Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор. 16
1.1. Типы насадок. 16
1.2. Гидродинамика насадочных аппаратов. 25
1.2.1. Гидродинамические режимы . 25
1.2.2. Диапазон устойчивой работы насадок. 27
1.2.3. Гидравлическое сопротивление насадок. 30
1.2.4. Средняя толщина стекающей пленки жидкости. 34
1.2.5. Удерживающая способность насадок. 36
1.3. Массообмен в пакетных насадочных аппаратах. 38
1.3.1. Влияние гидродинамических и геометрических параметров на коэффициенты массоотдачи. 38
1.3.2. Некоторые уравнения, предложенные исследователями для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе р ц 40
1.3.3. Некоторые уравнения, предложенные исследователями для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе Par- 43
Выводы по литературному обзору. 45
ГЛАВА II. Экспериментальное исследование гидродинамики в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой . 47
2.1. Описание экспериментальной установки. 47
2.2. Описание пакетной вихревой насадки. 49
2.3. Гидродинамика пакетной вихревой насадки . 58
2.4. Экспериментальное исследование гидродинамики насадочной колонны с различными типами контактных устройств. 62
2.5. Обработка экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению орошаемой жидкостью пакетной вихревой насадки. 68
Выводы по главе II. 70
ГЛАВА III. Экспериментальное исследование процесса абсорбции углекислого газа в колонном аппарате . 71
3.1. Выбор абсорбента. 71
3.2. Методика проведения исследований. 72
3.3. Экспериментальное исследование процесса абсорбции СОг в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой . 73
3.4. Обработка экспериментальных данных по массообменному процессу пакетной вихревой насадки. 80
3.5. Сравнение эффективности абсорбции С02 раствором диэтаноламина в аппарате с различными конструкциями насадок. 81
Выводы по главе III. 86
ГЛАВА IV. Методика расчета и практическая реализация процесса абсорбции углекислого газа в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой 89
4.1. Методика расчета абсорбера колонного аппарата с пакетной вихревой насадкой. 89
4.2. Практическая реализация процесса абсорбцииуглекислого газа в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой. 91
Выводы по работе. 96
Список литературы. 98
- Гидродинамические режимы
- Гидродинамика пакетной вихревой насадки
- Экспериментальное исследование процесса абсорбции СОг в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой
- Практическая реализация процесса абсорбцииуглекислого газа в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой.
Введение к работе
Актуальность работы. Практически в любых отраслях промышленности существуют производства, связанные с выделением диоксида углерода из технологических или дымовых газов.
В мире ежегодно сжигается более 5 млрд. тонн угля и нефти. В воздух попадает около 100 млн. тонн оксидов углерода, причем с каждым годом выбросы СО2 увеличиваются в среднем на 5%. Глобальный рост выбросов СО2 отмечен не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. Установлено, что основными источниками загрязнения атмосферы являются предприятия металлургической, энергетической, нефтехимической, силикатной и химической промышленности.
Степень улавливания и повторного использования выбрасываемого в воздух СО2 невелика, поэтому создание новых технологий и нового высокоэффективного оборудования для улавливания и утилизации СО2 является актуальной задачей для всех стран мира.
Интерес к проблеме очистки газов от СО2 возник достаточно давно, когда начали создаваться первые агрегаты синтеза NH3. При синтезе аммиака одним из основных реагентов является водород, получаемый из природного газа путем конверсии паром и последующих каталитических реакций. Нежелательным продуктом таких реакций является СО2, который необходимо полностью удалять из реакционной смеси перед реакцией синтеза аммиака.
В настоящее время известно большое количество методов выделения СО2 из промышленных газов, отличающихся использованием различных абсорбентов, схем абсорбции, конструкции абсорберов и схем регенерации насыщенного газом абсорбента. Применение значительного количества схем и абсорбентов, по-видимому, объясняется стремлением снизить стоимость очистки, так как её доля в себестоимости, например, продуктов синтеза аммиака, составляет около 20%.
Анализ литературных источников за последние 25 лет по совершенствованию аппаратурного оформления процессов абсорбции и десорбции абсорбента показывает, что больших сдвигов в данном направлении не наблюдается и по-прежнему для крупнотоннажных производств вновь пускаемых цехов закладываются тарельчатые колонные аппараты с клапанными, колпачковыми, ситчатыми, ситчато-клапанными и другими тарелками барботажного принципа действия.
