005012898 

^ 

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 

2  9  м д р  ZGl2 

Москва­2012 

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  16°°  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  (Л­207). 

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

Автореферат разослан  «ї9»  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 промьппленности  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 атшаратов  для осуществления  процессов  химической  технологии.  Каплеуло­вители применяются для дополнительной  сепарации потока газа,  вьппедшего 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 промьппленности. 

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,  оказьшают  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  пропу­

С1СН0Й 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,  кошрыс  при  сохранении  или некотором  улучшении  основных  показателей  будут  просты  и  дешевы  при крупносерийном  производстве. 

Дель  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 Рапшга 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 N30  защищенной патентом РФ (Патент на полезную модель № 95555 зареги­стрированный в Государственном реестре полезных моделей РФ  10.07.2010). 

2.  Результаты  исследования  гидродинамических  характеристик  пред­ложенного и защищенного  патентом РФ нового  способа регулярной  укладки кольцевой насадки (Пат. 2440843 РФ, МПК В  01119/32). 

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  Научно­производственный  комплекс  «Северная Заря»  (г.  Санкт­  Петербург)  при  усовершенствовании  очистных  сооружений на предприятии для очистки дымовых газов; Министерство  промьшшенности 

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  АВ, 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,  1 9 ­ 2 2  апреля 2011 г.; 8­ой Междуна­родной  конференции  инженерной  экологии,  г. Вильнюс,  Литва,  1 9 ­ 2 0  мая 2011  г; 5­ой  Международной  научно­практической  конференции  «информа­ционные технологии  в образовании науке и производстве»,  Протвино, 4 — 8 июля  2011г. 

Публикации.  По  теме  диссертации  опубликовано  17 работ,  из  них:  9 статей в научно­технических журналах, в том числе 2 в изданиях,  рекомендо­ванных BAJC, 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 новьпл 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 данньпии, 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  серти­

фицированы  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 маппгаопис­ного  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 промьппленности.  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  предпосьшки  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 N30 

Насадка  типа  МЗС 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  ЫЗС  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  Толщина  Число  Удельная  Доля  Удельная 

насадки  стенки,  элементов в 1 м'.  материалоемкость,  свободного  площадь мм  щтук в навал  кг/м'  объема.  поверхности. 

(порозность).  м^м' м'/м' 

N30  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; 7­вентилятор; 8 ­  манометр. 

Х^  вентилятора • п  \ 1 

воздч­я; 

вода 

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  каплеуло­

вителя  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: 

1Г • 1 0 0 '  (1) 

Г1  ­  эффективность  улавливания  капель,  %;  ­  величина  капельного  уноса жидкости  из  установки  без  каплеулавливающего  устройства,  кг/с; д2 ­  величина  капельного  уноса  жидкости  из  установки  с  каплеулавливаю­щим устройством, кг/с. 

Потеря  давления  в  сухой  насадке  определяли  по  высоте  столЬа  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 Б 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  ­  8,  вы­бирается из  соотношения: 

8 = 26 + В^  (2) где В =  3­̂ 4 мм ­  минимальное  расстояние  между пленками  на  сосед­

них элементах насадки; <5 ­  толщина пленки жидкости, мм. 

а) существующий  способ укладки, без зазора между элементами насадки 

б) предлагаемый способ укладки 

Рис. 3. Виды регулярной укладки кольцевой насадки 

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

Толщину пленки жидкости ­  д, можно  определить по следующим  кри­териальным уравнениям': 

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

для ламинарного  течения пленки жидкости, при  Ке^^  1600: 

' ̂   1,  (3) г  = 0,908 • 

g .2/. где  Уж ­  кинематическая  вязкость  жидкости,  м /с;  §  ­  ускорение  сво­

бодного падения, м/с^; Кеж  ­ число Рейнольдса для пленки жидкости. для турбулентного течения пленки жидкости, при  1600 <  < 30000: 

(  2 5 = 0,135­

(4) Ке^ 0.583 

В свою очередь число Рейнольдса для пленки жидкости  рассчитывает­ся по формуле^: 

(5) ЛЧ  у 

Ж 

где  ­  плотность орошения, м^/(м­с). Таким  образом, предложенная  нами новая регулярная  укладка  кольце­

вых 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: известньш способом укладки в шахматном порядке и предложен­ным. Исследования двух укладок проводились при одинаковых условиях. 

Исследования  проводились  при  расходах  воздуха  в  диапазоне  от 8,5 м'/ч до 99,0 м^/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. 

^ Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов. ­  Казань: Изд­во Казанск. ун­та, 2007. ­ 500 с. 

