Содержание к диссертации
Введение
1 глава Литературный обзор 13
1. Обзор существующих барботажных аппаратов 13
1.1. Способы создания барботажного слоя 13
1.2. Существующие конструктивные решения, направленные на использование барботажного слоя в очистном оборудовании, работающем на средах, склонных к зарастанию 17
1.3. Секционирование барботажного слоя 19
1.4. Улавливание сажи в барботажном слое 22
2. Гидродинамические характеристики барботажного слоя, образующегося на основных контактных устройствах 24
2.1. Режимы работы и структурные параметры барботажного слоя 24
2.2. Поверхность контакта фаз в барботажном слое 30
2.3. Сопротивление барботажного слоя 32
3. Тепло - массообменные характеристики барботажного слоя 34
3.1. Анализ уравнений, предложенных исследователями для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе 35
3.2. Анализ уравнений, предложенных исследователями для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе 38
3.3. Анализ уравнений, предложенных исследователями для описания теплообмена в барботажном слое 41
4. Гидродинамические характеристики пленочных оросителей 44
4.1. Режимы работы пленочных тарелок 45
4.2. Сопротивление пленочных тарелок 47
4.3. Поверхность контакта фаз в пленочной зоне 48
4.4. Пропускная способность пленочного оросителя 50
5. Массообмен на пленочных тарелках 51
6. Брызгоунос с барботажного слоя и сепарационная способность пленочных тарелок 55
6.1. Влияние гидродинамических и геометрических параметров на брызгоунос 55
6.2. Уравнения, предложенные для расчета брызгоуноса 57
7. Выводы. Постановка задачи исследования 59
2 глава Экспериментальные установки и методики проведения гидродинамических и массообменных испытаний комбинированного абсорбционного аппарата 63
1. Описание и геометрическая модель комбинированного абсорбционного аппарата, совмещающего барботажнуго и пленочную зоны контакта фаз 63
2. Выбор методов и соответствующих им газожидкостных систем для исследования гидродинамики и массоотдачи в комбинированном абсорбционном аппарата 68
3. Описание установок для проведения экспериментов 71
3.1. Экспериментальная установка №1 71
3.2. Экспериментальная установка №2 73
4. Методики определения гидродинамических параметров и оценка их точности 76
4.1. Измерение газосодержания и высоты барботажного слоя 76
4.2. Измерение гидравлического сопротивления и брызгоуноса 79
4.3. Методика измерения физико-химических свойств жидкой фазы 80
4.4. Оценка погрешности экспериментального определения гидродинамических характеристик комбинированного аппарата 81
5. Методики определения массообменных параметров и оценка их точности 85
5.1. Порядок проведения экспериментов 85
5.2. Методика обработки результатов экспериментов и расчета объемного коэффициента массоотдачи в газовой фазе 86
5.3. Оценка погрешности экспериментального определения объемного коэффициента массоотдачи в газовой фазе 93
3 глава Исследование гидродинамики комбинированного абсорбционного аппарата 96
1. Гидродинамические особенности работы барботажного слоя получаемого с помощью подачи газа в аппарат через «Г»-образный патрубок с отбойным диском 96
2. Влияние пленочной зоны контакта на гидродинамику нижерасположенного барботажного слоя 102
3. Влияние вязкости и поверхностного натяжения жидкой фазы на гидродинамику барботажного слоя 105
5. Брызгоунос барботажной зоны контакта фаз и сепарационная способность пленочной зоны контакта фаз 119
6. Выводы по 3 главе 123
4 глава Результаты исследования массоотдачи в комбинированном абсорбционном аппарате новой конструкции 127
1. Анализ влияния гидродинамических и конструктивных параметров на коэффициент массоотдачи в газовой вазе pGs 127
2. Обработка результатов экспериментов, рекомендуемое уравнение для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе Ра комбинированного абсорбционного аппарата 132
3. Заключение по 4 главе 137
5 глава Рекомендации по использованию комбинированного абсорбционного аппарата 139
1. Выбор оптимальных конструктивных параметров 139
2. Рекомендуемые области использования и пример внедрения комбинированного аппарата 145
3. Методика расчета комбинированного абсорбционного аппарата 147
4. Заключение по 5 главе 150
Основные выводы и результаты работы 152
Литература 153
Приложения 162
- Режимы работы и структурные параметры барботажного слоя
- Методика обработки результатов экспериментов и расчета объемного коэффициента массоотдачи в газовой фазе
- Анализ влияния гидродинамических и конструктивных параметров на коэффициент массоотдачи в газовой вазе pGs
- Выбор оптимальных конструктивных параметров
Введение к работе
Актуальность работы. Использование большинства современных контактных устройств для проведения массообменных процессов в средах; содержащих твердую фазу, а также в средах, где она образуется в результате химической реакции или конденсации тяжелокипящих фракций, вызывает множество проблем из-за склонности этих устройств к зарастанию. В таких случаях возникает необходимость в использовании эффективных контактных устройств, предназначенных для работы в этих средах. Актуальность данной работы определяется большим количеством таких систем в промышленности, следовательно, путем внедрения нового комбинированного абсорбционного аппарата, разработанного для работы на средах, содержащих твердую фазу, можно повысить эффективность проводимых массообменных процессов и уменьшить число остановок на периодическую прочистку оборудования.
