Гидродинамика и массообмен в структурированных насадках из гофрированных листов
Дмитриева Галина Борисовна
«Гидродинамика и массообмен в структурированных насадках из гофрированных листов»
05.17.08
технические науки
Д 212.063.05
Ивановский государственный химико-технологический университет
153000, Иваново, пр-т. Ф. Энгельса, 7, ИГХТУ
Тел: (4932) 32-54-33
Email: [email protected]
Предполагаемая дата защиты диссертации – 03 декабря 2007 года
На правах рукописи
Дмитриева Галина Борисовна
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
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.
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
| Геометрические характеристики | 1SP | 2SP |
| Удельная площадь поверхности (ар), м2/м3 | 250 | 136,2 |
| Высота блока насадки (hре), м | 0,21 | 0,5 |
| Свободный объем или пористость (е), м3/м3 | 0,96 | 0,95 |
| Угол наклона гофр в листе к горизонту (), | 45 | 60 |
| Угол гофрирования (), | 90 | 90 |
| Конфигурация гофр | треугольная | трапециевидная |
| Длина основания гофры (b), м | 0,023 | 0,047/0,008 |
| Длина стороны гофры (s), м | 0,0165 | 0,0305 |
| Высота гофры (hсor), м | 0,0115 | 0,0235 |
| Шаг гофрирования (t), м | 0,023 | 0,06 |
| Толщина листа насадки (cs), м | 0,00016 | 0,00035 |
| Гидравлический диаметр газовых каналов (dhG), м | 0,0094 | 0,022 |
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, uGs изменялась от 0,5 до 2,5 м/с, а плотность орошения насадки, отнесенная к ее поперечному сечению, uLs – от 4,0 до 16,6 м3/(м2ч).
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 uGs изменялась от 0,5 до 3,0 м/с, а плотность орошения uLs от 5 до 15 м3/(м2ч).
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 ор, динамической составляющей удерживающей способности исследованных насадок hор и гидравлического сопротивления сухих Рdry и орошаемых Рwet 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 ор и hор от числа Рейнольдса для жидкой фазы 
будет различной: ReLs = 10 25 – первый ламинарный волновой режим, ReLs = 25 50 – второй ламинарный волновой режим, ReLs = 50 150 – 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 hор 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 захле-
________________________________________________________________________* Олевский В.М., Ручинский В.Р., Кашников А.М., Чернышев В.И. Пленочная тепло-и массообменная аппаратура (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) / Под ред. В.М. Олевского – М.: Химия, 1988.
бывании насадки ReGrv,load. При достижении точки подвисания с дальнейшим повышением скорости газа начинается резкое возрастание hop, то есть жидкость зависает и начинает накапливаться в объеме СН. Это явление наблюдалось на насадке 1SP при плотности орошения uLs > 8 и факторе скорости газа FG > 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
| Вид насадки | Диапазон ReLs | Уравнение для hop | Уравнение для op |
| 1SP | 10 25 |  (1а) |  (3а) |
| 1SP | 25 50 |  (1б) |  (3б) |
| 2SP | 25 50 |  (2а) |  (4а) |
| 2SP | 50 150 |  (2б) |  (4б) |
В уравнениях (1а,б – 4а,б) 
– число Галилея; 
– приведенная толщина пленки жидкости, м; L – плотность жидкости, кг/м3; 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 dry – коэффициент сопротивления сухих насадок; G – плотность газа, кг/м3; uGe – действительная скорость газа в свободном сечении насадки, м/с.
Проведенное экспериментальное измерение Рdry имело целью определение величины dry, который учитывает потери давления от трения газа о поверхность листов насадки и от изменения скорости и направления газового потока при проте-
__________________________________________________________________________________________* Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1976.
кании его по каналам насадки. Установлено, что величина гидравлического сопротивления отнесенного к высоте насадки Рdry/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 dry мы использовали формулу Жаворонкова Н.М.*, в которой отдельно учитываются потери в местных сопротивлениях:
, (6)
где fr,dry – коэффициент сопротивления трения потоков газа о поверхность листов насадки; dch,dry – коэффициент местного сопротивления, вызванного перераспределением и изменением направления движения газа.
