Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Основные тенденции в разработке и исследовании нерегулярных насадочных контактных устройств 13
1.1. Основные конструкции насадок и области их применения 14
1.2. Гидродинамические характеристики нерегулярных насадок ... 35
1.2.1. Гидравлические условия работы сухих нерегулярных насадок 35
1.2.2. Гидравлические условия работы орошаемых нерегулярных насадок 38
1.2.2.1. Основные гидродинамические режимы работы орошаемых нерегулярных насадок 38
1.2.2.2. Гидравлическое сопротивление орошаемых нерегулярных насадок 40
1.2.3. Пределы устойчивой работы насадочных колонн. Явления подвисания и захлебывания. Точка инверсии ... 46
1.2.4. Удерживающая способность нерегулярной насадки... 53
1.2.5. Растекание жидкости по слою нерегулярной насадки... 58
1.3. Эффективность работы насадочных колонн 64
1.4. Выводы к главе 1 72
ГЛАВА II. Экспериментальный стенд и методики проведения экспериментов 74
2.1. Основные направления разработки новых конструкций эффективных нерегулярных насадок для колонных массообмен-ных аппаратов 75
2.2. Основные характеристики исследуемых нерегулярных насадок 80
2.3. Описание экспериментального стенда 88
2.4. Методика исследования гидродинамических характеристик насадок 92
2.5. Методика исследования массообменных характеристик насадок 95
ГЛАВА III. Исследование гидродинамических характеристик нерегулярных насадок 98
3.1. Определение гидравлического сопротивления сухой насадки.. 99
3.2. Определение гидравлического сопротивления орошаемой насадки 105
3.2.1. Визуальные наблюдения за потоками системы газ-жидкость в слое насадки исследуемых модификаций ... 105
3.2.2. Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки исследуемых модификаций 109
3.3. Пределы рабочих нагрузок по газу для исследуемых насадок.. 123
3.4. Определение удерживающей способности исследуемых насадок 128
3.4.1. Определение статической составляющей полной задержки жидкости 129
3.4.2. Определение динамической составляющей полной задержки жидкости 130
3.5. Исследование растекания жидкости по слою исследуемой насадки 139
3.6. Выводы к главе III 156
ГЛАВА IV. Исследование массообменных характеристик и определение эффективности исследуемых нерегулярных насадок 160
4.1. Оценка эффективности исследуемых насадок по величине высоты, эквивалентной единице переноса массы 161
4.2. Комплексная оценка эффективности исследуемых насадок 176
4.3. Выводы к главе IV 181
Основные выводы и результаты работы 182
Библиографический список
- Гидродинамические характеристики нерегулярных насадок
- Пределы устойчивой работы насадочных колонн. Явления подвисания и захлебывания. Точка инверсии
- Основные характеристики исследуемых нерегулярных насадок
- Визуальные наблюдения за потоками системы газ-жидкость в слое насадки исследуемых модификаций
Введение к работе
Мир с начала 70-х годов прошлого столетия живет в обстановке периодически возникающих энергетических кризисов, в связи с чем в центре внимания промышленно развитых стран находились, находятся и будут находиться проблемы, связанные с надежным ресурсо- и энергообеспечением.
По прогнозным оценкам спрос на первичную энергию в мире будет увеличиваться на 1-2% в год в течение трех последующих десятилетий. Поэтому экономия энергии и углеводородного сырья является наиболее важной задачей, стоящей в настоящее время перед энергопотребляющими компаниями, и в особенности перед нефтегазовыми компаниями - основными потребителями энергетических ресурсов.
С позиции энергосбережения российские предприятия нефтегазопере-работки и нефтехимии недостаточно эффективны, поскольку их в основном проектировали в 50-60-е гг. XX века, когда недостатка в энергетических мощностях и топливе не ощущалось. До 40% всех используемых в стране энергоносителей расходуется нерационально, а расход энергии на единицу промышленной продукции в России в 2,5 - 5 раз выше, чем в индустриально развитых странах мира. Сохранение современного уровня энергоемкости промышленного производства делает российскую продукцию неконкурентноспособной не только на мировом, но и на внутреннем рынке, поощряя тем самым импорт потребительских товаров и экспорт сырья.
