Разработка новых видов контактных устройств для интенсификации тепломассообмена и повышения энергосбережения

УДК 66.021.3/4

А. В. Дмитриев, И. Н. Мадышев

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ВИДОВ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Ключевые слова: энергоэффективность, контактное устройство, энергосбережение, ректификация.

Разработано контактное устройство для интенсификации тепломассообмена и повышения энергосбережения. В статье представлены результаты исследований по определению оптимальных размеров разработанного контактного устройства.

Keywords: energy efficiency, the contact device, energy saving, rectification.

Designed contact device for intensification of heat and mass transfer and improve energy efficiency. The article presents the results of studies to determine the optimal size of the contact device developed.

В условиях интенсивного развития энергетики и промышленности необходимо решать проблемы, направленные на снижение потребления энергетических ресурсов. По данным министерства энергетики РФ энергоемкость ВВП России примерно в 2,5 раза выше среднемирового уровня и в 2,5-3,5 раза выше, чем во многих других странах, при этом, доля затрат на электроэнергию в себестоимости продукции составляет 30-40%, что значительно превышает показатели западноевропейских стран [1].

Статьей четвертой федерального закона 261-ФЗ от 23.11.2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определены основные принципы в области энергосбережения и повышения энергоэффективности. К ним относятся эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов; поддержка и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности; системность и комплексность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности; планирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности и другие [2].

С целью повышения энергоэффективности работы ректификационных аппаратов химических производств были успешно реализованы мероприятия по разработке новых конструкций контактных устройств. В качестве прототипа была рассмотрена конструкция контактной тарелки для массообменных процессов, содержащей перфорированное основание, в отверстиях которого установлены роторы, переливное устройство [3]. На тарелке над роторами установлены перфорированные по образующей полуцилиндры, закрытые жа-люзийными отбойниками-сепараторами, а снизу к полотну тарелки прикреплен полуцилиндр, перекрывающий наполовину отверстия в тарелке. Недостатком этого изобретения является невысокая эффективность массообменных процессов вследствие малой удельной площади поверхности контакта фаз. Кроме того, устройство обладает высоким гидравлическим сопротивлением, которое обусловлено необходимостью прохождения потока газа через слой жидкости находящейся на контактной тарелке. Разработанная авторами настоящей статьи тепломассообменная тарелка [4] лишена указанных выше недостатков, состоит из перфори-

рованного основания 1, переливного устройства 2 и горизонтальной оси 3 (рис. 1). На горизонтальной оси 3 установлены струйно-барботажные контактные устройства, представляющие собой равнорас-положенные радиальные треугольные лопатки 4, соединенные с осью вращения 3. В отверстиях основания 1 установлены патрубки 5 в сторону нижележащей тарелки, которые предназначены для сте-кания жидкости с вышележащей тарелки. Радиальные лопатки 4 выполнены из листового материала и имеют две боковые и одну нижнюю стенки, причем по периметру на конце лопаток 4 выполнены треугольные прорези. Патрубки 5 установлены так, чтобы они не препятствовали вращению струйно-барботажных контактных устройств. Отверстия в основании 1 выполнены таким образом, чтобы поток жидкости с вышележащей тарелки приходился на внешние грани радиальных лопаток 4.

Предлагаемая тепломассообменная тарелка со струйно-барботажными контактными устройствами работает следующим образом. Жидкость с вышележащей тарелки поступает в патрубки 5 через отверстия, выполненные в основании 1, при этом поток жидкости создает крутящий момент на горизонтальной оси 3 струйно-барботажного контактного устройства и приводит к его вращению. Переливное устройство 2 служит для постоянного поддержания уровня жидкости до горизонтальной оси 3 струйно-барботажных контактных устройств. Газ, поступающий с нижележащей тарелки, заполняет верхнюю его часть.

При вращении струйно-барботажных контактных устройств радиальные лопатки 4 захватывают жидкость или газ. Для исключения преждевременного выхода захваченной жидкости или газа радиальные лопатки 4 имеют две боковые и одну нижнюю стенки, при этом с целью увеличения удельной площади поверхности контакта фаз и образования свободно стекающих струй по периметру на конце радиальных лопаток 4 выполнены прорези треугольной формы.

