Гидродинамика и массообмен в структурированных насадках из гофрированных листов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидродинамика и массообмен в структурированных насадках из гофрированных листов

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Дмитриева Галина Борисовна

Иваново - 2007

Работа выполнена на кафедре «Техника экологически чистых производств» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии».

Научный руководитель: кандидат химических наук, профессор Беренгартен Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кулов Николай Николаевич кандидат технических наук Чагин Олег Вячеславович

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам имени проф. Я.В. Самойлова»

Защита диссертации состоится «___»_________ 2007 г. в __ часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

Автореферат разослан «____» _____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д. ф.-м.н., профессор Зуева Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее время для проведения массообменных процессов на газо-жидкостных системах широко используются регулярные структурированные насадки (СН), собранные из гофрированных листов, так как они обладают низким гидравлическим сопротивлением при высокой массообменной эффективности. Однако, существующие СН не лишены недостатков. В частности, они характеризуются замкнутостью в поперечном сечении каналов движения газа и жидкости, которая обусловлена геометрической структурой насадок, исключающей сообщение между каналами, образованными соседними листами. Замкнутость этих каналов ведет к неравномерности распределения потоков по поперечному сечению аппаратов и отсутствию перемешивания потоков в поперечном сечении, что в совокупности приводит к тому, что насадка работает не на 100% своих возможностей. Поэтому разработка новых модификаций СН, нацеленная на увеличение КПД их работы, является на сегодняшний день актуальной проблемой.

Еще одна актуальная проблема заключается в том, что разработка усовершенствованных конструкций СН, их производство и внедрение в промышленность сдерживаются отсутствием общепринятой методики расчета гидродинамических и тепломассообменных параметров СН. Поскольку подобная методика необходима для проведения инженерных расчетов, возникает потребность в комплексном исследовании гидродинамических и массообменных характеристик СН хорошо зарекомендовавших себя известных и более эффективных новых конструкций. абсорбционный гофрированный лист

Цель работы. Исследование гидродинамических и массообменных характеристик, необходимых для расчета абсорбционных процессов в СН; создание методики расчета основных гидродинамических и массообменных характеристик СН из гофрированных листов; разработка новых конструктивных решений, повышающих массообменную эффективность указанных насадок; сопоставительное (с известными) исследование гидродинамических и массообменных свойств разработанной насадки новой конструкции.

Научная новизна диссертации. Разработана структурная модель СН из гофрированных листов, объединяющая геометрические характеристики родственных видов СН, соприкасающиеся листы которых образуют коаксиальные каналы сложной пространственной, периодически изменяющейся по высоте насадки формы, и таким образом позволяющая переносить эмпирические зависимости для определения гидродинамических и массообменных характеристик, полученные для одного вида насадки, на другие родственные ей виды.

Обнаружено наличие особого гидравлического сопротивления, обусловленного разностью гидравлических сопротивлений структурных составляющих комбинированных насадок (КН), коэффициент которого, названный коэффициентом сопротивления изменения перепада давления, имеет тенденцию к возрастанию с увеличением скорости газа.

Практическая значимость. Разработана новая комбинированная насадка для тепломассообменных аппаратов, защищенная патентом RU 2300419 C1, опубл. 10.06.2007, Бюл. №16, отличающаяся от известных способностью турбулизировать газовые и жидкостные потоки перед входом в следующий по высоте аппарата слой структурированной насадки, перемешивать жидкостные потоки в поперечном сечении аппарата и, как следствие, обладающая повышенной тепломассообменой эффективностью по сравнению с известными регулярными насадками.

Результаты гидродинамических и тепломассообменных исследований новой КН использованы при выполнении проекта реконструкции градирен типа ККТ в системах оборотного водоснабжения здания ФГУП центр «Звездный».

Разработана методика расчета основных гидродинамических и массообменных параметров СН из гофрированных листов, в том числе и новой КН, которая применима для решения как проектных, так и эксплуатационных задач. Указанная методика использована проектной организацией ЗАО «ЦНТУ РИНВО» при выполнении расчетов альтернативной конструкции десорбционной продувочной колонны для отдувки нитрозных газов из продукционной HNO₃ в производстве слабой азотной кислоты под давлением 0,35 МПа на ОАО «Невинномысский азот».

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на VII международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва, 2003 г.); научно-техническом семинаре «Энергоснабжение: перспективы и возможности» МОО «Московского химического общества им. Д.И. Менделеева» (Москва, 2005 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 4 статьи в научно-технических журналах, тезисы 1 доклада на международном симпозиуме и 1 описание патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5-и глав, содержащих обзор литературы и постановку задачи исследования, описание экспериментальных установок и методик проведения экспериментов по гидродинамике и массообмену, результаты исследований с выводом расчетных уравнений, описание разработанной комбинированной насадки и результаты ее испытаний, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 255 страницах, содержит 61 рисунок, 8 таблиц и библиографию из 160 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы и сформулированы ее основные задачи.