Современные цены на электрическую и тепловую энергию вынуждают нефтеперерабатывающие заводы расходовать средства не на реконструкцию технологических установок, а на строительство энергоблоков, паровых котлов. Однако очевидно, что, с экономической точки зрения, создание собственной энергетики на НПЗ представляется маловыгодным мероприятием, в связи с чем до сих пор основным направлением ресурсоэнергосбережения на НПЗ является совершенствование оборудования и оптимизация процессов разделения нефтепродуктов, на долю которых приходится до 62% от общего расхода топлива и 46% электроэнергии.
В результате проделанной за последние годы работы по созданию ре-сурсоэнергосберегающих технологий и оборудования был накоплен значительный практический опыт в деле разработки и применения энергоэколого-эффективной техники.
Так, проблему снижения энергоемкости процессов разделения можно решить путем использования высокоэффективных контактных устройств, одновременно обладающих оптимальными гидродинамическими характеристиками.
Одним из доступных, достаточно простых и дешевых методов, позволяющих интенсифицировать массообменный процесс и снизить энергозатраты на его проведение, является использование в качестве контактных устройств насадок нерегулярного типа.
В промышленной практике разделения газовых и жидких смесей методами абсорбции, ректификации и т. д. насадочные колонны применяются значительно реже, чем тарельчатые. Это связано, в первую очередь, с тем, что, не смотря на существующее в настоящее время многообразие конструкций нерегулярных насадок, в качестве контактных устройств до сих пор используются, в основном, морально устаревшие импортные насадки типа колец Рашига и Палля. Внедрение же новых и модернизированных отечественных насадок сдерживается тем, что подавляющее большинство новых конструкций нерегулярных насадок или не исследовалось вообще, или исследовалось в недостаточном объеме, что значительно усложняет процесс подбора наиболее эффективной насадки для каждого конкретного процесса.
В связи с вышеизложенным, создание новой конструкции эффективной отечественной нерегулярной насадки, изучение особенностей ее работы и разработка методов расчета основных характеристик насадки являются весьма актуальными задачами. Целью диссертационного исследования является выявление наиболее оптимальных и эффективных путей совершенствования конструкций нерегулярных насадочных контактных устройств кольцевого типа и разработка на основе проведенного анализа современных требований, предъявляемых к контактным устройствам данного типа, высокоэффективной конструкции нерегулярной насадки для энергосберегающих технологий переработки нефтегазового сырья.
Для достижения целей исследования были поставлены следующие задачи:
- разработка на уровне изобретения новой патентоспособной конструкции нерегулярной насадки кольцевого типа, позволяющей интенсифицировать массообменный процесс и снизить энергетические затраты на его проведение;
- исследование влияния конструктивных и режимных параметров на гидравлические и массообменные характеристики новой конструкции нерегулярной насадки;
- получение расчетных зависимостей для определения основных конструктивных параметров колонных тепломассообменных аппаратов с новой нерегулярной насадкой и разработка рекомендаций по практическому применению данных кольцевых насадок в промышленных условиях.
Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили труды известных отечественных и зарубежных ученых: И.А. Александрова, Л.И. Бляхмана, В.В. Кафарова, О. Бекмурадова, Я.Д. Зельвенского, В.М. Рамма, Т.К. Шервуда, М. Лева, Х.Е. Эдулжи и других.
К основным элементам научной новизны работы, составляющим предмет защиты, относятся следующие:
- разработана новая конструкция нерегулярной насадки кольцевого
типа с лепестками в виде гребенок, позволяющая интенсифицировать массообменный процесс и снизить энергозатраты на его проведение; разработка защищена Патентом РФ на изобретение;
- выявлены гидродинамические особенности работы и исследовано влияние конструктивных и режимных параметров на основные гидродинамические и массообменные характеристики кольцевой насадки новой конструкции;
- получены зависимости для расчета основных гидродинамических параметров новой конструкции кольцевой насадки и предложено уравнение для расчета высоты, эквивалентной единице переноса массы;
- посредством сопоставительного анализа с другими нерегулярными контактными устройствами произведена оценка энергетических затрат на проведение тепломассообменного процесса с использованием новой конструкции насадки.
Практическая значимость работы заключается в возможности и целесообразности использования полученных и обоснованных результатов исследования (выводов и расчетных зависимостей) при проведении практических расчетов по эффективности использования предложенной конструкции нерегулярной насадки в массообменных аппаратах промышленных размеров.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы отраслевыми научно-исследовательскими и проектными организациями при выполнении проектов по разработке новых и совершенствованию старых конструкций тепломассообменных аппаратов нефтяной, нефтегазоперерабаты-вающей, химической и ряда других отраслей промышленности.
Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах. По теме диссертации получены четыре Патента РФ на изобретения и один Патент РФ на полезную модель.
Структура, содержание и объем диссертации определены поставленной целью, задачами и логикой исследования. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 148 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 230 страницах, включая 20 таблиц и 73 рисунка.
Во введении показана актуальность и перспективность выбранного направления исследования, сформулированы основные цели и задачи работы.
Первая глава «Основные тенденции в разработке и исследовании нерегулярных насадочных контактных устройств» посвящена обобщению литературных данных по изучаемой проблеме и анализу результатов исследований, ранее выполненных в данной области.
Вторая глава «Экспериментальный стенд и методики проведения экспериментов» содержит подробную характеристику объекта исследования -нерегулярной насадки кольцевого типа с лепестками в виде гребенок, описание отдельных элементов и работы экспериментального стенда, а также разработанных методик проведения соответствующих экспериментов.
Третья глава «Исследование гидродинамических характеристик нерегулярных насадок» содержит результаты обработки экспериментальных данных по исследованию гидродинамических характеристик новой конструкции кольцевой насадки.
Четвертая глава «Исследование массообменных характеристик и определение эффективности исследуемых нерегулярных насадок» содержит данные по исследованию массообменных характеристик новой конструкции нерегулярной насадки.
В основных выводах кратко излагаются основные научные результаты диссертационной работы.
Работа выполнена на кафедре оборудования нефтегазопереработки Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина и входит в состав работ по интенсификации процессов и совершенствованию тепломассообменных контактных устройств, являющихся одним из направлений деятельности научно-педагогической школы А.И. Скобло, в рамках которой в течение более чем 40 лет разработано значительное число различ 10 ных типов указанных устройств, защищенных авторскими свидетельствами и патентами и внедренных на предприятиях нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслей промышленности.
Гидродинамические характеристики нерегулярных насадок
Гидравлическое сопротивление слоя сухой насадки, отнесенное к единице высоты слоя можно рассчитать по известному выражению [2, 8, 69, 96, 97] it k (тл)
Рассматривая движение газа (пара) через слой сухой насадки на основе внутренней задачи гидродинамики (движение внутри каналов, образуемых пустотами и порами между элементами слоя), можно выражение (1.2.1.1) преобразовать к удобному для расчетов виду [68]:
АР „ P.awl
Из выражения (1.2.1.2) видно, что потеря напора в слое сухой насадки пропорциональна кинетической энергии газового потока, удельной поверхности насадки, коэффициенту гидравлического сопротивления и обратно пропорциональна свободному объему насадки. Так как удельная поверхность и свободный объем для каждой конструкции насадки являются постоянными величинами, то, в основном, потеря напора будет определяться коэффициен том гидравлического сопротивления , который учитывает потери напора, связанные с трением газа о поверхность насадочных тел, изменением скорости и направления газового потока при протекании его по каналам между элементами насадки, и зависит от режима движения газа, от качества изготовления насадочных тел, способа их укладки в аппарат и, в общем случае, является функцией критерия Рейнольдса.
При движении газа (пара) через сухую насадку установлено три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный, границы которых и определяются величиной критерия Рейнольдса, имеющего для насадок следующий вид [2, 23, 26, 36,40]: г WAP, 4м 0єрг 4w0pe Re, = Г =—9_г. = —OL (1.2.1.3)
Границе ламинарного режима соответствует Rer = 15 - 40. При значениях Rer от 40 до 2000 движение газа соответствует переходному режиму. Наиболее же типичным для насадочных аппаратов является турбулентный режим движения газа, полное развитие которого наступает при значениях Rer от 2000 до 6000 [69, 97, 138]. Однако в диапазоне чисел Рейнольдса Rer = 103 105 коэффициент гидравлического сопротивления 2; является величиной примерно постоянной и не зависит от Rer [91].
Чаще всего величину коэффициента \ определяют расчетным путем. В настоящее время для различных типов насадок предложено большое количество эмпирических уравнений, применимых при ламинарном и турбулентном режимах. Некоторые из них представлены в табл. 1.2.1.1.
