Исследование гидродинамических характеристик контактного устройства массообменного аппарата с направленным вводом газа

УДК 664.144

Р. А. Хайбулов

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТНОГО УСТРОЙСТВА МАССООБМЕННОГО АППАРАТА С НАПРАВЛЕННЫМ ВВОДОМ ГАЗА

Интенсификация и углубление переработки сырья нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической, химической и смежных отраслей промышленности ведут к необходимости применения высокоэффективных контактных устройств с различными гидродинамическими характеристиками для процессов, протекающих в газожидкостных системах и требующих развитой поверхности контакта фаз.

Конструкции контактных устройств для ректификационных и абсорбционных колонных аппаратов, которые предназначены для организации контакта жидкой и газовой фаз в процессе теплообмена, разнообразны.

Для выявления путей создания новых конструкций в ряде работ приводится их классификация, основанная на разных принципах. Например, в [1-4] контактные устройства делятся по принципу образования поверхности контакта рабочих фаз. Авторы работ [5-7] в основу классификации положили характер относительного движения фаз. В работах [8-11] контактные устройства делятся по характеру взаимодействия контактирующих фаз. Основой классификации, предложенной в [12], является способ передачи жидкости с тарелки на тарелку. В работе [13] контактные устройства классифицируются на основании учета возможных направлений интенсификации протекающих на них процессов. Такая систематизация может служить ориентиром при разработке новых и совершенствовании существующих конструкций контактных устройств.

В зависимости от схемы и направления движения газа и жидкости в зоне контакта и в пределах контактного устройства с перекрестным движением фаз различают следующие основные типы контактных устройств: перекрестные, перекрестно-прямоточные и перекрестно-противоточные. Комбинация основных схем движения фаз позволяет в широких пределах изменять рабочие характеристики контактных устройств, обеспечивая требования различных технологических процессов.

Повышение производительности обычно достигается при прямоточной схеме движения фаз, однако при этом существенно снижается эффективность контактного устройства вследствие малого времени контакта и незначительной степени использования движущей силы массообменного процесса. Для сочетания высокой производительности и эффективности используют более сложные схемы взаимодействия фаз как в зоне их локального контакта, так и в пределах всего контактного устройства. В связи с этим широкое распространение получают контактные устройства струйно-направленного типа, к которым относятся тарелки с постоянным и са-морегулируемым свободным сечением, реализующие перекрестнопрямоточную схему взаимодействия фаз в зоне контакта. Одновременно

для организации взаимодействия фаз, движущихся во взаимно пересекающихся направлениях, контактные элементы размещают на полотне тарелки определенным образом.

Струйно-направленные тарельчатые контактные устройства предполагают в процессе работы использование энергии газового потока в целях транспорта жидкости по полотну или регулирования ее запаса за счет диспергирования жидкостного потока струями газа (пара) в начальный момент их взаимодействия и дальнейшего совместного движения в направлении, определяемом конструктивными особенностями контактного устройства. Струи газовой фазы формируются и вводятся в слой жидкости струеобразующими элементами параллельно или под углом к полотну контактного устройства.

Одним из перспективных путей совершенствования имеющихся и созданных новых конструкций струйных тарельчатых контактных устройств является реализация на них схем направленного ввода газа. Это позволяет при сравнительно малых материальных затратах получить необходимые для конкретного процесса рабочие характеристики контактных устройств и создать более выгодные условия взаимодействия рабочих фаз гидродинамическим секционированием жидкостного потока.

Применение направленного ввода газа также в ряде случаев увеличивает производительность контактных устройств по жидкости в результате использования энергии газового потока для транспорта жидкости по полотну и интенсифицирует процессы тепломассообмена в зоне соударения газожидкостных струй.

Анализ известных экспериментальных работ по изучению струйных контактных устройств показал, что комплексные исследования струйных тарелок одного типа с различными схемами направленного ввода газа до настоящего времени не проводились. В связи с этим представляет научный и практический интерес сравнительное исследование рабочих характеристик струйного контактного устройства при реализации на нем различных схем направленного ввода газа в жидкость с изменением конструктивных параметров.

