СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГУЛЯРНЫХ НАСАДОК В АППАРАТАХ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ

COMPARATIVE CHARACTERISTICS OF REGULAR ACCESSORIES IN APPARATUS WATER PURIFICATION FROM DISSOLVED GASES

Elena Lapteva

candidate of Technical Sciences, assistant professor, FGBOU IN "Kazan State Power Engineering University",

Russia, Kazan

Guzel Shagieva

graduate student, FGBOU IN "Kazan State Power Engineering University", Russia, Kazan

Anatoly Laptev

Doctor of Technical Sciences, Professor, FGBOU IN "Kazan State Power Engineering University",

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В работе на основе ячеечной модели получено выражение для расчета высоты слоя насадки по заданной эффективности очистки воды. Проведено сравнение нескольких типов регулярных насадок и на основании расчетов произведен выбор лучшей для очистки воды от корозионно-активных газов в деаэраторах и декарбонизаторах.

ABSTRACT

The paper-based cell model, the expression for the calculation of packed bed height at a given water treatment efficiency. A comparison of several types of regular nozzles and on the basis of calculations made the best choice for water purification from corrosion-active gases in deaerators and precalciner.

Ключевые слова: регулярная насадка; ячеечная модель; высота слоя насадки; эффективность очистки воды; декарбонизация; деаэрация.

Keywords: regular packing; cell model; the height of the nozzle layer; the efficiency of water purification; decarbonisation; deaeration.

Введение

Для очистки воды от растворенных корозионно-активных газов в основном используется метод десорбции, реализуемый в аппаратах пленочного барботажного, струйного и комбинированного взаимодействия с воздухом или водяным паром. В данной работе для выбора наиболее эффективных конструкций регулярных насадок рассмотрена ячеечная модель и получено выражение для расчета высоты слоя насадки по заданной эффективности очистки воды.

Математическая модель

Ячеечная модель, наряду с диффузионной наиболее адекватно описывает структуру потока в аппаратах при условии равномерной подачи газа и жидкости в насадочный слой. Учет возможных неравномерностей первоначального распределения фаз является отдельным предметом исследования. Далее рассматривается режим противотока при пленочном течении жидкости по насадке. Известно, что при десорбции труднорастворимых газов основное сопротивление массопередачи сосредоточено в жидкой фазе и тогда, коэффициент массопередачи равен коэффициенту массоотдачи в жидкости. В таком случае выражение для расчета эффективности процесса с применением ячеечной модели, имеет вид [8]

,                                   (1)

где С_н, С_к – начальная и конечная концентрация растворенного газа в воде; С^* - равновесная концентрация; N_ж - число единиц переноса в жидкой фазе; n – число ячеек полного перемешивания.

В водоподготовке концентрацию С принято выражать мг/кг или мг/л.

Число единиц переноса для насадки запишем в виде

,                                       (2)

где   - коэффициент массоотдачи, м/с;  - поверхность контакта фаз, м²;   - объемный расход жидкости, м³/с;  - удельная поверхность насадки, м²/м³;   - высота слоя насадки, м;  - коэффициент смачиваемости поверхности;  - средняя скорость жидкости на полное сечение аппарата, S, м² (без насадки).

Выражение (1) с  (2) получит вид

.                                            (3)

Отсюда при заданной эффективности очистки воды (в большинстве случаев достаточно [10,6] ) запишем высоту насадки

.                                        (4)

Основными параметрами в данных выражениях являются коэффициент массоотдачи    и число ячеек n. Коэффициент смачиваемости при больших плотностях орошения (>40 м³/м²ч) можно принять .

Число ячеек n связано с диффузионным числом Пекле [8]

,                                      (5)

где ; - характерный размер, м;  - средняя скорость среды, м/с;  - коэффициент обратного перемешивания, м²/с. Для насадок так же записывают ; где  - плотность орошения, м³/м²с;  - эквивалентный диаметр насадки, м;  - удельный свободный объем слоя.

Отмечено [8], что по данным различных авторов наблюдается довольно значительный разброс (до 2х и более раз) по значениям Pe для однотипных насадок. Обобщённое выражение для числа Пекле в газовой фазе получено с применением модели Тейлора и имеет вид [7]

,                              (6)

где  - число Рейнольдса;  - коэффициент гидравлического сопротивления насадки;  - скорость газа в слое, м/с; ν - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

Записывая значение  где в качестве характерного размера применяется высота слоя H, имеем

                                              (7)

Тогда число ячеек в газовой фазе по высоте слоя можно вычислить по формуле (5).