В ряде случаев при расчете гидравлического сопротивления сухой насадки иногда бывает удобнее вместо уравнения (1.2.1.2) использовать выражение, полученное, исходя из того, что гидродинамическая зависимость типа lg АР lg w для сухой насадки носит линейный характер [122]: где F - фактор нагрузки по газу.
Для расчетов по уравнению (1.2.1.4) необходимо знать величины параметров а и Ь. Значения этих параметров определяются для конкретного типа насадки на основе экспериментальных данных. Обширные сведения по значениям этих параметров для большого числа различных типов насадок представлены в работе [123].
В насадочных аппаратах контакт газа (пара) и жидкости, в основном, осуществляется в противотоке. В зависимости от нагрузок аппарата по газу и жидкости изменяется характер взаимодействия фаз, а, следовательно, и гидродинамический режим движения потоков.
Характерные для насадочных аппаратов гидродинамические режимы работы были изучены рядом авторов [3, 8, 16, 25, 26, 31, 40, 52, 63, 70, 97, 104, 110, 125, 130], исследования которых позволили установить, что при работе орошаемых насадок в зависимости от скоростей потоков наблюдаются четыре основных гидродинамических режима: пленочный, подвисания, захлебывания или эмульгирования и режим уноса.
Первый режим (пленочный) наблюдается при сравнительно небольших нагрузках по жидкости и газу. В этом режиме взаимодействие фаз незначительно и осуществляется на поверхности отдельных смоченных элементов насадки в единичных точках контакта, чаще всего в точках соприкосновения элементов насадки. Жидкость движется от элемента к элементу насадки в виде капель и пленок, перетекая с одного элемента на другой или же отрываясь от одних элементов и падая на нижележащие элементы, не смачивая при этом их поверхности. Поднимающийся же газ (пар) не вызывает видимого изменения в характере стекания жидкости. Сопротивление насадки потоку в этом режиме пропорционально сопротивлению сухой насадки.
Второй режим (режим подвисания) характеризуется торможением жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличиваются. Возрастание количества удерживаемой жидкости с повышением скорости газа ведет к уменьшению свободного объема насадки и быстрому увеличению сопротивления. Взаимодействие между фазами в режиме подвисания происходит на поверхности турбулизированной пленки жидкости. В данном режиме с возрастанием скорости газа увеличиваются смоченная и активная поверхности насадки, что ведет к возрастанию интенсивности массо-передачи, а сопротивление насадки пропорционально скорости пара в степени 3 - 5. При больших жидкостных нагрузках режим подвисания выявляется не всегда четко.
Третий режим (режим захлебывания) возникает в результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновесит сил трения. Это приводит к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению вовлекаемой в турбулентные пульсации граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости и происходит эмульгирование жидкости паром. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром. Таким образом, жидкость образует сплошную фазу, а газ -дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз.
Пределы устойчивой работы насадочных колонн. Явления подвисания и захлебывания. Точка инверсии
Для оценки возможности эффективной работы аппарата при различных нагрузках по пару и жидкости обычно используют область его устойчивой работы.
Область устойчивой работы насадочных аппаратов ограничивается в основном верхними и нижними предельными нагрузками по газу (пару).
Наиболее четко эти нагрузки выявляются на построенных в логарифмических координатах кривых, показывающих зависимость сопротивления насадки от нагрузки по пару (газу) и жидкости (рис. 1.2.3.1).
Нижняя предельная нагрузка по пару для насадочных аппаратов соответствует началу зависания жидкости в насадке, т. е. когда жидкость все в большем количестве будет удерживаться противоточно движущимся газом.
На кривой АР - wo начало подвисания характеризуется переломами в точках Bi, Вг,..., называемых точками подвисания.
Характерная для точки подвисания скорость wn зависит от типа и размера насадки, плотности орошения и физико-химических свойств взаимо Точка захлебывания проявляется тогда, когда высота слоя газожидкостной (паро-жидкостной) эмульсии будет больше высоты слоя насадки и над насадкой будет накапливаться слой жидкости, представляющий собой барботажный слой с интенсивным перемешиванием. При этом сопротивление насадки резко возрастает, давление в аппарате начинает сильно колебаться вследствие возникающих в барботажном слое пульсаций.