В связи с малой скоростью очищаемых газов в данных колонных аппаратах (до 2 м/с), их диаметр (при расходах газа несколько сотен тысяч м3/ч) колеблется от 5 до 8 метров, а высота, вследствие с низкой эффективностью массообмена, может быть выше 60 метров.
Поэтому разработка массообменных устройств, надежно работающих при высоких скоростях газа, создающих как большие поверхности тепло- и массообмена, так и высокие значения коэффициентов массопередачи, работающих в противоточном режиме, а также хорошо сепарирующих спектр капель жидкой фазы, образующихся при высоких скоростях газа (более 3,5 м/с), легко масштабируемых на любой диаметр аппарата, является актуальной задачей в области дальнейшего развития абсорбционного, десорбционного и ректификационного оборудования.
Интенсивно развиваемые в последние годы организованные насадки как в России, так и за рубежом в фирмах: Sulzer, ChemnitzGmbH, Norton и др. уже позволяют получать развитую поверхность массообмена до 750 м2 на 1 м3 насадки.
Однако все новые развиваемые в России и за рубежом насадки работают в чисто пленочном режиме, которому присущи следующие недостатки: малая плотность орошение (до 25 м3/м2ч); низкие скорости газа (до 3,5 м/с); чрезвычайно высокая сложность равномерного распределения жидкой фазы по большой поверхности насадок; сравнительно низкие коэффициенты массопередачи и, к тому же, высокое гидравлическое сопротивление.
Цель работы - повышение эффективности массообмена в аппарате с пакетной вихревой насадкой в сравнении с другими типами насадок в процессе абсорбции СО2 раствором диэтаноламина из воздуха.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Выявить диапазон устойчивой работы пакетной вихревой насадки в системе газ – жидкость в широком диапазоне изменения скоростей газа от 1 до 6 м/с (вплоть до уноса жидкой фазы из насадочного слоя) и плотностей орошения жидкости 20 - 100 м3/м2ч.
2. Найти зависимость гидравлического сопротивления пакетной вихревой насадки от скорости газа и плотности орошения.
3. Выявить эффективность процесса абсорбции СО2 в аппарате с пакетной вихревой насадкой раствором диэтаноламина в широком диапазоне изменения скоростей газа и плотности орошения в сравнении с другими конструкциями насадок.
Научная новизна.
1. Впервые экспериментально показано, что в пакетной вихревой насадке реализуется высоко-эффективный эмульсионный режим взаимодействия между газом и жидкостью в широком диапазоне изменения скоростей газа от 2,5 до 6 м/с и плотностей орошения от 20 до 100 м3/м2ч. за счет образования в каждой ячейке устойчивого вихря, вращающегося относительно как горизонтальной, так и вертикальной осей, в результате взаимодействия которого с жидкой фазой возникает и быстро сепарируется на стенках ячеек большое количество капель различного размера.
2. Экспериментально найдено, что генерирование и одновременная эффективная сепарация образующихся капель в каждой ячейке насадки за счет сложного вращения вихря приводит к «самоорганизации» потоков газожидкостной смеси, следствием которой (в отличие от других типов насадочных устройств) является низкое гидравлическое сопротивление насадки (существенно более низкое по сравнению с имеющимися насадками).
3. Получена расчетная зависимость для определения гидравлического сопротивления вихревой насадки в зависимости от критериев Re по газовой и жидкой фазам и числа пакетов насадки.
4. Найдена эмпирическая зависимость высоты единицы переноса в процессе абсорбции СО2 раствором диэтаноламина в аппарате с вихревой пакетной насадкой от критериев Re по жидкой и газовой фазам в широком диапазоне существования «эмульсионного» слоя в ячейках насадки. (Uг=2,5-5,5 м/с, П=20-100 м3/м2ч.)
Практическая значимость.
1. Показано, что гидравлическое сопротивление аппарата с пакетной вихревой насадкой существенно ниже при тех же скоростях газа и плотностях орошения в сравнении с насадками: кольца Рашига, псевдоожиженная шаровая насадка и насадка фирмы «Зульцер» Mellapak 250.
