ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАССООБМЕННЫХ НАСАДОК

INVESTIGATION OF THE MODES OF OPERATION OF MASS TRANSFER NOZZLES

Leonid Skokov

master's student, Department of Machinery and Apparatus of Chemical and Food Production, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

Svetlana Vasilevskaya

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

Насадочные колонны активно применяются в небольших производствах и в ситуациях, требующих проведения процессов с небольшим перепадом давления. Новые типы насадок, разработанные в последние годы, позволили значительно снизить задержку жидкости и гидравлическое сопротивление, открывая перспективы применения насадочных колонн в крупных производствах. Применение насадок особенно важно в вакуумных процессах, где низкое гидравлическое сопротивление.

ABSTRACT

Packing columns are actively used in small industries and in situations requiring processes with a small pressure drop. New types of nozzles developed in recent years have significantly reduced fluid retention and hydraulic resistance, opening up prospects for the use of nozzle columns in large-scale industries. The use of nozzles is especially important in vacuum processes, where low hydraulic resistance.

Ключевые слова: насадка, поверхность, гидравлическое сопротивление, насадочная колонна, жидкость.

Keywords: nozzle, surface, hydraulic resistance, nozzle column, liquid.

В зависимости от способа изготовления, элементы насадок могут быть литыми, прокатанными, экструдированными.

Большое влияние работу сопла оказывает смачиваемость жидкостью поверхности элемента насадки. Улучшение данного показателя достигается, когда их подвергают специальной обработке, происходит создание искусственных шереховатостей, поверхностных надрезов и выступов.

Твердые тела, загруженные в корпус колонны в навал - нерегулярные насадки. Из-за этого в ней создаются сложные пространственные структуры и получаются большие поверхности контакта фаз.

Одними из наиболее используемых насадок в навал, являются кольца Рашига (рис.1 а). Кольца Рашига являются одними из самых распространенных сопел благодаря своей низкой стоимости и простоте изготовления. Помимо гладких цилиндрических колец, сделанных из металла, керамики, изобретены также насадки с ребристой наружной или внутренней поверхностью.

Лучше процесс массопереноса протекает при конструкции цилиндрических сопел с перегородками (рис.1 б).

В отличие от других типов насадок кольца Рашига имеют низкую производительность и высокое сопротивление.

Сейчас в промышленности используются кольцевидные насадки – кольцо Палля (рис.1 в). Во время изготовления таких колец в стенках делаются два ряда вырезов, лепестки которых загибаются внутрь сопла. При сравнении данной конструкции с кольцами Рашига, можно выявить, что они увеличивают пропускную способность в 1,2 раза и снижают гидравлическое сопротивление в 1,6-4 раза за счет одинаковых геометрических параметров.

На рис.1 г, показана насадка Ну-Рак фирмы «Norton». Это цилиндрическое кольцо, перфорированное на боковой поверхности, но каждый лепесток отогнут в противоположную сторону внутри кольца. Ребра жесткости находятся по бокам, они увеличивают свободный объем.

Во внутренних полостях колец Ну-Рак поток пара турбулентен, а жидкость интенсивно разрушается, что увеличивает интенсивность массопереноса на 10-30 % по сравнение с кольцами Палля с близкими гидродинамическими показателями.

Рисунок 1. Нерегулярные (насыпные) насадки

На рис.1 д, изображена усовершенствованная насадка Leverpac. Такие насадки формируют пласт с равномерным распределением порозности и насыпной плотностью, что делает распределение жидкости в пласте более равномерным.

Дальнейшая турбулизация потока и дробление происходят благодаря боковым кромкам, зубчатой формы. В данных насадках, массоперенос выше на 27%, чем у Палля, также они имеют гидравлическое сопротивление меньше на 23%.

На рис.1 е, изображено сопло Cascade Mini-Rings. Боковые стенки этих колец имеют ряд прорезей.  Загрузка элементов насадки реализуется благодаря автоориентации.

