Ст.преп. Слухай О.Л., к.х.н., доц. Арбузов В.А.

Карагандинский Государственный Индустриальный Университет, Казахстан

ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРОВЕДЕНИЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА НОВОМ КОНТАКТНОМ УСТРОЙСТВЕ

В химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и смежных отраслях промышленности большую роль играют процессы разделения газовых и жидких смесей, такие как ректификация, абсорбция, десорбция. Аппаратурное оформление их различно, однако до настоящего времени наиболее распространёнными остаются тарельчатые колонные аппараты, способные обеспечить высокую производительность и эффективность осуществляемых процессов.

Основными конструктивными элементами тарельчатых массообменных колонн являются контактные устройства, на которых происходит ступенчатое взаимодействие газовой и жидкой фаз. Эти внутренние устройства предназначены для создания развитой поверхности контакта пара (газа) и жидкости. Существует большое разнообразие контактных тарелок.

В связи с этим становятся актуальными вопросы совершенствования конструкции и повышения эффективности работы контактных тарелок массообменных колонных аппаратов. Одним из путей решения этой проблемы является детальное исследование и улучшение структуры потоков газа и жидкости на тарелках.

При работе колонны в процессе взаимодействия газовой и жидкой фаз на контактных тарелках образуется достаточно сложная гидродинамическая система с рядом особенностей.

Необходимость создания аппарата с высокой эффективностью контакта фаз, обладающего высокой пропускной способностью потоков, широким диапазоном рабочих скоростей газа и способного формировать развитый газожидкостной слой при небольших плотностях орошения является главной темой совершенствования контактных устройств.

Учитывая потребность в разработке более универсального высокоэффективного и надежного контактного устройства для массообменна в колонных аппаратах на кафедре «ХТиЭ» КГИУ, разработана тарелка «наклонного типа». Конструкция ее принципиально отличается от известных контактных устройств, обычно процесс массопередачи осуществляется на горизонтальной поверхности тарелки, а при работе тарелки «наклонного типа» процесс переносится в объем.

Исследование новой контактной тарелки проводилось на экспериментальной полупромышленной установке в лаборатории университета.

В качестве модельного варианта выбран процесс десорбции углекислого газа водой и легко можно определить концентрацию СО₂ в газе и жидкости.

Исследования гидродинамических и массообменных характеристик проводились на экспериментальной установке в системе "вода-воздух".

Основными показателями эффективной работы аппарата являются: гидравлическое сопротивление, количество удерживаемой жидкости, брызгоунос, коэффициент массопередачи и степень улавливания.

Научная новизна исследования состоит в разработке усовершенствованной конструкции контактного устройства, позволяющей увеличить коэффициент массопередачи.

Основными конструктивными характеристиками нового контактного устройства, существенно влияющими на закономерности его работы, и процесса массопередачи являются: свободное сечение тарелок F₀ (доля сечения тарелки занятая перфорацией, м²/м²), диаметр отверстий d₀ и угол наклона поверхности контактного устройства а, направленность и форма насечек .

Для проведения исследования предложены следующие характеристики конструкции тарелки «наклонного типа» (таблица1).

Таблица 1

Основные характеристики тарелки «наклонного типа»

№ тарелки	Свободное сечение	Угол наклона конуса тарелки основанию, град.	Диаметр отверстий, мм
			для газа	для жидкости
1	8,5	45	10	10
2	12	45	10	15
3	12	30	10	15
4	12	60	10	15
5	25	45	15	15
6	35	45	20	20
7	50	45	25	20

Свободное сечение тарелки влияет на гидродинамику процесса и при понижении свободного сечения тарелка «наклонного типа» хорошо работает при низких плотностях орошения жидкости и небольшом расходе газа.

Угол наклона тарелки влияет на процесс массопередачи, так от угла наклона зависит высота слоя пены на тарелке, и на межтарельчатое расстояние.

При одинаковой величине свободного сечения поверхности тарелки и плотности орошения есть оптимум, при котором коэффициент массопередачи и степень улавливания соответственно возрастают. Для каждого свободного сечения и одной плотности орошения есть свой оптимум. При угле наклона α = 45⁰ и разных свободных сечениях оказалось, что свободное сечение тарелки особо не влияет на массопередачу. Чем больше свободное сечение ,тем больше может быть плотность орошения и при этом гидравлическое сопротивление, коэффициент массопередачи, степень улавливания меняются не в больших пределах.

На основании проведенных исследований тарелки «наклонного типа» и полученных результатов экспериментов представлена таблица 2.

Таблица 2

Результаты экспериментов

Fc , %	Угол наклона, град	Плотность орошения, м^3/м^2*ч	Гидравлическое сопротивление, Па	Коэффициент массоотдачи, βж ,*10^3м/с	Степень улавливания, %
8,5	45	5,5	700	5,41	77,97
12	30	5,5	140	2,7	63,85
12	45	5,5	260	30,05	95,16
12	60	5,5	310	2,55	62,50
25	45	5,5	340	34,12	95,71
35	45	20	310	35,14	95,83
50	45	30	300	35,78	81,11

В отличии от тарелок других типов в тарелке «наклонного типа» отверстия выполнены в виде насечек, которые формируют необходимый гидродинамический режим в объеме газожидкостной фазы. Каждый ряд насечек формирует потоки в противоположном направлении, что способствует интенсификации процесса. Процесс массопередачи переходит с тарелки в объем и весь объем колонны участвует в процессе.

В зависимости от скорости подачи газовой фазы структура барботажного слоя, возникающего на контактных тарелках, различна. При сравнительно невысокой скорости газа двухфазный слой имеет режим подвижной пены. Такой газожидкостный поток характеризуется высокими значениями объёмного газосодержания и удельной поверхности контакта фаз. При дальнейшем увеличении скорости газа, а это делается с целью повышения производительности аппаратов, структура двухфазного потока заметно изменяется. Газожидкостный слой в этом случае становится неоднородным и сильно турбулизованным.

Разработанная конструкция тарелки «наклонного типа» позволяет создать активный гидродинамический режим взаимодействия фаз, увеличить коэффициенты массопередачи и весь объем колонны участвует в процессе, в режиме динамической пены.

Предлагаемый вид контактного устройства представляет практическую ценность, так как резко возрастает массопередача в абсорбционных аппаратах, что влечет за собой повышение степени улавливания. В отличие от тарелок других типов, разработанная тарелка практически не забивается твердыми включениями и может эксплуатироваться без ремонта долгое время.

Оптимальный режим работы такой тарелки достигается при скоростях соответствующих образованию устойчивой высокотурбулизованной пены. В этом режиме коэффициент полезного действия тарелок имеет наибольшую величину. При оптимальном режиме все тарельчатые конструкции примерно равны по эффективности и тарелки, которые имеют наибольшую пропускную способность наиболее целесообразны для использования. Основываясь на важнейших показателях массообменных тарелок, можно считать, что новая предложенная тарелка «наклонного типа» является наиболее перспективной с точки зрения применения. Они эффективны даже при максимальных нагрузках, имеют широкий диапазон устойчивой работы, сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление, относительно низкую металлоемкость, стоимость и высокую производительность.

Литература:

1. Кафаров В.В. Основы массопередачи. Изд. 2-е, переработ, и доп. Учеб. пособие для вузов. -М., "Высшая школа", 1972. 496 с.

2. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии Л: Химия, 1977 - 592 с.

3. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перер., и доп. М.: "Химия", 1976.-656 с.

4. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М.: Химия, 1981.-616 с.

5. Тадеуш Хоблер. Массопередача и абсорбция. Перевод с польского под ред. проф. Романкова П.Г. JL: Химия, 1964. - 480 с.

6. Кузнецова, Н.А. Исследование гидродинамики аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем, применяемых для очистки газовых потоков.

7. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. Изд.5-е. М., «Химия», 1998, 847 с.

8. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия. 1979.439с.

9. Александров И. А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. JL: Химия, 1975 - 320 с.