Рассмотрены подходы и представлены выражения для расчета энергоэффективности тарелок тепломассообменных аппаратов. Даны результаты расчетов энергетического коэффициента тарелок различных конструкций. Сделаны выводы о наиболее эффективных конструкциях тарелок.
Ключевые слова: энергоэффективность, тепломассообмен, тарелки, энергетические коэффициенты.
Для решения задач повышения эффективности промышленных тепломассообменных аппаратов применяются известные методы оптимизации с использованием критериев оптимальности. В качестве критериев могут быть различные КПД и энергетические комплексы и коэффициенты. К таким КПД относятся: тепловой и энергетический КПД, термический цикл Карно, относительный КПД теплоэнергетической установки, утилизаторов теплоты — эффективности теплообмена, предложенный Кейсом и Лондоном, коэффициент использования теплоносителя и др.
Важным критерием оценки эффективности использования топливно-энергетических ресурсов служит энергоемкость выпускаемой продукции, т. е. отношение потребляемых топливно-энергетических ресурсов (приведенных к условному топливу) к количеству выпускаемой продукции. Естественно, что использование любых критериев энергоэффективности имеет смысл, если промышленная установка (производство) обеспечивает требуемое качество выпускаемой продукции в заданном интервале нагрузок по исходному сырью.
В статье для выбора энергоэффективных и энергосберегающих научно-технических решений по модернизации тепломассообменных аппаратов используются энергетические коэффициенты Кирпичева и Ануфьева [1]. Конечной целью является снижение энергозатрат на единицу выпускаемой продукции в топливно-энергетическом комплексе и других отраслях промышленности.
Контактные тарелки
Тарельчатые колонные аппараты используют для проведения процессов ректификации, абсорбции, десорбции, охлаждения газов и жидкостей, мокрой очистки газов от пыли [2–4].
В середине прошлого века тарелки с колпачками получили наиболее широкое распространение благодаря своей универсальности и высокой эксплуатационной надежности; они достаточно эффективны, но металлоемки и сложны в монтаже.
Клапанные тарелки по сравнению с колпачковыми имеют более высокую эффективность и на 20–40 % большую производительность. Основным отличием тарелок этого типа от контактных устройств других типов, является возможность работы при меняющихся нагрузках по паровой фазе. Клапанные тарелки используют в колоннах, работающих при атмосферном и повышенном давлении при работе со средами, не склонными к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке.
Ситчатые тарелки имеют достаточно высокую эффективность, малое гидравлическое сопротивление и низкую металлоемкость. Они применяются преимущественно в колоннах, работающих при атмосферном давлении и под вакуумом; во избежание забивки отверстий рекомендуется использовать чистые жидкости.
В настоящее время используются в основном многопоточные ситчатые, клапанные тарелки, а также струйные, комбинированные и другие.
Энергетическая эффективность
Академик М. В. Кирпичев предложил для оценки эффективности поверхности теплообмена использовать энергетический коэффициент E, равный отношению количества тепла Q, отданного поверхностью, к мощности N, затраченной на перекачивание теплоносителя относительно поверхности:
. (1)
Коэффициент E характеризует степень использования работы, затраченной на передачу тепла, или теплогидродинамическое совершенство организации процесса теплообмена около некоторой поверхности.
Аналогично может быть записано выражение для оценки энергоэффективности массообмена:
. (2)
Количество переданного вещества из одной фазы в другую:
, (3)
где 
— коэффициент массопередачи, м/с; F — поверхность массообмена, м2; 
— средняя движущая сила массопередачи (разность рабочей и равновесной концентраций распределяемого компонента); y — концентрация компонента.
Энергия, необходимая для подачи газа в массообменную колонну:
, (4)
где 
- перепад давления, Па; 
- объемный расход газа в колонне, м3/с; G — массовый расход, кг/с; 
- плотность газа, кг/м3.