При вращении струйно-барботажных контактных устройств газ, находящийся внутри лопаток 4, погружается в слой жидкости, где происходит барботаж вытесненного объема газа через слой жидкости в виде пузырьков. Когда объем газа станет

равным нулю, лопатки 4 захватывают жидкость, которая при дальнейшем вращении струйно-барботажных контактных устройств стекает в виде струй на поверхность потока жидкости. При этом размеры образующихся струй и пузырей в основном определяются размерами выполненных треугольных прорезей на конце радиальных лопаток 4. Для обеспечения максимальной эффективности тепломассообменных процессов длину нижней стенки радиальных лопаток струйно-барботажных контактных устройств принимают равной 20-50% от общей длины лопаток.

3 5 7 .4

Рис. 1 - Предлагаемая тепломассообменная тарелка со струйно-барботажными контактными устройствами - продольный разрез: 1 - основание перфорированное, 2 - устройство переливное, 3 - ось горизонтальная, 4 - лопатки радиальные, 5 - патрубки

В предлагаемой тепломассообменной тарелке увеличивается по сравнению с прототипом удельная площадь поверхности контакта фаз, так как при взаимодействии контактирующих фаз происходит не только барботаж пузырьков газа через слой жидкости, но и свободное стекание струй жидкости на поверхность потока, т.е. важным отличием струйно-барботажных контактных устройств является интенсивный противо-точный контакт между газом и жидкостью. Кроме того, предлагаемая тепломассообменная тарелка обладает низким гидравлическим сопротивлением, так как поток газа не проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. В современной литературе представлено множество исследований по взаимодействию газа и жидкости [5-7], в тоже время для разработанного струйно-барботажного контактного устройства необходим новый подход создания его оптимальных конструкций. Важным вопросом при решении проблемы энергосбережения является качество проектирования этих устройств, а именно определение оптималь-

ных геометрических размеров для достижения максимальной эффективности процесса ректификации. Увеличению времени контакта между газом/паром и жидкостью внутри разработанного контактного устройства способствует применение конструкции с минимальным количеством внутренних лопаток, максимальными значениями вылета лопатки и расстояния от горизонтальной оси до угла лопатки [8,

9].

Таким образом, увеличение удельной площади поверхности контакта фаз и уменьшение гидравлического сопротивления проходу газа в предлагаемой тепломассообменной тарелке со струйно-барботажными контактными устройствами приводит к повышению эффективности тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость. Разработанная конструкция контактного устройства является конкурентоспособной, так как может обеспечить высокую эффективность работы тепломассообменных аппаратов при относительно невысоких энергетических затратах.

Литература

1. А.В. Деревяшкин, Р.Г. Вильданов, Приоритетные направления развития науки и технологий: Мероприятия по энергосбережению на установке производства фтале-вого ангедрида газохимического завода ОАО «Салават-нефтеоргсинтез». Инновационные технологии, Тула, 2011. 106 с.

2. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

3. В.А. Котенко, Г.А. Котенко, О.К. Бабакова, Патент 2049514 Российская Федерация, № 5046164/26; заявл. 05.06.1992; опубл. 10.12.1995, Бюл. № 9. - 2 с.

4. И.Н. Мадышев, Г.Х. Гумерова, А.Н. Николаев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Патент 152191 Российская Федерация, № 2014149169/05; заявл. 05.12.2014; опубл. 10.05.2015, Бюл. № 13. - 2 с.

5. K. Moran, J. Inumaru, M. Kawaji, International Journal of Multiphase Flow, № 28 (5), (2002).

6. B. Moshtari, E.G. Babakhani, J.S. Moghaddas, Petroleum & Coal, № 51 (1), (2009).

7. N. Karwa, L. Schmidt, P. Stephan, International Journal of Heat and Mass Transfer, № 55 (13-14) (2012).

8. О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 14, 8, 355-357 (2011).

9. О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 3, 63-65 (2013).

© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, ieremiada@gmail.com, И. Н. Мадышев - аспирант той же кафедры.

© A. V. Dmitriev - the head of MAHP chair, NCHTI KNRTU, ieremiada@gmail.com, I N. Madyshev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU.