CC BY
59
Химия растительного сырья. 2012. №4. С. 209-213.
Технологии
УДК 66.015.23
ТЕПЛОМАССООБМЕН НА ВИХРЕВОЙ КОНТАКТНОЙ СТУПЕНИ
© Н.А. Войнов , С.А. Ледник, О.П. Жукова
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: Voynov@Siberianet.ru
Представлены вихревые контактные ступени большой производительности по жидкости, а также результаты исследования теплообмена и массообмена во вращающемся газо-жидкостном слое, получены зависимости для расчета величины интенсивности тепломассопереноса
Ключевые слова: вихревая контактная ступень, тангенциальный завихритель, коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи, эффективность,
Введение
Вихревые тепломассообменные аппараты используются для проведения процессов абсорбции, ректификации и экстракции. Основное их преимущество заключается в возможности достижения высокой производительности по жидкости и газу за счет создания вращающегося потока газо-жидкостной смеси на ступени, что способствует дроблению пузырьков газа в жидкости и предотвращению капельного уноса. Кроме того, рассматриваемые аппараты обладают широким диапазоном устойчивой работы, не имеют в процессе работы застойных зон, что приводит к снижению отложений на поверхности контактных устройств.
Конструкция вихревой контактной ступени для проведения тепломассообмена при больших нагрузках по жидкости представлена на рисунке 1. Наличие переточных устройств 2, 3, 7 позволяет равномерно распределить жидкость по сечению колонны, а размещение кольцевых перегородок 5 и каналов 4 для ввода жидкости в завихрители газа, обеспечивает интенсивное перемешивание жидкости на ступени, устраняет ее подвисание и унос потоком газа (пара). Перераспределение потоков жидкости на ступени происходит на нижней тарелке S.
Как показывает опыт создания рассматриваемых устройств, в каждом конкретном случае в зависимости от технологических условий и производительности по жидкости и газу конструкции их будут отличаться друг от друга. Однако общим условием при конструировании вихревой ступени являются обеспечение вращающегося газо-жидкостного слоя по всему рабочему сечению колонны и предотвращение подви-сания жидкости поднимающимся потоком пара.
Общий вид контактной ступени, разработанный для исчерпывающей части ректификационной _____________________________________________ бражной колонны, производительностью S0 м3/час по
Войнов НиколайАлександроеич - профессор кафедры рабочей жидкости, представлен на рисунке 2.
машин и аппаратов промышленных технологии, доктор техническихнаук, тел.: (391) 227-86-19, e-mail: voynov@siberianet.ru
Ледник СергейАлександроеич - аспирант кафедры
В колонне (рис. 2) устранены застойные зоны, а также созданы условия для устойчивой работы ступеней без захлебывания и крупномасштабных пуль-
машин и аппаратов промышленных технологий, сации жидкости в широком диапазоне изменения
e-mail: ledniksergey@mail.ru нагрузок по пару. При скорости пара по сечению ап-
Жукова Ольга Петровна - доцент кафедры машин и аппаратов промышленных технологий, кандидат техническихнаук, тел.: (391) 227-86-19, е-таД- гЬикоуо^а@уап(!ех га ленной бражной колонной [1] снизилась на порядок.
парата 4 м/с диаметр колонны составил 1 м, а ее металлоемкость по сравнению с колпачковой промыш-
* Автор, с которым следует вести переписку,
Одними из основных характеристик вихревых аппаратов, определяющих их эффективную работу, являются коэффициенты тепло- и массоотдачи. Однако, эти параметры на контактной ступени не достаточно изучены, а известные данные малочисленны [2, 3]. В этой связи было продолжено изучение массо-обмена и теплообмена на экспериментальных установках, представленных на рисунке 3.
Исследование массоотдачи в жидкости осуществлялось на примере абсорбции обескислороженной воды кислородом из воздуха на контактных ступенях с тангенциальным завихрителем. Расчет величины коэффициента массоотдачи проводился согласно [3].
Рис. 1. Схема вихревой контактной ступени. 1 - завихритель газа; 2, 3, 7 - переточные устройства;
4 - каналы для ввода жидкости в завихритель; 5 - кольцевые перегородки; 6 - патрубки для прохода пара (газа); 8 - нижняя тарелка
а)
5,
4
Б1
|/| 7 1
XI
Б
£= ' ,
X *1
1
б)
Б-Б
Рис. 2. Схема контактной ступени исчерпывающей части ректификационной колонны. 1 - корпус;
2 - верхняя тарелка; 3 - нижняя тарелка; 4 - завихрители; 5 и 6 - кольцевые перегородки; 7 - переток; 8 - уплотнение
б)
Рис.3. Схемы экспериментальных установок для исследования теплообмена (а) и массообмена (б). а) 1 - корпус; 2 - камера для ввода воздуха; 3 - сепаратор; 4 - распределительный стакан;
5, 6, 7 - запорные краны; 8 - манометр. б) 1 - вентилятор; 2 - диафрагма; 3, 6 - дифманометры;
4 - вихревая контактная ступень; 5 - завихритель; 7 - пробоотборник
Для определения величины коэффициента массоотдачи использовалась зависимость вида
_ Ь • (с„ - ск)
А =------—----------—, (1)
- V • (с * )’
где сн - концентрация кислорода в жидкости, поступающей на ступень, кг/м3; ск - концентрация кислорода в жидкости, взятой из пробоотборника, кг/м3; V- объем жидкости на ступени, м3; Ь - расход обескислороженной воды, поступающей на ступень, м3/с; с* - равновесная концентрация кислорода в жидкости, кг/м3.
При изучении теплообмена (рис. 3а), осуществлялся процесс кипения жидкости во вращающемся га-зо-жидкостном кольце за счет подвода водяного пара в змеевик, который также выполнял функцию царги контактной ступени диаметром 0,2 м. Змеевик был изготовлен из медной трубки диаметром 5*1,5 мм, длиной 6,4 м. Радиус тангенциального завихрителя составил Я = 0,055 м, ширина и высота каналов для прохода газа - 10 * 5 мм.
Так как определение величины коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара в полости змеевика не представлялось возможным, на первом этапе исследований осуществлялось кипение неподвижного объема жидкости на контактной ступени, а затем рассчитывались значения акон согласно зависимости
= 1Ф Коп )-(£/ А)-(1/аки„ )), (2)
где Коп - опытный коэффициент теплопередачи; 5 - ширина стенки змеевика, м; X - коэффициент теплопроводности меди, Вт/(м-К); акон - коэффициент теплоотдачи при конденсации, Вт/(м-К); акип - коэффициент теплоотдачи при кипении, Вт/(м-К).
Величина коэффициента теплоотдачи при кипении, входящая в уравнение (2), рассчитывалась по зависимости [4]:
0,4 0,7 /"5\
акип = 2,72 • Р • Ч’ , (3)
где Р - барометрическое давление, ат; ч - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2.
Опытные значения коэффициента теплопередачи определяли по формуле
Коп = 0 /(д/ • ^), (4)
где М - температурный напор, °С; Б - поверхность теплообмена, м2; р - тепловой поток, Вт.
Расчет по уравнению (2) позволил определить значения коэффициентов теплоотдачи при конденсации, характерные значения которых представлены на рисунке 4.
При обработке данных получена зависимость для расчета теплоотдачи при конденсации водяного пара в змеевике
акон = 5,4 х10-5 • ч-0,3, (5)
где ч - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2.
Расчет коэффициента теплоотдачи при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое проводился по формуле с использованием зависимости (5)
ашп = 1/((1/Коп )-(1/«кОН )-(5/^)) . (6)
Характерные данные величины коэффициента теплоотдачи при кипении в зависимости от удельной тепловой нагрузки представлены на рисунке 5.
Согласно полученным данным (рис. 5) характер изменения величины коэффициента теплоотдачи при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое не противоречит известным данным при кипении в открытом объеме, сопровождающемся конвекцией. Как видно, интенсивность теплоотдачи возрастает от скорости газа в каналах завихрителя и удельной тепловой нагрузки.
аконх10-3, Вт/(м2 -К)
а^Ш-3, Вт/(м2 -К)
25
20
15
10
Ж У Ж У Ж ж
XX У ж ж
X X д^
д □-1; —в А- 2; п П -и-о П~
X- 3; Ж- 4.
100
150
200
250
qх10'3, Вт/м2
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конденсации пара в змеевике от тепловой нагрузки при абсолютном давлении Р = 1-3 атм
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении в газо-жидкостном вращающемся слое на вихревой ступени от удельной тепловой нагрузки при атмосферном давлении. Экспериментальные точки: 1 - скорость воздуха в каналах завихрителя 17,4 м/с; 2 - 32,6; 3 - 42,7;
4 - 49,3. Пунктирная линия расчет по формуле (3)
Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое при атмосферном давлении от центробежного критерия Рейнольдса показана на рисунке 6 и представлена в виде выражения
( Г,2 Л0,3
&) • Я
(7)
где Я - радиус завихрителя, м; т - угловая скорость газо-жидкостного слоя, с-1; V - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с.