В экспериментах исследовалось клапанное тарельчатое контактное устройство (рис. 1). Данное контактное устройство позволяло выявить влияние различных схем направленного ввода газа на рабочие характеристики клапанного контактного устройства.

Рис. 1. Полотно исследованной клапанной тарелки

Тарелка была оснащена пластинчатыми прямоугольными клапанами, расположенными в шахматном порядке над прямоугольными отверстиями, выполненными в полотне.

У исследуемой тарелки пластины клапанов 5 (рис. 2) были шарнирно закреплены на полотне и при работе в зависимости от рабочих нагрузок поднимались на определенный угол по отношению к полотну. Каждый клапан был снабжен ограничителем максимального угла подъема, который составлял 40°. При этом доля проходного сечения полностью открытых клапанов от площади контактной части полотна тарелки составляла

0,13. Величина угла открытия клапана могла принимать следующие значения: 0, 10, 15, 20, 30 и 40°.

Рис. 2. Конструкция клапана тарелки:

1 - полотно тарелки; 2 - пластина клапана; 3 - поворотный диск;

4 - боковая шторка; 5 - шарнир клапана;

6 - ограничитель максимального угла подъема

Клапаны были снабжены вертикальными боковыми шторками, обеспечивающими направленный ввод газа в слой жидкости, и располагались на поворотных дисках, что давало возможность изменять угол поворота клапанов в вокруг вертикальной оси с фиксацией заданного положения (рис. 3).

Рис. 3. Расположение клапанов на полотне тарелки:

1 - полотно; 2 - клапаны; 3 - поворотные диски;

4 - направление ввода газа; 5 - направление тока жидкости

Такая конструкция обеспечивала возможность реализации различных схем направленного ввода газа, характеризующихся разной степенью гидродинамического секционирования. С этой целью угол в в ходе экспе-

римента принимал различные фиксированные значения в диапазоне от 0° до 180° с шагом 45°. При этом все клапаны были развернуты под одним углом в одну сторону в ряду и в различные стороны в соседних по току жидкости рядах (рис. 3). Так, например, при в = 0° на тарелке реализовывалась перекрестно-прямоточная схема контакта жидкости и газа, при в =180° - перекрестно-противоточная, а при 0° < в < 180° - комбинированная схема направленного ввода газа в жидкость. При в = 90° в максимальной степени реализовывался эффект гидродинамического секционирования жидкостного потока.

Методика исследования гидродинамических характеристик контактного устройства. Гидравлическое сопротивление сухого клапанного контактного устройства зависит от особенностей конструкции и режима работы и составляет значительную долю от полного гидравлического сопротивления. Поэтому его исследование и изучение режимов работы сухого клапанного контактного устройства представляют определенный интерес.

Полное гидравлическое сопротивление исследуемой тарелки замерялось по перепаду давления на рабочей тарелке при различных рабочих нагрузках по газовой и жидкой фазам и конструктивных параметров контактного устройства.

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя вычислялось на основе аддитивных представлений о полном гидравлическом сопротивлении по формуле

А Рг-ж = А Р - А Р„.

Потерями давления на преодоление сил поверхностного натяжения контактирующих фаз А Рс из-за их малой доли в полном гидравлическом сопротивлении пренебрегли.

Под удерживающей способностью исследуемых тарелок по жидкости подразумевалась высота слоя невспененной жидкости на полотне.

Удерживающую способность вычисляли по формуле

Н = 2 / ^

пж ^ ' 1 т?

где г = Ум - ¥п - запас жидкости на тарелке, м3; Ум - объем жидкости в мерном устройстве, м3; ¥п - объем жидкости в переливном устройстве, обусловленный ее подпором над уровнем полотна тарелки, м3; - пло-

щадь контактной части полотна тарелки, м2.

Для этого проводилось исследование запаса жидкости на контактном устройстве при различных конструктивных и режимных параметрах.

Анализ полученных данных по исследованию тарелки при различных массах клапанов позволил выделить в диапазоне изменения скорости газа пять интервалов, в каждом из которых наблюдается характерная особенность работы клапанов: I - клапаны лежат на полотне тарелки; II -клапаны колеблются в нижнем секторе максимального угла открытия, ударяясь о полотно; III - клапаны колеблются, не касаясь полотна тарелки и ограничителя подъема; IV - клапаны колеблются в верхнем секторе максимального угла открытия, контактируя с ограничителем; V - клапаны

полностью открыты. При этом на графиках зависимостей гидравлического сопротивления от скорости газа вышеуказанным интервалам соответствуют прямолинейные участки (рис. 4).

