close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Гидравлические и массообменные характеристики насадок Инжехим для контакта газа и жидкости в колонных аппаратах

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ФАРАХОВ МАРАТ МАНСУРОВИЧ
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И МАССООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
НАСАДОК «ИНЖЕХИМ» ДЛЯ КОНТАКТА ГАЗА И ЖИДКОСТИ В
КОЛОННЫХ АППАРАТАХ
05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань – 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Казанский государственный
энергетический университет».
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Лаптев Анатолий Григорьевич
Сидягин Андрей Ананьевич, доктор технических наук, доцент, Дзержинский политехнический
институт (филиал) федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Нижегородский государственный
технологический университет им. Р.Е. Алексеева»,
профессор кафедры технологии и оборудования химических и пищевых производств
Беренгартен Михаил Георгиевич, кандидат
химических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Московский политехнический университет», профессор кафедры процессов и
аппаратов химической технологии
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Волгоградский государственный технический университет»
Защита состоится 21 декабря 2018 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.080.15, созданного на базе ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (420015 г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68,
ауд. А-233).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и по адресу
http://www.kstu.ru/servlet/contentblob?id=253850 .
Автореферат разослан «
»
2018 г.
Учёный секретарь диссертационного
совета Д 212.080.15,
кандидат технических наук
Минибаева
Лилия
Радиковна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Президентом РФ поставлена задача импортозамещения в промышленности и в частности в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК), которая подразумевает уменьшение зависимости от внешних поставок. При решении задач импортозамещения должна обеспечиваться высокая энергоэффективность и технологичность
оборудования. В промышленных колонных аппаратах химической технологии наибольшее
применение получили различные типы тарелок и насадок. Выбор типа контактных устройств
зависит от условий организации процессов, связанных с расходами фаз, давления в аппарате,
требованиям к качеству разделения, теплофизических свойств смесей и ряда других факторов. Обычно для колонн, работающих под давлением ниже атмосферного (вакуумных), используются регулярные насадки с небольшим гидравлическим сопротивлением. Для атмосферных колонн и колонн, работающих под давлением, применяют барботажные тарелки и
нерегулярные насадки. При очистке больших объемов газовых выбросов – вихревые аппараты. При выборе контактных устройств или разработки новых типов необходимо учитывать, что при увеличении размеров колонн эффективность процессов начинает снижаться,
что получило название «масштабного эффекта». В аппаратах большего диаметра (>2-3 м)
усиливаются гидродинамические неоднородности, появляются застойные зоны и байпасные
потоки. В ряде случаев «масштабные эффекты» могут снизить коэффициент полезного действия контактных устройств в 2-3 раза и более по сравнению с аппаратами небольшого размера. Широко используются, насадочные элементы как зарубежных, так и отечественных
фирм, например, нерегулярные насадки HY-PAK, CASCADE-RINGS, «Инжехим», ГИПХ,
Гиап и регулярные – INTALOX, Sulzer, Koch, «Инжехим», Norton, «Меллапак», «ПЕТОН»,
«Вакупак», «Кедр» и др.
Диссертационная работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации научной школы НШ – 9771.2016.8 под руководством А.Г. Лаптева «Математические модели и импортозамещающие модернизации аппаратов разделения смесей и очистки газов и
жидкостей в нефтехимическом комплексе и энергетике» (2016-2017 г.г.), а также в рамках
базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (№13.6384.2017/БЧ).
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в создание и развитие
конструкций контактных устройств, а также в математическое моделирование тепломасообменных процессов в двухфазных средах внесли многочисленные отечественные и зарубежные ученые: Жаворонков Н.М., Кафаров В.В., Дильман В.В., Кулов Н.Н., Соломаха Г.П.,
Холпанов Л.П., Чехов О.С., Плановский А.Н., Рамм В.М., Дьяконов С.Г., Николаев Н.А., Каган А.М., Покусаев Б.Г., Павленко А.Н., Глебов М.Б., Елизаров В.И., Тарат Э.Я., Данквертс
П.В., Хьюит Дж, Холланд Ч.Д. и многие другие.
Однако, несмотря на значительные успехи в области конструирования и моделирования контактных устройств колонных аппаратов, требуется продолжение исследований из-за
постоянных изменений требований к экономичности, энергоэффективности и экологической
безопасности производств, а также импортозамещением оборудования.
Объект исследования. Массообменные колонные аппараты с новыми хаотичными и