2. Исследования процесса абсорбции CO2 диэтаноламином показали, что при интенсивном образовании и сепарации капель абсорбента из вращающегося вихря при плотностях орошения 40-120 м3/м2ч достигаются высокие значения коэффициентов объемной массопередачи.
3. Разработана методика расчета абсорбера, позволяющая надежно определять гидравлическое сопротивление, диаметр аппарата, высоту насадки по заданной степени улавливания абсорбируемого газа.
4. Абсорбер CO2 под давлением газа до 8 МПа и десорбер диэтаноламина пилотной установки получения метанола из отходящих газов с вихревой пакетной насадкой были представлены на «Международной выставке оборудования «Нефть и газ 2010г.» г. Москва, 2430 июня 2010 г.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались на IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ – 2011», г. Москва – 2011 г, IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств», г. Иваново – 2010 г, VII Международная научная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования», Иваново – 2005 г.
Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 статья в зарубежном журнале.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 2 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 154 источника, из которых 26 иностранные.
Гидродинамические режимы
В тарельчатых массообменных аппаратах широко применяют барботажные, струйные, пленочные и комбинированные (например: струйно-барботажн ые) контактные устройства. Наиболее широкое применение получили [5, 6, 8] ситчатые тарелки, колпачковые тарелки с двумя зонами контакта фаз, клапанные, провальные и жалюзийные тарелки. Разнообразие существующих тарельчатых контактных устройств обусловлено поиском конструкций, обеспечивающих высокую эффективность и интенсивность массообмена. Но, несмотря на высокую эффективность разделения и высокую производительность, массообменные тарельчатые колонны имеют целый ряд недостатков, основными из которых являются следующие: а) большое гидравлическое сопротивление, а, следовательно, и большие энергозатраты; б) очень большие габариты аппаратов в связи с низкими скоростями парогазовых потоков, малой эффективностью каждой тарелки, а также большими расстояниями между массообменными устройствами.
Поэтому в последнее время все большее внимание уделяют использованию в качестве контактных устройств насадок различной формы. Современный уровень знаний гидродинамики, техники моделирования, применение новых материалов и новых технологий позволяют исследовать, создавать новые насадки и изучать их работу более эффективно.
В настоящее время мировой рынок предлагает очень широкий выбор насадок. Выпускаются насадки с низким гидравлическим сопротивлением (менее 500 Па на метр высоты) и с высокой разделяющей способностью, с различной плотностью и удельной поверхностью (от 100 до 3000 м /м ), стойкие в высокоагрессивных средах, с малой удельной материалоемкостью и т. д. Однако все они работают только в пленочном режиме работ. В последние годы и в России в связи с более жесткими требованиями к качеству подготовки газа, необходимостью создания тепломассообменных более совершенных конструкций высокой производительности и эффективности значительное внимание уделяется именно насадочному оборудованию, увеличивается внедрение колонн с насадками, идет накопление опыта их эксплуатации [7].
Широкий диапазон возможностей применения насадочных контактных устройств говорит о довольно разветвленной системе их классификации. Прежде всего, насадочные устройства делятся по способу их укладки в аппарат [7, 8] на регулярные и нерегулярные (беспорядочные, насыпные). Регулярные насадки либо уложены, либо определенным образом ориентированы в пространстве друг к другу в виде достаточно жестких конструкций. Нерегулярные насадки засыпаются в массообменный аппарат без укладки, в навал. На рис. 1.1 представлена схема классификации насадочных устройств, где приведены наиболее характерные типы насадок, главным образом из числа запатентованных в последние годы и нашедших практическое применение в промышленности [7]. Насадочные контактные устройства
Эти насадки довольно широко используются в промышленности, хотя имеют ряд недостатков. Так, например, кольца Рашига из керамики размером 25x25x3 мм при небольшой удельной поверхности насадки 200 м /м и свободном объеме 74 % имеют среднее гидравлическое сопротивление 4000Па/м .(при скорости газа 1 + 1,5 м/с), а эффективность ВЭТТ (высота эквивалентная теоретической тарелке) равна 0,16-0,6 м. Почти такими же характеристиками обладают металлические седла Инталлокс с размером элемента 25 мм: удельная поверхность насадки 250 м2/м\ свободный объем 70%, со средним гидравлическим сопротивлением 1500 Па/м, ВЭТТ равна 0,4м. Седла Берля из металла с таким же размером элемента и удельной поверхностью имеют свободный объем 93 %, а гидравлическое сопротивление 10000 Па/м при ВЭТТ равной 0,5 м. Металлические кольца Палля 25x25x0,6 мм имеют гораздо меньшее гидравлическое сопротивление 800 Па/м, но меньшую эффективность ВЭТТ равную 0,31 м, при остальных почти равных характеристиках: удельная поверхность насадки 235 м /м , свободный объем 90%. Для повышения эффективности работы таких насадок, необходимо увеличить доступность всей поверхности элемента насадки для омывания потоками жидкости и газа, и равномерность распределения жидкости по насадке. За рубежом В.П. Мишиным [9] был создан ряд насадок, обладающих более развитой поверхностью массообмена: Pall Rings, Melapac, Super Torus, Intalox Metal и др. Эти насадки имеют свободный объем от 62 до 97% и удельную поверхность от 60 до 985 м /м соответственно. Однако при увеличении скорости газа до 4 м/с гидравлическое сопротивление таких насадок возрастает до 1950 Па/м (200 мм. вод. ст.), что не позволяет их использовать в широких диапазонах нагрузок по газу.
