Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАССООТДАЧИ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ОРОШАЕМЫХ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН В ПРОТИВОТОКЕ

Фарахов М.М. 1 ЛаптевА.Г. 2 Фарахов Т.М. 1
1 Инженерно-внедренческий центр «Инжехим»
2 ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»
Выполнено обобщение уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в сухих насадочных слоях на работу колонны в пленочном режиме при противотоке. Даны сравнения с расчетом по известным выражениям и с экспериментальным результатами различных авторов. Полученное уравнение позволяет вычислять коэффициент массоотдачи в газовой фазе с использованием результатов гидравлического исследования насадочных колонн.
насадки
массоотдача
гидравлическое сопротивление
число Шервуда
пленочный режим
1. Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А. Насадки массообменных колонн. – М.: Галилея-принт, 2009. – 358 с.
2. Каган А.М., Лаптев А.Г., Пушнов А.С., Фарахов М.И. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. – Казань: Отечество, 2013.– 428 с.
3. Лаптев А.Г., Фарахов Т.М. Модель массоотдачи в зернистых и насадочных слоях // Известия вузов. Химия и химическая технология.– 2013.– Т.56, №6.– С.92-96.
4. Лаптев А.Г., Фарахов Т.М. Модели трения в турбулентных потоках при обтекании различных поверхностей // Вестник Казанск.технол.ун-та.– 2013.– № 23.– С. 82-86.
5. Рамм В.М. Абсорбция газов. – 2-е изд. – М.: Химия, 1976. – 656 с.
6. Onda K. Mass transfer and packet columns / K.Onda, E.Sada, M.Saito // Kadaku Kodaku. – 1961. – V. 25, № 11. – P. 820–829.
7. Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов. - Казань: изд-во Казанск. ун-та, 2007. – 500 с.
8. Фарахов М.И., Лаптев А.Г. Энергоэффективное оборудование разделения и очистки веществ в химической технологии // Вестник Казанск. технол. ун-та.– 2011.– №9 – С.152-158.

Насадочные колонные аппараты с хаотичной засыпкой (нерегулярной насадкой) находят широкое применение в различных отраслях промышленности для проведения тепломассообменных и сепарационных процессов. Известны [1,2] многие сотни конструкций нерегулярных насадочных элементов. Разнообразие конструкций элементов и их технических параметров приводит к необходимости проведения многочисленных исследований гидравлических и тепломассообменных характеристик в расчетах промышленных колонн. Причем, исследование тепломассообменных процессов наиболее трудоемкое и затратное, чем изучение гидравлических характеристик. К гидравлическим характеристикам насадочного слоя относятся: перепад давления (коэффициент сопротивления), задержка жидкости и коэффициент смачиваемости поверхности элементов, а к тепломассообменным – коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи в фазах, с использованием которых вычисляется коэффициент массопередачи и далее эффективность массообменных колонн.

Целью исследования является получение расчетного выражения для коэффициентов массоотдачи в газовой фазе орошаемых насадочных колонн при пленочном режиме в противотоке при использовании выражения, полученного для сухой насадки.

Материалы и методы исследования

Массоотдачу в газовой фазе насадочных колонн изучают путем возгонки твердых тел в отсутствии орошения, а также испарения чистых жидкостей и абсорбции хорошо растворимых газов.

В работах [3, 4] на основе применения теории пограничного слоя и гидродинамической аналогии получены выражения для расчета коэффициента трения и числа Шервуда в сухих нерегулярных насадочных слоях. Обобщенное выражение для расчета числа Шервуда имеет вид:

farahov1.wmf, (1)

где farahov2.wmf Число Шервуда; farahov3.wmf число Рейнольдса; farahov4.wmfкоэффициент гидравлического сопротивления слоя; farahov5.wmf – число Шмидта; βг – средний коэффициент массоотдачи, м/с; farahov6.wmf эквивалентный диаметр насадки, м; farahov7.wmf коэффициент диффузии компонента, м2/с; farahov8.wmf коффициент кинетической вязкости, м2/с; farahov9.wmf средняя скорость газа в слое, м/с; farahov10.wmf; farahov11.wmf удельный свободный объем насадки, м3/м3; farahov12.wmf удельная поверхность, м2/м3.

Коэффициент сопротивления является функцией критерия Рейнольдса farahov13.wmf, его находят по формулам в зависимости от вида элементов и характера движения потока [1, 2, 5]:

для колец Рашига (при Reг > 40):

farahov14.wmf, (2)

для насадок «Инжехим-2003М» (при Reг > 100):

farahov15.wmf, (3)

для насадок «Инжехим-2002» (при Reг > 500):

farahov16.wmf, (4)

для насадок «Инжехим-2000» (при Reг > 500):

farahov17.wmf, (5)

для насадок шарообразной формы (при Reг > 2000):

farahov18.wmf, (6)

и при Reг < 2000

farahov19.wmf. (7)

Выражение (1) проверено при farahov20.wmf и farahov21.wmf и дает удовлетворительное согласование (±15 %) с экспериментальными данными в интервале чисел Reг вполне достаточного для работы большинства насадочных колонн при пленочном режиме.

Ниже рассмотрена возможность применения выражения (1) при расчете массоотдачи и в орошаемой насадке, если использовать поправку Shulman H.L. и коэффициент смачиваемости поверхности элементов. Тогда формула (1) получит вид:

farahov23.wmf(8)

где farahov24.wmf удельная задержка жидкости в насадке, м3/м3; farahov25.wmf коэффициент смачиваемости поверхности.

Количество удерживаемой жидкости farahov26.wmf в насадочной колонне складывается из статической и динамической составляющей и вычисляется по эмпирическим выражениям для каждого вида насадки. Для большинства насадок farahov27.wmf [2, 5].

Коэффициент смачиваемости поверхности насадок при пленочном режиме farahov28.wmf, т.к. не вся поверхность смачивается жидкостью, особенно при небольших расходах и большой удельной поверхности элементов в слое [2,5].

Для расчетов наибольшее применение находит выражение вида [5]

farahov29.wmf (9)

где для колец (15-35 мм); farahov30.wmf для сёдел (12,5 и 50 мм); farahov31.wmf – число Рейнольдса; farahov32.wmf – плотность орошения, м3/(м2∙с). Необходимо учитывать, что в процессе массообмена участвует активная поверхность насадки, которая не всегда равна смоченной [2, 5].

Для сравнения результатов расчетов числа farahov33.wmf (8) используем критериальное выражение Onda K. и др. [6]:

farahov34.wmf (10)

где farahov35.wmf – число Галилея.

Постоянные A, p, q имеют значения, представленные на таблице.

Значения постоянных для различных насадок

А

p

Q

Кольца внавал

0,0142

0,52

0,16

Седла

0,0058

0,34

0,22

А также уравнение полученное с использованием модели диффузионного пограничного слоя [7]

farahov36.wmf, (11)

где средняя скорость диссипации энергии равна

farahov37.wmf, (12)

где farahov38.wmf составляющая перепада давления farahov39.wmf в орошаемой насадке, вызванная наличием жидкой фазы; Н – высота слоя насадки в колонке, м. Выражение (11) запишем используя число Шервуда

farahov40.wmf. (13)

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1,2 даны результаты расчета по выражениям (8), (10) и (13).

farah1.tif

Рис. 1. Зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе от скорости газа в колонне (кольца 10 мм): 1 – по уравнению (8); 2,3 – по выражениям (10) и (13). Коэффициент массоотдачи отнесен к смоченной поверхности насадки. Абсорбция аммиака водой. Расход жидкости 10 м3/(м2·ч); dэ= 0.007 м

farah2.tif

Рис. 2. Зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе от скорости газа в колонне (седла 25 мм): 1 – по уравнению (8); 2-3 – по выражениям (10), (13). Абсорбция аммиака водой. Расход жидкости 10 м3/(м2·ч); dэ= 0.011 м

На рис. 3, 4 представлена корреляция по безразмерному комплексу для различных насадок [5] c расчетом по формуле (8) при абсорбции различных смесей.

farah3.tif

Рис. 3. Корреляция данных по массоотдаче в газовой фазе с насадкой из Колец Рашига: 1,4 – кольца 10 мм; 2,5 – 15 мм; 3,6 – 25 мм. 1 – 3 – расчет по уравнению (8); 4 – 6 –экспериментальные данные, обобщенные в работе [5]. Коэффициент массоотдачи отнесен к смоченной поверхности насадки

farah3.tif

Рис. 4. Массоотдача в газовой фазе с седлами Берля: 1,4 – седла 13 мм; 2,5 – 25 мм; 3,6 – 38 мм. Остальные обозначения см. на рис. 3

Выводы

В результате можно сделать вывод о том, что предложенное выражение (8) удовлетворительно согласуется (±15 %) с другими уравнениями и экспериментальными данными различных авторов и рекомендуется к использованию при расчетах массообменных колонн с новыми насадками, когда есть результаты по гидравлическим характеристикам farahov41.wmf [1, 2, 5]. Данное выражение применяется при проектировании или модернизации промышленных колонн [8].

Статья выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности. Заявка №13.405.2014/К.


Библиографическая ссылка

Фарахов М.М., ЛаптевА.Г., Фарахов Т.М. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАССООТДАЧИ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ОРОШАЕМЫХ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН В ПРОТИВОТОКЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 9-2. – С. 50-53;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=5829 (дата обращения: 19.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074