регулярными насадками.
3
Целью диссертационной работы является: на основе использования методов физического и математического моделирования гидродинамических и массообменных процессов
создать новые высокоэффективные конструкции хаотичной и регулярной насадок, получить
обобщенные экспериментальные данные по гидравлическим и массообменным характеристикам разработанных контактных устройств; внедрить насадки на предприятиях нефтехимического комплекса и ТЭС.
Для реализации цели исследования в диссертации поставлены и решены следующие
задачи исследования:
1. Разработать математическую модель массообмена в насадочном слое с учётом неравномерности поперечного распределения фаз в противотоке газа (пара) жидкости на основе
зонной модели, моделей пограничного слоя и аналогии переноса импульса и массы. Выполнить расчеты массообменных характеристик различных типов контактных устройств и сравнить с экспериментальными данными.
2. На основе анализа физических процессов в насадочном слое разработать оригинальные конструкции нерегулярной и регулярной металлических насадок.
3. На экспериментальных стендах получить данные по гидравлическому сопротивлению, предельным нагрузкам, задержке жидкости разработанных насадок и эффективности
массообмена. Обобщить полученные результаты в виде расчетных выражений и графиков.
4. Выполнить выбор контактных устройств для опытной установки ректификации в производстве синтетического каучука (СКЭПТ). На горячем стенде провести серию экспериментов и выбрать режимные и конструктивные характеристики проведения процесса.
5. Выполнить расчеты и разработать технические решения по модернизации термического деаэратора на Казанской ТЭЦ–3 с применением разработанных контактных устройств.
Внедрить наиболее эффективную конструкцию.
Методы исследования. В работе использовались методы численного решения системы дифференциальных уравнений, теории пограничного слоя, а так же экспериментальные исследования гидравлических характеристик контактных устройств на «холодном»
стенде и массообмена на стендах ректификации.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
1. Представлены математические модели массопереноса в хаотичном насадочном слое в
условиях противотока при плёночном режиме жидкой фазы и турбулентном движении газа
с учётом неравномерности распределения фаз. Предложено использование зонной модели
насадки, состоящей из параллельных зон с описанием диффузионными моделями с учётом
неравномерности профилей скорости газа и жидкости и гидравлического сопротивления зон.
2. Рассмотрен турбулентный пограничный слой газового потока на межфазной поверхности с плёнкой жидкости на хаотичной насадке. На основе применения модели диффузионного пограничного слоя с функциями турбулентной вязкости Дайслера получено выражение
для расчета среднего коэффициента массоотдачи в газовой фазе нерегулярного насадочного
слоя при плёночном режиме, который учитывает неравномерность профиля скорости газа по
зонам за счёт гидравлического сопротивления.
4
3. Проведены экспериментальные исследования на холодном и горячем стендах, разработанных неупорядоченной и регулярной насадок. Получены и обобщены данные по перепаду давления, предельным нагрузкам, задержки жидкости в слое и высоте эквивалентной
теоретической ступени (тарелки) (ВЭТТ). Исследованы гидродинамические режимы работы
слоя с новыми насадками и обобщены полученные результаты.
Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы:
1. В результате применения зонной модели массопереноса в насадке показано влияние
неравномерности распределения фаз на эффективность массопередачи. Сделан вывод, что
неравномерности профилей скоростей газа и жидкости снижают эффективность насадочных
колонн на 25-35% и более в зависимости от нагрузок по фазам. Разработанная модель может
использоваться для диагностики эффективности работы промышленных колонн, а также при
проектировании новых.
2. На основе анализа известных конструкций нерегулярных и регулярных насадок, а
также с применением методов физического и математического моделирования, выполнена
разработка и патентование двух типов насадочных элементов (хаотичной и регулярной
насадки).
3. Разработаны различные научно – технические решения по модернизации промышленных колонных аппаратов в химической технологии и энергетике. Выполнен анализ технических решений, выбраны наиболее эффективные конструкции, обеспечивающие повышение
эффективности массопередачи на 15-20% по сравнению с известными аналогами.
4. На экспериментальных стендах исследован процесс ректификации в колоннах с новыми насадками и выбраны условия проведения процессов для производства синтетического
каучука (СКЭПТ). Выполнено внедрение на АО «Нижнекамскнефтехим».
5. Внедрена разработанная хаотичная насадка в термическом деаэраторе ДСА-300 на Казанской ТЭЦ - 3. Получено повышение эффективности очистки воды от растворенного кислорода до требуемой нормы при нагрузках по воде от 130 до 345 т/час.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена применением
