WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

 

ПЕТРАШОВА ЕКАТЕРИНА НИКОЛАЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НАСАДОК ДЛЯ СЕПАРАЦИИ

КАПЕЛЬ В КОНТАКТНЫХ АППАРАТАХ

Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБ ОУ ВПО МГУИЭ).

Научный руководитель                                         доктор технических наук,

профессор

Лагуткин Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Витковская Раиса Федоровна

доктор технических наук,

профессор

Булатов Михаил Анатольевич

Ведущая организация                                         ООО «Гипрохим»

Защита состоится « 19 »  апреля  2012 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени
Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан « 19 » марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.                                                        Трифонов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современное развитие промышленности характеризуется интенсивным изменением разнообразных технологических процессов, сопровождающимся значительным увеличением объема вредных выбросов в атмосферу. Во многих отраслях промышленности в качестве отхода производства выбрасывается большое количество газов, которые в большинстве случаев содержат во взвешенном состоянии мелкие частицы жидкости (капли). Капельные выбросы представляют серьезную угрозу окружающей среде. Помимо экологического аспекта капельные выбросы оказывают негативное влияние на работу различного оборудования отрасли химической промышленности. Мелкодисперсная фаза, попадая в рабочую среду, сильно ее загрязняет и не лучшим образом сказывается на работе аппарата. Снижение потерь капельной жидкости является актуальной технической задачей и с точки зрения ресурсосбережения при аппаратурном оформлении аппаратов для осуществления процессов химической технологии. Каплеуловители применяются для дополнительной сепарации потока газа, вышедшего из основного аппарата, и обеспечивают окончательную очистку газа от капельной жидкости, которая может подняться и выйти с потоком газа в результате временного нарушения технологического режима.

Названные обстоятельства делают очевидной потребность в использовании каплеулавливающих устройств, и указывают на необходимость в разработке новых и усовершенствовании существующих конструкций каплеуловителей.

Разрабатываемые каплеулавливающие устройства должны  обеспечивать высокую эффективность улавливания частиц жидкости, должны быть удобны для монтажа и демонтажа в используемом оборудовании.  Кроме того, при использовании в аппаратах с агрессивными средами, каплеулавливающие устройства должны обладать высокой коррозионной стойкостью.

В этой связи дальнейшее совершенствование конструкций каплеулавливающих устройств является актуальной задачей в энергетической, химической и других отраслях промышленности.

Как показывает анализ каплеулавливающих устройств,  в последние годы уделяется особое внимание насадочным каплеуловителям, рабочей поверхностью которых является насадочный элемент, который может быть выполнен в виде регулярно или нерегулярно (внавал) уложенного слоя насадки различной формы. Насадки являются основным элементом каплеулавливающего устройства, оказывают влияние на эффективность каплеулавливания и на сопротивление, т.е. на затраты энергии на транспортировку газа через аппарат.

Анализ конструкций насадок, созданных в последние годы, показывает, что каждое новое конструктивное решение дает незначительный выигрыш в пропускной способности и гидравлическом сопротивлении, и еще в меньшей степени – в эффективности. Попытки увеличить эффективность за счет развития геометрической поверхности элементов ведут к снижению пропускной способности и усложнению конструкции. В то же время стремление увеличить пропускную способность и улучшить омываемость всей поверхности элемента путем его перфорирования ведет к снижению эффективности улавливания капель. Таким образом, в настоящее время актуальна задача поиска таких новых конструктивных решений, которые при сохранении или некотором улучшении основных показателей будут просты и дешевы при крупносерийном производстве.

Цель работы – разработка новой кольцевой насадки для использования в насадочных каплеулавливающих устройствах, которая обладает высокой степенью эффективности улавливания капель жидкости из потока газа и обеспечивает малое гидравлическое сопротивление; получение расчетных зависимостей для определения гидравлического сопротивления разработанной насадки; разработка алгоритма и методики расчета каплеуловителя с применением разработанной насадки. Исследование влияния регулярной укладки колец Рашига на рост гидравлического сопротивления. Разработка нового способа регулярной укладки, который обеспечивает увеличение эффективной поверхности насадки и позволяет снизить гидравлическое сопротивление. Получение расчетных эмпирических зависимостей для расчета гидравлического сопротивления сухой кольцевой насадки уложенной по новому способу.

