Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов. Учебное пособие (1093152), страница 10
Текст из файла (страница 10)
5.2. Распределение скоростей при пленочном течении в двухфазном потоке: а—противоток; б — нисходящий прямоток; в — восходящий прямоток.54При скоростях газа 2—10 м/сек сопротивление в случае нисходящегопрямотока в 10—20 раз ниже, чем в случае противотока. В области скоростейвыше 10 м/сек различие в сопротивлении между нисходящим и восходящимпрямотоком не столь велико и сглаживается по мере увеличения скорости газа.Захлебывание. В пленочных аппаратах с противоточным движениемфаз при некоторой скорости газа наступает захлебывание. Началозахлебывания(подвисание)характеризуетсярезкимвозрастаниемсопротивления, а также количества находящейся в аппарате жидкости.
Принебольшом увеличении скорости газа аппарат начинает заполнятьсяжидкостью, через которую барботирует газ; при дальнейшем повышениискорости происходит выброс жидкости вместе с газом через верхнюю частьаппарата или (при подаче жидкости снизу) переход к восходящему прямотоку.555.2ГИДРОДИНАМИКА НАСАДОЧНЫХ АППАРАТОВГидравлическийрежимнасадочныхаппаратовопределяетэффективность работы насадочных аппаратов [1,12,15,24]. Качественнаяработа достигается только при определенных соотношениях междуколичеством жидкости, стекающей по насадке, и скоростью газов или паров,идущих противотоком к жидкости.Движение газа через насадку. Газ движется через насадку поизвилистым каналам, образованным насадочными телами. Сечение этихканалов не постоянно по высоте аппарата и, следовательно, скорость газатакже является переменной величиной.
При изучении насадочных аппаратовисходят из средней скорости газа, которую находят делением объемногорасхода газа на среднее сечение каналов.При течении газа через насадки турбулизация развивается значительнораньше, чем при движении по трубам. Границе ламинарного режимасоответствует Reг от 15 до 40. Полностью развитый турбулентный режимнаступает при значениях Reг от 2000 до 6000. При обычно встречающихся напрактике значениях Reг от 40 до 2000 движение газа соответствуетпереходному режиму.Течение жидкости через насадку обычно рассматривают, какпленочное. Однако в насадочных аппаратах пленочное течение существуетлишь при определенных режимах и характер его отличается от течения впленочных аппаратах. В то время как в последних практически вся поверхностьпокрыта жидкой пленкой, в насадках обычно не вся поверхность насадочныхтел смочена жидкостью.
Часть поверхности насадки бывает смоченанеподвижной (застойной) жидкостью, не участвующей в общем течениижидкости.Характер течения жидкости зависит от плотности орошения. Сповышением плотности орошения увеличиваются количество удерживаемойжидкости и доля смоченной поверхности.Визуальные наблюдения течения воды в колонне, заполненной шарамидиаметром 25 мм, показали, что при малых плотностях орошения течениеимеет прерывистый характер: жидкость накапливается в точках контакта междунасадочными телами и периодически перетекает струйками (рис.
5.3,а) отодной точки контакта к другой.Возрастание количества удерживаемой жидкости при повышенииплотности орошения происходит вследствие увеличения количества жидкости вкаждой точке контакта, а также за счет увеличения количества «активных»точек контакта. При плотности орошения около 2 кг/(м2сек) на поверхностинасадочных тел начинает образовываться пленка (рис. 5.3,б).
Начиная сплотности орошения 4 — 7 кг/(м2сек), количество удерживаемой жидкостивозрастает в результате увеличения смоченной поверхности и толщиныпленки. Наконец, при плотности орошения около 24 кг/(м2сек) достигаетсяполное смачивание поверхности и жидкость начинает «проваливаться», падаямежду насадочными телами в виде капель и струй (рис.
5.3,в). При этом сповышением плотности орошения дальнейшего увеличения толщины пленки непроисходит, а возрастает количество «проваливающейся» жидкости.56Рис. 5.3. Течение жидкости по насадке (заштрихованные области — пленка жидкости;затемненные области — накопление жидкости): а — струйчатое, б — пленочное, в —«провал» жидкости.При других типах насадок, а также при других жидкостях приведенныезначения плотностей орошения, конечно, изменяются, но смена трех режимовтечения в общем сохраняется. В таких насадках, как кольца Рашига внавал,течение жидкости по наружной и внутренней поверхностям происходитнеодинаково. По первой жидкость может двигаться во все стороны, а повторой— только вдоль оси кольца, причем по внутренней поверхности жидкостьтечет лишь по нижней ее части.Двухфазное движение газа и жидкости через насадку.
Придвухфазном движении газа и жидкости свободный объем уменьшается, а наповерхности соприкосновения фаз в результате трения возникают касательныенапряжения. Взаимодействие между фазами ведет к повышениюгидравлического сопротивления по сравнению с сопротивлением сухой(неорошаемой) насадки. Лишь при малых скоростях фаз можно пренебречьвзаимодействием между ними.
При противотоке газа и жидкости, в зависимостиот скоростей потоков, наблюдаются четыре различных гидродинамическихрежима.Первый режим (пленочный режим) наблюдается при сравнительнонебольших нагрузках по газу и жидкости. В этом режиме взаимодействие фазнезначительно и количество удерживаемой жидкости не зависит от скоростигаза.