В первой главе представлен обзор литературных данных о регулярных СН, разработанных в последнее время и получивших наибольшее распространение в различных отраслях промышленности. Приведено сравнение экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению и ВЭТТ различных СН по материалам проспектов и каталогов фирм-производителей.

Рассмотрены особенности методов расчетов гидродинамических и массообменных характеристик пленочных контактных устройств, в том числе полученных на основе экспериментальных исследований некоторых видов СН. Проведен анализ рассмотренных методов, отмечены их достоинства и недостатки, на основе чего определены основные задачи исследования.

Во второй главе разработана структурная модель СН из гофрированных листов, дано описание характеристик исследованных насадок, экспериментальных установок и методик проведения экспериментов. Для проведения исследований были выбраны СН 1SP, аналог Mellapak 250X фирмы Sulzer Chemtech из нержавеющей стали, и СН 2SP, аналог 23,5 CHV фирмы Chladici Veze Praha a.s. из полипропилена (рис.1), основные геометрические характеристики которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Испытания СН 1SP проводились на созданной специально для этой работы установке № 1. Были проведены гидродинамические испытания на системе воздух-вода и исследование массообмена в жидкой фазе при абсорбции O₂ воздуха раствором сульфита натрия на системе воздух - водный раствор Na₂SO₃. При проведении гидродинамических и массообменных исследований насадки 1SP фиктивная скорость газа, отнесенная к поперечному сечению насадки, u_Gs изменялась от 0,5 до 2,5 м/с, а плотность орошения насадки, отнесенная к ее поперечному сечению, u_Ls - от 4,0 до 16,6 м³/(м²•ч).

Рис.1. Внешний вид насадок 1SP (слева) и 2SP (справа).

Испытания СН 2SP проводились на установке № 2. Были проведены гидродинамические испытания на системе воздух-вода и исследование массообмена в газовой фазе по методике испарительного охлаждения нагретой воды в газовый поток. При проведении гидродинамических и массообменных исследований насадки 2SP скорость газа u_Gs изменялась от 0,5 до 3,0 м/с, а плотность орошения u_Ls от 5 до 15 м³/(м²•ч).

Проведена оценка погрешности каждого из методов экспериментов.

В третьей главе представлены результаты гидродинамических экспериментальных исследований насадок 1SP и 2SP и получены уравнения для расчета толщины стекающей пленки жидкости д_ор, динамической составляющей удерживающей способности исследованных насадок h_ор и гидравлического сопротивления сухих ДР_dry и орошаемых ДР_wet насадок 1SP и 2SP.

3.1. Толщина стекающей пленки жидкости и динамическая составляющая удерживающей способности насадок.

Обработка экспериментальных данных показала, что в зависимости от нагрузки по жидкости существует три режима течения пленки жидкости, при которых зависимость д_ор и h_ор от числа Рейнольдса для жидкой фазы будет различной: Re_Ls = 10 ч 25 - первый ламинарный волновой режим, Re_Ls = 25 ч 50 - второй ламинарный волновой режим, Re_Ls = 50 ч 150 - псевдотурбулентный режим. Режимы названы по аналогии с режимами течения пленок в гладких вертикальных трубках, выделенных Олевским В.М. с сотрудниками^*. По результатам исследования динамической составляющей удерживающей способности насадок двух видов, среди прочего отличающихся величиной удельной поверхности, определено, что h_ор СН в основном зависит от нагрузки по жидкости, а также от величины удельной поверхности насадки и не зависит от скорости газа при режимах ниже точки подвисания или ниже 80% от числа Рейнольдса при захлебывании насадки Re_Grv,load. При достижении точки подвисания с дальнейшим повышением скорости газа начинается резкое возрастание h_op, то есть жидкость зависает и начинает накапливаться в объеме СН. Это явление наблюдалось на насадке 1SP при плотности орошения u_Ls > 8 и факторе скорости газа F_G > 2,7 м/с•(кг/м³)^0,5. Предложены уравнения для определения динамической составляющей удерживающей способности и динамической составляющей толщины пленки жидкости структурированных насадок 1SP (1а,б и 3а,б) и 2SP (2а,б и 4а,б):

Таблица 2

В уравнениях (1а,б - 4а,б) - число Галилея; - приведенная толщина пленки жидкости, м; _L - плотность жидкости, кг/м³; м_L - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с; g - ускорение гравитационной силы, м/с².

3.2. Гидравлическое сопротивление сухих насадок.

Экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению сухих насадок обработаны по известному уравнению вида^*:

, (5)

где ж_dry - коэффициент сопротивления сухих насадок; _G - плотность газа, кг/м³; u_Ge - действительная скорость газа в свободном сечении насадки, м/с.