Научная новизна работы:

1. Результаты исследования гидродинамических и каплеулавливающих характеристик разработанной новой кольцевой керамической насадки типа N3C защищенной патентом РФ (Патент на полезную модель № 95555 зарегистрированный в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.07.2010 г.).

2. Результаты исследования гидродинамических характеристик предложенного и защищенного патентом РФ нового способа регулярной укладки кольцевой насадки (Пат. 2440843 РФ, МПК В 01 J 19/32).

Практическая значимость.

1. На основании произведенных исследований по изучению гидродинамики новой кольцевой керамической насадки получены расчетные эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления сухой насадки.

2. Предложена методика и алгоритм расчета каплеулавливающего устройства заполненного новой насадкой.

3. Получены расчетные эмпирические зависимости для расчета гидравлического сопротивления сухой кольцевой насадки уложенной по новому способу.

4. Практический интерес по использованию новой насадки подтвержден ООО «Энергогазмонтаж» (г. Санкт- Петербург) при  усовершенствовании очистных сооружений для улучшения экологической обстановки на теплоэлектростанциях; ОАО Научно-производственный комплекс «Северная Заря» (г. Санкт- Петербург) при усовершенствовании очистных сооружений на предприятии для очистки дымовых газов; Министерство промышленности Республики Беларусь Производственное объединение «Минский тракторный завод» (г. Минск) при усовершенствовании газоочистного оборудования в литейных цехах; Kauno Termofikacijos elektrine (Kaunas) при усовершенствовании очистного оборудования по очистке отходящих газов.

  Практический интерес по использованию регулярной укладки кольцевой насадки подтвержден АО «Ахема» (Achema AB, Lithuania) для замены насадки в цеху №2 на установках АХУ в скрубберных аппаратах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: 13th International Conference. Biosystems Engineering and Processes in Agriculture. Lithuaniae Academia Scientiarum, Raudondvaris,  25 – 26 сентября 2008 г.;  Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, г. Москва, 21 – 23 апреля 2010 г.; Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, г. Москва, 19 – 22 апреля 2011 г.; 8-ой Международной конференции инженерной экологии, г. Вильнюс, Литва, 19 – 20 мая 2011 г; 5-ой Международной научно-практической конференции «информационные технологии в образовании науке и производстве», Протвино, 4 — 8 июля 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них: 9 статей в научно-технических журналах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 в иностранных журналах, 6 тезисов докладов, 2 описания патента.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических и каплеулавливающих характеристик новой кольцевой керамической насадки, используемой для решения задач улавливания капель жидкости из потока отходящих газов.

2. Эмпирические зависимости для инженерного расчета гидравлического сопротивления каплеулавливающего устройства с элементами новой кольцевой керамической насадки.

3. Алгоритм и методика расчета каплеулавливающего устройства с элементами новой кольцевой керамической насадки, используемого для улавливания капель из потока отходящих газов.

4. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик кольцевой насадки уложенной новым способом, используемой для ведения процессов абсорбции, ректификации, также процессов нефтепереработки и газоочистки.

5. Эмпирические зависимости для инженерного расчета гидравлического сопротивления сухой кольцевой насадки уложенной предложенным способом.

Достоверность полученных результатов исследований подтверждена данными, полученными на опытном стенде в испытательной лаборатории ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и на опытном стенде МГУИЭ кафедры ПАХТ. Измерительные приборы для экспериментальных исследований были сертифицированы и аттестованы согласно требованиям ГОСТ и технических условий.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и 7 глав, содержит 154 страницы, в том числе 146 страниц машинописного текста, 17 таблиц, 53 рисунка, список использованной литературы из 145 наименований и  приложений на 8 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в диссертации; сформулированы цели и основные задачи исследований, научная новизна работы; отмечены основные положения, выносимые на защиту; показаны практическая ценность результатов, полученных в процессе исследований, и формы их апробации; приведены сведения о публикациях автора и структуре работы.

В первой главе диссертации проведен литературный анализ, посвященный изучению практического применения каплеулавливающих устройств в различных отраслях промышленности. Сделан обзор известных типов каплеулавливающих устройств для изучения механизмов каплеулавливания. Рассмотрены различные типы насадочных элементов с целью выявления и исключения их недостатков в вновь разрабатываемых устройствах. Сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной в работе цели.

Во второй главе диссертации показаны предпосылки к созданию и разработка нового типа насадки для использования в каплеулавливающем устройстве насадочного типа. Приведено описание экспериментальной установки и методика проведения испытаний для выявления гидродинамических и каплеулавливающих характеристик новой насадки.

