CC BY
17
УДК 66.011
О. С. Дмитриева, А. В. Дмитриев, И. Н. Мадышев
АНАЛИЗ СОУДАРЕНИЯ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ, СТЕКАЮЩИХ ЧЕРЕЗ ДНО СТРУЙНО-БАРБОТАЖНОГО КОНТАКТНОГО УСТРОЙСТВА
Ключевые слова: диспергирование жидкости, контактное устройство, барботаж.
Развитие массообменных аппаратов напрямую связано с разработкой контактных устройств высокой эффективности. В статье представлен принцип работы струйно-барботажного контактного устройства. Проведен анализ соударения потоков жидкости, стекающих через дно контактного устройства. Рассмотрены разные технологии изготовления отверстий для распределения жидкости.
Keywords: the dispersing liquid, contact device, barbotage.
The development of mass-exchange apparatus is directly connected with the development of the contact devices of high efficiency. The article presents the principle of operation ofjet- bubbling contact devices. The authors analyzed the collision of streams of liquid flowing through the bottom contact device. Considered the different technologies ofproduction of holes for distribution of the liquid.
Согласно плану развития газо- и нефтехимии России на период до 2030 г. основной стратегической задачей является достижение высокого уровня конкурентоспособности производств за счет повышения качества и увеличения объемов переработки углеводородного сырья в нефтегазохимическую продукцию при снижении энергоемкости производств [1]. Практическая реализация поставленной задачи связана не только с внедрением эффективных управленческих решений во все уровни производства, но и с широким применением нового, более эффективного и менее энергоемкого оборудования, модернизацией существующих производств и оптимизацией использования энергоресурсов. Одним из способов повышения эффективности производства продукции нефтехимического производства является использование современных контактных устройств с развитой поверхностью контакта фаз, высокой сепарационной способностью и относительно невысоким гидравлическим сопротивлением. В последние годы появились разнообразные конструкции контактных устройств для ректификационных и абсорбционных колонн, обеспечивающих достаточно высокую тепломассообменную эффективность [2-7].
При этом в настоящее время на предприятиях нефтехимической отрасли зачастую используется насадочные и тарельчатые колонны, имеющие ряд недостатков. К примеру, тарельчатые колонные аппараты имеют зоны сепарации, которые существенно увеличивают объем аппарата, и, как следствие, металлоемкость. Кроме того, увеличение высоты аппаратов приводит к росту энергетических затрат на подъем жидкости. В насадочных колоннах наблюдается неравномерность распределения жидкой и газовой фаз в поперечном сечении рабочей зоны аппарата, что существенно снижает эффективность массообменных процессов. Также существует проблема уноса капель жидкости газовым потоком, что может привести к «захлебыванию» колонны.
С целью устранения указанных недостатков авторами статьи разработано струйно-барботажное контактное устройство [8], состоящее из сливных стаканов с вертикальными стенками, внутри которых поддерживается необходимый уровень жидкости. Сливные стаканы располагают горизонтально в шахматном по-
рядке, соединяя их в каждом ряду между собой стержнями. В днище устройства выполнены отверстия для распределения жидкости на нижерасположенные по высоте аппарата сливные стаканы, которые смещены на 90°, т.е. формируя шахматное их расположение по вертикали. Таким образом, парогазовая смесь, поступающая снизу под устройство, приобретает зигзагообразный характер движения.
Выходя из отверстий, формируется струя жидкости, которая распадается с образованием множества капель. Последние, соударяясь о поверхность жидкости, находящейся внутри нижерасположенных стаканов, разлетаются в разные стороны брызгами. Таким образом, создается развитая постоянно обновляющаяся поверхность контакта фаз, которая определяется наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями с поверхности.
Рис. 1 - Гидродинамика диспергирования струй через высверленные (вид слева) и продавленные (вид справа) отверстия диаметром 4 мм, выполненные в днище контактных элементов, время 1,3 с
Кроме того, восходящий поток пара (газа) контактирует с падающими струями или каплями жид-
кости, при этом образуется вторая зона контакта фаз. Принимая расстояние между сливными стаканами на одном уровне, равными ширине сливного стакана, обеспечивается равнопроточность для прохода газа, что приводит к снижению гидравлического сопротивления предлагаемого струйно-барботажного контактного устройства. Для обеспечения максимальной эффективности тепломассообменных процессов сливные стаканы в поперечном сечении имеют форму квадрата. Таким образом, организация оригинального взаимодействия между газом и жидкостью позволяет интенсифицировать тепло- и массообменные процессы как в жидкой, так и в газовой фазах при относительно простом аппаратурном оформлении.