Цель работы.
- Исследование гидродинамических и массообменных характеристик,
необходимых для расчета абсорбционных процессов в комбинированном
аппарате.
- Создание методики расчета основных гидродинамических и
массообменных характеристик разработанного комбинированного аппарата.
- Разработка конструктивных решений, способствующих промышленному
внедрению указанного аппарата.
Предметом изучения в настоящей работе являлись гидродинамические и массообменные характеристики двух зон контакта комбинированного аппарата: барботажной, получаемой новым способом; и пленочной, а также взаимное влияние этих зон друг на друга.
Научная новизна. 1. На основании экспериментальных данных в исследованном барботажном слое выявлены три разнородные по структуре слоя зоны: инерционная, барботажная и рециркуляционная.
2. Разработана модель комбинированного массообменного барботажно-
пленочного аппарата.
3. Предложена новая конструкция комбинированного аппарата, защищенная
Патентом RU 02377050 С1
Практическая значимость. Разработана и исследована новая конструкция комбинированного аппарата, совмещающего барботажную и пленочную зоны контакта фаз, защищенная Патентом RU 02377050 С1, отличающаяся от известных способностью эффективно работать на средах, содержащих твердую фазу. Получены критериальные уравнения для расчета гидродинамических и массообменных параметров, характеризующих эффективность работы комбинированного аппарата. Создана методика расчета комбинированного аппарата новой конструкции.
Результаты гидродинамических и массообменных исследований нового комбинированного аппарата и методика его расчета использованы ООО «ТЕХНОПРОМСЕРВИС» при проектировании комбинированного аппарата для первичной очистки пиролизного газа на выходе из реактора пиролиза в рамках создания установки пиролиза изношенных автопокрышек. Планируется также использование нового комбинированного абсорбционного аппарата для очистки артезианских вод от ионов Fe2+. Внедрение установки обезжелезивания с использованием нового комбинированного аппарата не только обеспечивает получение питьевой воды, отвечающей всем нормативным требованиям, но и снижает энергопотребление процесса.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 9-м международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» г. Звенигород, 2007г.; на конкурсе молодых ученых в рамках 14-й международной выставки химической промышленности и науки «Химия 2008», г. Москва, 2008г., получена 1-я премия; на Международной
научной конференции «Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов», г. Санкт - Петербург, 2008г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, 4 из которых в журнале, рекомендованном ВАК, тезисы 3 докладов на международной научной конференции и двух международных симпозиумах, получен патент на изобретение.
Объем и структура работы. Содержание диссертации изложено на 162 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 5 таблиц и список использованных источников из 129 наименований. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и приложений.
Режимы работы и структурные параметры барботажного слоя
В барботажных аппаратах в зависимости от скорости газа наблюдаются различные гидродинамические режимы. Переход от одного режима к другому происходит постепенно, при этом нагрузки, характерные для смены режимов зависят от типа контактного устройства. Однако общие закономерности изменения режимов работы барботажного слоя близки на различных контактных устройствах. Можно выделить ряд последовательных этапов [1,4,7,16].
Первый этап. При малых скоростях газа в колонне газ барботирует через жидкость в виде отдельных пузырьков.
