Исследование влияния вакуума на профили абсолютных скоростей газа в струйно-пленочных контактных устройствах

УДК 66.048.37

О. С. Дмитриева, И. Н. Мадышев, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАКУУМА НА ПРОФИЛИ АБСОЛЮТНЫХ СКОРОСТЕЙ ГАЗА В СТРУЙНО-ПЛЕНОЧНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Ключевые слова: контактные устройства, тепломассообмен, профили скоростей, вакуум.

В статье рассматривается принцип работы струйно-пленочного контактного устройства, его конструкционные особенности. Представлены результаты определения профилей абсолютных скоростей газа в продольном сечении предлагаемого контактного устройства при различном давлении. Низкое гидравлическое сопротивление позволяет использовать разработанные устройства в аппаратах, работающих под вакуумом с невысокими энергетическими затратами.

Keywords: contact devices, heat and mass transfer, velocity profiles, vacuum.

The article discusses the principle of operation of jet-film contact device, its structural features. Presents the results of determination of the absolute gas velocity profiles in the longitudinal section of the proposed contact device at different pressures. Low hydraulic resistance allows to use the developed devices in apparatus working under vacuum with low energy consumption.

Стремление интенсифицировать процессы тепломассообмена в технологическом оборудовании химических, нефтехимических и нефтегазоперера-батывающих производств ставит задачу поиска новых технических решений, которые позволили бы увеличить удельные потоки массы и теплоты. Одним из направлений решения поставленных задач является совершенствование аппаратурного оформления процессов при контакте газовой и жидкой фаз [1-4].

Традиционными и простыми по принципу действия являются насадочные и тарельчатые контактные устройства, существенным недостатком которых является невысокая пропускная способность по газу. Аппараты этого типа допускают устойчивую работу при среднерасходных скоростях газа не превышающих 1,5-2 м/с. Перспективными являются аппараты вихревого типа, отличающиеся высокой пропускной способностью, интенсивным взаимодействием фаз и широким диапазоном устойчивой работы [5-7]. Однако к существенным недостаткам вихревых аппаратов относятся большие удельные энергетические затраты, обусловленные высоким гидравлическим сопротивлением. В связи с этим необходима разработка новых устройств для контакта газа и жидкости, способных обеспечить достижение высокой интенсификации процессов тепломассообмена при минимальных затратах энергии.

Примером такой конструкции может быть струйно-пленочное контактное устройство для теп-ломассообменных аппаратов [8], представленное на рис. 1. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является контактная тарелка для массообменных процессов [9]. Предлагаемое контактное устройство состоит из параллельных квадратных сливных стаканов 1, имеющие вертикальные стенки, необходимые для поддержания уровня жидкости внутри них. Опорами для сливных стаканов 1 являются вертикальные перегородки 2, имеющие прорези, предназначенные для установки соответствующих сливных стаканов 1. При этом стаканы 1 открыты с верхнего своего кон-

ца, а в днище выполнены отогнутые лепестки в виде круговых сегментов, необходимые для распределения жидкости по поверхности вертикальных перегородок 2.

Рис. 1 - Струйно-пленочное контактное устройство: 1 - сливной стакан; 2 - перегородки

Разработанное авторами настоящей статьи струйно-пленочное контактное устройство работает следующим образом. Жидкость через множество отогнутых лепестков, выполненных в днище сливных стаканов 1, распределяется в виде струй на расположенные ниже вертикальные перегородки 2. При этом в указанных сливных стаканах 1 поддерживается уровень жидкости за счет наличия вертикальных стенок. Сливные стаканы 1 располагают горизонтально в шахматном порядке, образуя тарелку. Причем ниже расположенная тарелка имеет смещение стаканов, формируя шахматное их расположение по вертикали. По этой причине, газ, поступающий снизу под тарелку, приобретает зигзагообразный характер движения.

При движении струй жидкости по поверхности вертикальных перегородок 2 происходит распределение потока с образованием устойчивого пленочного течения. При этом стекающая пленка жидкости

контактирует с восходящим потоком газа. Далее образовавшаяся пленка, соударяясь о поверхность жидкости, находящейся внутри стаканов 1, разрушается. Таким образом, создается развитая постоянно обновляющаяся поверхность контакта фаз, которая определяется 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 равнопроточность для прохода газа, что приводит к снижению гидравлического сопротивления предлагаемого струйно-пленочного контактного устройства. Таким образом, организация оригинального взаимодействия между газом и жидкостью позволяет интенсифицировать тепло- и массообменные процессы как в жидкой, так и в газовой фазах при относительно простом аппаратурном оформлении.

Целью проводимых исследований является определение профиля абсолютных скоростей газа в поперечном и продольном сечениях предлагаемого контактного устройства при различном давлении. Для этого в программном комплексе ANSYS Fluent моделировались потоки воздуха в одном из 4 секторов контактного элемента (остальные симметричны). При этом исследуемые сечения равноудалены от внешних границ, ограничивающих данный сектор. Ступень состоит из двух контактных элементов размерами 60x60x30 мм, расположенных друг над другом на расстоянии 90 мм. В пространстве между контактными элементами установлены две вертикальные перегородки размерами 58x75 мм. В днище контактных элементов были выполнены 16 лепестков с радиусом 5 мм, отогнутых вниз под углом 45°. Массовый расход воздуха составлял 2-3 кг/с, температура 50°С, среднерасходная скорость потока охлаждающего воздуха (на полное сечение устройства) варьировалась в диапазоне 1,18-4,4 м/с.

Результаты исследований показали, что структура газового потока и его абсолютная скорость в исследуемом струйно-пленочном контактном устройстве существенно зависит от давления газа.

Рис. 2 - Профиль абсолютных скоростей газа в продольном сечении контактного элемента при давлении на входе 101325 Па

На рис. 2 представлен профиль абсолютных скоростей газа в продольном сечении одного сектора струйно-пленочного контактного элемента при дав-

лении на входе 101325 Па. Исследования показали, что вдоль вертикальной оси контактного элемента и в зоне около нее наблюдается область пониженных (околонулевых) скоростей газового потока. При этом в продольном сечении около вертикальной стенки соседнего элемента образуются завихрения (рис. 2), а в поперечном сечении завихрения симметричны относительно мнимой оси.

Рис. 3 - Профиль абсолютных скоростей газа в продольном сечении контактного элемента при давлении на входе 50 кПа

Как видно из рис. 3 и 4, при понижении давления (вакууме) значения абсолютных скоростей газа существенно возрастают. Так, например, при увеличении глубины вакуума с 50 кПа до 5 кПа скорость газа возрастает в 3,16-3,18 раза. Это связано с изменением физических свойств газа, а именно, в первую очередь, уменьшением его плотности. Стоит отметить, что с увеличением глубины вакуума так же увеличиваются размеры вихрей. При этом симметричное расположение вихрей в поперечном сечении характерно только при давлении газа близком к атмосферному.

Рис. 4 - Профиль абсолютных скоростей газа в продольном сечении контактного элемента при давлении на входе 5 кПа

Проведенные исследования позволяют утверждать, что структура газового потока в продольном и поперечном сечениях струйно-пленочного контактного устройства существенно зависит от давления газа. Однако, стоит отметить, что вне зависимо-

сти от давления скорость газового потока вдоль вертикальных перегородок контактного устройства остается относительно невысокой, что позволяет снизить капельный унос жидкости при высоких средне-расходных скоростях газа (3-4 м/с). Для двухфазного потока профиль абсолютных скоростей изменится несущественно, так как структура в большей степени определяется геометрией, а не двухфазным потоком.

Таким образом, можно утверждать, что использование предлагаемых струйно-пленочных контактных устройств является перспективным, так как они смогут обеспечить высокую эффективность работы тепломассообменных аппаратов при относительно невысоких энергетических затратах, низкое гидравлическое сопротивление позволяет использовать их в аппаратах, работающих под вакуумом с невысокими энергетическими затратами.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-3860081 мол_а_дк.

2. I.N. Madyshev, O.S. Dmitrieva, A.V. Dmitriev, A.N. Nikolaev, Chemical and Petroleum Engineering, 51, 5, 383387 (2015).

3. В.С. Калекин, Д.В. Калекин, В.Д. Бакулина, С.Н. Капа-нин, А.Л. Леонов, В.А. Плотников, Ф. Ригер, Компрессорная техника и пневматика, 4, 26-30 (2009).

4. Г.Н. Зиннатуллина, А.В. Давыдов, В.В. Бронская, Н.Х. Зиннатуллин, Вестник Казан. технологического университета, 17, 3, 89-92 (2014).

5. Л.Р. Зиятдинова, А.Н. Николаев, Экология и промышленность России, 3, 23 (2009).

6. И.Р. Калимуллин, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев, Экология и промышленность России, 2, 4-6 (2011).

7. Р.Р. Усманова, Г.Е. Заиков, Р.Я. Дебердеев, Вестник Казан. технологического университета, 17, 4, 124-129 (2014).

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

9. 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.

Литература

1. M.I. Farakhov, A.G. Laptev, M.M. Basharov, Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 49, 3, 233-238 (2015).

© О. С. Дмитриева - старший научный сотрудник КГЭУ, ja_deva@mail.ru, И. Н. Мадышев - аспирант кафедры МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ КГЭУ, ieremiada@gmail.com, А. Н. Николаев - зав. кафедрой ОНИ КНИТУ.

© O. S. Dmitrieva - the senior researcher, KSPEU, ja_deva@mail.ru, I. N. Madyshev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU, A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, KSPEU, ieremiada@gmail.com, A. N. Nikolaev -the head of «FPE» chair, KNRTU.