Рис. 1. Общий вид насадки типа N3C

Насадка типа N3C представляет собой два полукольца объединенных между собой перегородкой, снабженная гофрами по образующей каждого полукольца. В полукольцах и перегородке насадки выполнены сквозные отверстия, что способствует более равномерному распределению потока и позволяет увеличить извилистость канала, тем самым повысить эффективность каплеулавливания. Выполнение насадки типа N3C из керамики, позволяет существенно снизить ее стоимость при серийном производстве, а также повысить коррозионную стойкость.

Основные технические показатели новой керамической насадки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип 

насадки

Толщина

стенки,

мм

Число

элементов в 1м3, штук в навал

Удельная

материалоемкость,

кг/м3

Доля

свободного объема,

(порозность), м3/м3

Удельная

площадь

поверхности,

м2/м3

N3C

5

4350

380,4

0,88

97

Испытания каплеулавливающих и гидродинамических характеристик насадки проводились на установке ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева.

Установка представляла собой вертикальную аэродинамическую шахту, выполненную из оргстекла, что позволяло вести визуальное наблюдение, присоединенную с помощью конфузора к всасывающему воздуховоду вентилятора (рис. 2). 

Рис. 2. Экспериментальная установка для исследования каплеулавливающих  свойств насадки:

1 – корпус аппарата;

2 – каплеулавливающее устройство;

3 – каплеулавливающая кассета;

4 – поддон;

5 – измерительная диафрагма;

6 – шиберная заслонка;

7 – вентилятор;

8 – манометр.

Эффективность каплеулавливающего действия устройства оценивалась по методике ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева весовым способом с помощью каплеулавливающей кассеты путем измерения величины капельного выноса жидкости из установки  без насадочного каплеуловителя и после его установки. Испытания каплеуловителя проводились при скоростях воздушного потока в расчете на полное сечение пустого аппарата 1; 1,5; 2 и 3,2 м/с, высота загруженного слоя насадки менялась в диапазоне высот 200; 300 и 360 мм.

После замера величины капельного уноса жидкости производился расчет эффективности каплеулавливающих свойств насадки по зависимости вида:

, (1) 

– эффективность улавливания капель, %; q1 – величина капельного уноса жидкости из установки без каплеулавливающего устройства, кг/с; q2 – величина капельного уноса жидкости из установки с каплеулавливающим устройством, кг/с. Потеря давления в сухой насадке определяли по высоте столба рабочей жидкости (этилового спирта) в микроманометре. Для определения скорости воздуха в экспериментальной установке измеряли его объемный расход по перепаду статических напоров с применением измерительной диафрагмы. В результате исследований определено гидравлическое сопротивление неорошаемой (сухой) насадки. Испытания проводились при скоростях воздушного потока в расчете на полное сечение пустого аппарата 1,03; 1,52; 2,02; 3,0 и 4,0 м/с

В третьей главе диссертации представлена разработка нового способа регулярной укладки кольцевой насадки. Приведено описание нового способа укладки, экспериментальной установки и методики проведения испытаний по изучению гидродинамических характеристик кольцевой насадки уложенной по новому способу укладки.

Предлагаемый нами способ регулярной укладки керамических кольцевых насадок (рис. 3.) заключается в дистанционировании соседних элементов насадки на определенное расстояние друг от друга. Это расстояние – S, выбирается из соотношения: 

,  (2)

где В = 34 мм – минимальное расстояние между пленками на соседних элементах насадки; – толщина пленки жидкости, мм.

Указанное расстояние позволяет исключить образование застойных зон в колонных аппаратах с регулярной насадкой.

а) существующий  способ укладки,

без зазора между элементами насадки

б) предлагаемый способ укладки

Рис. 3. Виды регулярной укладки кольцевой насадки

Толщину пленки жидкости – , можно определить по следующим критериальным уравнениям1

:

для ламинарного  течения пленки жидкости, при  Reж< 1600:

, (3)

где Ж – кинематическая вязкость жидкости, м2/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; ReЖ  - число Рейнольдса для пленки жидкости.

для турбулентного течения пленки жидкости, при 1600 Reж 30000:

, (4)

В свою очередь число Рейнольдса для пленки жидкости рассчитывается по формуле2:

, (5)

где qж – плотность орошения, м3/(м·с).

