РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРУБЧАТО-РЕШЕТЧАТОЙ НАСАДКИ ИЗ ТРУБ СО СПИРАЛЕВИДНЫМИ ТУРБУЛИЗАТОРАМИ

АННОТАЦИЯ

В работе представлены экспериментальные данные по исследованию гидравлического сопротивления трубчато-решетчатой насадки из труб со спиралевидными турбулизаторами. Исследовано гидравлическое сопротивление пучка труб со спиралевидными турбулизаторами при их поперечном обтекании. Опытным путем доказано, что с увеличением скорости потока в интервале чисел Рейнольдса Re=4,4·10⁴ – 3,3·10⁵, при шагах размещения труб t/d=1,15–2,0 и навивки турбулизаторов s/d=5,11–14,2 величины критерия Эйлера снижаются в 1,5–2 раза. Экспериментальных данные по гидравлическому сопротивлению трубчато-решетчатой насадки из труб со спиралевидными турбулизаторами обобщены и выведена критериальная формула с погрешностью ±9,8 %.

Экспериментальными исследованиями выявлено, что с ростом скорости потока гидравлическое сопротивление имеет тенденцию к снижению.

Установлено, что гидравлическое сопротивление трубчато-решетчатой насадки из труб со спиралевидными турбулизаторами на 23–50 % меньше, чем у насадочно-трубчатых систем с различными относительными свободными объемами, что приводит к снижение энергетических затрат, связанных с прокачкой газовой фазы в насадочных колоннах. 

ABSTRACT

The paper presents experimental data on the study of hydraulic resistance of a tubular-lattice packing made of pipes with spiral turbulators. The hydraulic resistance of a tube bundle with spiral turbulators was investigated during their transverse flow. Experiments have proven that with an increase in flow velocity in the range of Reynolds numbers Re = Re=4,4·10⁴ – 3,3·10⁵, with pipe placement steps t/d = 1,15–2,0 and turbulator winding s/d=5,11–14,2, the Euler criterion values ​​decrease by 1,5–2 times. Experimental data on the hydraulic resistance of a tubular-lattice packing made of pipes with spiral turbulators are summarized and a criteria formula with an error of ± 9,8% is derived.

Experimental studies have revealed that with an increase in flow velocity, hydraulic resistance tends to decrease. It has been established that the hydraulic resistance of a tubular-lattice packing made of pipes with spiral turbulators is 23–50 % less than that of packed-tubular systems with different relative free volumes, which leads to a reduction in energy costs associated with pumping the gas phase in packed columns.

Ключевые слова: труба, спиралевидный турбулизатор, трубчато-решетчатая насадка, гидравлическое сопротивление, обобщение, критериальная формула, энергетические затраты.

Keywords: pipe, spiral turbulator, tubular lattice packing, hydraulic resistance, generalization, criteria formula, energy costs.

Введение

В химической, газо- и нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности наибольшее применение нашли тарельчатые колонные аппараты. Однако в последнее время растет интерес к насадочным аппаратам, увеличивается количество внедрений колонн с разнообразными насадками. Насадочные колонные аппараты применяются, главным образом, для перегонки высоко агрессивных или вязких продуктов, а также когда возникает необходимость иметь малый запас жидкости в процессе ректификации, не требующих тонкого разделения, и в процессах абсорбции с большими удельными нагревателями по жидкой фазе.

Основные требования при создании теплообменных устройств различного назначения заключаются в обеспечении как можно меньших объемов, массы аппаратов и энергетических затрат на прокачку рабочего агента и в тоже время возможно большей теплообменной поверхности. Трудность сочетания указанных требований очевидна. Поэтому, как правило, необходимо искать наилучшие компромиссные инженерные решения. При этом неизбежно приходиться решать задачу интенсификации процесса теплообмена для повышения тепловой эффективности аппарата или системы в целом с учетом гидравлического сопротивления [9; 19; 30].

