PROJEKTOWANIE I EKSPLOATACJA APARATÓW Z CIENKOWARSTEWKOWYM SPŁYWEM CIECZY WEWNĄTRZ PIONOWYCH RUR

Transkrypt

1 MAŁGORZATA ŚRODULSKA-KRAWCZYK, MIECZYSŁAW MROWIEC, MAREK PONIEWIERSKI * PROJEKTOWANIE I EKSPLOATACJA APARATÓW Z CIENKOWARSTEWKOWYM SPŁYWEM CIECZY WEWNĄTRZ PIONOWYCH RUR DESIGN AND EXPLOITATION OF APPARATUS WITH THE APPLICATION OF GRAVITATIONAL THIN FILM FLOW INSIDE VERTICAL TUBES Stresenie W pray predstawiono wyniki wieloletnih pra teoretynyh i doświadalnyh dotyąyh wpływu podstawowyh wielkośi na projektowanie i eksploataję pionowyh płasowo-rurowyh wymienników iepła i masy astosowaniem grawitayjnego, ienkowarstewkowego spływu iey wewnątr rur w preiwprądie do prepływu fay gaowej. Zaproponowano równania korelayjne, weryfikowane doświadalnie, niebędne do projektowania tyh aparatów. Badania ależnośi prowadono be i astosowaniem różnyh rowiąań konstrukyjnyh rasay, apewniająyh ałkowite i stabilne pokryie ieą powierhni rasanyh ora równomierne roprowadenie iey w ałym poprenym prekroju aparatu. Słowa kluowe: jednostkowe natężenie rasania, spływ ienkowarstewkowy, rasae Abstrat The results of long-standing theoretial and experimental researh on effets of basi parameters on design and exploitation of vertial shell-and-tube heat and mass exhangers with the appliation of gravitational thin film flow and ounterurrent gas flow inside vertial tubes have been presented. The experimentally verified orrelation equations for design have been presented. The experiments were arried out both without and with liquid distributors. Various onstrutions of liquid distributors enabled both a good and stable overing of internal tube surfae with liquid as well as a smooth distribution of liquid in whole ross-setion area of apparatus. Keywords: thin film liquid flux, gravitational thin film flow, liquid distributors * Dr inż. Małgorata Środulska-Krawyk, do. dr inż. Mieysław Mrowie, dr inż. Marek Poniewierski, Politehnika Krakowska.

2 33 1. Wstęp Aparaty premysłowe do wymiany iepła i masy astosowaniem grawitayjnego ienkowarstewkowego spływu iey w preiw- lub współprądie do fay gaowej, uwagi na line alety jak: wysoką sprawność proesu jednostki objętośi aparatu, wysoką średnią prędkość spływająego filmu iey pry pomijalnie małym iśnieniu statynym iey, krótki as prebywania iey w aparaie budą ora serse ainteresowanie premysłu, sególnie, gdy mamy do ynienia preróbką iey terminie nietrwałyh (niektóre frakje olejowe preróbki ropy naftowej, wiąki polimeryayjne y aromatyne i inne). Do głównyh problemów występująyh pry projektowaniu pionowyh aparatów płasowo-rurowyh astosowaniem grawitayjnie spływająego filmu iey najęśiej wewnątr rur w preiw- lub współprądie do fay gaowej, należy aliyć: określenie optymalnego jednostkowego natężenia rasania Г opt [1-5, 7], określenie wartośi współynników wnikania iepła α od śianki rury do spływająego filmu iey ora współynników wnikania masy k w faie iekłej i gaowej [14, 15] dla odpowiednih mediów i harakteru prepływu fa, dobór rowiąań konstrukyjnyh, apewniająy ałkowite, równomierne i stabilne pokryie ieą powierhni rasanyh ora równomierne roprowadenie iey rasająej w ałym poprenym prekroju aparatu. Choć obserna jest literatura dotyąa proesów grawitayjnego ienkowarstewkowego spływu iey po pionowyh powierhniah, to ytowane tam ależnośi, niebędne do projektowania i eksploataji aparatury, jak: Г min, α, k nie uwględniają wpływu wielkośi średniy rur, harakteru i prędkośi prepływu fa ani naenia dodatkowyh elementów konstrukyjnyh, apewniająyh równomierne roprowadenie iey w ałym poprenym prekroju aparatu i ałkowite ora stabilne pokryie ieą powierhni rasanyh. Można nawet spotkać się kontrowersyjnymi sugestiami odnośnie do wpływu tyh wielkośi, w sególnośi średniy rury i prędkośi prepływu fa na Г min. W niniejsej pray predstawiono wyniki wieloletnih pra własnyh, teoretynyh [4-6, 8] i doświadalnyh [7, 10-15] dotyąyh analiowanyh problemów.. Optymalne jednostkowe natężenie rasania W literature, niektóry autory wyróżniają try wartośi minimalnego, jednostkowego natężenia rasania [3], pry któryh już, lub jese, występuje ałkowite pokryie ieą powierhni rasanej. Z punktu widenia projektowania i eksploataji interesuje nas jednostkowe natężenie rasania, roumiane jako najmniejsa wartość natężenia rasania, która abepiea iągłą, stabilną praę aparatu ora ałkowite pokryie powierhni rasanyh (wewnętrnej powierhni rur), w ależnośi od harakteru prepływająyh fa: współprąd lub preiwprąd, prędkośi prepływu fa wynikająyh danego prebiegu proesu tehnologinego ora astosowanyh urądeń rasająyh (rasae, perforowane płyty) [7, 10], a którą określamy Γ = k Γ (1) opt min

3 333 gdie: k współynnik bepieeństwa rasania, pryjmowany w akresie 1,5. Wyżse wartośi odnosą się do dwufaowego, preiw prądowego spływu iey i gau ora prędkośi gau wyżsyh od 4,5 m/s. Г min minimalne, jednostkowe natężenie rasania, które określa się równania korelayjnego () [9] lub wynaa doświadalnie, kiedy poątkowo powierhnia wilżana jest suha. Zależnośi określająe minimalne jednostkowe natężenie rasania, spotykane w literature [, 3, 16] nie uwględniają wpływu wielkośi średniy rur rasanyh i wpływu prędkośi gau prepływająego najęśiej preiwprądowo do spływu filmu iey. Autor pra [5, 11] uwględniająy arówno wpływ wielkośi średniy rury, jak i preiwprądowy prepływ fa: filmu iey i gau, podaje równanie korelayjne na minimalne jednostkowe natężenie w postai 0,6,144 We ( 1 os ) 0,6 s Γ = η θ 1 0, 488 min R () σ gdie: We =. ρ g ϑ Grubość spływająego filmu iey s określono ależnośią, w postai pry ym 4 Γ Re = η min. 0,33 s 0,9085 ϑ Re (3) Zależność () pry ałożeniu, że R (powierhnia płaska) pryjmuje postać ( ) 0,6 Γ = η θ (4) 0,6,144 We 1 os min Zależność () wyraźnie wskauje na wpływ wielkośi średniy rury rasanej na wartość Г min, którą to wartość w prypadku aparatów rurkami o średniy nominalnej poniżej 30 mm, praktynie najęśiej stosowanymi, wyraźnie obniża Г min (rys. 1). Rys. 1. Zależność Γ min = f(1 s/r) Fig. 1. Dependene Γ min = f(1 s/r)

4 Współynnik wnikania iepła Kolejną wielkośią niebędną do projektowania wymienników iepła ienkowarstewkową grawitayjnie spływająą ieą w preiwprądie do fay gaowej jest współynnik wnikania iepła α, który międy innymi w istotny sposób wpływa na wielkość powierhni, o opisano ależnośią ( ) G p t t F α Δt gdie: G = n Γ π d, opt n ilość rurek, d wewnętrna średnia rurki, t 1, temperatura spływająego filmu iey na wloie i wyloie, Δt siła napędowa ruhu iepła. Mimo linyh astosowań wymienników iepła grawitayjnym spływem iey wewnątr pionowyh rur, najęśiej w preiwprądie do fay gaowej, nie spotkano w literature równań określająyh współynnik wnikania iepła, który by uwględniał równoesny wpływ wielkośi średniy rurki, jak i prędkość prepływu fa, hoć badania prowadono astosowaniem rur. Wyjątek stanową prae [1, 16], w któryh autory wmiankują wpływ tyh wielkośi na wartość współynnika wnikania iepła, jednak nie uwględnili ih w równaniah korelayjnyh. Analia teoretyna [5, 11, 15], jak i weryfikaja doświadalna równania kryterialnego określająego wnikanie iepła od śiany rury do spływająego filmu iey powoliła na opisanie liby Nu równaniem 1 (5) s = R 0,111 0,333 Nu 0, 039 Re Pr 1 0,031 (6) α ϑ pry ym Nu =. λ Zależność ta jest słusna dla Re 1600, tn. w akresie laminarnym falowaniem. Pryjmują, że spływ warstewki iey odbywa się po powierhni płaskiej, yli R, równanie (6) sprowada się do nanej postai Nu = 0,039 Re Pr (7) 0,111 0,333 Do oblień projektowyh alea się stosować równanie (6), bowiem uwględnia ono wpływ arówno wielkośi średniy rurki, jak i prędkośi prepływająyh mediów, o odpowiada reywistym warunkom pray aparatu. Na podstawie badań [11-13] stwierdono, że współynnik wnikania iepła od śianki do filmu iey pry prędkośiah prepływu gau w g 4,5 m/s w preiwprądie do spływająego filmu iey rośnie e mniejseniem średniy rurki.

5 4. Współynnik wnikania masy 335 Podobnie, jak to ma miejse pry projektowaniu wymienników iepła, w prypadku wymienników masy deydująą rolę ma wielkość powierhni wymiennika masy, obok minimalnego jednostkowego natężenia rasania Г opt odgrywa współynnik wnikania masy k. Powierhnię wymiany masy można predstawić równaniem Γ n π d opt F = (8) k Δπ gdie: Δ π moduł napędowy. Wnikanie masy pry grawitayjnym spływie iey ostało opraowane arówno teoretynie, jak i doświadalnie [1, 17]. Jednak równania korelayjne opisująe kinetykę wymiany masy, wykaują wiele niejednonanośi, w sególnośi w odniesieniu do fay iekłej. Wynika to głównie pominięia oporów wnikania masy w jednej fa układu badawego, nieuwględnienia wpływu wielkośi średniy rury, mimo że badania prowadono astosowaniem rur [17], pominięia wpływu prędkośi fay gaowej, niejednonanośi w sposobie określenia wartośi minimalnego jednostkowego natężenia rasania [16, 18], odnosenia wartośi współynnika wnikania masy do suhej powierhni rury, nie aś do reywistej. Wykaane w wyniku analiy literatury i badań własnyh [5, 11] robieżnośi, dotyąe kinetyki wymiany masy, skłoniły do opraowania równania korelayjnego, uwględniająego międy innymi: wpływ wielkośi średniy rury i prędkośi prepływu fay gaowej w preiwprądie do spływająego grawitayjnie filmu iey. Niniejsa praa predstawia równanie korelayjne wnikania masy w faie iekłej, opraowane prykładowo dla absorpji CO w wodie destylowanej w uwględnieniem wspomnianyh robieżnośi. Podstawą do wyprowadonego równania był model penetrayjny Higbiego Dankwertsa [17]. Pry ałożeniu ioterminego, grawitayjnego spływu filmu iey (wody) wewnątr pionowej rury ruhem laminarnym, w preiwprądie do prepływu ynnika absorbowanego, którym był ga (CO ) i pominięiu oporu wnikania masy po stronie fay gaowej [11, 14], pryjęiu krótkiego asu kontaktu s fa ( τ ), o apewnia absorber ienkowarstewkowym grawitayjnym spływem D iey, dla warunków bregowyh s τ «D r = R s, τ > 0, = i r, τ > 0, 0 ora warunku poątkowego r > R s, τ < 0, = 0 ależność na współynnik wnikania masy po stronie fay iekłej pryjmuje postać [11] D π D τ k = 1 + π τ 4 ( R s) (9)

6 336 Pry ałożeniu, że as prebywania iey na graniy fa sprowadić do postai gdie Sh k ϑ D =. ϑ w Sh max π D τ = 1 + π D L 4 ( R s) L τ= równanie (9) można w Jeżeli astępy wymiar liniowy ϑ określimy godnie równaniem 0,33 s 0,33 s ϑ = Re 1 0,908 R (11) 3 ora maksymalną prędkość spływająego filmu iey w = w, ależność (10) max pryjmie postać E F A B ϑ s Sh = C Re S 1 L R (1) η gdie S =. ρ D Równanie (1) pry ałożeniu, że R, pryjmie postać A B ϑ Sh = C Re S L Weryfikaję doświadalną równania (1) preprowadono dla układu dwutlenek węgla woda destylowana na stanowisku doświadalnym, które (łąnie akresem badań ora analią wyników) ostało predstawione w pray [14]. E max (10) (13) 5. Elementy konstrukyjne apewniająe optymalną praę aparatu Sprawność proesowa pionowyh aparatów płasowo-rurowyh grawitayjnym spływem iey ależy także od elementów roprowadająyh ie arówno w prekroju poprenym aparatu, jak i po powierhni rurek. Elementy te można podielić na dwie grupy: rasae (rys. ), tae perforowane (rys. 3). Zrasae lub wkładki rasająe apewniają równomierne roprowadenie iey po powierhni grejnej, jednak nie abepieają równomiernego spiętrenia iey w ałym poprenym prekroju aparatu, w sególnośi pry dużyh średniah aparatów. Obserne prae teoretyno-doświadalne [3, 7, 17] były prowadone głównie dla wody i wybranyh rotworów. W prypadku stosowania mediów o właśiwośiah

7 337 fiykoheminyh nanie odbiegająyh od właśiwośi wody należy pry oblieniah Г opt stosować górną wartość współynnika bepieeństwa rasania k. Tae perforowane apewniają dobre roprowadenie iey w prekroju poprenym aparatu i poiome prawidłowe jej spiętrenie. W opariu o analię teoretyną ora preprowadone badania doświadalne [6, 7, 10, 13] autory wysunęli sugestie odnośnie doboru tyh elementów: tae powinny posiadać otworki o średniah rędu 5 8 mm romiesone nad mostkami dna sitowego, w stosunku do osi rur o wielkość e (rys. 4), w prypadku aparatów wielorurowyh wysokość spiętrenia iey na płyie powinna wynosić 3 6 mm, warunkiem poprawnej pray tyh aparatów jest dokładne wypoiomowanie ta perforowanyh, w prypadku rurek o średniy mniejsej od 15 mm tae mogą praować samodielnie, natomiast dla rurek o więksej średniy elowe jest stosowanie ta perforowanyh i rasay. Rys.. Zrasa [4] Fig.. Liquid distributor Rys. 3. Taa perforowana Fig. 3. Perforated tray Prykładowe rowiąanie konstrukyjne astosowaniem ta perforowanyh predstawiono na rys. 4.

