CC BY
29
УДК 66.021 Рыжов Станислав Олегович,
аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: clericne@mail.ru
Бальчугов Алексей Валерьевич, д. т. н., доцент, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: balchug@mail.ru
Кузора Игорь Евгеньевич,
к. т. н., главный технолог ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», e-mail: balchug@mail.ru
ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ЦЕПНОЙ НАСАДКЕ
S.O. Rizhov, A. V. Balchugov, I.E.Kuzora
TECHNOLOGY OF GAS-LIQUID PROCESSES IN THE CHAIN PACKING
Аннотация. Разработана технология проведения массообменных процессов на цепной насадке. Исследована гидродинамика газожидкостных систем на цепной насадке. Показано, что гидравлическое сопротивление предложенной насадки значительно ниже сопротивления колец Рашига.
Ключевые слова: гидравлическое сопротивление, цепная насадка, газожидкостные системы.
Abstract. The technology of mass transfer processes in the chain packing is developed.Tthe hydrodynamics of gas-liquid systems in the chain packing is investigated. It is shown that the hydraulic resistance of the proposed attachment is much lower resistance Raschig rings.
Keywords: hydraulic resistance, the chain packing, gas-liquid system.
В настоящее время предложено большое количество разнообразных насадок для проведения массообменных процессов в газожидкостных системах: нерегулярные, регулярные, подвижные виды насадок (в псевдоожиженном слое). Предлагается технология проведения газожидкостных массообменных процессов с использованием высокоэффективной регулярной насадки, состоящей из множества вертикально подвешенных кругло-звенных цепей [1]. Данная насадка занимает промежуточное положение между известными типами насадок: регулярными и подвижными (в псевдо-ожиженном слое). Она позволяет развить достаточно высокую интенсивность массообмена при относительно небольшом гидравлическом сопротивлении.
Выполнены экспериментальные исследования гидродинамики цепной насадки на системе
«воздух-вода». Лабораторная установка, представленная на рис. 1, состояла из колонны 1, выполненной из органического стекла, с внутренним диаметром 0,15 м и высотой 2,4 м, пакета насадки из круглозвенных цепей 2, распределителя жидкости 3, распределителя газа 4, воздуходувки 5, измерительной трубы 6, трубки Пито 7 для измерения расхода газа, ротаметра 8 для измерения расхода жидкости, вентилей 9 и микроманометров 10. Высота слоя цепной насадки составляла 1,35 м. Круглозвенные цепи выполнены из проволоки диаметром 2 мм с размером звена 0,015x0,007 м.
Газ \
5 3
Жидкость | Рис. 1. Лабораторная установка
Современные технологии. Механика и машиностроение
Способ упаковки цепей показан на рис. 2 (цепь обозначена крестом), где 1 - крепежная решетка, 2 - верхние звенья цепи, L - расстояние
между цепями.
Рис. 2. Способ упаковки цепей (вид сверху)
Испытания проводились для двух модификаций цепной насадки (табл. 1), которые отличались друг от друга расстоянием между цепями. В насадке первой модификации расстояние между осями ближайших цепей составляло L = 0,0064 м (плотная упаковка), а в случае второй модификации - L = 0,008 м (упаковка с увеличенным свободным объемом).
На этой же установке (рис. 1) для сравнения проводились исследования гидродинамики в системе «вода-воздух» на широко используемой в настоящее время насадке - керамических кольцах Рашига размером 25^25^3. Высота слоя колец Ра-шига составляла в разных экспериментах 1,35 м и 0,57 м.
Характеристики использованных видов насадок приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а
Насадка Удельная поверхность, м-1 Свободный объем Эквивалентный диаметр, м
Цепная (модификация 1) 433,35 0,7833 0,00723
Цепная (модификация 2) 277 0,86 0,0151
Керамические кольца Рашига (25x25x3) 204 0,74 0,0145
Яе = ■
а ¿и
(1)
ш
где р - плотность газа, кг/м1: Ж - приведенная скорость газа в колонне, м/с; ц - вязкость газа, Пас; а - удельная поверхность насадки, м2/м'.
Коэффициент сопротивления сухой насадки определяли по уравнению
2АР<^£ /2\
где АР - перепад давления на насадке, Па; к - высота слоя насадки, м; с! - эквивалентный диаметр слоя насадки, м; е - свободный объем насадки.
Коэффициент сопротивления е0 является эффективным коэффициентом, который учитывает потерю давления как от трения газа о поверхность насадки, так и за счет изменения направления потока газа в каналах, образованных элементами насадки [2]. Коэффициент сопротивления зависит от режима движения газа по каналам.