Второй этап. Режим ячеистой пены. С повышением скорости газа отдельные пузыри сливаются в сплошную газовую струю, которая в свою очередь, на некотором расстоянии от места истечения разрушается на отдельные газовые пузыри и образует газожидкостной слой. Этот слой представляет собой пену, в которой отдельные ячейки (пузырьки газа) связаны между собой разделяющими их пленками жидкости. При увеличении скорости газа зона, занимаемая газовыми струями, сужается, а высота зоны пены возрастает. Поверхность контакта наиболее развита в зоне пены. Сплошной средой является жидкость [4,7,16,17].
Третий этап. Режим подвижной пены. При скорости газа в колонне свыше 1м/с длина газовых факелов увеличивается, и они выходят на поверхность слоя, что приводит к разрушению ячеистой пены. Образующийся газо-жидкостной слой состоит из жидкостных струй, выбрасываемых газом, и крупных брызг, при этом резко возрастает брызгоунос, а верхняя граница слоя становится размытой. Происходит инверсия фаз [4,16,17,18,19,20].
Четвертый этап. Инжекционный режим. Наблюдается при дальнейшем увеличении скорости газа в колонне (свыше 3-Й- м/с [7]). Жидкость захватывается выходящим из отверстий газом и в значительной степени уносится с ним в виде брызг. Жидкость распределена в газе [4,16].
Наиболее эффективными и распространенными на практике из описанных режимов являются второй и третий, им же посвящено большинство исследований. Из описания режимов следует, что для каждого режима работы характерна собственная структура газожидкостного слоя. В рамках данной работы более подробно остановимся на анализе исследований, изучающих работу барботажных аппаратов в режиме ячеистой пены, так как границы эффективной работы изучаемого аппарата по скорости газа в аппарате лежат в пределах 0,5-г1 м/с.
Задача по изучению структуры барботажного слоя очень сложна из-за недостаточной разработки теории массового барботажа. На структуру барботажного слоя оказывают влияние не только нагрузки по газу и жидкости. Сильное влияние оказывают высота светлой жидкости, участвующая в образовании барботажного слоя ho, геометрические особенности контактного устройства, физико-химические свойства системы газ -жидкость и наличие в газовой фазе хорошо растворимых компонентов [1,7,21].
Количественно структура барботажного слоя может быть охарактеризована размером пузырей dny3, газосодержанием р и высотой слоя Н„. При выполнении практических расчетов для определения перечисленных величин используются эмпирические уравнения. Далее более подробно остановимся на литературных данных, посвященных определению каждого из перечисленных параметров, характеризующих структуру барботажного слоя.
Диаметр пузырей в барботажном слое. От диаметра пузырей в барботажном слое напрямую зависит поверхность контакта фаз, рост которой всегда ведет к увеличению эффективности процесса в целом.
При свободном барботаже (в виде отдельных пузырей), характерном для начального этапа барботажа при малой нагрузке по газу, образующийся пузырек отрывается от отверстия, когда достигает диаметра [22]
Однако при использовании уравнения (1.2) вызывает затруднение определение скорости подъема пузырей в барботажном слое w„y3. Сложности связаны с криволинейной (спиралевидной) траекторией подъема пузырьков малого диаметра, а также влиянием на скорость подъема физико-химических свойств газо-жидкостной системы. Однако для крупных пузырей, размер которых превышает 5 мм, достоверно установлено, что скорость их подъема составляет около 0,25 м/с и лишь незначительно увеличивается с возрастанием dny3 [22,23].
В связи со сложностью определения скорости подъема пузырей в барботажном слое, а также для учета геометрических особенностей конструкции контактного устройства на практике для определения среднего диаметра пузырей в слое используют эмпирические уравнения.
На системе воздух - вода для ситчатых тарелок были получены следующие зависимости
Из уравнений (1.7), (1.8) следует что величина газосодержания неразрывно связана с высотой барботажного слоя #„.
Газосодержание, является величиной, усредненной по высоте барботажного слоя [7]. Ряд авторов [21,25,26] отмечают, что газосодержание по высоте барботажного слоя относительно различно на трех участках барботажного слоя:
1) Начальный участок, соответствующий переходу от газосодержания в отверстиях решетки, которое пропорционально wo, до стабилизированного значения ср;
2) Стабилизированный участок, в котором газосодержание постоянно;
3) Переходный участок, в котором газосодержание резко увеличивается до 1.