Поскольку известно, что dry зависит от числа Рейнольдса для газовой фазы 
, в котором G – динамический коэффициент вязкости газа (Па·с), и может быть выражен числом Эйлера 
, предложены следующие критериальные уравнения для определения dry сухих СН 1SP и 2SP:
- для насадки 1SP при ReGе = 0 3000:
(7)
- для насадки 2SP при ReGе = 700 5000:
(8)
3.3. Гидравлическое сопротивление орошаемых насадок.
Гидравлическое сопротивление орошаемых насадок Рwet может быть найдено по уравнению (9), учитывающему действительную скорость газа в свободном сечении насадки по отношению к скорости стекающей пленки жидкости uGrv, трение между газом и жидкостной пленкой и уменьшение гидравлического диаметра каналов орошаемой насадки dhG,wet за счет стекания по стенкам каналов жидкости:
__________________________________________________________________________________________
* Жаворонков Н.М. Гидравлические основы скрубберного процесса и теплопередача в скрубберах. М: «Советская наука», 1944, 224 с.
(9)
где uLe – действительная плотность орошения в свободном сечении насадки, м/с.
Для определения коэффициента сопротивления орошаемых насадок wet была принята та же структура уравнения, что и для сухой насадки:
, (10)
где fr,wet – коэффициент сопротивления трения газовых потоков о пленку жидкости и друг о друга внутри каналов орошаемой насадки; dch,wet – коэффициент сопротивления стыков орошаемых пакетов.
Однако было установлено, что 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 wet был использован безразмерный параметр 
, учитывающий скорость течения и физические свойства жидкости*, в котором L – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.
Было замечено, что зависимость wet от скорости газа, имеет различный характер до и после значения фиктивной скорости газа uGs = 1,5 м/с, что говорит о наличии ламинарного при uGs < 1,5 м/с и турбулентного при uGs > 1,5 м/с режимов течения газа в СН. Значение фиктивной скорости газа uGs = 1,5 м/с для насадки 1SP соответствует числу Рейнольдса RеGrv = 1500, а для насадки 2SP – числу Рейнольдса RеGrv = 2500. Предложено уравнение для определения 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 на-
__________________________________________________________________________________________
* Дытнерский, Ю.И. Гидродинамические исследования в аппаратах пленочного типа / Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов // Сб. науч. тр.: «Процессы химической технологии. Гидродинамика, тепло- и массопередача» под ред. М.Е. Позина – М.-Л.: Наука, 1965. С. 25 – 31.
садок 1SP и 2SP указаны в табл. 3.
Таблица 3
| Вид насадки | Гидравлический режим и диапазон ReLs | Коэффициенты | Показатели степени | ||||
| A | B | C | n | m | q | ||
| 1SP | ReGrv < 1500 и ReLs = 25 50 | 29,04 | -0,107 | 0,455 | 0,08 | 0,0155 | 0,146 |
| 1SP | ReGrv > 1500 и ReLs = 25 50 | 14,66 | 0,022 | 0,757 | 0,08 | 0,0155 | 0,068 |
| 2SP | ReGrv < 2500 и ReLs = 40 125 | 182,5 | -0,249 | 0,012 | 0,299 | 0,0173 | 0,19 |
| 2SP | ReGrv > 2500 и ReLs = 40 125 | 39,3 | 0,392 | 0,022 | 0,194 | 0,0173 | 0,093 |
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 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 uGrv. При обработке экспериментального материала было найдено, что для насадки 2SP при всех значениях uLs GF зависит от uGrv согласно пропорциональности GF ~ uGrv0,56, причем характер этой зависимости при переходе от ламинарного режима течения газа к турбулентному, который происходит для насадки 2SP при ReGrv = 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 dhG,wetsin/hpe. Было обнаружено возрастание GF с увеличением отношения dhG,wetsin/hpe согласно пропорциональности GF ~ (dhG,wetsin/hpe)0,62.