Приведенная скорость газа в колонне V
ж = -
£
(3)
где V - объемный расход газа, м/с; - площадь поперечного сечения, м2.
Эквивалентный диаметр насадки определяли по уравнению [3]
(4)
В первую очередь определено гидравлическое сопротивление и коэффициент сопротивления сухих насадок. В ходе экспериментов изменяли расход воздуха от 10 до 201 м3/ч.
Критерий Рейнольдса газа в слое насадки рассчитывали по уравнению
4 Жр
Результаты экспериментов по определению коэффициента сопротивления сухих насадок представлены на рис. 3. На этом рисунке кривая для цепной насадки модификации 1 обозначена цифрой 1, для цепной насадки модификации 2 - цифрой 2, для керамических колец Рашига - цифрой 3. Видно, что в исследованном диапазоне критерия Re коэффициент сопротивления слоя колец Раши-га и цепной насадки модификации 2 практически не зависит от критерия Re газа. Это говорит о том, что насадки в этом диапазоне работают в автомодельном режиме. Также видно, что сначала при увеличении критерия Рейнольдса коэффициент сопротивления цепной насадки модификации 1 снижается, а затем после приблизительно Re = 715 изменяется незначительно, оставаясь равным 0,42-0,54. Это свидетельствует о том, что в диапазоне Re = 715-1783 сухая цепная насадка работает также в автомодельном режиме.
Зависимость коэффициента сопротивления сухой цепной насадки модификации 1 от критерия Re хорошо описывается полиномом с величиной достоверности аппроксимации 0,9971:
£0 = -3 • 10 16 • Яе5 + 2 • 1(Г12 Яе4 - 5 • 10~9 Яе3 + +6 • 10б Яе2 - 0,003 8 Яе +1,6085.
(5)
а
Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления насадок от критерия Re Как видно из рис. 3, коэффициент сопротивления цепной насадки обеих модификаций значительно ниже коэффициента сопротивления колец Рашига. В результате экспериментов установлено, что коэффициент сопротивления колец Рашига в исследованном диапазоне скоростей газа составляет 2,79-2,61, что значительно превышает коэффициент сопротивления цепной насадки. Эквивалентный диаметр цепей составляет 0,0072 м, а колец Рашига - 0,0145 м. Кроме того, расчет по формуле Эргуна [2]
133 (6)
£п =-
Яе
-2,34,
справедливой для седлообразной насадки, в этом же диапазоне критерия Re дает коэффициент сопротивления 2,41-2,74.
Зависимость гидравлического сопротивления сухих насадок от приведенной скорости газа в колонне представлена на рис. 4, на котором цепной насадке модификации 1 соответствует кривая 1, цепной насадке модификации 2 - 2, а кольцам Рашига - 3. Исследования гидравлических сопротивлений проведены в широком диапазоне приведенных скоростей газа 0,17-3,17 м/с.
Как видно из рис. 4, гидравлическое сопротивление колец Рашига в широком диапазоне скоростей газа значительно превышает сопротивление цепных насадок.
Также определено гидравлическое сопротивление перечисленных насадок в условиях орошения водой. Оно возрастает по сравнению с сухими насадками из-за уменьшения сечения для прохода газа, из-за увеличения скорости газа, а также из-за затрат энергии на подвисание жидкости и образование волн на поверхности пленки.
В экспериментах с орошаемой насадкой расход воды изменяли в диапазоне 0,17-2 м3/ч, что соответствовало плотности орошения 9,79117 м7(М2-ч).
0,5 1 1,5 2 2,5 3 Приведенная скорость газа в колонне, м/с
Рис. 4. Гидравлическое сопротивление сухих насадок
Результаты экспериментов для цепной насадки модификации 1 для различных плотностей орошения частично представлены на рис. 5. Номера кривых на рис. 5 соответствуют плотностям орошения в таком порядке: 1 - 9,79 м7(м2-ч);
2 - 40,48 м3/(м2-ч); 3 - 50,95 м3/(м2-ч); 4 - 73,6 м7(м2-ч); 5 - 92,29 м7(м2-ч); 6 - 104,74 м7(м2-ч); 7-114,93 м3/(м2-ч).
