Delist.ru

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ (09.01.2008)

Автор: Колганов Иван Михайлович

компонента Концентрация паров на входе

в абсорбер,

% об Концентрация в абсорбере,

% масс.

Вода Цикло-

гексанон ВОА

Тетрагидрофуран

1,2090

0,3500

1,8100

Метилэтилкетон 0,3250 0,1400 1,8100 1,8600

Дихлорэтан 0,2360 0,0700 1,6200 1,6700

Бутанол 0,0180 0,0200 0,5800 0,6100

Циклогексанон 0,0130 0,0300 92,160 0,5000

Вода 3,0000 99,390 2,0200 0,0090

Воздух 95,779

Известно, что интенсификация работы газо-жидкостных массообменных аппаратов в основном осуществляется за счет увеличения в них плотности орошения и скорости газа. При этом достигаемая интенсификация массообменного процесса невелика, так как повышение плотности орошения и скорости газового потока имеют определенный предел, выше которого происходит захлебывание аппарата. Одним из способов интенсификации газо-жидкостных процессов, особенно процессов, лимитируемых скоростью массоотдачи в жидкой фазе, является расширение и использование в контактных устройствах зон с нестабилизированным режимом движения потоков, характеризующихся повышенной турбулизацией взаимодействующих фаз, что приводит к повышению локальных коэффициентов массоотдачи. Такая локальная интенсификация процесса массоотдачи имеет место на входных и выходных участках контактных устройств, которая носит название концевого эффекта массообменного устройства.

В данной работе исследована возможность повышения интенсивности массоотдачи в жидкой фазе за счет использования концевого эффекта барботажа для двух различных типов контактных устройств: для барботажного слоя, где поверхность контакта фаз формируется в результате барботажа газа через слой жидкости на перфорированной тарелке и для регулярной модифицированной пакетной гофрированной насадки.

Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе ?? проводились опыты по абсорбции плохо растворимого газа (СО2 водой). В этом случае сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь и считать, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе приблизительно равен общему коэффициенту массопередачи Кж.

В работе было проведено экспериментальное исследование контактного устройства, состоящего из шести ситчатых тарелок, установленных с шагом по 50 мм по высоте, с живым сечением 10 %. Так как в барботажных абсорберах сложно определять поверхность контакта фаз, то для оценки интенсивности массообмена в исследуемом барботажном слое, секционированном ситчатыми тарелками, использовался объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе ((жv), отнесенный к единице рабочего объема всего секционированного барботажного слоя. Исследования контактного устройства проводились при изменении скорости газовой смеси в диапазоне от 0,4 до 1,45 м/с и плотности орошения от 104 до 343 м3/м2(ч. Результаты экспериментальных исследований по определению зависимости (жv от скорости газовой фазы и плотности орошения представлены на рис.1.

Анализ экспериментальных данных показал, что (жv изменяется в пределах от 0,25 до 0,555 1/с, что значительно выше, чем в обычных барботажных слоях ((жv = 0,05(0,14 1/с). Полученные результаты экспериментальных исследований показали, что данное контактное устройство дает возможность получить высокие значения (жv в широком диапазоне изменения скоростей газа и плотности орошения. Перенос вещества от границы раздела фаз в ядро газовой или жидкой фазы описывается уравнениями гидродинамики и конвективной диффузии. Ввиду сложности решения дифференциальных уравнений конвективной диффузии эти уравнения обычно преобразуют методом теории подобия, при этом находят критерии подобия, пользуясь которыми можно описать процесс, не интегрируя уравнения.

Рис. 1. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи ((жv) от скорости газовой смеси (Wг) и плотности орошения L в секционированном барботажном слое: ( - L = 342,6 м3/м2(ч; ( - L = 308,5 м3/м2(ч; ( - L = 223,4 м3/м2(ч; ( - L = 138,3 м3/м2(ч; (- L = 104,3 м3/м2(ч

Связь между критериями подобия устанавливается только экспериментальным путем. В результате обработки экспериментальных данных были получены зависимости критерия Нуссельта для жидкой фазы (уравнения (1) и (2)).

Как показал анализ экспериментальных данных характер зависимостей объемного коэффициента массоотдачи (жv от плотностей орошения L и скорости газовой смеси Wг в исследованных пределах 0,4(1,45 м/с существенно изменяется при превышении плотности орошения порядка 250 м3/м2(ч. Поэтому решение критериального уравнения выполнялось отдельно для каждой из двух областей:

для плотностей орошения L = 104,3(223,4 м3/м2(ч

м3/м2(ч

Сравнение значений критерия Нуссельта, полученного расчетным путем с экспериментальными значениями показало удовлетворительную сходимость. При этом для уравнения (1) среднее относительное отклонение не превышало 6,0 %, а для уравнения (2) – 1,5 %.

Гидравлическое сопротивление орошаемого контактного устройства изучалось в зависимости от основных влияющих факторов – скорости воздуха Wг и плотности орошения. Исследования выполнялись при изменении скорости воздуха от 0,35 до 1,6 м/с и плотности орошения в диапазоне от 153 до 383 м3/м2(ч. Полученные экспериментальные данные показывают, что с увеличением скорости газа при всех плотностях орошения общее гидравлическое сопротивление монотонно возрастает. При неизменной плотности воздуха с повышением плотности орошения сопротивление барботажного слоя также увеличивается, но при этом, чем выше фиксированная скорость воздуха, тем выше темп роста сопротивления (Р с ростом плотности орошения. В результате обработки экспериментальных данных было получено выражение (3) для определения гидравлического сопротивления барботажного слоя, секционированного ситчатыми тарелками,

где А – безразмерный коэффициент, определяемый графически.