Кроме того, в работах [22,27,28] отмечается, что газосодержание у стенки тарельчатых барботажных аппаратов значительно ниже, чем в центральной части слоя.
Анализ ряда работ, посвященных изучению влияния на газосодержание различных факторов, выявил следующие тенденции: с увеличением скорости где газосодержание растет [29,30,31]; с увеличением запаса жидкости на тарелке, при прочих равных условиях, газосодержание снижается [28]; диаметр отверстий решетки не оказывает заметного влияния на газосодержание [22].
В литературе также приводится целый ряд эмпирических уравнений для определения газосодержания.
Высота барботажного слоя является не только качественной, но и количественной характеристикой слоя. Это наиболее наглядный и простой в определении показатель эффективности процесса барботажа, позволяющий судить о развитии поверхности контакта фаз. Высота слоя определяется его структурой, и может быть определена через газосодержание по уравнениям (1.7),(1.8). Однако существует и другой подход основанный на непосредственном определении высоты барботажного слоя по эмпирическим уравнениям [7].
В работах [7,36,37] для выражения высоты барботажного слоя в критериальных уравнениях предлагается использовать симплекс удельной высоты пены
Методика обработки результатов экспериментов и расчета объемного коэффициента массоотдачи в газовой фазе
В ходе экспериментов замеряли следующие необходимые для расчетов параметры:
1) расход воды на входе в аппарат (LJ, м3 /ч;
2) расход воздуха на выходе из аппарата (GG2), М3 /Ч;
3) температуру воды на входе и выходе из аппарата (tj, fe). С;
4) температуру воздуха на входе в аппарат (0Д С;
5) относительную влажность воздуха на входе в аппарат {(р{), %.
С учетом того, что на стенде измеряется средняя скорость нагретого воздуха на выходе из аппарата, а для расчета коэффициента массоотдачи требуется удельный расход сухого воздуха, определяемый по формуле
При определении коэффициента массоотдачи в газовой фазе по данным измерений в качестве характеристики влажного воздуха обычно используется влагосодержание воздуха, зависимости с которым можно применять в более широком диапазоне параметров потоков, чем зависимости с использованием абсолютной влажности или парциальных давлений [92,93,116]. Материальный баланс для элементарного объема dV записывается в виде [117,118,119]
Для приближенных расчетов процессов испарения воды в воздух и конденсации воды из влажного воздуха можно применять соотношение Льюиса, так как отношение коэффициента температуропроводности к коэффициенту диффузии при 20 С равно 0,835, что в данном случае незначительно отличается от единицы. Используя соотношение Льюиса, по которому между коэффициентами тепло- и массоотдачи существует следующая зависимость [118,119,120,121,122]
Средняя разность энтальпий воздуха может быть найдена несколькими способами. Мы использовали для расчета Aicp метод Л.Д. Бермана, по которому вычисление Aicp производится по формуле [48,117,119,120,121]
Расчет коэффициента массоотдачи по формуле (2.32) с использованием (2.34) является справедливым, когда процесс испарения в аппарате происходит без обратного процесса конденсации пара в воздушном потоке. В реальных условиях [120,121], в барботажном слое почти всегда существует зона, в которой воздух насыщен паром и где имеет место его конденсация. Последняя приводит к повышению температуры воздуха за счет теплоты, выделяемой при конденсации пара и, соответственно, дополнительному увеличению влагосодержания воздуха. В таких случаях для того, чтобы правильно определить искомые коэффициенты, необходимо знать количество конденсируемого пара, измерить которое непосредственно практически невозможно. Поэтому обработку опытных данных при вычислении коэффициента массоотдачи мы проводили двумя способами: первым по методу, описанному выше, и вторым, основанным на точном численном интегрировании систем дифференциальньк уравнений тепло- массообмена при испарении воды в воздух, который является более точным и позволяет косвенным образом учесть конденсацию пара в воздушном потоке.