Конечно, числа Пекле в жидкой фазе (пленке) и в газовой фазе не совпадают, но имеют один и тот же порядок. Причем чаще . Поэтому примем наихудшее условие – расчет n по числу Пекле в газовой фазе (7).

 Довольно сложной задачей является достоверное определение коэффициента массоотдачи в жидкой фазе для насадок различных конструкций, тем более разработанных за последние годы. Известно большое количество эмпирических и полуэмпирических формул [8,1].

Так, в частности, для насадочных колонн с нерегулярными кольцевыми насадками на основе выражения Вязова получено уравнение, которое дает удовлетворительные результаты по массоотдаче в жидкой фазе при ламинарном безволновом пленочном течении [4]:

                               (8)

где  – коэффициент диффузии компонента,  .

Уравнение (8) дает удовлетворительные результаты при  < 0,015 м, где  – эквивалентный диаметр насадки, м. При > 0,015 значения  по (8) меньше экспериментальных, что можно объяснить возникновением волн на поверхности пленки.

Выражение (8) содержит параметры, которые, как правило, определяются при гидравлическом исследовании насадочных колонн – динамическую задержку жидкости  и коэффициент смачиваемости поверхности насадки .

Для насадочного слоя в уравнении Вязова используем поправочный коэффициент Дэвидсона .

Тогда получим

,                                (9)

где  – критерий Шмидта в жидкой фазе, ;  – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с;  – плотность жидкости, ;  - средняя скорость жидкости в пленке, м/с

При ламинарном волновом пленочном течении необходимо учитывать длину и амплитуду волны. При волнообразовании коэффициент массоотдачи  увеличивается в 1,5-2,0 раза и более по сравнению с гладкой пленкой. При условии непрерывного роста диффузионного слоя по всему орошаемому каналу уравнение для  получено в виде [9]:

,                (10)

где  – амплитуда волны; ;  – длина волны, м.

Волнообразование может быть создано искусственно за счет регулярной шероховатости.

При расчете коэффициента массоотдачи в жидкой фазе необходимо учитывать известные данные о соотношении высоты выступа шероховатости и толщины пленки жидкости. Для ламинарного волнового режима получено выражение [9]:

,          (11)

где принято  – шаг регулярной шероховатости, м.

Для расчета амплитуды волны получены выражения [9]:

, ,

, ,

, ,

где число Рейнольдса ;  - толщина пленки, м.

В формуле (11) функция  имеет вид:

 при ,

 при .

При турбулентном течении пленки жидкости () по гладкой поверхности коэффициенты тепло- и массоотдачи можно вычислить по уравнениям, полученным на основе использования модели диффузионного пограничного слоя [4].

Кроме коэффициентов массоотдачи так же важной характеристикой насадок является гидравлическое сопротивление (перепад давления) сухого и орошаемого слоя. Коэффициент сопротивления чаще всего записывают в виде ξ=f(Re_э); (различные степенные функции) [8,1,2].

Рассмотрим несколько современных насадок [2,5].

1. Сегментно-регулярная насадка «Инжехим»

Насадка выполнена в виде пакета, образованного металлическими лентами, на боковых поверхностях имеются треугольные гофры с лепестками в форме круговых сегментов. Ориентация лепестков противоположная предыдущей. Насадка изготавливается из перфорированных сплошных лент шириной 40 мм. Удельная поверхность  от 485 м²/м³, удельный свободный объем 0,95. Насадка сворачивается в рулон и указывается на опорную решетку. В результате экспериментов получен коэффициент гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки

 ,                      (12)

при w_г от 0,5 до 4,5 м/с и плотности орошения от 5 до 30 м³/ м² час (Re_ж=qd_э/v_ж).

Для вычисления динамической составляющей задержки жидкости в слое насадки получено выражение

                                     (13)

где =4q/(v_ж ); Ga=g/( ) – числа Рейнольдса и Галилея.

