Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Фарахов М.М. 1 Фарахов Т.М. 1 Лаптев А.Г. 2

---

1 Инновационно-внедренческий центр «Инжехим»

2 ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет»

Представлена конструкция хаотичной тепломассообменной насадки и даны результаты экспериментальных исследований – перепада давления сухого и орошаемого слоя, предельных нагрузок и задержки жидкости на системе воздух – вода. Сделано обобщение результатов в виде расчетных выражений для коэффициента гидравлического сопротивления, перепада давления орошаемой насадки, скорости захлебывания и удельной задержке жидкости в слое. Исследованы типоразмеры элементов от 8 мм до 60 мм, с удельной поверхностью от 650 до 70 м2/м3. Элемент насадки изготавливается из тонкой металлической ленты и может иметь шероховатую поверхность (микрорельеф). Экспериментальная колонна с насадкой имеет диаметр 0,6 м, высоту 2,6 м и оборудована слоем насадки с высотой 1 м. Использованы сертифицированные средства контроля и измерения параметров работы колонны с насадкой и получены графические зависимости по перепаду давления сухой и орошаемой насадки и сравнение с рядом известных конструкций. Показано преимущество новой насадки по перепаду давления и предельным нагрузкам по газу и жидкости. Представлена таблица с сравнительными характеристиками ряда зарубежных и отечественных насадок. Описана область применения разработанной насадки в промышленности.

Статья в формате PDF

0 KB

тепломассообмен

контактные устройства

перепад давления

предельные нагрузки

1. Асибаков Л.И., Бурмистров Д.А., Кузнецов В.А., Фарахов М.М., Шигапов И.М. Элемент насыпной насадки для массообменных аппаратов // Патент Россия № 2010135271/05 1-2200, МПК B01J 19/30.

2. Башаров М.М. Модернизация промышленных установок разделения смесей в нефтегазохимическом комплексе / М.М. Башаров, Е.А. Лаптева. – Казань: Отечество, 2013. – 297 с.

3. Лаптев А.Г. Основы расчета и модернизация тепломассообменных установок в нефтехимии / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Н.Г. Минеев. – СПб.: СТРАТА, 2015. – 576 с.

4. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов / А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов [и др.]. – Казань: Отечество, 2013. – 454 с.

5. Mitin A.K., Nikolaikina N.E., Pushnov A.S., Zagustina N.A. Geometric characteristics of packings and hydrodynamics of packed biotrickling filters for air-gas purification // Chemical and Petroleum Engineering. – 2016. – Vol. 52. № 1. – P. 47–52.

6. Пушнов А.С. Влияние геометрических характеристик насадки на гидравлическое сопротивление и эффективность процессов тепло- и массообмена / А.С. Пушнов, А.С. Рябушенко // Химическая технология. – 2015. – Т. 16, № 10. – С. 631–638.

7. Городилов А.А. Экспериментальное исследование массообмена на регулярных насадках контактных теплообменных аппаратов с перекрестным током / А.А. Городилов, М.Г. Беренгартен, А.С. Пушнов // Теоретические основы химической технологии. – 2016. – Т. 50, № 4. – С. 423–431.

8. Исследование гидравлического сопротивления слоя насыпной насадки в форме колец Мёбиуса / Е.Ю. Баранова [и др.] // Химическая промышленность сегодня. – 2015. – № 2. – С. 32–37.

9. Cong H., Wang C., Gao X., Li X., Li H., Pavlenko A.N. Pressure drop simulation of structured corrugation foam packing by computational fluid dynamics // Journal of Engineering Thermophysics. – 2016. – Vol. 25. № 3. – P. 301–313.

10. Система сбора локальных характеристик потока в экспериментальной ректификационной колонне / А.Н. Павленко [и др.] // Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2016. – Т. 5, № 1. – С. 3–8.

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 ε_св (0,95) 95 % . Отсюда эквивалентный диаметр d_э = 4 ε_св/ 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 ΔР_сух – сопротивление сухой насадки, Па; ξ₀ – коэффициент сопротивления сухого слоя; Н – высота насадки, м; ρ_г – плотность газа, кг/м3; wг = Wо/ε_св – скорость газа в слое насадки, м/с.

В общем виде коэффициент сопротивления имеет форму

, (3)

где A и B – эмпирические коэффициенты; Reг = w_гd_э/ν_г – 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 ΔР_сух/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(ρ_г/ ρ_ж)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(a_vν_ж); 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]

Таблица 2

Режимные и массообменные характеристики насадок

Таблица 3

Характеристики работы колонны регенерации растворителей

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).

Библиографическая ссылка