НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.4 © А.Ф. Хайруллин, В.А.Кузнецов, 2014
Эффективность насадок
для массообменного устройства
A.Ф. Хайруллин
(ООО «БашНИПИнефть»),
B.А. Кузнецов
(Башкирский гос. университет)
Адрес для связи: almirmig@mail.ru
Ключевые слова: массообменная колонна, насадка, органическое стекло, гидравлическое сопротивление, эффективность, турбулизация.
The effectiveness of nozzles for mass exchange devices
A.F. Khairullin (BashNIPIneft LLC, RF, Ufa),
V. A. Kuznetsov (Bashkir State University, RF, Ufa)
E-mail: almirmig@mail.ru
Key words: mass transfer of a column, a nozzle, organic glass, hydraulic resistance, efficiency, turbulization.
The article presents the researches of mass-transfer processes in the column apparatus with different attachments and their results. Experiments flow of liquid and gas phases are carried out, their hydraulic resistances are set. The authors defined the lowest value of the hydraulic resistance among nozzles: from Raschig rings and corner of nozzles. After processing the results of calculation the equations are obtained which satisfactorily describe the dependence of the coefficient of resistance of the load on the gas phase (from the Reynolds number of the gas phase). Promising corner nozzles, which help to improve the efficiency of mass transfer, are developed.
Д н
щ-у
щих. Зн
ля модернизации конструкции насадок экстракционных колонн требуются проектирование .новых установок и реконструкция существующих. Значительный интерес представляют уголковые насадки. Авторами выполнены исследования гидродинамических характеристик уголковой насадки с отбойником и плавно изогнутой кромкой вниз, схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема уголковой насадки с отбойником:
1 - уголки без вершин; 2 - отбойная пластина с плавно изогнутой кромкой вниз; 3 - щелевые зазоры
Методики и объекты исследования
Исследования проводились на стендовой экспериментальной установке (рис. 2). Основной частью установки является прямоугольный корпус 1 размерами 200x50x300 мм, изготовленный из органического стекла, что позволяет визуально наблюдать за характером течения контактирующих фаз в насадочном слое. Внутри корпуса на опорную решетку установлены блоки ис-
следуемой уголковой насадки 2, изготовленные из пластмассы толщиной 1 мм. Полная высота насадочного слоя составляет 0,3 м. Подача жидкой фазы на насадку проводилась через распределитель орошения 3, расход жидкой фазы регулировался вентилем 8, соединенным с
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования гидродинамических характеристик уголковой насадки с плавно изогнутой кромкой вниз
насосом 14, и регистрировался по показаниям ротаметра типа РМФ 5 (ГОСТ 1345-81. Ротаметр типа РМФ. Общие технические характеристики.). Подача газовой фазы осуществлялась через нижний распределитель 4. Расход газовой фазы регулировался вентилем 9 и регистрировался по показаниям ротаметра типа РМФ 6 (ГОСТ 1345-81). Ротаметры были предварительно оттарированы по воде и газу. Вывод жидкой и газовой фаз из экспериментальной установки проводился по трубопроводным линиям соответственно 12 и 10, снабженным запорными вентилями соответственно 13 и 11 . Для измерения перепада давления Ар по концам насадочного слоя использовался дифференциальный манометр 7 (ГОСТ 2405-88. Манометр избыточного давления, вакуумметр и мановакууметр показывающий. Основные технические характеристики.).
Исследование гидравлических характеристик уголковой насадки выполнялось в условиях противоточного движения газовой и жидкой фаз с использованием стандартной модельной системы воздух - вода. Для изучения гидравлического сопротивления на экспериментальной установке (см. рис. 2) насадочный блок устанавливался в кожух колонны 1 с получением результирующего насадочного слоя 2 высотой !нас = 0,3 м. Была проведена тарировка ротаметров по жидкости (воде) и воздуху (газу). Для измерения перепада давления по концам насадочного слоя были установлены датчики давления - трубки Пито-Прандтля, которые позволяют фиксировать изменение динамического напора газового потока. Датчики давления соединялись с дифференциальным манометром (ГОСТ 2405-88), измеряющим перепад давления в слое насадки.
Обсуждение результатов исследования
Эксперименты по исследованию гидравлического сопротивления насадок проводились при фиксированных значениях объемных расходов газовой Gv и жидкой Lv фаз при удельной объемной плотности орошения насадки и = 15,2 м3/(м2-ч). Значения и брались из условий экспериментов и = Lv/Sкол ^кол - площадь на-садочного слоя колонны). Для сравнения эффективности работы уголковой насадки с отбойниками использовались уголковые (с щелью и без нее) регулярные насадки и насыпная насадка из колец Рашига размером 20x20 мм [1, 2]. Некоторые виды насадок приведены на рис. 3. Объемный расход газовой фазы составлял 7,6 м3/ч. Результаты экспериментального исследования гидравлического сопротивления насадок приведены на рис. 4.
Из рассмотренных насадок при равном расходе газовой фазы:
- минимальным сопротивлением обладает уголковая насадка с отбойником и плавно изогнутой кромкой вниз (см. рис. 4, кривая 5);
- максимальное сопротивлением создает насадка из колец Рашига размером 20x20 мм (см. рис. 4, кривая 3).