Точка захлебывания характеризует верхнюю предельную нагрузку для насадочного аппарата и определяется расходом одной из фаз, при котором происходит захлебывание. На кривой зависимости АР от скорости газа точкам захлебывания соответствуют точки Db D2,....
Характеристики насадки при захлебывании существенно важны, поскольку они определяют допустимые скорости газа и жидкости, т. е. минимальное сечение колонны при любых принятых или заданных параметрах массовых расходов взаимодействующих фаз.
Для обработки данных по захлебыванию и его приближенного предсказания предложено большое количество корреляционных зависимостей, учитывающих физические свойства жидкостей и фактор насадки ар/є3. Одна из таких корреляций имеет вид [109,140]: &Ауд = / gz pL к AL G\pL (1.2.3.2) где Us - скорость газа, приведенная к полному сечению колонны, м/с; ар - площадь по-верхности сухой насадки, м /м ; ро, рь - плотность газа и жидкости, соответственно, кг/м ; ц. - динамическая вязкость жидкости, Па-с.
Многочисленные исследования точки захлебывания показывают, что: - с увеличением плотности орошения захлебывание наступает при более низких скоростях газа; отмечается также наступление захлебывания при очень больших плотностях орошения даже в отсутствие движения газа; - при одинаковых плотностях орошения скорость газа, соответствующая захлебыванию, выше при более высоких значениях d3, а также при более крупной насадке; при одинаковых размерах насадочных тел предел нагрузки по газу и жидкости тем ниже, чем меньше свободный объем насадки; - с увеличением плотности газа в случае постоянной плотности орошения снижается линейная скорость газа при захлебывании, но увеличивается его массовая скорость, поэтому, например, если повышается давление, захлебывание наступает при более высокой массовой скорости газа; - повышение вязкости орошающей жидкости и уменьшение ее плотности приводят к снижению предела нагрузки.
Таким образом, факторы, обусловливающие повышение количества удерживаемой жидкости (уменьшение размеров насадочных тел, увеличение вязкости жидкости, уменьшение плотности жидкости), вызывают понижение нагрузок, соответствующих захлебыванию. Повышение тенденции к захлебыванию при более низких скоростях газа может происходить также и в случае, если материал насадки плохо смачивается орошающей жидкостью (например, для насадок из пластических масс) [2, 31, 39, 63, 97, 104].
Основные характеристики исследуемых нерегулярных насадок
Данная работа посвящена исследованию одной из новых конструкций нерегулярных цилиндрических насадок для массообменных аппаратов, разработанных на кафедре оборудования нефтегазопереработки РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (см. п. 2.1), и ее сравнению с наиболее часто применяемой в нефтеперерабатывающей промышленности металлической насадкой из колец Палля (КП) с целью выявления таких конструктивных элементов, которые бы существенно влияли на показатели эффективности подобных насадок.
В качестве объекта исследования был выбран элемент насадки, представляющий собой (рис. 2.2.1) цилиндрическое кольцо 1, боковая поверхность которого оснащена прямоугольными просечками 2, расположенными рядами по высоте в шахматном порядке и отогнутыми по поперечной образующей внутрь цилиндрического кольца в виде лепестков 3. Каждый лепесток имеет вдоль одной из продольных сторон поперечные надсечки, выполненные через одинаковый интервал. При этом образуется система пластинчатых элементов 4, отогнутых в противоположные стороны по высоте лепестка и образующих пару гребенок с одним основанием [82].
Преимуществами такой конструкции насадочного элемента являются простота изготовления, наличие развитой внутренней поверхности контакта взаимодействующих фаз и более высокая эффективность массообмена в широком диапазоне нагрузок по жидкости и газу за счет интенсификации тур-булизации потоков.
В данной работе исследуется вышеописанная насадка трех модификаций MI, МП и МШ, которые различаются величиной угла а между пластинчатыми элементами гребенок. Насадка выполнена из оцинкованной жести.
Кольца Палля (насадка модификации КП)
Нерегулярная насадка из колец Палля (рис. 2.2.2) состоит из цилиндрического кольца, на боковой поверхности которого выполнены прямоугольные просечки, расположенные параллельными рядами по высоте в шахматном порядке и отогнутые внутрь цилиндра в виде лепестков прямоугольной формы.
