Особенности обработки газожидкостных систем на трубчатых решетках со стабилизатором пены

Особенности обработки газожидкостных систем на трубчатых решетках со стабилизатором пены

Автор:

В.Ф. Моисеев,

Высота слоя пены

Одним из основных показателей гидродинамических режимов работы пенного аппарата служит высота пены. Высота пены позволяет судить о развитии поверхности контакта фаз, о гидродинамических и конструктивных параметрах аппарата. Следует отметить, что зависимости получены ранее исследователями при скорости газа в пенном сечении аппарата не более 2 м/с. В изученных нами пределах м/с для трубчатых решеток без стабилизатора получена формула

.(6)

Расчеты, выполненные по известным зависимостям и (6), при скоростях газа в полном сечении аппарата до 2 м/с примерно совпадают. Однако при м/с расчеты, выполненные по известным зависимостям, превышают опытные значения на 80-100%, в то время как величины, рассчитанные по (6), отличаются от опытных на 9,5%.

Исследования, проведенные нами на трубчатых решетках со стабилизатором пены, показали, что так же, как и на решетках без стабилизатора, при увеличении скорости газа в полном сечении аппарата высота слоя пены неуклонно возрастает (рис. 3). При этом на решетках со стабилизатором выше, чем на решетках без стабилизатора (рис. 3, 4) при одних и тех же значениях. На решетках со стабилизатором более четко, чем без стабилизатора, выражена граница пенного слоя, что позволяет точнее определить высоту слоя пены.

На решетках без стабилизатора пенный слой обычно не имеет четко выраженной границы, и амплитуда колебаний пенного слоя может превышать даже средние значения высоты слоя. Вероятно, этим объясняется чрезвычайно большой разброс значений высоты пены (по данным различных авторов). По визуальным наблюдениям на решетках со стабилизатором пена плотнее и однороднее, чем на решетках без стабилизатора, в ней отсутствуют газовые пустоты, практически нет раскачки газожидкостного слоя во всем исследованном диапазоне скоростей.

Зависимость высоты слоя пены от другого гидродинамического фактора показана на рис. 4, из которого видно, что кривые, выражающие зависимость на решетках со стабилизатором, имеют меньший угол наклона, чем аналогичные кривые для решеток без стабилизатора. Также отмечено, что при малых плотностях орошения порядка 1-5 м³/м²ч высота слоя пены на решетках со стабилизатором в 1,5-2 раза превышает высоту слоя пены на решетках без стабилизатора. По мере увеличения плотности орошения различия в высоте слоя пены для решеток со стабилизатором и без него становятся незначительными, достигая при м³/м²ч лишь 10%. Таким образом, применение стабилизатора наиболее эффективно в области малых значений плотности орошения, то есть в области малой устойчивости работы трубчатых решеток.

Для трубчатых решеток со стабилизатором нами получена зависимость высоты пенного слоя от основных факторов:

,(7)

Погрешность расчетов по (7) не превышает 7,3%. Сравнивая зависимости (6) и (7), можно видеть, что высота слоя пены на трубчатых решетках со стабилизатором в большей степени зависит от свободного сечения решеток, чем на решетках без стабилизатора, и в несколько меньшей степени - от плотности орошения. Увеличение высоты слоя пены на решетках со стабилизатором и ее более интенсивная турбулизация создают предпосылки для более эффективного улавливания плохо растворимых газовых компонентов в химической технологии.

Высота исходного слоя жидкости является одним из самых существенных факторов, влияющих на процессы тепломассопередачи и пылеулавливания в пенных аппаратах. От высоты исходного слоя жидкости в значительной мере зависят гидравлическое сопротивление решеток со слоем пыли, время пребывания жидкости на решетке, высота слоя пены.

При изучении работы пенных и барботажных аппаратов различных конструкций уделяли большое внимание определению параметров, от которых зависит разрабатывали способы и устройства для создания и поддержания определенной высоты исходного слоя жидкости. Тем не менее, определению высоты исходного слоя жидкости на противоточных решетках уделялось значительно меньше внимания, чем на остальных типах решеток. Имеющиеся в литературе данные позволяют установить факторы, влияющие на высоту исходного слоя жидкости на противоточных решетках. Для условий работы противоточных дырчатых решеток получена зависимость

.(8)

Для трубчатых решеток со стабилизатором пены можно записать

.(9)

Рассмотрим влияние параметров зависимости (9) на.