Прокачка газа через тарелку или насадку сопровождается потерей его энергии, которая проявляется в уменьшении давления в колонне от тарелки к тарелке или по высоте слоя насадки снизу вверх. Как известно, гидравлическое сопротивление тарелки или насадки складывается из сопротивления сухой тарелки или насадки, сопротивления барботажного слоя и «остаточных» сопротивлений, обусловленных действием сил поверхностного натяжения.

Для эффективной работоспособности к насадке предъявляются следующие требования [7; 13]: низкое гидравлическое сопротивление газовому потоку; хорошая смачиваемость (отношение смоченной поверхности насадки к ее полной поверхности); равномерное распределение потоков газа и жидкости по поперечному сечению колонны; высокая кратность обновления поверхности контакта фаз; минимальный унос жидкости с газом; сохранение эффективности при широком изменении расходов газа и жидкости;  механическая прочность и другие.

Общеизвестно, что при эксплуатации колонных аппаратов со ступенчатым контактом фаз взаимодействие газа и жидкости происходит на устройствах тарельчатого или насадочного типов. Они служат для увеличения поверхности контакта фаз при направленном их движении, то есть газ, как правило, движется снизу вверх, а жидкость – сверху вниз. Естественно, наиболее распространенными видами тарелок являются ситчатые, колпачковые, клапанные и подобные им [9; 13; 30], а среди насадочных устройств – кольца Рашига, Палля, седла Берля и другие.

Широко используются, насадочные элементы как зарубежных, так и отечественных фирм. Например, нерегулярные насадки HY-PAK, CASCADE-RINGS, «Инжехим», ГИПХ, ГИАП и регулярные – INTALOX, Sulzer, Koch, «Инжехим», Norton, «Меллапак», «Вакупак», «Кедр», УГНТУ, «Глитч-Грид», «ПерформГрид» и так далее [1; 5–8; 10–12; 18; 22; 27; 28]. Классификация насадочных элементов сделана в работах [22].

В Инженерно-внедренческом центре «Инжехим» разработан ряд насадок, образованных двумя, тремя или четырьмя изогнутыми полосами, смещенными относительно друг друга [11; 17; 27]. Края насадки изогнуты для исключения плотного прилегания отдельных элементов друг к другу. Особенностью данной конструкции является то, что жидкость, омывающая элементы насадки, сходит преимущественно с них в виде пленки. Пленочный характер стока жидкости с элементов насадки обеспечивает высокие массообменные характеристики при минимальном значении уноса и способствует снижению гидравлического сопротивления.

Известны насадки для массообменного аппарата, содержащие проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде параллельных стрежней [14], в виде барботажного контактного устройства с лопатками, соединенных с осью вращения и наличием перфорированного основания с переливным устройством [15], в виде пакетной вихревой насадки, состоящей из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет. При этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе и на выходе за счет загнутых внутрь окончаний, которые образуют завихрители на входе и на выходе из ячейки. Достоинства такого приспособления: расширение диапазона устойчивого псевдоэмульсионного режима работы насадки при малом гидравлическом её сопротивлении [16]. К недостаткам вышеуказанных патентов следует отнести сложность конструкции и нетeхнологичность изготовления.

В работе Соколова А.С. с сотрудниками предложена и исследована миникольцевая насадка типа МКН из полимерного материала, элементы которой представляют собой кольцо. Внутренняя поверхность колец имеет прерывистое ребро, а на одном торце элемента насадки равномерно расположены небольшие прямоугольные выступы [23]. К недостаткам следует отнести невозможность эксплуатации при высоких температурах. Достоинства: относительно низкое гидравлическое сопротивление, дешевизна и технологичность в изготовлении.

Обобщение экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению любых аппаратов и устройства обычно производят через критерий Эйлера Eu.

Когда силы вязкости в жидкости имеют существенное значение, то критериальное уравнение можно получить, как решение дифференциальных уравнений Навье-Стокса для установившегося движения [9; 19; 30].

                                                                     (1)

где – Г_i – симплекс геометрического подобия; Fr - критерий Фруда.