Таким образом, предложенная нами новая регулярная укладка кольцевых насадок за счет дистанционирования  обеспечивает существенное увеличение поверхности контакта фаз до 30% за счет исключения образования застойных зон.

Исследования гидравлических характеристик кольцевой насадки, уложенной новым способом, проводились по методике и в установке разработанной в Московском государственном университете инженерной экологии на кафедре Процессы и аппараты химической технологии.

Исследовалась укладка колец Рашига в виде регулярной насадки двумя способами: известным способом укладки в шахматном порядке и предложенным. Исследования двух укладок проводились при одинаковых условиях.

Исследования проводились при расходах воздуха в диапазоне от 8,5 м3/ч до 99,0 м3/ч.  Скорость воздушного потока в расчете на полное сечение пустого аппарата изменялась в интервале от 0,075 м/с до 0,875 м/с.

Исследования укладки колец Рашига в виде регулярной насадки двумя способами в орошаемой колонне производились аналогичным методом при расходе жидкости  360 кг/час. 

Рис. 4. Принципиальная схема установки:

1 – колонна;

2 – вентилятор;

3 – измеритель расхода воздуха (диафрагменного типа);

4 – дифференциальный манометр;

5 – двухканальный измеритель;

6 – насадка;

7 – ситчатая тарелка;

8 – опорная решетка;

9 – ротаметр

В четвертой главе диссертации представлены результаты исследования и анализ каплеулавливающих характеристик новой керамической кольцевой насадки типа N3C. Представлено сравнение каплеулавливающих характеристик новой керамической кольцевой насадки типа N3C с широко используемыми в промышленности в каплеулавливающих устройствах насадочными элементами.

Зависимость эффективности каплеулавливающего действия новой кольцевой керамической насадки типа N3C от скорости воздуха в свободном сечении аппарата к (м/с) для различной высоты слоя насадки представлена на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость эффективности каплеулавливающего действия новой кольцевой керамической насадки от скорости воздуха в свободном сечении аппарата

Из графика, представленного на рис. 5 видно, что эффективность каплеулавливающего действия (%) зависит от скорости воздуха в свободном сечении аппарата к (м/с). 

При высоте 0,2 м в диапазоне скоростей от 1 до 1,5 м/с эффективность возрастает и при к = 1,5 м/с  достигает максимального значения = 98,75 %, затем снижается до значения = 97,25 % при к = 3,2 м/с. Это явление можно объяснить «повторным уносом» капель жидкости. При скоростях воздушного потока к > 2 м/с возможно частичное разрушение пленки жидкости и «повторный унос» капель жидкости с восходящим потоком воздуха. Высоты насадки не хватает для эффективного «захвата» мелких повторных капель-брызг и предотвращения их «уноса».

При высоте слоя насадки 0,3 и 0,36 м в диапазоне скоростей воздушного потока от 1,0 до 2,0 м/с эффективность каплеулавливания возрастает с увеличением скорости. В диапазоне скоростей от 2 до 3,2 м/с, эффективность каплеулавливающего действия носит линейный характер и не зависит от скорости воздуха в свободном сечении аппарата.

Наибольшая эффективность каплеулавливающего действия новой кольцевой керамической насадки в исследуемом диапазоне высот слоя насадки = 99,7 % достигается при высоте слоя 0,36 м, при скорости газового потока от 2 до 3,2 м/с. Дальнейшее увеличение высоты слоя насадки является не целесообразным, так как эффективность каплеулавливания возрастает не значительно, при этом, с ростом высоты слоя насадки, происходит увеличение гидравлического сопротивления.

Сравнение каплеулавливающих свойств насадки высотой слоя 360 мм с известными каплеулавливающими устройствами, такими как, каплеуловители жалюзийного типа, из профилированных полиэтиленовых пластин, из гофрированных дренажных труб и из стеклопластика, показало, что эффективность улавливания капель жидкости исследуемой насадкой близко к эффективности каплеулавливающих устройств из гофрированных дренажных труб и из стеклопластика. Также, в отличие от каплеуловителя из профилированных полиэтиленовых пластин, у новой насадки с ростом скорости прослеживается рост эффективности каплеулавливания. В диапазоне скоростей 2 к 3  м/c новая керамическая кольцевая насадка обладает эффективностью на 2% больше чем каплеулавливающее устройство жалюзийного типа. Также в диапазоне скоростей 2 к 3 м/c у каплеулавливающих устройств жалюзийного типа и у каплеулавливающих устройств из профилированных полиэтиленовых пластин наблюдается активный спад эффективности в отличие от новой керамической насадки. Это явление можно объяснить тем, что каплеулавливающее устройство, заполненное новой керамической кольцевой насадкой, обладает более сложной геометрической поверхностью, что увеличивает вероятность «захвата» капель, уносимых выходящим из аппарата потоком воздуха. 