При определении коэффициентов по методу точного численного интегрирования, реализованному в программе для ПК во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, [120,121] они выбираются из условия точного удовлетворения дифференциальным уравнениям, описывающим процессы, происходящие в аппарате, в то время как граничные условия, даваемые опытными данными, не все выполняются абсолютно точно. Этот метод принципиально отличен от других методов, в том числе метода Л.Д. Бермана [117], приводящего к расчетной формуле (2.32), поскольку последние основаны на замене дифференциальных уравнений приближенными интегралами и точном выполнении опытных граничных условий, которые не всегда могут удовлетворять тепловому и материальному балансам.
Расчетные системы дифференциальных уравнений получены для двух режимов работы контактных устройств: при использовании ненасыщенного и насыщенного воздуха [120,121]
При получении уравнений (2.40) для случая насыщенного воздуха использовано предположение Л.Д. Бермана о возможности избыточного испарения, при котором интенсивность испарения (коэффициент массоотдачи) сохраняется [117]. Но затем избыток испарившегося пара конденсируется в ядре потока воздуха. Коэффициенты pCpV и ау при этом предположении в обеих системах оказываются одинаковыми и потому сохраняются уравнения интенсивности тепло- и массообмена (2.39а) и (2.39Ь). Изменяются уравнения баланса, поскольку из общего количества тепла, отданного водой, в уравнении баланса исключается теплосодержание конденсата.
За исходные граничные условия при интегрировании систем дифференциальных уравнений принимаются опытные значения параметров, перечисленных выше в п.п. 1-4. Коэффициент ау определяется из зависимости (2.20). В каждом опыте коэффициент определяется методом последовательных приближений:
- задается ряд значений 0GpVij «v/j вычисляется из (2.20); интегрированием систем уравнений (2.39), (2.40) при исходных значениях параметров Gc, GL, tj, ві, рі определяется расчетное значение t2if,
- интерполяцией определяется искомое значение коэффициента ficpVi при котором расчетное значение температуры охлажденной воды на выходе из аппарата будет равно опытному значению, т.е. t2ij t2i.
В качестве исходных значений коэффициента массоотдачи в газовой фазе, используемых в дальнейших расчетах, применялись значения, полученные методом точного численного интегрирования. Метод Бермана. [117] использовался для подтверждения достоверности точного решения дифференциальных уравнений, производимого численными методами на ЭВМ во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Осредненные данные экспериментов и рассчитанные коэффициенты массоотдачи в газовой фазе отдельно для барботажного слоя и комбинированного аппарата в целом сведены в табл. 7П (см. приложения).
Анализ влияния гидродинамических и конструктивных параметров на коэффициент массоотдачи в газовой вазе pGs
Как уже отмечалось в главе 2, в данной работе опыты по исследованию массоотдачи в газовой фазе проводились по методике испарительного охлаждения на системе воздух -вода. Полученные при использовании этой методики коэффициенты массопередачи численно равны коэффициентам массоотдачи в газовой фазе, поскольку при испарении чистой жидкости в газовый поток полностью отсутствует диффузионное сопротивление со стороны жидкой фазы. Проведенное исследование позволило установить характер и степень влияния гидравлических и конструктивных параметров изучаемого комбинированного абсорбционного аппарата на процесс массоотдачи в газовой фазе. Влияние физико-химических свойств газа и жидкости на коэффициент массоотдачи при использовании одной газожидкостной системы определить сложно, поэтому для оценки влияния этих факторов использовались литературные данные, полученные на различных газожидкостных системах для традиционных барботажных контактных устройств [1,7,112].
Протекающий в барботажной и пленочной зоне контакта фаз комбинированного аппарата процесс массообмена тесно связан с гидродинамической картиной, наблюдаемой в аппарате, и характеризующими ее гидродинамическими параметрами барботажного слоя и геометрическими особенностями конструкции, рассмотренными в предыдущей главе. Наибольшее влияние, как на гидродинамику комбинированного аппарата, так и в целом на коэффициент массоотдачи в газовой фазе оказывают нагрузки по газу и жидкости. Основным структурным параметром, характеризующим эффективность работы барботажного слоя является симплекс Н}о, а зависимость эффективности массоотдачи от геометрических особенностей комбинированного аппарата определяет симплекс Г. Рассмотрим влияние указанных факторов на массоотдачу в газовой фазе.