Как показали опыты, высота исходного слоя жидкости неуклонно возрастает при увеличении скорости газа в полном сечении аппарата от 1,8 до 4,5 м/с (рис. 5). Из сравнения значений точек на кривых 2 и 3 можно видеть влияние стабилизатора на высоту исходного слоя жидкости. Так, при одной и той же скорости газа значения на решетке м²/м² со стабилизатором (кривая 2) более чем в 2 раза превышают значения на решетке без стабилизатора пены (кривая 4).

Рисунок 5 - Зависимость высоты исходного слоя жидкости от скорости газа в полном сечении аппарата: L₀ = 5 м³/м²ч; d_тр: 1 - 0,03; 2,3,4 - 0,027; 5 - 0,02 м; S₀: 0,142; 2,4 - 0,169; 3 - 0,20; 5 - 0,233 м²/м²;

Влияние свободного сечения решетки на высоту исходного слоя жидкости на трубчатых решетках весьма существенно (рис. 6). Из рисунка 6 видно, что увеличение свободного сечения трубчатой решетки со стабилизатором в 1,5 раза приводит к снижению высоты исходного слоя жидкости на решетке примерно в 2 раза (кривые 1, 2, 3). Вместе с тем кривая 4, выражающая зависимость высоты исходного слоя жидкости от свободного сечения решетки без стабилизатора, имеет несколько меньший угол наклона. Кривая 4 проходит значительно ниже, чем кривая 2, то есть при данных одних и тех же значениях скорости газа в полном сечении аппарата и плотности орошения во всем исследованном диапазоне свободных сечений решеток высота исходного слоя жидкости на трубчатых решетках со стабилизатором выше, чем на решетках без стабилизатора. Таким образом, для создания единицы на решетках со стабилизатором непроизводительные затраты на преодоление сопротивления сухой решетки ниже, чем без стабилизатора.

Определенное влияние на высоту исходного слоя жидкости оказывает и плотность орошения. Из этого рис. 7 можно видеть, что исходный слой жидкости при использовании стабилизатора выше, чем без стабилизатора. Особенно заметен эффект от применения стабилизатора при относительно малых плотностях орошения (до 5-8 м³/м²ч), где высота исходного слоя жидкости на решетках со стабилизатором в 1,5-2 раза выше, чем без него. Зависимость высоты исходного слоя жидкости от плотности на трубчатых решетках со стабилизатором с учетом всех факторов

.(10)

Отклонение величин, полученных по уравнению (10), отличается от опытных значений не более чем на 6,7%. Для трубчатых решеток без стабилизатора нами получена следующая формула:

.(11)

Как видно из формул (10) и (11), на высоту исходного слоя жидкости на решетках со стабилизатором скорость газа в полном сечении аппарата и плотность орошения оказывают меньшее влияние, чем на трубчатых решетках без стабилизатора. Между тем величина исходного слоя жидкости на решетках со стабилизатором значительно больше, чем на решетках без стабилизатора. Увеличение, как и Н на трубчатых решетках со стабилизатором, по сравнению с решетками без стабилизатора позволяет использовать трубчатые решетки для очистки газов и получения растворов в технологии минеральных солей.

Гидравлическое сопротивление трубчатых решеток

На гидродинамику орошаемых решеток основное влияние оказывают скорость газа в полном сечении аппарата, плотность орошения и свободное сечение решеток. Изучение нами высоты слоя пены и высоты исходного слоя жидкости на трубных решетках со стабилизатором пены подтвердило влияние на. Учитывая полученные нами зависимости для, а также данные других авторов по расчетам общего гидравлического сопротивления орошаемых решеток Р, можно записать для системы воздух - вода:

.(12)

Поскольку значения в случае применения стабилизатора превышают без него, вполне закономерно было бы ожидать, что и орошаемых трубчатых решеток со стабилизатором окажется выше гидравлического сопротивления орошаемых решеток без стабилизатора.

Гидравлическое сопротивление решеток со слоем пены, большинство исследователей разделяют на составляющие:

,(13)

где- гидравлическое сопротивление сухой решетки, Па;- гидравлическое сопротивление, возникающее за счет сил поверхностного натяжения при выходе газа из щелей, Па;- гидравлическое сопротивление пенного слоя, Па.

Гидравлическое сопротивление сухих трубчатых решеток является суммой потерь на сжатие струи при входе в отверстия, потерь на трение в отверстиях, потерь на расширение струи при выходе из отверстия. Гидравлическое сопротивление трубчатых решеток может быть выражено зависимостью

.(14)

Из (14) следует, что на может оказывать влияние, поскольку при постоянном свободном сечении решетки ширина щели будет зависеть от диаметра трубок, а в результате изменения щели будет изменяться. Сопротивление сухой решетки обычно выражают формулой

(15)

где - плотность газа, кг/м³;- коэффициент местного сопротивления, отнесенный к скорости газа в щелях решетки.

В общем случае коэффициент местного сопротивления зависит от критерия Рейнольдса и величины свободного сечения решеток. Вид зависимости меняется от характера движения газа. При ламинарном режиме, когда,

,(16)

где - постоянная.

При турбулентном режиме, когда,

.(17)

И при режиме развитой турбулентности, являющимся автомодельным, когда

.

Показано, что автомодельный режим в пенных аппаратах наступает уже при, то есть практически с самого начала пенного режима. Можно сделать вывод, что при пенном режиме не зависит от ширины щели при неизменном и скорости газа в щелях решетки. Изучение влияния свободного сечения решетки на коэффициент местного сопротивления приводит к зависимости, выражаемой формулой

.(18)

Отклонение значений, рассчитанных по (18), от опытных составляют 3,9%.

В промышленных пенных аппаратах определение свободного сечения трубчатых решеток и их коэффициентов местных сопротивлений представляет известные трудности. Определение свободного сечения трубчатых решеток лабораторных пенных аппаратов также затруднительно, так как ширина щели в таких решетках равна 1,0- 2,5 мм, и ошибки замеров порядка 0,1-0,2 мм могут привести к серьезным погрешностям в определении и. Для определения свободного сечения трубчатых решеток по известному нами были найдены коэффициенты местных сопротивлений, отнесенные к скорости газа в полном сечении аппарата из выражения.

(19)

Свободное сечение решеток при этом определяли методом просвечивания решеток параллельным пучком света, позволяющим измерять более точно, чем с помощью механических замеров. Характер зависимости описывается уравнением

.(20)

Отклонения значений, рассчитанных по уравнению (20), составляют 4,1% от опытных. Пользуясь уравнением (26), можно по замеренному и вычисленному по (19) найти свободное сечение трубчатой решетки без непосредственного замера ширины щелей. Установка стабилизатора пены на решетку практически не изменяет гидравлическое сопротивление сухой решетки, поскольку свободное сечение стабилизатора составляет 0,95-0,98 м²/м².

Гидравлическое сопротивление, возникающее за счет слоя сил поверхностного натяжения

Потери давления на преодоление сил поверхностного натяжения жидкости возникают при выходе газа из отверстий и входе газа в слой жидкости на решетке. Для трубчатых решеток в знаменателе формулы вместо должно стоять, а сама формула для потерь давления примет вид

,(21)

где - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;- ширина щели между колосниками, м.

Рассчитанные по известной формуле значения для системы воздух-вода ложатся в координатах на прямые, которые описываются уравнением

.(22)

Для других систем уравнение примет вид

.(23)

Гидравлическое сопротивление пенного слоя

Из трех составляющих (13) общего гидравлического сопротивления орошаемой решетки, две первых считают непроизводительными затратами напора. На создание собственно слоя пены затрачивается потеря напора. При расчете по известным зависимостям не всегда известна величина исходного слоя жидкости, в результате чего расчет представляет определенные трудности. Расчет противоточных решеток можно вести по формуле

, (24)

где- коэффициент гидравлического сопротивления при прохождении газами слоя пены;- доля щелей решетки, занятая газом.

Известна формула для расчета решетки из прутков диаметром 3-5 мм:

.(25)

Величину можно также найти из (13), если известны:

.(26)

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой трубчатой решетки для системы воздух-вода можно определить по формуле

.(27)

Гидравлическое сопротивление сухой решетки при наличии орошения определяют с учетом доли сечения, занятой газом:

,(28)

,(29)

где L - расход жидкости в аппарате, кг/ч; G - расход газа через аппарат, кг/ч;- отношение среднего статистического давления газожидкостного слоя в зоне стекания жидкости через отверстия. Для системы воздух-вода авторы ряда работ рекомендуют; для пенящихся жидкостей рекомендуют

,(30)

где - коэффициент истечения жидкостей. Для колосниковых решеток многие авторы принимают, то есть как «коэффициент расхода через отверстие в тонкой стенке». Однако, как справедливо отмечается всеми авторами, изучившими трубчатые решетки, форма отверстий трубчатых решеток отличается от формы отверстий колосниковых решеток. Поэтому для трубчатых решеток следует принимать - «коэффициент расхода через короткий цилиндрический патрубок с хорошо закругленными краями». Учитывая, что

(31)

,(32)

и принимая после математических преобразований получим для системы воздух- вода

.(33)

Для других систем, принимая, получим

,(34)

комбинируя зависимости (27), (28), (33), для системы воздух-вода можем записать

(35)

Из (35) видно, что

.(36)

Обработка опытных данных позволила нам получить следующую зависимость:

.(37)

Погрешность расчетов по (37) составляет сравнительно с формулой (35).

Сравнивая (10) и (37), нетрудно заметить, что

.(38)

Поскольку 9,81 есть величина ускорения свободного падения тел м/с², а 1000 - величина плотности воды кг/м³ для системы воздух-вода, можно записать

.(39)

Таким образом, для трубчатых решеток подтверждается полученная ранее другими авторами зависимость. Для определения на решетках без стабилизатора нами получена формула

.(40)

Из сравнений (27) и (40) видно, что на общее гидравлическое сопротивление трубчатых решеток со стабилизатором и оказывают большее, а - меньшее влияние, чем без стабилизатора пены. Очевидно, это зависит от создаваемого на решетке без стабилизатора исходного слоя жидкости, на величину которого влияет в большей степени, чем на решетках со стабилизатором. Замеченную ранее возможность работы в волновом режиме решеток без стабилизатора при повышенных плотностях орошения можно объяснить стабилизирующим действием высокого исходного слоя жидкости на решетке. Об этом говорят изображенные гидродинамические показатели трубчатых решеток со стабилизатором и без него при плотностях орошения более 20 м³/м²ч. По результатам исследований построены номограммы для расчета пенных аппаратов с трубчатыми решетками со стабилизатором пены.

Связь гидродинамических параметров

Зависимости высоты слоя пены на трубчатых решетках от скорости газа в полном сечении аппарата, полученные нами при постоянных значениях, показаны на рис. 8. Видно, что при одинаковых значениях высоты исходного слоя жидкости высота слоя на трубчатых решетках со стабилизатором и без него практически одинакова. Одинаковый же исходный слой жидкости на решетке без стабилизатора можно получить при меньшем свободном сечении решетки по сравнению с решеткой со стабилизатором. В этом случае гидравлическое сопротивление сухой решетки, то есть непроизвольные затраты энергии будут выше, чем при использовании решетки со стабилизатором. Кроме того, большее свободное сечение решетки со стабилизатором при том же самом диаметре труб, что и без стабилизатора, позволит иметь большую ширину щелей в решетке, и, как следствие, повысит надежность работы технологических линий, обрабатывающих газы, содержащие пыль, склонную к слипанию, и растворы, содержащие кристаллизующиеся соли. Зависимости для решеток со стабилизатором (рис. 8) аппроксимируются выражением

.(41)

Для решеток без стабилизатора

.(42)

Из формул (41) и (42) видно, что влияние плотности орошения на высоту слоя пены при определенной высоте исходного слоя жидкости на трубчатых решетках со стабилизатором существенно меньше, чем на решетках без стабилизатора. Выявлено влияние на высоту пены плотности орошения, в особенности на решетках без стабилизатора.

