В данной статье даны результаты разработки, конструирования и экспериментального исследования элементов хаотичной насадки «Инжехим 2012» [1] для тепломассообменных аппаратов.
Элемент хаотичной насадки
Известно, что турбулентный режим в колоннах с мелкими хаотичными насадкми наступает уже при числе Рейнольдса Reэ > 40, где Reэ = wгdэ/vг; wг – средняя скорость газа (пара) в аппарате, м/с; dэ – эквивалентный диаметр насадки,м; vг – коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с. Турбулентный режим значительно повышает эффективность массопередачи для многих смесей при ректификации, а также абсорбции и охлаждения жидкостей. Если сопротивление массопередачи локализовано в жидкой фазе, то применяется искусственная шероховатость контактных устройств для организации волнового режима. В таком случае происходит повышение коэффициента массоотдачи в пленке жидкости примерно в два раза. Все эти факторы учитывались авторами при разработке конструкции нерегулярной насадки.
Элемент разработанной [1] хаотичной насадки для аппаратов разделения смесей имеет вид полого тела вращения. Поверхность элемента имеет вид закругленных полос из тонкого металла. Полосы металла сделаны параллельными и смещены один против другого на ширину полосы, а ребра закруглены (рис. 1).
Рис. 1. Вид элемента «Инжехим 2012» [1]
Искусственно созданная шероховатость на элементе повышает эффективность массообмена.
Удельная поверхность av насадки с номинальными размерами d: 8 мм – 650; 12 мм – 420; 16 мм – 270; 24 мм – 170; 35 – 110; 45 – 100; 60 мм – 70 м2/м3. Удельный свободный объем εсв (0,95) 95 % . Отсюда эквивалентный диаметр dэ = 4 εсв/ av, м.
Экспериментальная часть
Гидравлические испытания разработанной насадки проводились на опытном стенде диаметром 0,6 м, высота колонны 2,6 м, число точек орошения до 1030 шт/м2. Использовалась система воздух – вода при высоте насадки 1 м. Скорость на полное сечение колонки газа Wo в колонне достигала 5,82 м/с, плотность орошения составляла от 2,5 до 90 м3/(м2час). Описание установки дано в работах [2, 3]. Использовались сертифицированные измерительные приборы.
После проведения опытов установлено: новая насадка имеет большой интервал нагрузок по фазам при пленочном режиме; режим торможения фаз в зависимости от размера насадки наступает при скорости газа Wo > 1,7÷2,5 м/с и зависит от расхода воды.
Потеря напора на 1 м высоты слоя насадки записана в виде выражения Дарси – Вейсбаха [3, 4]
(1)
или
(2)
где ΔРсух – сопротивление сухой насадки, Па; ξ0 – коэффициент сопротивления сухого слоя; Н – высота насадки, м; ρг – плотность газа, кг/м3; wг = Wо/εсв – скорость газа в слое насадки, м/с.
В общем виде коэффициент сопротивления имеет форму
, (3)
где A и B – эмпирические коэффициенты; Reг = wгdэ/νг – число Рейнольдса.
В результате обобщения экспериментальных данных установлены следующие значения для всех типоразмеров насадок: А = 6,5 и в = 0,08 с погрешностью 10–12 %.
Формула (3) справедлива при 500 ≤ Reг ≤ 5000. Максимальное расхождение экспериментальных и расчетных значений ξ0 составляет 14 %.
На рис. 2 даны зависимости перепада давления ΔРсух/H (1) для различных видов насадок. Кривая – 10 получена для разработанной хаотичной насадки с dэ = 0,035 м и практически совпадает с кривой для колец Палля, размером 50x50 мм.
Получено, что ΔP сухого слоя новой насадки меньше, чем у колец Палля размером 35×35 мм, и примерно на 25 % и значительно меньше, чем у колец Рашига. Это достигается более высокой порозностью новой насадки, а также тем, что нет образования застойных зон.
При работе аппарата в пленочном режиме для расчета гидравлического сопротивления орошаемой насадки часто используют формулу
(4)
где U – плотность орошения, м3/(м2ч); b – эмпирический коэффициент.
Ниже приведены графические зависимости (рис. 3, 4) и обобщения полученных экспериментальных данных для разработанной насадки с различным номинальным диаметром. Фактор скорости имеет вид 
Па0,5.
В результате для орошаемых насадок получено: d = 8 мм и d = 16 мм: b = 0,035; для 24–60 мм: b = 0,002. Среднее отклонение от эксперимента ± 16 % при пленочном режиме работы.
Получено выражение для расчета скорости захлебывания
(5)
где
С = – 0,47 – 1,08(L/G)0,25(ρг/ ρж)0,125;
L и G – массовые расходы жидкости и газа, кг/с.
Рис. 2. Перепад давления различных насадок: 1, 2, 3 – кольца Рашига в укладку, d = 50, 80, 100 мм; 4, 5 – кольца Рашига внавал, d = 25, 50 мм; 6 – кольца Палля, d = 50 мм; 7 – рулонная насадка [4] (с сегментными отверстиями); 8 – рулонная просечная; 9 – рулонная с шероховатой поверхностью [4]; 10 – разработанная насадка «Инжехим 2012», dэ = 0,035 м
Рис. 3. График зависимости перепада давления от фактора скорости и расхода жидкости для насадки d = 8 мм; 1 – сухая, 2 – 2,5 м3/м2·ч; 3 – 5 м3/м2·ч; 4 – 7,5 м3/м2·ч; 5 – 10 м3/м2·ч; 6 – 15 м3/м2·ч
Рис. 4. График зависимости перепада давления от фактора скорости и расхода жидкости для насадки d=45 мм. 1 – сухая; 2 – 10 м3/м2·ч; 3 – 20 м3/м2·ч; 4 – 30 м3/м2·ч; 5 – 50 м3/м2·ч; 6 – 70 м3/м2·ч; 7 – 90 м3/м2·ч
Например, для насадки «Инжехим 2012» с номинальным размером 60 мм (аv = 70 м2/м3; dэ = 0,0543 м) для системы воздух – вода (20 °С) при L/G = 1 получаем скорость захлебывания W3 = 3,4 м/с; при L/G = 2: W3 = 3,07 м/с. Для сравнения у колец Рашига в (5) коэффициенты равны [6]: В = 1,75, А = – 0,073. Тогда для керамических колец Рашига с диаметром 100 мм (аv = 60 м2/м3; dэ = 0,048 м) при L/G = 1 получаем W3 = 2,82 м/с и при L/G = 2: W3 = 2,4 м/с. То есть даже такая крупная насадка из колец Рашига захлебывается в 1,3–1,5 раз с меньшими скоростями, чем насадка «Инжехим 2012».
Динамическая составляющая задержки жидкости (м3/ м3) в слое насадки обобщена в форме (±14 %):
(6)
где Ga = (avθ)-3 – критерий Галилея; θ = (ν2ж/g)1/3; число Рейнольдса: Reж = 4/q(avνж); q – плотность орошения, м3/(м2с).
Исследования задержки жидкости выполнялись по методике отсечки питания [3, 4].
Выражение (6) получено от 2,5 до 100 м3/(м2•ч) при пленочном режиме. Для насадки «Инжехим 2012» с номинальным размером 8 мм, плотность орошения от 2,5 до 15 м3/(м2); для 16 мм – от 5,0 до 40 м3/(м2•ч); для 24 мм – от 10 до 50; для 45 мм от 10 до 90; для 60 мм от 5 до 100 м3/(м2•ч).
Таким образом, для расчета массообменных характеристик колонных аппаратов определены все необходимые параметры насадки: геометрические характеристики [4–6], гидравлическое сопротивление [3, 7, 8] и задержка жидкости в слое [9, 10].
В табл. 1 даны характеристики новой насадки известных видов. Новая насадка обладает лучшими параметрами, чем близкие ей по размерам другие насадки.
Получено, что интервал устойчивой работы для исследованной насадки шире, чем у насадок из колец Рашига, Палля, ГИАП и ряда других типов. Насадки, аналогичные исследованной «Инжехим», внедрены в десятках тепло- и массообменных аппаратах при проведении процессов ректификации и абсорбции различных смесей [2, 3].
