Контактный аппарат с послойной загрузкой насыпной насадки

Автор: А.С. Пушнов, К.В. Чиж, М.Г. Беренгартен (Институт инженерной экологии и химического машиностроения Московского государственного машиностроительного университета).

Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2014

В настоящей статье предлагается концепция послойной загрузки насыпной насадки кольцевой формы в контактные аппараты химической технологии, направленная на увеличение энергоэффективности процессов теплои массообмена. Рассматриваются также различные аспекты организации послойной загрузки в аппарат перспективных кольцевых насадок, у которых отношение высоты элемента насадки к наружному диаметру кольца h/D << 1,0. В настоящее время такие насадки, которые принято называть миникольцевыми, получили значительное распространение в промышленности [1], что можно объяснить особенностями структуры их укладки в колонных аппаратах, а также геометрическими характеристиками.

Общий вид промышленных миникольцевых насадок типа CMR (Cascade Mini-Ring), βeta Ring и MICHM-X представлен на рис. 1. Также выпускаются насадки типа SMR.

Геометрические характеристики миникольцевых насадок

Основные геометрические характеристики названных миникольцевых металлических насадок представлены в таблице. Как видно, миникольцевые насадки позволяют получить удельную площадь поверхности a в диапазоне от 70…90 м2/м3 (при средних диаметральных размерах элемента насадки 75…76 мм) до 348 м2/м3 (при диаметре элемента насадки 16 мм).

Анализ влияния геометрических характеристик насадок на гидродинамику и процессы теплои массообмена в контактных аппаратах представлен в работах [2–7]. При этом важнейшей гидродинамической характеристикой насадки является ее характерный размер – эквивалентный диаметр (гидравлический радиус) канала de, который можно найти по формуле [8] de = (4ε)/a, (1) где ε – порозность, м3/м3.

Зависимость эквивалентного диаметра канала de от удельной площади поверхности a миникольцевых насадок, построенная по результатам наших опытов и обработки опытных данных работ [1–6], представлена на рис. 2. Указанная зависимость описывается уравнением вида de = Aa n (2) где A = 4,178, n = –1,01.

Сравнение данных для миникольцевых насадок с насыпными насадками иной геометрической формы [9] показывает, что зависимость de = f(a) для указанных насадок описывается различными кривыми, что объясняется существенными различиями в структуре их укладки: элементы миникольцевой насадки при загрузке в навал преимущественно ориентируются горизонтально.

Из рис. 2 видно, что при de < 0,025 м удельная площадь поверхности a увеличивается от 150 до 350 м2/м3.

Влияние удельной площади поверхности слоя миникольцевых насадок на порозность и число элементов насадки в единице объема показано на рис. 3, 4. Из рис. 3 видно, что с увеличением порозности слоя ε миникольцевых насадок от 0,92 до 0,98 м3/м3 удельная поверхность насадки a закономерно снижается от 360 до 70 м2/м3.

График зависимости a = f(N), показанный на рис. 4, позволяет оценить тенденцию влияния числа элементов насадки N в единице объема на удельную площадь поверхности. Как видно, заметное влияния N на удельную площадь поверхности a насадки имеет место при N ≤ 50 000 на 1 м3.

Концепция послойной загрузки миникольцевых насадок в колонный аппарат

Рассмотрим модель контактного аппарата (рис. 5), в котором соседние по высоте слои миникольцевой насадки загружены различными способами: регулярно либо хаотически (в навал). Поскольку средняя порозность соседних слоев насадки в данном случае заведомо различна, можно предположить, что и скорость газовой фазы в паровом пространстве указанных слоев насадки также будет различной. Примем допущение, что рассматриваемые слои насадки с различной порозностью, следовательно, и с различным живым сечением [8] представляют собой чередующиеся местные сопротивления (внезапные расширения и сужения потока).

Воспользуемся результатами расчетов коэффициентов местного сопротивления при внезапных расширениях и сужениях потока, приведенными в работе [10].

Результаты расчетов [10] для указанных двух случаев течения газового потока в виде графических зависимостей коэффициента местного сопротивления ξ от отношения площади меньшего живого сечения к площади большего F0/F1 при числах Рейнольдса Rede, равных 1 000 и 100 представлены на рис. 6 (здесь Rede = = (w0de)/υ; w0 – средняя скорость газа в расчете на полное сечение аппарата, м/с; υ – кинематическая вязкость, м2/с). На графике точками отмечены расчетные значения ξ по данным работы [10], полученным в диапазоне F0/F1 = 0,1…0,6, штриховыми линиями – экстраполяция значений коэффициента ξ в область F0/F1 = = 0,6…1,0, соответствующую возможным реальным значениям порозности (живого сечения) миникольцевых насадок (см. таблицу).

Геометрические характеристики миникольцевых насадок

Тип	Габаритные размеры, мм	a, м2/м3	e, м3/м3	Насыпная масса насадки rнас, кг/м3	N, шт/м3	de, м
CMR	76´38´1,5	72	0,951	385	3 540	0,0528
То же	76´38´1,2	72	0,961	306	3 540	0,0534
– ” –	50´25´1,0	111	0,951	385	12 340	0,0342
– ” –	50´25´0,8	109	0,961	308	12 340	0,0352
– ” –	38´19´0,8	154	0,945	433	30 040	0,0245
– ” –	38´19´0,6	153	0,959	325	30 040	0,0251
– ” –	25´12,5´0,6	222	0,942	459	98 120	0,0169
– ” –	25´12,5´0,5	221	0,951	383	98 120	0,0172
SMR	38´12,7´0,7	158	0,96	–	48 000	0,0243
То же	50´17´0,8	110	0,96	–	21 500	0,0349
– ” –	16´5,5´0,5	348	0,923	604	378 000	0,0106
– ” –	25´9´0,5	228	0,936	506	155 000	0,0164
– ” –	38´12,7´0,7	150	0,95	390	48 000	0,0253
– ” –	50´17´0,8	115	0,965	275	21 500	0,0336
– ” –	75´22,5´1,0	88	0,975	200	5 800	0,0443
Ring –C	50´25´1,0	115	0,951	385	12 340	–
MICHM-Х-11	50´15´1,0	127,5	0,943	448	24 180	0,0295
MICHM-Х-21	75´15´1,0	78,7	0,9498	394	10 217	0,0483
MICHM-Х-2R2	75´15´1,0	85,4	0,94548	428	11 088	0,04428
MICHM-Х-31	75´25´1,0	79	0,9639	283	6 161	0,04881
1 Нерегулярная укладка (в навал). 2 Регулярная укладка

По данным наших опытов с миникольцевыми насадками конструкции MICHM-X, порозность этих насадок ε в зависимости от размеров элементов насадки и способа загрузки находится в пределах 0,943…0,9639. Соответственно возможные значения отношения F0/F1 (численно равные, согласно [8], отношению средней порозности в рассматриваемых отдельных слоях насадки) равны 0,9783…0,99545.

С учетом данных рис. 6 и изложенных подходов представляется возможным дать чисто качественную оценку местного сопротивления, возникающего при течении газового потока в объеме соседних слоев насадки, имеющих различную среднюю порозность (живое сечение): при Rede = 100 в диапазоне F0/F1 = 0,98…0,99 коэффициент ξ = 0,3…0,5; при Rede = 1 000 в том же диапазоне F0/F1 коэффициент ξ = 0,08…0,09.

Для оценки средних скоростей в соседних слоях насадки с различной порозностью можно использовать уравнение, предложенное в работе [11]:

где w1, w2 – средняя скорость газа в соответствующих слоях насадки (1, 2), м/с.

Рассмотрим случай, когда послойная загрузка насыпной миникольцевой насадки состоит из двух слоев, порозность которых (см. таблицу) ε1 = 0,9639 (насадка типа MICHM-X-3), ε2 = 0,94548 (насадка типа MICHM-X-2R).

Соотношение ε1/ε2 = 0,9639/0,94548 = 1,01948.

Расчет по формуле (3) дает следующий результат: w1/w2 = 1,5697.

Таким образом, в данном случае средние скорости в соседних слоях миникольцевой насадки с различной порозностью будут различаться в ~1,57 раза.

Другие возможные варианты реализации послойной укладки насыпной насадки различных типов и размеров рассматриваются в работе [4].

Предлагаемый способ управления структурой слоев насадки в контактных аппаратах позволяет осуществить интенсификацию процессов теплои массообмена за счет организации пульсирующего режима движения газовой фазы [12] по всей высоте аппарата с насыпной насадкой.

Кроме того, использование метода послойной загрузки миникольцевой насадки в контактный аппарат позволяет в известной мере снизить нарушение структуры укладки элементов насыпной насадки в пристенной области, относительная ширина которой, как следует из анализа данных, представленных на рис. 7, δст/dp = 2,0…2,5 (здесь δст – ширина кольцевого пространства в пристенной области с повышенной рыхлостью укладки элементов насадки; dp – средний геометрический размер элемента насадки, м;

Таким образом, предложено обобщающее уравнение вида de = f(a) для миникольцевых насадок, а также концепция послойной загрузки миникольцевой насыпной насадки в колонные аппараты химической технологии.

В целом предлагаемый способ загрузки миникольцевых насадок позволяет обеспечить более гомогенную структуру укладки по сравнению со структурой укладки насадки в форме обычных колец, шаров и таблеток. Следовательно, будет обеспечено и более равномерное поле скоростей в поперечном сечении аппарата с насадкой.

Кроме того, вследствие уникальных свойств самоориентации элементов миникольцевой насадки (как при хаотическом, так и регулярном способе их загрузки в аппарат) будет обеспечено увеличение энергоэффективности процессов теплои массообмена в контактных аппаратах за счет уменьшения гидравлического сопротивления аппарата, а также возможного снижения требуемой высоты аппарата.

Список литературы

1. Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А., Беренгартен М.Г., Левин Б.В. Насадки массообменных колонн. Под ред. Д.А. Баранова. М.: ЗАО «Инфохим», 2009.
2. Дмитриева Г.Б. Гидродинамика и массообмен в структурированных насадках из гофрированных листов. Автореф. дис… канд. техн. наук. Иваново: Ивановский гос. химико-технологический ун-т, 2007.
3. Махнин А.А. Совершенствование процессов и аппаратов для очистки паровоздушных смесей от органических растворителей сорбционными методами. Автореф. дис… д-ра техн. наук. Ярославль: ЯрГТУ, 2010.
4. Чиж К.В., Софронова О.Л., Пушнов А.С., Баранова Е.Ю. Послойный способ загрузки насадки в колонные аппараты//Химическая промышленность. 2011.Т. 88., №3.
5. Беренгартен М.Г., Невельсон А.О., Пушнов А.С. Комбинированные насадки для контактных аппаратов//Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. №12.
6. http://www.zehua-chem.com/packing/
7. Пушнов А.C., Каган А.М. Структура и гидродинамика колонных аппаратов с насадкой. Введение в химический инжиниринг. СПб.: Изд. политехн. ун-та, 2011.
8. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основа работы. Л.: Химия, 1979.
9. Пушнов А.C. Геометрические характеристики и гидравлический радиус аппаратов с насадкой//Энциклопедия инженера-химика. 2011. №7.
10. Ведерникова М.И., Старцева Л.Г., Юрьев Ю.Л., Орлов В.П. Примеры и задачи по массообменным процессам химической технологии. Справочное пособие. Ч. IV. Основные физические, химические и теплофизические свойства веществ. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2009.
11. Пушнов А.C. Расчет порозности слоя зерен в трубчатых аппаратах//Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005. №6.
12. Лаптев А.Г., Николаев Н.А., Башаров М.М. Методы интенсификации и моделирования тепломассообменных процессов. Учебно-справ. пособие. М.: «Теплотехник», 2011.
13. Пушнов А.C., Наумов Ю.Б., Каган А.М., Гельперин И.И., Пищик Л.Я. Влияние структуры укладки зерен шаровой формы в цилиндрических аппаратах на газораспределение в них//Теплоэнергетика. 1986. №8.
14. Пушнов А., Петрашова Е. Структурная модель движения газового потока в колонных аппаратах с насадкой//ENERGETIKA. 2010. Т. 56. №3-4. 15. Пушнов А.C. Геометрические характеристики и гидравлический радиус аппаратов с насадкой//Энциклопедия инженера-химика. 2012. №8, №9.