Проведенное экспериментальное измерение ДР_dry имело целью определение величины ж_dry, который учитывает потери давления от трения газа о поверхность листов насадки и от изменения скорости и направления газового потока при протекании его по каналам насадки. Установлено, что величина гидравлического сопротивления отнесенного к высоте насадки ДР_dry/h для одной и той же насадки повышается с увеличением количества продуваемых пакетов, что говорит о том, что на сопротивление насадок существенное влияние оказывают стыки между пакетами. Поэтому для расчета ж_dry мы использовали формулу Жаворонкова Н.М.^*, в которой отдельно учитываются потери в местных сопротивлениях:

, (6)

где о_fr,dry - коэффициент сопротивления трения потоков газа о поверхность листов насадки; ж_dch,dry - коэффициент местного сопротивления, вызванного перераспределением и изменением направления движения газа.

Поскольку известно, что ж_dry зависит от числа Рейнольдса для газовой фазы , в котором м_G - динамический коэффициент вязкости газа (Па·с), и может быть выражен числом Эйлера , предложены следующие критериальные уравнения для определения ж_dry сухих СН 1SP и 2SP:

для насадки 1SP при Re_Gе = 0 ч 3000:

(7)

для насадки 2SP при Re_Gе = 700 ч 5000:

(8)

3.3. Гидравлическое сопротивление орошаемых насадок.

Гидравлическое сопротивление орошаемых насадок ДР_wet может быть найдено по уравнению (9), учитывающему действительную скорость газа в свободном сечении насадки по отношению к скорости стекающей пленки жидкости u_Grv, трение между газом и жидкостной пленкой и уменьшение гидравлического диаметра каналов орошаемой насадки d_hG,wet за счет стекания по стенкам каналов жидкости:

(9)

где u_Le - действительная плотность орошения в свободном сечении насадки, м/с.

Для определения коэффициента сопротивления орошаемых насадок ж_wet была принята та же структура уравнения, что и для сухой насадки:

, (10)

где о_fr,wet - коэффициент сопротивления трения газовых потоков о пленку жидкости и друг о друга внутри каналов орошаемой насадки; ж_dch,wet - коэффициент сопротивления стыков орошаемых пакетов.

Однако было установлено, что ж_wet зависит не только от числа Рейнольдса для газовой фазы , рассчитанного по относительной скорости газа, но и от физических свойств и скорости течения орошаемой жидкости. Поэтому при определении ж_wet был использован безразмерный параметр , учитывающий скорость течения и физические свойства жидкости^*, в котором у_L - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.

Было замечено, что зависимость ж_wet от скорости газа, имеет различный характер до и после значения фиктивной скорости газа u_Gs = 1,5 м/с, что говорит о наличии ламинарного при u_Gs < 1,5 м/с и турбулентного при u_Gs > 1,5 м/с режимов течения газа в СН. Значение фиктивной скорости газа u_Gs = 1,5 м/с для насадки 1SP соответствует числу Рейнольдса Rе_Grv = 1500, а для насадки 2SP - числу Рейнольдса Rе_Grv = 2500. Предложено уравнение для определения ж_wet СН:

, (11)

в котором значения эмпирических коэффициентов A, B, C, а также показателей степени при безразмерных критериях n, m, q при каждом режиме течения газа для насадок 1SP и 2SP указаны в табл. 3.

Таблица 3

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований СН 2SP по массоотдаче в газовой фазе и СН 1SP по массоотдаче в жидкой фазе. Получены уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в газовой и жидкой фазах и соответствующих для каждой фазы высот единиц переноса.

4.1. Исследование массоотдачи в газовой фазе.

Анализ экспериментальных данных показал, что коэффициент массоотдачи в газовой фазе в_GF возрастает с увеличением нагрузки по газу и жидкости. Таким образом, определяющим гидравлическим параметром для массоотдачи в газовой фазе является относительная скорость газа в каналах насадки u_Grv. При обработке экспериментального материала было найдено, что для насадки 2SP при всех значениях u_Ls в_GF зависит от u_Grv согласно пропорциональности в_GF ~ u_Grv^0,56, причем характер этой зависимости при переходе от ламинарного режима течения газа к турбулентному, который происходит для насадки 2SP при Re_Grv = 2500, не изменяется.

Для СН характерен нестабилизированный поток жидкости по насадке и наличие концевых эффектов, поэтому аналитически было сделано заключение, что на массоотдачу в газовой фазе в СН существенное влияние также оказывает соотношение гидравлического диаметра и длины каналов прохождения газа d_hG,wet•sinб/h_pe. Было обнаружено возрастание в_GF с увеличением отношения d_hG,wet•sinб/h_pe согласно пропорциональности в_GF ~ (d_hG,wet•sinб/h_pe)^0,62.

По результатам исследования предложены уравнения, основанные на гидродинамической аналогии, для определения интенсивности массоотдачи, выраженной числом Нуссельта в газовой фазе, и высоты единицы переноса в газовой фазе h_G для насадки 2SP:

(12)