Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

EXPERIMENTAL STUDY OF HYDRODYNAMIC OPERATING MODES OF THE BLOCK AND MODULAR HEAT-MASS-EXCHANGED CONTACT DEVICE

Stepykin A.V. 1 Sidyagin A.A. 1
1 Dzerginsky Polytechnical institute (branch) Nizhny Novgorod state technical university
Приведено описание новой блочно-модульной конструкции контактного устройства, отмечены особенности данной конструкции. Стоит отметить, что предложенное контактное устройство обладает сложной структурой, что и является основной его особенностью. В статье поставлена задача определить предельные нагрузки по фазам, а также выявить основные гидродинамические режимы работы насадки и их границы. Для этого использовались специально разработанные лабораторные стенды с колоннами 200 и 132 мм. Подтверждено, что для разработанного аппарата предельные нагрузки могут определяться по уравнению Бейна-Хоугена. Для уравнения определены коэффициенты. Кроме этого, выявлены два рабочих режима устройства. Это пленочный и режим подвисания. Скорость газа, соответствующую режиму подвисания предложено определять как долю от скорости захлебывания. Коэффициенты в уравнении Бейна-Хоугена являются зависимыми от количества теплообменных модулей и сетчатой насадки в блоке. То же самое имеет место при определении границы гидродинамических режимов.
The description of a new block and modular design of the contact device is provided. Features of this design are noted. It should be noted that the offered contact device possesses complex structure, it is main feature. In the paper the task to determine maximum loads by phases, and also to reveal the main hydrodynamic operating modes of device and their border is set. Specially designed laboratory stands with columns of 200 mm and 132 mm were for this purpose used. It is confirmed that for the developed device maximum loads can be determined by Beyna-Hougen´s equation. For the equation coefficients are defined. Two operating modes of the device are revealed. It is film regime and regime of suspension. Gas speed, corresponding to the regime of suspension define, how a pat from speed of flooding. Coefficients in Beyna-Hougen´s equation are dependent on number of heat-exchange modules and a grid elements in the block. The same takes place when determining border of the hydrodynamic regimes.
rectification
absorption
heat exchange
mass exchange
contact devices
highly thermal processes

Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы промышленных колонных аппаратов является оптимизация температурных условий. Это направление становится особенно актуальным при протекании теплонапряженных массообменных процессов, характеризующихся высокими тепловыми эффектами. В целях оптимизации температурных условий применяют специальные контактные устройства с внедренными теплообменными элементами. Наиболее перспективными видами таких устройств являются насадочные, применяемые для широкого спектра технологических процессов [3].

В качестве такого устройства была разработана блочно-модульная насадка с внедренными пластинчатыми теплообменными элементами [1]. Схема одного блока насадки, установленного в колонну, приведена на рис. 1.

Насадочный блок состоит из отдельных теплообменных пластинчатых элементов – модулей 2, собираемых в жесткую конструкцию на распределительном коллекторе 4 устройства. Между модулями устанавливаются листы из гофрированной сетки, имеющие специальную структуру гофров. Стенки теплообменного модуля также выполнены гофрированными.

Насадка установлена в колонну в виде блоков, коллекторы которых могут соединяться между собой или иметь вывод штуцеров наружу. Взаимодействие фаз происходит на наружной поверхности модулей и гофрированных сетчатых элементов. Во внутреннюю полость пластинчатых модулей подается теплоноситель.

Важными показателями работы контактного устройства являются значения предельно допустимых нагрузок и границы наиболее эффективных режимов работы аппарата, определению которых и посвящена данная статья.

Насадочные колонны могут работать в самых различных гидродинамических режимах, определяемых расходами по газу и жидкости. Для большинства насадок, в том числе и для предлагаемой, с увеличением скорости газа повышается эффективность массообмена.

Экспериментальные исследования производились на лабораторных установках с колоннами диаметром 132 и 200 мм. Для визуального наблюдения за работой насадки корпуса колонн выполнялись прозрачными (из органического стекла). Эксперимент проводился на системе «вода - воздух». При проведении исследований применялись устройства нескольких вариантов конфигураций, параметры которых приведены в табл. 1.

Рис. 1. Тепломассообменный блок:

1 – корпус аппарата; 2 – пластинчатый теплообменный модуль; 3 – патрубки ввода и вывода теплоносителя; 4 – коллектор теплообменный; 5 – сетчатый контактный элемент; 6 – распределитель жидкости.

Таблица 1

Параметры исследуемых контактных устройств в колоннах

Модификация блока

Количество теплообменных модулей

Поверхность теплообмена м2/м3

Поверхность массообмена

м2/м3

Объемная доля пластинчатых модулей

1

4

62

240

0.45

2

3

44

220

0.32

3

2

28

288

0.2

4

-

0

325

0

В ходе экспериментов измерялось гидравлическое сопротивление блока насадки при различных нагрузках по жидкости и газу. В результате были получены зависимости вида ΔР = f(W), на рис. 2 показаны графические зависимости для модификации насадки 1 (характеристики в табл. 1), при нескольких плотностях орошения. Аналогичные зависимости были получены для других модификаций.

Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления колонны от фиктивной скорости газа при модификации блока 1:

1 – граница области подвисания и захлебывания; орошаемая насадка при плотности орошения м3/(м2·с) 2 – 0,0032, 3 – 0,0081; 4 – 0,0130; 5 – граница области подвисания и ламинарного режима.

При анализе этих зависимостей были определены моменты начала захлебывания и выявлены два принципиально различных режима до области захлебывания: пленочный режим и режим подвисания. Переход от режима к режиму фиксировался как визуально, так и по изменению характера зависимости гидравлического сопротивления от скорости газа.

Визуально пленочный режим характеризуется малым волнообразованием на поверхности пленки, а режим подвисания – значительным волнообразованием, увеличением толщины стекающей пленки жидкости.

Для оценки предельных нагрузок были построены зависимости вида

, (1)

где Х, Y – комплексы, которые определяются

, (2)

, (3)

где А, В – экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от типа насадки и условий протекания процесса;

,, ,- плотности (кг/м3) и вязкости газа (Па·с) и жидкости, соответственно;

- вязкость воды при данной температуре (Па·с);

L, G – массовые расходы жидкости и газа соответственно (кг/с);

g – ускорение свободного падения, м/с2.

В результате обработки экспериментальных данных установлено, что коэффициент А имеет значения в пределах 0,637–0,78, коэффициент В – значения в пределах 1,22–1,64. Для определения конкретных значений коэффициентов при разных конфигурациях блока предлагается использовать уравнения (4), (5). А и В определяются в зависимости от объемной доли теплообменных модулей хп.

, (4)

, (5)

где АП, ВП, АС, ВС – коэффициенты влияния, учитывающие долю теплообменных модулей и сетчатой насадки.

Значения коэффициентов влияния приведены в табл. 2. Используя данные значения и зависимости (3) – (4) определяются коэффициенты А, В для любой модификации блочно-модульного устройства.

Таблица 2

Значения коэффициентов для определения скорости захлебывания

Наименование

Гофрированные сетчатые элементы

Пластинчатые теплообменные модули

Коэффициент

АС

ВС

АП

ВП

Значение

0,637

1,22

0,955

2,17

Экспериментальные и расчетные данные, построенные в координатах X,Y, приведены на рис. 3. При этом наблюдается хорошая сходимость практических значений и расчетных кривых.

Максимальной скоростью газа является скорость захлебывания, при достижении которой жидкость накапливается в слое насадки и газ начинает барботировать через жидкость, при этом насадка лишается своего основного преимущества – низкого гидравлического сопротивления. Поэтому основной рабочий диапазон аппарата лежит ниже точки захлебывания. Фиктивную скорость (скорость, отнесенную ко всему сечению колонны) при захлебывании обычно определяют из соотношения [2; 5]

. (6)

Рис. 3. Зависимости скоростей захлебывания в координатах X,Y:

1 – модификация № 1; 2 – модификация № 2; 3 – модификация № 4.

Кроме скорости начала захлебывания важным показателем является скорость перехода к режиму подвисания. В ходе экспериментов отмечено, что скорость подвисания зависит от конфигурации устройства. Это связано с различным растеканием жидкости по поверхности входящих в насадку элементов [4], а следовательно, различным взаимодействием газовой и жидкой фазы. Исследования показали, что наступление подвисания для пластинчатых модулей происходит значительно позже, нежели для сетчатых элементов, так как пленка на поверхности пластины гораздо толще и тяжелее поддается волнообразованию. Скорость подвисания в блочно-модульной насадке предлагается определять как долю от скорости захлебывания по формуле:

wподв = С · wзахл , (7)

где С – коэффициент перехода, который предлагается определять по формуле

, (8)

где СС, СП – коэффициенты для сетчатых и пластинчатых элементов;

xП – объемная доля пластинчатых теплообменных модулей в блоке.

Обработка экспериментальных данных показала, что СС=0.45, СП=0.786.

Проводились исследования и на других модификациях блока (табл. 1), в ходе них зависимость перехода к режиму подвисания также была подтверждена.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов были определены границы гидродинамических режимов и предложены зависимости для их определения. Для расчетных зависимостей определены коэффициенты. Отмечено, что для данного контактного устройства основными рабочими режимами будут являться пленочный режим и режим подвисания. Предложенный подход показал хорошую сходимость экспериментальных и расчетных данных для предложенного блочно-модульного контактного устройства.

Рецензенты:

Ким П.П., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Процессы и аппараты химической технологии», Дзержинский политехнический институт НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г.Дзержинск.

Иванов С.П., д.т.н., доцент, зав. кафедрой ОНХЗ, филиал ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет в г. Стерлитамаке», г.Стерлитамак.