аттестованных и апробированных методов экспериментальных исследований на стендах.
Применением систем дифференциальных уравнений переноса, модели турбулентного пограничного слоя, диффузионной модели структуры потока и согласованием результатов расчетов с опытными данными, полученными другими исследователями, а также с результатами
промышленной эксплуатации аппаратов с новыми насадками после внедрения.
Автор защищает: модели массообмена в насадочном слое; разработанные конструкции насадок; результаты экспериментальных исследований и обобщающие зависимости гидравлических и массообменных характеристик разработанных контактных устройств; результаты применения контактных устройств в нефтехимической промышленности и на ТЭС (тепловых станций).
Личное участие. Выполнен литературный обзор, составлена математическая модель
массообмена, разработаны конструкции и проведены экспериментальные исследования контактных устройств, сделано обобщение результатов, разработаны технические решения по
применению результатов работы на промышленных предприятиях и ТЭС.
5
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международная научно – практическая конференция. «Новые задачи технических наук и
пути их решения», г. Уфа, 2014.; XIV научно-практическая конференция «Современные тенденции развития науки и технологии», г. Белгород 2016.; Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ – 29. С. – Петербург, 2016.;
XI Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» – г. Казань
2016.; Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии» (XIX Бенардосовские чтения) – г. Иваново, 2017 г.; XXX
Международная научно-практическая конференция «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследования» – г. Новосибирск, 2017.
Научные публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 работах, из них 6
статей в журналах из перечня ВАК, глава в монографии, 3 патента и 6 тезисов докладов на
различных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы из 173 наименований и приложение со справками и
актами о внедрении. Общий объем диссертации составляет 165 страниц, 46 рисунков и 19
таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во ведении сформулированы цели работы, задачи исследования и научная новизна.
В первой главе дан обзор работ по теме исследования. Рассмотрена классификация
массообменных контактных устройств и области их применения в химической технологии.
Представлены основные принципы конструирования насадок и их гидравлические характеристики, а также подходы к моделированию процессов массообмена. Большой вклад в решение данных задач внесли Кафаров В.В., Кулов Н.Н., Плановский А.Н., Систер В.Г., Каган
А.М., Рамм В.М., Беренгартен М.Г., Пушнов А.С. Павленко А.М., Комиссаров Ю.А., Голованчиков А.Б., Олевский В.М., Данквертс П.В. и многие другие видные учёные.
Во второй главе рассматриваются процессы массообмена между газом (паром) и жидкостью в стационарных насадочных слоях при противотоке фаз в промышленных колонных
аппаратах. Для расчета полей концентраций компонента в газовой и жидкой фазах представлена двумерная математическая модель при турбулентном движении газа и противоточном
течении пленки жидкости по насадкам.
Профили концентраций компонентов находятся из решения системы дифференциальных уравнений массопереноса, записанных для цилиндрического канала с объемным межфазным источником массы.
В расчетах аппаратов со стекающей пленкой жидкости по вертикальным каналам (трубам), когда значение площади межфазной поверхности и пространственное расположение
границы раздела фаз известно, систему дифференциальных уравнений переноса записывают
отдельно для газа и жидкости с условиями сопряжения на границе (граничные условия четвертого рода и условия термодинамического равновесия). Такой подход с некоторыми приближениями можно использовать и для некоторых конструкций регулярных насадок. Однако
6
в хаотичном насадочном слое задать граничные условия на каждом контактном элементе
практически невозможно. Причем число таких элементов в промышленной колонне может
составлять несколько миллионов. В таких случаях используют модель массопереноса с
усреднёнными объемными источниками.
Каждая фаза рассматривается как сплошная среда, характеризуемая своими полями
скоростей, давления, концентраций и температур (подход J.Hirschfelder, А.Ф. Колесникова,
Л.И. Седова, Р.И. Нигматулина и других). Тогда описание явлений переноса в многофазной
системе сводится к заданию условий совместного движения фаз и определению осреднённых
величин, описывающих межфазные взаимодействия.
Представляя хаотичный насадочный слой в вертикальном направлении движения газового потока условно в виде цилиндрического канала, с учетом взаимодействия фаз (стока
или притока массы компонента вещества) в форме объемных источников массы, записана
система уравнений массопереноса в цилиндрических координатах (турбулентный режим):
Cг 1  
C   
C 