Как видно из проведенного сравнения, новая керамическая насадка обладает  каплеулавливающими свойствами схожими с широко применяемыми в промышленности каплеулавливающими устройствами, а в диапазоне скоростей 1 к 3 м/c обладает большей эффективностью по сравнению с  каплеулавливающим устройством жалюзийного типа и каплеулавливающим устройств из профилированных полиэтиленовых пластин.

Также было проведено сопоставление с данными по нерегулярным насадкам, в том числе и кольцам Рашига, которое показало, что разработанная в  Московском государственном университете инженерной экологии новая керамическая кольцевая насадка типа N3C, обладает большей эффективностью.

Учитывая изложенное, новая кольцевая керамическая насадка типа N3С может быть рекомендована к широкому использованию в насадочных каплеулавливающих устройствах, для решения задачи улавливания капель жидкости в потоке газа.

В пятой главе диссертации представлены результаты и анализ исследования гидродинамических характеристик новой керамической кольцевой насадки типа N3C с широко используемыми в промышленности насадочными элементами. Предложены расчетные эмпирические зависимости. Предложен алгоритм расчета насадочного каплеуловителя заполненного новой насадкой.

Рис. 6. Зависимость критерия Эйлера новой кольцевой керамической насадки от критерия Рейнольдса

Полученные экспериментальные данные обрабатывались в виде зависимости критерия Эйлера сухой новой керамической насадки типа N3C Eu от числа Рейнольдса  Re представлена на рис. 6.

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов была получена расчетная эмпирическая зависимость для определения критерия Эйлера  по заданным значениям критерия Рейнольдса:

,  (6)

С учетом эмпирической зависимости (6) уравнение для определения гидравлического сопротивления одного погонного метра сухой насадки (7) примет вид:

,  (7)

Область применения формул (6) и (7) соответствует диапазону значений критерия Рейнольдса по газу 2590 Re 10450. По данной эмпирической зависимости можно рассчитать значение гидравлического сопротивления сухой новой керамической насадки типа N3C с точностью 99 %.

Таким образом, полученная зависимость Eu=f(Re) позволяет с достаточной точностью проводить оценочные расчеты гидравлического сопротивления новой кольцевой керамической насадки типа N3C.

Традиционно при расчете гидравлического сопротивления слоя насадки рассматривается зависимость критерия Эйлера от критерия Рейнольдса. Однако критерий Рейнольдса содержит характерный размер, причем, при его изменении вид расчетной зависимости будет изменяться. М.Г. Лагуткиным3

было предложено рассчитывать коэффициент гидравлического сопротивления гидроциклона в зависимости от произведения критериев Рейнольдса и Фруда, при этом исключается характерный размер.

Данный подход в дальнейшем широко использовался в группе академика А.М. Кутепова при расчете расходных характеристик гидроциклонов различных конструкций. В нашей работе мы использовали при расчете гидравлического сопротивления насадки, как традиционный подход через расчет критерия Эйлера в зависимости от критерия Рейнольдса, так и предложенный для гидроциклонов в виде зависимости критерия Эйлера от произведения критериев Рейнольдса и Фруда.

Зависимость критерия Эйлера сухой новой керамической насадки типа N3C  от произведения критериев  Фруда и Рейнольдса Eu=f(FrRe) представлена на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость критерия Эйлера новой кольцевой керамической насадки от критерия  Фруда и Рейнольдса

В результате обработки полученных данных методом наименьших квадратов (МНК)  получена расчетная эмпирическая зависимость для определения критерия Эйлера  по заданным значениям произведения критериев Рейнольдса и Фруда:

, (8)

С учетом эмпирической зависимости (8) уравнение для определения гидравлического сопротивления одного погонного метра сухой насадки (9) примет вид:

,  (9)

Область применения формул (8) и (9) соответствует диапазону значений произведения критериев Рейнольдса и Фруда 7290 Fr·Re 477100.