2. Регулярная рулонная гофрированная насадка «Инжехим»

Насадка состоит из пакетов, набранных из гофрированных листов. Центральный пакет выполнен в виде долей коаксиальных цилиндров, при этом гофры листов расположены под углом к горизонту, а в смежных листах пакета выполнены перекрестно (=150-300 м²/м³; ε_св=0,95). В результате экспериментов получены коэффициенты гидравлического сопротивления (при w_г от 0,5 до 6,5 м/с)

- для рулонной с шероховатой поверхностью (микрорельефом):

                                                 (14)

- для рулонной просечной: , при w_г от 0,6 до 6 м/с.

Для орошаемой насадки установлено (при плотности орошения от 10 до 110 м³/м² час)

,                                                    (15)

где b=0,0082 – насадка с шероховатой поверхностью; b=0,0091 – насадка с просечками; q - м³/(м² час). Для расчета задержки жидкости получено выражение

                                              (16)

3. Регулярная насадка IRG

Насадка содержит пакеты гофрированных листов с перекрестным расположением гофр в соседних листах

На поверхности пластин созданы фигурные шероховатости в виде выпуклостей (=160 м²/м³; ε_св=0,98).

В результате обобщения экспериментальных данных получен коэффициент гидравлического сопротивления (при w_г от 0,5 до 3,5 м/с)

,                                  (17)

где b=5,06 10^-3; q – м³/(м² час), при q от 10 до 20 м³/(м² час).

Задержка жидкости получена в интервале 0,06 – 0,08.

Результаты расчетов

В качестве примера рассмотрим процесс декарбонизации  из воды воздухом. Расход воды 30; скорость воздуха  = 1,5 м/с; высота насадки Н=1м. Рулонная гофрированная насадка и насадка IRG с элементами шероховатости (пуклевкой или микрорельефом), с расстоянием между выступами  =  м. Сегментная насадка с шириной пакета  =0,04 м. Эти характеристики используются в расчетах коэффициентов массоотдачи (9)-(11).

Средняя толщина пленки вычислялась как  , а средняя скорость жидкости в пленке  , q –плотность орошения, ;

Таблица 1.

Результаты расчетов сегментно-регулярной насадки «Инжехим»

Таблица 2.

Результаты расчетов регулярной рулонной гофрированной насадки «Инжехим»

Таблица 3.

Результаты расчетов регулярной насадки IRG

Как следует из расчетов все насадки обеспечивают требуемую эффективность массопередачи, но насадка 1 имеет значительно меньшее гидравлическое сопротивление (в 2,6 раза), чем насадки 2 и 3. Однако, учитывая, что деаэраторы и декарбонизаторы работают при больших нагрузках по воде (60-80), то наиболее предпочтительной является насадка 2, исследованная в широком интервале нагрузок по газу и жидкости. Так, например, при увеличении расхода жидкости с 30 до 60 , эффективность насадки 2 составляет = 0,992, что является вполне достаточной для удаления  до нормы [10,3].

Список литературы:

1. Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей – Л.: Химия,1975. - 319с.
2. Каган А.М. Контактные насадки промышленных тепломассобменных аппаратов / А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов: под ред. А.Г. Лаптева– Казань: Отечество, 2013. – 454 с.
3. Копылов А.С. Водоподготовка в энергетике / А.С. Копылов, В.М. Лавыгин, В.Ф Очков. М: Издательский дом МЭИ, 2006. 309 с.
4. Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов – Казань: Изд-во Казанского ун-та, 2007. – 500 с.
5. Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Минеев Н.Г. Основы расчета и модернизации тепломассообменных установок в нефтехимии / СПб: Страта, 2015. – 576с.
6. Лаптева Е.А., Шагиева Г.К., Лаптев А.Г. Эффективность насадочных декарбонизаторов в водоподготовке ТЭС // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. - 2015. - №11-12. – С. 20-25.
7.  Лаптева Е.А., Лаптев А.Г. Прикладные аспекты явлений переноса в аппаратах химической технологии и теплоэнергетики.– Казань: Печать-Сервис XXI век, 2015. – 236 с.
8. Рамм В.М. Абсорбция газов – М.: Химия,1976. – 655с.
9. Холпанов Л.П., Шкадов В.Я. Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела – М.: Наука, 1990.- 271 с.
10. Шарапов В.И., Сивухина М.А. Декарбонизаторы/ Ульян. гос. техн. ун-т. – Ульяновск: УлГТУ,2000. – 204 с.; ил.