По результатам исследования предложены уравнения, основанные на гидродинамической аналогии, для определения интенсивности массоотдачи, выражен-
ной числом Нуссельта в газовой фазе
, и высоты единицы переноса в газовой фазе hG для насадки 2SP:
(12)
(13)
Показатель степени n = 0,5 при критерии Прандтля в газовой фазе 
был определен аналитически, основываясь на работах других ис-следователей, при оценке влияния коэффициента диффузии DG на GF.
4.2. Исследование массоотдачи в жидкой фазе.
Анализ экспериментальных данных показал, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе LF интенсивно возрастает с увеличением нагрузки по жидкости uLs, а также не зависит от скорости газа в каналах СН при нагрузках по газу ниже точки подвисания, что соответствовало диапазону рабочих скоростей при проведении экспериментов. По результатам экспериментов, проведенных с насадкой 1SР, нами было установлено, что LF ~ uLs1,59.
На основании анализа литературных данных получено, что LF для пленочных контактных устройств зависит от соотношения толщины пленки жидкости и длины орошаемой поверхности, которое для СН представляется в виде симплекса геометрического подобия ар. Экспериментально было установлено, что LF возрастает с увеличением толщины стекающей пленки жидкости ор, в частности для насадки 1SP, эта зависимость определяется соотношением LF ~ 2,32. С учетом зависимости толщины пленки жидкости от режима ее течения было сделано заключение, что и характер зависимости LF от нагрузки по жидкости будет изменяться при переходе от одного режима течения пленки жидкости к другому*.
По результатам проведенных исследований предложены уравнения для расчета интенсивности массоотдачи, выраженной числом Нуссельта в жидкой фазе
(14а, б), и высоты единицы переноса (15а, б) для насадки 1SP:
__________________________________________________________________________________________
* Дытнерский, Ю.И. Исследование массообмена в жидкой фазе / Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов // Сб. науч. тр.: «Процессы химической технологии. Гидродинамика, тепло- и массопередача» под ред. М.Е. Позина – М.-Л.: Наука, 1965. С. 266 – 270.
Таблица 4
| Диапазон ReLs | Уравнение для NuL | Уравнение для hL |
| 10 25 |  (14а) |  (15а) |
| 25 50 |  (14б) |  (15б) |
Показатель степени n = 0,5 при критерии Прандтля в жидкой фазе 
был определен при оценке влияния коэффициента диффузии на коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, определенного из аналитического решения дифференциального уравнения диффузии.
В пятой главе описана новая конструкция КН 2КР, разработанная с целью улучшения тепломассообменных характеристик существующих СН, и представлены результаты исследования ее гидравлического сопротивления и массоотдачи в газовой фазе.
КН 2КР, сочетающая в себе элементы пленочного и пленочно-капельного насадочных устройств, представляет собой пакеты СН 2SP, разделенные по высоте проставками, выполненными в виде блока регулярно уложенных винтовых элементов. Блоки проставки состоят из 3-х рядов горизонтально уложенных четырехзаходных винтовых элементов из полиэтилена (ПЭВП) диаметром 70 мм, размещенных в ряду параллельно друг другу с зазором, равным диаметру отдельного элемента, и ориентированных по высоте укладки в соседних рядах перпендикулярно относительно друг друга. Основные геометрические размеры КН 2КР приведены в табл. 5.
Размещение проставок между пакетами СН позволяет повысить интенсивность процессов тепло- и массообмена за счет турбулизации газовых потоков, поступающих из замкнутых в поперечном сечении каналов расположенного ниже проставки пакета СН, с помощью дополнительной их закрутки и перемешивания в блоке проставки, а также за счет перераспределения жидкости, поступающей из каналов расположенного выше проставки пакета СН, с помощью ее дополнительного перемещения по поверхности элементов блока проставки в горизонтальном направлении. К тому же с размещением проставки создается дополнительная пленочно-капельная зона контакта фаз, что ведет к увеличению массообменной эффективности насадки и уменьшению капитальных затрат на ее изготовление.
