Methods of intensification of the process of heat and mass transfer in column apparatus with contact devices

Full Text

В химической промышленности для проведения процессов теплои массообмена требуются колоссальные материальные и энергетические затраты. Для осуществления этих процессов в химической технологии обычно используются аппараты с контактными устройствами. Поэтому проблема интенсификации теплои массообмена в таких аппаратах является актуальной. Методы интенсификации процессов теплои массообмена в контактных аппаратах можно классифицировать следующим образом (см. рисунок 1) [1, 2, 3]. Рисунок 1. Методы интенсификации теплои массообмена Эффективность осуществления теплои массообменного процессов определяется совершенством используемого контактного устройства. В настоящее время наибольшее распространение получили аппараты с насадочными и тарельчатыми контактными устройствами. Тип контактного устройства оказывает наибольшее влияние на гидродинамику, процессы теплои массообмена и габариты аппарата. От конструкции контактного устройства в значительной степени зависят материальные и энергетические затраты. Насадочные колонны, по сравнению с тарельчатыми, имеют более низкое гидравлическое сопротивление в расчете на высоту единицы переноса. Это объясняется тем, что тарелки работают в затопленном режиме, и газ, проходящий через колонну, преодолевает сопротивление, равное суммарному давлению столбов жидкости на всех тарелках. В отличие от тарельчатых колонн, насадочные могут работать при более высоких нагрузках по газу и жидкости [1, 4]. В тарельчатых колоннах скорость газа ограничена повышением межтарельчатого уноса жидкости, который при больших скоростях газового потока значительно снижает эффективность разделения. Поэтому дальнейшее развитие оптимальных конструкций контактных аппаратов насадочного типа является более перспективным и актуальным [5]. Наибольшее влияние на процессы теплои массообмена в насадочных колоннах оказывают структура слоя насадки, её активная поверхность и гидродинамика взаимодействующих потоков [3, 6]. В этой связи актуален анализ влияния конструктивных особенностей элементов насадки и параметров потоков на интенсивность осуществляемых в аппарате процессов. Для оценки влияния формы и конструкции насадки на процесс тепломассообмена могут быть использованы следующие этапы анализа: 1. Оценка гидродинамической обстановки в масштабах единичного элемента насадки. 1.1. Изучение сухой насадки. 1.1.1. Визуализация аэродинамической обстановки на поверхности насадки с использованием средств компьютерного моделирования, масло-сажевой визуализация и др. 1.1.2. Оценка гидравлического сопротивления (лобового сопротивления). 1.1.3. Оценка поля скоростей и степени турбулентности газового потока в следе за элементом сухой насадки. 1.2. Изучение орошаемой насадки. 1.2.1. Оценка равномерности распределения пленки на поверхности насадки. 2. Оценка гидродинамической обстановки в масштабах слоя насадки. 2.1. Сухая насадка. 2.2. Орошаемая насадка. 3. Оценка эффективности процессов теплои массообмена. При конструировании насадки следует учитывать, в какой фазе сосредоточено основное сопротивление теплои массопередачи. В случае если сопротивление сосредоточено в паровой (газовой) фазе, то целесообразней интенсифицировать турбулизацию со стороны паровой (газовой) фазы. Если превалирует сопротивление жидкой фазы, тогда необходимы конструктивные приемы, обеспечивающие турбулизацию течения жидкости. Например, шероховатость поверхности элементов насадки в 1,4 раза повышает охлаждающую способность градирни при осуществлении процесса испарительного охлаждения оборотной воды [4]. Наличие отверстий, выступов, открытых каналов и прочих турбулизирующих элементов на поверхности элементов насадки также приводит к интенсификации процессов теплои массообмена [7]. При выборе насадки необходимо 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. При выборе той или иной насадки они могут различаться либо одним из показателей (перепад давления и эффективность), либо обоими показателями сразу. Может получиться так, что насадка, имеющая большое сопротивление, одновременно обеспечивает настолько высокую эффективность процесса, что в конечном счете ее применение будет экономически оправдано. Рассмотрим для примера процесс испарительного охлаждения оборотной воды в градирне. Интегральной характеристикой тепломассообмена в объеме насадки является число испарения Кисп [8]: , (1) где – коэффициент массоотдачи, – высота слоя насадки, – удельный расход жидкости. Многочисленными испытаниями [8] установлена следующая степенная зависимость величины числа испарения от относительного расхода воздуха λ: , (2) где Ар и m – опытные коэффициенты, определяемые по результатам испытаний соответствующей конструкции насадки. Зависимость Ар=f(ξ) имеет вид [9]: , (3) где В и k – эмпирические коэффициенты, характеризующие эффективность насадки, ξ – гидравлическое сопротивление, отнесенное к одному погонному метру. Здесь В=0,456, k=0,288. Уравнение (3) описывает результаты испытаний регулярных насадок плёночного, капельного и струйного типа. При увеличении ξ от 4 до 45 коэффициент Ар увеличивается от 0,5 до 1,4. Наиболее распространенными типами насыпных насадок являются кольцевые, седлообразные и шаровые (см. рисунок 2). Основным направлением развития интенсификации теплои массообмена в этих насадках является конструктивное увеличение их удельной поверхности и модификация поверхности насадки различными турбулизирующими элементами. Понижение гидравлического сопротивления достигается увеличением размеров элементов насадки и соответствующим увеличением доли свободного объема (порозности) слоя насадки [10-11]. Сравнительные характеристики нерегулярных насадок содержатся в работах [2-5, 12, 13]. Геометрические характеристики показанных на рисунке 2 насадок представлены в табл.1. Величина эквивалентного диаметра de рассчитывалась нами по данным [14] по формуле [3]: , (4) где а – удельная поверхность, ε – порозность. Рисунок 2. Наиболее распространенные в промышленности насыпные насадки, номинальный размер 50 мм Таблица 1 Параметры насыпных насадок, изображенных на рисунке 2 Наиболее распространенными в промышленности насадками регулярного типа являются гофрированные листовые насадки (см. рисунок 3, таблицу 2). Конструкции насадок этого типа позволяют увеличить процессы теплои массоотдачи путём создания на поверхности листов различных турбулизирующих элементов. Определенное расположение соседних листовых элементов насадки друг относительно друга позволяет не только интенсифицировать процессы тепломассообмена, но и минимизировать гидравлические потери. Рисунок 3. Регулярные металлические насадки Таблица 2 Параметры регулярных насадок изображенных на рисунке 3 Все описанные выше конструкции насадок являются стационарными. Возможно, придание элементам насадки вращательного движения способно обеспечить высокую турбулизацию взаимодействующих фаз, разрыв пленки жидкости и тем самым дополнительно интенсифицировать теплои массообменные процессы в колонных аппаратах. При этом соседние элементы насадки непосредственно не соприкасаются друг с другом, в отличие от псевдоожиженных насадок, в результате уменьшается износ поверхности насадки и аппарата. Разработкой данного направления интенсификации тепломассообмена занимается группа исследователей в Университете машиностроения.

About the authors

A. S. Pushnov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: pushnovas@gmail.com
Ph.D.

A. S. Sokolov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

M. M. Butrin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files