Диспергирование жидкости в струйно-пленочных контактных устройствах

УДК 66.021.3

О. С. Дмитриева, С. А. Соловьев, А. В. Дмитриев ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ЖИДКОСТИ В СТРУЙНО-ПЛЕНОЧНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Ключевые слова: контактное устройство, тепломассообмен, диспергирование.

Предложено струйно-пленочное контактное устройство для массообменных аппаратов промышленных предприятий. Выполнены исследования влияния характеристик потока газа на структуру стекающей жидкости. Увеличение удельной площади поверхности контакта фаз и уменьшение гидравлического сопротивления проходу газа в устройстве приводит к повышению эффективности тепломассообмена.

Keywords: contact device, heat and mass transfer, dispersion.

Proposed jet-film contact device for mass transfer devices industry. Performed research on the influence of characteristics of gas flow on the structure of falling liquid. The increase in the specific surface area of contact between the phases and the decrease in flow resistance for the gas in the device increases the efficiency of heat and mass transfer.

Насадочные колонны находят широкое применение в энергетике, нефтехимической,

нефтеперерабатывающей, газовой промышленности при проведении процессов ректификации, абсорбции, жидкостной экстракции, охлаждения газов и жидкостей и пр. Насадочные колонны обладают такими достоинствами как высокая эффективность и широкий интервал устойчивой работы, сравнительно невысокая стоимость и простота конструкций, небольшое гидравлическое сопротивление, что особенно важно для работы вакуумных колонн в нефтепереработке. В качестве контактных устройств могут использоваться регулярные или нерегулярные насадки [1, 2]. При разработке новых конструкций контактных устройств анализируются реальные процессы, проходящие в аппарате, ставятся задачи по увеличению эффективности процесса

тепломассообмена, снижению гидравлического сопротивления и расширению диапазона устойчивой работы аппарата. Однако созданные в последние годы новые конструкции контактных устройств зачастую обладают либо повышенным гидравлическим сопротивлением, либо сложны в изготовлении и ремонте [3-5].

С целью устранения указанных недостатков авторами статьи разработана конструкция струйно-пленочного контактного устройства [6], состоящее из параллельных квадратных сливных стаканов с вертикальными стенками для поддержания уровня жидкости внутри них. Прототипом устройства являются конструкции [7, 8]. Опорами для сливных стаканов являются вертикальные перегородки, имеющие прорези для установки в них соответствующих сливных стаканов. При этом стаканы открыты с верхнего своего конца, а в днище имеются отверстия, выполненные в виде отогнутых круговых сегментов и необходимые для распределения жидкости по поверхности вертикальных перегородок. Жидкость через отверстия в днище сливных стаканов, распределяется в виде струй на расположенные ниже вертикальные перегородки. При этом в указанных сливных стаканах поддерживается уровень жидкости за счет наличия вертикальных стенок сливных стаканов. Сливные стаканы расположены горизонтально в шахматном порядке, образуя тарелку. Причем ниже расположенная тарелка имеет смещение

стаканов, формируя шахматное их расположение по вертикали. При этом движение газа, поступающего снизу под тарелку, имеет зигзагообразный характер.

Струи жидкости, двигаясь по поверхности вертикальных перегородок, распределяются с образованием устойчивого пленочного течения. При этом стекающая пленка жидкости контактирует с восходящим потоком газа. Далее образовавшаяся пленка ударяется о поверхность жидкости внутри стаканов, повторно разрушаясь. По этой причине организуется развитая постоянно обновляющаяся поверхность контакта фаз, определяющаяся наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями с поверхности. Принимая расстояние между сливными стаканами на одном уровне, равными ширине сливного стакана, обеспечивается равномерность прохода газа по всему сечению аппарата, вследствие чего гидравлическое сопротивление струйно-пленочного контактного устройства снижается. За счет турбулентного пленочного течения происходит интенсификация массооотдачи в жидкой фазе при минимальном значении уноса.

В пространстве между пластинами и входом потока газа существует пространство, не заполненное жидкостью. Исправить это можно установив в него направляющие элементы, но это приведет к увеличению металлоемкости устройства, усложнению конструкции и снижению ее надежности. Для заполнения свободного пространства в центре каждой четвертой части квадрата делается отверстие для слива жидкости. Конструкция при этом не усложняется, а возможности струйно-пленочных контактных устройств значительно расширяются. Предсказать поведение струи жидкости при взаимодействии с восходящим потоком газа достаточно сложно. Поэтому были проведены исследования в программном комплексе Ansys Fluent на системе воздух-вода.

Условия расчета: давление - 1 атм; массовый расход воздуха - 0,015 кг/с, из расчета средней скорости 2,5 м/с по сечению всего аппарата; массовый расход воды - 0,01372 кг/с, из расчета уровня воды 0,025 м. Размер периодической ячейки:

высота - 0,1 м; основание - 0,05x0,05 м; диаметр отверстия в днище для прохода воды - 0,005 м.

Рис. 1 - Расчетная область: синяя - вход воздуха, красная - выход воздуха, черная - непроницаемые стенки

Графические зависимости представлены для 15 секунды работы контактного устройства. Исследования показали, что в продольном сечении около вертикальной стенки соседнего элемента образуются завихрения (рис. 2), а в поперечном сечении завихрения симметричны относительно мнимой оси. Струя разбивается где-то в середине области. Вода начинает каплями разбрызгиваться по стенкам. Наблюдается небольшое отклонение струи от стенок к потоку воздуха в зоны меньшего давления при большей скорости. Во-первых, струя снизу разрушается потоком воздуха, во-вторых растягивается в двух направлениях в стороны, как бы разрывается надвое (рис. 3 и 4).

1.09щ*01 1.046+01

9.е4с*оо 9.290' 00 3 758*00 Ь 208*00 7 658*00 7.113*00

з.зее* оо оогв-оо

5,478*00 4.вЗ«*00 4.38е*00

3.290*00 1 74о*00 2.304*00 1 658*00 1118*00 5 618-01 1.09е-02

Рис. 2 - Поле скоростей в диагональной плоскости

Для эффективного взаимодействия между потоками воздуха и воды струя должна распадаться, не долетая до поверхности жидкости, находящейся в сливном стакане. Капли воды из раздробленной струи влетают в стекающую по твердым поверхностям пленку, увеличивая тем самым перемешивание и интенсификацию процессов тепло- и массообмена.

Рис. 3 - Взаимодействие струи воды с потоком воздуха при скорости последнего 1 м/с

Поток воздуха при скоростях более 1 м/с начинает существенно влиять на струю (рис. 3). При среднерасходной скорости потока воздуха около 1 м/с струя распадается в непосредственной близости от поверхности воды. Дальнейшее увеличение скорости приводит к отбрасыванию капель на вертикальные и горизонтальные поверхности (рис. 4). При значении скорости воздуха 2 м/с и более, но до максимальной рабочей скорости, струя распадается в середине, количество капель, стремящихся на твердые поверхности, заметно увеличивается (рис. 4).

Рис. 4 - Взаимодействие струи воды с потоком воздуха при скорости последнего 2 м/с

Струя распадается, так как поток воздуха с большой скоростью проходит вдоль нее и деформирует ее (рис. 5).

Во время исследований было сделано предположение, об усилении перемешивания в струе воды из-за трения о поток воздуха. Однако результаты исследований не подтвердили это предположение, перемешивание в струе оказалось очень небольшим.

Рис. 5 - Деформация струи воды при скорости воздуха 2,5 м/с

Проведенные исследования позволяют утверждать, что структура взаимодействия фаз в контактном устройстве способствует большей турбулизации стекающей струи жидкости при соприкосновении с поверхностью жидкости внутри сливного стакана, а это, в свою очередь, ведет к повышению коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе. Результаты исследований полезны для определения основных конструктивных характеристик устройства и расчёта эффективности работы аппарата.

Таким образом, применение струйно-пленочного контактного устройства в массообменных аппаратах

промышленных предприятий позволит добиться снижения гидравлического сопротивления и увеличения массообменной эффективности.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1638-60081 мол_а_дк.

Литература

1. Т.М. Фарахов, М.М. Башаров, И.М. Шигапов, Нефтегазовое дело, 2, 192-207 (2011).

2. A.A. Shagivaleev, A.A. Ovchinnikov, N.A. Nikolaev, Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 39, 6, 590593 (2005).

3. W.Z. Jiao, Y.Z. Liu, G.S. Qi, Industrial and Engineering Chemistry Research, 49(8), 3732-3740 (2010).

4. A.V. Dmitriev, O.S. Makusheva, K.V. Dmitrieva, A.N. Nikolaev, Chemical and Petroleum Engineering, 47, 5-6, 319323 (2011).

5. В.И. Петров, А.С. Балыбердин, И.А. Махоткин, А.В. Петров, Вестник Казан. технол. университета, 1, 46-49 (2007).

6. А.В. Дмитриев, И.Р. Калимуллин, О.С. Дмитриева, Р.Р. Ишматов, Заявка на полезную модель № 2015152723 (081253). Контактное устройство для тепломассообменных процессов. Заявл. 08.12.2015.

7. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, Г.С. Сагдеева, А.Н. Николаев, Патент РФ на полезную модель № 156379, опубл. 10.11.2015.

8. А. В. Дмитриев, О. С. Дмитриева, И. Н. Мадышев, Вестник технологического университета, 18, 15, 49-53 (2015).

© О. С. Дмитриева - старший научный сотрудник КГЭУ, ja_deva@mail.ru, С. А. Соловьев - старший научный сотрудник КФУ, А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ КГЭУ, ieremiada@gmail.com.

© O. S. Dmitrieva - the senior researcher, KSPEU, ja_deva@mail.ru, S. A. Solovyev - the senior researcher, KFU, A. V. Dmitriev -the head of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, KSPEU, ieremiada@gmail.com.