го

С

Рис. 4. Зависимость гидравлического сопротивления сухого контактного устройства от скорости газа при максимальном угле открытия клапана 40°

Углы наклона прямолинейных участков графика для интервалов изменения скорости газа II, III, IV соответственно возрастают. В интервале III потери напора складываются из затрат энергии газового потока при прохождении контактного устройства как на преодоление местных сопротивлений, так и на колебания клапанов. Среднее значение амплитуды колебаний в этом интервале максимально, за счет этого интенсивность роста гидравлического сопротивления больше, чем в интервале II. Большая интенсивность роста гидравлического сопротивления в интервале IV связана с тем, что открытие клапанов ограничивается. С ростом масс клапанов значение гидравлического сопротивления, соответствующее границам одноименных интервалов, увеличивается при сохранении углов наклона прямолинейных участков графика. При уменьшении максимального угла открытия клапанов до 10° в указанные интервалы изменения скоростей газа сужаются также при сохранении углов наклона участков графика. Скорость газа, соответствующая моменту полного открытия клапанов, снижается. Так, для тарелки, оснащенной клапанами массой 30 г, при максимальном угле открытия 40° она составляет 2,42 м/с, а при 10° - 0,84 м/с.

Изменение схемы направленного ввода газа практически не оказало влияния на гидравлическое сопротивление сухой тарелки, некоторая зависимость проявляется только на участке III: гидравлическое сопротивление незначительно уменьшается с увеличением угла поворота клапанов в, особенно это заметно при угле в равном 90°, когда на тарелке, при наличии на ней жидкости, реализуется эффект гидродинамического секционирования

жидкостного потока, что затем скажется на полном гидравлическом сопротивлении контактного устройства.

Зависимость гидравлического сопротивления сухой клапанной тарелки от скорости газа можно определить по формуле

Др = Сх

Рг х(^)2 2

В результате обработки экспериментальных данных был определен коэффициент гидравлического сопротивления £ для различных интервалов изменения скорости газа. Так, для интервалов I и V значения £ составили соответственно 110,9 и 3,57. Для интервалов II, III, IV, т. е. для области динамической работы клапанов, коэффициент гидравлического сопротивления зависит от скорости газа и масс клапанов.

Зависимость гидравлического сопротивления газожидкостного слоя от нагрузки по жидкости во всем диапазоне изменения скорости газа и конструктивных параметров носит возрастающий характер. Интенсивность роста гидравлического сопротивления с увеличением нагрузки по жидкости уменьшается. Снижение интенсивности роста более значительно в переходном и струйном режимах работы тарелки.

На рис. 5, 6 приведена зависимость гидравлического сопротивления газожидкостного слоя на тарелке, снабженной переливной планкой высотой 40 мм, от угла поворота клапанов. При увеличении угла поворота гидравлическое сопротивление возрастает. Характер данной зависимости сохраняется во всем исследованном диапазоне изменения режимных параметров и высоты переливной планки. Максимальной интенсивности роста гидравлического сопротивления соответствует интервал углов в от 45° до 135°. С увеличением скорости газа интенсивность роста гидравлического сопротивления увеличивается.

„ 1000 п си Ф Е О , аоо —♦— нагрузка по

жидкости 20 м3/

^ ф 900 О 5

* І Ш != 700 жидкости 5 м 3/

5 •В о Ч а 600

*— о ° 500  нагрузка по жидкости 40 м3/

Угол поворота клапанов, град.

Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления от угла поворота клапанов

Угол поворота клапанов, град.

-нагрузка по жидкости 20 м3/

нагрузка по жидкости 5 м3/

нагрузка по жидкости 40 м3/

нагрузка по жидкости 80 м3/

Рис. 6. Зависимость гидравлического сопротивления от угла поворота клапанов

При увеличении угла поворота клапанов удерживающая способность возрастает во всем исследованном диапазоне изменения режимных параметров и высоты переливной планки. Интенсивность роста удерживающей способности в барботажном режиме работы тарелки незначительна.