Параметры для расчета интенсивности массообмена во вращающемся газо-жидкостном слое представлены на рисунке 7.
акип, Вт/(м2К)
26000
24000
22000
20000
Д - 1: □ - 2;
О- з.
ий о
60000
80000
шЯ2/у
Рис. 6. Зависимость величины коэффициента теплоотдачи при кипении от центробежного критерия Рейнольдса. Экспериментальные точки:
1 - масса жидкости во вращающемся слое т= 0,1 кг; 2 - 0,5; 3 - 2,0
Рис. 7. Изменение безразмерного параметра уЗУ/Ь от центробежного критерия Рейнольдса на ступени при скорости газа в каналах завихрителя 30-90 м/с, Ь - 0,3-2,2 м3/ч. Экспериментальные точки:
1 - Я=34 мм; 2 - 55; 3 - 70; 4 - 85; 5 - 100
Уравнение для расчета величины коэффициента массоотдачи представлено в виде
V 3
д_ = 2 х 10
■ Sc0’5 -(Я і hf'-
(В)
где р - поверхностный коэффициент массоотдачи, м/с; т - угловая скорость газожидкостного слоя, с"1; V -объем жидкости на ступени, м3; Ь - расход жидкости, подаваемой на ступени, м3/с; Н - высота жидкости на ступени, м; к - высота канала для прохода газа, м; Бе - Критерий Шмидта.
Эффективность контактной ступени по Мерфри от скорости газа в каналах завихрителя (рис. 8), составила от 0,3 до 0,7.
Рис. 8. Зависимость эффективности контактной ступени от скорости газа в каналах завихрителя при Ь= 1,6—1,8 м3/ч.
Экспериментальные точки: 1 - при Н = 34 мм;
2 - Н = 55 мм; 3 - Н = 70 мм; 4 - Н = 85 мм;
5 - Н = 100 мм
Представленные данные были использованы при расчете числа контактных ступеней бражной исчерпывающей колонны в линии получения этанола из гидролизата растительного сырья.
Список литературы
1. Войнов Н.А., Воронин С.М., Жукова О.П., Ледник С.А. Результаты внедрения и исследования контактных ступеней бражных колонн // Лесной журнал. 2011. №4. С. 93-98.
2. Войнов Н.А., Николаев Н.А., Кустов А.В. Гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне // Химическая промышленность. 2008. №4. С. 730-735.
3. Войнов Н.А., Ледник С.А. Гидродинамика и массообмен на ступени с профилированными тангенциальными каналами // Химическая промышленность. 2011. №5. С. 250-256.
4. Соколов В.Н. Машины и аппараты химических производств. Л., 1982. 384 с.
Поступило в редакцию 14 июня 2012 г.
Voynov N.A. *, Lednik S.A., Zhukova O.P. HEAT AND MASS TRANSFER OF THE VORTEX CONTACT STAGE
Siberian State University of Technology, 82, Mira Street, Krasnoyarsk, 660049, (Russia), e-mail: Voynov@Siberianet.ru
We present a vortex contact stage large performance liquid as well as a study of heat and mass transfer in a rotating gas-liquid layer, the dependences of the intensity values for the calculation of heat and mass transfer.
Keywords: vortex contact stage, the tangential swirler, the coefficients of heat transfer and mass transfer, the efficiency.
References
3. Voinov N.A., Voronin S.M., Zhukova O.P., Lednik S.A. Lesnoizhurnal, 2011, no. 4, pp. 93-98 (in Russ.).
4. Voinov N.A., Nikolaev N.A., Kustov A.V. Khimicheskaiapromyshlennost’, 2008, no. 4, pp. 730-735 (in Russ.).
5. Voinov N.A., Lednik S.A. Khimicheskaia promyshlennost', 2011, no. 5, pp. 250-256 (in Russ.).
6. Sokolov V.N. Mashiny i apparaty khimicheskikh proizvodstv. [Machinery and equipment of chemical plants]. Leningrad,
1982, 384 p. (in Russ.).
Received June 14, 2012
* Corresponding author.