Таблица 5
| Геометрические характеристики | 2КP |
| Удельная поверхность насадки (ар,2КР), м2/м3 | 116,25 |
| Высота блока проставки (hb), м | 0,21 |
| Высота пакета структурированной насадки (hре,2SP), м | 0,5 |
| Свободный объем или пористость (е2КР), м3/м3 | 0,94 |
| Гидравлический диаметр газовых каналов (dhG,2КР), м | 0,0325 |
В результате исследования гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки 2КР, состоящей из 3-х пакетов насадки 2SP n2SP=3, разделенных 2-мя блоками проставок nb=2, обнаружено, что коэффициент сопротивления комбинированной насадки состоит частично из коэффициентов сопротивлений ее структурных элементов, а также коэффициента сопротивления изменения перепада давления dрd. Наличие последнего вида сопротивления газовому потоку в комбинированных насадках связано с визуально обнаруженным новым явлением – квазипульсирующим гидродинамическим режимом, устанавливающимся в насадке за счет разности гидравлических сопротивлений ее структурных составляющих, и чем интенсивнее скорость газа, тем резче происходит смена гидродинамических режимов и тем выше обусловленное этим сопротивление. Как показали экспериментальные данные коэффициент сопротивления изменения перепада давления dрd имеет тенденцию к возрастанию с увеличением скорости газа.
Для вычисления коэффициента сопротивления изменения перепада давления предложено следующее уравнение:
, (16)
где dpd,dry – коэффициент сопротивления изменения перепада давления, зависящий от скорости движения газа через сухую насадку.
Для определения общего коэффициента сопротивления сухой насадки 2КР при ReGе = 1200 7700 предложено следующее уравнение:
(17)
Анализ экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению орошаемой насадки 2КP показал, что переход от ламинарного к турбулентному режиму течения газа происходит при меньших значениях скорости газа, чем в структурированной насадке 2SP, uGs = 1,0 м/с и менее четко выражен. Последнее говорит о том, что и при ламинарном режиме в целом по насадке 2КP при фиктивной скорости газа uGs < 1,0 м/с, соответствующей числу Рейнольдса RеGrv = 3000, имеют место локальные зоны турбулентности. Для каждого из гидравлических режимов предложены уравнения для определения коэффициента сопротивления орошаемой насадки 2КP в диапазоне ReGrv = 1500 7500 и ReLs = 40 150:
при ReGrv < 3000 (18а)
при ReGrv > 3000 (18б)
Рис.2. Сравнение зависимости числа Эйлера орошаемой насадки 2КP от относительной скорости газа в колонне с аналогичными зависимостями для насадки 2SP и проставки из винтовых элементов при различных плотностях орошения.
Исследования массоотдачи в газовой фазе на комбинированной насадке 2КР показали, что на коэффициент массоотдачи в газовой фазе комбинированной насадки влияют те же гидродина-мические и конструктивные пара-метры, что и на GF структури-рованных насадок. Интенсивность массоотдачи в газовой фазе для насадки 2КP предложено опре-делять по уравнению (19), а высоту единицы переноса в газовой фазе – по уравнению (20).
Рис.3. Сравнение зависимости высоты единицы переноса в газовой фазе от критерия Рейнольдса для насадки 2КР, рассчитанной по уравнению (20) с аналогичной зависимостью для насадки 2SP, рассчитанной по уравнению (13) при различных нагрузках по жидкости.
(19)
(20)
В целом по тепломассообменным характеристикам новая конструкция КН превосходит традиционную структурированную насадку, из пакетов которой она частично состоит, во всем диапазоне рабочих нагрузок приблизительно на 25%.
