Characteristics of a New Design of Regular Packing for Heat-and-Mass Transfer Processes

Процессы тепло-массообмена занимают центральное место в химической технологии, обеспечивая преобразование потоков веществ и энергии для получения необходимых продуктов или условий проведения технологических процессов. Для достижения требуемой эффективности процессов, осуществляемых с использованием внутреннего объема аппаратов, требуется достаточно развитая поверхность контакта взаимодействующих потоков, для чего используют различные контактные устройства – массообменные тарелки и насадки.

С 1890 года, когда Фридрих Рашиг впервые применил керамические кольца, названные впоследствии его именем, для использования в колоннах для фракционной дистилляции органических веществ, появилось большое количество как конструктивных, так и технологических решений по использованию различных видов насадок как контактных устройств, и работы эти не менее интенсивно продолжаются в настоящее время

Широкое разнообразие существующих контактных устройств отражает потребность в решениях, адаптированных к конкретным условиям процесса и природе взаимодействующих веществ. Выбор подходящего типа или конструкции контактного устройства имеет решающее значение для оптимизации эффективности процесса; влияют на этот выбор как физические свойства взаимодействующих веществ и рабочие условия процесса, так и желаемый конечный результат.

Регулярные насадки имеют ряд преимуществ по сравнению с насадками, засыпаемыми в навал, и массообменными тарелками, включая меньший перепад давления, более высокую эффективность, большую пропускную способность и меньшую степень задержки жидкости в насадочном слое. Однако у регулярных насадок есть и недостатки, такие как более высокая стоимость и повышенная чувствительность к неравномерному распределению взаимодействующих потоков

Например, в тяжелых условиях эксплуатации, характеризующихся высокой склонностью к коксованию поверхности контакта и засорению (уменьшению) свободного сечения аппарата, что в свою очередь может существенно затруднить осуществление процесса, ряд производителей советует использовать специальные конструкции внутренних контактных устройств, такие как PROFLUX от Koch-Glitsch и Mellagrid от Sulzer. Так, использование решётчатой насадки PROFLUX, специально предназначенной для использования в тяжёлых условиях эксплуатации, увеличило производительность на 10% при снижении гидравлического сопротивления, достигнутого благодаря использованию более подходящей процессу насадки, что напрямую ведет к уменьшению эксплуатационных расходов на транспортировку газа через слой насадки в сочетании с высокой надёжностью при использовании в условиях, подверженных образованию отложений на контактных поверхностях, что потенциально может привести к увеличению гидравлического сопротивления и закупориванию каналов движения сред (тяжёлых условиях). Конструктивные требования для тяжёлых условий эксплуатации включают в себя баланс между требованиями к эффективности при сохранении надежности и существенном увеличении выхода продукта

Конструкция рассматриваемого контактного устройства представляет собой многослойный блок насадки (см. рис. 1). Каждый слой выполнен в виде пакета 3, состоящего из ряда вертикальных гофрированных пластин 2, установленных параллельно друг другу с соблюдением технологического зазора между ними, посредством дистанцирующих стержней, на которых они закреплены. Малая высота пакета 3 способствует развитию поверхности плёнки стекающей жидкости за счёт увеличения числа так называемых «концевых эффектов» в сравнении с известными аналогами с тем же объёмом насадки и большей высотой пакета. Тенденция к уменьшения высоты пакетов насадки с точки зрения повышения ее эффективности наблюдается в ряде работ

Гофрированные пластины 2 в каждом пакете 3 не соприкасаются друг с другом по всей длине, как у многих аналогов, а размещены с соблюдением зазора между ними, оптимизированного для обеспечения беспрепятственного течения взаимодействующих фаз. Такая конструкция существенно уменьшает области низкого потока, снижая вероятность накопления твердых частиц и последующего образования нагара или коксования

[5]

.

Рисунок 1 - Конструкция регулярной насадки: 

1 - колонна; 2 - гофрированные пластины; 3 - пакеты

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.115.1

Изготовление прототипа предлагаемой конструкции было выполнено с использованием отходов от производства пластинчатых теплообменников, а также с применением технологии слоевой наплавки термопластичного материала акрилонитрил-бутадиенстирола. Основные геометрические характеристики рассматриваемой насадки представлены в таблице 1.