Выбор насадки из колец Палля (КП) в качестве объекта сравнения обусловлен тем, что, во-первых, обе насадки имеют кольцевую, наиболее благоприятную с точки зрения гидродинамики, форму; во-вторых, основные габа риты (наружный диаметр и высота элемента) насадки типа КП сопоставимы с аналогичными размерами исследуемых насадок модификации М.
Основные конструктивные параметры исследуемых насадок модификации М, а также колец Палля представлены в табл. 2.2.1 и на рис. 2.2.3, а внешний вид насадочных элементов показан на рис. 2.2.4 - 2.2.7.
Кроме линейных размеров, насадка характеризуется удельной поверхностью и свободным объемом [3, 15,40, 101].
Удельная поверхность насадки а представляет собой геометрическую поверхность насадочных тел в одном м3 и, соответственно, выражается в м2/м3 [40, 101].
Свободный объем насадки г - это объем пустот в одном м . Выражает-ся, соответственно, в м /м [40,101].
Так как эффективность работы насадки зависит от ее ориентации в колонне и от соотношения диаметров колонны и элемента насадки, то удельную поверхность и свободный объем исследуемых насадок модификации М определяли непосредственно в экспериментальной колонне. При этом заполнение колонны осуществляли опусканием в нее по три-четыре элемента насадки по центру колонны с постоянным выравниванием слоя [48].
Удельная поверхность насадок всех трех модификаций рассчитывалась, исходя из усредненных размеров элемента насадки и количества элементов в одном м3. Усредненный размер элементов был получен на основе замера характеристик 50 элементов насадки каждой модификации [23, 51].
Свободный объем насадок всех модификаций определялся двумя способами [23, 51, 52]:
1) заполнением данного объема насадки водой, откуда свободный объем - это отношение объема воды к объему, заполненному насадкой;
2) расчетным методом, исходя из среднего объема одного элемента и числа элементов в заданном объеме.
Результаты, полученные указанными способами, совпали с точностью до 1%.
В табл. 2.2.2 приведены полученные характеристики исследуемых насадок модификации М и для сравнения характеристики насадки из колец Палля.
Для исследования гидравлических и массообменных характеристик новой конструкции насадочного контактного устройства был использован экспериментальный стенд, общая технологическая схема которого представлена нарис. 2.3.1.
Стенд состоит из колонны 1 с внутренними устройствами и коммуникациями, накопительной емкости 2, воздуходувки 3, ресиверов 4, насосов 10 и 12, абсорбера 14 и напорного бака 15.
Экспериментальная колонна 1 имеет внутренний диаметр 0,22 м, состоит из трех металлических царг и одной царги из оргстекла высотой, соответственно, 0,36, 0,2, 0,29, 1 м и содержит следующие внутренние устройства (рис. 2.3.2): распределитель жидкой фазы типа "паук" 2, распределительные плиты с раздельным движением газа и жидкости 3, 6, слой исследуемой насадки 4 и опорную решетку 5.
Перераспределитель жидкой фазы 3 представляет собой распределительную плиту ячейкового типа, работающую с раздельным проходом газа и жидкости. При использовании такой плиты выполняется следующий комплекс условий, существенных для эффективного проведения процесса:
1) раздельный проход газа и жидкости, что исключает опасность уноса жидкости из патрубков;
2) подача жидкости на насадку без разбрызгивания, что предотвращает каплеунос из зоны смачивания торца насадки,
На перераспределительной плите расположены 13 патрубков для прохода жидкости и 13 патрубков для прохода газа. Число точек орошения со-ставляет 220 на м , что соответствует литературным рекомендациям [18, 99, 100].
Визуальные наблюдения за потоками системы газ-жидкость в слое насадки исследуемых модификаций
При двухфазном движении газа и жидкости свободный объем насадки уменьшается, а на поверхности соприкосновения фаз в результате трения возникают касательные напряжения. Взаимодействие между фазами ведет к повышению гидравлического сопротивления АР при двухфазном движении по сравнению с сопротивлением сухой (неорошаемой) насадки. Лишь при малых скоростях фаз можно пренебречь взаимодействием между ними.
