Влияние геометрических размеров струйно-пленочных контактных устройств на их удельную поверхность

УДК 532.51

О. С. Попкова, О. С. Дмитриева, Л. В. Круглов

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ СТРУЙНО-ПЛЕНОЧНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ НА ИХ УДЕЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

Ключевые слова: контактное устройство, тепломассообмен, газожидкостная система.

Рассмотрена конструкция струйно-пленочного контактного устройства для проведения процессов тепломассообмена в системе газ-жидкость. Исследовано влияние геометрической формы струйно-пленочного контактного устройства на удельную поверхность контакта фаз. Выявлено, что уровень жидкости в сливных стаканах и их ширина существенно влияют на удельную поверхность контакта фаз. Причем удельная поверхность может меняться более чем в два раза.

Keywords: contact device, heat and mass transfer, gas-liquid system.

The design of a jet--film contact device for carrying out heat and mass exchange processes in a gas-liquid system is considered. The influence of the geometric shape of the jet-film contact device on the specific contact surface ofphases is investigated. It was found that the level of liquid in the downcomers and their width significantly affect the specific contact surface of the phases. And the specific surface can vary more than twice.

В химической, нефтехимической и других отраслях промышленности для реализации массо- и теп-лообменных процессов требуются большие материальные и энергетические затраты. Для осуществления таких процессов применяются разные тепломас-сообменные аппараты с контактными устройствами, конструкция которых определяет энергоэффективность протекания процессов [1, 2]. Существенным фактором, определяющим характер взаимодействия фаз в аппарате, являются размеры и тип контактных устройств. Следовательно, необходимо количественно оценивать интенсивность гидродинамических режимов работы. В качестве одного из возможных критериев оценки эффективности процесса рассмотрена зависимость перепада давления от геометрических размеров контактных устройств [3-5]. В этой связи актуален анализ влияния геометрических размеров и параметров потоков на интенсивность осуществляемых в аппарате процессов.

Для оценки влияния формы и конструкции рассмотрим струйно-пленочное контактное устройство [6], состоящее из множества расположенных горизонтально, в шахматном порядке сливных стаканов для удерживания жидкости (рис. 1).

Рис. 1 - Вид струйно-пленочного контактного устройства: 1 - сливной стакан, 2 - перегородки, 3 - отверстия

Каждый стакан представляет собой ячейку с вер-

тикальными стенками. В каждом ряду стаканы соединены между собой с помощью перегородок. Для слива жидкости в расположенный ниже стакан в днище выполнены отверстия. Контактное устройство обладают низким гидравлическим сопротивлением, по причине постоянства сечения для прохода газа (пара) и жидкости. Жидкость стекает в виде пленки по перегородкам и пронизывает слой жидкости в стакане, что сопровождается образованием брызг.

Целью исследования является определение удельной площади контакта газа (пара) и жидкости и оптимального уровня жидкости в стаканах струй-но-пленочного контактного устройства.

Рассмотрим два варианта заполнения сливного стакана жидкостью: в первом - уровень жидкости примем равным, ^ = Ь/2, где Ь - ширина сливного стакана, м. Тогда высота одной ступени = 3Ь/2.

Во втором варианте уровень жидкости в сливном стакане - ^ = Ь/4, а высота одной ступени определяется как = Ь.

Принимая, что местное сопротивление равно падению давления, используем уравнение гидростатики Ар = pLgh, где Ар - гидравлическое сопротивление, Па, pL - плотность жидкости, кг/м , д - ускорение свободного падения, м/с2, ^ - высота жидкости в сливном стакане, м.

На рисунке 2 представлена зависимость гидравлического сопротивления струйно-пленочного контактного устройства от ширины сливного стакана для двух вариантов заполнения сливного стакана жидкостью, что характеризует затраты энергии на проведение процесса при разных формах контактного устройства. В результате расчетов можно сделать вывод, что сопротивление увеличивается пропорционально росту высоты уровня жидкости и, следовательно, высоте стакана.

Понижение гидравлического сопротивления достигается увеличением размеров отверстий для слива жидкости на нижележащую ступень (рис. 2).

