Авторы: Лаптева Елена Анатольевна, Ишмуратова Лейсан Мидхатовна

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №14 (94) июль-2 2015 г.

Дата публикации: 10.07.2015

Статья просмотрена: 99 раз

Библиографическое описание:

Лаптева Е. А., Ишмуратова Л. М. Комплексная оценка массообменных и энергетических характеристик барботажных тарелок // Молодой ученый. — 2015. — №14. — С. 157-160.

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.

Основные термины (генерируются автоматически): контактных устройств, тепломассообменных аппаратов, характеристик контактных устройств, и энергетических характеристик контактных, Клапанные тарелки, тепломассообменных и энергетических характеристик, энергетического коэффициента тарелок, тарелок тепломассообменных аппаратов, ситчатых тарелок, ситчатая тарелка, века тарелки с колпачками, Контактные тарелки, энергетические коэффициенты, Эффективность клапанной тарелки, характеристик барботажных тарелок, ситчатых тарелок коэффициент, сравнение контактных тарелок, Похожая статья, Ситчатые тарелки, критерием оценки.

Ключевые слова

энергоэффективность, тепломассообмен, тарелки, энергетические коэффициенты

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос