Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 2

отраслей промышленности приразработкеимодернизациинасадочныхконтактныхаппаратовдляпроведения процессов контактного теплообмена между газом и жидкостью.Разработана и защищена патентом РФ № 2533722 конструкция новойрегулярнойгофрировано-просечнойнасадки(ГПН),выполненнойиз9алюминиевой фольги, гофрированной в несколько рядов, сдвинутых друготносительно друга.Разработана и защищена патентом РФ № 152293 конструкцияконтактного насадочного тепломассообменного аппарата.Результаты диссертационной работы приняты к использованию наООО «Каскад» г.

Москва.Результаты диссертационной работы используются в учебном процессекафедры «Инженерной химии и промышленной экологии» ФГБОУ ВОСанкт-Петербургскогогосударственногоуниверситетапромышленныхтехнологий и дизайна при преподавании дисциплины «Техносфернаябезопасность».Апробация работы.Основные положения и отдельные результаты докладывались иобсуждались на VII Конкурсе проектов молодых ученых в рамкахмеждународнойвыставки«Химия-2013»(г.Москва,2013),VМеждународной конференции Российского химического общества имениД.И.

Менделеева (Москва, 2013), XIX Международной научно-практическойКонференции «Экология промышленных предприятий в свете современныхэкологических требований: проблемы и решения» (Москва, 2013), ТретьейМеждународной конференции с элементами научной школы для молодежи«Инновационныетемператур»разработки(Москва,2013),вобластитехникиМеждународнойифизикимолодежнойнизкихнаучнойконференции «Нефть и газ - 2014» (Москва, 2014), XI Международнойнаучно-практическойиндустриальныхконференциимегаполисов»(Москва,«Экологические2014),седьмойпроблемыивосьмойвсероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущеемашиностроения России» (Москва, 2014 и 2015).Публикации.По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 6 статей внаучно-технических журналах, в том числе 3 в журналах перечня ВАК, 110статья в зарубежном журнале, 2 патента РФ, 10 тезисов докладов и 1 учебноепособие.11ГЛАВА 1.

ГАЗОЖИДКОСТНЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯПРОЦЕССОВ КОНТАКТНОГО ТЕПЛООБМЕНА1.1.Типы газожидкостных контактных аппаратов с насадкойГазожидкостные контактные аппараты с насадкой используются вразличных технологических процессах химической,нефтеперерабатывающей,криогенной,промышленности.нихСредипищевойгазожидкостныенефтехимической,идр.отрасляххимическиереакторы,аппараты для проведения процессов абсорбции, десорбции и хемосорбции,ректификационные колонны и другие аппараты. Для интенсивной передачитеплоты между газом и жидкостью (чаще всего водой), применяютсяконтактныетеплообменныесопровождаетсяаппараты,испарениемчастивкоторых передачажидкости.Таковытеплотыпроцессыиспарительного охлаждения оборотной воды в градирнях.

Сюда же можноотнести процессы охлаждения газа водой в скрубберах, при очисткезагрязненных газов. Для утилизации теплоты отходящих газов контактныхсушилок и печей [34, 50, 76] в промышленности используются контактныеэкономайзеры.Во всех перечисленных типах контактных аппаратов происходитнепосредственное соприкосновение потоков газа и жидкости, в результатечего происходит передача теплоты и массы между газом и жидкостью. Таккак этот процесс происходит на границе раздела газ-жидкость, то дляинтенсификациипроцессаи(или)уменьшениягабаритовхимико-технологического оборудования, требуется увеличить поверхность контактамежду газом и жидкостью. Соответственно по способу организацииповерхности тепломассообмена, перечисленные выше типы контактныхаппаратов можно разделить на 1) капельные или распыливающие; 2)барботажные; 3) насадочные.

Однако данная классификация не является12универсальной. Так, например, градирни в энергетике классифицируют набрызгальные и насадочные, последние из которых в свою очередь делятся накапельные и плёночные. В результате многолетнего опыта использования впромышленности и энергетике контактных газожидкостных аппаратов быловыявлено, что аппараты с насадкой являются наиболее энергоэффективными[21].Они компактны иобладаютвысокой эффективностью.Этимобъясняется значительные интерес у исследователей к изучению насадочныхаппаратов [56-65, 69, 70, 77-80, 85-89, 92, 97, 102, 105, 108], а такжевозросшее за последние два десятка лет количество отечественных изарубежных организаций, предлагающих на рынке насадки и насадочныеаппараты.1.2.Виды насадок и их основные характеристикиК основным геометрическим характеристикам насадок относятся 1)удельная поверхность a; 2) свободный объем ε; 3) эквивалентный диаметр dе.Удельная поверхность: суммарная поверхность насадочных тел вединице занимаемого насадкой объема.

