Аппараты с непосредственным контактом газов и жидкости

Области применения смесительных теплообменников

СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

В химической, металлургической, пищевой, промышленности, при производстве строительных материалов, минеральных удобрений широкое распространение получили аппараты с непосредственным смешиванием газообразного и жидкого теплоносителей – скрубберы, кондиционеры и т. п. Этому способствуют широкая область применения (для нагревания, охлаждения, увлажнения, осушки газов, пылеулавливания, абсорбции, ректификации и т. д.); простота конструкции; высокие коэффициенты тепломассообме­на, развитые поверхности контакта фаз и как следствие – небольшие габариты; боль­шие объемные расходы обрабатываемого газа; широкий диапазон регулирования параметров.

Отсутствие в газожидкостных теплообменниках разделительной стенки обеспечи­вает смешение теплоносителей. Непосредственный контакт газа и жидкости обусловли­вает протекание не только теплообменных, но и массообменных (испарение, конденса­ция и т. д.) процессов.

Наиболее распространенной в промышленности, парой газ – жидкость является воздух – вода. Поэтому для проектирования смесительных теплообменников необходи­мо знание особенностей тепло- и массообмена влажного воздуха с водой или влажной твeрдой поверхностью.

Теплотехнические расчеты процессов, протекающих с участием влажного воздуха, проводят, как правило, с использованием H, d-диаграммы, поскольку последняя спо­собствует упрощению, быстроте определения параметров влажного воздуха, а также наглядности представления протекающих процессов.

Аппараты с непосредственным контактом газов и жидкости (одно­ступенчатые контактные) используют в промышленности для снижения температуры отходящих газов (утилизации их теплоты), в системах кон­диционирования воздуха, для очистки газов от жидкой и твердой дисперс­ных фаз, для выпаривания растворов и т. д. В таких аппаратах, могут одновременно протекать процессы тепло- и массообмена и пылеулавли­вания.

Единой общепризнанной классификации контактных аппаратов в настоящее время не существует. Однако среди аппаратов, предназна­ченных для осуществления процессов тепло- и массообмена и пыле­улавливания, можно выделить [84] полые скрубберы, насадочные скрубберы, барботажные и тарельчатые колонны, скрубберы с подвижным слоем шаровой насадки, трубы Вентури. В каждой из выделенных групп контактных аппаратов существует более узкая классификация. Например полые скрубберы делят по назначению на охла­дительные и увлажнительно-охладитель­ные (испарительные).

Скрубберы (тру­бы) Вентури по способу подвода оро­шающей жидкости делят на аппараты с центральным подводом жидкости через конфузор, с периферийным орошением, с пленочным орошением, с предваритель­ным дроблением орошающей жидкости и т. д.

Рис. 5.7. Полый скруббер:

1 – корпус; 2 – форсунки

Наибольшее распространение среди, смесительных теплообменников, работаю­щих с полным или значительным (более двух третей) испарением орошающей жидкости, получили полые скрубберы, представляющие собой колонны круглого или прямоугольного сечения (рис. 5.7).

Орошающая жидкость, подаваемая сверху, дробится на капли механическими форсунками грубого распыла, работающими под давлением 0,3–0,4 МПа. При этом факелы распыла должны перекрывать все поперечное сечение скруббера. Поток газа со скоростью 0,7–1,5 м/с, как правило, направляется противоточно по отношению к каплям, снизу вверх. В скрубберах с установленными для уменьшения уноса жидкой фазы каплеуловителями скорость газа в пересчете на полное поперечное сечение аппарата может достигать значений 5–8 м/с.

Применение полых скрубберов объясняется простотой их конструк­ции, высокими – до 6–8 10³ Вт/(м³-К) – значениями k_v, широким диапазоном регулирования параметров, возможностью работы с за­грязненной орошающей водой, большими расходами обрабатываемого газа и т. д.

Рис. 5.8. Скрубберные насадки:

а – кольца Рашига; б –седла Берля; в– кольца с перегородками; г – шары; д – пропеллерная насадка; е– кольца Палля; ж – хордовая насадка; з –спирали; и – керамические блоки

Насадочные скрубберы представляют собой колонны, заполненные телами различной формы. Насадка из твердого материала предназна­чена для распределения жидкости по развитой поверхности и тем са­мым обеспечивает большую поверхность контакта между газом и жид­костью. Газ поступает обычно в нижнюю часть колонны, что позволяет осуществить противоток двух фаз. В качестве насадок широко исполь­зуются кольца Рашига, «седла» различной конфигурации, деревянные рейки и т. д. На рис. 5.8 изображено несколько типов насадок. Они мо­гут выполняться из керамики, пластмасс, металла и т. д. Важнейшими требованиями к насадке являются обеспечение большой поверхности контакта фаз, низкий перепад давления в слое, а также равномерное распределение потоков газа и жидкости по сечению аппарата. Преи­муществом насадочных аппаратов по сравнению с безнасадочными яв­ляется большая компактность, однако они обладают и большим гидравлическим сопротивлением. Насадка склонна к забиванию пылью при обработке запыленных газов.

Тарельчатые скрубберы (рис. 5.11) также используют для очистки газов. Они могут рабо­тать в барботажном и пенном режимах. В пер­вом случае газ проходит через слой жидкости в виде пузырьков, на поверхности которых и про-. исходит осаждение частиц пыли, во втором на скрубберной тарелке имеет место пенообразование и очистка газов от частиц осуществляется поверхностью пены. Так как межфазная поверх­ность при пенном режиме больше, чем при бар­ботажном, то аппараты, работающие в пенном режиме, более эффективны и находят более ши­рокое применение в промышленности, чем барботажные.

В пенных скрубберах широко применяют провальные тарелки (рис. 5.11), в которых подвод газа вверх и слив жидкости вниз осуществляется через одни и те же. круглые или щелевые отверстия в тарелках. В пер­вом случае диаметр отверстий d_o= 3÷8 мм, свободное сечение So составляет- 15–25% площади тарелки, шаг между отверстиями–от 6 до 18 мм. Во втором случае ширина щели,b=4÷5 мм, свободное се­чение So==0,24-0,25 м²/м². Минимальная скорость газов; при которой создается пенный режим, составляет 1,0–1,2 м/с.

.

Рис. 5.11. Пенный та­рельчатый' скруббер: 1– корпус; 2 – ороситель-ное устройство; 3 – тарелка

Скрубберы с псевдоожиженным слоем легких инертных тел (главным образом из полимерных материалов) работают в режимах псевдоожиже­ния. Обрабатываемый газ подают снизу (рис. 5.12) под опорно-распределительную перегород­ку 1 с расположенной на ней дисперсной насад­кой 2. Последняя сверху закрывается ограничи­тельной перегородкой 3, на которую распыливается через форсунки 4 орошающая жидкость. Для уменьшения каплеуноса в. верхней части аппарата расположен брызгоотделитель 5. Повышение скорости, газа в псевдоожиженном слое смочен­ных, шаров (до 5–6 м/с в расчете на свободное сечение аппарата) увеличивает турбулентность газового потока и как следствие – скорость испа­рения жидкости, за счет чего и интенсифицирует­ся охлаждение газа.

Рис. 5.12. Скруббер с псевдоожиженной на­садкой

Рис. 5.13. Возможные схемы скрубберов с псевдоожиженной насадкой

Рис. 5.14. Конструкции труб Вентури:

а – центральный подвод жидкости; б – периферийное орошение; в – пленочное орошение; г – бесфорсуночное орошение; д – форсуночное орошение

Для рационального режима работы аппарата следует принимать удельную плотность орошения в пределах (0,5-0,7)·10^-3 м³/м³, сво­бодное сечение опорно-распределительной и ограничительной перегоро­док – соответственно 0,5–0,6 и 0,8–0,9 м²/м².

Для улучшения распределения орошающей жидкости, уменьшения уноса брызг, стабильности работы в широком диапазоне скоростей га­за применяют цилиндрические или конические (рис. 5.13) аппараты с двумя и более слоями, насадки.

Скрубберы Вентури используются не только для охлаждения газов, но и как высокоэффективные пылеуловители, обеспечивающие очистку газа до очень низкой остаточной концентраций пыли, Конструктивно скруббер Вентури представляет со­бой трубу типа конфузор-диффузор, в которой скорость движения газов достигает 100–150 м/с. Орошаю­щая жидкость, способы подвода ко­торой показаны на рис. 5.14, дро­бится газовым потоком на капли. Скорость капель на выходе из горловины трубы Вентури составляет 0,25–0,45 скорости газа.

Рис. 5.15. Труба Вентури:

1– конфузор; 2 – горловина; 3 – диффузор

Ярко выраженная гидродинамическая нестационарность при каплеобразовании значительно интенсифицирует тепломассообмен в скруб­берах Вентури. Значения объемного коэффициента теплоотдачи в расчете на единицу объема трубы Вентури при скоростях в горловине тру­бы 85–140 м/с изменяются в пределах (100-160)·10³ кДж/(м³·ч·К). Влияние скорости газа на коэффициент теплоотдачи аналогично влия­нию скорости газа в насадочных скрубберах, т. е. a~w^0,7. Повышение скорости газа в горловине трубы не только интенсифицирует процесс теплообмена но и увеличивает энергетические затраты: при ω_г до 60 м/с на обработку 1000 м³ газа расходуется не более 0,7 кВт·ч, при ω_г до 90 м/с – 0,7–2,0 кВт·ч, при ω_г>90 –свыше 9,0 кВт·ч. Опти­мальные с точки зрения аэродинамики размеры трубы Вентури в обо­значениях рис. 5.15 приведены в [84]: α₁=25÷28°; l₁= (d₁ –d_r)/2tg(α₁/2);

l_r=0,15d_r; α₂=6÷7°; l₂= (d₂–d_r)/ 2tg (α₂/2).

Выпускаемые промышленностью скрубберы Вентури имеют произ­водительность по газу на входе (З÷85)·10³.м³/ч; диаметр горловины трубы dr=115÷420 мм, расход орошающей жидкости 2–168 м³/ч, гaбаритные размеры –от 540x610x2500 до 2060x2060x8140 мм.

Контрольные вопросы

1. Почему энтальпию и влагосодержание воздуха рассчитывают на 1 кг сухого воздуха?

2. Как трансформируется Н,. d-диаграмма (для влажного воздуха), если увеличит­ся удельная теплоемкость газа; изменится химический состав пара?

3. Как при помощи Н, d-диаграммы определить параметры и условия, при кото­рых воздух двух различных состояний при смешении выделяет капельную влагу?

4. Объясните, почему изотермы в Н, d-диаграмме непараллельны?

5. Определите количество капельной влаги, образующейся при рекуперативном охлаждении 10 кг влажного воздуха (d=150 г/кг, t=75°C) до t=35°С.

6. При тепло- и массообмене между воздухом и водой какой физический смысл имеют составляющие теплового потока, учитывающие явный (Qя), скрытый (Q_c) и полный тепловые потоки?

7. Для чего применяется насадка в скрубберах?

8. Чем характеризуются насадки в скрубберах и какие требования предъявляют­ся к ним?

9. Какой физический смысл имеет коэффициент влаговыпадения?

10. При каких условиях в смесительных теплообменниках с влажным воздухом происходит осушка воздуха?

Глава шестая.

Дата добавления: 2014-11-29