Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления интенсификации и сравнительной оценки насадочных массообменных устройств 13
1.1. Основные типы насад очных массообменных устройств 13
1.2. Основные характеристики массообменных насадок 24
1.2.1. Геометрические характеристики насадок 24
1.2.2. Гидродинамические характеристики насадок 27
1.2.2.1. Количество удерживаемой жидкости 28
1.2.2.2. Гидравлическое сопротивление сухих насадок 30
1.2.2.3. Гидравлическое сопротивление орошаемых насадок 31
1.2.2.4. Подвисание и захлебывание 33
1.2.3. Массообменные характеристики насадок 35
1.3. Сравнительная оценка насадочных массообменных устройств 37
1.4. Выводы по анализу основных направлений интенсификации и оценки эффективности насадочных массообменных устройств 39
Глава 2. Экспериментальный стенд и методика проведения экспериментов .41
2.1. Разработка новой конструкции насадки 41
2.2. Основные характеристики исследуемых нерегулярных кольцевых насадок 45
2.3. Описание экспериментальной установки 48
2.4. Методика исследования основных гидродинамических характеристик насадок 52
2.5. Методика исследования основных массообменных характеристик насадок 53
Глава 3 Исследование основных гидродинамических характеристик керамических кольцевых насадок 57
3.1. Определение гидравлического сопротивления сухой слоя насадки .57
3.2. Определение гидравлического сопротивления слоя орошаемой насадки 63
3.3. Пределы рабочих нагрузок по газу для исследуемых насадок 78
3.4. Удерживающая способность насадок 79
Глава 4. Исследование и сравнительная оценка основных массообменных характеристик новой и ранее известных насадок 82
4.1. Оценка эффективности исследуемых насадок 82
4.2. Оценка экономического эффекта использования насадки 103
Основные выводы и результаты 108
Список литературы 110
Приложения 120
- Основные характеристики массообменных насадок
- Выводы по анализу основных направлений интенсификации и оценки эффективности насадочных массообменных устройств
- Основные характеристики исследуемых нерегулярных кольцевых насадок
- Определение гидравлического сопротивления слоя орошаемой насадки
Введение к работе
В настоящее время насадочные колонны являются одним из наиболее распространенных типов химической аппаратуры. Суммарное количество газов, обрабатываемых в насадочных колонных аппаратах в химической, металлургической, нефтяной, газовой и других отраслях современной промышленности, исчисляются тысячами миллиардов кубических метров в год.
Насадочные колонны, по сравнению с тарельчатыми, имеют более низкое гидравлическое сопротивление в расчете на высоту единиц переноса, могут работать при более высоких скоростях по газу и жидкости. Они лишены чувствительности к перекосам, имеют менее сложную конструкцию, менее материалоемки и значительно дешевле в изготовлении.
Насадки являются основным элементом насадочных колонн, оказывающим влияние на их эффективность работы и на сопротивление, т.е. на затраты энергии на транспортировку газа через колонну.
Как показывает анализ наиболее интересных конструкций нерегулярных насадок, созданных в последние годы, каждое новое конструктивное решение дает незначительный выигрыш в пропускной способности и гидравлическом сопротивлении, и еще в меньшей степени - в эффективности. Конструкции же в основном становятся все сложнее. Попытки увеличить эффективность за счет развития геометрической поверхности элементов ведут к снижению пропускной способности и усложнению конструкции. В то же время стремление увеличить пропускную способность и улучшить омываемость всей поверхности элемента путем его перфорирования ведет к снижению поверхности контакта фаз.
Это говорит о том, что сегодня необходимо вести поиск таких новых конструктивных решений, которые позволят, при сохранении или некотором улучшении основных показателей насадок обеспечить простоту в изготовлении и применении, а также снизить затраты при их массовом изготовлении.
8 Рост цен на электроэнергию вынуждает заводы химической,
нефтехимической и других отраслей промышленности заниматься проблемой
снижения энергоемкости процессов. Решение этой проблемы заключается в
использовании высокоэффективных контактных устройств обладающими
оптимальными гидродинамическими характеристиками.
Анализ работы промышленных колонных аппаратов показывает, что многие из них работают недостаточно эффективно и имеют высокое гидравлическое сопротивление. Это связано с использованием морально устаревших, недостаточно эффективных контактных устройств.
