Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ И
Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 15
1. Направления интенсификации насадочных массообненных устройств
для систем газ-жидкость 15
Классификация насадочных аппаратов 15
Сопоставление контактных насадочных устройств по гидравлическим и массообменным характеристикам 18
Конструкции структурированных насадок, применяемых в промышленности 20
2. Гидродинамика структурированных насадок 30
Гидродинамические режимы 30
Диапазон устойчивой работы насадок 32
Гидравлическое сопротивление насадок 37
Средняя толщина стекающей пленки жидкости 45
Удерживающая способность насадок 49
3. Массообмен в слое структурированной насадки 53
Влияние гидродинамических и геометрических параметров на коэффициенты массоотдачи 53
Анализ уравнений, предложенных в литературе для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе0gf 54
Анализ уравнений, предложенных в литературе для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазеPlf 60
Обобщенные уравнения массопередачи для колонн со структурированной
насадкой 65
4. Выводы. Постановка задачи исследования 71
Глава II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ СТРУКТУРИ
РОВАННЫХ НАСАДОК 75
1. Геометрическая модель структурированных насадок из гофрированных листов и
выбор насдок для исследования 75
2. Выбор методов и соответствующих им газожидкостных систем для исследования 81
гидродинамики и тепломассоотдачи_
3. Описание установок для проведения экспериментов 84
Экспериментальная установка №1 84
Экспериментальная установка №2 87
4. Методики определения гидродинамических параметров и оценка их точности 91
Измерение гидравлического сопротивления насадки на установке №1 91
Измерение удерживающей способности насадки на установке №1 93
Измерение гидравлического сопротивления насадки на установке №2 94
Измерение удерживающей способности насадки на установке №2 95
Оценка погрешности экспериментального определения гидродинамических
характеристик насадок 96
5. Методика проведения экспериментов по массоотдаче в газовой фазе и оценка их
точности 99
Порядок проведения экспериментов 99
Методика обработки результатов экспериментов и расчета объемного коэффициента массоотдачи в газовой фазе Pgv и объемного коэффициента теплоотдачи
av 101
5.3. Оценка погрешности экспериментального определения объемного коэф
фициента массоотдачи в газовой фазе Pgv 106
6. Методика проведения экспериментов по массоотдаче в жидкой фазе и оценка их
точности 109
Особенности сульфитной методики 109
Порядок проведения экспериментов и расчет коэффициента массоотдачи в жидкой фазе Plf ИЗ
6.3. Оценка погрешности экспериментального определения коэффициента
массоотдачи в жидкой фазе Plf 116
Глава III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ СТРУКТУРИ
РОВАННЫХ НАСАДОК 118
1. Особенности процесса работы структурированных насадок при различных
режимах нагрузок по газу и жидкости 118
2. Средняя толщина пленки жидкости и удерживающая способность насадки 122
3. Гидравлическое сопротивление сухих насадок 133
4. Гидравлическое сопротивление орошаемых насадок 138
5. Заключение по главе III 155
Глава IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАССООТДАЧИ СТРУКТУРИ
РОВАННЫХ НАСАДОК 159
1. Анализ влияния гидравлических и конструктивных параметров на
коэффициент массоотдачи в газовой фазе/?gf 159
2. Обработка результатов экспериментов, рекомендуемое уравнение для расчета
коэффициента массоотдачи в газовой фазе Pgf структурированных насадок 163
3. Анализ влияния гидравлических и конструктивных параметров на
коэффициент массоотдачи в жидкой фазе/?іг 168
4. Обработка результатов экспериментов, рекомендуемое уравнение для расчета
коэффициента массоотдачи в жидкой фазе pLF структурированных насадок 172
5. Заключение по главе IV 176
Глава V. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ НАСАДОК 178
1. Разработка новой конструкции эффективной комбинированной насадки 178