Геометрические характеристики исследованных тарелок приведены в работе [24].

Тараненко Г.В. провел обработку экспериментальных данных по определению гидравлического сопротивления газожидкостного слоя на тарелках провального типа диаметром D_к=0,15 м. Опыты проводились на модельной системе вода – воздух. Свободное сечение тарелок составляло f=16, 25 и 36%, а диаметр отверстий в плато тарелки – d_o=0,012 м. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующую зависимость [25; 29].

                                                                       (2)

Сурвила Ю.Ю. и ее коллеги для варианта размещения витых труб, когда ширина проходного канала вдоль трубок периодически изменяется, получили следующие зависимости для расчета гидравлического сопротивления [3]:

для s/d=12,2

                                                                 (3)

для s/d=6,1

                                                                 (4)

Вилемас Ю.В. с сотрудниками для шахматного упорядоченного расположения пучка витых труб с шагами решетки 12,3х12,3 мм получены следующие расчетные зависимости для определения гидравлического сопротивления [3]:

для s/d=14,2

                                                              (5)

Общеизвестно, что высота колонны зависит только от количества и расстояния между тарелками. Количество тарелок влияет непосредственно на качество получаемого продукта. Известно, что высокое качество получаемого продукта требует большего объема взаимодействия двух фаз (флегмы и пара) [2; 20; 26].

В последнее время, в целях увеличения эффективности колонных аппаратов повышенный интерес вызывают трубчато-решетчатые насадки и все больше находят применение в колонных аппаратах, в которых процессы протекают при высоких скоростях газовой и жидкой фаз, иногда с выделением теплоты реакции или подводом теплоты в зону контакта газовой и жидкой фаз.

Методы исследования. Экспериментальная установка состоит из трубчато-решетчатой насадки в виде пакета труб, турбогазодувки производительностью 18,9 м³/мин, байпасной линии с краном, соединительных трубопроводов с переходником, цилиндрического корпуса, труб, фланцы, измерительной диафрагмы, системы измерения перепада давления и температуры. Для исследования гидродинамики трубчатого пакета используется устройство, представляющее собой цилиндрический корпус из оргстекла диаметром 0,2 м, что позволяет помимо непосредственных измерений перепада давлений производить визуальные наблюдения и при необходимости вести киносъемку процесса.

Конструкция трубчато-решетчатой насадки выполнена в виде пакета труб из гладких труб и труб со спиралевидными турбулизаторами. Причем, шаг навивки cпиралевидных турбулизаторов s/d_э=5,11-14,2 (где s-шаг расположения турбулизаторов; d_э-большой диаметр эллипса), а шаг расположения труб в трубной решетке изменялся в пределах t/d_э=1,15-10,0 (где t-шаг между осями соседних труб). Величины в пучках труб со спиралевидными турбулизаторами с шириной каналов между близлежащими трубами были неизменными.

Измерение перепада давления от трубчато-решетчатой насадки осуществлялось U-образным дифманометром ДТ-500. Погрешность измерения данным дифманометром составляет ±2 мм.рт.ст., что равно погрешности ±0,28 %. Расход воздуха определялся при помощи измерительной диафрагмы, а замер производился при помощи микроманометра ММН-240 в интервале температур 10–35^оС с погрешностью ±1%. Скорость потока изменялась в диапазоне чисел Рейнольдса Re=(0,3–34)×10⁴.

Обсуждение результатов. Экспериментальные данные при поперечном обтекании трубчато-решетчатой насадки из труб со спиралевидными турбулизаторами представлены на рисунке (рис.1). Трубы в пучок собраны таким образом, что в межтрубном пространстве созданы каналы переменной ширины. При поперечном обтекании гидравлическое сопротивление мало зависит от длины труб в трубном пучке. Существенное влияние на гидравлическое сопротивление Eu оказывает естественная скорость потока воздуха Re, а также шаг размещения t/d_э труб в трубной решетке. Зависимость Eu=f(Re) абсолютно для всех значений шага размещения труб имеет ниспадающий характер.

