Классификация и расчет вихревых контактных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Основное требование, которое должно выполняться при конструировании контактных устройств (КУ) массообменных аппаратов заключается в том, что поверхность межфазного контакта, создаваемая контактным устройством, должна непрерывно обновляться. При этом интенсивность обновления должна быть максимальной.

Это требование может быть осуществлено различными способами в контактных устройствах различных типов. Однако во всех типах контактных устройств имеется общая тенденция: увеличение относительных скоростей контактирующих фаз. При увеличении скорости увеличивается турбулентность двухфазного протока, что ведет к увеличению скорости обновления поверхности. Однако, увеличению скорости препятствует явление пенно - и брызгоуноса, бороться с которыми очень трудно. Поэтому во многих конструкциях барботажного типа предельная скорость пара, рассчитанная на полное сечение колонны, не превышает 1-1.5 м/сек. Попытки увеличить скорость привели к созданию прямоточных контактных устройств, в которых контакт фаз происходит при одинаковом направлении течения пара и жидкости. Эти конструкции требуют особого внимания к сепарации пара и жидкости после единичного контакта, усложняет конструкции. Кроме того, могут быть созданы такие КУ, в которых жидкая фаза раздробляется на мелкие капли, непрерывно соударяющиеся с газом или паром и с конструктивными элементами устройства. В этом случае используется энергия струй газа или им подводится внешняя энергия. Так в вихревых контактных устройствах для образования поверхности контакта фаз используется центробежная сила за счет создания специальной конструкции завихрителей газового потока.

В многочисленных разновидностях КУ, которые будут рассмотрены далее, конструкторы стремятся создать наиболее благоприятные условия для обновления поверхностей контакта фаз. При этом приходится решать и другие задачи: уменьшение брызгоуноса, улучшение сепарации жидкости, обеспечение широкого диапазона нагрузок по пару и жидкости и устойчивости работы КУ. Нельзя забывать и об экономической стороне вопроса. Контактные устройства должны быть просты по конструкции, надежны в эксплуатации и удобны при сборке.

При создании контактных устройств массообменных аппаратов необходимо выбирать такой тип контактной ступени, который обеспечивал бы эффективное многоступенчатое контактирование фаз при высоких нагрузках аппаратов по газу. С точки зрения гидродинамики такие контактные устройства должны обеспечивать не только эффективное контактирование газа и жидкости, но и ликвидацию брызгоуноса и провала жидкости со ступени контакта фаз, Для этих условий наиболее перспективными являются аппараты вихревого типа.

1. Классификация вихревых контактных устройств

Разнообразие вихревых конструкций.

Многообразие конструкций вихревых контактных устройств массообменных аппаратов приводит к необходимости их классификации, которая позволяет более объективно подойти к выбору того или иного типа контактного устройства и выявить направление их дальнейшего совершенствования.

Известно, что эффективность и производительность вихревых контактных устройств предопределяется гидродинамическими и конструктивными особенностями.

Рассмотрим отличительные особенности различных конструкций ВКУ и условия взаимодействия потоков в них в соответствии с предлагаемой классификацией представленной на рис. 1.

Данная классификационная схема анализа конструкций ВКУ разбита на две основные подгруппы, включающие гидродинамические и конструктивные особенности. Такой подход позволяет нам оценить гидродинамическую обстановку и выявить влияние конструктивных параметров на эффективность работы ВКУ многоступенчатого массообменного аппарата.

Рассмотрим особенности конструкции ВКУ и схемы взаимодействия газожидкостных потоков. По направлению движения фаз можно выделить перекрестно - противоточныё и перекрестно - прямоточные типы ВКУ.

При этом перекрестно - противоточные конструкции можно подразделить на ВКУ с исходящим и восходящим направлением движения фаз предопределяет использование различных сил для сепарации жидкости. В ВКУ кроме гравитационных и инерционных сил для сепарации жидкости создаются значительные центробежные силы. Количественное сравнение различных типов КУ по значениям относительного брызгоуноса показало, что аппараты с ВКУ обладают минимальным брызгоуносом. В то же время становится очевидным, что для аппаратов, работающих при больших нагрузках по газу, наибольшей производительностью обладают ВКУ с прямоточным направлением контактирующих фаз.