Очередным этапом развития элементов насадок явилась разработка регулярных насадок авторами [10, 31, 32]. Эти насадки изготавливаются из металлических листов или сеток, обычно гофрированных или с перфорацией. Эти насадки в отличие от нерегулярных располагаются в колонне в определенной последовательности, образуя сложную структуру и создавая условия для пленочного течения жидкости по ее поверхности. Применение регулярной насадки позволяет увеличить производительность по сравнению с тарельчатыми колоннами [14].
Швейцарским концерном "Зульцер Бразерс Лтд." более 30 лет назад была разработана одна из первых регулярных насадок. Эта насадка представляет собой цилиндрический блок, состоящий из параллельных, вертикально расположенных листов, изготовленных из проволочной сетки. Листы имеют наклонное треугольное рифление. Углы наклона смежных листов противоположны, так что между отдельными гофрированными листами образуются параллельные перекрещивающиеся каналы треугольного сечения. Каждый следующий блок насадки вставляется в колонну под углом 90 к направлению листов предыдущего блока. Структура насадки и большое капиллярное действие сетки обеспечивают полное и однородное смачивание всей поверхности насадки при равномерном распределении жидкости в 10 точках на площади 1 дм2 в диапазоне, правда при очень малых плотностях орошения 0,2-5 м3/м2ч.
По сведениям других авторов Стыценко А.В, Олевский В.М. [16, 33-34] и иностранных авторов McQuillan K.W. [35] некоторые конструктивные и рабочие характеристики насадки Зульцер отличаются от приведенных Коган В.Б. [36].
Различные модификации насадки Зульцера описаны авторами Billet Reinhard, Tuber М., Meier V., Bomio P., Zogg M. в зарубежной литературе [37-42]. Насадка Зульцер, изготавливается не только из проволочной сетки. В работе автора А.В. Стыценко [16] описаны характеристики насадок, изготовленных из листов титана, пентапласта и фторопласта, причем некоторые насадки изготавливаются из листов с прорезями. Эти насадки испытывали в вакуум ректификационной колонне диаметром 83 мм, на смеси хлорбензол-этилбензол. Испытания показали, что гидравлические и массообменные характеристики насадок из листов с прорезями оказались предпочтительнее, чем для насадок из сплошных листов и практически сопоставимы с эффективностью сетчатой насадки. Для насадки типа Зульцер из проволочной сетки число теоретических тарелок на 1 м высоты (Nm), при значении оптимального фактора нагрузки F = 0,5-2,7 изменяется от 5 до 8, для насадки из сплошных листов пентапласта для тех же значениях F и Nm = 1-2, для насадки из листов титана с прорезями Nm = 4-7.
Гидродинамика пакетной вихревой насадки
Исследования В.М. Олевский и других авторов [34, 80] показали, что на режим захлебывания плоского орошаемого канала оказывают следующие факторы: вязкость жидкости, поверхность натяжения, связанная с характером, как орошаемой жидкости, так и с конструкцией материала насадки, геометрических размеров площади орошения, а также плотности орошения.