Седловые насадки отличаются тем, что по сравнению с кольцами Рашига того же размера в корпусе насадки Берля (рис.1 ж), поверхность которой имеет гиперболически-параболическую форму, обладает большей способностью перераспределять поток жидкости по сечению устройства, удельной площадью поверхности, которая на 25 % больше, и меньшим гидравлическим сопротивлением.

Насадки, называемые седлами Инталлокс (рис.1 з), чаще используемые на сегодняшний день, керамических насадок. Они легки в изготовлении, чем седла Берля, более прочны, обладают более равномерным расположением насадок.

Среди седловых насадок следует выделить металлическое седло Инталлокс фирмы «Norton» (рис.1 и), в ней лепестки отогнуты внутрь, а сама она выполнена в виде дугообразной отбортованной полоской с перегородкой.

Эксплуатация промышленного оборудования показала, что данная насадка обладает высокой эффективностью при малых нагрузках, хорошим самораспределением жидкости, хорошей механической прочностью, малой массой и низким давлением на стенку аппарата.

Заполнение насадок в навал производится способами показанные на рис.2 а-б.

Более равномерное распределение жидкости по сечению колонны может быть достигнуто методом загрузки, показанный на рис.2 в.

При малых скоростях потока, фазовое взаимодействие незначительно. Жидкость смачивает поверхность соплового элемента, а сопротивление сопла потоку пропорционально сухой насадки, так называют пленочный режим.

Рисунок 2. Схемы способов засыпки насадки в колонну

Если увеличить скорость потока, трение между взаимодействующими фазами будет увеличиваться, сам поток жидкости уменьшаться, в итоге происходит увеличение количества жидкости Н_о, которая задерживается в сопле. Данный режим принято считать началом подвисания жидкости, его принимают как нижняя граница устойчивой работы колонны. При высокой нагрузки по жидкости этот режим проявляется не всегда отчетливо, процесс массопереноса возрастает.

При дальнейшем увеличении скорости взаимодействующих фаз сопротивление сопла еще больше возрастает, и количество удерживаемой жидкости в объеме, занимаемом насадкой также увеличивается.

 Рост гидравлического сопротивления слоя насадки и увеличение удерживаемой насадкой жидкости происходит из-за паровых и жидкостных нагрузок. Данный режим называют захлебыванием колонны, его принято считать верхним пределом устойчивой работы колонны.

Полное удержание жидкости Н_о рассматривают как сумма двух составляющих: динамическая и статистическая задержка.

Статическая составляющая Н_с определяет объем жидкости, удерживаемой в насадке капиллярными силами, и не зависит от гидродинамических условий.

Динамическая составляющая задержки Н_д обусловлена гидродинамическим взаимодействием потоков пара и жидкости с насадочными телами.

Режим захлебывания характеризуется большим количеством жидкости, удерживаемой в насадке, что сопровождается сильным увеличением поверхности контакта фаз и интенсификацией процесса массообмена. Но при этом происходит увеличение сопротивления потоку пара. Гидродинамический режим работы колонны должен быть как можно ближе к режиму захлебывания, но не достигать его, рабочая скорость пара в колонне должна быть меньше скорости захлебывания, это обеспечивает при небольшом гидравлическом сопротивлении эффективный массоперенос.

Список литературы:

1. Атександров. И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. / II.А. Александров. - М. : Химия. 1981. - 351 с.
2. Ахметов. С.А. Глубокая переработка нефти и газа./ С.А. Ахметов. - Уфа: Изд- во УГНТУ. 1996.-405 с.
3. Ахметов. С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа :Учебное пособие для вузов. / С.А. Ахметов. - Уфа: Гилем. 2002. - 672 с.
4. Ахметшина, М.Н. Усовершенствование работы реконструированной комбинированной установки. / М.Н. Ахметшина. Е.А. Бугай. В.М. Гермаш.//Нефтепереработка и нефтехимия. - 1978. № 3. - с. 1-3.
5. Багиров. ИТ. Современные установки первичной переработки нефти. / И Т.Багиров - М. : Химия. 1974. - 240 с.