Удельная поверхность обычнообозначается буквой а и измеряется в м 2/м3. Чем больше величина удельнойповерхности насадки, тем, как правило, выше эффективность насадочногоаппарата,нонижепроизводительностьибольшегидравлическоесопротивление.Свободный объем: доля пустот между насадочными телами в единицеобъема, занимаемого насадкой. Свободный объем слоя насадки обозначаетсяε и измеряется в м3/м3.

Чем больше свободный объем насадки, тем выше еепроизводительность и меньше гидравлическое сопротивление, однако приэтом снижается эффективность работы насадки.Эквивалентный диаметр канала слоя насадки (гидравлический радиус)dе измеряется в метрах и определяется по формуле:13de 4.a(1.1)Являясь характерным гидродинамическим размером насадки, этот параметрчасто используется при расчетах тепло- и массообменной аппаратуры.Основныегеометрическиехарактеристикинекоторыхнасадоксистематизированы и были представлены в работе [57].Насадки, используемые в промышленности принято разделять нанасыпные и регулярные [31]. К насыпным насадкам относятся насадки,загружаемые в контактный аппарат «внавал» (т.е. засыпаемые в аппарат)[31].

При этом образуется хаотичная структура пустот в насадочной частиаппарата. Регулярные (структурированные) насадки представляют собойготовые блоки, устанавливаемые в аппарат слоями (ярусами). При этом ониобразуют упорядоченную структуру. К ним же относятся насыпные насадки(как правило, кольцевые), уложенные в аппарат регулярно.Простейшими представителями насыпных насадок являются кусковойкварц, кокс и адгезит [24], шары [31], которые нашли применение впромышленности еще с XIX века [31]. Важным этапом развития насыпныхнасадоксталаразработкакольцевойнасадки(КольцаРашига),представляющей собой кольца из керамики, фарфора или стали (а позднее ииз пластмассы), высота которых равна их наружному диаметру. В результатемодернизации кольцевой насадки, в настоящее время множество другихнасадок, среди которых такие распространенные, как кольца Палля, кольцаРалу, кольца Бялецкого, Кольца Hiflow, HY-PAK, кольца PSL и т.д.

[31,108].При этом основная тенденция развития колец Рашига на примеревышеперечисленных кольцевых насадок заключалась в увеличении ихудельной поверхности за счет образования внутренних перегородок иуменьшении застойных зон в насадочном аппарате, за счет перфорацииэлементов насадки [30].Другим путем увеличения эффективности кольцевой насадки, являетсясоздание миникольцевых насадок [26,61]. Миникольцевые насадки по14сравнению с кольцевыми насадками отличаются меньшим отношениемвысоты элемента насадки к её диаметру.

К миникольцевым насадкамотносятся насадки R-Pac, Glitsch 304, CMR ring, Glitsch CMR ring, McPac ring,миникольцевая насадка MICHM-X, насадка в форме колец Мёбиуса,миникольцевая насадка NT-1 и др. [26, 31, 57, 58, 61, 108]. При этом, вовремя заполнения аппарата миникольцевой насадкой, наблюдается тенденцияпреимущественно вертикальной самоориентации элементов насадки ваппарате (когда оси элементов кольцевых насадок вертикальны илисоставляютсвертикальюнебольшойугол).Такаяориентацияминикольцевых насадок в пространстве позволяет уменьшить количествозастойных зон в контактном аппарате и более полноценно использовать всюповерхность насадочных тел.Кромекольцевыхнасадок,получилараспространениетакжеседлообразная насадка.

Простейшая седлообразная насадка представляетсобой четверть тонкостенного тора [31]. Развитие данного типа насадокпошло по пути оснащения элементов насадок перфорацией, рифлением, иуменьшение толщины стенок за счет использования пластмассы в качествематериала (вместо керамики).