Исследование относительного брызгоуноса в массообменном аппарате с зигзагообразной регулярно - структурированной насадкой

Автор: Мытько Д.Ю., Вайтехович П.Е.

Журнал: Вестник Витебского государственного технологического университета @vestnik-vstu

Рубрика: Химическая технология и экология

Статья в выпуске: 2 (41), 2021 года.

Бесплатный доступ

В данной работе рассмотрена одна из важных проблем, связанная с загрязнением окружающей среды, вследствие уноса капель жидкости из массообменного аппарата вместе с химически опасными элементами. Проведены экспериментальные исследования и получены графические зависимости изменения величины относительного брызгоуноса от скорости газового потока и плотности орошения для трех видов зигзагообразной регулярно - структурированной насадки. Описано влияние размеров треугольной ячейки насадок и сепарационного пространства на величину брызгоуноса, а также определен наиболее эффективный вариант установки их в массообменный аппарат. Представлена методика для вычисления неизвестных коэффициентов эмпирического уравнения регрессии. Получены уравнения для определения относительного брызгоуноса. Расчитана относительная погрешность. Даны рекомендации по работе насадочных массообменных аппаратов при максимально - фиктивных скоростях.

Еще

Относительный брызгоунос, регулярная структурированная насадка, метод наименьших квадратов

Короткий адрес: https://sciup.org/142231738

IDR: 142231738 | DOI: 10.24412/2079-7958-2021-2-132-140

Текст научной статьи Исследование относительного брызгоуноса в массообменном аппарате с зигзагообразной регулярно - структурированной насадкой

Белорусский государственный технологический университет

Актуальной задачей в условиях современного производства является снижение загрязнения окружающей среды. Одним из серьезных источников загрязнений можно считать выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу как на химических, так и на предприятиях других отраслей промышленности. В своем составе они могут содержать опасные химические вещества в виде пыли, паров, капельной влаги, газообразных компонентов. И даже в установках по очистке газов абсорбционным методом возможен капельный унос из массообменного аппарата жидкого абсорбента, который становится часто дополнительным источником загрязнения окружающей среды. Исследование относительного брызго-уноса в насадочном массообменном аппарате в зависимости от режимных параметров его работы позволит уменьшить величину брызгоуноса и снизить дополнительное загрязнение окружающей среды.

В последнее время основным направлением совершенствования насадочных массообменных аппаратов является переход к использованию регулярной структурированной насадки [1, 2], позволяющей повысить допустимую скорость газовой фазы, эффективность массопередачи, снизить гидравлическое сопротивление. Свой вклад в развитие этого направления внесли и авторы данной работы [3–5].

Нами проведены сравнительные исследования нескольких типов насадок, определены их гидродинамические и массообменные характеристики [3, 4]. На основе этих исследований выбран оптимальный тип насадки, выполненной в виде концентрических кооксиально-располо-женных цилиндров, между которыми установлены зигзагообразные перегородки с образованием контактных каналов треугольного сечения. Такая насадка условно была названа зигзагообразной. Комплекс исследований, проведенных ранее, позволил определить рациональный размер этих каналов, характеризующийся стороной треугольника 15^20 мм [6]. Единственным параметром, не вошедшим в сферу исследований, остался унос жидкой фазы из насадочного аппарата.

В этой связи в задачу данной работы входило установление закономерностей изменения уноса жидкой фазы из слоя регулярной структурированной насадки нового типа.

Основная часть. Как и все предыдущие исследования определение уноса проводилось на той же экспериментальной установке с диаметром массообменной колонны - 150 мм. Для выполнения поставленной задачи было сконструировано и изготовлено на 3D-принтере по три вида зигзагообразной насадки с длиной стороны ячеечного канала 12 мм, 17 мм, 22 мм. Далее будем использовать их следующие условные обозначения: З-12; З-17; З-22 [6]. Основные пакеты насадки высотой 300 мм были набраны из трех равных секций. Для определения количества унесенной жидкости на расстоянии 500 мм над насадкой устанавливался гравитационный сепаратор с отбойником. В дополнительной серии опытов в структуру насадки вносилось два изменения. Первое заключалось в том, что отдельные ее секции раздвигались с образованием между ними дополнительного сепарационного пространства высотой 40 мм, а второе отличалось уменьшением общей зоны сепарации до 400 мм.

Варьируемыми параметрами в процессе экспериментов являлись фиктивная скорость газа и плотность орошения, значения которой q , м³/ /м²-с , задавались: 3 • 10^-3; 3,6 • 10^-3 и 4,3 • 10^-3.

Относительная величина брызгоуноса и , г/м³ ,определяется по формуле [7]:

где m - масса жидкости, уловленная сепаратором, г ; т - время, c ; V - объемный расход газа, м³/с .

Часто при исследовании уноса вводится его максимально допустимая величина. Например, для тарельчатых массообменных аппаратов межтарельчатый унос допускается до 10 %. С учетом того, что в литературе по изучению регулярно-структурированных насадок не указан предел по допустимому уносу из насадочного аппарата, на наш взгляд, в указанных аппаратах можно ограничиться однопроцентным уносом, как граничным для верхнего предела устойчивой работы по скорости газа [8–12].

На рисунке 1 представлены графические зависимости изменения относительного брыз-гоуноса жидкости и , г/м³ , из массообменного аппарата с блоком зигзагообразной регулярно-структурированной насадки от фиктивной скорости газам в колонне w , м/с . Сплошной линией обозначена зависимость для цельного блока, штриховой – для пакета с дополнительным сепарационным пространством.

Рисунок 1 - Относительный брызгоуносжидкости при трех плотностях орошения (при H = 500 мм ): а - 340 3 м3/м²с б - 3,640' 3 м?1м^с ; в - 4,640^-3 м?/м²^с

Из рисунка 1 (а, б, в) видно, что величина относительного брызгоуноса возрастает с увеличением фиктивной скорости газа в колонне. Причем для всех вариантов насадки его изменение описывается степенной функцией. При уменьшении размера ячейки унос снижается. Объяснение этому может быть дано только после детального изучения пленочного течения жидкости в каналах насадки, которое намечается провести в ближайшей перспективе. Установка насадки с дополнительным сепарационным про- странством способствует уменьшению уноса, но не очень значительно.

Максимальная величина брызгоуноса 10 г/м3 или 1 % не была достигнута при q = 3• 10-3 м3/м2 • с (рисунок 1 а) для всех вариантов насадок. Однако с увеличением плотности орошения (рисунок 1 б, в) она была значительно превышена. По зависимостям на рисунке 1 (б, в), можно определить максимально-фиктивные скорости газа. Для З-12 (рисунок 1 б) она равна 4,2 м/с, для З-17 и З-22 - 4,0 м/с и 3,7 м/с соответ- ственно. При максимальной плотности орошения (рисунок 1 в) они будут равны 3,75 м/с для З-12, 3,4 м/с для З-17 и 3,2 м/с для З-22.

Для большей наглядности на рисунке 2 представлены графические зависимости изменения относительного уноса в массообменной колонне со сплошным блоком насадок от плотности орошения, при одной скорости газа в колонне 3,5 м/с .

Здесь четко видно, что с увеличением плотности орошения величина относительного брызго-уноса возрастает. Причем это изменение происходит почти линейно.

На рисунке 3 представлены графические зависимости изменения относительного брыз-гоуноса жидкости и , г/м³ , из массообменного аппарата с цельным блоком регулярно-структурированной насадки от фиктивной скорости

Рисунок 2 - Изменение относительного брызгоуноса от плотности орошения ( H = 500 мм)

Рисунок 3 - Относительный брызгоунос жидкости при плотности орошения 3,6 ^ 10 —3 м³/м^с

газа w , м/с , при плотности орошения 3,6 • 10 -3 ж ' /м^с . Сплошной линией обозначена зависимость для блока с высотой зоны сепарации 500 мм , пунктирной - 400 мм .

Из рисунка 3 видно, что при изменении сепарационного пространства над сплошным блоком насадок с 500 до 400 мм величина относительного брызгоуноса возрастает.

В ходе проводимых исследований также измерялось гидравлическое сопротивление A p , Па/м , орошаемого блока зигзагообразной регулярно-структурированной насадки, которое имзменялось с увеличением фиктивной скорости газа в колонне. На рисунке 4 приведены зависимости для насадки З-12.

Видно, что с увеличением фиктивной скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление резко возрастает. Ранее авторами данной работы уже были проведены исследования по изучению гидродинамики в массобменных аппаратах с зигзагообразной регулярной структурированной насадкой [4, 6, 13], где четко описаны устойчивые гидродинамические режимы движения фаз.

Следующий этап работы заключается в проведении регрессионного анализа полученных экспериментальных данных. Для этого мы выбрали три параметра, которые изменялись в каждом опыте: u , w и A p . Так как зависимости относительного брызгоуноса и , м^а/м?^с , описываются степенной функцией, то эмпирическое уравнение регрессии примет вид [14–16]:

, (2)

где b₀ , b , , b₂ , b₃ ,- постоянные коэффициенты; w -фиктивная скорость газа в колонне, м/с ; A p -гидравлическое сопротивление сплошного блока насадок (с орошением), Па/м .

Далее, пользуясь методом наименьших квадратов, проведем оценку коэффициентов выражения (2). Для этого составим систему нормальных уравнений, количество строк которой равно числу опытов, а количество столбцов – числу неизвестных коэффициентов. Количество опытов, в которых изменялись параметры и , w и A p ,

Рисунок 4 – Гидравлическое сопротивление орошаемого блока зигзагообразной регулярно структурированной насадки З-12 при трех плотностях орошения q, ж‘/м^с

равно N = 5 [14-17]. Данные фиктивной скорости, относительного брызгоуноса и гидравлического сопротивления для определяемых коэффициентов брались при возникновении уноса капель жидкости из колонны, а именно при w = 3 ж(с .

Воспользуемся полученными коэффициентами и приведем уравнение для определения относительного брызгоуноса в колонне со сплошным блоком насадок З-12 (рисунок 3) с сепарационным пространством 500 мм от гравитационного сепаратора:

. (4)

Значения брызгоуноса, полученные по эмпирическим уравнениям, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Относительная погрешность определялась по формуле из источника [18] и не превысила одного процента. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что брызгоунос снижается с уменьшением геометрических размеров каналов насадки. Повышение плотности орошения ведет к увеличению уноса. Рекомендуется работать на 80 % от максимально-фиктивной скорости для снижения выбросов в окружающую среду. Наиболее предпочтительный размер стороны ячеистого канала зигзагообразной регулярно-структурированной насадки, способствующий уменьшению количества уносимой жидкости из массообменного аппарата, равен 12 мм . Полученные эмпирические уравнения относительного брызгоуноса с высокой точностью описывают экспериментальную функцию. Погрешность не превысила одного процента. Результаты исследований могут быть использованы предприятиями химической и нефтехимической промышленности.

/-------------------------------------------------------------------------------------X

Список литературы Исследование относительного брызгоуноса в массообменном аппарате с зигзагообразной регулярно - структурированной насадкой

Городилов, А. А. (2016), Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой: дис. … канд. техн. наук: 05.17.08. Москва, 142 c., доступен по: https://diss.muctr.ru/media/dissertations/2016/04/Диссертация_Городилов_А.А.pdf (по состоянию на 25 октября 2021).
Тхет, М. А. (2018), Получение концентратов стабильных изотопов водорода и кислорода ректификацией воды в пленочном и затопленном режимах: дис. … канд. техн. наук: 05.17.01. Москва, 115 c., доступен по: https://diss.muctr.ru/media/dissertations/2018/09/Диссертация_-_Тхет_Мьйо_Аунг.pdf (по состоянию на 25 октября 2021).
Вайтехович, П. Е., Мытько, Д. Ю. (2020), Сравнительный анализ эффективности регулярных насадок для массообменных аппаратов, Труды БГТУ, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология, 2020, № 2, С. 44–49.
Мытько, Д. Ю., Вайтехович, П. Е. (2020), Гидравлическое сопротивление регулярных насадок массобменных аппаратов, Вестник Полоцкого государственного университета, Строительство, Прикладные науки, 2020, № 8, С. 33–38.
Вайтехович, П. Е., Мытько, Д. Ю. (2021), Технико-экономическое обоснование и выбор оптимальной насадки, Труды БГТУ, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология, 2021, № 1, С. 69–73.
Мытько, Д. Ю., Вайтехович, П. Е. (2021), Гидродинамика и эффективность регулярно-структурированных зигзагообразных насадок, Химическая технология и техника: материалы 85-й науч.-техн. конф. профес.-преподават. состава, науч. сотрудников и аспирантов (с междунар. участием), Минск, 2021, С. 56–58.
Бальчугов, А. В., Шевель, С. О., Бадеников, А. В. (2020), Применение метода наименьших квадратов для обработки результатов экспериментов по определению брызгоуноса в слое насадки, Высокие технологии, наука и образование: актуальные вопросы, достижения и инновации, Пенза, ФГБОУ ВО «Ангарский государственный технический университет», 2020, С. 102–105.
Рамм, В. М. (1976), Абсорбция газов, Москва, Химия, 656 с.
Каган, А. М. (2013), Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов: монография, Казань, Отечество, 454 с.
Лаптев, А. Г., Конахин, А. М., Минеев, Н. Г. (2007), Теоретические основы и расчет аппаратов разделения гомогенных смесей, Казань, Казан. гос. энерг. ун-т, 426 с.
Скобло, А. И., Молоканов, Ю. К., Владимиров, А. И., Щелкунов, В. А. (2000), Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии, Москва, ООО «НедраБизнесцентр», 677 с.
Лаптев, А. Г. (2007), Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов, Казань, Изд-во Казанск. ун-та, 500 с.
Вайтехович, П. Е., Мытько, Д. Ю., Волк, А. М. (2021), Влияние геометрических параметров регулярной структурированной насадки на гидродинамику и массообмен, Труды БГТУ, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология, 2021, № 2, С. 67−71.
Гухман, А. А. (1973), Введение в теорию подобия, Москва, Высшая школа, 296 c.
Красовский, Г. И., Филаретов, Г. Ф. (1982), Планирование эксперимента, Минск, Изд-во БГУ им. В. И. Ленина, 302 c.
Грачев, Ю. П., Плаксин, Ю. М. (2005), Математические методы планирования экспериментов, Москва, ДеЛипринт, 296 c.
Вайтехович, П. Е., Францкевич, В. С. (2014), Моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования, Минск, БГТУ, 268 с.
Савчук, В. П. (2002), Обработка результатов измерений, Одесса, ОНПУ, 54 с.

Еще

Статья научная