В производстве коррозионноактивных сред, в частности, серной кислоты, широкое распространение получили насадки из керамики, из которых наиболее часто используются морально устаревшие кольца Рашига.
Внедрение новых контактных керамических устройств сдерживается не только сложностью их изготовления, но и тем, что подавляющее большинство новых конструкций насадок или не исследовалось вообще, или опубликованные данные по их характеристикам носят ограниченный или рекламный характер, что значительно усложняет процесс подбора наиболее эффективной насадки для каждого конкретного процесса.
При выборе насадки, работающей при атмосферном давлении, следует учитывать, что с повышением скорости газа возрастает коэффициент массопередачи и уменьшается необходимый объём насадки. Однако повышение скорости газа приводит к росту гидравлического сопротивления и, следовательно, затрат на электроэнергию. Поэтому, необходимо найти такую скорость газа, при которой суммарные затраты на оборудование и электроэнергию будут минимальными.
Следует отметить, что при выборе той или иной насадки, они могут различаться либо одним из показателей перепада давления или эффективностью, либо обоими показателями сразу. Может получиться так, что насадка, имеющая большое сопротивление, одновременно имеет на столько
высокую эффективность, что в конечном итоге экономический эффект от ее использования будет максимальным.
Таким образом, отсутствие достаточно полной методики оценки экономического эффекта от использования той или иной насадки, включающей в себя основные показатели работы насадочных колонн является актуальной проблемой.
На основании вышеизложенного, создание новой конструкции эффективной насадки, изучение особенностей ее работы, разработка методов расчета основных характеристик насадки и методики сравнения новых насадок с ранее известными, а также оценка экономического эффекта от использования насадок являются весьма актуальными задачами.
Целью настоящей работы является разработка, на основе проведенного анализа современных требований, предъявляемых к контактным устройствам, эффективной керамической кольцевой насадки, обладающей низким гидравлическим сопротивлением, сравнение ее основных показателей работы с показателями известных насадок. Получение на основе полученных экспериментальных данных расчетных зависимостей для определения основных характеристик керамических кольцевых насадок, а также разработка методики сравнения различных типов насадок, одновременно учитывающей основные показатели работы насадок и суммарные эксплуатационные и капитальные затраты.
Для достижения цели исследования в работе поставлены следующие задачи:
разработка новой конструкции кольцевой керамической насадки, позволяющей интенсифицировать массообменный процесс и снизить энергетические затраты на его проведение;
исследование влияния газовых и жидкостных нагрузок на гидравлические и массообменные характеристики новой насадки;
проведение сравнительного анализа новой насадки с ранее известными;
10 получение гидравлических и массообменных расчетных
зависимостей керамических кольцевых насадок, необходимых для
определения основных конструктивных размеров колонных массообменных
аппаратов с данным контактным устройством и оценки энергозатрат при его
использовании;
разработка методики сравнения насадок, учитывающей их
гидродинамические и массообменные особенности и позволяющей дать
объективную оценку суммарных затрат при использования той или иной
насадки.
Методологической и теоретической основой диссертационного
исследования составили труды известных отечественных и зарубежных
ученых: Рамма В.М., Кафарова В.В., Александрова И.А., Жаворонкова Н.М.,
Хоблера Т., Чехова О.С., Соломахи Г.П., Касаткина А.Г., Олевского В.М.,
Плановского А.Н., Беннетта К.О., Дж. Е. Майерса, Лаптева А.Г. и других.
Так же в числе информационных источников диссертации были
использованы научные труды в виде данных и сведений из книг, журнальных
статей, материалов научных конференций, патентов, результаты собственных
расчетов и проведенных экспериментов и т.д.
Научная новизна работы;
На основании экспериментальных данных по исследованию кольцевых керамических насадок получены эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления слоя сухих и орошаемых насадок, работающих в пленочном режиме течения и режиме подвисания, скорости газа, соответствующей переходу из пленочного режима течения в режим подвисания, высоты единиц переноса для хорошо растворимых газов и рациональной скорости газа, позволяющей обеспечить необходимую эффективность и минимальные капитальные и эксплуатационные затраты.