Для определения характеристик контактного устройства, в лабораторных условиях использовались неядовитые и негорючие газы и жидкости (система «воздух-вода»). Исследуемая насадка загружалась в колонну диаметром 0,2 м состоящую из стеклянных царг (см. рис. 2). В процессе экспериментов измерялись необходимые для расчета параметры: расход воды на входе в колонну, расход воздуха на входе в колонну, температура воды на входе и выходе из колонны, температура воздуха на входе и выходе из колонны, относительная влажность воздуха на входе в колонну. Подробное описание экспериментальной установки приводится в

[6]

. Линейная скорость воздуха, нагнетаемого снизу колонны, ограничена характеристиками используемого воздуходувного агрегата и составляет 1,2 м/с. Вода, подаваемая на орошение колонны, подогревалась до 45 °C. Расход воды подаваемой на орошение сверху колонны, варьировался в диапазоне от 0,127 до 0,6 м3/ч.

Рисунок 2 - Общий вид экспериментальной установки

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.115.3

Для оценки эффективности структурированной насадки применительно к процессу испарительного охлаждения воды, используя полученные в ходе эксперимента параметры системы «воздух-вода» и существующие методики расчёта

[6]

,

[7]

,

[8]

, получены гидравлические и тепломассообменные характеристики рассматриваемого контактного устройства.

Испарительное охлаждение жидкости происходит вследствие тепломассообменных процессов, происходящих при контакте жидкости и газа. Этот процесс в основном обусловлен испарением жидкости с ее поверхности и теплопередачей при контакте теплоносителей. «Движущей силой» процесса испарения является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока. При теплоотдаче движущей силой является разность температур воды и воздуха. Испарение жидкости приводит к уменьшению ее объема и температуры.

В описании тепломассообменных аппаратов поток жидкой фазы принято указывать в виде плотности орошения. Это мера, которая отражает объем жидкости, проходящей через единицу площади за единицу времени. Плотность орошения важна для оценки эффективности процесса тепло- и массообмена, поскольку она влияет на распределение жидкости в насадке и, соответственно, на эффективность контакта между фазами. Поток газа принято описывать через F-фактор, который представляет собой соотношение между скоростью газа и его плотностью. Этот показатель используется для оценки режимов работы аппарата и влияния газового потока на процессы массо- и теплообмена. F-фактор является ключевым параметром в оценке работы насадочных колонн, характеризующим соотношение между скоростью газового потока и его плотностью. Он выражается через скорость газа, делённую на квадратный корень из его плотности, и играет важную роль в анализе гидравлических условий внутри колонны, включая перепады давления и риск затопления. В контексте нашего исследования, где мы вводим новую конструкцию регулярной насадки. F-фактор помогает оценить её способность обеспечивать эффективный массообмен при минимальных потерях давления и максимальном сохранении производительности системы, даже в условиях повышенного газового потока. Математически F-фактор выражается как скорость газа (м/с), деленная на квадратный корень из плотности газа (кг/м³)

Перепад давления насадочной колонны отражает гидравлическое сопротивление, преодолеваемое взаимодействующими потоками. Использование внутренних устройств, создающих низкое сопротивление позволяет снизить гидравлические потери на аппарате, а следовательно нагрузку на компрессор.

В процессе определения гидравлических характеристик регулярной насадки был учтен вклад самой экспериментальной колонны. Сначала был определен перепад давления на пустой колонне, что позволило оценить сопротивление опорного устройства, поддерживающего насадочный слой в колонне. Следующим этапом стало определение перепада давления в колонне, заполненной структурированной насадкой. Результаты этих испытаний (см. рис. 3) позволяют оценить влияние конкретного вида насадки на гидравлическое сопротивление в колонне.

Рисунок 3 - Гидравлическое сопротивление колонны

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.115.4

Как видно, с увеличением скорости воздуха перепад давления также увеличивается. При скоростях воздуха ниже 0,7 м/с эти зависимости почти линейные, но при более высоких скоростях воздуха кривая сильнее отклоняется вверх, указывая на нелинейное увеличение перепада давления что особенно заметно при скоростях, приближающихся к отметке в 1,2 м/с.

Эти данные будут использоваться в дальнейшем для верификации результатов, полученных с помощью программ вычислительной гидродинамики (CFD). Использование методов вычислительной гидродинамики позволяет проводить численные эксперименты, моделирующие поведение жидкостей в различных условиях, включая сложные гидравлические системы, такие как колонны с насадкой. Сравнение данных из реальных испытаний с результатами, полученными при помощи CFD-пакетов, обеспечит дополнительную проверку и понимание эффективности насадки, а также поможет в дальнейшем улучшении рассматриваемой конструкции насадочных устройств.