Сравнение расчетных значений общего гидравлического сопротивления секционированного барботажного слоя, полученных по уравнению (3) с экспериментальными значениями, показали хорошую сходимость. Среднее относительное отклонение расчетных величин не превышало 5 %. На рис. 2 показано контактное устройство для тепло массообмена, состоящее из ситчатых тарелок (патент РФ №53583).

Рис. 2. Устройство тепло и массообмена: 1 – емкость; 2 и 3 – подшипники; 4 – ось; 5 – пакет ситчатых тарелок; 8 – втулка; 9 – привод; 10 – эксцентрик; 12 – опорные кольца; 13–18 – трубопроводы (6 – ситчатая тарелка, 7 – рычаг – не показаны)

Исследование модифицированной регулярной пакетной гофрированной насадки проводилось на той же установке и по тем же методикам, что и для барботажного слоя, секционированного ситчатыми тарелками. Анализ описанных концевых эффектов насадочного контактного устройства приводит к предположению, что существенная интенсификация процесса массопередачи в пакетных насадках может быть достигнута путем организации движения жидкой пленки и газа по коротким каналам. Поэтому вместо сплошного слоя насадки по всей высоте ступени контакта фаз необходимо использовать отдельные пакеты насадки малой высоты, установленные на небольшом расстоянии один от другого. Такая модификация насадочного контактного устройства позволит заметно повысить эффективность работы абсорбционных аппаратов, в первую очередь, в тех случаях, когда скорость процесса лимитируется массоотдачей в жидкой фазе.

Для рассматриваемого процесса очистки низкопотенциальных газовых потоков была изготовлена и испытана на реальных средах насадка из гофрированной мелкоячеистой нержавеющей сетки с размером ячеек 1 х 1 и 1,5 х 1 мм. Гофрирование сетки было необходимо для того, чтобы не происходило слипание закручивающегося полотна насадки. Изготовленная таким образом насадка не создает обходных путей для газа и жидкости, равномерно распределяет жидкость по всему сечению аппарата, что является одним из главнейших условий для эффективной работы контактного элемента насадки.

Было проведено исследование интенсивности жидкофазной массоотдачи в слое модифицированной пакетной гофрированной насадки в зависимости от плотности орошения L (м3/м2?ч), скорости газовой смеси Wг (м/с), считая на полное сечение абсорбционной колонки, и высоты одиночных пакетов насадки lп, из которых набирался слой. При выполнении опытов плотность орошения изменялась в пределах от 10 до 120 м3/м2?ч. Высота одиночных пакетов в слое насадки составляла 25, 50 и 100 мм. Скорость газа в свободном сечении колонки изменялась от 0,5 м/с до скоростей порядка 3,5?2,5 м/с, соответствующих началу подвисания жидкости в насадке при исследованном интервале плотности орошения. Однако влияние скорости газового потока на массоотдачу в жидкой фазе при исследованных гидродинамических условиях обнаружено не было.

Полученные экспериментальные данные по зависимости объемного коэффициента массоотдачи (массопередачи) ?жv от плотности орошения L и высоты одиночных пакетов насадки lп представлены на рис.3.

Рис. 3. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи (?жv) от плотности орошения (L) и высоты одиночных пакетов (lп) в модифицированной пакетной гофрированной насадке типа «Зульцер»: ? - насадка с высотой пакетов lп = 25 мм; ? - насадка с высотой пакетов lп = 50 мм; ? - насадка с высотой пакетов lп = 100 мм

Главный вывод, который следует из анализа полученных экспериментальных данных, состоит в том, что с уменьшением высоты одиночных пакетов насадки lп при прочих одинаковых условиях объемные коэффициенты массоотдачи ?жv для слоя модифицированной насадки типа “Зульцер”, благодаря влиянию концевых эффектов, существенно возрастают. Так, можно видеть, что при плотности орошения L = 15,7?16,5 м3/м2?ч коэффициент массоотдачи в жидкой фазе ?жv увеличивается от 0,0135 1/с при высоте пакетов lп = 100 мм до 0,019 1/с при высоте пакетов lп = 25 мм, или в 1,4 раза, а при плотности орошения L = 110,5 м3/м2?ч ?жv увеличивается от 0,0414 1/с до 0,065 1/с, или в 1,57 раза.

Исследование гидравлического сопротивления модифицированной гофрированной насадки типа «Зульцер», состоящей из отдельных пакетов малой высоты, размещенных в слое на небольшом расстоянии один от другого, производилось на системе вода-воздух. Исследовалась насадка с высотой пакетов lп 25, 50 и 100 мм. Величина зазора между отдельными пакетами в слое насадки во всех случаях была одинаковой и равнялась 10 мм. Общая высота слоя насадки Н в колонке незначительно изменялась в зависимости от исследуемой высоты пакетов lп и составляла: Н = 200 мм при высоте пакетов lп = 25 мм, Н = 230 мм при lп = 50 мм, Н = 210 мм при lп = 100 мм.

слоев орошаемой насадки, набранных из пакетов насадки высотой lп =50 мм, в зависимости от скорости газа Wг и плотности орошения L представлены на рис.4.

? 260 Па при lп = 25 мм. Это объясняется тем, что, как и в случае сухой (неорошаемой) насадки, при уменьшении высоты одиночных пакетов lп, составляющих слой, увеличивается число концевых эффектов в пределах слоя насадки одинаковой высоты Н, вследствие чего повышается степень турбулизации газового потока и увеличивается гидравлическое сопротивление слоя.

загрузка...