ВЫВОДЫ
1. Разработана физическая модель структурированных насадок из гофрированных листов, и проведено исследование гидродинамических и массообменных характеристик двух видов насадок этого типа, на основании которого разработана методика расчета гидродинамических и массообменных характеристик структурированных насадок из гофрированных листов для рабочих режимов.
2. Получено критериальное уравнение, описывающее зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе для СН 2SP в рабочем режиме от нагрузок по газу и жидкости и соотношения гидравлического диаметра и длины каналов СН.
3. Описана критериальным уравнением зависимость коэффициента массоотдачи в жидкой фазе для СН 1SP в рабочем режиме от нагрузки по жидкости, толщины стекающей пленки жидкости и удельной поверхности насадки.
4. Разработанная методика расчета гидродинамических и массообменных характеристик структурированных насадок из гофрированных листов использована при выполнении проектной организацией ЗАО «ЦНТУ РИНВО» 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».
5. Разработана новая регулярная комбинированная насадка 2КР для тепломассообменных аппаратов, отличающаяся от известных способностью турбулизировать газовые и жидкостные потоки перед входом в следующий по высоте аппарата слой СН, перемешивать жидкостные потоки в поперечном сечении аппарата и как следствие повышать тепломассообменную эффективность известных регулярных насадок. По результатам разработки новой регулярной насадки получен патент на изобретение RU 2300419 C1, опубл. 10.06.2007, бюл. №16.
6. При гидродинамических испытаниях насадки 2КР обнаружено наличие особого гидравлического сопротивления, обусловленного разностью гидравлических сопротивлений структурных составляющих комбинированной насадки, коэффициент которого, названный коэффициентом сопротивления изменения перепада давления, имеет тенденцию к возрастанию с увеличением скорости газа.
7. Установлено, что комбинированная насадка 2КР, состоящая из структурированной насадки 2SP и проставок винтовых элементов, превосходит по тепломассообменным характеристикам структурированную насадку 2SP примерно на 25%.
8. Результаты исследований использованы в качестве расчетных рекомендаций при выполнении проекта реконструкции градирен типа ККТ в системах оборотного водоснабжения здания ФГУП центр «Звездный».
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Дмитриева, Г.Б. Исследование и разработка структурированных насадок массообменных колонн / Г.Б. Дмитриева, М.Г. Беренгартен, М.И. Клюшенкова // VII международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств». Москва, 14-15 мая 2003 г. – С. 84-85.
- Дмитриева, Г.Б. Эффективные конструкции структурированных насадок для процессов тепломассообмена / Г.Б. Дмитриева, М.Г. Беренгартен, М.И. Клюшенкова, А.С. Пушнов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2005. – №8. – С. 15-17.
- Дмитриева, Г.Б. Расчет гидродинамических параметров регулярных структурированных насадок / Г.Б. Дмитриева, М.Г. Беренгартен, М.И. Клюшенкова, А.С. Пушнов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2005. – №12. – С. 5-9.
- Дмитриева, Г.Б. Тепломассооменные и гидродинамические испытания новой эффективной комбинированной насадки тепломассообменных аппаратов / Г.Б. Дмитриева, А.С. Пушнов, М.Г. Беренгартен, В.Ю. Поплавский, Ф. Маршик // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2006. – №7. – С. 8-10.
- Дмитриева, Г.Б. Сравнение тарельчатых и насадочных контактных устройств колонных аппаратов / Г.Б. Дмитриева, М.Г. Беренгартен, А.М. Каган, А.С. Пушнов, А.Г. Климов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2007. – №1. – С. 9-10.
- Регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов: пат. RU 2300419 C1, МПК7 В 01 J 19/32, В 01 D 53/18 / Дмитриева Г.Б., Беренгартен М.Г., Пушнов А.С., Поплавский В.Ю.; заявитель и патентообладатель Московский государственный университет инженерной экологии – №2005132756/15; заявл. 25.10.2005; опубл. 10.06.2007, Бюл. №16 – 8 с.: ил.