В целях первоначального анализа, результаты испытаний новой конструкции сопоставлялись с данными, полученными на той же колонне для хорошо изученной насадки типа колец Рашига. Плотность орошения в обоих случаях составляла 17м³/м²·час. Это позволяет наглядно сравнить характеристики рассматриваемых насадок в идентичных условиях.

Рисунок 4 - Гидравлическое сопротивление насадок

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.115.5

Анализ полученных данных показывает значительные преимущества новой конструкции насадки по сравнению с кольцами Рашига (см. рис. 4). При сравнении перепада давления между новой конструкцией насадки и кольцами Рашига, было обнаружено, что в колонне, заполненной кольцами Рашига, происходило затопление при значении F-фактора 0,5. В то же время, колонна с новой насадкой показала гораздо лучшие результаты, не достигая предела производительности по газу и жидкости даже при высоких нагрузках, что подчеркивает возможность её более эффективной работы и устойчивость к высоким нагрузкам.

Передача энергии в рассматриваемой системе «воздух-вода» происходит помимо механизма теплоотдачи ещё и за счёт испарения воды с её поверхности. Основное сопротивление процессу теплообмена сосредоточено в газовой фазе, так как коэффициент теплоотдачи в жидкой фазе примерно в 15 раз больше, чем коэффициент теплоотдачи в газовой фазе, следовательно, можно считать, что коэффициент теплопередачи приблизительно равен коэффициенту теплоотдачи в газовой фазе.

Для определения коэффициента теплопередачи было рассчитано общее количество теплоты, затраченной на испарение воды, с использованием изменения температуры воды на входе и выходе из колонны, которое сравнивали с изменением температуры воздуха, чтобы оценить эффективность теплообмена.

Рисунок 5 - Теплообменная характеристика насадки

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.115.6

Исследуемая насадка в рассматриваемых условиях оказалась более эффективна в передаче теплоты по сравнению с кольцами Рашига и способна работать при более высоких значениях нагрузки по жидкости и газу, в то время как колонна, загруженная насадкой типа колец Рашига, достигла своего гидравлического предела (см. рис. 5).

Для определения коэффициента массопередачи рассчитывали количество испаренной воды, используя разницу влагосодержания воздуха на входе и выходе из колонны при рассматриваемых условиях. При рассмотрении системы «воздух-вода», коэффициент массопередачи при испарении воды в воздух можно считать равным коэффициенту массоотдачи газовой фазы, учитывая, что процесс испарения происходит с поверхности воды и сопротивление жидкой фазы теплопереносу минимально. Это предполагает, что основным ограничением эффективности теплопереноса является сопротивление в газовой фазе.

Рисунок 6 - Массообменная характеристика насадки

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.115.7

Зависимость коэффициента массоотдачи от F-фактора не является линейной. Это указывает на более сложную связь между этими двумя переменными. Полином второго порядка, использованный для аппроксимации экспериментальных данных, позволяет достоверно определять коэффициент массоотдачи для рассматриваемой системы при различных значениях F-фактора в пределах исследуемого диапазона, что полезно в инженерных и научных расчетах. Следует учитывать, что достоверность аппроксимированной зависимости ограничивается диапазоном рассмотренных нагрузок по газу и жидкости, а прогнозы за пределами этого диапазона могут быть неточными. Для создания более точной математической модели потребуется провести дополнительные измерения для расширения диапазона данных при больших нагрузках по жидкости и газу.

Проведённые испытания продемонстрировали преимущества рассматриваемой конструкции. Новая насадка отличается низким гидравлическим сопротивлением при развитии достаточной поверхности контакта, что при сохранении эффективности осуществляемого процесса позволит снизить энергопотребление для его проведения.

Рассмотренная конструкция демонстрирует потенциал для различных применений в химической технологии, особенно в «тяжёлых условиях» эксплуатации и в вакуумных колоннах, где низкое гидравлическое сопротивление имеет решающее значение. Потенциал к снижению образования загрязнений на поверхности приводит к снижению потребности в обслуживании и увеличению срока службы, что делает ее ценным активом в «тяжелых» условиях процессов химической технологии.