8 338 ie absorpyjna tae perforowane Φ5 A segół A woda obiegowa gaowy amoniak woda obiegowa Rys. 4. Absorber wielostopniowy ioterminy [6] Fig. 4. Multistage isothermal absorber [6]

9 6. Wnioski Nie stwierdono mniejsenia wartośi Г min e mianą prędkośi prepływu gau, w preiwprądie do spływu filmu iey, w akresie do 4,5 m/s. W proesah premysłowyh jak: rektyfikaja, absorpja, odparowanie, skraplanie na ogół prędkośi gau nie prekraają tej wartośi.. Stwierdono, że dla rotworów o małej lepkośi, współynniki wnikania iepła maleją e wrostem prędkośi gau, natomiast dla iey o wyżsyh lepkośiah, wpływ prędkośi gau jest pomijalnie mały. 3. Współynniki wnikania iepła α i masy k rosną e mniejsaniem średniy rurki do wielkośi 30 mm, a takie właśnie rurki najęśiej mają astosowanie w płasoworurowyh wymiennikah iepła i masy. 4. Zastosowanie elementów konstrukyjnyh w postai ta perforowanyh umoowywanyh w głowiy aparatu pryynia się wyraźnie do równomiernego roprowadenia iey w ałym poprenym prekroju aparatu i spokojnego wpływu iey do rurek uwagi na eksentryne usytuowanie osi otworów w tay i w rurkah (wielkość e) rys Zrasae umiesone w rurkah poprawiają nanie równomierne rasanie wewnętrnyh powierhni rurek, tym samym wpływają korystnie na stabilną praę aparatu i lepsą wymianę iepła y masy. Onaenia stężenie składnika absorbowanego w faie iekłej [kg/m 3 ] p średnie iepło właśiwe [J/kgK] D kinematyny współynnik dyfuji [m /s] F powierhnia prekroju poprenego filmu iey [m ] k współynnik wnikania masy [m/s] L długość rurek aparatu [m] R promień wewnętrny rasanej rury [m] r promień bieżąy rasanej rury [m] s średnia grubość spływająego filmu [m] t temperatura [K] Γ jednostkowe natężenie rasania [kg/ms] θ skrajny kąt wilżania [ o ] α współynnik wnikania iepła [W/m K] η dynaminy współynnik lepkośi [Ns/m ] τ as prebywania elementu płynu na powierhni międyfaowej [s] ϑ = η ρ g 1/3 astępy wymiar liniowy [m], g faa iekła, gaowa astępy wymiar Indeksy

10 340 Literatura [1] B r a u e r H.: Chem. Ing. Tehn., 3, [] Hartley D. E., Murgatroyd W.: Int.J.Heat and Mass Transfer, 7, 1994, [3] H o b l e r T.: Inż. Chem. 3, 1973, 489. [4] M r o w i e M., P o n i e w i e r s k i M.: Patent, nr 95888, [5] M r o w i e M.: Inż. Chem. i Pro.,, 1980, 59. [6] M r o w i e M., H a j d u k S., M r o w i e A.: Patent, nr 16698, [7] M r o w i e M., K ę dierski S., Poniewierski M.: I Ogól. Konf. Nauk. Prepływy wielofaowe, [8] M r o w i e M.: I Ogól. Konf. Nauk. Prepływy wielofaowe, [9] Mrowie M., Poniewierski M.: XIV Ogóln. Konf. Nauk. Inż. Chem. i Pro. PAN, 199. [10] M r o w i e M., P o n i e w i e r s k i M.: Patent, nr 16100, [11] M r o w i e M.: XVI Ogóln. Konf. Nauk. Inż. Chem. i Pro. PAN, [1] Ś rodulska-krawyk M., Mrowie M., Poniewierski M.: Cas. Tehn., Z.5-M, 003, [13] Ś rodulska-krawyk M., Poniewierski M.: Cas. Tehn., Z.5-M, 003, [14] Ś rodulska-krawyk M., Mrowie M., Poniewierski M.: Międynar. Konf. Nauk., Iwanowo, 004, [15] Ś rodulska-krawyk M., Mrowie M., Poniewierski M.: VII Międynar. Konf. Nauk., Iwanowo, 005, [16] Woronow E. G., Tananajko J. M.: Tiepłoobmien w żidkostnyh plenkah, Id. Tehnika, Kijew 197. [17] C o b l e r T.: Dyfuyjny ruh masy i absorbery, WNT, Warsawa [18] Bojaruk P. G., Planovskij A. N.: Chim. Prom., 3, 196, 43.