2. Результаты исследования гидравлического сопротивления новой комбинированной насадки и их сравнение с гидравлическим сопротивлением
структурированной насадки 182
3. Результаты испытаний новой комбинированной насадки по массоотдаче в
газовой фазе и их сравнение с Pgf структурированной насадки 191
4. Заключение по главе V 197
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 200
ЛИТЕРАТУРА 205
ПРИЛОЖЕНИЯ 218
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ
а - поверхность одного насадочного тела, м ;
ае - активная поверхность насадки, м2/м3;
Ор-удельная поверхность насадки, м2/м3;
b - длина основания гофры, м;
С - концентрация компонента в глубине фазы, кг/м ;
Ср - концентрация компонента у границы раздела, кг/м ;
ЛСт - средняя движущая сила процесса массо передач и, выраженная в массовых
концентрациях, кг/м ; dhG,dry - гидравлический диаметр сухих каналов течения газа, м; dhG.wet - эквивалентный гидравлический диаметр орошаемых каналов течения газа, м; Dq - коэффициент диффузии в газовой фазе, м2/с; Dl - коэффициент диффузии в жидкой фазе, м2/с; е - свободный объем насадки, м /м ; Ей - критерий Эйлера; fK-площадь сечения колонны, м2;
Fg - фактор скорости газа при рабочих режимах, м/с-(кг/м3)0'5;
Fgjp - фактор скорости газа (F-фактор) в точке начала захлебывания колонны, м/с-(кг/м3)0,5; Fop - поправочный коэффициент на поверхность насадочных листов для условий стекающей
пленки жидкости; Fop - поправочный коэффициент на поверхность насадочных листов для условий стекающей
пленки жидкости; Fo - диффузионный критерий Фурье; Ffu ~ критерий Фруда для жидкости;
Fse - безразмерный фактор материала и структуры поверхности листов насадки; Fstat ~ поправочный коэффициент на поверхность насадочных листов при условии полностью
орошенной насадки со статичной пленкой жидкости; Ft - поправочный коэффициент на поверхность насадочных листов; g - ускорение гравитационной силы, м/с2. geff - эффективное ускорение гравитационной силы, действующие на стекающую пленку с
учетом тормозящего влияния движущегося в противотоке газа, перепада давления и силы
трения о поверхность насадочных листов, м/с2;
G - объемный расход газовой фазы, м/с;
Gg - массовый расход газа, кг/с;
Gi - массовый расход жидкости, кг/с;
Ga - критерий Галилея;
h - высота гофры, м;
Ag- частная высота единицы переноса в газовой фазе, м;
hG.iam- высота единицы переноса в газовой фазе при ламинарном течении газа, м;
hcturb - высота единицы переноса в газовой фазе при турбулентном течении газа, м;
hi- частная высота единицы переноса в жидкой фазе, м;
hop - динамическая составляющая удерживающей способности насадки, м3/м3;
hpb - общая высота насадки в колонне, м;
hpe - высота слоя насадки или высота пакета насадки, м;
hstat - статическая составляющая удерживающей способности насадки;
ht - рабочая удерживающая способность насадок, м3/м3;
НЕТР - высота, эквивалентная теоретической тарелке, м;
HTUgo~ высота общей единицы переноса, отнесенной к газовой фазе, м;
HTUg - высота единицы переноса в газовой фазе, м;
HTUl - высота единицы переноса в жидкой фазе, м;
HTUlo - высота общей единицы переноса, отнесенной к жидкой фазе, м;
К - безразмерный критерий, учитывающий скорость течения и физические свойства
орошающей жидкости; Kgf~ коэффициент массопередачи в газовой фазе, м/с; Klf- коэффициент массопередачи в жидкой фазе, м/с; /-длина пути прохождения газа по каналам насадки, м; Ipb ~ длина канала насадки, м;
1Ш - длина участка стабилизации ламинарного потока, м; L - объемный расход жидкой фазы, м /с; m -тангенс угла наклона равновесной линии процесса; «-степень неравномерности орошения; Nug~ критерий Нуссельта для газовой фазы; Nul- критерий Нуссельта для жидкой фазы;
&Ра - сопротивление из-за резкого изменения направления движения газа при входе в слой насадки, Па;
APj - сопротивление сухой насадки, возникающее при взаимодействии пересекающихся
газовых потоков при прохождении газа между насадочными листами и при преодолении