Экспериментальные исследования комбинированного аппарата показали, что с увеличением скорости газа wm неизменно возрастает значение коэффициента массоотдачи PGS (рис. 4.1). Такое влияние щ„ на fie наблюдается во всем исследованном диапазоне нагрузок по жидкости L,d=(16v32) м3/(м2 ч). Факт возрастания с увеличением скорости газа в аппарате отмечается также и другими исследователями [1,4,7,16,24,51,52,53,54,55,112] традиционных контактных тарельчатых устройств и объясняется тем, что с ростом скорости газа за счет усиления турбулизации газожидкостной системы возрастает перенос массы конвективными токами.
Из приведенных на рис. 4.1 кривых видно, что увеличение заглубления раструба газоподающего патрубка в слой светлой жидкости Д приводит к снижению значений fiGs. Это говорит о зависимости pes от симплекса Г, характеризующего А, которая приведена на рис. 4.2. Такое влияние А на /?сл объясняется сложной структурой барботажного слоя. Так при работе с зазором, в области отрицательных значений А (см. рис. 2.1 а), большую часть барботажного слоя занимает более активная, более турбулизованная зона с большими скоростями газа - зона образования пузырей, их сложного движения от центра аппарата к его периферии с разворотом потока газа на 180. С увеличением параметра А, при положительных его значениях и, соответственно, работе с заглубленным раструбом (рис. 2.1 б), увеличивается зона вертикального всплытия пузырей в кольцевом сечении аппарата между газоподающим патрубком и стенками корпуса. Скорости газа в зоне всплытия меньше чем в зоне образования и разворота пузырей, с чем, в частности, и связано снижение ($GS С увеличением Д
Из приведенных на рис. 4.3 кривых видно, что увеличение нагрузки по жидкости в комбинированном аппарате также приводило к снижению коэффициента массоотдачи в газовой фазе рСа, отнесенного к площади сечения аппарата. Такой характер зависимости, наблюдаемый на всем исследованном диапазоне І =(16-г32) м /(м ч) объясняется описанным ранее эффектом сбивания пены, то есть некоторым снижением высоты барботажного слоя с увеличением плотности орошения. Эффект сбивания барботажного слоя орошающей жидкостью, как было подробно рассмотрено в 2 главы 3, оказывает тем более существенное влияние, чем больше значение плотности орошения. Таким образом, с увеличением плотности орошения наблюдается уменьшение высоты барботажного слоя связанное с ускоренным разрушением пузырей верхнего слоя, что сказывается на снижении удельной поверхности контакта фаз as. В свою очередь снижение as, вызванное увеличением плотности орошения, приводит к снижению значений Pes, что и видно из рис. 4.3.
Влияние на коэффициент массоотдачи /?&? конструктивных особенностей, а также гидродинамического характера работы барботажного слоя в целом наилучшим образом отражает зависимость /fcj от симплекса Нуд, представленная на рис. 4.4. Симплекс НУд согласно уравнению (3.9) наиболее полно отражает влияние ряда факторов на гидродинамику барботажного слоя, получаемого в комбинированном аппарате. Известно, что изменение гидродинамической картины, наблюдаемой в барботажном слое, как правило, оказывает непосредственное влияние на эффективность массопередачи. Таким образом, несмотря на то что влияние симплекса //vd на коэффициент массоотдачи имеет лишь косвенный характер, графическая зависимость, представленная на рис. 4.4, представляет интерес, так как отражает совокупное влияние факторов, определяющих гидродинамическую обстановку в комбинированном аппарате.
Характер зависимости на рис. 4.4, выражающийся в резком снижении /? ?/ при увеличением Нуд с последующим стремлением к выравниванию кривой, подтверждает ранее сделанное заключение о наличии в барботажном слое двух зон с различной эффективностью массоотдачи - первая - зона образования и разворота пузырей, и вторая зона вертикального всплытия пузырей. При малых значениях Нуд вторая зона занимает меньший объем по отношению к первой и основная поверхность контакта приходится на зону образования и всплытия пузырей в которой массоотдача происходит эффективней из-за больших скоростей газа. С последующим ростом Нуд все большая доля барботажного слоя приходится на зону вертикального всплытия пузырей. Это ведет к снижению /?с/ и постепенному стремлению значения Pcf к значению, соответствующему зоне вертикального всплытия пузырей.
