Методы интенсификации процесса теплои массообмена в колонных аппаратах с контактными устройствами

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология Методы интенсификации процесса тепло- и массообмена в колонных аппаратах с контактными устройствами

к.т.н. Пушнов A.C., к.т.н. Соколов A.C., Бутрин М.М.

МГМУ (МАМИ) pushnovas@gmail. com

Аннотация. Представлена классификация методов интенсификации процессов тепло- и массообмена. Рассмотрены преимущества и недостатки насадочных и тарельчатых контактных устройств. Представлен метод анализа влияния формы и конструкции насадки на процесс тепломассообмена. Описано влияние различных параметров на выбор конструкции насадки. Рассмотрены наиболее распространенные в промышленности типы насыпных и регулярных насадок. Предлагается альтернативный способ интенсификации процессов тепло- и массообмена.

Ключевые слова: контактное устройство, тепломассообмен, колонные аппараты, интенсификация, число испарения.

В химической промышленности для проведения процессов тепло- и массообмена требуются колоссальные материальные и энергетические затраты. Для осуществления этих процессов в химической технологии обычно используются аппараты с контактными устройствами. Поэтому проблема интенсификации тепло- и массообмена в таких аппаратах является актуальной.

Методы интенсификации процессов тепло- и массообмена в контактных аппаратах можно классифицировать следующим образом (см. рисунок 1) [1, 2, 3].

Рисунок 1. Методы интенсификации тепло- и массообмена

Эффективность осуществления тепло- и 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 тепло- и 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 насадочно-го типа является более перспективным и актуальным [5].

Наибольшее влияние на процессы тепло- и 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 тепло- и массообмена.

При конструировании насадки следует учитывать, в какой фазе сосредоточено основное сопротивление тепло- и 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 тепло- и 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]:

К исп =

где /?х - коэффициент массоотдачи, Н - высота слоя насадки, G ж - удельный расход жидкости.

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология

Многочисленными испытаниями [8] установлена следующая степенная зависимость величины числа испарения К исп от относительного расхода воздуха X:

К исп = А Р'Л ,

где Ар и т - опытные коэффициенты, определяемые по результатам испытаний соответствующей конструкции насадки. Зависимость Ар=Г(^) имеет вид [9]:

Ар = В

где В и к - эмпирические коэффициенты, характеризующие эффективность насадки, - гидравлическое сопротивление, отнесенное к одному погонному метру. Здесь В=0,456, к=0,288.

Уравнение (3) описывает результаты испытаний регулярных насадок плёночного, капельного и струйного типа. При увеличении 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 тепло- и 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 ёе рассчитывалась нами по данным [14] по формуле [3]:

= 4еIа ,

где а - удельная поверхность, по

розность.

1МК N0 г

75Р Г пд

П^ЦИПЕПЩ

РоИ ГЯТ5

ц'АШ

Поли-иериые

>3аИ г ту

НИ ¡0* г"|Гпд

ЩЦ-РАС гид

[1ЬРАС

ЕМЖ

Рисунок 2. Наиболее распространенные в промышленности насыпные насадки,

номинальный размер 50 мм

Таблица 1

Параметры насыпных насадок, изображенных на рисунке 2

Наименование Количество Удельная Породность Эхвивалентный

на. садки/ материал насадох на единицу объема

С MR No2/ 32950 150 0:95 0:025

металл

Hiflow 5000 97=3 0=973 0=04

ring/

металл

VSP ring/ 7800 104 0=98 0=038

металл

Poll ring/' 6400 120 0=7Е 0=026

херамиха

Hiflow 4950 86:7 0:815 0:038

ring/'

херамиха

INTALOX 9300 120 0.77 0.026

soddle/

херамиха

Poll ring/' 6700 ПО 0:92 0:033

пластих

Hiflow 6400 112 0=93 0=033

ring/

пластих

N OR-PAC 7300 90 0=952 0=042

ring/

пластих

Hackette/ 12400 135 0=93 0=028

пластих

DINP АС/ 29000 135 0:92 0:027

пластих

ENVIPAC 6800 98 0:961 0:039

/ пластих

Наиболее распространенными в промышленности насадками регулярного типа являются гофрированные листовые насадки (см. рисунок 3, таблицу 2). Конструкции насадок этого типа позволяют увеличить процессы тепло- и 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.

МеМарак ¿50V

нтг с 1 -зао

Рисунок 3. Регулярные металлические насадки

Таблица 2

Параметры регулярных насадок изображенных на рисунке 3

Наименование Уд епьн а_я п ое ерхн о стъ Породность

насадкн <м2/м3)

Мейарак 250 У 250 0=9б

Мошг раскш^ В1-3 00 300 0:93

Ио1ирак= 250 У 250 0=963

МошгС1-300 300 0:90

Зшгег ВХ 500 0=90

Оетрак= А 21 202 0=973

Все описанные выше конструкции насадок являются стационарными. Возможно, придание элементам насадки вращательного движения способно обеспечить высокую турбули-зацию взаимодействующих фаз, разрыв пленки жидкости и тем самым дополнительно интенсифицировать тепло- и массообменные процессы в колонных аппаратах. При этом соседние элементы насадки непосредственно не соприкасаются друг с другом, в отличие от псев-доожиженных насадок, в результате уменьшается износ поверхности насадки и аппарата. Разработкой данного направления интенсификации тепломассообмена занимается группа исследователей в Университете машиностроения.

Литература

1. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, переработ. и доп. - М.: «Химия», 1976. -656с.

2. Каган A.M., Пушнов A.C. Сравнительные характеристики промышленных насадок для процессов тепло- и массообмена // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. № 4. - С. 5 - 7.

3. Пушнов A.C., Каган A.M. Структура и гидродинамика колонных аппаратов с насадкой. Введение в химический инжиниринг. СПб.: Изд. Политехнического университета, 2011.135 с.

4. Соколов A.C. Влияние типа керамической кольцевой насадки на процесс абсорбции газов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.: 2009. -119 с.

5. Вальдберг А.Ю., Полиенова Е.В., Пушнов A.C. Очистка и охлаждение газов в насадочных скрубберах. М.: МГУИЭ, 2011, -144 с.

6. Каган A.M., Юдина Л.А., Пушнов A.C. Активная поверхность элементов нерегулярных тепло-массообменных насадок // Теоретические основы химической технологии, 2012, т. 46, № 2 , с. 199-206.

7. Каган A.M., Пушнов A.C., Шилин М.М.. Влияние площади перфорации нерегулярных те-пло-массообменных насадок на их массообменные и гидродинамические характеристики// Энергосбережение и водоподготовка, 2012, №2(76), с. 64-66.

8. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие/Под общ. ред. Пономаренко B.C. -М.: Энергоатомиздат, 1998, -376 с.

9. Пушнов A.C., Лозовая Н.П. Гидравлическое сопротивление регулярных насадок и эффективность процессов испарительного охлаждения в градирнях// Энергосбережение и водоподготовка, 2011, №3 , с. 36-37.

10. Каган A.M., Пушнов A.C., Юдина Л.А. К вопросу о связи гидравлического сопротивления нерегулярных тепло-массообменных насадок с их эффективностью// Химическая промышленность, 2011, Т. 88, №2, с. 75-81.

11. Пушнов A.C., Петращова E.H., Лагуткин М.Г. Влияние гидравлического сопротивления и геометрических параметров насыпных насадок на эффективность осуществления процессов тепло-массообмена// Химическая промышленность сегодня, 2012, №4, с. 29-32.

12. Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А., Беренгартен М.Г., Левин Б.В. Насадки массо-обменных колонн. -М.: ЗАО «ИНФОРХИМ», 2009, -358 е..

13. Каган A.M., Чиж К.В., Тимонин A.C., Пушнов A.C. Сравнительные характеристики нерегулярных металлических насадок// Химическая промышленность, 2012, Т. 89, №1, с. 3947.

14. Billet R. Packed towers: in processing and environmental technology Publisher: Wiley-VCH; 1 edition (February 22, 1995) Pages: 383.

Применение современных технологий сбора и анализа данных для интегрированного контроля и анализа технологических и экономических параметров производства

асп. Васильев A.A., к.т.н. Парамонов Е.А., к.т.н. доц. Зубов Д.В.

Университет машиностроения zubov@msuie. ru.

Аннотация. В статье рассматриваются преимущества записи промышленной технологической информации напрямую в СУБД, что решает как ряд технических проблем, так и некоторые проблемы экономического анализа.