На рис. 1 а показана конструкция вихревого контактного устройства профессора Н.А. Николаева с прямоточным движением фаз. Контактное устройство состоит из аксильного завихрителя 1, переточного канала 2, гидрозатвора 3, контактного патрубка 4, с вертикальными прорезями вверху и тороидального отсекателя 5. Вихревое движение газовой фазы, создаваемое завихрителем в сочетании с центральной подачей жидкости в зону контакта, обеспечивает тонкое дробление ее на капли и последующее их осаждение под действием центробежных сил на стенке контактного патрубка. Пленка жидкости, образующаяся при этом, увлекается потоком газа вверх и, проходя через вертикальные прорези контактного патрубка, сбрасывается з кольцевой карман для сбора жидкости. Жидкость, оставшаяся на стенке патрубка отделяется от газа тороидальным отсекателем.

Известны конструкции ВКУ работающие в перекрестно - противоточном режиме. Однако их применение в аппаратах, работающих при больших нагрузках по газу нецелесообразно ввиду того, что производительность таких ВКУ ограничена.

Большое влияние на гидродинамическую обстановку и эффективность работы ВКУ оказывает способ подвода жидкости. Исследования профессора Н.А. Николаева показало, что основной массообмен в ВКУ с центральной подачей жидкости происходит в момент распыла жидкости и в момент удара капель жидкости удара капель жидкости о стенки контактного патрубка. Массообмен при полете капель практически незначителен. Известны конструкции, в которых подача жидкости осуществляется методом эжекции жидкости в ВКУ. На рис. 1 б представлено ВКУ, работающее по принципу эжекции жидкой фазы. ВКУ представляет собой цилиндрический патрубок 2, внутри которого расположен аксиальный завихритель 1. Между тарелкой с паровым патрубком 3 и контактным патрубком 2 имеется зазор 4. Жидкость, эжектируемая газом, в диспергируемом состоянии движется вверх до завихрителя 1 и приобретает вращательно-поступательное движение. Отделение жидкости от газа происходит отбойником 5. Эжекция жидкости газовым потоком позволяет увеличить поверхность контакта фаз. Применение эжекции приводит к уменьшению уровня жидкости на тарелке и уменьшению вторичного брызгоуноса жидкости. Под вторичным брызгоуносом подразумевается унос жидкости с зеркала тарелки аппарата. Для аппаратов очистки отходящих газов наиболее предпочтительнее использовать эжекцию жидкости в ВКУ. С целью более глубокого изучения перспективности применения ВКУ в массообменных аппаратах проведем анализ влияния отдельных элементов конструкции ВКУ на эффективность его работы.

Рис. 1

Рис. 2

Анализ существующих конструкций ВКУ показывает, что в промышленных аппаратах находят применение ВКУ с завихрителями, расположенными над тарелкой и ВКУ с завихрителями, расположенными под тарелкой. Патрубки сепарации жидкости в контактных устройствах этих конструкций находятся над тарелкой. Применение конусных или цилиндрических завихрителей позволяет увеличить площадь живого сечения и уменьшить гидравлическое сопротивление контактного устройства.

На рис. 2 показано ВКУ с тангенциальным завихрителем, разработанное в КХТИ им. С.М. Кирова А.Ф. Махоткиным, А.М. Шамсутдиновым. ВКУ состоит из тангенциального завихрителя 1, выполненного выпуклой формой, тарелки 2, циркулярной трубки 3, сепарационного конуса 4 и отбойника 5. Выпуклая форма завихрителя обеспечивает высокую удерживающую способность диспергированной жидкости. Исследования работы ВКУ данного типа в промышленных условиях показали их высокую эффективность. Однако испытания многоступенчатого аппарата очистки отходящих газов с этими ВКУ показали, что они имеют значительный провал жидкости и тем самым снижают эффективность многоступенчатого контактирование фаз. С целью исключения провала жидкости из ВКУ и обеспечения при этом более надежного контакта газа с жидкостью в многоступенчатых аппаратах целесообразно располагать завихритель газового потока над тарелкой внутри контактного патрубка.

По конструкции завихрителя ВКУ подразделяются на:

ВКУ с осевыми завихрителями,

ВКУ с аксиально-тангенциальными завихрителями,

ВКУ с тангенциальными завихрителями.

Кроме того, можно выделить завихрители с арочными просечками и пластинчатые завихрители. От конструкции завихрителя и условий формирования газового потока ВКУ зависит не только гидродинамическая обстановка, но и эффективность, надежность работы аппарата.