Рис. 4. Принципиальная схема установки: 1 -  колонна; 2 ­  венталятор; 3  ­  измеритель  расхода  воздуха  (диафраг­менного типа); 4 ­  дифференциальный манометр; 5 ­  двухканальный измеритель; 6 -  насадка; 7 ­  ситчатая тарелка; & ­  опорная решетка; 9 ­  ротаметр 

В  четвертой  главе  диссертации  представлены  результаты  исследова­ния  и  анализ  каплеулавливающих  характеристик  новой  керамической  коль­цевой  насадки  типа  N30.  Представлено  сравнение  каплеулавливающих  ха­рактеристик  новой  керамической  кольцевой  насадки  типа N30  с широко  ис­пользуемыми  в  промышленности  в  каплеулавливающих  устройствах  наса­дочными  элементами. Зависимость  эффективности  каплеулавливающего  действия новой  кольцевой керамической  насадки  типа  N30  от  скорости  воздуха  в  свободном  сечении аппарата ю^ (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 т]  (%) зави­сит  от  скорости  воздуха  в свободном  сечении  аппарата Юк (м/с). 

При высоте 0,2 м в диапазоне скоростей от  I до  1,5 м/с эффективность возрастает и при Шк =  1,5 м/с  достигает максимального значения т] = 98,75 %, затем  снижается до значения т] = 97,25 % при сОк  = 3,2 м/с. Это явление мож­но объяснить  «повторным  уносом» капель жидкости. При скоростях  воздуш­

м/с 

ного  потока  Юк  >  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  капель­брызг 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  г| = 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,  показано,  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  <  (0^ < 3  м/с новая керамическая  кольцевая  насадка обладает  эффективно­стью  на  2%  больше  чем  каплеулавливающее  устройство  жалюзийного  типа. Также в диапазоне  скоростей  2 < ю^ <  3 м/с 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 <  сОк <  3 м/с обладает  большей  эффективностью  по  сравнению  с каплеулавливающим  устройством  жалюзийного  типа  и  каплеулавливающим устройств из профилированных полиэтиленовых  пластин. 

Также бьшо проведено  сопоставление  с данными по нерегулярным  на­садкам, в том числе и кольцам Рашига, которое показало, что разработанная  в 

10 

Московском  государственном  университете  инженерной  экологии  новая  ке­рамическая кольцевая насадка типа N30, обладает большей  эффективностью. 

Учитывая  изложенное,  новая  кольцевая  керамическая  насадка  типа N30  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 N30  с широко используемыми  в промышленности  насадочны­ми элементами. Предложены расчетные  эмпирические зависимости.  Предло­жен  алгоритм  расчета  насадочного  каплеуловителя  заполненного  новой  на­садкой. 

10000 Не 

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 N30  Ей  от  числа  Рейнольдса  Ке 

представлена на рис. 6. В результате  обработки  экспериментальных  данных  методом  наимень­

ших  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: 

Л ' (7) 

Область  применения  формул  (6) и  (7) соответствует  диапазону  значе­ний  критерия  Рейнольдса  по  газу 2590  < К е <  10450.  По  данной  эмпириче­ской  зависимости  можно  рассчитать  значение  гидравлического  сопротивле­ния сухой новой керамической насадки типа N30 0 точностью 99 %. 

Таким  образом,  полученная  зависимость  Еи=/(Яе)  позволяет  с  доста­точной точностью проводить оценочные  расчеты гидравлического  сопротив­ления новой кольцевой керамической насадки типа N30. 

Традиционно  при расчете  гидравлического  сопротивления  слоя насад­ки  рассматривается  зависимость  критерия  Эйлера  от  критерия  Рейнольдса. 

и 

Однако критерий Рейнольдса содержит характерный размер, причем, при его изменении  вид расчетной  зависимости  будет  изменяться.  М.Г.  Лагугкиным бьшо  предложено  рассчитьшать  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 насагцси типа МЗС  от произведения критериев  Фруда и Рейнольдса Еи=ЛРгйе)  представ­лена на рис. 7. 

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

Еа 100 

10 

6000  60000  600000 

FrRf 

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) 

(Гг.Ке)0.03 

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

(9) 

Еи̂  63,7 

ДР сух.  63,7 

(Fr­Re)' ,0,03 

Область  применения  формул  (8) и  (9) соответствует диапазону  значе­ний произведения критериев Рейнольдса и Фруда  7290 < РгКе<  477100. 

'  Лагугкин М.Г., Кутепов A.M., Терновский И.Г. Определение расходных характеристик прямо­точного цилиндрического гидроциклона // Известия высших учебных заведений. Химия и хими­ческая технология. ­  1982/ ­ т. XXV, выпуск 10. ­ с. 1276­1281 

12 

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

Таким  образом, полученная  зависимость  Еи=/(Рг­Яе)  позволяет  с  дос­таточной  точностью  проводить  оценочные  расчеты  гидравлического  сопро­тивления новой кольцевой керамической насадки типа ШС. 

Сравнение  основных  геометрических  характеристик  новой  кольцевой керамической насадки типа N30 с аналогичными характеристиками  наиболее близких по  конструктивным  особенностям  насадок,  широко  применяемых  в промьшшенности,  приведено в таблице 2. Помимо сравнения с наиболее рас­пространенными  в  промьппленности  насадками  представлено  сравнение  с недавно разработанной кольцевой насадкой N050. 

Таблица 2 

№ п/п 

Тип насадки 

Размеры насадки, 

мм 

Удельная поверхность, 

м 

Свободный объем, м'/м' 

Число элементов в  1м', 

штук в навал 

Удельная материалоем­кость, кг/м' 

1  N30  50x50x5  97  0,88  4350  380,4 2  Кольца Рашига  50x50x5  90  0,79  6000  530 3  Кольца Палля  50x50x5  120  0,78  5800  520 4  Кольца с 

крестообразной перегородкой 

50x50x5  137,78  0,645  6000  820 

5  N050  50x50x5  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. АРсу1/Н,ПаЛ1 

150 

и и­

г' 

^

^ 

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

• КЗС 50x50x3 

•Кольца Палля 50x50x5 

* Кольца Рашнга 50x50x5 X N05050x50x5 •  Кольца с кресгооСразной 

перегородкой 50x50x5 

0.5  5  Шс­Ы/С 

Как видно из графика на рис.  8, гидравлическое  сопротивление  новой кольцевой  керамической  насадки типа N30  на 9 %  меньше  гидравлического сопротивления  колец Палля и на  50 % меньше гидравлического  сопротивле­ния колец Рашига и колец с крестообразной  перегородкой. Так же, как видно 

13 

из  графика,  почти  на  20  %  меньше  гидравлического  сопротивления  новой насадки  КС50.  При  этом  новая  кольцевая  керамическая  насадка  типа  N30 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 N30  (Патент на полезную модель № 95555  зарегистрированный в Государственном  реестре полезных моделей РФ  10,07.2010)  характеризует­ся  более  низким  гидравлическим  сопротивлением  по  сравнению  с  широко применяемьши  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) Н  ,2 

^ с у х _  690,9  ( И ) 

Область  применения  формул  (10) и  (11) соответствует  диапазону  зна­чений  критериев  50<Ке  < 269,5; 3< Рг Ке < 530. По данным  эмпирическим зависимостям  можно  рассчитать  значение  гидравлического  сопротивления сухой насадки с точностью 98 %. 

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

14 

^ с у х _  316,4  (12) 

^ с у х  _  58,24  ^1­Рг.  (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,  М8  и колец  Рашига  размером  10x10x0,9  мм  выполненных  из  металла.  Получены уравнения для расчета модифицированного  критерия Эйлера, для 8­образных 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 ЫЗС (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 МЗС. Получены  эмпирические  уравнения для расчета гидравлического сопротивления слоя сухой насадки. 

3. Проведена оценка гидродинамических и каплеулавливающих  харак­теристик новой насадки типа N30,  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  01119/32). 

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  со­

15 

противлении  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  Научно­производственный  комплекс  «Северная Заря»  (г.  Санкт­  Петербург)  при  усовершенствовании  очистных  сооружений на предприятии для очистки дымовых газов; Министерство  промьппленности 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,  м^/м^; е ­  свободный  объем  насадки  (по­розность), м^/м'; їэ ­  эквивалентный  диаметр насадки,  м; со̂  ­  скорость воз­духа в  свободном  сечении пустого  аппарата, м/с; АРсух ­  гидравлическое  со­противление  сухой  насадки.  Па;  ^ ­  коэффициент  сопротивления  сухой  на­садки; Я  ­  высота  слоя  насадки,  м; G ­  массовая  нагрузка  по  газу,  кг/(м^­с) t] ­  эффективность  улавливания капель, %;  V̂  ­  объемный расход газа,  м'/ч Рг ­  плотность  газа  (пара,  воздуха),  кг/м'; рж  ­  плотность  жидкости,  кг/м :̂ g=9,81­  ускорение  свободного  падения, м/с^; ц ­  толщина пленки  жидкости, мм  (не  путать  с  удерживающей  способностью  насадки  ввиду  одинакового обозначения  в литературе); f i p ­  коэффициент  динамической  вязкости  газов, Па с; цж ­  коэффициент  динамической  вязкости жидкости.  Пах;  Vp  ­  кине­матическая вязкость газа, м^/с; v^ ­  кинематическая вязкость жидкости, м^/с. 

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 

1. Соколов  А., Пушнов  А.,  Лагугкин  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). ­  P. 38^4. 

