Влияние конструктивных особенностей струйно-барботажных контактных элементов на удельную нагрузку

УДК 66.021.3/4

Г. Х. Гумерова, А. В. Дмитриев, И. Н. Мадышев

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУЙНО-БАРБОТАЖНЫХ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА УДЕЛЬНУЮ НАГРУЗКУ

Ключевые слова: барботаж, нагрузка, контактное устройство, отверстия, капли.

Разработано струйно-барботажное контактное устройство для организации оптимального взаимодействия газа и жидкости. В статье представлены исследования по влиянию конструктивных особенностей контактных элементов на удельную нагрузку.

Keywords: bubbling, load, the contact device, holes, drops.

Developed jet-bubble contact device for organizing optimal interaction of gas and liquid. The article presents the influence of the design features of contact elements on the specific load are represented.

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 и очистки жидких, газовых и паровых смесей важное место занимают процессы абсорбции и ректификации [1]. При этом эффективность осуществления массообменных процессов определяется в основном совершенством используемого контактного устройства. В настоящее время наибольшее распространение получили аппараты с насадочными и тарельчатыми контактными устройствами [2].

Поиски путей интенсификации массообмена в газожидкостных системах привели к разработке принципиально новых аппаратов со струйно-барботажными контактными устройствами, регулярными насадками повышенной пропускной способности и т.д. Как показывает анализ наиболее перспективных конструкций контактных устройств, созданных в последние годы, каждое новое конструктивное решение дает незначительный выигрыш в эффективности. Конструкции, в основном, становятся все сложнее [3].

Вариант конструкции струйно-барботажного контактного устройства для массообменных аппаратов предлагается авторами работы [4]. Контактное устройство состоит из сливных стаканов 1, расположенных в шахматном порядке. Стаканы в каждом ряду соединены между собой с помощью стержня 2, при этом стаканы открыты с верхнего своего конца, а нижний конец снабжен некоторым множеством сливных отверстий 3 для жидкости (рис. 1). Предлагаемое струйно-барботажное контактное устройство работает следующим образом. Жидкость через множество отверстий 3 диспергируется в виде струй на расположенный ниже сливной стакан. При этом на указанных сливных стаканах поддерживается уровень жидкости за счет вертикальных стенок сливных стаканов. При движении струй жидкости происходит их распад с образованием множества капель. Капли, соударяясь о поверхность жидкости, находящейся внутри сливных стаканов 1, создают развитую постоянно обновляющуюся поверхность

контакта фаз, которая определяется наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями из жидкости. Кроме того, восходящий поток газа контактирует с падающими струями или каплями жидкости, при этом образуется вторая зона контакта газа и жидкости.

Достоинством струйно-барботажного

контактного устройства является высокая интенсивность и эффективность взаимодействия между газом и жидкостью. Кроме того, предлагаемое контактное устройство обладает низким гидравлическим сопротивлением, так как обеспечивается равнопроточность прохода газа, и поток газа проходит через слой жидкости, находящейся на сливных стаканах за счет энергии стекающей жидкости.

Рис. 1 - Струйно-барботажное контактное устройство для тепломассообменных процессов (вид спереди с косым срезом): 1 - сливной стакан, 2 - стержень, 3 - отверстия

Важным этапом проектирования аппаратов со струйно-барботажными контактными

устройствами является определение оптимального количества отверстий на контактных элементах. Их выбор производится путем подбора конструктивных параметров контактного элемента и диаметра аппарата таким образом, чтобы удельная нагрузка Lm/Gm была пропорциональна.

Соотношение массовых расходов жидкой и газовой фаз в аппаратах со струйно-барботажными контактными устройствами:

Lm

nd2n

-non pL

Wcpb2n Pg

где иср - среднерасходная скорость истечения жидкости из сливных отверстий, м/с; Wср -среднерасходная скорость потока газа, м/с; Ь - ширина контактного элемента, м; п0 - количество отверстий в одном контактном элементе; d0 - диаметр отверстий, м; Pi - плотность жидкости, кг/м3; ро - плотность газа, кг/м3.

Из выражения (1), количество отверстий на одном контактном элементе в абсорберах определится:

n0 =

L^WL ib! EGL

Gm Ucp nd0 PL

Среднерасходную скорость истечения

жидкости можно определить по известному уравнению:

иср =

где ф - коэффициент скорости истечения; Л2 - уровень жидкости в сливном стакане, м; д - ускорение свободного падения, м/с2.

Среднерасходную скорость потока газа, с учетом свободного сечения в 50%, можно определить:

№ =

ср ,-.2 ' у '

Ро пй

где От - массовый расход газа, кг/с; й - диаметр аппарата, м.

С учетом (3) и (4), выражение (2) запишется:

32Lm

b

у

0 ^72дя71п^о у

где 1-т - массовый расход жидкости, кг/с.