На рис. 5 можно наблюдать смену режимов взаимодействия газа и жидкости на цепной насадке. Начальный пологий участок кривых соответствует пленочному режиму, далее следуют режимы подвисания и захлебывания, каждому из которых соответствует свой участок кривой с определенным углом наклона относительно оси координат. Например, из рис. 5 видно, что при плотности орошения 114,93 м7(м2-ч) и при скорости газа 1,35 м/с на цепной насадке возникает режим захлебывания, а при плотности орошения 104,74 м7(м2-ч) данный режим возникает при приведенной скорости газа 1,49 м/с. Таким образом, увеличение плотности орошения приводит к снижению приведенной скорости газа, при которой наступает режим захлебывания. Как видно из рис. 5, режим захлебывания сопровождается резким увеличением гидравлического сопротивления слоя насадки.
Результаты определения гидравлического сопротивления орошаемой цепной насадки второй модификации частично представлены на рис. 6, а колец Рашига - на рис. 7.
На рис. 6 кривой 1 соответствует плотность орошения 9,79 м7(м2-ч); 2 - 61,83 м7(м2-ч);
3 - 92,29 м3/(м2-ч); 4 - 104,74 м3/(м2-ч); 5 - 117,20 м7(м2-ч). На рис. 7 кривой 1 соответствует 9,79 м3/(м2-ч); 2 - 19,59 м3/(м2-ч); 3 - 24,94 м3/(м2-ч);
4 - 30,29 м3/(м2-ч); 5 - 40,48 м3/(м2-ч); 6 - 45,72 м3/(м2-ч).
На рис. 6 и 7 также можно различить соответствующие режимы взаимодействия газа и жидкости в слое насадки. Сравнение этих рисунков показывает, что сопротивление цепной насадки
г 1600 га
С____
5 1200 Ц
а
S 1000
о
с 800
О
О
Ш 600 О
5 200
Приведенная скорость газа, м/с Рис. 5. Гидравлическое сопротивление орошаемой цепной насадки (модификация 1)
Приведенная скорость газа, м/с
Рис. 6. Гидравлическое сопротивление орошаемой цепной насадки (модификация 2)
2
3
4
V 400
5
6
0
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
7
250
200
г 150
о. 100
т 50
0
Q.00
0,50
1.00
.50
2.00
2.50
3.00
3.50
■S 3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
Приведенная скорость газа, м/с
Рис. 7. Гидравлическое сопротивление орошаемых колец Рашига
(модификация 2) значительно ниже сопротивления колец Рашига при том, что их эквивалентные диаметры приблизительно равны (см. табл. 1).
Для сравнения на рис. 8 приведены гидравлические сопротивления трех насадок. Кривая 1 соответствует кольцам Рашига и плотности орошения 9,79 м3/(м2-ч); 2 - кольцам Рашига (30,29 м3/(м2-ч)), 3 - кольца Рашига (40,48 м3/(м2-ч)),
4 - цепная насадка (модификация 1, плотность орошения 9,79 м3/(м2-ч)), 5 - цепная насадка (модификация 1, плотность орошения 40,48 м3/(м2-ч)), 6 - цепная насадка (модификация 1, плотность орошения 104,74 м3/(м2-ч)), 7 - цепная насадка (модификация 2, плотность орошения 117,2 м3/(м2-ч)).
0,50 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50 1,70 1,90 2,10
Скорость газа, м/с
Рис. 8. Гидравлическое сопротивление различных орошаемых насадок
Сравнение гидравлических сопротивлений различных видов насадок в различных режимах работы показывает, что гидравлическое сопротивление предложенной цепной насадки (обеих модификаций) значительно ниже сопротивления колец Рашига. При этом удельная поверхность цепной насадки модификации 1 значительно выше удельной поверхности колец Рашига, что благоприятно скажется на эффективности работы насадки.
По нашему мнению, установленное в результате экспериментов низкое гидравлическое сопротивление цепной насадки объясняется рядом факторов: высоким свободным объемом (см. табл. 1), обтекаемой формой звеньев цепей, регулярной компоновкой цепей в слое, а также расположением цепей вдоль линий тока газа.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности и о возможности дальнейшего использования цепей в качестве насадки на предприятиях химической технологии для проведения таких массообменных процессов, как абсорбция, десорбция и ректификация.
Перспективность использования цепей в качестве насадки обусловлена низким гидравлическим сопротивлением и высокой удельной поверхностью. Результаты выполненных экспериментов (коэффициенты сопротивления, уравнение для их расчета, значения гидравлических сопротивлений при различных скоростях газа и плотностях орошения), могут быть использованы при разработке промышленных аппаратов с цепной насадкой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Заявка на патент РФ №2011141617. Насадоч-ный аппарат для массообменных процессов / А. В. Бальчугов и др.
2. Рамм, В. М. Абсорбция газов. М. : Химия, 1976. 620 с.
3. Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. / К.Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Л. : Химия, 1976. 552 с.