Верхний предел нагрузок пленочных тепло- и массообменных аппаратов, обусловлен пределом захлебывания, нижний же их предел определяется главным образом условиями смачивания и растекания жидкости по материалу, из которого изготовлена насадка аппарата. Нормальная работа пленочных аппаратов возможна только при наличии устойчивой однородной пленки на всей рабочей поверхности насадки [88, 90, 95]. Известно, что жидкость на твердой гладкой поверхности может находиться на ней в виде капель или стекать по ней отдельными струйками. Растекание жидкости по твердой поверхности в виде пленки обусловлено динамическими силами, возникающими при движении жидкости по поверхности. Однако при уменьшении площади орошения пленка может стать настолько тонкой, что под воздействием сил поверхностного натяжения она разорвется с образованием отдельных струек. На рабочей поверхности насадки в этом случае возникают сухие участки, что значительно ухудшает условия массообмена вследствие резкого сокращения поверхности раздела жидкой и газовой фаз. Следовательно, при проектировании и эксплуатации пленочных аппаратов наименьшая допустимая плотность орошения должна быть такой, чтобы вся поверхность контактного устройства была покрыта слоем жидкости. В.А. Малюсов, Н.М. Жаворонков, Н.Н. Кулов и др. авторы [88-95]
Различная эффективность регулярных насадок (включая сетчатые), изготовленных из разных материалов, объясняется неодинаковой смачиваемостью их поверхностей в условиях тепло-массообмена и возможностью возникновения адсорбционных эффектов в зависимости от химической активности этих материалов. При разделении эталонных смесей с различной полярностью веществ для определения влияния последней на эффективность насадок из различных металлов Э. Крель [96] определил, что в зависимости от материала насадки эффективность разделения изменяется на 10-12%.
Изучение смачиваемости ряда материалов позволило установить, что их предварительная обработка для создания шероховатости поверхности порядка нескольких микрон улучшает смачивание. Э. Крель установил, что насадки из пластмасс с полярностью около 10% превосходят по степени смачиваемости металлические сетчатые насадки.
Исследования Е.Г. Воронцова [80] показали, что каждому конкретному случаю соответствует некоторая минимальная линейная плотность орошения Гтт, ниже которой образование стабильной жидкостной пленки практически невозможно. Величина минимальной плотности орошения зависит от того, поступает ли жидкая фаза на сухую поверхность стенки или же на предварительно смоченную. Е.Г. Воронцов установил, что расхождение между полученными в этих случаях значениями Гтт, обусловленное гистерезисом краевого угла смачивания ", составляет 450-1200% и зависит от свойств материала стенки, физико-химических характеристик жидкости, температуры поверхности стенки и от конструкции распределителя орошения.
М. Хоблер [82] для случая изотермического течения получил теоретическую взаимосвязь между минимальной плотностью орошения и суммой кинетической энергии и энергии поверхностного натяжения пленки жидкости, что дало возможность вывести формулу для определения минимального числа Reimn, при котором происходит разрыв жидкой пленки.
Минимальная плотность орошения при наличии массообмена в ряде случаев может существенно отличаться от рассчитанной по уравнениям, так как данный процесс иногда вызывает существенное влияние на величину поверхностного натяжения. В зависимости от направления влияния массопереноса на поверхностное натяжение системы, участвующей в процессе, делятся на «отрицательные», в которых массообмен снижает поверхностное движение по мере стекания пленки и «положительные», где наблюдается обратное влияние.
Наложение совмещенных процессов конденсации и испарения на процесс пленочной ректификации в кольцевом канале в ряде случаев приводит к существенному увеличению общей эффективности массопереноса. Особенно это заметно при разделении «отрицательных» систем, когда по мере стекания пленки уменьшается ее гидродинамическая стабильность. В этом случае наложение одновременно протекающих процессов конденсации и испарения способствует восстановлению сплошности жидкой пленки и эффективность разделения может быть увеличена в 2,5 - 3 раза [80].