r(Dт  D)г г    Dт  Dг г   Rcv ,

x r r 
r  x 
x 
(1)
Cж 1  
C   
C 

r(Dт  D)ж ж    Dт  Dж ж   Rcv ,

x r r 
r  x 
x 
(2)
Wг (r)
Wж (r)
где Wж , Wг – скорости газа и жидкости, м/с; D, Dт – коэффициенты молекулярного и турбулентного переноса массы (диффузии) м2/с; Cг , Cж – концентрации перераспределяемого
компонента в газовой и жидкой фазах; r – радиальная координата, м; x – вертикальная
координата, м; Rcv – объемный межфазный источник массы; индексы: г – газ, ж – жидкость.
Знак  - сток или приток массы компонента.
Известно, что если модифицированное диффузионное число Пекле Peж  20 , то можно
принять модель идеального вытеснения по жидкой фазе. Тогда для канала с насадкой уравнения массопереноса для газовой и жидкой фаз получат вид
Wг (r)
Cг 1  
C 

r ( Dт  D )г ( r ) г   Rcv ,

x
r r 
r 
dCж
  Rcv .
dx
– объемный источник массы компонента:
Wж
В правой части уравнений Rcv
Rcv  ( Kог F (Cг  Cг* )) / Vсл , Cг*  f (Cж )
(3)
(4)
(5)
где Ког – коэффициент массопередачи; C * – равновесная концентрация; Vсл – рабочий объем
слоя; F – поверхность массопередачи, м2. Коэффициент массопередачи вычисляется по
уравнению аддитивности межфазных сопротивлений.
Для определения среднего коэффициента турбулентной диффузии в ядре потока газовой фазы в насадочном слое примем  т  Dт , а коэффициент турбулентной вязкости  Т для
7
хаотичных насадок с применением модели изотропной турбулентности имеет вид
 т  3,87  г  Reг ,где  - коэффициент гидравлического сопротивления
насадки, нахо-
дится, как правило, экспериментально; Re г  Wг d э /  т – число Рейнольдса для газовой фазы;
Wг -средняя скорость газа в слое насадки, м/c; dэ – эквивалентный диаметр насадки, м.
Таким образом, система уравнений (3)-(4) при использовании условия равновесия
Cг*  f (Cж ) является замкнутой и при назначенных граничных условиях решается численными методами, (например, методом прогонки). Результатом решения являются профили
концентраций в газовой и жидкой фазах, что дает возможность вычислить эффективность
массопередачи в насадочной колонне.
На основе подхода, подробно рассмотренного в работах Дьяконова С.Г., Лаптева А.Г.,
Башарова М.М. и других, получены расчетные выражения для средних коэффициентов массоотдачи в сухих и орошаемых хаотичных насадочных слоях. Подход заключается в использовании консервативности законов турбулентного пограничного слоя к различным возмущениями, на которые одними из первых обратили внимание С.С. Кутателадзе и А. И. Леонтьев.
Влияние возмущений слабо влияет на форму математического описания явлений переноса и
поэтому они учитываются параметрически.
Для определения коэффициента массоотдачи в газовой фазе βг записано сопротивление
переносу массы в пограничном слое на межфазной поверхности в виде
(6)
1 
j dy
,

 г 0 D  Dт  y 
где j- относительный поток массы, j *  j jгр ; δ – толщина пограничного слоя, м; у – поперечная координата в пограничном слое, м; βг – коэффициент массоотдачи газовой фазы,
м/с.
Функции турбулентной диффузии Dт ( y) использованы из трехслойной модели турбулентного пограничного слоя Дайслера с учетом затухания турбулентных пульсаций в вязком
подслое. После интегрирования (6) получено
1
(7)
 1  b 2  b2

b 2
 2arctg 2
 ln
2
 R  
2b  1
1

b
2

b

г  u

R
ln
5

2,5ln
  ,
1

0,124 R13b3  2
 R2  




1
где b  (0,124  R1  Scг ) ; Scг -число Шмидта; Scг   г / Dг ; R1  u 1 /  г ; R2  u 2 /  г -
безразмерные толщины вязкого подслоя и буферной области,
; R  u /  - безразмерная
толщина пограничного подслоя; u – динамическая скорость на межфазной поверхности в
газовой фазе, м/с.
В результате определения параметров R1 , R2 , R и u для хаотичных насадок из формулы
(7), получено выражение:
8
0,25
0,66
 P W v 
 Dг 
г
г
г
(8)
г  0,18 
,