Гидравлическое сопротивление трубчатых решеток со стабилизатором на 20-30 % ниже гидравлического сопротивления трубчатых решеток без стабилизатора при одинаковых значениях высоты исходного слоя жидкости (рис. 9). Это можно объяснить большими затратами энергии на преодоление газом сухой решетки меньшего сечения без стабилизатора. Таким образом, применение стабилизатора пены позволит не только повысить надежность технологических линий, в составе которых имеются пенные аппараты с трубчатыми решетками, но и снизить затраты энергии на проведение тепломассообменных процессов. Кроме того, появляется возможность, затратив одно и тоже количество энергии, уменьшить число ступеней в одном аппарате при той же суммарной высоте пены, что и без стабилизатора.

Газосодержание пенного слоя является важной величиной, характеризующей динамичный двухфазный слой:

.(43)

Для выяснения влияния на подставим в (43) значения и из зависимостей (6) и (10). После математических преобразований получим для решеток без стабилизатора и со стабилизатором соответственно:

,(44)

.(45)

Зависимость и от приведена на рис. 10. Из формулы (45) видно, что для решеток со стабилизатором, как и без него, характерно увеличение с ростом. Без стабилизатора рост при увеличении объясняется повышением содержания крупных газовых включений. Стабилизатор пены исключает появление волнового режима и прорыв газовых струй. Газ равномерно распределен по всей площади решетки, и увеличение газосодержания происходит за счет роста общего числа пузырьков газа в слое пены. За счет роста общего числа пузырьков должна увеличиваться и поверхность контакта фаз, что должно привести к повышению эффективности улавливания плохо растворимых газов.

Влияние плотности орошения на при наличии стабилизатора видно из зависимостей (44), (45) и рис. 11. Видно, что при 12 м³/м²ч и примерно одинаковы, затем по мере дальнейшего увеличения становится меньше. Видимо, увеличение запаса жидкости на решетках без стабилизатора приводит при волновом режиме к ухудшению перемешивания в слое пены и прохождению основной массы газа в местах наименьшего сопротивления пенного слоя. Газосодержание пенного слоя на решетках со стабилизатором, начиная с м³/м²ч, остается почти одинаковым при равенстве прочих гидродинамических факторов. Математическая обработка данных по на трубчатых решетках без стабилизатора при м/с привела к зависимости:

.(46)

На решетках со стабилизатором

.(47)

Данные, полученные расчетом по (46) и (47), отличаются от данных, рассчитанных по (44) и (45), не более чем на

Брызгоунос на трубчатых решетках со стабилизатором пены

Унос жидкости с полок пенных аппаратов обычно разделяют на две составляющие. Первая - небольшая (15%) часть уноса - аэрозольный унос с диаметром капель менее 10 мкм. Скорость витания этих капель ниже скорости газа в сепарационном пространстве и не зависит от его высоты. Вторая составляющая уноса - крупные капли, которые поднимаются над решеткой на различную высоту в зависимости от и размера капель. Тонкодисперсный унос обнаруживается при всех гидродинамических режимах, грубодисперсный - начиная с 1,3м/с. Резкое увеличение уноса жидкости с решеток при м/с, наряду с возникновением невыгодного волнового режима, сдерживало ранее интенсификацию работы пенных аппаратов. В настоящее время в промышленных пенных аппаратах в большинстве случаев используется каплеуносители, которые могут быть встроенными в пенный аппарат или установленными отдельно. Поэтому при наличии каплеуловителей некоторое увеличение брызгоуноса при повышении не имеет существенного значения для общей эффективности аппаратов.

Влияние брызгоуноса будет сказываться на работе пенного аппарата лишь в тех случаях, когда нежелательно попадание раствора с нижерасположенных решеток на верхние. Брызгоунос резко увеличивается с уменьшением, и неравномерном распределении пены на решетке, в свою очередь, и при и зависят от плотности орошения. При довольно высокой скорости газа (до 4,5 м/с) и при малой плотности орошения (1,8 м³/м²ч) определенный интерес представляет расчет брызгоуносов. Во время проведения опытов на прозрачной модели было визуально установлено, что увеличение до 4,5 м/c вызывает появление зоны брызг высотой около 0,9 м. Выше 0,9 м от плоскости решетки витают лишь отдельные мелкие брызги. До =4 м/с брызгоунос при наличии стабилизатора несколько выше, чем без стабилизатора, в то время как на дырчатых решетках со стабилизатором он был ниже, чем без стабилизатора. Очевидно, на трубчатых решетках происходит срыв капель с пластин стабилизатора при небольших значениях H. При увеличении >4 м/с брызгоунос на решетках со стабилизатором становится менее интенсивным, чем на решетках без стабилизатора. Увеличение плотности орошения с 3 до 20 м³/м²ч вызывает уменьшение брызгоуноса примерно в 1,5 раза.

Увеличение свободного сечения решетки приводит к увеличению брызгоуноса, поскольку уменьшается высота исходного слоя жидкости. Диаметр труб в изученных пределах оказывает весьма незначительное влияние на величину брызгоуноса.

Снижение брызгоуноса удалось достичь применением дополнительного стабилизатора, устанавливаемого на высоте 60-100 мм от верхней кромки стабилизатора, находящегося на решетке. Второй стабилизатор имеет такие же размеры, как и первый, но пластины его установлены под углом около 60 к плоскости решетки. Поток газа пластинами второго стабилизатора направляется на стенки аппарата, причем струи газа проходят через слой пены под углом примерно 60. Особенно эффективным оказалось применение второго стабилизатора при высоких скоростях газа, порядка 3-4,5 м/с, когда брызгоунос удалось уменьшить в 1,5 раза. Весьма существенным является и то, что в результате установки второго стабилизатора верхняя часть пенного слоя стала значительно однородней и устойчивей. Этим фактом, очевидно, наряду с отклонением газового потока, можно объяснить снижение брызгоуноса. Использование второго стабилизатора, вероятно, должно увеличить эффективность выделения из газов трудноулавливаемых компонентов. В результате обработки данных экспериментов были выведены следующие зависимости для расчета величины брызгоуноса г/м³ без стабилизатора, с одним стабилизатором и двумя стабилизаторами:

,(48)

,(49)

.(50)

Результаты расчетов по формулам (48), (49), (50) отличаются от опытных данных не более чем на

Промышленная реализация метода стабилизации газожидкостного слоя позволяет значительно расширить область применения пенных аппаратов и открывает новые возможности интенсификации технологических процессов с одновременным созданием малоотходных технологий. В статье установлены основные параметры, влияющие на гидродинамику трубчатых решеток со стабилизатором пены и без него. Выявлена связь гидродинамических параметров. Полученные зависимости точнее характеризуют гидродинамическую обстановку в аппарате. Исследования показывают, что применение стабилизатора значительно расширяет диапазон устойчивой работы трубчатых решеток в пенных аппаратах. Это важно когда количество продукции изменяется в широких пределах в зависимости от нужд технологии. Применение стабилизатора пены позволит не только повысить надежность технологических линий, в составе которых имеются пенные аппараты с трубчатыми решетками, но и снизить затраты энергии на проведение тепломассообменных процессов.

Приводятся зависимости газосодержания от плотности орошения и скорости газа, а также влияние наличия стабилизатора на характеристики динамичного двухфазного слоя. Рассмотрен брызгоунос на трубчатых решетках со стабилизатором пены и его влияние на работу аппарата. Показано, что снижение брызгоуноса достигается применением дополнительного стабилизатора, который, кроме того, увеличивает эффективность выделения из газов трудноулавливаемых компонентов.

Список литературы

1. Пенный режим и пенные аппараты / Под ред. И.П. Мухленова, Э.Я Тарата. - М.: «Химия», 1977.

2. Тарат Э.Я., Балабеков О.С., Болгов Н.П. и др. Интенсивные колонные аппараты для обработки газов жидкостями. - Л., Изд-во ЛГУ им. А.А.Жданова, 1976. - 244 с.

3. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений / Под ред. И.П. Мухленова, О.С. Ковалева. - М.: Химия, 1987. - 206 с.

4. Гельперин Н.И., Гришко В.З., Михайлов В.А. //ТОХТ. - 1972,. - Т.6, № 4. - С. 534-538.

5. Микулин Г.И., Поляков И.К. Дистилляция в производстве соды. - М.: Госхимиздат, 1956. - 348 с.

6. Ткач Г.А., Шапорев В.П., Титов В.М. Производство соды по малоотходной технологии. - Харьков: ХГПУ, 1998. - 429 с.