трения газа о листы, Па; АР dry - гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; kPjjood - гидравлическое сопротивление в области захлебывания, Па; kPhog - гидравлическое сопротивление, отнесенное к высоте, эквивалентной единице переноса
(HTU), или теоретической тарелке (НЕТР), Па; kPpreioad - гидравлическое сопротивление в рабочей области, т.е. до достижения точки начала
захлебывания, Па; APW - сопротивление орошаемой насадки, возникающее при взаимодействии газовых потоков с
потоками жидкости, Па; APwe,- гидравлическое сопротивление орошаемой насадки, Па; AP/Az - гидравлическое сопротивление, отнесенное к единице высоты аппарата, Па/м; ReGe- число Рейнольдса для газовой фазы, рассчитанное по действительной скорости газа; ReGrv - число Рейнольдса для газовой фазы, рассчитанное по относительной скорости газа; ReGrv.bad-ReGrv при захлебывании насадки;
ReGs~ число Рейнольдса для газовой фазы, рассчитанное по фиктивной скорости газа; ReLmin - минимальное число Рейнольдса для жидкости, при котором происходит разрыв жидкой
пленки; Ren,- число Рейнольдса для жидкой фазы; s - длина стороны гофры, м; Scg - критерий Шмидта для жидкой фазы; ScL - критерий Шмидта для жидкой фазы; ShG - критерий Шервуда для газовой фазы; Shi - критерий Шервуда для жидкой фазы; / - шаг гофрирования, м;
uGe - действительная скорость газа в свободном сечении насадки, м/с; UGn - действительная скорость газа в свободном сечении орошаемой насадки относительно
скорости стекающей жидкости, м/с; ugs - фиктивная скорость газа, отнесенная к поперечЕюму сечению насадки, м/с; uu - действительная плотность орошения в свободном сечении орошаемой насадки, м/с; ulgs - скорость жидкости на границе с газом, м/с;
иьт - средняя скорость течения жидкости по поверхности, м/с;
uu - плотность орошения насадки, отнесенная к ее поперечному сечению, м/с;
Щсал - скорость газа, при которой наступает захлебывание насадки, м/с;
Vpb - объем насадки, м3;
Weu - критерий Вебера для жидкости;
We3ax„ - число Вебера в условиях захлебывания;
хік - концентрация легкокипящего компонента в жидкой фазе;
а - угол наклона стенки орошаемого канала, или гофры насадки к горизонту; а/к - относительная летучесть легкокипящего компонента;
ау- объемный коэффициент теплоотдачи, кДж/(мЧ-С);
р- угол гофрирования листов насадки;
Pgf- поверхностный коэффициент массоотдачи в газовой фазе, м/с;
pGf.iam - коэффициент массоотдачи в газовой фазе при ламинарном течении газа, м/с;
Pefjurb - коэффициент массоотдачи в газовой фазе при турбулентном течении газа, м/с;
Pgpv - объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе, отнесенный к разности парциальных
давлений, деленной на барометрическое давление, кг/(м3-с); Pgv - объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе отнесенный к разнице
влагосодержаний воздуха, кг/(м -с); /^-поверхностный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с; /- степень сужения при переходе газа из одного слоя насадки в другой; S- приведенная толщина пленки жидкости, м; Scs - толщина листа насадки, м;
дтт - толщина пленки жидкости на насадке при минимальной плотности орошения, м; Sop- динамическая толщина пленки жидкости, м; Sstat - статическая составляющая средней толщины пленки жидкости, м; St - толщина пленки жидкости на насадке, м; дср - средняя толщина пленки жидкости, м; ср - V-образный излом поперечного сечения треугольного канала течения газа, занятый
жидкостью; Фьасі- фактор влияния нагрузки; у -угол контакта между поверхностью насадочного листа и жидкостной пленкой;
Г- линейная плотность орошения, м /(м-с);
Гщіп - минимальная линейная плотность орошения, кг/(м-ч);
т/ - коэффициент, учитывающий место отрыва газового потока от гребня волны;
X - абсорбционный фактор;
Не - динамический коэффициент вязкости газа, Па-с;
ці - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па-с;
vl - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м /с;
в- краевой угол смачивания;
ро - плотность газа, кг/м3;
pi - плотность жидкости, кг/м ;
а- поверхностное натяжение, Н/м.
Ас - разность между коэффициентами поверхностного натяжения жидкости при температурах
поверхностей пленки и стенки, Н/м; о/, - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; г-время, с; oimin и (Отах - минимальное (в плоскости соприкосновения слоев) и максимальное (в самом слое)
живые сечения насадки; Q - фактор наличия перфорации в листах насадки;
%buik - коэффициент трения газа о насадочные листы при входе в объем насадки; /-коэффициент трения газовых потоков; ifr,dry - коэффициент сопротивления трения потоков газа о поверхность листов насадки и друг о
друга; ifry/et - коэффициент сопротивления трения потоков газа о пленку жидкости и друг о друга
внутри каналов орошаемой насадки; ^-коэффициент трения газового и жидкостного потоков; ^//-коэффициент трения газа о стенки колонны; ^-степень участия в сопротивлении стенок колонны: а - коэффициент сопротивления из-за изменения направления течения газа; Q - коэффициент сопротивления от взаимодействия газовых потоков в соприкасающихся
каналах; Cdch - коэффициент местного сопротивления;
Cdckdry - коэффициент местного сопротивления, вызванного перераспределением и изменением
направления движения газа; Cdckwet - коэффициент местного сопротивления, вызванного перераспределением и изменением
направления движения газа на стыках между пакетами орошаемой насадки; Сфу - коэффициент сопротивления сухой насадки; w - коэффициент сопротивления от взаимодействия газа и жидкости.
Введение к работе
За последние десятилетия для проведения массообменных процессов на газо-жидкостных системах предложено значительное количество новых контактных устройств, причем анализ мирового опыта показывает, что во многих массообменных процессах перспективными контактными устройствами колонных аппаратов являются именно насадки. Это объясняется тем, что технико-экономические показатели современных насадок значительно выше лучших образцов тарелок, а также в связи с многофункциональностью части насадок, поскольку помимо выполнения своей основной задачи как массообменного контактного устройства они работают как распределители и перераспределители газа и жидкости, а в настоящее время разработаны насадки, которые являются также хорошими сепараторами.
Среди насадочных контактных устройств в последнее время широкое распространение получили регулярные структурированные насадки, собранные из гофрированных листов, благодаря своим преимуществам перед другими насадками, а именно низкому гидравлическому сопротивлению и высокой массообменной эффективности. Структурированные насадки обладают большой величиной удельной поверхности, обеспечивающей развитую площадь контакта фаз, при высоком (0,9 - 0,98) свободном объеме, что привело к их широкомасштабному применению в процессах, требующих больших нагрузок по газу и малых -по жидкости, характерных, в частности, для процессов очистки газов от примесей.
Но, несмотря на высокую тепломассообменную эффективность, существующие структурированные насадки имеют ряд недостатков. В частности, они характеризуются замкнутостью в поперечном сечении каналов движения газа и жидкости, которая обусловлена геометрической структурой насадок, исключающей сообщение между каналами, образованными соседними листами. Замкнутость свободных каналов прохождения потоков газа и жидкости ведет к неравномерности распределения потоков по поперечному сечению аппаратов и отсутствию перемешивания потоков в поперечном сечении, что в совокупности приводит к тому, что насадка работает не на 100% своих возможностей. Поэтому в последнее время создаются новые модификации структурированных насадок, нацеленные на увеличение КПД их работы.
Возможности интенсификации структурированных насадок, способствующей увеличению предельных нагрузок по газу и жидкости с одновременным увеличением эффективности разделения на единичной ступени контакта, еще не исчерпаны. Однако при внедрении новых усовершенствованных видов насадок в крупномасштабные производства встает вопрос о
рентабельности замены структурированных насадок предыдущего поколения на насадки с улучшенными характеристиками. И зачастую при становлении новых или переоснащении существующих производств проблема экономии на капитальных затратах превалирует над проблемой достижения более высоких качественных и количественных показателей в процессе работы. Поэтому актуальной является проблема разработки такой конструкции структурированной насадки, которая позволила бы улучшить эффективность существующих структурированных насадок, то есть способствовала их работе с большим КПД, и в то же время не требовала бы привлечения значительных капитальных затрат.
Реализация этой задачи потребовала создания новой конструкции тепломассообменного насадочного устройства на основе структурированных насадок - комбинированной насадки с двумя зонами контакта фаз, отличающимися характером взаимодействия газа и жидкости (Патент RU 2300419 С1).
Еще одной актуальной проблемой является то, что растущие темпы разработки усовершенствованных конструкций структурированных насадок, их производства и внедрения в промышленность при осуществлении процессов абсорбции, ректификации, экстракции, очистки и осушки газа, охлаждения оборотной воды (в градирнях) не обеспечиваются в необходимой степени расчетными характеристиками насадок. До сих пор не существует общепринятой методики расчета гидродинамических и тепломассообменных параметров структурированных насадок. Имеющаяся в литературе информация рекламного характера в основном по гидравлическому сопротивлению и ВЭТТ рассматриваемых насадок зачастую носит относительный характер, предназначена для сравнительной оценки и не рекомендуется фирмами-производителями для проведения инженерных расчетов процессов. Поскольку на практике такие расчеты необходимы, особенно при выполнении реконструкции и переоснащения промышленных колонн в заводских условиях, возникает потребность в комплексном исследовании гидродинамических и массообменных характеристик структурированных насадок известных и новой конструкций.
Цель работы: создание методики расчета основных гидродинамических и тепломассообменных характеристик структурированных насадок из гофрированных листов универсального типа, разработка новых конструктивных решений, повышающих массообменную эффективность указанных насадок.
Предметом изучения в настоящей работе являлись гидродинамические и массообменные характеристики двух структурированных насадок из гофрированных литов и разработанной в данной работе комбинированной насадки. Основными задачами данной работы было
проведение гидродинамических испытаний структурированных насадок и получение расчетных уравнений для определения гидравлического сопротивления и удерживающей способности насадок; проведение массообменных испытаний структурированных насадок и получение расчетных уравнений для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе и коэффициента массоотдачи в газовой фазе; разработка новой конструкции регулярной насадки и проведение сопоставительных исследований ее гидродинамических и массообменных свойств.
Научная новизна. 1. Разработана физическая модель структурированных насадок из гофрированных листов универсального типа; проведены гидродинамические и массообменные испытания двух видов насадок разработанной физической модели.
Получены графические зависимости и уравнения для расчета основных гидродинамических и массообменных характеристик структурированных насадок из гофрированных листов.
Разработана новая регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов, отличающаяся от известных способностью турбулизировать газовые и жидкостные потоки перед входом в следующий по высоте аппарата слой структурированной насадки, перемешивать жидкостные потоки в поперечном сечении аппарата и как следствие повышать тепломассообменную эффективность известных регулярных насадок. По результатам разработки новой регулярной насадки получен патент на изобретение RU 2300419 С1.
Обнаружено наличие особого гидравлического сопротивления, обусловленного разностью гидравлических сопротивлений структурных составляющих комбинированной насадки, коэффициент которого, названный коэффициентом сопротивления изменения перепада давления, имеет тенденцию к возрастанию с увеличением скорости газа.
Практическая значимость. Разработана и исследована новая высокоэффективная конструкция комбинированной насадки с проставками из винтовых элементов. Результаты гидродинамических и тепломассообменных исследований новой комбинированной насадки использованы в качестве расчетных рекомендаций при выполнении проекта реконструкции градирен типа ККТ в системах оборотного водоснабжения здания ФГУП центр «Звездный», даны соответствующие рекомендации по внедрению разработанной насадки.
Создана методика расчета основных гидродинамических и массообменных параметров структурированных насадок из гофрированных листов универсального типа, а также новой комбинированной насадки, которая применима для решения как проектных, так и эксплуатационных задач. Указанная методика использована в качестве рекомендации при выполнении расчетов альтернативной конструкции десорбционной продувочной колонны для
отдувки нитрозных газов из продукционной HNO3 в производстве слабой азотной кислоты под давлением 0,35 МПа на ОАО «Невинномысский азот», выполненных проектной организацией ЗАО «ЦНТУ РИНВО». Автор защищает:
результаты экспериментальных исследований гидродинамических и массообменных характеристик структурированных насадок из гофрированных листов универсального типа и новой комбинированной насадки;
методику расчета гидравлического сопротивления, динамической составляющей удерживающей способности структурированных насадок из гофрированных листов и толщины стекающей по ним пленки жидкости;
методику расчета коэффициентов массоотдачи в газовой и жидкой фазах структурированных насадок из гофрированных листов;
новую конструкцию комбинированной насадки, обеспечивающую повышенную массообменную эффективность;
- методику расчета гидравлического сопротивления и коэффициента массоотдачи в
газовой фазе новой комбинированной насадки.