Для тарелки без переливной планки влияние нагрузки по жидкости на удерживающую способность в наибольшей степени проявляется при перекрестно-прямоточной схеме ввода газа в барботажном режиме работы, при этом с увеличением нагрузки по жидкости от 5 до 80 м3/(м-ч) удерживающая способность возрастает. С ростом скорости газа и угла поворота клапанов степень влияния уменьшается.

Изложенное выше позволяет сделать следующие заключения. Удерживающая способность клапанного тарельчатого контактного устройства по жидкости значительно зависит от схем направленного ввода газа и увеличивается с ростом угла поворота клапанов во всем исследованном диапазоне режимных параметров и высоты переливной планки. Гидродинамическое секционирование жидкостного потока в переходном и струйном режимах работы контактного устройства также приводит к увеличению его удерживающей способности.

Вследствие того, что в струйном режиме работы клапанных тарелок клапаны полностью открыты, указанные заключения можно распространить и на тарелки с постоянным свободным сечением, также работающие в струйном режиме и имеющие аналогичный ввод газа в слой жидкости.

Выводы. Проведено исследование гидродинамических характеристик струйного контактного устройства с направленным вводом газа в жидкость в широком диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров. Показано, что рабочие характеристики струйного контактного устройства в значительной степени зависят от схемы направленного ввода газа в жидкость.

Выполнен анализ влияния направленного ввода газа на основные гидродинамические характеристики контактного устройства. Установлено, что тарелка со схемой направленного ввода газа в жидкость с углом поворота клапанов 90° имеет наиболее широкую область гидродинамически устойчивой работы.

Сравнение исследованных схем направленного ввода газа показало, что для тарельчатых контактных устройств, работающих в струйном режиме, наиболее целесообразно использование схемы направленного ввода газа в жидкость, при которой ввод газа в соседних поперечных рядах струеобразующих элементов осуществляется в противоположные стороны перпендикулярно направлению тока жидкости. При больших нагрузках по газу гидродинамическое секционирование жидкостного потока может быть более эффективно, чем секционирование при помощи поперечных перегородок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берковский М. А. Исследование эффективности массопередачи на контактных

устройствах с различными движениями фаз (газ-жидкость) // Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1969. - 208 с.

2. КафаровВ. В. Основы массопередачи. - М.: Высш. шк., 1979. - 439 с.

3. Рамм В. М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976. - 656 с.

4. Стабников В. Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректифика-

ционных аппаратов. - Киев: Техника, 1970. - 208 с.

5. Задорский В. М. Интенсификация газожидкостных процессов химической тех-

нологии. - Киев: Техника, 1979. - 198 с.

6. Малежик И. М. Клапанные тарелки ректификационных и абсорбционных аппа-

ратов. - М.: ЦНИИТЭпищепром, 1971. - 33 с.

7. Щелкунов В. А., Круглов С. А., Молоканов Ю. К. Конструкции клапанных таре-

лок массообменных аппаратов. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1982. - 40 с.

8. Анистратенко В. А., Таран В. М. , Заяц Ю. А. Кинетика массообмена в газовой

фазе на барботажных прямоточных контактных устройствах // Ферментная и спиртовая промышленность. - 1982. - № 6. - С. 32 - 35.

9. Рыбинский А. Г., Чехов О. С. Современные конструкции теплообменных тарельчатых контактных устройств. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1984. - 43 с.

10. Чехов О. С., Рыбинский А. Г., Николайкин О. И. Современная тарельчатая массообменная аппаратура // Хим. промышленность за рубежом. - 1976. - № 6. -С. 58-79.

11. Шубин В. С., Рыбинский А. Г., Шитиков Е. С. Конструирование и расчет массообменных аппаратов: Учеб. пособие. - М.: МИХМ, 1986. - 52 с.

12. Маматов И. М. Исследование контактных устройств со струйно-капельным режимом работы: Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1974. - 123 с.

13. Маматов И. М., Зыков Д. Д. Контактные устройства тарельчатых колонн // Кокс и химия. - 1974. - № 11. - С. 33-38.