Гидродинамические характеристики новой регулярной гофрированной насадки

Д. А. Бурмистров, М. М. Фарахов, М. И. Фарахов,

А. В. Клинов

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НОВОЙ РЕГУЛЯРНОЙ

ГОФРИРОВАННОЙ НАСАДКИ

Ключевые слова: регулярная насадка, гидравлическое сопротивление, ректификация.

В статье предложена конструкция регулярной гофрированной насадки из металлических сеток для тепломассообменных процессов. Описана конструкция насадки и экспериментальной установки для проведения гидродинамических испытаний. Представлены гидравлические характеристики исследуемой насадки. Получены выражения для расчета перепада давления на слое сухой и орошаемой насадки.

Key words: corrugated structured packing, pressure drop, distillation.

A new corrugated structured packing fabricated from metal gauze is offered.

The construction of the packing and the experimental setup is described. The hydraulic characteristics of the packing are presented. The predictive equations for the dry and the wet pressure drops are derived.

Современная химическая промышленность характеризуется весьма большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ и выпускаемой продукции. Среди типовых процессов разделения веществ важное место занимают процессы абсорбции и ректификации. В качестве контактных устройств используются различного вида тарелки, регулярные и нерегулярные насадки.

К достоинствам нерегулярных насадок можно отнести относительно низкую стоимость, простоту обслуживания, а также меньшую чувствительность к начальному распределению жидкости. Преимуществом регулярных насадок, по сравнению с нерегулярными, является меньшее гидравлическое сопротивление, однако они более чувствительны к начальному распределению орошения.

Конструкция насадки должна удовлетворять следующим требованиям: обладать максимальной удельной поверхностью и долей свободного объема, высокой прочностью и химической стойкостью, низкой стоимостью и низким гидравлическим сопротивлением, способностью хорошо смачиваться жидкостью и равномерно распределять контактирующие фазы по сечению аппарата [1].

Универсальной насадки, удовлетворяющей всем требованиям, не существует. Ряд требований является взаимоисключающим. Так, например, увеличение удельной поверхности насадки приводит, как правило, к уменьшению доли свободного объема и увеличению гидравлического сопротивления слоя насадки.

В данной работе предлагается конструкция регулярной рулонной гофрированной насадки для аппаратов небольшого диаметра. Насадка выполнена из гофрированных металлических сетчатых лент толщиной 0,1 мм, гофры которых расположены под углом в 60 к горизонту. Ленты скручиваются в рулон таким образом, что смежные поверхности

гофров располагаются перекрестно. Жидкость в виде пленки, отдельных струй и капель стекает вниз по поверхности насадки, а газ (пар) движется снизу вверх через создающийся канал. При проходе через один элемент насадки газ меняет свое направление на 120© за счет изгиба в средней части каждого гофра.

Для исследований гидравлических характеристик была изготовлена насадка РГН-5, основные геометрические характеристики которой приведены в табл. 1. На рис. 1 представлены основные размеры гофра насадки.

Гидродинамические испытания выполнялись на установке, созданной в Казанском государственном технологическом университете. Эксперименты проводились на системе воздух-вода при комнатной температуре и атмосферном давлении, при этом высота наса-дочного слоя составляла 0,5 м. Установка, схема которой представлена на рис. 2, состоит из колонны 1 диаметром 100 мм, в которую укладывается насадка 2, вентилятора 3, ротаметра 4 для измерения расхода воды и диафрагмы 5 для измерения расхода воздуха, И-образного дифманометра 6 для измерения перепада давления в слое насадки. В колонне расположены следующие внутренние устройства: распределитель жидкой фазы 7, распределитель газовой фазы 8, отбойный элемент 9.

Таблица 1 - Геометрические характеристики насадки РГН-5

Ширина ленты, мм 100

Основные геометрические размеры гофра (ЭхЬхИ), мм 6,5x9,42x4,48

2 3 Удельная поверхность, а, м /м 516,9

3 3 Удельный свободный объем, £, м /м 0,956

Эквивалентный диаметр, , м 0,0074

9/ /\

Ь

Рис. 1 - Основные геометрические размеры гофра насадки

В колонне организовано противоточное движение фаз. Воздух подается в нижнюю часть аппарата, проходит через распределитель, в результате чего достигается равномерный профиль скорости на входе в насадочный слой. В свою очередь, жидкость через распределитель подается на орошение насадки в верхнюю часть колонны. Колонна выполнена из оргстекла, что позволяет визуально оценивать границы гидродинамических режимов.

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки: 1 - колонна, 2 - слой насадки, 3 - вентилятор, 4 - ротаметр, 5 - диафрагма, 6 - дифманометр, 7 - распределитель жидкости, 8 - распределитель газа, 9 - отбойный элемент

Экспериментальное исследование сопротивления сухой насадки проводилось при скорости газа до 3 м/с, что соответствует Рег < 1500, где РеГ = — — критерий Рей-

нольдса для газа соГ = —— действительная скорость газа, м/с; — - фиктивная скорость

£

газа, м/с; є - удельный свободный объем насадки, м3/м3; ^Э = 4 Є - эквивалентный диа-

V

2

метр насадки, м; Уг - коэффициент кинематической вязкости, м /с.

Сопротивление слоя сухой насадки определяется по известному уравнению Дарси-Вейсбаха [2]

др = ц Н Рг —Г

=& — ——,

где АРсух - гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; £0 - коэффициент сопротивления сухой насадки; Н - высота слоя насадки, м; рг - плотность газа, кг/м3.

В выражении (1) коэффициент гидравлического сопротивления %0 является функ-

в

цией критерия Рейнольдса для газа вида <^0 = А • Рег , где А и В - эмпирические коэффициенты.

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов получены следующее выражение для определения гидравлического сопротивления сухой насадки РГН-5:

АР^ - 0,18-Кег

Погрешность аппроксимации экспериментальных данных по уравнению (2) составляет от 0,006 до 12 %. Среднее квадратичное отклонение 3,9 %.

Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой насадки определялось при измене-

4-^

нии скорость воздуха до 3 м/с и плотности орошения иL -

3

от 7,5 до 30 м3/м2-ч, где

г-О2

L - расход жидкости, м3/ч, О - внутренний диаметр колонны, м.

При работе колонны в пленочном режиме для определения гидравлического сопротивления орошаемой насадки часто используют выражение вида [2]

АР„-

где АРор - гидравлическое сопротивление орошаемой насадки, Па; а, Ь, С - эмпирические коэффициенты.

В результате обработки массива экспериментальных данных получено следующее выражение для определения гидравлического сопротивления орошаемой насадки РГН-5:

АРор -

Среднее квадратичное отклонение экспериментальных данных от расчета по уравнению (4) составляет 6 %.

На рис. 3 представлено сравнение экспериментальных данных с расчетом по уравнениям (2), (4) для сухой и орошаемой насадки, работающей в пленочном режиме, в виде зависимости удельного гидравлического сопротивления рулонной гофрированной насадки от фактора скорости и плотности орошения.

'ЗР/И,

Па/м

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

1 и (м3/м2-ч) О п

х - 0 П  ^ А 1л \

О - 7,5 Л _ 15 о //

[ -2 О ( /у о

О - 3 о р

«г***

0,5

1,5

2,5

3 3,5

Г, Па05

Рис. 3 - Удельное гидравлическое сопротивление насадки РГН-5 в зависимости от плотности орошения и фактора скорости: маркеры - эксперимент, линии - расчет по уравнениям

Условия, соответствующие переходу из пленочного режима в режим подвисания орошаемой насадки РГН-5, приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Условия возникновения режима подвисания для РГН-5

U, м3/м2-ч 10 15 20 25 30

F, Па0 5 3,1 2,9 2,74 2,63 2,57

Анализ представленного графика и табл. 2 показывает, что исследованная насадка в зависимости от плотности орошения переходит из пленочного режима в режим подвисания при факторе скорости от 2,5 до 3 Па ’ .

По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

- предложена конструкция регулярной гофрированной насадки, обладающая высокой удельной поверхностью;

- получены выражения для расчета гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки, работающей в пленочном режиме.

Литература

1. Лаптев, А.Г. Разделение гетерогенных систем в насадочных аппаратах / А.Г. Лаптев, М.И. Фа-рахов. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. - 342 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. - 9-е изд., испр. - М.: Химия, 1973. - 754 с.

© Д. А. Бурмистров - асп. каф. процессов и аппаратов химической технологии КГТУ; М. М. Фара-хов - асп. той же кафедры; М. И. Фарахов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; А. В. Клинов -д-р техн. наук, проф. той же кафедры. E-mail: info@ingehim.ru