Наибольшее гидравлическое сопротивление зафиксировано при шаге размещения труб t/d_э=1,15 (рис.1а). Как видно из графика, при шаге навивки турбулизаторов s/d_э=5,11 в зависимости от числа Рейнольдса численные значения критерия Эйлера Eu снижаются с 4,9 при числе Рейнольдса Re=4,7×10⁴ до 3,6 при числе Re=3×10⁵.

а) 

б)

Рисунок 1. Гидравлическое сопротивление пучка труб со спиралевидными турбулизаторами при их поперечном обтекании

a – t/d_э=1,15; б – t/d_э =2,0.

○ - s/d_э=5,11;  □ - s/d_э =5,11;  △ - s/d_э =14,2.

С ростом шага размещения труб в трубной решетке при шаге навивки турбулизаторов s/d_э=5,11 в зависимости от числа Рейнольдса численные значения критерия Эйлера снижаются с 3,55 при Re=4,7×10⁴ до 1,75 при числе Re=3,3×10⁵. Увеличение шага размещения труб в трубной решетке до t/d_э=2,0 (рис.1б) ведет к снижению гидравлического сопротивления, то есть наблюдается изменение численного значения критерия Эйлера почти в 2 раза.

Обобщением экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению трубчато-решетчатой насадки из труб со спиралевидными турбулизаторами выведена расчетная формула следующего вида:

                                                 (1)

Погрешность формулы (1) не превышает ±9,8 % в интервале изменения чисел Рейнольдса Re=(3,4-31)×10⁴, шага размещения труб t/d_э =1,15–2,0 и шага навивки спиралевидных турбулизаторов s/d_э=5,11-14,2 (рис.2). Численные значения коэффициента А=115, значение степени b= –0,22, величина степени m= –0,89 и показатель степени n= –0,38.

Рисунок 2. Сопоставление экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению Eu_эксп. трубчато-решетчатых насадок с расчетными Eu_расч..

s/d_э =5,11: ○ - t/d_э=1,15;  ◇ - t/d_э=1,5;  △ - t/d_э=2,0;

s/d_э =9,32: ▲ - t/d_э=1,15;  ´ - t/d_э=1,5;  □ - t/d_э=2,0;

s/d_э =14,2: ■ - t/d_э=1,15;   ● - t/d_э=1,5;  + - t/d_э=2,0.

Следует отметить, что формула (1) и другие зависимости, предназначенные для расчета гидравлического сопротивления насадок позволяют определить значение и изменение сопротивления того или иного устройства при изменении режима течения потока жидкости или газа. Данное явление особенно важно для колонных аппаратов насадочного типа, поскольку подобные аппараты эксплуатируются при высоких скоростях как по газовой, так и жидкой фазам.

Результаты многих исследователей выявили, что конструкция турбулизаторов имеет немаловажное значение в гидравлическом сопротивлении аппарата [3; 5; 9; 11–13; 19; 30]. Сопоставление труб со спиралевидными турбулизаторами с волнисто-гофрированных трубами и трубами с поперечно расположенными интенсификаторами показало, что трубы со спиралевидными турбулизаторами имеют относительно низкое гидравлическое сопротивление (рис. 3).

Рисунок 3. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления трубчато-насадочных систем

△- e_н=0,486, d_н=6,5 мм; □ - e_н=0,478, d_н=6,5 мм; ○ - e_н=0,45, d_н=9,3 мм;

● - e_н=0,445, d_н=3,5 мм; данные авторов ■ – t/d_э=1,15, s/d_э=5,11;

- - t/d_э=1,15, s/d_э=5,11;  ´ - t/d_э=3, s/d_э=5,11;  ◇ - t/d_э=3, s/d_э=9,32.

