Анализ деформации колец Рашига из сплава 48НХ в насыпной массообменной насадке
О сплаве 48НХ
Сплав 48НХ входит в группу сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения.
Характеристики сплава нормируются согласно «ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки». Применяется для изготовления вакуумплотных спаев с термометрическим стеклом таких марок как 16Ш, С72-4 и других.
Плотность сплава равна 8350 кг/м3.
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) составляет 14000 Н/мм2 (МПа).
Коэффициент Пуассона равняется 0,3.
Характеристики сплава нормируются согласно «ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки». Применяется для изготовления вакуумплотных спаев с термометрическим стеклом таких марок как 16Ш, С72-4 и других.
Плотность сплава равна 8350 кг/м3.
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) составляет 14000 Н/мм2 (МПа).
Коэффициент Пуассона равняется 0,3.
Колонное массообменное оборудование
В промышленности широко распространены массообменные аппараты колонного типа. При больших объемах производства, для контактного устройства преимущество отдаётся насыпным насадкам. В качестве такого аппарата рассмотрим абсорбер для производства серной кислоты.
Слой насадки необходим для создания развитой массообменной поверхности: по поверхностям насадки стекает в виде плёнки жидкости серная кислота H2SO4, подающаяся снизу газовая смесь (содержащая серный ангидрид SO3) проходя вверх через слой насадки контактирует с пленкой жидкости, таким образом происходит массообменный процесс – поглощение серного ангидрида серной кислотой. На выходе из абсорбера газовая смесь содержит меньший процент серного ангидрида, а серная кислота имеет большую концентрацию.
Насыпные насадки из колец Рашига
Одной из самых распространенных вот уже многие десятилетия насадок является насыпная насадка из колец Рашига. Они представляют собой кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Толщина стенок колец зависит от материала, из которого они изготовлены.
Чем меньше толщина колец, тем больше совокупная площадь всех его поверхностей. То есть необходимо стремиться к выбору материала, который обеспечит наименьшую толщину стенки колец с учетом заданных условий эксплуатации.
В первую очередь необходимо выбирать коррозионностойкий материал для работы с заданными рабочими средами (в данном случае серная кислота и серный ангидрид), а также стойкий при заданных рабочих температуре и давлении. Необходимо учитывать и концентрацию рабочих сред, которая влияет и на воздействие на материалы при разных температурах. Та же серная кислота оказывает существенно большее негативное воздействие на материалы при повышении температуры.
В первую очередь необходимо выбирать коррозионностойкий материал для работы с заданными рабочими средами (в данном случае серная кислота и серный ангидрид), а также стойкий при заданных рабочих температуре и давлении. Необходимо учитывать и концентрацию рабочих сред, которая влияет и на воздействие на материалы при разных температурах. Та же серная кислота оказывает существенно большее негативное воздействие на материалы при повышении температуры.
Далее же стоит учесть деформацию колец нижнего ряда слоя массообменной насадки от поперечного усилия, создаваемого кольцами верхнего слоя. Здесь важно учитывать не общий объем колец, а количество рядов в слое насадки – то есть количество колец, лежащих на нижнем кольце.
Так как насадка засыпается хаотически, в навал, кольца могут занять как вертикальное, так и горизонтальное положение. Очевидно, что наибольшая деформация будет наблюдаться именно при горизонтальном расположении кольца.
Так как насадка засыпается хаотически, в навал, кольца могут занять как вертикальное, так и горизонтальное положение. Очевидно, что наибольшая деформация будет наблюдаться именно при горизонтальном расположении кольца.
Исходные данные для моделирования деформации колец Рашига в слое массообменной насадки
В настоящее время предварительную оценку деформации (ее прогнозирование) колец Рашига или любых других элементов массообменных насадок от действующих усилий можно провести с использованием компьютерного моделирования.
Рассмотрим вариант, где слой насадки образован кольцами Рашига с диаметром 75 мм, высотой 75 мм и толщиной стенки 1 мм. Общее количество рядов в слое насадки 70, тогда на каждое кольцо нижнего ряда будет действовать усилие, создаваемое 69 кольцами.
Приняв в качестве материала колец сплав 48НХ, можно определить усилие путем перемножения количества колец (69 штук), плотности сплава (8350 кг/м3), ускорения свободного падения (9,81 м/с2) и объема каждого кольца (1,744‧10-5 м3). Тогда усилие будет равно 98,514 Н.
Для моделирования также понадобятся физико-механические характеристики сплава: модуль Юнга и коэффициент Пуассона.
Рассмотрим вариант, где слой насадки образован кольцами Рашига с диаметром 75 мм, высотой 75 мм и толщиной стенки 1 мм. Общее количество рядов в слое насадки 70, тогда на каждое кольцо нижнего ряда будет действовать усилие, создаваемое 69 кольцами.
Приняв в качестве материала колец сплав 48НХ, можно определить усилие путем перемножения количества колец (69 штук), плотности сплава (8350 кг/м3), ускорения свободного падения (9,81 м/с2) и объема каждого кольца (1,744‧10-5 м3). Тогда усилие будет равно 98,514 Н.
Для моделирования также понадобятся физико-механические характеристики сплава: модуль Юнга и коэффициент Пуассона.
Компьютерная модель деформации колец Рашига из сплава 48НХ
Так как наибольшая деформация будет достигаться при горизонтальном расположении кольца, разместим его в компьютерной модели горизонтально, приложив усилие сверху (создав поперечное усилие). Нижнюю часть кольца отметим в качестве зафиксированной геометрии. По итогам компьютерного моделирования получаем следующие результаты.
Полученная компьютерная модель показывает перемещение точек от их исходных координат. В данном случае наблюдается наибольшее наиболее смещение (вниз) верхней части кольца, величина достигает 0,739 мм. Боковые части кольца растягиваются в стороны на величину примерно 0,431 мм, а нижняя часть не смещается, так как является зафиксированной (кольцо лежит на плоскости, ниже которой переместиться не может).
Можно отметить, что деформация менее 1 мм является незначительной. Следовательно, кольца из сплава 48НХ данных геометрических параметров могут быть использованы при такой высоте слоя насадки.
Очевидно, что в реальных условиях деформация будет отличаться, однако благодаря высокой точности моделирования современных компьютерных комплексов, эти отличия не будут значительными. Таким образом компьютерное моделирование позволяет дать предварительный прогноз применимости элементов массообменной насадки из выбранного сплава под заданные условия эксплуатации.
Можно отметить, что деформация менее 1 мм является незначительной. Следовательно, кольца из сплава 48НХ данных геометрических параметров могут быть использованы при такой высоте слоя насадки.
Очевидно, что в реальных условиях деформация будет отличаться, однако благодаря высокой точности моделирования современных компьютерных комплексов, эти отличия не будут значительными. Таким образом компьютерное моделирование позволяет дать предварительный прогноз применимости элементов массообменной насадки из выбранного сплава под заданные условия эксплуатации.
Подробнее о сплаве 48НХ вы можете узнать у наших специалистов отдела продаж.
О других областях применения сплавов с температурным коэффициентом линейного расширения.
О других областях применения сплавов с температурным коэффициентом линейного расширения.