Среднеквадратическая ошибка при расчете гидравлического сопротивления новой кольцевой керамической насадки с использованием формулы (9) не превышает ±1,0 %.

Таким образом, полученная зависимость Eu=f(FrRe) позволяет с достаточной точностью проводить оценочные расчеты гидравлического сопротивления новой кольцевой керамической насадки типа N3C.

Сравнение основных геометрических характеристик новой кольцевой керамической насадки типа N3C с аналогичными характеристиками наиболее близких по конструктивным особенностям насадок, широко применяемых в промышленности, приведено в таблице 2. Помимо сравнения с наиболее распространенными в промышленности насадками представлено сравнение с недавно разработанной кольцевой насадкой NC50.

Таблица 2

Основные геометрические характеристики насадок

№ п/п

Тип насадки

Размеры насадки, мм

Удельная поверхность, м2/м3

Свободный объем, м3/м3

Число

элементов в 1м3,

штук в навал

Удельная

материалоемкость, кг/м3

1

N3C

50х50х5

97

0,88

4350

380,4

2

Кольца Рашига

50х50х5

90

0,79

6000

530

3

Кольца Палля

50х50х5

120

0,78

5800

520

4

Кольца с

крестообразной перегородкой

50х50х5

137,78

0,645

6000

820

5

NC50

50х50х5

124,8

0,84

6000

468

Зависимость гидравлического сопротивления неорошаемых (сухих) насадок, приведенных в таблице 2, от скорости воздуха в свободном сечении аппарата представлена на рис. 8.

Рис. 8. График зависимости гидравлического сопротивления неорошаемых (сухих) насадок от скорости воздуха в свободном сечении аппарата

Как видно из графика на рис. 8, гидравлическое сопротивление новой кольцевой керамической насадки типа N3C на 9 % меньше гидравлического сопротивления колец Палля и на 50 % меньше гидравлического сопротивления колец Рашига и колец с крестообразной перегородкой. Так же, как видно из графика, почти на 20 % меньше гидравлического сопротивления новой насадки NC50. При этом новая кольцевая керамическая насадка типа N3C обладает по сравнению с кольцами Рашига большей удельной площадью поверхности (на 10%) и большей долей свободного объема (на 10 %).

Как видно из проведенного сравнения, новая кольцевая керамическая насадка типа N3C (Патент на полезную модель № 95555 зарегистрированный в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.07.2010) характеризуется более низким гидравлическим сопротивлением  по сравнению с широко применяемыми в настоящее время насадками, а также, что немаловажно, проста при изготовлении.

В шестой главе диссертации представлены результаты и анализ исследования гидродинамических характеристик кольцевой насадки уложенной по новому способу. Произведено сравнение с известным в промышленности способом регулярной укладки кольцевой насадки (в шахматном порядке).

В результате проведенных гидравлических испытаний кольцевой насадки с новым способом регулярной укладки и известным способом регулярной укладки были получены экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению укладки в зависимости от скорости воздуха в его свободном сечении.

Проведенные исследования показали, что регулярная насадка, образованная укладкой элементов нерегулярной кольцевой насадки новым способом, обладает меньшим гидравлическим сопротивлении на 8 % при сухой укладке насадки, на 32 % при орошаемой, по сравнению с известным способом укладки (в шахматном порядке). Это объясняется конструктивной особенностью данной укладки, за счет дистанционирования увеличивается пропускная способность насадки, снижая тем самым гидравлическое сопротивление.

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов были получены расчетные эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления одного погонного метра сухой насадки (10) и (11):

, (10)

, (11)

Область применения формул (10) и (11) соответствует диапазону значений критериев 50 Re 269,5; 3 Fr·Re 530. По данным эмпирическим зависимостям можно рассчитать значение гидравлического сопротивления сухой новой керамической насадки типа N3C с точностью 98 %.

В диапазоне значений критериев 269,5 < Re 564,5; 530 < Fr·Re 4880 расчет гидравлического сопротивления следует проводить по зависимостям (12) и (13):

, (12)

, (13)

точность расчета при этом составляет 95,8%.