Влияние числа Рейнольдса Re на коэффициент сопротивления насадочно-трубчатой системы показывает, что данная зависимость имеет ниспадающий характер с ростом значений скорости и при Re³1000 коэффициент сопротивления не зависит от скорости потока [21]. Сравнение данных по коэффициенту гидравлического сопротивления ξ полученных Нерушевым Ю.Ф. при e_н=0,45, d_н=9,3 мм и Суховым В.И. при e_н=0,478, d_н=6,5 мм [21] с данными авторов выявило то, что гидравлическое сопротивление насадки со спиралевидными турбулизаторами меньше соответственно на 23 % и ~50 %. При использовании в насадочно-трубчатой системе труб со спиралевидными турбулизаторами выход коэффициента на постоянные значения наступает при числах Re=1500–2000. Это объясняется существенным влиянием фактора формы интенсифицирующих турбулизаторов на коэффициент гидравлического сопротивления.

Выводы

Одним из основных достоинств насадочных колонн является возможность их эксплуатации при высоких производительностях по газовой и жидкой фазам [4]. Проведенные исследования по гидравлическому сопротивлению трубчато-решетчатой насадки из труб со спиралевидными турбулизаторами показали, что с ростом скорости потока гидравлическое сопротивление плавно снижается.

В результате сопоставления данных по коэффициенту гидравлического сопротивления насадочно-трубчатых систем с различными относительными свободными объемами установлено, что гидравлическое сопротивление насадок со спиралевидными турбулизаторами меньше на 23–50 %. Кроме того, полученная формула и графики экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению позволяют произвести оптимизационные расчеты мощности на прокачку газовой фазы в насадочных колоннах.

Список литературы:

1. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. – Уфа, 2004. – 672 с.
2. Ваньков А.А., Щетинин В.С. Влияние гидравлического сопротивления на конструктивные параметры колонны / Modern High Technologies. – 2014. – №8. – с.8–10.
3. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Холпанов Л.П. и др. Интенфикация тепло-и массообмена в энергетических установках. – М.: ФГУП ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2003. – 232 с.
4. Дмитриев Г.Б., Беренгартен М.Г., Пушнов А.С., Климов А.Г. Сравнение тарельчатых и насадочных контактных устройств колонных аппаратов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2007. – №1. – C. 9 –10.
5. Дмитриев Г.Б., Клюшенкова М.И., Пушнов А.С. Эффективные конструкции структурированных насадок для процессов тепломассообмена // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2005. – №8. – С.15–17.
6. Зельвенский Я.Д., Торопов Н.Н. Гидродинамика противотока жидкость-пар в насадочной колонне при низкотемпературной ректификации под давлением // Химическая промышленность. – 2002. –№ 8. – С. 21–23.
7. Зиберт Г.К., Феоктистова Т.М. Объемные насадки. – М.: ИРЦ Газпром, 2002. – 52 с.
8. Каган А.М., Пушнов А.С., Рябушенко А.С. Насадочные контактные
   устройства // Химическая технология. – 2007. – Т.8. – № 5. – С. 232–240.
9. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 2006. – 783 с.
10. Клюйко В.В., Холпанов Л.П. Исследование и расчет гидродинамических характеристик регулярных контактных устройств массообменных колонн // Химические и нефтегазовое машиностроение. – 2004. – №5. – С.10–12.
11. Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Разделение гетерогенных систем в насадочных аппаратах. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-та, 2006. – 342 с.
12. Лебедев Ю.Н., Чекменов В.Г., Зайцева Т.М. и др. Насадка ВАПУ ПАК для вакуумных колонн // Химия и технология топлив и масел. – 2004. – №1. – С. 48–52.
13. Леонтьев B.C., Сидоров С.И. Современные насадочныe колонны: особенности конструктивного оформления // Химическая промышленность, 2005. – № 7. – С. 347–356.
14. Патент РФ №109015 МПК¹ В01J 19/32 (2006.01), В01D 45/00 (2006.01).  Насадка для массообменного аппарата / Голованчиков А.Б., Воротнева С.Б., Дулькина Н.А., Фетисова Е.Г., Ужва Ю.О., Решетников А.А.; Бюл. № 28. 10.10.2011г. – ил. 2. – 9с.
15. Патент РФ №171763 МПК² В01D 3/30 (2006.01), В01D 3/18 (2006.01), В01D 3/20 (2006.01). Тепломассообменная тарелка с барботажным контактным устройством / Голованчиков А.Б., Прохоренко Н.А., Ляпков А.В., Баранов Д.М., Баранов Б.М., Самойлова О.Г.; Бюл. №17. 15.06.2017г. – ил 2. – 6 с.
16. Патент РФ №2416461 МПК⁸ В01J 19/32 (2006.01). Пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных колонных аппаратов / Кадыров Р.Ф., Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кадыров Р.Р. Бюл. №11. 20.04.2011г. – 9 с. –ил 3.
17. Патент РФ № 17764 МПК² В01D 53/00 (2000.01). Насадка для массообменных колонн / Фарахов М.И., Кудряшов В.Н., Лаптев А.Г., Шигапов И.М. и др. Бюл. № 12. 27.04.2001 г. – 4 c. – ил. 2.
18. Повтарев И.А., Блиничев В.Н., Чагин О.В. Исследование зависимости гидравлического сопротивления насадочного слоя колонного оборудования // Химия и химическая технология. – 2006. – Т.49. – №12. – С.109–110.
19. Попов И.А., Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Промышленное применение интенсификации теплообмена-современное состояние проблемы // Теплоэнергетика, 2012. – №1. – С.3–14.
20. Райковский Н.А., Филькин Н.Ю. Машины и аппараты нефтехимических производств. – М.: Изд-во Инфра-Инженерная, 2024. – 364 с.
21. Светлов Ю.В. Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в аппаратах с турбулизаторами потока. – М.: Энергоатомиздат, 2005. – 304 с.
22. Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А. Насадки  массообменных колонн / под ред. Д.А. Баранова. – М.: Инфохим, 2009. – 358 с.
23. Соколов А.С., Пушнов А.С., Толстиков А.В., Курбатова Е.А. Тепло- и массообменные испытания миникольцевых насадок из полимерного материала // Известия МГТУ «МАМИ» – № 3(21), 2014. – Т. 3. – С.73–81.
24. Тараненко Г.В. Гидравлические и массообменные характеристики тарелок провального типа с различным диаметром отверстий. – Луганск: изд-во ВНУ им. В.Даля, 2013. – 174 с.
25. Тараненко Г.В. Расчет гидравлического сопротивления тарелок провального типа в режиме подвижного газожидкостного слоя // Scientific Science Rise. – 2016. – №6/2(23). – C. 30–36.
26. Таранов Л.В. Расчет тарелок ректификационных колонн. – Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2004. – 21 с.
27. Фарахов М.И., Лаптев А.Г., Минеев Н.Г. Насадочные контактные устройства для массообменных колонн // Химическая техника. – 2009. – №2. –С. 4–5.
28. Senol Aynur, Dramur Umur. Performance test and design considerations of a column packed with a new ceramic packing // Inorganica Chimica Acta. – 1995. – Vol. 23. – Is. 2. – Pp.145–155.
29. Taranenko G. V. Calculation of the lower operating limit of dual-flow plates with different geometrical characteristics // Science Rise. – 2015. – Vol. 3. – Is. 2 (8). – Pp. 67–73.
30. Yusupbekov N.R., Nurmuhamedov H.S., Zokirov S.G. Kimyoviy texnologiya asosiy jarayon va qurilmalari. – Toshkent: Fan va texnologiyalar, 2015. – 848 b.

Обозначения

D – диаметр аппарата, м;

d – диаметр труб, мм;

f – свободное сечение тарелки, %;

Eu =△P/r×w² – критерий Эйлера;

Fr =g×d/w² – критерий Фруда;

Re=w×d×r/m - критерий Рейнольдса;

s – шаг расположения турбулизаторов, мм;

t – шаг размещения труб в трубной решетке, мм;

e – относительный свободный объем;

ξ – коэффициент гидравлического сопротивления.

Индексы:

к – колонна;

н – насадка;

э – большой диаметр эллипса;