Подводя итог вышесказанному, можно заключить следующее: массоотдача в газовой фазе в комбинированном аппарате ускоряется при увеличении нагрузки по газу и снижении плотности орошения. С ростом высоты барботажного слоя, который достигается в частности увеличением заглубления А или характеризующего его симплекса Г происходит снижение /?G/, объясняемое гидродинамическими особенностями нового способа создания барботажного слоя и зависящее от соотношения между двумя зонами с различной эффективностью массоотдачи.
Выбор оптимальных конструктивных параметров
Во введении одной из актуальных задач для: настоящей работы было обозначено. создание современного аппарата для проведения процессов абсорбции и газоочистки, способного эффективно работать на средах, содержащих твердую фазу, а также средах, в которых она образуется в результате химической реакции или конденсации-тяжелокипящих фракций, в том числе на загрязненных газах и жидкостях, содержащих вязкие частицы загрязнения. Практика использования традиционных массообменных устройств, тарельчатых и, насадочных, показывает, что даже путем усовершенствования конструкции не удается добиться их достаточно длительной устойчивой работы на сильно загрязненных средах, а регулярные остановки на прочистку не только снижают производительность технологического процесса; но и ведут к дополнительным затратам материальных и трудовых ресурсов; Таким образом,- задача эффективной бесперебойной» работы массообменного контактного устройства должна быть решена, путем создания принципиально нового типа тепло-массообменного аппарата:
При создании нового типа тепло-массообменного аппарата за основу была взята конструкция являющаяся прародительницей всех типов барботажных аппаратов (рис. 1.2) и= отличающаяся простотой конструкции низким? гидравлическим сопротивлением И; минимальной поверхностью контактного устройства.. Именно? благодаря значительно? меньшей поверхности;контактного устройства по сравнению с тарельчатыми;и тем.более насадочными- контактными устройствами, аппарат, использующий способ создания барботажного слоя: путем ввода, газаі в слой жидкости через патрубок, с раструбом, способен работать, даже;- на сильно загрязненных, средах.. Это объясняется тем, что в. аппарате практически полностью отсутствует поверхность, на которой; возможно: прилипание и оседание частиц; загрязнения, а отсутствие оседания ведет к отсутствию зарастания? иі выводу загрязнителя в; виде шлама без остановки технологического процесса. Однако общеизвестная конструкция (рис. 1.2), несмотря на свои достоинства имеет ряднедостатков непозволивших ей занять должное место в области практического использования: Это такие недостаткижак неравномерность барботажного слоя по высоте и сечению аппарата, невозможность определения величины/го - высоты светлой жидкости участвующей в образовании барботажного слоя и, как. следствие перечисленного; отсутствие надежной методики расчета аппаратов такого;типа; Устранить перечисленные недостатки удалось установкой отбойного экрана под раструбом (рис. 2.1). Отбойный экран не только отсекает заданную величину ho, но и распределяет газ в радиальном направлении, в результате чего в рабочем режиме по всему сечению аппарата наблюдается равномерный устойчивый барботажный слой. Кроме того, установка отбойного экрана под раструбом снижает гидравлическое сопротивление устройства, так как газ, растекаясь при ударе об экран в радиальном направлении, создает зону разряжения над экраном, обеспечивающую дополнительный подсос газа [129]. Таким образом, был получен новый способ создания барботажного слоя со своими гидродинамическими особенностями работы, а после его совмещения с пленочной зоной контакта, также не склонной к зарастанию и позволяющей значительно снизить брызгоунос барботажной зоны, была получена новая конструкция комбинированного аппарата (рис. 2.2), способная эффективно работать на средах, содержащих твердую фазу, а также средах, в которых она образуется в результате химической реакции или конденсации тяжелокипящих фракций.
Разработанная новая конструкция комбинированного аппарата существенно отличается от уже известных как по геометрическим характеристикам, так и по гидродинамическим особенностям работы. В рамках данной работы были определены конструктивные параметры, позволяющие добиться максимальной эффективности работы комбинированного аппарата.
Основной деталью контактного устройства комбинированного аппарата является «Г»-образный патрубок подачи газа. Его диаметр d„ определяется скоростью w2n, которая выбирается из рабочего диапазона (11- 19) м/с в зависимости от поставленной технологической задачи.