В главе седьмой приведены результаты измерения полей скоростей в аппарате, загруженном нерегулярной металлической насадкой различного типа. Показано значительное влияние ограничивающих слой насадки стенок на равномерность распределения полей скоростей в газоочистных аппаратах, что объясняется особенностями структуры укладки элементов насадки вблизи ограничивающих слой насадки стенок.  Произведена статистическая оценка результатов опытов по изучению газораспределения в слое испытанных металлических насадок в аппарате диаметром 98 мм. Приведены значения потери напора в слое испытанных насадок колец типа N1, MS и колец Рашига размером 10х10х0,9 мм выполненных из металла. Получены уравнения для расчета модифицированного критерия Эйлера, для S-образных насадок и насадок цилиндрической формы в изученном диапазоне изменения чисел Рейнольдса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана и защищена патентом новая керамическая кольцевая насадка типа N3C (Патент на полезную модель № 95555 зарегистрированный в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.07.2010)

2. Проведены исследования каплеулавливающих и гидродинамических характеристик новой насадки типа N3C. Получены эмпирические уравнения для расчета гидравлического сопротивления слоя сухой насадки.

3. Проведена оценка гидродинамических и каплеулавливающих характеристик новой насадки типа N3C, по сравнению с широко используемыми в настоящее время в промышленности насадками.

4. Разработанная насадка эффективно улавливает капли жидкости содержащихся в отходящих газах, при этом обладает малым гидравлическим сопротивлением.

5. Предложена методика и алгоритм расчета каплеулавливающего устройства, загруженного новой насадкой с использованием полученных эмпирических уравнений.

6. Разработан, предложен и защищен патентом новый способ регулярной укладки кольцевой насадки (Пат. 2440843 РФ, МПК В 01 J 19/32).

7. Проведены исследования гидродинамических характеристик сухого и орошаемого слоя насадки уложенной по новому способу. Получены эмпирические уравнения для расчета гидравлического сопротивления слоя сухой насадки.

8. Регулярная насадка, образованная укладкой элементов нерегулярной кольцевой насадки новым способом, обладает меньшим гидравлическим сопротивлении на 8 % при сухой укладке насадки, на 32 % при орошаемой, по сравнению с известным способом укладки (в шахматном порядке).

9. Практический интерес по использованию новой насадки подтвержден ООО «Энергогазмонтаж» (г. Санкт- Петербург) при  усовершенствовании очистных сооружений для улучшения экологической обстановки на теплоэлектростанциях; ОАО Научно-производственный комплекс «Северная Заря» (г. Санкт- Петербург) при усовершенствовании очистных сооружений на предприятии для очистки дымовых газов; Министерство промышленности Республики Беларусь Производственное объединение «Минский тракторный завод» (г. Минск) при усовершенствовании газоочистного оборудования в литейных цехах; Kauno Termofikacijos elektrine (Kaunas) при усовершенствовании очистного оборудования по очистке отходящих газов.

