Разработка и исследование вихревых контактных устройств с активным теплообменом в зоне контакта фаз

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 536.27

В. И. Петров, А. С. Балыбердин, И. А. Махоткин РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ С АКТИВНЫМ ТЕПЛООБМЕНОМ В ЗОНЕ КОНТАКТА ФАЗ

Представлены результаты экспериментального исследования высокоэффективного вихревого контактного устройства с активным теплообменом в зоне контакта фаз. Показана зависимость гидравлического сопротивления вихревого контактного устройств от изменения расхода газа и выполнен расчет необходимого количества хладоагента для охлаждения реакционной зоны.

Конструкции разработанных нами вихревых контактных устройств (ВКУ)[1], удовлетворяющие требованиям абсорбции газов с большим тепловым эффектом представлены на рис. 1. Новизной разработанных устройств являются конструкции контактных патрубков, которые одновременно служат эффективным теплообменным элементом. Контактные патрубки могут иметь несколько вариантов исполнения. В частности для максимальной интенсификации теплообмена они могут быть выполнены в виде змеевика. Для дальнейшей интенсификации процесса сепарации они снабжаются дополнительным перфорированным патрубком. Направление витков змеевика может быть как по ходу вращения, так и против вращения потока газа.

Рис. 1 - Схемы вихревых контактных устройств с активным теплообменом в зоне контакта фаз для интенсификации абсорбции концентрированных окислов азота и паров азотной кислоты: 1 - тарелка; 2 - завихритель; 3 - контактный патрубок с рубашкой (со змеевиком); 4 - отбойник; 5 - змеевик дополнительного теплообмена на тарелке; 6 - перфорированный сепаратор

Принцип работы новых контактных устройств с активным теплообменом в зоне контакта фаз заключается в следующем. Газовый поток движется снизу вверх. Проходя тангенциальный завихритель газовый поток раскручивается и увлекает за собой жидкость. Скорость газа в щелях завихрителя 10-20 м/c. Струи газового потока диспергируют и тур-булизируют жидкость, которая поднимается вверх, вращаясь на стенках теплообменного

контактного элемента. Толщина вращающегося слоя жидкости зависит от совокупности гидродинамических и конструктивных параметров вихревого контактного устройства.

Активное обновление поверхности происходит не только в результате интенсивного перемешивания слоя жидкости по толщине, но и в результате непрерывного бомбардирования оторвавшихся от слоя капель жидкости о вращающуюся поверхность слоя. Общая величина площади поверхности контакта фаз внутри вихревого контактного устройства не может быть большой, но велика кратность обновления поверхности жидкости. Последнее при высокой степени турбулизации газа (режим приближается к автомодельному) обеспечивает высокое значение коэффициента массоотдачи как в газовой, так и в жидкой фазе. Соответственно обеспечивается и высокая эффективность теплообмена.

Жидкость отделяется от газа в поле центробежных сил и выходит из контактного устройства под отбойником. Для сокращения брызгоуноса, если это необходимо, между отбойником и контактным элементом устанавливается перфорированный патрубок 6. Жидкость стекает вниз по стенкам теплообменной поверхности и многократно циркулирует. Кратность циркуляции определяется величиной зазора между контактным элементом и тарелкой, а также зависит от высоты слоя жидкости на тарелке и скорости газового потока. С целью увеличения поверхности охлаждения на тарелке может быть установлен дополнительный змеевик 5.

Для определения наиболее эффективного способа проведения теплообмена нами проведены ряд экспериментов по исследованию тепломассообменных характеристик ВКУ. Проведенные опытно-промышленные испытания вихревых контактных устройств с рубашками на Крымском содовом заводе, показали возможность использования такой конструкции контактного патрубка для абсорбции аммиака высокой концентрации. Кроме того, нами проведены дополнительные исследования ВКУ с контактным патрубком, выполненным в виде навитой трубки (змеевика). Это позволило увеличить поверхность теплообмена при тех же геометрических размерах контактного патрубка в 1,5 раза, что должно благоприятно повлиять на процесс абсорбции окислов азота высокой концентрации, например после процесса денитрации отработанных кислот.

На основании проведенных экспериментов разработана методика определения расхода хладоагента.

При абсорбции аммиака высокой концентрации например, в производстве кальцинированной соды выделение тепла ведет к нарушению изотермичности процесса. Изменение температуры оказывает на процесс абсорбции двоякое влияние: во-первых, изменяется положение линии равновесия, т.к. равновесная концентрация аммиака в газовой фазе является функцией не только концентрации аммиака в жидкости, но и существенно зависит от температуры. При повышении температуры линия равновесия сдвигается вверх, что приводит к уменьшению движущей силы; во-вторых, возникает разность температур между жидкостью и газом, что вызывает наряду с массообменом и процесс теплообмена между фазами.

Абсорбция аммиака высокой концентрации предлагается проводить в вихревом многоступенчатом аппарате. Основным элементом аппарата является ВКУ. Задачей системы охлаждения является обеспечение постоянной температуры в контактной зоне.

Уравнение теплового баланса контактного устройства имеет вид:

Ор=

где Ор - тепло, выделяющееся в результате реакции; Ог вх - тепло, поступающее в ВКУ с воздушным потоком; Ог вых - тепло, уносимое воздухом; Ож вх - тепло, поступающее в

ВКУ с жидкостью; Ож вых - тепло, уносимое кислотой; Ох вх - тепло, поступающее с хла-доагентом; Ох вых - тепло, уносимое хладоагентом. Уравнение (1) может быть представлено в виде:

Ор=АОг+АОж+АОх,

где АОг - количество тепла, уносимое из контактной области газом; АОж - количество тепла, уносимое из контактной области жидкостью; АОх - количество тепла, уносимое из контактной области хладоагентом.

Согласно определению [2,3] количество уносимого тепла может быть найдено по следующей зависимости:

АО=ОСр

где Э - массовый расход; Ср - удельная теплоемкость среды; 12-^- разность температур на входе и выходе ВКУ.

С учетом (3) уравнение (2) принимает вид:

Ор=ОгСрг02г^1г) + ЭжСрж^ж-^ж) + ЭхСрх^х-^х)-

Из уравнения (4) непосредственно следует определение расхода хладоагента:

Эх=

В предложенной конструкции ВКУ в стационарном режиме его работы в уравнении (5) содержится величина 12х, которая в свою очередь будет зависеть от искомой величины Эх. Это обстоятельство объясняется тем, что температура хладоагента на выходе из рубашки определяется как условиями теплообмена, так и временем пребывания хладоагента в объеме рубашки охлаждения.

В свете вышеизложенного на стадии экспериментального исследования ВКУ уравнение (5) целесообразно решать графически.

При проведении опытов регистрировались массовые расходы и температуры всех материальных потоков на входе и выходе из контактного устройства. Температура в контактной зоне создавалась нагревом воздуха подаваемого в завихритель.

Установив определенный расход хладоносителя Эх1, в стационарном режиме регистрировалась температура воздуха 12г, выходящего из ВКУ. Значения Эж и Эг должны соответствовать эксплуатационным параметрам.

На рис.2 представлена сравнительная зависимость коэффициента теплоотдачи для ВКУ с рубашкой и ВКУ с навитой трубкой. Значение коэффициента теплоотдачи для ВКУ с навитой трубкой (рис. 2) выше и с увеличением расхода хладоагента возрастает более интенсивно. Уравнения, описывающие представленные зависимости можно представить в следующем виде:

Для ВКУ с рубашкой:

Для ВКУ с навитой трубкой:

а=4102-_°'4.

а=6242-_0,56.

Уменьшение расхода хладоагента может быть достигнуто за счет его предварительного захолаживания [4], т.е. уменьшения либо изменением условий теплообмена: изменение объема и геометрии рубашки; применение оребрения или закрутки потока хладоагента. Нами исследовано гидравлическое сопротивление ВКУ, контактный патрубок которого

изготовлен из навитой трубки (змеевика), схема которого показана на рис. 1. Результаты проведенного эксперимента представлены на рис. 3.

Рис. 2 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от расхода хладоагента: 1 - опытно-промышленные испытания ВКУ с рубашкой на КСЗ; 2 - экспериментальные исследования ВКУ с навитой трубкой

Рис. 3 - Зависимость гидравлического сопротивления от изменения расхода газа, при 1_=1 м3/ч: 1 - сухое ВКУ; 2 - ВКУ со змеевиком; 3 - ВКУ со змеевиком и цилиндрической стенкой

Видно, что ВКУ контактный патрубок которого состоит из змеевика и цилиндрической стенки обладает повышенным сопротивлением на 15 - 30%. Это связано с тем, что удерживающая способность жидкой фазы такого ВКУ, по сравнению с другими ВКУ значительно больше.

Новые контактные устройства снабженные полостью для ввода хладоагента могут найти широкое применение для интенсификации различных физико-химических процессов сопровождающихся выделением тепла.

Литература

1. А.с. 1655532 (СССР). Вихревой тепломассобменный аппарат/ Петров В. И., Халитов Р.А., Ма-хоткин А. Ф. и др. // БИ. 1989. № 22.

2. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

3. Эккерт Э.Р., Дреик Р.М. Теория тепло- и массообмена. М.: Госэнергоиздат, 1961.680 с.

4. МихеевМ.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973. 320 с.

© В. И. Петров - канд. хим наук, доц каф. оборудования химических заводов КГТУ; А. С. Балы-бердин - науч. сотр. КМИЦ «Новые технологии» КГТУ; И. А. Махоткин - асс. каф. оборудования химических заводов КГТУ.