Полученное значение d„ должно находиться в пределах отклонения на 25-гЗО % от значения dn, использованного в экспериментальной установке. Это связано с тем, что все уравнения, описывающие гидродинамические и массообменные закономерности были получены на одном значении d„=50 мм и, не смотря на использованную критериальную форму, при нагрузках по газу требующих увеличения значения dn свыше отклонения в 25-г30% должно использоваться несколько «Г»-образных патрубков, размещаемых в аппарате согласно принципам продольно поперечного секционирования.
Диаметр комбинированного аппарата или в случае использования продольно-поперечного секционирования, диаметр зоны барботажа, создаваемой одним газоподающим патрубком, должен определяться по скорости газа в колонне wK с использованием соотношения w =21-22 (5.2)
Раструб на конце «Г»-образного патрубка, который, как и отбойный экран, служит для более равномерного распределения газа по объему барботажного слоя и обеспечивает захват зоной барботажа кольцевого сечения большего диаметра. Оптимальная геометрия раструба была определена опытным путем. Было установлено, что для создания барботажного слоя во всем объеме светлой жидкости, находящейся над отбойным экраном диаметр раструба должен составлять не менее 0,4 от диаметра аппарата или, в случае секционированного аппарата, диаметра зоны барботажа.
Угол раскрытия раструба не оказывает существенного влияния на характер гидродинамической картины в аппарате, однако по экспериментальным данным оптимальным с точки зрения минимизации гидравлического сопротивления может быть признан угол раскрытия раструба из диапазона (15-г90) [129]. При чем минимальный коэффициент сопротивления наблюдается при 15 и с ростом угла раскрытия раструба коэффициент сопротивления возрастает. Однако использование малых значений угла раскрытия раструба (15ч-30) при сохранении значений d„ и 4э значительно увеличивают громоздкость и линейные размеры газоподающего патрубка. Выбор оптимального значения угла раскрытия раструба должен проводиться с учетом вышесказанного в каждом конкретном случае из рекомендуемого диапазона (45-г90) с учетом известных значений d„nddVi конструктивным соображениям.
Геометрия и размеры зубцов на конце раструба не оказывает существенного влияния на барботажный слой, это подтверждается также исследованиями [85,86] поведенными на тарелках с изменением размеров и формы зубцов на нижних краях колпачков. Основной функцией этих зубцов является дополнительная турбулизация барботажного слоя и устранение влияния незначительных перекосов, допущенных при монтаже «Г»-образного патрубка.
Диаметр отбойного экрана d3 должен быть не менее диаметра раструба газоподающего патрубка dd во избежание проскока газа под отбойный экран, что негативно сказывается на равномерном распределении газа по сечению аппарата. Отбойный экран является самоочищающимся элементом, так как при правильном подборе материала его изготовления в? случае налипания на него загрязняющих компонентов скорость газа в кольцевом сечении между раструбом и отбойным экраном возрастет, при этом будет происходить отрыв загрязнения с последующим оседанием его в зону накопления шлама под отбойным экраном.
Очень важную роль также играет высота размещения раструба над отбойным экраном hd. Опытным путем было установлено, что оптимальной с точки зрения распределения газового потока по сечению аппарата и созданию развитого барботажного слоя является диапазон значений
При выборе величины hd следует также учитывать что при ее увеличении происходит рост сопротивления как за счет увеличения ho, что следует из уравнения (5.4), так и за счет роста коэффициента сопротивления сухого раструба, так как с увеличением hd ослабевает эффект подсоса газа за счет растекания его по отбойному экрану [129].
Экспериментально было установлено, что рабочим диапазоном изменения заглубления может являться значение А в пределах от -10 мм до 10 мм. При этом отрицательные значения заглубления А соответствуют режиму работы с зазором между раструбом газоподающего патрубка и зеркалом светлой жидкости в аппарате. При положительных значениях А патрубок погружен в слой светлой жидкости на величину Д. Работа на заглублениях вне приведенного диапазона приводит либо к чрезмерно высокому сопротивлению барботажного слоя (Д 10 мм), либо к отсутствию однородного барботажного слоя, охватывающего всю жидкость над отбойным экраном (А -10мм). Величина заглубления определяется как A = h0-hd. (5.5)
