Performance test results of mass transfer mesh combined contact device

Abstract

A combined contact device, consisting of a cap plates and blocks regular mesh heads, the technique of calculations of columns based on it.

Full Text

Одной из основных задач в химической промышленности является интенсификация химико-технологических процессов. В настоящее время широкое распространение имеют тарельчатые аппараты с колпачковыми тарелками [1]. Для интенсификации процессов тепломассообмена в колонных аппаратах авторами разработано комбинированное контактное устройство (ККУ) тарелка-насадка и методика его расчета. Изображённое на рисунке 1 ККУ включает в себя колпачковую тарелку и блок регулярной сетчатой насадки, уложенной непосредственно на колпачки тарелки. Рисунок 1. Комбинированное контактное устройство тарелка-насадка: 1 - приемный карман; 2 - труба подачи орошающей жидкости на тарелку; 3 - блок регулярной сетчатой насадки; 4 - колпачок; 5 - тарелка; 6 - переливное устройство Блок насадки состоит из проволочного каркаса в форме цилиндра с прикреплёнными к нему сетчатыми полимерными и металлополимерными пластинами. Схема установки представлена на рисунке 2. Основной аппарат установки - цилиндрическая колонна 1, выполненная из стеклянной царги с внутренним диаметром 200 мм и одной колпачковой тарелкой 2. В верхней части колонны установлен брызгоотбойник 3. Вода подается в колонну через ультразвуковой счетчик 4 с импульсным выходом (300 импульсов/л), с помощью которого определяется объемный и массовый - L [кг/ч] расход воды на орошение тарелки. Воздух в аппарат подается снизу, на трубопроводе подачи воздуха установлена диафрагма 5, по перепаду давления на которой определяется объемный V [м3/ч] и массовый G [кг/ч] расходы воздуха. Рисунок 2. Схема установки: 1 - цилиндрическая обечайка, 2 - колпачковая тарелка, 3 - брызгоотбойник, 4 - счетчик расхода воды, 5 - измерительная диафрагма Установка оборудована датчиками и вторичными приборами для замера параметров сред, участвующих в тепло-массообменном процессе на тарелках колонны, с помощью которых фиксируются: Tжн - начальная температура воды (при входе на контактную тарелку колонны), ° С; Тжк - конечная температура воды (при выходе с контактной тарелки). ° С. Для определения параметров воздуха, установка снабжена электронными гигрометрами, позволяющими измерять: Тгн - начальную (входную) температуру воздуха, ° С; φн - начальную (входную) относительную влажность воздуха, %; Тгк - конечную (выходную) температуру воздуха, ° С; φк - конечную (выходную) относительную влажность воздуха, %. Также измеряется атмосферное барометрическое давление - В (Па). Для образцов насадки с различными типами сетчатых пластин, изображённых на рисунке 3 проведены исследования в орошаемом режиме. Локальные скорости воздушного потока изменялись от 0 до 0,7 м/с в расчете на полное сечение пустого аппарата, расход воды поддерживался равным 300 л/ч. Характеристики пластин насадки представлены в таблице 1. Задачей работы является определение коэффициента массопередачи газ-жидкость на ККУ [2], определение удельной поверхности блока регулярной насадки, выбор характеристик сетки, используемой в блоке насадки. При неравновесном взаимодействии двух фаз происходит перенос вещества из одной фазы в другую (вода в виде водяного пара переходит в газовую фазу - воздух). Рисунок 3. Образцы сетчатых пластин насадки Таблица 1. Характеристики пластин насадки №образца Форма и размеры ячеи Материал сетки Образец 1 Ромб 2х2мм. полипропилен Образец 2 Квадрат 1,45х1,45 мм медь+полипропилен Образец 3 Прямоугольник 3,7х2,7мм полипропилен Образец 4 Прямоугольник 14х2,3 мм полипропилен Образец 5 Прямоугольник 6,4х2 мм полипропилен Образец 6 Квадрат 6х6 мм стеклонить Для стационарного процесса расход переносимого из фазы в фазу компонента определяют из основного уравнения массопередачи М = Кm·∆yср·F, (1) где M - расход переносимого из фазы в фазу компонента; ∆yср - средняя движущая сила процесса; F - поверхность контакта фаз; Km - коэффициент массопередачи. Экспериментально Km находим из уравнения (1), где F заменяется на Fб (площадь барботажа тарелки) из-за практической сложности точного определения F для барботажных аппаратов: Km= M/(∆yср·Fб). Среднюю движущую силу рассчитываем по уравнению , (2) где и - соответственно концентрации влаги в воздухе перед тарелкой и после нее, кг влаги/кг