 H г 
v
 г


В полученном выражении особенности конструкции насадки учитываются за счет гидравлического сопротивления ΔР (Па); Н- высота слоя насадки, м.
Результаты расчетов по формуле (8) даны на рисунке 1, где Shэ   г d э / Dг .
На рисунке 2 даны результаты расчета высоты эквивалентной теоретической тарелки
(ступени) – ВЭТТ, полученной с использованием расчетного профиля концентрации из решения системы уравнений (3), (4) для процесса ректификации.
Рис. 1– Корреляция данных по массоотдаче в газовой фазе насадочных колонн: 1 – сплошная линия, расчет по уравнению (8); 2 – эксперимент Гильдентлата.
Возгонка нафталина и испарение воды в
колонне с кольцами Рашига
Рис. 2– Зависимость ВЭТТ-1 от фактора
скорости Fv . Ректификация смеси метанол–этанол в насадочной колонне: точки – эксперимент;
линия –расчет (L/G = 1, Dk = 0,5 м, H = 2 м);
кольца Палля 25 мм, (ВЭТТ - высота эквивалентная теоретической тарелке, м)
В результате можно сделать вывод о том, что представленная математическая модель
удовлетворительно согласуется (10-20%) с расчетами по другим уравнениям, с экспериментальным данным различных авторов и рекомендуется к использованию при проектировании
или модернизации массообменных колонн с новыми насадками.
В третьей главе выполнена разработка двух типов насадок.
При разработке конструкций регулярных и нерегулярных насадочных элементов учитывались и анализировались реальные физические процессы, происходящие при массообмене. Так, например, известно, что при ректификации большинства смесей и абсорбции
легко растворимых газов сопротивление массопередаче от 60 до 90% сосредоточено в паровой фазе. В этих случаях организуется интенсивная турбулизации паровой (газовой) фазы за
счет различных конструктивных решений по форме насадки. Если основное сопротивление
массопередаче сосредоточено в жидкой фазе, то необходима организация волнового и даже
турбулентного пленочного течения по элементам насадки.
9
Элемент разработанной в диссертации насыпной насадки для массообменных аппаратов выполнен в виде полого тела вращения, поверхность которого образована расположенными одна против другой выгнутыми наружу полосами листового материала со смежными
полосами и ребрами вдоль тела вращения. Предложенный элемент отличается тем, что одна
против другой выгнутые наружу полосы листового материала выполнены параллельными,
профилированными и смещены относительно друг друга на ширину полосы, а ребра выполнены закругленными (рис. 3). Конструктивные характеристики насадки даны в таблице №1.
Таблица 1 – Основные характеристики нерегулярной насадки «Инжехим-2012»
Условный диаметр насадки, d, мм
8
12
16
24
35
45
60
Количество в 1м3, тыс. шт.
1640
435
184
65
18,8
11,55
4,5
Удельная масса, кг/м3
800
560
391,9
246,7
202,1
190
258
Удельная поверхность насадки, av, 596
м2/м3
416
269
166
107
101
69
Свободный объем насадки, εсв, м3/м3 0,90
0,93
0,94
0,96
0,97
0,97
0,97
Эквивалентный диаметр, dэ, мм
12
14
23
36,5
38,6
55,5
9
Гидравлические испытания насадок проводились на экспериментальной установке диаметром 600 мм, высота колонны 2600 мм, число точек орошения составляло 1030 шт/м2. Исследования выполнялись на системе воздух – вода при высоте слоя 1 м. Фиктивная скорость
газа в колонне достигала 5,82 м/с, плотность орошения составляла от 2,5 до 90 м3/(м2час).
Установка, схема которой представлена на рис. 4, состоит из колонны 1, в которую
укладывается насадка 2, воздуходувка 3, ротаметр 4 для измерения расхода воды и диафрагмы 5 для измерения расхода воздуха, U-образного дифманометра 6 для измерения перепада
давления в слое насадки. В колонне расположены следующие
внутренние устройства: распределитель жидкой фазы 7, распределитель газовой фазы 8, отбойник 9. Колонна выполнена
из оргстекла, что позволяет визуально оценивать границы гидродинамических режимов.
Сопротивление слоя сухой насадки определяется по известному уравнению ДарсиВейсбаха:
(9)
Н  г wг2
,
Рсух   0
dэ 2
где Рсух  гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па;  0 – коэффициент сопротивления сухой насадки; H – высота слоя насадки, м; г – плотность газа, кг/м3.
10
Рис.4 – Схема экспериментальной установки
В выражении (9) 0  А  Re-гв , где A и B – эмпирические константы.
В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов
установлены следующие значения: для d = 8мм и
d = 16мм: А = 9,1 и В = 0,135; для d =
24, 35, 45, 60 мм: А = 5,59 и 0,05.
При работе колонны в пленочном режиме для определения гидравлического сопротивления орошаемой насадки использовано известное выражение
(10)
ΔPор
 10bU ,
ΔPсух
где U - плотность орошения, м3/(м2ч); b - эмпирический коэффициент.
Ниже приведены графические зависимости (рис. 5, 6) и обобщения полученных экспериментальных данных для разработанной насадки с различным номинальным диаметром.
Фактор скорости имеет вид Wг ρ г , Па0,5.
В результате для орошаемых насадок получено: d=8 мм и d=16 мм: b=0,035; для 24-60
мм: b=0,002. Среднее отклонение от эксперимента ± 16% при пленочном режиме работы.
11
Рис. 5 – Зависимость перепада давления от фактора скорости и расхода жидкости
для насадки d=8мм (dэ=0,006м)
Рис. 6 – Зависимость перепада давления от фактора скорости и расхода жидкости
для насадки d=45мм. (dэ=0,038м.)
12
В результате анализа полученных данных сделаны следующие выводы: новая насадка
имеет широкий интервал рабочих скоростей в условиях газовой и жидкой фаз при пленочном
режиме; режим подвисания начинается при скорости газа 1,7  2,5 м/с в зависимости от плотности орошения (система воздух – вода); началу режима захлебывания соответствует перепад давления на 1м слоя насадки около 1000 Па. Установлено, что сопротивление сухого слоя
новой насадки в 1,5-2 раз ниже, чем у колец Палля аналогичного размера.
Уравнение Бэйна и Хоугена для новой насадки получено в виде:
0,125
0,25
(11)
 Wз2 av г  0,16