2.  Пушнов A.C., Лагугкин М.Г., Петрашова E.H.. Новый способ регу­лярной  укладки  кольцевых  насадок  для  осуществления  процессов  тепло­  и массообмена // Химическая промьппленность. ­  2010. ­  т.87, №1. ­  С. 34­36. 

3.  Пушнов A.C., Петрашова E.H., Лагугкин М.Г. Газораспределение  в слое  нерегулярной  кольцевой  насадки  //  Химическая  промышленность. 2010, ^ 1.87, №6. ­  С. 317­323. 

4.  Пушнов  A.C.,  Петрашова  E.H.,  Лагугкин  М.Г.  Геометрические  ха­рактеристики  регулярно  уложенных  кольцевых  керамических  насадок  в  ко­

16 

лонных массообменных аппаратах  // Химическая  промышленность.  ­  2010.  ­т.87,№7.­С.350­352. 

5.  Пушнов  А.,  Петрашова  Е.  Структурная  модель  движения  газового потока в колонных аппаратах с насадкой // Energetika. ­  2010. ­  т.56, №3­4.  ­Р. 279­284. 

6.  Пушнов  А., Петрашова  В., Шинкунас  С. Аэротермические  испыта­ния  регулярной  насадки  из  гофрированных  полимерных труб  //  Energetika.  ­201 l . ­ T . 5 7 , № 3 . ­ Р .  187­193. 

7.  Петрашова  E.H.,  Пушнов A.C.  Эффективность  каплеотбойных  уст­ройств // Химическая техника. ­  2010. ­  № 10. ­  С.  18­21. 

8.  Петрашова E.H., Пушнов  A.C., Лагуткин М.Г. Газораспределение  в слое  нерегулярной  насадки  //  Экология  и  промышленность  России.  ­  март 2011. ­С.  6­9. 

9.  Петрашова  E.H.,  Лагуткин  М.Г.,  Пушнов  A.C., Шишов  В.И.  Разра­ботка  и испытания  нового  каплеулавливающего  устройства  // Химическое  и нефтегазовое машиностроение. ­  2011. ­  №4. ­  С. 22­25. 

10. Пушнов  A.C.,  Масагутов  Д.Ф.,  Петрашова  E.H.,  Красильщиков A.n.  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.  37­38. 

П . 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. ­  P.  246­253. 

12. Воронина B.A., Петрашова E.H. Новый  способ регулярной  укладки кольцевых  насадок  для  осуществления  процессов  тепло­  и  массообмена  // Научная  конференция  студентов  и  молодых ученьк  МГУИЭ:  Тезисы  докла­дов. В 2­х т. Т.  1. ­  М.: МГУИЭ, 2010. ­  С. 54­55. 

13. Воронина  В.А., Петрашова  E.H.  Исследование  эффективности  кап­леулавливающего  действия  нового  каплеуловителя  //  Научная  конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. ­  М.: МГУИЭ,  2011. ­ С .  94. 

14. Пушнов A.C., Петрашова E.H. Воздухоочистные аппараты большой производительности  //  Сборник  трудов  8­ой  Международной  конференции инженерной  экологии. Вильнюс, Литва.  19 ­  20 мая 2011. ­  С. 319­322. 

15. Петрашова  E.H.,  д.т.н.,  проф.  Лагуткин  М.Г.  Аппарат  для  очистки отходящих  газов  производства  и транспортных  средств  //  Сборник  трудов  V международной  научно­практической  конференции  «информационные  тех­нологии в образовании, науке и производстве»: В 2­х ч. / под редакцией Ю.А. 

Романенко, Е.В. Лоцмановой. ­  Протвино: Управление  образования и науки. 4­8 июля 2011. ­  С.  326­325. 

•(S­  Патент  на  полезную  модель  №  95555. Насадка  для тепло­  и  массо­обменных  аппаратов  / A.C. Соколов,  A.C. Пушнов, Л.А. Юдина,  A.M.  Каган, E.H.  Петрашова.  ­  заявка  №  2008126732;  приоритет  полезной  модели 02.07.2008;  зарегистрирована  в  Государственном  реестре  полезных  моделей РФ  10.07.2010. 

Пат. 2440843 РФ, МПК  В  01 J  19/32. Новый  способ регулярной  ук­ладки  кольцевой  насадки  /  A.C.  Пушнов,  E.H.  Петрашова,  М.Г.  Лагуткин.  ­№2010108213/05;  заявлено 09.03.2010; опубл.  27.01.2012. 

Подписано в печать  15.03.2012. Тираж:  100 экз. Заказ № 33. Отпечатано в типографии  «Реглет» 

105005, г. Москва, ул. Бауманская, д.ЗЗ, стр.1 979­96­99;  www.reglet.ru