Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF RANDOM PACKING «INZHEKHIM» FOR THE GAS-LIQUID CONTACT

Farakhov M.M. 1 Farakhov T.M. 1 Laptev A.G. 2
1 Engineering-Promotional Center «Inzhekhim»
2 Kazan State Power Engineering University
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.
A design of a random heat and mass transfer packing is presented and results of experimental studies in the form of pressure drop through a dry and irrigated layer, maximum loads and fluid retention in the air-water system are given. A generalization of the results is made in the form of expressions for hydraulic resistance coefficient, pressure drop through the irrigated packing, flooding rate and specific fluid retention in the layer. The packing elements of sizes ranging from 8 mm to 60 mm and having a specific surface area from 650 to 70 m2/m3 are investigated. The packing element is fabricated from a thin metal tape and can have a rough surface (microrelief). The packed column has a diameter equal to 0.6 m, a height equal to 2.6 m and it is equipped with a packed layer of a height equal to one meter. Certified means for monitoring and measuring the performance of the packed column were used, and graphical dependencies for pressure drop of the dry and irrigated packing were obtained and comparison with a number of known designs was made. The advantage of the new packing with respect to pressure drop and maximum gas and liquid loads is indicated. A table with comparative characteristics of a number of foreign and domestic packings is presented. The industrial application area of the developed packing is described.
heat and mass transfer
contact devices
pressure drop
limit loads

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).

farah1.tif

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]

far01.wmf (1)

или

far02.wmf (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

far03.wmf, (3)

где A и B – эмпирические коэффициенты; Reг = wгdэг – 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

far04.wmf (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 far05.wmf 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

far06.wmf (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.

farah2.tif

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

farah3.tif

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

farah4.tif

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 %):

far07.wmf (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).