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:
, (1)
где 
Число Шервуда; 
число Рейнольдса; 
коэффициент гидравлического сопротивления слоя; 
– число Шмидта; βг – средний коэффициент массоотдачи, м/с; 
эквивалентный диаметр насадки, м; 
коэффициент диффузии компонента, м2/с; 
коффициент кинетической вязкости, м2/с; 
средняя скорость газа в слое, м/с; 
; 
удельный свободный объем насадки, м3/м3; 
удельная поверхность, м2/м3.
Коэффициент сопротивления является функцией критерия Рейнольдса 
, его находят по формулам в зависимости от вида элементов и характера движения потока [1, 2, 5]:
для колец Рашига (при Reг > 40):
, (2)
для насадок «Инжехим-2003М» (при Reг > 100):
, (3)
для насадок «Инжехим-2002» (при Reг > 500):
, (4)
для насадок «Инжехим-2000» (при Reг > 500):
, (5)
для насадок шарообразной формы (при Reг > 2000):
, (6)
и при Reг < 2000
. (7)
Выражение (1) проверено при 
и 
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:
(8)
где 
удельная задержка жидкости в насадке, м3/м3; 
коэффициент смачиваемости поверхности.
Количество удерживаемой жидкости 
в насадочной колонне складывается из статической и динамической составляющей и вычисляется по эмпирическим выражениям для каждого вида насадки. Для большинства насадок 
[2, 5].
Коэффициент смачиваемости поверхности насадок при пленочном режиме 
, 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]
(9)
где для колец (15-35 мм); 
для сёдел (12,5 и 50 мм); 
– число Рейнольдса; 
– 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 
(8) используем критериальное выражение Onda K. и др. [6]:
(10)
где 
– 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]
, (11)
где средняя скорость диссипации энергии равна
, (12)
где 
составляющая перепада давления 
в орошаемой насадке, вызванная наличием жидкой фазы; Н – высота слоя насадки в колонке, м. Выражение (11) запишем используя число Шервуда
. (13)
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1,2 даны результаты расчета по выражениям (8), (10) и (13).
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
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.
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
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 
[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.