  Практический интерес по использованию регулярной укладки кольцевой насадки подтвержден АО «Ахема» (Achema AB, Lithuania) для замены насадки в цеху №2 на установках АХУ в скрубберных аппаратах.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а – удельная поверхность насадки, м2/м3; – свободный объем насадки (порозность), м3/м3; – эквивалентный диаметр насадки, м; к – скорость воздуха в свободном сечении пустого аппарата, м/с; – гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; – коэффициент сопротивления сухой насадки; – высота слоя насадки, м; – массовая нагрузка по газу, кг/(м2с); – эффективность улавливания капель, %;  Vг – объемный расход газа, м3/ч; Г – плотность газа (пара, воздуха), кг/м3; Ж – плотность жидкости, кг/м3; g=9,81– ускорение свободного падения, м/с2; – толщина пленки жидкости, мм (не путать с удерживающей способностью насадки ввиду одинакового обозначения в литературе); Г – коэффициент динамической вязкости газов, Па·с; Ж – коэффициент динамической вязкости жидкости, Па·с; Г  – кинематическая вязкость газа, м2/с; Ж – кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Соколов А., Пушнов А., Лагуткин М., Петрашова Е., Сидельников И., Маслова С. Разработка новой керамической насадки для абсорбционных аппаратов обладающей большей удельной поверхностью // Journal of Environmental Engineering and Landscape Management. – 2010. – Vol. 18 (1). – Р. 38–44.
  2. Пушнов А.С., Лагуткин М.Г., Е.Н. Петрашова. Новый способ регулярной укладки кольцевых насадок для осуществления процессов тепло- и массообмена // Химическая промышленность. – 2010. – т.87, №1. – С. 34–36.
  3. Пушнов А.С., Петрашова Е.Н., Лагуткин М.Г. Газораспределение в слое нерегулярной кольцевой насадки // Химическая промышленность. – 2010. – т.87, №6. – С. 317–323.
  4. Пушнов А.С., Петрашова Е.Н., Лагуткин М.Г. Геометрические характеристики регулярно уложенных кольцевых керамических насадок в колонных массообменных аппаратах // Химическая промышленность. – 2010. – т.87, №7. – С. 350–352. 
  5. Пушнов А., Петрашова Е. Структурная модель движения газового потока в колонных аппаратах с насадкой // Energetika. – 2010. – т.56, №3–4. – P. 279–284.
  6. Пушнов А., Петрашова Е., Шинкунас С. Аэротермические испытания регулярной насадки из гофрированных полимерных труб // Energetika. – 2011. – т.57, №3. – Р. 187–193.
  7. Петрашова Е.Н., Пушнов А.С. Эффективность каплеотбойных устройств // Химическая техника. – 2010. – №10. – С. 18–21.
  8. Петрашова Е.Н., Пушнов А.С., Лагуткин М.Г. Газораспределение в слое нерегулярной насадки // Экология и промышленность России. – март 2011. – С. 6–9.
  9. Петрашова Е.Н., Лагуткин М.Г., Пушнов А.С., Шишов В.И. Разработка и испытания нового каплеулавливающего устройства // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2011. – №4. – С. 22–25.
  10. Пушнов А.С., Масагутов Д.Ф., Петрашова Е.Н., Красильщиков А.П. Аэродинамический стенд для испытаний одиночных элементов насадки // Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов. Сборник тезисов докладов Международной научной конференции, посвященной 70 – летию факультета прикладной химии и экологии. – С.-Петербург: 2008. – С. 37–38.
  11. Пушнов А., Баранова Е., Соколов А., Петрашова Е., Шустиков А., Генерозов А. Влияние геометрии насадки на эффективность процесса испарительного охлаждения компрессорных станций сельскохозяйственных предприятий // 13th International Conference. Biosystems Engineering and Processes in Agriculture. Lithuaniae Academia Scientiarum, Raudondvaris.  25 – 26 сентября 2008. – Р. 246–253.
  12. Воронина В.А., Петрашова Е.Н. Новый способ регулярной укладки кольцевых насадок для осуществления процессов тепло- и массообмена // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. В 2-х т. Т. 1. – М.: МГУИЭ, 2010. – С. 54–55.
  13. Воронина В.А., Петрашова Е.Н. Исследование эффективности каплеулавливающего действия нового каплеуловителя // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. – М.: МГУИЭ, 2011. – С. 94.
  14. Пушнов А.С., Петрашова Е.Н. Воздухоочистные аппараты большой производительности // Сборник трудов 8-ой Международной конференции инженерной экологии. Вильнюс, Литва. 19 – 20 мая 2011. – С. 319–322.
  15. Петрашова Е.Н., д.т.н., проф. Лагуткин М.Г. Аппарат для очистки отходящих газов производства и транспортных средств // Сборник трудов V международной научно-практической конференции «информационные технологии в образовании, науке и производстве»: В 2-х ч. / под редакцией Ю.А. Романенко, Е.В. Лоцмановой. – Протвино: Управление образования и науки. 4-8 июля 2011. – С. 326–325.
  16. Патент на полезную модель № 95555. Насадка для тепло- и массообменных аппаратов / А.С. Соколов, А.С. Пушнов, Л.А. Юдина, А.М. Каган, Е.Н. Петрашова.  – заявка № 2008126732; приоритет полезной модели 02.07.2008; зарегистрирована в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.07.2010.
  17. Пат. 2440843 РФ, МПК В 01 J 19/32. Новый способ регулярной укладки кольцевой насадки / А.С. Пушнов, Е.Н. Петрашова, М.Г. Лагуткин. – № 2010108213/05; заявлено 09.03.2010; опубл. 27.01.2012.

1 Кулов Н.Н. Гидравлический расчет пленочных колонн аппаратов. Противоточные аппараты. - М.: МИХМ, 1979. - 33 с.

2 Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов. – Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 2007. - 500 с.

3 Лагуткин М.Г., Кутепов А.М., Терновский И.Г. Определение расходных характеристик прямоточного цилиндрического гидроциклона // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 1982/ - т. XXV, выпуск 10. - с. 1276-1281




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.