В большинстве случаев при истечении через отверстие в стенке небольшой толщины ф ~ 1, и если принять, что Л2 = Ь/4, то выражение (5) можно записать в виде:

( Ь

45,255Lm

Pl-

nüd,

о /

80 и 70 - n0

60 - Х2

50 - -А- 3

40 - -О-4

30 -

20 -

10 -

0 - -1—

0 2 4 6 8

Рис. 2 - Зависимость оптимального количества отверстий на одном контактном элементе от отношения массовых расходов воды и воздуха при й = 1 м; ^ = 0,005 м; Ь, м: 1 - 0,04; 2 - 0,06; 3 - 0,08; 4 - 0,1

Расчеты проводились для системы воздух-вода при температуре 20°С, при различных геометрических параметрах контактного устройства и

аппарата. Результаты расчетов показали, что на оптимальное количество отверстий на одном контактном элементе оказывают влияние величина удельных нагрузок Lm/Gm, физические свойства жидкости, диаметр аппарата, а также особенности конструктивного исполнения предлагаемого контактного устройства [5-9].

Уменьшение ширины контактного элемента при сохранении диаметров аппарата и отверстий приводит к уменьшению оптимального количества отверстий вследствие уменьшения площади поперечного сечения контактного элемента (рис. 2). Как видно из графика, представленного на рис. 3, увеличение диаметра аппарата приводит к уменьшению оптимального количества отверстий на одном контактном элементе. Так, например, увеличение диаметра аппарата с 1,0 м до 1,6 м приведет к необходимости уменьшения количества отверстий в 2,56 раза при удельной нагрузке Lm/Gm = 5.

105 90 -

75 -60 -

45 -

30"

0 2 4 6 Lm /Gm

Рис. 3 - Зависимость оптимального количества отверстий на одном контактном элементе от отношения массовых расходов воды и воздуха при b = 0,06 м; d0 = 0,005 м; D, м: 1 - 0,6; 2 - 1; 3 -1,6; 4 - 2,4

Уменьшение диаметра отверстий при сохранении величины отношения Lm/Gm приводит к увеличению оптимального количества отверстий на одном контактном элементе (рис. 4).

60 50 -40 -30 -20 -10 -0

8

Рис. 4 - Зависимость оптимального количества отверстий на одном контактном элементе от отношения массовых расходов воды и воздуха при й = 1 м; Ь = 0,06 м; м: 1 - 0,004; 2 - 0,005; 3 - 0,006

П0 =

При увеличении удельной нагрузки Lm/Gm по колонне оптимальное количество отверстий на одном контактном элементе пропорционально увеличивается, при любых значениях прочих конструктивных параметров (рис. 2-4).

При проектировании аппаратов со струйно-барботажными контактными устройствами необходимо правильно подбирать диаметр аппарата и конструктивные параметры контактных элементов с целью оптимизации работы предлагаемых контактных устройств при различных удельных нагрузках Lm/Gm.

Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать, что использование предлагаемых струйно-барботажных контактных устройств позволит создавать высокоэффективные контактные массообменные аппараты при невысоких энергетических затратах на проведение процесса.

Литература

1. Д.А. Бурмистров, М.М. Фарахов, М.И. Фарахов, А.В. Клинов, Вестник Казанского технологического университета, 7, 310-314 (2010).

2. А.С. Пушнов, А.С. Соколов, М.М. Бутрин, Известия Московского государственного технического университетаМАМИ, 4, 1 (15), 237-242 (2013).

3. Г.Х. Гумерова, О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 3, 35-37 (2011).

4. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, Г.С. Сагдеева, А.Н. Николаев, Заявка на полезную модель № 2015119123, заявл. 30.04.2015.

5. О.А. Коньков, О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, Экология и промышленность России, 7, 14-16 (2011).

6. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, А.Н. Николаев, Экология и промышленность России, 9, 12-13 (2012).

7. А.В. Дмитриев, О.С. Макушева, И.Р. Калимуллин, А.Н. Николаев, Экология и промышленность России, 1, 4-7 (2012).

8. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, А.Н. Николаев, Промышленная энергетика, 10, 31-34 (2012).

9. И.Н. Мадышев, А.Н. Николаев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Промышленная энергетика, 11, 17-20 (2014).

© Г. Х. Гумерова - доцент кафедры ОПП КНИТУ, ggx70@yandex.ru; И. Н. Мадышев - аспирант кафедры МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, ieremiada@gmail.com; А. В. Дмитриев - зав. кафедрой МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, ieremiada@gmail.com.

© G. H. Gumerova - the associate professor of food production equipment, KNRTU, ggx70@yandex.ru; I. N. Madyshev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU, ieremiada@gmail.com; A V. Dmitriev - the head of MAHP chair, NCHTI KNRTU, ieremiada@gmail.com.