О взаимовлиянии основных геометрических характеристик регулярных насадок

Авторы: И.В. Новикова, А.С. Пушнов (МГТУ-МАМИ).

Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2015

Насадочные колонны широко применяются в различных отраслях промышленности, среди которых не только химическая промышленность и смежные с ней отрасли, например нефтяная, но и фармацевтическая, пищевая, парфюмерная и др. [1]. Анализ конструкций современного теплои массообменного колонного оборудования в последние 35 лет показывает устойчивый приоритет аппаратов с регулярными насадками, среди которых плоскопараллельные, из гофрированных листов, из листов с перфорацией̆, блочные, объемные насадки различного типа из металла, керамики, металлокерамики и др. [2]. Это обусловлено тем, что аппараты с регулярными насадками обладают определенными преимуществами перед насыпными.

Кратко эти преимущества сводятся к следующим:

• относительно более высокая порозность, что обеспечивает высокую пропускную способность по газу, обусловленную большим свободным («живым») сечением, которое численно совпадает с порозностью;
• высокая удельная площадь поверхности при одновременно сравнительно низком гидравлическом сопротивлении.

Способствуют широкому применению аппараты с регулярными насадками и следующие эксплуатационные характеристики этих насадок:

• небольшая масса 1 м3 насадки;
• возможность использования при изготовлении насадок широкого спектра материалов, в том числе и коррозионно-стойких;
• обусловленное регулярной структурой отсутствие присущих насыпным насадкам нежелательных пристенных неоднородностей поля скоростей газового потока [3].

Для выбора типа и размера насадки для контактного аппарата, в котором осуществляется процесс тепломассообмена, необходима информация о ее основных геометрических характеристиках, к которым относятся: удельная поверхность a (м2/м3), порозность ε (м3/м3), а также эквивалентный диаметр канала насадки de (м). Величина de связывает вышеуказанные характеристики друг с другом соотношением de = 4ε/a. (1)

Фирма- изготовитель	Тип насадки	Уделная площадь поверхнос ти a, м2/м3	Порозность e, м2/м3	Эквивалентный диаметр de, мм
				По данным фирмы	По формуле (1)
Sulzer	Mellapak 125Y,125X 250Y, 250X 350Y 500Y, 500X	125 250 350 500	97 95 93 91	– – – –	31 15,2 10,6 7,3
	Gauze packing AX BX CY	250 492 700	95 90 85	– – –	15,2 7,6 4,9
Newsmart Chem-Spec	Mellapak 125Y 250Y 350Y 450Y	125 250 350 450	98,5 97 95 93	18 15,8 12 9	31,5 15,5 9,8 8,3
	Perforated Corrugated Paking 700Y 500Y 450Y 350Y 250Y	700 500 450 350 250	85 97,5 97,5 95 98,1	– – – – –	4,86 7,8 8,62 10,8 15,7
	Керамическая структурирован- ная насадка 470X 450Y 400Y 140Y, X	470 450 400 140	75 75 70 90	– – – –	6,4 6,7 7,0 2,6

В англоязычной литературе для обозначения эквивалентного диаметра обычно используют термин гидравлический радиус.

Информация о геометрических характеристиках насыпных и регулярных промышленных насадок содержится в работах [4, 5], а также в каталогах продукции и в рекламных буклетах фирм-производителей.

Но не всегда производитель приводит данную информацию полностью либо не приводит ее вообще, а она необходима для расчета вновь проектируемых насадочных колонных аппаратов.

Установление взаимозависимости между основными геометрическими характеристиками, de и a позволяет в случае необходимости прогнозировать недостающие характеристики [5, 6]. Данные о взаимозависимости основных типов насыпных промышленных насадок представлены в работах [4, 7], аналогичные данные о регулярных насадках в литературе отсутствуют. Геометрические характеристики некоторых промышленных насадок, используемые для построения графиков, представлены в таблице. Наиболее распространенные промышленные регулярные металлические и неметаллические насадки показаны на рис. 1.

Эквивалентный диаметр используется в критериальных уравнениях в качестве характерного линейного размера для описания течения газовой фазы в слое насадки. Значение эквивалентного диаметра редко указывается производителем, поэтому, как правило, эта величина рассчитывается при наличии известных геометрических характеристик по формуле (1). В ряде случаев рассчитанная и заявляемая производителем величины расходятся.

На рис. 2 представлена зависимость эквивалентного диаметра dе от удельной поверхности a на основе данных работ [4, 8–11].

Авторами получена аналитическая аппроксимация зависимости эквивалентного диаметра от удельной поверхности для регулярных насадок как металлических, так и из полимерных материалов: de = 3,5472a–1,0302. (2)

Среднее отклонение расчетных значений dе по формуле (2) от фактических составляет 13%, наибольшее – 24% при значениях удельной поверхности a в пределах 90…110 м2/м3.

На рис. 3 приведено сравнение полученной зависимости dе = f(a) для регулярных насадок и зависимости, полученной в работе [3] в результате обобщения литературных данных о насыпных насадках. Для насыпных насадок эта зависимость имеет вид: de = 57,319a–1,3985. (3)

Как видно из графика, при значениях удельной площади поверхности от 90 до 400 м2/м3 эквивалентный диаметр насыпных насадок значительно больше, чем у регулярных; с дальнейшим увеличением удельной площади поверхности расхождения в значениях эквивалентного диаметра уменьшаются.

Проанализируем представленные на рис. 4 графики зависимости порозности от удельной площади поверхности регулярных насадок, построенные по данным фирм-производителей. Рассмотрена насадка типа Mellapak, которая изготавливается из гофрированного перфорированного листа, фирм-производителей Sulzer и Newsmart. Из графиков видна тенденция уменьшения порозности насадки с увеличением удельной поверхности. Хотя рассматриваемые насадки одного типа, значение порозности для одинаковых значений удельной площади поверхности отличаются друг от друга: порозность насадки фирмы Newsmart на ~1,5% выше. По-видимому, это связанно с тем, что насадка фирмы Newsmart изготавливается из перфорированного листа с большим диаметром отверстий, т.е. имеет большую площадь перфорации. В связи с этим возрастает и ее порозность, поскольку перфорация влечет за собой уменьшение удельной площади поверхности; кроме того, возможно, что насадки выполнены из листов различной толщины (это не указывает фирмаизготовитель). Понятно, чем тоньше лист, тем выше порозность.

Таким образом, получена зависимость эквивалентного диаметра от удельной площади поверхности для регулярных промышленных насадок. Проведен анализ взаимозависимости основных геометрических характеристик регулярных промышленных насадок (эквивалентного диаметра и порозности от удельной поверхности).

Представленные данные могут быть использованы для прогнозирования недостающих геометрических характеристик регулярных промышленных насадок, что необходимо для осуществления технологических расчетов контактных теплои массообменных аппаратов.

Список литературы

1. Каган А.М. и др. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Казань: Отечество, 2013.
2. Агапов А.В. и др. Анализ возможности использования современных конструкций массобменных контактных устройств в условиях дегазации нефти//Московское научное обозрение. 2011. №10 (14).
3. Пушнов А.С., Каган А.М. Структура и гидродинамика колонных аппаратов с насадкой. Введение в химический инжиниринг. СПб.: Изд. политехн. ун-та, 2011.
4. Сокол Б. A., Чернышев А.К., Баранов Д.А. и др. Насадки массообменных колонн. М.: Инфохим, 2009.
5. Беренгартен М.Г., Витковская Р.Ф., Городилов А.А., Пушнов А.С. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Насадочные скрубберы для контактного теплообмена. СПб.: ФГБУВПО «СПГУТД», 2014.
6. Машины и аппараты химических производств. Уч. пособие для вузов/Под общей ред. А.С.Тимонина. Калуга.: Изд.
7. Бочкаревой, 2007.
8. Пушнов A.C. и др. Геометрические характеристики массообменных насадок в колонных аппаратах//Химическая промышленность. 2010. №7.
9. Ходаков Ю.С. Оксиды и теплоэнергетика. Проблемы и решения. М.: ООО «ЭСТ-М», 2001.
10. Масагутов Д.Ф., Пушнов А.С., Кашапов Н.Ф. Влияние геометрических характеристик регулярных структурированных насадок на гидравлическое сопротивление и эффективность процессов теплои массообмена//Химическая технология. 2014. Т. 15. №9б.
11. Проспект фирмы 2НKunststoff GmbH, Rev. 00/01–2008. 11. Проспект фирмы Munters Eurform GmbH