Рассчитаем площадь контакта газа (пара) и жид-1 з

кости в виде пленки на 1 м при высоте уровня жидкости Площадь стекающей пленки жидкости на один сливной стакан равна = 4Ь(^С - м2

500 -

400 -

зоо -

200 -

100 -

Ap, Па

1

2

b, m

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

Рис. 2 - Зависимость гидравлического сопротивления струйно-пленочного контактного устройства от ширины сливного стакана при уровне жидкости в нем ^ м: 1 - Ь/2; 2 - Ь/4

Площадь свободной поверхности жидкости определяется как FL = Ь2, м2.

Тогда суммарная площадь на один сливной ста кан составит F = 4Ь(ЛС - Л) + Ь

2 2

Объем одной ячейки с тактного устройства - V = b2hc, м3.

труйно-пленочного кон-

Получаем, что площадь контакта газа (пара) и 1 з

жидкости в виде пленки на 1 м :

F - 4 _ 4hhL 1

yg - b _ Ш + "

hc

23

где Fyg - удельная поверхность, м /м .

Таким образом, удельная площадь контакта определяется уровнем жидкости в сливном стакане и его шириной.

140

120

100 -

60 -

40

20 -

Fyg, M2/M3

N. 1

b, m

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

Рис. 3 - Зависимость удельной поверхности от ширины сливного стакана при уровне жидкости в нем ^ м: 1 - 0; 2 - Ь/2; ^ = 3Ь/2

Для описанных выше вариантов заполнения сливного стакана жидкостью определим выражения для удельной площади контакта. Для первого варианта имеем р = А | 7 _ 4Л |.

3Ь ^ Ь

При минимальной высоте жидкости Л ~ 0 удель-

14

ная поверхность составит руд = —, а при максималь-

~ и г- 10

ной Л = Ь/2 - Руд = —.

уд 3Ь

Зависимость удельной поверхности от ширины сливного стакана и разном уровне жидкости в нем представлена на рис. 3 и 4.

Для второго варианта выражение (1) преобразит-

1 (с 4Л^

ся к виду Руд = Ь ^ 5 ^^ -

При минимальном уровне жидкости Л ~ 0 удель-

Р 5

ная поверхность составит р = —, а при макси-

уд Ь

мальной h = b/4 - F„g - —.

yg b

140

120 100 80 60 40 20 0

Fyg, М2/М3

1

b, m

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

Рис. 4 - Зависимость удельной поверхности от ширины сливного стакана при уровне жидкости в нем h, м: 1 - 0; 2 - Ь/4; hc = b

Таким образом, получаем, что при повышении уровня жидкости от минимального до максимального значения удельная поверхность уменьшается в первом варианте на 7,1%, а во втором - на 20%. Придание контактному устройству определенных геометрических размеров способно обеспечить высокую поверхность контакта взаимодействующих фаз и их турбули-зацию, а, следовательно, интенсифицировать процессы в тепломассообменных аппаратах.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-60081мол_а_дк.

Литература

1. А.А. Городилов, А.С. Пушнов, М.Г. Беренгартен, Энергосбережение и водоподготовка, 3 (89), 45-51 (2014).

2. Г.Х. Гумерова, А.В. Дмитриев, И.Н. Мадышев, Вестник технол. ун-та, 18, 10, 105-107 (2015).

3. G.H. William, К. Sаtуаnarауаnа, AICHE Journal, 19, 4, 775-783 (1973).

4. В.Ф. Беккер, Научно-технический вестник Поволжья, 6, 100-102 (2011).

5. Н.Н. Кулов, В.П. Воротилин, В.А. Малюсов, Теоретические основы химической технологии, 7, 5, 717-726 (1973).

6. О.С. Дмитриева, С.А. Соловьев, А.В. Дмитриев, Вестник технол. ун-та, 19, 4, 60-62 (2016).

© О. С. Попкова - доцент кафедры ТОТ КГЭУ, oksiniy@mail.ru, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ (филиала) КНИТУ, ja_deva@mail.ru, Л. В. Круглов - старший преподаватель ТОТ КГЭУ, 1юпеП183@таП.ги.

© O. S. Popkova - assistant professor of TBH, KSPEU, oksiniy@mail.ru, O. S. Dmitrieva - assistant professor of PAChT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru, L. V. Kruglov - senior lecturer of TBH, KSPEU, lionel1183@mail.ru.