С использованием выражений (3) и (4) уравнение (2) примет вид:
. (5)
Выражение энергетического коэффициента можно также записать в виде отношений коэффициента теплоотдачи к единице поверхности (коэффициент Ануфьева В. И.), т. е. исключается влияние величины температурного напора:
, (6)
где 
- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙К); F — поверхность теплообмена, м2.
Для процесса массопередачи это выражение запишется в виде
. (7)
Рассмотрим применение выражения (7) для оценки массообменно-энергетической эффективности барботажных тарелок, на примере ситчатых, колпачковых и клапанных.
Коэффициент массопередачи 
в выражении (7) связан с коэффициентами массоотдачи в жидкой и газовой фазах уравнением аддитивности фазовых сопротивлений.
Рассмотрим процесс абсорбции легкорастворимых газов, когда основное сопротивление сосредоточено в газовой фазе. Например, воздушно-аммиачная смесь и вода.
Выражение (7) с учетом (4) запишем в виде
. (8)
где 
- коэффициент массоотдачи в газовой фазе, м/с; 
- площадь поперечного сечения колонны, м2; 
- средняя скорость газа в колонне, м/с; 
- коэффициент массоотдачи отнесенный к площади тарелки 
, м2 (
).
Чем больше значение Е, тем эффективнее работает тарелка.
Для расчета коэффициентов массоотдачи можно воспользоваться математическими моделями [2,5] или критериальными выражениями [4]. Поскольку математические модели требуют значительного объема вычислений, для известных конструкций контактных устройств используем критериальные выражения Соломахи Г. П. [4]
для ситчатых тарелок:
, (9)
для колпачковых тарелок:
, (10)
для клапанных тарелок:
, (11)
где 
- число Шервуда;
- число Рейнольдса; 
— капиллярная константа; 
- число Вебера, 
- поверхностное натяжение, Н/м; 
- статический уровень жидкости на контактном устройстве, м; 
- число Шмидта. Для аммиак-воздух 
; 
- коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; 
- кинематическая вязкость, м2/с.
Перепад давления находим по формуле
, (12)
где 
, 
, 
, для ситчатых тарелок коэффициент сопротивления 
; для колпачковых тарелок 
; для клапанных тарелок при 
, 
, при 
, 
; 
- диаметр отверстия по клапанам.
Рис. 1. Зависимость коэффициента Е (8) от числа Рейнольдса
1- ситчатая тарелка; 2- колпачковая тарелка; 3- клапанная тарелка; 
м; 
м; 3а — вес клапана 36 гр.; 3б — вес клапана 18 гр.
На рис. 1 представлено сравнение контактных тарелок по значению энергетического коэффициента Е. Видно, что наиболее эффективной тарелкой является ситчатая тарелка (кривая 1). Эффективность клапанной тарелки (кривая 3) зависит от массы клапана и примерно близка к эффективности колпачковых.
Естественно, значение коэффициента Е является не единственным критерием оценки работы тарелок. Кроме этого тарелки должны обеспечивать заданную эффективность разделения смеси, иметь небольшую стоимость и достаточный срок эксплуатации. Окончательный выбор типа контактных устройств выполняется после технико-экономического анализа.
Вывод
Рассмотрен метод оценки совместных тепломассообменных и энергетических характеристик контактных устройств барботажного типа. Метод применяется авторами при выборе научно-технических решений при модернизации промышленных аппаратов.
Литература:
1. Башаров М. М., Лаптев А. Г. Комплексная оценка тепломассообменных и энергетических характеристик контактных устройств // Надежность и безопасность энергетики. 2014. № 4. С. 50–54.
2. Лаптев А. Г., Минеев Н. Г., Мальковский П. А. Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке. — Казань: Печатный двор, 2002. — 250 с.
3. Алексеев Д. В., Николаев Н. А., Лаптев А. Г. Комплексная очистка стоков промышленных предприятий методом струйной флотации. Казань: Казан. гос. технолог. ун-т,2005. — 156 с.
4. Александров И.А Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. Л., «Химия», 1975. — 320 с.
5. Лаптев А. Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2007. — 500 с.