сухого воздуха; yp - концентрация влаги в воздухе предельно насыщенного водяными парами (условие равновесия) при данной температуре, кг влаги/кг сухого воздуха; M - расход компонента, кг влаги/ч. Использование уравнения (2) предполагает наличие полного перемешивания жидкости на тарелке. Результаты экспериментов На рисунках 4, 5 представлены полученная зависимость перепада давления ΔР на ККУ от скорости воздушного потока wk в орошаемой колонне и перепада давления на колонне при расходе воды 300 л/ч. Из представленных данных видно, что наличие насадки увеличивает перепад давления в колонне: перепад давления на ККУ отличается от перепада давления на тарелке без насадки, от 4,4%(образец 1) до 22,1% (образец 3). Рисунок 4. Перепад давления на колонне для различных образцов насадки Рисунок 5. Зависимость перепада давления на ККУ от скорости воздуха в колонне Таким образом, использование ККУ не вызывает значительного увеличения гидравлического сопротивления колонны. Коэффициент массопередачи по испарению Кm системы вода-воздух на ККУ представлен на рисунке 6, характер изменения коэффициента массопередачи на ККУ от скорости воздуха в колонне представлен на рисунке 7, из которых видно, что наличие насадки увеличивает коэффициент массопередачи: коэффициент массопередачи на ККУ отличается от перепада давления на тарелке без насадки, от 25,8%(образец 2) до 223,2% (образец 5). Рисунок 6. Коэффициенты массопередачи на ККУ для разнличных образцов насадки Рисунок 7. Коэффициент массопередачи на ККУ от скорости воздуха в колонне Для определения удельной поверхности блока регулярной сетчатой насадки предлагается следующая методика: 1. Измеряются геометрические размеры нитей по основе и утку сетки, мм. Для этого выделяется образец сетки размером 100х100 мм, определяется количество нитей n по основе и утку в выделенном образце, шт; 2. Измеряется масса m образца сетки, кг; 3. Находится объем одной нити одного направления (основа или уток) V1, м3 V1=(l·π·d2)/4, объем суммы нитей одного направления Vсуммы=nV1, м3, общий объем образца Vобр.d, м3; 4. Находится площадь поверхности одной нити S1=πd·(l+d/2), м2, площадь поверхности нитей одного направления (основа или уток) S, м2, площадь поверхности образца Sобр.d.=nS1, м2; 5. Находится площадь образца погонным размером 1 м2, погонная площадь сетки в блоке регулярной насадки Sпог.блока нас, м2; 6. Находится площадь поверхности блока регулярной насадки S, м2; 7. Находится объем блока насадки V, м3; 8. Определяется удельная поверхность блока регулярной насадки Sуд, м2/м3, Sуд =S/V, м2/м3. Наибольшая производительность тепломассообменных процессов достигается при наибольшем коэффициенте массопередачи. Для выбора наиболее производительных характеристик сетки в блоке регулярной сетчатой насадки представим приведённые в таблице 2 коэффициенты массопередачи на ККУ для образцов с различной удельной поверхностью на рисунке 8, из которого видно что зависимость имееет экстремум, при котором наблюдается наибольший коэффициент массопередачи. Рисунок 8. Зависимость коэффициента массопередачи Kyср от удельной поверхности блока насадки Sуд При значениях удельной поверхности блока регулярной сетчатой насадки Sуд порядка 50 м2/м3 и меньше начинается унос капель сквозь блок регулярной сетчатой насадки, следовательно можно рекомендовать значения удельной поверхности блока Sуд≈60 м2/м3. Таблица 2 Характеристики блоков сетчатой насадки Блок регулярной сетчатой насадки Удельная поверхность Sуд блока насадки, м2/м3 Коэффициентт массопередачи Куср,· при скорости воздуха в колонне wк=0,7 м/с тарелка без насадки 0 1,55·10-3 образец 1 170,49 2,36·10-3 образец 2 192,19 1,96·10-3 образец 3 107,77 4,27·10-3 образец 4 116,11 4,03·10-3 образец 5 37,92 5,03·10-3 образец 6 20,11 2,08·10-3 Разработанная насадка недорога (от 1700 до 2100 руб/м3), технологична, может быть применена в тарельчатых колонных аппаратах тепломассобменных процессов в химической промышленности. Выбор материала сетки для изготовления насадки определяется необходимой в данном конкретном технологическом процессе температурой применения и коррозионной стойкостью материала насадки. Важным достоинством предлагаемой насадки является лёгкость монтажа, а так же высокая поверхность контакта фаз. Также следует отметить возможность варьирования типа используемой сетки, высоты блока насадки, диаметра и угола наклона сетчатых пластин.