Зависимость гидравлического сопротивления орошаемых насадок от скорости газа в полном сечении колонны, построенная в логарифмических координатах, представлена на рис. 3.2.2.1 - 3.2.2.7. Причем, на рис. 3.2.2.1 -3.2.2.4 представлены зависимости гидравлического сопротивления насадок всех исследуемых модификаций (Ml, МП, МШ) при плотностях орошения от 3,44-Ю"4 м3/(м2-с) до 13,89-Ю"4 м3/(м2-с) в сравнении с гидравлическим сопротивлением слоя орошаемой насадки из металлических колец Палля (КП), данные по которому заимствованы из работы [16], а на рис. 3.2.2.5 - 3.2.2.7 -зависимости гидравлического сопротивления от скорости газа в колонне для каждой насадки модификации М в отдельности при варьировании плотности орошения от 27,78-10 4 до 155,6-10 4м3/(м2-с).
Анализируя графические данные (рис. 3.2.2.1 - 3.2.2.7), можно заметить, что гидравлическое сопротивление всех насадок исследованных модификаций с увеличением плотности орошения (также как и с ростом нагрузки по газовой фазе) возрастает. Рост сопротивления насадок с повышением плотности орошения связан, преимущественно, с накоплением жидкости в насадке и уменьшением свободного сечения для прохода газа. Однако не последнюю роль играет и влияние интенсивной турбулизации фаз, выражающееся в создании дополнительных местных сопротивлений потоку газа (образование капель и брызг жидкости при перетекании с одного элемента на садки на другой, поперечная неравномерность потока жидкости, образование застойных зон и т. д.).
АР На рис. 3.2.2.1 представлена зависимость lg —zi - lg wr для различ Н ных модификаций кольцевых насадок типа М в сравнении с металлическими кольцами Палля (КП) при плотности орошения 3,44-10"4 м3/(м2-с). Наименьшим сопротивлением при данной нагрузке обладает насадка Ml, далее следует насадка МИ и металлические кольца Палля (КП). Наибольшее гидравлическое сопротивление имеет насадка МШ. Характерных точек перегибов на АР графике lg —ej - - lg wr при малой нагрузке по жидкости получить не удалось.
На рис. 3.2.2.2 - 3.2.2.4 показана зависимость гидравлического сопротивления исследованных насадок от скорости газа при плотностях орошения 8,33-10 4, 11,11-Ю"4 и 13,89-10"4 м3/(м2-с). Сравнивая рис. 3.2.2.1 - 3.2.2.4, можно видеть, что: - с ростом нагрузки по жидкости увеличивается гидравлическое сопротивление насадок всех модификаций; - при плотности орошения 8,33-10"4 м3/(м2-с) была получена первая АР характерная точка на графике lg — 1 - lg wr (на рис. 3.2.2.2 ей соот Н ветствуют точки, лежащие на линии П-П - линии инверсии); 4 4 9 - при плотности орошения 11,1-10 м /(м -с) для насадки модифика ции МШ были получены первые точки, соответствующие скоростям начала режимов подвисания и захлебывания.
Графическая интерпретация экспериментальных данных на рис. 3.2.2.5 - 3.2.2.7 показала, что характер изменения гидравлического сопротивления при увеличении плотности орошения и скорости газа в полном сечении колонны одинаков для всех насадок исследованных модификаций. Также для всех модификаций насадок были отмечены четыре режима работы, описанные ранее.
1. В режиме подвисания наименьшим сопротивлением обладает насадка модификации Ml. Подобная картина сохраняется во всем диапазоне изменения плотности орошения, т. е. при Lv = 27,78-10 4 + 155,6-10"4 м /(м -с). Так, при скорости газа wr = 1,66 м/с и плотности орошения 27,78-10"4 м3/(м -с) гидравлическое сопротивление насадки модификации Ml меньше, чем у металлических колец Палля, в 1,25 раза ив 1,2 и 1,31 раза по сравнению с насадками модификаций МИ и МШ соответственно.
2. Гидравлическое сопротивление исследованных кольцевых насадок в точках захлебывания незначительно зависит от плотности орошения, что, вероятно, можно объяснить тем, что в данном случае величина сопротивления определяется трением между потоками, которое зависит от соотношения скоростей и физических свойств потоков. Для исследованных насадок гидравлическое сопротивление зависит также от величины угла а между пластинчатыми элементами гребенок лепестков насадки.
3. Среди насадок исследованных модификаций наибольшее гидравлическое сопротивление в точках захлебывания (2100- 2450 Па/м) имеет насадка МШ. Наименьшее же сопротивление в точках захлебывания у насадки модификации Ml (1900+2250 Па/м).