Рис. 3

На рис. 3 представлена тарелка с ВКУ имеющими аксиально-тангенциальные завихрители. Контактное устройство состоит из корпуса 1, контактного патрубка 2, снабженного щелями 3, конусного завихрителя 4, расположенного под тарелкой. Переток жидкости с вышележащей тарелкой на нижележащую осуществляется через переточную трубу. Сепарация жидкости происходит на контактном патрубке и под отбойником 5. Принцип работы ВКУ аналогичен ВКУ, недостатком данной конструкции является малая удерживающая способность по жидкой фазе и наличие провала жидкости из ВКУ.

Интенсификация массообмена на контактном патрубке может быть реализована за счет изменения конструктивных параметров, одним из таких путей повышения эффективности процесса является создание искусственной шероховатости.

На рис. 3 показано ВКУ конструкции В.Ш. Сафина. Контактный патрубок 1 выполнен в виде конуса, на боковой поверхности которого имеются тангенциальные щели для входа газа. Жидкая фаза подается в ВКУ с тарелки 4 по циркулярной трубе 3. Коническая форма контактного патрубка по сравнению с цилиндрической не обеспечивает заметного увеличения эффективности. Промышленное испытание данных ВКУ показали наличие провала жидкости из завихрителя и высокий брызгоунос. Указанные недостатки явились причиной того, что данные контактные устройства не нашли широкого применения в промышленности.

Для надежной работы ВКУ большое значение имеет выбор отбойных устройств. В работе приводятся результаты применения в качестве сепараторов перфорированных стаканов. Капли жидкости, ударяясь о стенки стакана и оседая на ней, образуют пленки жидкости. Эта пленка жидкости за счет центробежной силы продавливается сквозь отверстие стенки стакана, вновь распадаясь на капли. Это приводит к улучшению сепарации жидкости, интенсивному турбулентному перемешиванию и к увеличению эффективности массопередачи. В работе Н.А. Николаева, А.А. Овчинникова приводится подробный анализ и исследование различных конструкций отбойных устройств. Широкое применение нашли комбинированные способы сепарации, которые обеспечивают надежное разделение прореагировавших фаз. В конструкциях ВКУ, описанных в работе было использовано сочетание щелей сепарационного патрубка с коническим или тороидальным отбойником.

Рис. 4

Анализ конструктивных особенностей ВКУ позволяет выявить некоторые недостатки их конструкций и определить пути их совершенствования и выбора до определенных технологических процессов. Для одних процессов, например, многоступенчатая абсорбция легкорастворимых газов, необходимо полностью ликвидировать унос и провал жидкой фазы. В других - использовать такую конструкцию контактного устройства, в которой можно совместить несколько технологических операций.

2. Расчет вихревого контактного устройства

Расчет основных конструктивных параметров контактного устройства проведем исходя из условия равенства скоростей газового потока во входном отверстии, в щелях завихрителя и кольцевом зазоре между контактным патрубком и лопатками завихрителя, то есть:

wвх = wщ = wк = 18 м/с.

Диаметр входного отверстия вычисляется по формуле:

м.,

где: V - объемный расход газа; кг/ч - массовый расход газа; - плотность воздуха.

м3/ч.

Конструктивно принимаем количество лопаток n.

Ширина щели определится по формуле:

hщ = R - R · cos300,

где R - радиус входного отверстия.

Радиус окружности, описываемой концами лопаток по формуле:

мм.

Высота завихрителя должна быть такой, чтобы соблюдалось условие^

, мм.

Примем округленно высоту лопаток завихрителя 450 мм.

Из условия равенства скоростей в различных сечениях ВКУ следует равенство площадей этих сечений, т.е.

1,2Fвх = 1,2Fщ = Fк,

где коэффициент 1,2 принимается для учета жидкостной пленки на внутренней поверхности контактного патрубка.

,

,

,

Следовательно, диаметр контактного патрубка рассчитывается по формуле:

 мм.

Исследования показывают, что величина брызгоуноса минимальна при отношении высоты контактного патрубка к его диаметру .

Рабочая скорость газа по аппарату.

м/с.

Определение диаметра скруббера.

.

контактный вихревой патрубок гидродинамический

Литература

1. Александров И.А. "Ратификационные и абсорбционные аппараты". 3-е изд. М., Химия 1978, 278с.

2. Кафаров В.В. "Основы массопередачи". 1-е изд. М., «Высшая школа», 1962.

3. Николаев Н.А., Овчиников А.А. "Конструирование и расчет вихревых сепараторов". Казань, КХТИ, 1981, 24с.

Размещено на Allbest.ru