Экспериментальное исследование процесса абсорбции СОг в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой
Вихревое движение газа в ячейках характеризуется огромными скоростями сдвига, которые позволяют интенсифицировать тепломассообменные процессы, а также существенно понизить эффективную вязкость в жидкости, например, при улавливании частиц различных размеров орошаемой суспензией, что ведет за собой значительное повышение эффективности процесса. Форма ячейки не дает возможности прямого попадания жидкости в нее. Жидкость попадает внутрь ячейки через боковые каналы, и распределяется равномерно по ее внутренней поверхности вихрем, который образуется за счет взаимодействия газового и жидкостного потоков на поверхности насадки. Движение вихря поддерживается, в основном, за счет энергии газового потока, расход которой невелик. Образующиеся капли внутри ячейки тут же отбрасываются к стенкам, смоченными стекающей жидкостью, поэтому внутри ячейки образуется такое течение газовой и жидкой фаз, при которых формируется наименьшее гидравлическое сопротивление из всех возможных течений. Сепарационный эффект ячейки приводит при направленном, закрученном, сепарационном, вихревом движении внутри ячейки к резкому снижению брызго-капельного уноса. Конфигурация и форма завихрителей боковых каналов такова, что даже при смоченных поверхностях и интенсивном капельном движении не происходит поджатие газового потока ни на входе в ячейку, ни внутри ее, ни на выходе. Форма ячейки приводит к разделению потоков на входе и выходе из нее на равные части, каждая из которых поступает в соседние ячейки следующего пакета, тем самым достигается изотропность потоков по диаметру аппарата. Выход газа из каждой ячейки направлен под углом 90 по отношению к входу в ячейку. Далее жидкость входит в следующий канал насадки и аналогично происходит изменение ее направления. Отсутствие прямолинейных каналов вдоль вертикальной оси полностью исключает вероятность проскока больших газовых пузырей.
Поскольку сопротивления ячеек в пакете одинаково, то газовая среда распределяется по ячейкам одинаково и явления, которые протекают в одной ячейке, характерны для всех других ячеек в пакете. Конфигурация каналов ячеек такова, что жидкая и газовая фаза покидают ячейку одновременно в двух направлениях, что приводит к равномерному перераспределению данных фаз по поперечному сечению аппарата, и отпадает необходимость в применении перераспределителей жидкости по высоте насадки. Выход газового потока из соседних ячеек осуществляется под углом 90 что позволяет очень быстро и равномерно перераспределить по сечению аппарата поступающую сверху жидкость. схематично представлен один из вариантов конфигурации ячеек, в которых фронтальная щель на входе и выходе из ячейки параллельны.
В исследованной нами насадке вихревые вход и выход из ячейки повернут один относительно другого на 90%. Такая конструкция каждой ячейки (которую сложно показать даже схематически) заставляет вращаться газожидкостную смесь как вокруг горизонтальной, так и в вертикальной оси, что резко повышает сепарационную способность капель абсорбента в данной насадке и позволяет с высокой эффективностью осуществлять процесс абсорбции при больших скоростях газа и плотностях орошения до 120 м /м ч.
В отличие от существующих пакетных насадок, созданная насадка обладает более развитыми криволинейными поверхностями, способствующими развитию инерционного характера осаждения капель на поверхности пленки жидкости, движущейся по поверхности насадки. Принципиальным отличием является отсутствие сквозных прямолинейных каналов (не наблюдается так называемых просветов сквозь торцы ячеистой тарелки).
Смещение образующих сторон ячеек принято не случайно. Основная цель смещений заключается в создании равных по площади входных сечений ячейки. Газовый поток разделяется поверхностями насадки на части, и его большая часть поступает через сечения большей площади. Следует отметить, что большие по площади сечения, снизу и сверху пакетной тарелки, расположены симметрично оси канала и, следовательно, они способствуют закручиванию потока внутри ячейки. Вход газовых потоков в ячейку с разных сторон способствует дополнительной турбулизации газового потока в ней.
Пакет данной насадки представляет собой набор ячеек, соединенных между собой в горизонтальной плоскости (см. рис. 2.4). Пакеты в насадочном слое могут устанавливаться как с расстановкой между собой, так и без нее. Высота расстановки, как правило, не превышает половины высоты пакета.
На рис. 2.7. представлена пакетная вихревая модифицированная насадка, выполненная из полипропилена для аппарата диаметром 600 мм. Пакетная насадка хорошо масштабируется, так как при увеличении диаметра аппарата в десятки раз в плане пакета, возрастает лишь число ячеек в пакете, а размеры ячейки остаются такими же, как и в лабораторной установке.
Практическая реализация процесса абсорбцииуглекислого газа в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой.
При плотностях орошения 40 и более 100 м /м чи скоростях газа более 2,5 м/с пакетная вихревая насадка имеет в несколько раз меньшую высоту единицы переноса по сравнению с лучшей насадкой фирмы Зульцер, не говоря уже о других типах насадки.
Опыт промышленной реализации (см. главу IV) ряда абсорберов диаметром от 600 до 900 мм. показал, что в промышленных аппаратах высота единицы переноса пакетной вихревой насадки получается еще меньше по сравнению с лабораторной установкой в связи с незначительным влиянием пристеночного эффекта, связанного с деформированием вихревых ячеек у стенок аппаратов.
Расчетная высота насадки в промышленных аппаратах (по результатам лабораторных исследований в аппарате диаметром 150 мм.) фактически была уменьшена на 50% при той же эффективность процесса.
Учитывая, что ПВН хорошо работает при высоких скоростях газа (в 2-2,5 больших по сравнению с лучшими Российскими и зарубежными насадками), то кроме малой высоты насадки и, соответственно, малой высоте аппарата в целом, аппараты с ее использованием имеют существенно меньший диаметр. Это приводит к резкому снижению металлоемкости оборудования и, пропорционально ему, уменьшению стоимости оборудованию в целом.
Ориентировочная цена 1 м насадки ПВН (по данным машиностроительного завода города Латвия, который начал промышленное производство насадки) составляет 2000-2500 евро, в то время как насадка фирмы Зульцер продается в России за 4000 евро. jf s 3
Характерной чертой пакетных насадок является то, что с их помощью можно создавать слои насадок любой высоты. Они могут изготавливаться либо из металла (Х18Н10Т) в виде блоков определенной высоты, содержащих несколько ячеек по высоте (см. рис. 2.8), либо в виде жестких тарелок высотой, равной высоте одной ячейки (см. рис. 2.2), которые для создания необходимой высоты слоя насадки накладываются друг на друга. При этом тарелки или блоки могут накладываться друг на друга либо в виде плотного слоя, либо с расстановкой (раздвинутый пакет) на величину, не более половины высоты тарелки. Раздвинутый пакетный слой имеет некоторые преимущества. Благодаря такому решению при большой скорости газа повышается количество зависаемой жидкости внутри многослойной насадки. Увеличение подвисания объема жидкости наблюдается в пространстве между пакетами, а интенсивное дробление жидкости проходящим газовым потоком создает дополнительную поверхность массопередачи.
Кроме этого, в межпакетном пространстве происходит более быстрое перераспределение орошающей жидкости по всему сечению аппарата.
С увеличением объемной плотности орошения увеличивается количество жидкости, распределяемой в объеме каждой ячейке насадки, повышая тем самым межфазную поверхность. Высокие значения плотности орошения, при достаточной скорости газового потока, обеспечивают более развитые брызгокапельные области внутри каждой ячейки и между слоями, способствующие более эффективному протеканию процесса абсорбции.
Пакетная вихревая модифицированная насадка отличается высокой долей свободного сечения, за счет использования тонкостенных образующих элементов и особым регулярным расположением вихревых ячеек. В связи с тем, что ячейки идентичны по размерам и форме, а также расположены симметрично, происходит вполне равномерное распределение между соседними элементами насадки, как объемного расхода газа, так и объемного расхода орошающей жидкости. Такое конструктивное решение позволяет проводить массообменный процесс на более высоких скоростях движения газового потока, в условиях противоточного режима движения взаимодействующих фаз, по сравнению с другими видами насадок.
Как показали лабораторные исследования, испытуемая насадка может работать вплоть до скорости Ц,=б м/с. Однако наиболее высокая эффективность процесса наблюдается в диапазоне скоростей газа иг=3 5,5 м/с.
Необходимо отметить, что исследуемая нами вихревая пакетная насадка устойчиво работает в широком диапазоне изменения плотности орошения от 20 до 100 м /м ч, что выгодно ее отличает от других конструкций насадок.
В сравнении с другими типами исследованных насадок показано, что эффективность насадки ПВН начинает резко возрастать при наступлении эмульсионного режима газожидкостного взаимодействия в каждой ячейке и насадка имеет высокую эффективность массопередачи при скоростях газа от 2,5 до 5,5 м/с и больших плотностях орошения, когда другие насадки уже не работают.