 г 
L
ж
lg 
,
  0, 48  1, 07  


 g 3 
G
 ж 
св ж


где L,G – массовые расходы жидкости и газа, кг/с; W з – скорость захлебывания, м/с; ж –
динамический коэффициент вязкости, мПа. Wг ρ0,5, Па0,5
Выполнено исследование задержки жидкости методом отсечки питания. Выражение
для расчета динамической составляющей задержки жидкости в слое насадки обобщено в
0,35
форме:  жд  0, 65 Re 0,49
. Выражение получено при d э  0, 015  0, 038 м , при пленочж Ga


ном режиме; Re ж  4q /  ж аv ; Ga  g /  2ж а v2 – критерий Галилея, q- плотность орошения,
м3/м2с.
В диссертации разработана и запатентована конструкция регулярной рулонной гофрированной насадки «Инжехим» (РГН) из гофрированных металлических сетчатых лент, которые скручиваются в рулон с перекрестным расположением смежных гофр (av= 515 м2/м3).
Экспериментальное исследование сопротивления сухой насадки проводилось при скорости газа от 0,95 м/с до 3 м/с. Сопротивление слоя сухой насадки определяется по уравнению (9).
Коэффициент гидравлического сопротивления сухой насадки РГН-5 (5мм-высота
гофры) получен в виде ξ0=0,18Reг0,14. Относительная погрешность аппроксимации экспериментальных данных составляет от 1,0 до 12 %. Среднее квадратичное отклонение 3,9%.
На рисунке 7 представлены общий вид и основные размеры гофра насадки. Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой насадки определялось при изменении скорость воздуха от 0,75 до 3 м/с и плотности орошения q от 7,5 до 30 м3/м2·ч. В результате обработки
массива экспериментальных данных получено следующее выражение для определения гидравлического сопротивления орошаемой насадки РГН-5:
(12)
 P  0,039W 0,708 q 1,16  1  P .
ор