Разработана методика сопоставительного анализа различных типов насадок, позволяющая на стадии проектирования или модернизации массообменного оборудования на основании основных геометрических,
гидродинамических и массообменных характеристик насадки выбрать тип и размер насадки, при использовании которой будут обеспечены минимальные затраты на насадку, материал колонны и электроэнергию. Практическая значимость и реализация результатов.
Разработана новая конструкция керамической кольцевой насадки.
Проведены сравнительные гидродинамические и массообменные испытания керамических кольцевых насадок и показано, что новая насадка обладает меньшим гидравлическим сопротивлением и большей эффективностью, по сравнению с ранее известными керамическими кольцами Рашига и кольцами с крестообразной перегородкой.
Получены основные гидродинамические и массообменные характеристики новой кольцевой керамической насадки и керамической кольцевой насадки с крестообразной перегородкой, необходимые для технологического расчета насадочных колонн.
Предложен алгоритм расчета насадочной массообменной колонны, загруженной керамическими кольцевыми насадками, учитывающий гидродинамические и массообменные характеристики насадок и позволяющий рассчитать рациональную скорость газа и выбрать тип и размер насадки, обеспечивающие минимальные затраты.
Результаты работы использовались ООО «ГИПРОХИМ» при проектировании «Установки закрепления промывной серной кислоты с предварительной очисткой ее от ртути» на ОАО «Челябинский цинковый завод» и в проекте «Технического перевооружения установки утилизации сероводорода (вторая линия УМК)» для ОАО «Новокуйбышевский НПЗ».
В работе защищаются:
Результаты сравнительных экспериментальных исследований новой и ранее известных керамических кольцевых насадок.
Эмпирические зависимости для расчета основных гидродинамических и массообменных характеристик новой кольцевой насадки;
3. Зависимость для расчета оптимальной скорости газа в насадочных
колонных аппаратах и методика сопоставительного анализа различных типов насадок;
4. Математическая модель процесса десорбции газа, учитывающая
гидродинамические и массообменные особенности работы насадочных колонн
с керамическими кольцевыми насадками.
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное конструирование машин и аппаратов» Московского государственного университета инженерной экологии.
Автор благодарит за большую научно-методическую помощь, поддержку и консультации на всех этапах работы научного руководителя доктора технических наук, профессора Лагуткина Михаила Георгиевича.
\ ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И СРАВНИТЕЛЬНОЙ
1 ОЦЕНКИ НАСАДОЧНЫХ МАССООБМЕННЫХ УСТРОЙСТВ
, 1.1. Основные типы насадочных массообменных устройств
Насадочные колонные аппараты находят широкое применение в химической, нефтехимической, пищевой и ряде других отраслях промышленности. [28, 30, 33, 34, 39, 41, 47, 82, 95, 93, 101]. В частности для щелочной очистки пирогаза от С02 и H2S [47], для очистки H2S - газа в цветной металлургии, получения серной кислоты, получении сернистого газа из растворов сульфит - бисульфит аммония и натрия [91], в энергетике для теплоутилизации [4], переработки высоковязких продуктов, при разделении сильно пенящихся жидкостей и близкокипящих компонентов [26], в производстве удобрений [90].
К числу процессов, осуществляемых в контактных аппаратах относятся: абсорбция, ректификация, охлаждение (нагревание) и др. [1, 19, 33]. Эти процессы в настоящее время используются не только как стадии технологического производства, но и для решения экологических проблем [4, 46,49,91].
Объем массообменного оборудования в современных производствах весьма велик. По металлоемкости он занимает лидирующие позиции. Габариты аппаратов с насадкой достигают весьма значительных размеров.
Таким образом, интенсификация работы насадочных колонн,
позволяющая уменьшить их размеры, т.е. капиталовложения и снизить
энергозатраты на преодоление гидравлического сопротивления, является
актуальной задачей [81].
* Анализ насадочных колонн по сравнению с тарельчатыми показал [19, 20,
107], что насадочные колонны имеют более низкое гидравлическое сопротивление в расчете на высоту единицы переноса, так как тарелки
14 работают в затопленном режиме, и газу, проходящему через колонну,
приходится преодолевать сопротивление, равное суммарному давлению
столбов жидкости на всех тарелках. Также насадочные колонны могут работать
при более высоких нагрузках по газу и жидкости. В тарельчатых колоннах
скорость газа ограничена повышением межтарельчатого уноса жидкости,
который при больших скоростях значительно снижает эффективность
Основные характеристики массообменных насадок
К данным характеристикам относятся в первую очередь размеры насадочных элементов, удельная поверхность, сводный объем, количество насадочных элементов в единице объема.
В таблице 1.2.1.1 представлены основные характеристики наиболее часто используемых нерегулярных насадок [3, 6, 10, 12, 25, 31, 32, 34, 36, 37, 44, 45, 49, 50, 51, 72, 73, 75 - 79, 84 - 86, 89, 94, 100, 102, 103, 105].
При противотоке газа и жидкости, в зависимости от скорости потоков, наблюдается четыре гидродинамических режима [1, 3, 6, 7, 10, 12, 21, 25, 31, 36, 37, 44, 45, 50, 51, 72, 73, 84 - 86, 89, 100, 102, 103, 108].
Первый режим (пленочный) наблюдается при сравнительно небольших нагрузках по газу и жидкости. В этом режиме взаимодействие фаз незначительно и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. На кривой AP=f(W) (рис. 1.2.1.1) линии А]ВЬ А2В2, ..., выражающие сопротивление орошаемой насадки, параллельны линии АВ для сухой насадки.
Второй режим (подвисания) характеризуется торможением жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличиваются. На кривой рис. 1.2.1.1 начало подвисания характеризуется переломами в точках В]з В2 ..., так называемых точках подвисания.
Визуально режим подвисания характеризуется накоплением жидкости в отдельных местах насадки, преимущественно в точках соприкосновения тел.
Третий режим (захлебывания или инверсии) возникает в результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновесит силу трения. Накопление жидкости большей частью начинается с нижнего слоя насадки и постепенно распространяется на всю высоту. На рис. 1.2.1.1 режим захлебывания изображается участками CiDb C2D2, ..., расположенными почти вертикально, т.е. сопротивление резко возрастает по мере накопления жидкости на насадке, а увеличение скорости газа при этом не происходит. Точки перегиба Сь С2, ..., соответствующие переходу в режим захлебывания, называют точками начала захлебывания или инверсии.
Четвертый режим (уноса) возникает при превышении скорости газа больше величины, соответствующей режиму захлебывания. В данном случае происходит вторичная инверсия фаз, газ снова становится сплошной фазой и жидкость выносится из аппарата вместе с газом в основном в виде брызг.
Нормального орошения насадки при этом уже не происходит, т.к. жидкость почти перестает поступать на насадку. На рис. 1.2.1.1 это участки DiEb D2E2,
Точки Db D2, ..., соответствующие переходу к режиму уноса, называют точками захлебывания или уноса. Эти точки характеризуют предельные нагрузки аппарата.
При течении жидкости через насадочный аппарат в насадке постоянно находится некоторое количество жидкости. Данная жидкость непрерывно обновляется, т.е. часть ее стекает со слоя насадки и тотчас же замещается таким же количеством вновь поступающей жидкости. При этом количество находящейся в аппарате жидкости остается постоянным. Указанное количество жидкости (в м ), отнесенное кім насадки , называется количествомудерживаемой жидкости [37, 84, 85].
Количество удерживаемой жидкости 8 складывается из статической и динамической составляющих, причем 8 = 8 + 8Д. Статическая составляющая представляет собой количество жидкости , удерживаемое на насадке капиллярными силами; эта величина не зависит от гидродинамических условий и определяется формой и материалом насадки, а также свойствами орошающей жидкости. Динамическая составляющая представляет собой количество жидкости, движущейся на насадке, и определяется гидродинамическими условиями. Численное значение 8Д равно разности между полным количеством жидкости, находящемся в колонне, и количеством жидкости, пошедшей на смачивание насадки [11].
Значение динамической удерживающей способности насадки выше статической, поэтому многие исследователи обычно в результате экспериментов определяют 8Д, т.к. именно она определяет величину полной удерживающей способности [23, 84, 106, ПО].
Количество удерживаемой жидкости находят опытным путем. Одним из способов является метод отсечки орошения [84]. По этому методу прекращают подачу орошения и измеряют количество жидкости, вытекающей из колонны. Указанным методом измеряют 8Д, т.к. 8СТ удерживается насадкой и после орошения.
Другим способом, по которому находят 8, является метод взвешивания. По этому методу колонна подвешивается к весам, что позволяет измерить ее вес как в отсутствие орошения, так и при любом режиме орошения.
Для определения количества удерживаемой жидкости применяют так же измерение интенсивности В- или у- излучения, проходящего через неорошаемую и орошаемую колонны. Этот метод дает возможность определить распределение находящейся в аппарате жидкости по высоте и сечению.
Выводы по анализу основных направлений интенсификации и оценки эффективности насадочных массообменных устройств
На основании изучения и анализа научно-технической литературы по вопросу интенсификации и оценки эффективности насадочных массообменных устройств можно сделать следующие выводы: - насадки применяются практически во всех областях промышленности, наиболее распространенными являются насадки кольцевой формы; - в настоящее время необходимо вести разработку таких новых конструкций насадок, которые при сохранении или некотором улучшении основных показателей будут просты и дешевы в массовом изготовлении; усовершенствование насадок идет по пути повышения их эффективности путем увеличения удельной поверхности и снижения гидравлического сопротивления путем увеличения свободного объема; - расчет гидравлических и массообменных характеристик насадочных колонн проводят, в основном, по эмпирическим зависимостям, полученным для определенного типа насадочного устройства; - при сравнении двух конкурентно способных конструкций насадок необходимо учитывать экономический эффект от использования той или иной насадки с учетом стоимости аппарата, насадки и энергозатрат. Таким образом, в данной работе ставятся следующие задачи: - разработать новую конструкцию кольцевой насадки, обладающей развитой поверхностью и имеющая большой свободный объем, позволяющую интенсифицировать массообменный процесс, снизить энергетические затраты на его проведение и дешевую в массовом изготовлении; - получить гидравлические и массообменные зависимости, необходимые для определения основных конструктивных размеров колонных массообменных аппаратов с насадкой и энергозатрат при ее использовании; - разработать методику сравнения конкурентно способных насадок, учитывающую стоимость насадки, аппарата и энергозатраты;
Проведенный анализ патентной и научно-периодической литературы (см. Глава I) позволил сделать вывод о том, что более широкое распространение в нефтяной, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности получили нерегулярные насадки, имеющие кольцевую форму, наиболее благоприятную с точки зрения гидродинамики. Нами была разработана патентоспособная конструкция нерегулярной насадки кольцевой формы для массообменных аппаратов, которая по сравнению с известными кольцами Рашига позволяет снизить гидравлическое сопротивление, т.е. уменьшить энергозатраты и одновременно интенсифицировать массообменный процесс. Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является насадка для массообменных аппаратов, выполненная в виде пустотелого цилиндра с расположенными на его внешней поверхности турбулизирующими элементами в виде открытых каналов, расположенных по винтовой линии (рис. 1.1.6) [66]. Недостатками указанных насадок является недостаточная эффективность массообмена и высокое гидравлическое сопротивление.
Задачей изобретения являлось создание конструкции насадки NC, позволяющей повысить эффективность массообмена и снизить гидравлическое сопротивление путем изменения профиля поверхности межфазного контакта. Данная задача достигнута за счёт того, что разработанная нами насадка для массообменных аппаратов выполненная в виде пустотелого цилиндра с расположенными на его внешней поверхности турбулизирующими элементами в виде открытых каналов, расположенных по винтовой лини, согласно изобретению, насадка дополнительно снабжена расположенными по винтовой линии на внутренней поверхности цилиндра турбулизирующими элементами в виде открытых каналов. Насадка NC (рис. 2.1.1 и 2.1.2) представляет собой пустотелый цилиндр 1, с внешним 2 и внутренним 3 открытыми каналами, расположенными по винтовым линиям. Насадка для массообменных аппаратов работает следующим образом: для ведения технологического процесса рабочий объем аппарата засыпают внавал элементами насадки.
Контакт между массообменивающимися потоками (жидкость-газ) происходит непрерывно в противотоке по всей высоте слоя насадки как на внешней, так и на внутренней поверхностях. Орошающая жидкость равномерно распределяется по поверхности слоя насадки и стекает по элементам вниз. Газ через распределительное устройство подается снизу аппарата и движется вверх. Наличие у насадки внутренних 3 и внешних открытых каналов (рис. 2.1.2), расположенных по винтовым линиям с шагом равным 0,1 высоты цилиндра, способствует образованию в слое насадки винтового течения, что создает дополнительные местные завихрения жидкостного и газового потока, лучшие условия для межфазного перемешивания, т.е. усиливается турбулизация и повышается кратность обновления поверхности контакта взаимодействующих фаз, что приводит к повышению эффективности массообмена. Выполнение шага винтовой линии равным 0,1 высоты увеличивает турбулизацию взаимодействующих фаз, при этом повышает эффективность массообмена, а также уменьшает гидравлическое сопротивление, что подтверждается проведенными нами экспериментами. Выполнение насадки с величиной отношения ее максимального диаметра к высоте равной 1:1 обеспечивает самоориентацию насадки при загрузке внавал, при этом снижается гидравлическое сопротивление и создается более развитая удельная поверхность, что приводит к повышению эффективности массообмена. При выполнении шага винтовой линии менее 0,1 высоты цилиндра усложняется изготовление насадки. При выполнении шага винтовой линии более высоты цилиндра, не создается достаточная турбулизация взаимодействующих фаз, то есть не повышается эффективность тепло- и массообмена, а только усложняет изготовление элемента насадки. При отношении максимального диаметра насадки к ее высоте менее одного сокращается удельная поверхность насадки при ее хаотической загрузке в аппарат. Таким образом, изменение профиля поверхности межфазного контакта насадки позволяет за счет лучшей турбулизации взаимодействующих фаз и кратности обновления поверхности контакта, повысить эффективность массообмена и снизить гидравлическое сопротивление.
Основные характеристики исследуемых нерегулярных кольцевых насадок
Для получения основных характеристик керамических кольцевых насадок нами было проведено исследование новой конструкции нерегулярной керамической насадки для массообменных аппаратов NC50 и ее сравнения с наиболее часто применяемыми в промышленности керамическими кольцами Рашига, а также с керамическими кольцами с крестообразной перегородкой.
В качестве объекта исследования выбирали элемент насадки NC50, Наружный диаметр насадки - D = 0,05 м, высота насадки — Н = 0,05 м, толщина стенки насадки = 0,005 м, такие размеры насадки были выбраны, как наиболее часто используемые в промышленности [91], шаг каналов, расположенных по винтовым линиям - р = 0,005 м, такое значение шага обеспечиваем наибольшие удельную поверхность и свободный объем, меньшее значение шага получить не представлялось возможным, в связи со сложностью изготовления.
Объекты сравнения имеют такие же характерные размеры диаметра, высоты и толщины стенки, т.е. 50x50x5 (табл. 2.2.1, рис. 2.2.1).
В качестве материала насадки выбрана керамика, т.к. насадка предлагается в качестве альтернативы кольцам Рашига, используемым в сернокислотном производстве, где керамика является наиболее часто используемым и коррозионностойким материалом. Так же керамические материалы обладают следующими положительными свойствами [99]: износостойкость при контакте с потоком сырья, содержащим твердые частицы, прочность на разрыв и крипоустойчивость при высоких температурах, коррозионная стойкость, стойкость к окислению, умеренные цены.
В табл. 2.2.1 представлены основные характеристики всех типов испытанных насадок. Как видно из табл. 2.2.1, новая насадка NC50 имеет больший свободный объем по сравнению с кольцами Рашига 1.08 раз, по сравнению с кольцами с крестообразной перегородкой в 1,3 раза и обладает большей удельной поверхностью по сравнению с кольцами Рашига в 1,3 раза, при этом новая насадка облает меньшей удельной материалоемкостью по сравнению с кольцами Рашига в 1,07 раз, по сравнению с кольцами с крестообразной перегородкой в 1,62 раза.
Удельную поверхность насадок (табл. 2.2.1) рассчитывали исходя из усредненных размеров элемента насадки и количества элементов в одном м3. Усредненный размер элементов был получен на основе замера характеристик восьми элементов насадки каждого типа. Рассчитанная удельная поверхность колец Рашига совпала с ранее известными данными (см. табл. 1.2.1.1)
Свободный объем насадок всех типов определяли двумя способами: 1. заполнение 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%. Результаты, полученные указанными способами для колец Рашига, совпали с ранее известными (см. табл. 1.2.1.1). Масса элементов замерялась электронными весами EG4200 — 2NM с точностью до 0.01 г.
С целью определения основных гидродинамических и массообменных характеристик новой насадки и сравнение их с ранее известными конструкциями насадочных керамических кольцевых контактных устройств мы провели сравнительные испытания на экспериментальном стенде УкрНИИхиммаш, общая технологическая схема которого представлена на рис. 2.3.1.
Стенд состоит из колонны 1 диаметром 0,6 м, фотография которой представлена на рис. 2.3.2, с внутренними устройствами, воздуходувки 2 типа ТГ-150-1,12 производительностью по газу 9000 м /ч и давлением 12 кПа, двух емкостей 3 и 4 по 4,6 м3 и насосов 5/1,2 КМ-6 с номинальным расходом 12,5 м /ч и напором 0,2 МПа, предназначенных для подачи жидкости в колонну.
Экспериментальная колонна 1 состоит из кубовой части выполненной из листового металла и смонтированной на опорах. На кубовой части установлены три царги, состоящие из металлического каркаса и прозрачной обечайки из органического стекла. В верхней царге расположен трубчатый перераспределитель жидкости 7, представляющий собой металлическую пластину, с расположенными в ней семнадцатью патрубками для распределения жидкости и восемью для выхода газа. Число точек орошения составляло 18 при площади колонны 0,283 м , что соответствует литературным рекомендациям [17, 84, 87, 88] Использование такого перераспределителя обеспечивает равномерную подачу орошающей жидкости на насадку и раздельный проход газовой и жидкостной фаз, что исключает опасность уноса жидкости из орошающих трубок.
Для распределения газовой фазы предусмотрена распределительная плита 8, имеющая восемь патрубков с козырьками для прохода газа. Козырьки служат для защиты патрубков от стекающей жидкости.
Слой насадки 9 высотой 0,8 м загружали на опорно-распределительную решетку 10с большим свободным сечением.
Верхняя часть колонны представляла собой металлическую царгу со штуцером ввода жидкости и установленным в ней каплеотбойником 6. В колонне 1 происходило противоточное движение взаимодействующих фаз.
Количество подаваемой на орошение жидкости регулировали вентилем 11 и измеряли по перепаду давлений на диафрагме с помощью дифманометра ДМПК-100, преобразователя давлений и вторичного прибора. Температуру жидкости измеряли термопарой ТС-1088 с точностью 0,005 С. Количество поступающего воздуха регулировали дисковой заслонкой 12 и оценивали по перепаду давлений на диафрагме камерной ДКС с помощью U-образного водяного дифманометра. Сопротивление слоя насадки измеряли U-образным водяным манометром 13 с погрешностью 0,001 м водяного столба. Отбор проб осуществляли с помощью чашечного пробоотборника 14/1,2.
Определение гидравлического сопротивления слоя орошаемой насадки
Визуальное наблюдение за взаимодействующими потоками в экспериментальной колонне с керамическими кольцевыми насадками, характеристики которых представлены в таблице 2.2.1, показало следующее: - при небольших нагрузках по газу и жидкости в колонне наблюдалось пленочное движение жидкости по насадке, причем пленка смачивала не всю поверхность насадки. Контакт между фазами осуществлялся на отдельных элементах насадки; - дальнейшее увеличение газовых и жидкостных нагрузок приводило к тому, что все большая поверхность насадки покрывалась пленкой жидкости. - с постепенным увеличение газовой нагрузки пленка начинала разрываться; при этом значительная поверхность насадки становилась поверхностью контакта между фазами. - с дальнейшим ростом нагрузок в колонне турбулизация жидкостной пленки становилось все более заметной. В этом случае наблюдалось возрастание турбулизованной жидкости. Также происходило накопление и срыв жидкости в местах соприкосновения насадки. Причем, при одинаковой нагрузке по жидкости изменение гидродинамических режимов для разных типов насадок наступал при разных нагрузках по газу, т.е. оно зависит от свободного объема, а с увеличением нагрузки по жидкости переход из одного режима в другой для одной и той же насадки происходил при разных нагрузках по газу. Таким образом, наличие в экспериментальной колонне всех перечисленных видов движения жидкости говорит о том, что при работе орошаемых насадок всех исследованных типов в исследованных диапазонах нагрузок имеют место следующие гидродинамические режимы: пленочный и подвисания.
Необходимо отметить, что новая насадка NC50 благодаря своему конструктивному исполнению, в большей степени турбулизирует поток, по сравнению с кольцами Рашига и кольцами с крестообразной перегородкой. Это объясняется наличием у насадки открытых каналов, расположенных по винтовым линиям, что способствует образованию в слое насадки винтового течения и создает дополнительные местные завихрения жидкостного и газового потока, и улучшает условия для межфазного перемешивания, т.е. усиливает турбулизацию и повышает кратность обновления поверхности контакта взаимодействующих фаз. Застойные зоны в слое новой насадки практически отсутствуют, т.к. благодаря своей форме, соприкосновение между соседними насадками-являются точечными. Движение газового потока в орошаемой насадке значительно сложнее, чем в сухой. Потеря напора газа возрастает не только от повышения скорости газового потока, но и вследствие уменьшения сводного объема насадки за счет находящейся в насадке циркулирующей жидкости, а так же и от барботажа газа через жидкость, задерживающуюся в застойных зонах насадки (местах соприкосновения элементов насадки) и в отдельных каналах.
Для сравнения испытанных насадок и получения зависимости для расчета АРор, экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению слоя орошаемой насадки, представленные в приложении в табл. П-3, были обработаны в виде графиков логарифмической зависимости удельного гидравлического сопротивления, отнесенного к высоте слоя насадки равному одному метру ДРор/Н, от скорости газа Wr, рассчитанной на полное сечение пустого аппарата. На рис. 3.2.2.1 — 3.2.2.3 представлены графические зависимости lg(APop/H) = f(lg(Wr)) сухих и орошаемых насадок всех испытанных типов при разных плотностях орошения. Как видно из данных рисунков, гидравлическое сопротивление всех испытанных насадок увеличивается с увеличением плотности орошения и с увеличением нагрузки по газу. Рост сопротивления насадок с увеличением плотности орошения, связан не только, как было сказано выше, с накоплением жидкости в слое насадке и уменьшением свободного объема для прохода газа, но так же созданием местных сопротивлений потоку газу, вызванных образованием застойных зон, образованием капель и брызг жидкости при перетекании с одного элемента насадки на другой и др. Точки перегиба на рис. 3.2.2.1 - 3.2.2.3 соответствуют переходу из пленочного режима течения жидкости в режим подвисания. Как видно из графиков, точка перегиба зависит от плотности орошения, причем, чем больше плотность орошения, тем при меньших нагрузках по газу происходит переход из одного режима течения в другой. На рис. 3.2.2.4 - 3.2.2.7 представлены графические зависимости lg(APop/H) = f(lg(Wr)) новой насадка для массообменных процессов в сравнениями с кольцами Рашига и кольцами с крестообразной перегородкой при различных плотностях орошения. Как видно из данных рисунков, новая насадка для массообменных процессов обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, по сравнению с другими испытанными насадками, во всем испытанном диапазоне нагрузок по жидкости и газу.
Так, при скорости газа 2 м/с и плотности орошения 0,0029 м /(м -ч) гидравлическое сопротивление новой насадки для массообменных процессов меньше, чем у колец Рашига в 1,5 раза и меньше, чем у колец с крестообразной перегородкой в 2,5 раза. Так же из графиков рис. 3.2.2.4 - 3.2.2.7 видно, что точки перегиба, соответствующие переходу из пленочного режима течения жидкости в режим подвисания зависит от типа насадки. Графическая интерпретация экспериментальных данных (рис. 3.2.2.1 -3.2.2.7) показала, что характер изменения гидравлического сопротивления при увеличении плотности орошения и скорости газа в полном сечении колонны одинаков для всех испытанных насадок.