Исследования массообмена проводились на ректификационной установке с бинарной системой этанол – вода. Выполнены экспериментальные исследования массообменных характеристик насадок на экспериментальной ректификационной установке с внутренним диаметром колонки 98 мм; высотой слоя насадки 3 м при бесконечном флегмовом числе. Результаты исследования приведены в табл. 2.
Таблица 1
Сравнительные характеристики промышленных насадок размером 50х50 мм [3, 4, 8]
|
Тип насадки |
εсв, м3/м3 |
aV, м2/м3 |
Потеря напора, отн. % |
Пропускная способность, отн. % |
Эффективность массообмена, отн. % |
|
Кольца Рашига |
0,95 |
110 |
100 |
100 |
100 |
|
Кольца Палля |
0,96 |
100 |
63 |
120 |
125 |
|
Хай – Пэк |
– |
– |
65 |
120 |
150 |
|
Кольца Бялецкого |
– |
– |
85 |
100 |
125 |
|
Седла Инталокс |
– |
– |
32 |
144 |
132 |
|
Насадка Лева |
0,97–0,98 |
118 |
47 |
– |
158 |
|
Насадка ГИАП |
0,96 |
101 |
47 |
133 |
137 |
|
Инжехим |
0,96 |
100 |
40–50 |
210 |
150 |
Таблица 2
Режимные и массообменные характеристики насадок
|
Насадка |
Скорость пара w, м/с |
Фактор пара, F, м/с (кг/м3)0.5 |
Плотность орошения, U, м3/(м2 час) |
Число теоретических тарелок |
ВЭТС, м |
|
Инжехим-16 |
1,47 |
2,08 |
14,173 |
12 |
0,25 |
|
Регулярная |
1,53 |
2,17 |
14,79 |
7 |
0,43 |
|
Регулярная (тонкая сетка) |
1,47 |
2,08 |
14,173 |
7 |
0,43 |
|
Регулярная насадка (тонкая сетка) при пониженных нагрузках |
0,40 |
0,57 |
3,868 |
1.5 |
2 |
Таблица 3
Характеристики работы колонны регенерации растворителей
|
Нагрузка куба, кВт |
Объемный расход, м3/с |
Рабочая скорость пара, м/с |
Фактор пара, м/с (кг/м3) 0,5 |
Плотность орошения, м3/(м2 час) |
ВЭТТ, м |
ΔP, кПа |
|
5,3 |
0,005335 |
0,71 |
1,00 |
6,83 |
0,300 |
1,11 |
|
8,0 |
0,008087 |
1,07 |
1,52 |
10,36 |
0,200 |
1,38 |
|
9,3 |
0,009362 |
1,24 |
1,76 |
11,99 |
0,230 |
1,50 |
|
11,2 |
0,011275 |
1,50 |
2,12 |
14,44 |
0,273 |
2,34 |
Рассматриваем один из элементов технологического модуля ректификации для отработки режимов очистки возвратного растворителя и мономеров, используемых для синтеза этилен-пропиленовых каучуков на ПАО «Нижнекамскнефтехим». Результаты экспериментов взяты за основу при проектировании модуля.
Так же выполнены эксперименты на смеси ацетон – вода для насадки различного типоразмера. Для насадок были определены зависимости ВЭТС и гидравлического сопротивления от гидродинамических параметров работы (фактора пара и плотности орошения). Экспериментальные данные подтвердили что нерегулярные насадочные элементы обладают лучшими массообменными характеристиками по сравнению с регулярными насадками, но имеют более высокое гидравлическое сопротивление.
Колонна с нерегулярной насадкой «Инжехим-2012» (типоразмер 12) обеспечила максимальную разделяющую способность. Полученные результаты сведены в табл. 3.
С применением разработанной хаотичной насадки «Инжехим-2012» создана лабораторная установка в филиале Нижнекамского КНИТУ (КХТИ), которая используется в НИР аспирантов и магистров.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (№ 13.6384.2017/БЧ).