г
сух
Рис. 7 Регулярная рулонная гофрированная насадка «Инжехим»; 1 - гофры
смежных листов, 2 - центральный пакет, 3 остальные пакеты
На рис. 8 представлено сравнение экспериментальных данных с расчетом по уравнению
(12).
13
Рис. 8 – Удельное гидравлическое сопротивление насадки РГН-5 в зависимости от плотности орошения и фактора скорости: маркеры – эксперимент, линии – расчет по (12)
Исследования массообмена проводились на ректификационной установке с бинарной
системой этанол-вода. Выполнены экспериментальные исследования массообменных характеристик насадок на экспериментальной ректификационной установке с внутренним диаметром колонки 98 мм; высотой слоя насадки 3 м при бесконечном флегмовом числе. Результаты
исследований приведены в таблице 2.
Таблица 2– Режимные и массообменные характеристики насадок
Фактор
Плотность
Число
Скорость
пара, F,
орошения, q,
ВЭТС,
Насадка
теоретических
3
2
пара w , м/с
м/с
м /(м час)
м
тарелок
3 0.5
(кг/м )
Инжехим-16
1,47
2,08
14,173
12
0,25
Регулярная
1,53
2,17
14,79
7
0,43
Регулярная
(тонкая сетка)
1,47
2,08
14,173
7
0,43
Регулярная
насадка (тонкая
0,40
0,57
3,868
1.5
2
сетка) при
пониженной
нагрузке
В качестве альтернативы насадкам в диссертации рассмотрена разработанная и запатентованная совместно с Крыловой А.Н. барботажно-струйная тарелка с переменным свободным сечением по длине пути жидкости для прохождения газа. Выполнено экспериментальное исследование гидравлического сопротивления сухой тарелки, получен коэффициент
сопротивления   1, 4 . Дан алгоритм расчета эффективности массопередачи разработанной
тарелки.
Четвертая глава посвящена практическому применению разработанных контактных
устройств в процессах ректификации и десорбции труднорастворимых газов.
Рассматривается один из элементов технологического модуля ректификации для отработки режимов очистки возвратного растворителя и мономеров, используемых для синтеза
14
этилен-пропиленовых каучуков на ПАО «Нижнекамскнефтехим». Высота модуля жестко
ограничена габаритами производственного помещения.
Для достижения требуемой разделительной способности колонны испытана разработанная насадка – «Инжехим 2012». На горячем стенде проведены серии экспериментов с целью выбора для данного процесса размера насадки. Эксперименты проводились на смеси
ацетон-вода для двух типов насадки различного типоразмера. Для насадок были определены
зависимости ВЭТС и гидравлического сопротивления от гидродинамических параметров работы (фактора пара и плотности орошения). Экспериментальные данные подтвердили, что
нерегулярные насадочные элементы обладают лучшими массообменными характеристиками
по сравнению с регулярными насадками, но имеют более высокое гидравлическое сопротивление.
Колонна с нерегулярной насадкой «Инжехим 2012» (условный диаметр 12), обеспечила
максимальную разделяющую способность. Полученные результаты сведены в таблице 3.
Таблица 3– Характеристики работы колонны регенерации растворителей
Рабочая
Плотность
Нагрузка
Объемный
Фактор пара,
ВЭТТ,
∆P,
скорость
орошения,
3
3 0.5
куба, кВт. расход, м /с.
м/с (кг/м ) .
м.
кПа
пара, м/с.
м3/(м2 час).
5,3
0,005335
0,71
1,00
6,83
0,300
1,11
8,0
0,008087
1,07
1,52
10,36
0,200
1,38
9,3
0,009362
1,24
1,76
11,99
0,230
1,50
11,2
0,011275
1,50
2,12
14,44
0,273
2,34
С применением разработанной хаотичной насадки "Инжехим 2012" создана экспериментальная установка в филиале НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», которая используется в НИР
аспирантов и магистрантов.
В последнем разделе четвертой главы диссертации рассмотрены технические решения
по модернизации термического деаэратора с применением разработанных тарелок и насадок.
Показаны результаты внедрения разработанной хаотичной насадки «Инжехим 2012» с
d=60мм в колонне термического деаэратора на Казанской ТЭЦ-3. В результате повышена
эффективность десорбции О2 из воды в 3-4 раза (до требуемой нормы).
Основные результаты и выводы:
1. Разработана математическая модель массопереноса в газовой и жидкой фазах в слое
хаотичной насадки с применением системы дифференциальных уравнений с частными производными. Рассмотрены два случая: двумерная система дифференциальных уравнений и
зонная модель структуры потока. Сделан вывод, что для решения практических задач по расчету эффективности промышленных колонн наиболее приемлем второй случай моделирования. Выполнены численные решения системы уравнений и показаны согласования с экспериментальными данными различных авторов по профилю концентрации и высоте эквивалентной теоретической тарелке. По зонной модели показано влияние профиля скорости газа
в поперечном сечении на распределение концентраций и эффективности процесса.
15
2. Для определения коэффициентов массоотдачи в слоях с новыми насадками приведены выражения для ламинарной безволновой и ламинарной волновой пленок на поверхности насадок (массоотдача в жидкой фазе). С применением модели диффузионного пограничного слоя получено выражение для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе. Показано согласование с экспериментальными данными для различных насадок.