Более важным с практической точки зрения представляется сравнение гидравлического сопротивления насадок не при равном абсолютном значении расхода газовой фазы, а при равной относительной нагрузке по газовой
фазе = ^крит (^крит - критическое значение рас-
Рис. 3. Фотографии режима течения жидкой и газовой фаз через насадку с кольцами Рашига (а), уголковую с верхней щелью (б), уголковую с отбойником (в) и уголковую с отбойником и плавно изогнутой кромкой вниз (г)
Рис. 4. Зависимость гидравлического сопротивления ДрДнас от объемного расхода воздуха Gv при удельной плотности орошения и = 15,2 м3/(м2-ч) и 1У = 0,55 м3/ч:
насадка: 1 - уголковая; 2 - уголковая с верхней щелью; 3 -из колец Рашига; 4 - уголковая с отбойником; 5 - уголковая с отбойником и плавно изогнутой кромкой вниз
хода газовой фазы). Значение Gvкpит = 86,40 м3/ч для насадки из колец Рашига было рассчитано по уравнению
2 ^крит'а g• е3 / Рг.^ ' Мж = С1 -С2' §)1/4' ' Рг.'
\ Рж \ рж
1/8
, (1)
где ^крит - критическая скорость газового потока в щелевых зазорах уголковой насадки, соответствующая началу режима струйно-противоточного взаимодействия, м/с; а - геометрическая поверхность насадочных элементов в единице объема насадочного слоя; g - ускорение свободного падения; е - свободный объем насадки; рг, рж - плотность соответственно газовой и жидкой фазы, кг/м3; тж - динамическая вязкость жидкой фазы, мПа-с; С1, С2 - константы; L, G - массовый поток соответственно жидкой и газовой фазы, кг/ч.
Расчет проводился при С1 = 0,024, С2 = 1,71 [3] и удельных геометрических характеристиках для колец размером 20x20 мм: а = 200 м2/м3, удельной геометрической характеристике е = 0,74 м3/м3.
--
*к
у / ___—»
А / ♦.—-а-5 -V
1 -----
1 X
♦( шг а. КА *5
20
40
60
100
Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления ДрДнас от относительной нагрузки вотн при одинаковой удельной плотности орошения и = 15,2 м3/(м2-ч):
1-5 - то же, что на рис. 4
Зависимость гидравлического сопротивления Др/1нас исследованных уголковых насадок и насадки из колец Рашига от относительной нагрузки по газовой фазе приведена на рис. 5, из которого видно следующее.
1. В исследованном диапазоне изменения нагрузок по газовой фазе от 2 до 34 % критической нагрузки насадки из колец Рашига и от 10 до 75 % критической нагрузки уголковых насадок гидравлическое сопротивление насадки из колец Рашига (кривая 3) при одинаковом значении Сотн выше гидравлического сопротивления уголковых насадок (кривые 1, 2, 4, 5).
2. В диапазоне относительных нагрузок Сотн от 10 до 60 % критической нагрузки уголковых насадок гидравлическое сопротивление уголковой насадки (кривая 1) выше гидравлического сопротивления уголковой насадки с верхней щелью (кривая 2).
3. В диапазоне относительных нагрузок Сотн от 60 до 75 % критической нагрузки уголковых насадок гидравлическое сопротивление уголковой насадки (кривая 1) практически равно гидравлическому сопротивлению уголковой насадки с верхней щелью (кривая 2).
4. Вид зависимости гидравлического сопротивления уголковой насадки от нагрузки по газовой фазе, имеющей «плато» при Сотн = 25-70 %, характерен для решетчатых провальных тарелок [4]. Их гидравлическое сопротивление суммируется из сопротивления течению газовой фазы через прямоугольные щели и сопротивления при барботаже газовой фазы через слой жидкости, истекающей сквозь эти щели.
5. Характер зависимости Др/1нас от нагрузки по газовой фазе для уголковой насадки и уголковой насадки с верхней щелью можно объяснить демпфирующим действием верхнего щелевого отверстия:
- при невысоких относительных нагрузках по газовой фазе, когда гидродинамическое взаимодействие потоков контактирующих фаз в щелевых зазорах недостаточно интенсивно, рост гидравлического сопротивления уголковой насадки превышает данный показатель у уголковой насадки с верхней щелью за счет влияния на Др/1нас эффекта торможения газового потока в областях под уголковыми насадочными элементами, который практически отсутствует у уголковой насадки с верхней щелью, поскольку происходит проскок газовой фазы через верхние щелевые отверстия;
- в условиях существенного струйно-противоточного взаимодействия фаз в щелевых зазорах влияние на Др/1нас у уголковой насадки с верхней щелью за счет эффекта торможения газового потока в областях под уголковыми насадочными элементами начинает увеличиваться, течение газовых струй через верхние щелевые отверстия снижается и возрастает турбулизация газовой фазы в области под уголковыми насадочными элементами, что снижает разность значений Др/1нас для уголковых насадок;
- при наступлении развитого струйно-противоточ-ного взаимодействия фаз в щелевых зазорах степень турбулизации газовой фазы в областях под уголковыми насадочными элементами для у
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.