Рис. 2 - Гидродинамика диспергирования струй через высверленные (вид слева) и продавленные (вид справа) отверстия диаметром 5 мм, выполненные в днище контактных элементов, время 1,12 с
Целью исследования диспергирования струй из контактных элементов является определение гидродинамики падающих струй, что позволяет судить об эффективности и интенсивности протекающих тепломас-сообменных процессов. Для этого в программном комплексе ANSYS моделировались однофазные истечения струй через различные отверстия, выполненные в днище контактных элементов размерами 20*20*15 мм, а двухфазные потоки моделировались на примере системы воздух-вода на контактных элементах размерами 60*60 мм, в днище которых были выполнены 9 отверстий диаметром 4 мм, расположенные по вершинам квадратов коридорного типа, при этом шаг между отверстиями - 15 мм.
На рис. 1 и 2 представлена гидродинамика диспер-
гирования струй через высверленные и продавленные отверстия диаметром 4 и 5 мм соответственно. Видно, что у продавленных отверстий при прочих равных условиях распад струй на отдельные капли происходит раньше. Это связано с тем, что продавленные отверстия имеют большую шероховатость поверхностей, которая влияет на начальные турбулентные возмущения, приводящие к более быстрому распаду свободных осесимметричных струй.
Анализируя рис. 3 и 4, можно сделать вывод, что при увеличении среднерасходной скорости газа наблюдается существенное искривление падающих струй, что хорошо согласуется с проведенным ранее физическим моделированием. Стоит отметить, что в центральной части контактного элемента заметного искривления струй не наблюдается. Это связано с тем, что в этой зоне контактного устройства локальные скорости газа близки к нулевым значениям.
Рис. 3 - Гидрогазодинамика струйно-барботажных контактных элементов при средне-расходной скорости газа 1,5 м/с, отверстия получены сверлением
Проведенные исследования позволяют утверждать, что в предлагаемых контактных устройствах при высоких (для противоточных аппаратов) среднерасходных скоростях газа (до 5 м/с) отсутствует унос жидкой фазы, а низкое гидравлическое сопротивление позволяет использовать их в аппаратах, работающих под вакуумом и с околоатмосферными давлениями с невысокими энергетическими затратами. Наличие слоя жидкости в сливном стакане оказывает существенное влияние на работу контактного устройства и величину общего гидравлического сопротивления. Для увеличения площади контакта фаз стоит изготавливать сливные стаканы с отверстиями, выполненными продавливанием в металлическом листе, причем диаметр отверстия не может быть менее толщины обрабатываемого металла.
Рис. 4 - Гидрогазодинамика струйно-барботажных контактных элементов при среднерасходной скорости газа 3 м/с, отверстия получены сверлением
Таким образом, предлагаемые струйно-барботажные контактные устройства, без снижения эффективности, могут увеличить производительность и снизить энергетические затраты на проведение теп-ломассообменных процессов как в действующих аппаратах, так и во вновь проектируемых.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-
60081мол_а_дк.
Литература
1. А.М. Мастепанов, Энергетическая политика, 6, 38-46 (2013).
2. А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов. Контактные насадки промышленных тепломассооб-менных аппаратов. Отечество, Казань, 2013. 454 с.
3. А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Н.Г. Минеев. Основы расчета и модернизация тепломассообменных установок в нефтехимии. КГЭУ, Казань, 2010. 574 с.
4. Б.А. Сокол, А.К. Чернышев, Д.А. Баранов, М.Г. Берен-гартен, Б.В. Левин. Насадки массообменных колонн. ИнфоХИМ, Москва, 2009. 358 с.
5. I.N. Madyshev, O.S. Dmitrieva, A.V. Dmitriev, A.N. Nikolaev. Chemical and Petroleum Engineering, 51, 5, 383387 (2015).
6. И.Н. Мадышев, О.С. Дмитриева, А.Н. Николаев, А.В. Дмитриев. Промышленная энергетика, 8, 37-41 (2015).
7. И.Н. Мадышев, А.В. Дмитриев. Вестник Казанского технологического университета, 18, 8, 110-111 (2015).
8. Пат. 156379 Российская Федерация, МПК B01D 3/20. Струйно-барботажное контактное устройство для теп-ломассообменных процессов / заявитель и патентообладатель Мадышев И.Н., Дмитриев А.В. - № 2015119123/05; заявл. 30.04.2015; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. - 2 с.
© О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», [email protected], А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВО «КГЭУ», [email protected], И. Н. Мадышев - аспирант ФГБОУ ВО «КНИТУ», [email protected].
© O. S. Dmitrieva - the associate professor of PAChT, KNRTU, [email protected], A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical Foundations of Thermal Engineering» chair, KSPEU, [email protected], 1 N. Madyshev - the graduate student, KNRTU, ilnyr_91 @mail.ru.