3. Выполнена разработка двух типов контактных устройств газ-жидкость: нерегулярной и регулярной металлических насадок.
4. Проведены экспериментальные исследования разработанных контактных устройств
на «холодном» и «горячем» стендах (колоннах). Сделаны обобщения экспериментальных
данных по гидравлическому сопротивлению, предельным нагрузкам, задержке жидкости и
эффективности массообмена.
5. С применением в ректификационной колонне нерегулярной насадки разработана лабораторная установка для НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», которая используется в НИР и учебном процессе.
6. Рассмотрены производственные задачи по применению разработанных контактных
устройств для технологического модуля ректификации опытной установки производства
СКЭПТ (этилен-пропиленовых каучуков) на ПАО «Нижнекамскнефтехим». Выполнено
внедрение насадок.
7. Показан пример внедрения разработанной хаотичной насадки в термическом деаэраторе Казанской ТЭЦ-3. В результате замены устаревших контактных устройств на новую
насадку повышена эффективность массопередачи в 3-4 раза (до требуемой величины по остаточному содержанию кислорода в воде) в широком интервале нагрузок.
8. Разработанные контактные устройства и математическая модель массообмена могут
использоваться при проектировании или модернизации колонных аппаратов в различных отраслях промышленности и применяются в ООО «Волга НИПИТЭК» (г. Самара) при проектировании массообменного оборудования на предприятиях ТЭК.
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:
1.
Фарахов, М.М. Гидравлические характеристики хаотичной насадки «Инжехим» для контакта газа и жидкости / М.М. Фарахов, Т.М. Фарахов, А.Г. Лаптев // Фундаментальные исследования. – 2018. - №3. – С.24-28.
2.
Фарахов, Т.М. Обобщенные гидравлические и массообменные характеристики
новых контактных насадок колонных аппаратов / Т.М. Фарахов, М.М. Фарахов, Е.А. Лаптева
// Химическая промышленность сегодня. – 2016. – №2. – С. 60-56.
3.
Фарахов, М.М. Метод эквивалентного канала в моделировании массопереноса
в хаотичных насадочных слоях / М.М. Фарахов, А.Г. Лаптев, Т.М. Фарахов// Фундаментальные исследования. – 2014. – №9-10. – С. 2148-2152.
4.
Лаптев, А.Г. Модернизация термических деаэраторов на ТЭЦ / А.Г. Лаптев,
И.Ю. Силов, А.Н. Долгов, М.М. Фарахов // Энергосбережение и водоподготовка. – 2013. –
№2(82). – С. 12-14.
16
5.
Бурмистров, Д.А. Массообменные характеристики нерегулярной насадки Инжехим / Д.А. Бурмистров, М.М. Фарахов, А.В. Малыгин, А.В. Клинов // Вестник Казанского
технологического университета. – 2011. – №11. – С. 74-77.
6.
Бурмистров, Д.А. Гидродинамические характеристики новой регулярной гофрированной насадки / Д.А. Бурмистров, М.М. Фарахов, М.И. Фарахов, А.В. Клинов // Вестник Казанского технологического университета. – 2010. – № 7. – С. 310-314.
Глава в монографии:
7.
Лаптев, А.Г. и др. Энерго- и ресурсосберегающие технологии и аппараты
очистки жидкостей в нефтехимии и энергетике (глава № 7,.С.284-314) [Текст]: монография /
А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, М.М. Башаров, Л.А. Николаева, Фарахов М.М. и др.; под ред. А.
Г. Лаптева. – Казань: Отечество, 2012. - 410 с.– ISBN: 978-5-9222-0532-0.
Патенты:
8.
Пат. 102200 Рос. Федерация. МПК В01J 19/30 Элемент насыпной насадки для
массообменных аппаратов / Асибаков Л.И., Бурмистров Д.А., Кузнецов В.А., Фарахов М.М.,
Шигапов И.М. – ООО «Инженерно-внедренческий центр «ИНЖЕХИМ» – №2010135271/05,
заявл. 23.08.2012, опубл. 20.02.2011.
9.
Пат. 113175 Рос. Федерация. МПК B01J 19/30 Элемент насадки для массообменных аппаратов (варианты)/ Ахметзянов Н.М., Ахметзянов Н.Н., Бурмисторов Д.А., Фарахов М.М. ООО «Инженерно-внедренческий центр «ИНЖЕХИМ» – № 2011100339/05, заявл.
11.01.2011, опубл. 10.02.2012
10.
Пат. 116064 Рос. Федерация. МПК B01D 3/18 Структурированная контактная
газожидкостная тарелка/ Лаптев А.Г., Крылова А.Н., Фарахов М.М. ООО «Инженерно-внедренческий центр «ИНЖЕХИМ» – №2011151350/05; заявл. 15.12.2011, опубл. 20.05.2012.
Публикации в других журналах, научных сборниках, материалах конференций:
11.
Фарахов, М.М. Конструирование высокоэффективных массообменных
устройств газожидкостного контакта / М.М. Фарахов, Е.А. Лаптева // XVIнаучнопрактическая конференция «Современные тенденции развития науки и технологии» г. Белгород: сборник. – 2016. №7-2. – С. 72-77.
12.
Лаптева, Е.А. Определение эффективности тепло- и массообмена в барботажных аппаратах по диффузионной модели / Е.А. Лаптева, М.М. Фарахов, Г.К. Шагиева // Научные исследования. – 2016. – №7(8). – С. 6-10.
13.
Фарахов, М.М. Определение коэффициентов массоотдачи в газовой фазе орошаемых насадочных колонн в противотоке / М.М. Фарахов, А.Г. Лаптев. // Международный
журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – №9-2. – с. 50-53.
И другие публикации, в материалах конференций.
17
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 672 Кб
Теги
контакты, насадок, массообменных, колонные, характеристика, аппарата, инжехим, гидравлический, жидкости, газа
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа