На правах рукописи

ФАТКУЛЛИН РАИЛЬ НАИЛЕВИЧ РАЗРАБОТКА ДВУТАВРОВОЙ НАСАДКИ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ГАЗ - ЖИДКОСТЬ Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2004 2

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Хафизов Фаниль Шамилевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Абдеев Ринат Газизьянович;

кандидат технических наук Морозов Юрий Дмитриевич.

Ведущая организация: ОАО Салаватнефтеоргсинтез.

Защита диссертации состоится 7 сентября 2004 года в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 20 июля 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Приоритетным направлением развития конкурентоспособности нефтехимических и нефтегазоперерабатывающих производств России является модернизация существующих или создание новых массообменных аппаратов большой единичной мощности.

Применительно к абсорбционным аппаратам очистки газов, это означает необходимость разработки новых контактных устройств, обеспечивающих интенсификацию межфазного переноса вещества в системах газ - жидкость.

Наряду с разработкой новых контактных устройств, обладающих большой удельной поверхностью, существует метод интенсификации массообмена в системах газ-жидкость путем затопления насадки. Анализ научных работ по интенсификации массообменных процессов показал, что работа насадочных колонн наиболее эффективна при режимах, близких к захлёбыванию. Применяемые в промышленности аппараты с частично затопленной насадкой показали высокую эффективность их работы. При этом следует отметить, что в данных аппаратах традиционно применялись нерегулярные насадки, несмотря на их явные недостатки при работе именно в этом режиме.

Таким образом, учитывая вышеизложенное, разработка и исследование работы высокоэффективной насадки для массообменных процессов в системах газ-жидкость для нефтехимических и нефтегазоперерабатывающих производств является актуальной задачей.

Основные направления исследований производились в соответствии с Государственными научно-техническими программами Академии Наук Республики Башкортостан (АН РБ): "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий на 1996-1997 гг.", подпрограмма "Аппаратостроение" (Постановление Кабинета министров РБ № 204 от 26.06.96) и "Концепция и программа социально-экономического развития Республики Башкортостан на 1997-2000 гг. и до 2005 года" (Постановление Кабинета министров №3 от 12.01.98) по разделам "Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на нефтехимических предприятиях Республики Башкортостан".

Цель работы. На основе исследований течения двухфазного потока в условиях его движения через затопленные элементы насадки необходимо:

разработать конструкцию насадочного устройства, с учетом требований к контактным устройствам аппаратов, работающих в режиме затопления насадки;

получить расчетные зависимости основных гидродинамических характеристик насадочного устройства (предельные нагрузки, газосодержание, гидравлическое сопротивление, продольное перемешивание); разработать инженерную методику расчета указанных параметров абсорбционного аппарата; предложить конструктивное оформление блоков насадки.

Научная новизна работы Впервые исследовано течение двухфазного потока в условиях его движения через элементы затопленных регулярных насадок. Разработана новая конструкция регулярной насадки ячейковой структуры, образованной посредством элементов двутаврового профиля с соотношением длин полки и стенки 1:1,75, обеспечивающая турбулентный режим взаимодействия потоков газа и жидкости в широком диапазоне нагрузок.

Получены эмпирические уравнения для расчета основных гидродинамических параметров двутавровой насадки.

Разработана и предложена методика расчета абсорбционного аппарата с регулярной двутавровой насадкой при работе в режиме затопления насадки.

Практическая ценность. Разработана конструкция эффективной регулярной двутавровой насадки для абсорбционных процессов, на которую получен патент РФ № 2218983.

Автор защищает:

1 Новую конструкцию регулярной двутавровой насадки для массообменных процессов в системах газ-жидкость, позволяющей интенсифицировать массообменный процесс.

2 Результаты экспериментального исследования работы колонного аппарата с регулярной двутавровой насадкой в режиме затопления в системе газ-жидкость.

3 Расчетные зависимости для определения гидродинамических параметров при проектировании абсорбционных аппаратов с регулярной двутавровой насадкой.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: II международная научная конференция Теория и практика массообменных процессов (Марушкинские чтения) (г. Уфа, 2001 г.);

VI всероссийская научно-практическая конференция Современные технологии в машиностроении - 2003 (г. Пенза, 2003 г.); научно-практическая конференция Машиноведение, конструкционные материалы и технологии (г. Уфа, 2002 г.); научно - практическая конференции "Нефтепереработка и нефтехимия - 2003", (г. Уфа, 2003).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в девяти печатных работах, получен патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, выводов, списка литературы из наименования и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет страниц машинописного текста, содержит 53 рисунка и 5 таблиц.

Автор благодарит за помощь в проведении совместных исследований к.т.н., доцента кафедры ОНХЗ Стерлитамакского филиала УГНТУ Фетисова В.И.

Содержание работы Во введении показана актуальность работы, её научная и практическая значимость, сформулированы и изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрены конструкции колонных аппаратов и насадочных устройств, предназначенных для проведения абсорбционных процессов, методы интенсификации абсорбционного оборудования.

Анализ литературных источников указывает: на преимущественное применение абсорбционных методов очистки углеводородных газов от кислых компонентов, из которых наиболее широко используются циклические процессы с применением аминосодержащих абсорбентов; для проведения процесса абсорбции применяются аппараты различных конструкций, среди которых наибольшее распространение получили абсорбционные аппараты колонного типа.

В современных абсорбционных аппаратах используются различные конструкции контактных устройств. Ежегодно патентуются десятки новых конструкций, публикуются результаты исследований.

Среди множества методов интенсификации массообмена в насадочных колоннах, одним из наиболее приемлемых для абсорбционных процессов очистки углеводородных газов под давлением является метод затопления насадки.

Анализ литературного материала показал целесообразность проведения настоящей работы на основе комплексных исследований, направленных на разработку регулярной насадки для колонных аппаратов.

Таким образом, исследование гидродинамических характеристик регулярных насадок необходимо для подтверждения возможности использования разработанной конструкции насадки в промышленных условиях; распространения полученного опыта на другие типы регулярных насадок, применяемых в абсорбционных аппаратах с затопленной насадкой;

разработки новых типов насадок на основе полученных экспериментальных данных.

Во второй главе представлено описание нового контактного устройства - двутавровой насадки для массообменных процессов, приведены методики исследования гидродинамических и массообменных характеристик.

На основе анализа работы насадочных устройств в режиме затопления разработана новая регулярная насадка, получившая название двутавровой, конструкция которой представлена на рисунке 1а.

b t I a с II III a жидкость газ а б Рисунок 1 - Конструкция (а) схема потоков и геометрические размеры (б) двутавровой насадки [патент РФ № 2218983] Разработанная насадка состоит из горизонтальных рядов наклонных прямоугольных пластин, образующих двутавровый профиль, состоящий из двух боковых, параллельных друг другу, полок 1 и из стенки 2 (рисунок 1,а).

Профиль в ряду относительно профиля соседнего ряда зеркально отображен, и элементы профиля двух соседних рядов образуют продольные ячейки, а торцы полок профиля образуют щели для прохода фаз. Основным геометрическим параметром, характеризующим двутавровую насадку, является ширина щели - а, шаг элементов насадки t (рисунок 1,б) и эквивалентный диаметр насадки dэкв.

Свободный объем разработанной насадки составляет не менее св = 0,94 м3/м3.

Для визуального наблюдения за работой насадки были изготовлены блоки насадок из органического стекла, позволяющие наблюдать за характером взаимодействия потоков газа и жидкости. С помощью фотосъемки фиксировалась информация о течениях в двухфазной системе, вполне достаточная для качественных и количественных оценок исследуемых факторов.

Работа двутавровой насадки как устройства, обеспечивающего контактное взаимодействие жидкого и газового потоков при их противоточном движении, осуществляется следующим образом. Поток газовой фазы равномерно распределяется элементами насадки в объеме жидкой фазы. В ячейках насадки происходит интенсивное перемешивание потоков вследствие их турбулизации, обусловленной взаимодействием встречных потоков газовой и жидкой фаз и взаимным расположением пластин элементов насадки. Верхние полки двутавровых элементов, расположенные под углом в 45 к потоку восходящей газовой фазы, закручивают его в объеме продольной ячейки, нижние же полки закручивают поток жидкой фазы. Дополнительный эффект обеспечивает тангенциальный ввод обеих фаз в объем ячейки. При этом следует учесть изменение скорости движения как газового, так и жидкого потоков в объеме продольной ячейки - зоны I и III (рисунок 1,б) и при прохождении фаз через щелевой зазор насадки - зона II (рисунок 1,б). Это позволяет осуществить турбулентный режим взаимодействия контактирующих потоков в широком диапазоне нагрузок.

Исследование основных гидродинамических характеристик и сравнительной эффективности проводили на модельной системе вода-воздух на установке, представленной на рисунке 2, основным элементом которой являлась колонна высотой 1,5 м и сечением 0,24 0,14 м, с прозрачными окнами для наблюдения за характером движения потоков. Для проведения экспериментов были изготовлены металлические блоки регулярных насадок высотой 0,5 м с полноразмерными элементами, при установке блоков в колонну результирующая высота насадочного слоя составляла один метр. Кольца Рашига типоразмером 25253 (керамика) засыпались на опорную решетку внавал.

Подачу газовой и жидкой фаз в колонну через распределители 3, 4 (см.

рисунок 2) регулировали вентилями 8, 9 по показаниям ротаметров 5, 6, предварительно оттарированных. Необходимый уровень газожидкостного слоя поддерживали посредством регулирования слива жидкости из колонны вентилем 10, ориентируясь на показания ротаметра 7, обеспечивая тем самым объемный одинаковый расход жидкости на входе и выходе колонны. Таким образом, экспериментальные исследования проводили в условиях равенства высот газожидкостного слоя и насадки.

1 - корпус колонны;

2 - насадка;

Выход газовой 3 - распределитель газовой фазы фазы;

4 - распределитель жидкой фазы;

5, 6, 7 - ротаметры;

8; 9; 10 - регулировочные вентили;

11 - дифференциальный манометр;

13 12 - пробоотборник;

13 - титановая ёмкость;

14 - поршневое устройство для ввода индикатора;

15 - кондуктометр;

Выход жидкой фазы 16 - электроды.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки Исследование пропускной способности двутавровой насадки проводили фазы Ввод жидкой Ввод газовой фазы на модельной системе вода-воздух, определяя визуально наступление так называемого режима подвисания. Для этого использовались прозрачные блоки насадок. Газосодержание в слое насадки определяли методом отсечки, одновременно перекрывая подачу обеих фаз в колонну с последующим замером разности высот газожидкостного слоя и чистой жидкости по показаниям уровнемера. Для определения перепада давления над и под блоками насадки были установлены датчики давления, представляющие собой трубки Пито Прандтля, которые позволяют фиксировать изменение динамического напора газового потока. Датчики давления соединялись с дифференциальным манометром 11, измеряющим перепад давления в слое насадки. В экспериментах по исследованию продольного перемешивания в поток жидкой фазы, на входе в распределитель, при помощи поршневого устройства импульсно вводился индикатор - насыщенный раствор поваренной соли (NaCl) объемом 100 мл. Одновременно с вводом индикатора, с интервалом в одну минуту, измерялась электропроводность жидкой фазы при помощи кондуктометра 15, соединенного с электродами 16. С помощью тарировочного графика лэлектропроводность - концентрация для водных растворов NaCl определялась текущая концентрация индикатора в выходящем потоке жидкой фазы. Изучение эффективности работы насадочных устройств в режиме затопления насадки проводили следующим образом. Для насыщения воздуха парами соляной кислоты воздух посредством компрессора нагнетали в титановую емкость 13, заполненную концентрированной соляной кислотой, откуда полученную газовую смесь подавали непосредственно под насадку в нижней части колонны через распределитель газовой фазы 3. Количество кислоты в емкости для всех исследуемых насадок было одинаковым. Отбор проб абсорбента (воды) производили посредством пробоотборника 12. Анализ проб проводили титрометрическим методом, используя гидроксид натрия известной концентрации.