На кривой ∆p − w0 , построенной в логарифмическом масштабе (рис. 5.4),линии A1B1, A2B2, ..., выражающие сопротивление орошаемой насадки,параллельны линии для сухой насадки, но лежат выше, сдвигаясь вверх сувеличением плотности орошения.Некоторые исследователи отмечают в пределах пленочного режимаперелом на кривой ∆p − w0 , называемый ими точкой торможения, и считают,что он вызван началом воздействия жидкости на поток газа вследствие трения.Такой перелом действительно наблюдается, но он совпадает с аналогичнымпереломом для сухой насадки и соответствует переходу к турбулентному(автомодельному) режиму движения газа.При очень высоких плотностях орошения (примерно выше 50—100 м/ч)линии на кривой ∆p − w0 идут с малым уклоном (линии A3B3, A4B4,…...).
Даже вотсутствие движения газа наблюдается значительный перепад давлений в слоенасадки. Это явление объясняется инжектирующим действием жидкости.57Рис. 5.4. Кривые зависимости ∆p − w0 :АВ- кривая для сухой насадки, A1B1C1D1E1,A2B2C2D2 E2, ...- кривые при постоянной плотности орошения; В1,B2, ...— точки началаподвисания, C1,С2, ...- точки начала захлебывания (инверсии), D1,D2 ...— точкизахлебывания (уноса).Второй режим (режим подвисания) характеризуется торможениемжидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкостиуменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкостиувеличиваются. Возрастание количества удерживаемой жидкости сповышением скорости газа ведет к уменьшению свободного объема насадки ибыстрому увеличению сопротивления.
На кривой ∆p − w0 начало подвисанияхарактеризуется переломами в точках В1,В2,..., называемых точкамиподвисания.Визуально режим подвисания характеризуется накоплением жидкости вотдельных местах насадки, преимущественно в точках соприкосновениянасадочных тел. В режиме подвисания с возрастанием скорости газаувеличивается смоченная и активная поверхность насадки, что ведет квозрастанию интенсивности массопередачи.Третий режим (режим захлебывания или барботажный) возникает врезультате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока силатяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновеситсил трения. Накопление жидкости большей частью начинается с нижнего слоянасадки и постепенно распространяется на всю высоту.
Тщательнымрегулированием подачи газа уровень жидкости может быть установлен напроизвольной высоте, как ниже, так и выше верха насадки.Накопление жидкости в насадке приводит к обращению (инверсии)фаз: газ перестает быть сплошной фазой и движется путем барботажачерез слой заполнившей насадку жидкости. На кривой ∆p − w0 режимзахлебывания изображается участками C1D1, C2D2, . . . , расположенными почтивертикально, т. е. сопротивление резко возрастает по мере накопленияжидкости в насадке, а увеличения скорости газа при этом почти не происходит.Точки перегиба С1, С2, ... соответствующие переходу в режим захлебывания,называют точками начала захлебывания или инверсии [24].58По исследованиям Плановского и Кафарова и ряда других авторов,режим захлебывания соответствует максимальной эффективности насадочнойколонны.
Причина высокой интенсивности в режиме захлебывания объясняетсябольшой поверхностью соприкосновения фаз, которая определяется в этомрежиме не геометрической поверхностью насадки, а условиями барботажа.Однако работа производственных аппаратов в режиме захлебываниянеустойчива,таккаксопровождаетсязначительнымиколебаниямисопротивления и даже при небольшом изменении расхода газа происходитпереход ко второму или четвертому режиму с заметным снижениемэффективности. Поэтому КафаровВ.В. [15] в дальнейшем перешел наабсорберы с искусственно затопленной насадкой, работающие достаточноустойчиво.Четвертый режим (режим уноса) возникает при повышении скоростигаза против величины, соответствующей режиму захлебывания.
В данномслучае происходит вторичная инверсия фаз: газ снова становитсясплошной фазой и жидкость выносится из аппарата вместе с газом восновном в виде брызг. Нормального орошения насадки при этом уже непроисходит, так как жидкость почти перестает поступать на насадку. Указанныйрежим сопровождается резким снижением интенсивности массопередачи.Режим уноса на практике не применяется и поэтому почти не исследовался.Точки D1,D2, ..., соответствующие переходу к режиму уноса, называют точкамизахлебывания или уноса. Эти точки характеризуют предельные нагрузкиаппарата.Распределение жидкости по насадке.
Наибольшая эффективностьнасадочных абсорберов достигается при равномерном распределениижидкости по поперечному сечению абсорбера, причем эта равномерностьдолжна сохраняться во всех поперечных сечениях по высоте аппарата. Приидеально равномерном орошении локальная плотность орошения в любойточке насадки постоянна и равна средней плотности орошения.Определение равномерности производят путем деления поднасадочнойчасти абсорбера на несколько секций (отсеков), собирая жидкость,вытекающую из каждого отсека, или же замеряют плотность орошения вразличных точках поперечного сечения поднасадочного пространства,располагая в них стаканы для сбора жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
