Дорохов Александр Фёдорович,
д. т. н., профессор, профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»,
Астраханский государственный технический университет, тел. 8906187-40-83, e-mail: dorokhovaf@rambler.ru Пахомова Надежда Владимировна, начальник Управления конвенционной подготовки и повышения квалификации, Каспийский институт морского и речного транспорта - филиал ФГБОУ ВПО «Волжская государственная
академия водного транспорта» г. Нижний Новгород, тел. 8-927-554-05-25, e-mail: nb.13@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ СТЕНКУ РАБОЧЕГО ЦИЛИНДРА ПОРШНЕВОГО ДВС И УПРАВЛЕНИЕ ЕГО НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ
СОСТОЯНИЕМ
A. F. Dorohov, N. V. Pakhomov
HEAT TRANSFER THROUGH THE WALLS OF THE PISTON ICE WORKING CYLINDER SIMULATION AND MANAGEMENT OF ITS STRESS-STRAIN CONDITION
Аннотация. Приведены результаты и условия физического и математического моделирования температурного состояния цилиндровой втулки судового вихрекамерного дизеля, форсированного газотурбинным наддувом. Полученные данные для форсированного двигателя будут способствовать гораздо более высокому и неравномерному уровню напряжённо-деформированного состояния всех элементов ЦПГ, находящихся в сопряжении. Температурное расширение цилиндровой втулки на доминирующем режиме работы в 0,4 мм представляет собой серьёзную проблему с точки зрения работоспособности всего сопряжения ЦПГ, а ожидаемый рост уровня форсирования двигателя в пределах 30-35 кВт эту проблему ещё более ужесточает. Таким образом, превалирующим фактором в данном случае является температура цилиндра. Результаты приведённых и предстоящих работ представят возможность выбора рационального уровня форсирования рассмотренного класса судовых дизелей по их теплонапряженному и деформированному состоянию. На этой основе возможен выбор соответствующих этим состояниям конструкций систем, в частности систем охлаждения.
Ключевые слова: дизель, форсирование, газотурбинный наддув, температуры, термометрирование, моделирование, задачи теплопроводности, условия однозначности.
Abstract. The results and conditions of physical and mathematical modeling of the temperature status cylinder sleeve ship swirl-chamered diesel forced by turbocharging are given. The data obtained for the high-revving engine will contribute to a much higher level and uneven stress-strain state of all elements of CPG held in conjunction. Thermal expansion of the cylinder sleeve in the dominant mode of 0.4 mm is a serious problem from the point of view of efficiency of all CPG interface, and the expected increase in the level of engine boosting within 30^35 kW is an even more tightening problem. Thus, the predominant factor in this case is the cylinder temperature. The above results and future works will present a choice of rational level of forcing this class of ship diesel engines for their heat-stressed and deformed state. On this basis, designs systems corresponding to these states in particular cooling systems can be selected.
Keywords: diesel, boost, turbocharging, temperature, termometering, modeling, heat conduction problem, the condition of uniqueness.
