Определение гидравлического сопротивления

Насадочной колонны

Цель работы: изучение гидравлического сопротивления насадочной колонны в зависимости от скорости газа и плотности орошения.

Теоретическая часть

Насадочные колонны применяются в процессах, требующих большой поверхности фазового контакта между жидкостью и газом или паром. К таким процессам относятся абсорбция, ректификация, охлаждение, мокрая отчистка газов и др.

Насадочные колонны представляют собой аппараты, заполненные насадкой тел различной формы: кольца, кусковой материал, деревянные решетки, спирали. Насадка должна иметь большую удельную поверхность и большой удельный объем, обладать значительной механической прочностью, химической стойкостью и иметь малый насыпной вес.

Наиболее распространенными насадками являются: кольца Рашига из керамики и металла, керамические седла Берля, керамические и металлические кольца Поля, деревянные хорды, металлические сетки и блочные насадки.

Кольца Рашига имеют наибольшее распространение, так как они просты в изготовлении, имеют малое гидравлическое сопротивление, обладают большей эффективностью по сравнению с другими насадками.

При выборе насадки и скорости газа необходимо учитывать потерю давления газового потока, проходящего по колонне, особенно значительную при работе под давлением, близком к атмосферному давлению, так как с увеличением гидравлического сопротивления растет и расход электроэнергии для перемешивания газа и жидкости. При движении газа в слое насадки происходит потеря давления за счет трения его о стенки элементов насадки, стенки самой колонны, сопротивлений местного характера (сужения, расширения, изменения направления потока газа в слое насадки).

Сопротивление слоя насадки можно рассчитать по формуле Дарси-Вейсбаха:

н/м² (9.1) где: ∆P_сух – сопротивление слоя насадки в единицах давления;

λ - суммарный коэффициент сопротивления слоя насадки;

H – высота слоя насадки, м;

d_э – эквивалентный диаметр каналов в насадке, м;

W_г - скорость газа в каналах, м/сек;

h_н - потеря напора в слое насадки, м;

ρ_г – плотность газа, кг/м³ ;

ρ_ж – плотность манометрической жидкости, кг/м³ ;

Эквивалентный диаметр каналов в насадке можно выразить через специальные характеристики насадки:

а) удельный свободный объем V_св, м³/ м³, численно равный удельному свободному сечению;

б) удельную поверхность δ, м²/ м³,

(9.2)

Где: F₀ – средняя площадь свободного сечения насадки колонны, м² ;

П₀ - средний периметр свободного сечения насадки, м² ;

V – полный объем, занимаемый слоем насадки, м³ ;

Действительная скорость газа в свободном сечении колонны ввиду трудности её непосредственного замера заменяется фиктивной скоростью W_ф, отнесенной к полному сечению колонны:

(9.3)

где: F = м² - полное сечение колонны;

D – диаметр колонны, м ;

W_г – действительная скорость газа, м/сек ;

Уравнение (9.3) решаем относительно действительной скорости газа:

W_г = (9.4)

Подставляя значения d_э и W_г в формулу (9.1) получаем:

∆P_сух = λ (9.5)

Для насадки с размерами 25х25х3 мм Vсв и δ можно определить по справочным данным /3/.

Суммарный коэффициент сопротивления является функцией числа Рейнольдса для газового потока.

По данным Жаворонкова для насадки из колец, насыпанных беспорядочно:

при ламинарном движении при Rе_г < 40,

λ = 140/ Rе_г (9.7)

при турбулентном движении при Rе_r < 40,

λ = 16 / Rе_г^0,2 (9.8)

Число Рейнольдса равно

где: μ _г – вязкость газа, Па · с;

ν_г - кинематическая вязкость газа, м ²/сек;

Следует отметить, что фактическое сопротивление сухой насадки значительно выше расчетного, так как оно зависит от качества изготовленных насадочных тел, способа засыпки, степени загрязнения, сухости поверхности и многих других факторов.

При орошении колонны сопротивление слоя насадки увеличивается, так как в узких каналах смоченной насадки задерживается определенное количество жидкости, при этом уменьшается свободное сечение, по которому проходит газ, увеличивается действительная скорость газа и соответственно возрастает гидравлическое сопротивление насадки. Увеличение сопротивления при орошении можно учесть, заменяя в уравнении (9.5) свободный объем насадки на свободный объем орошаемой насадки:

V^/_св = V_св – δ, м (9.9)

Где: δ – толщина пленки, м.

Если учесть только изменение свободного объема, то

(9.10)

Отношение сопротивлений можно также определить из уравнения Тейча:

(9.11)

Уравнение Элуджи выражает графическую зависимость:

(9.12)

Ввиду сложности приведенных уравнений для вычисления часто применяют более простые уравнения, учитывая влияние орошения на величину гидравлического сопротивления. При невысоких расходах орошающей жидкости (ниже 50 м³ ) можно использовать уравнение Лева:

(9.13)

Где: в₁- коэффициент, зависящий от формы и способа засыпки насадки

(для колец в навал в₁ = 216),

U – плотность орошения, м³/ м² сек.

9.2. Описание установки

Лабораторная насадочная установка работает по принципу противотока. Орошающая жидкость подается сверху, навстречу ей поднимается газовый поток. Установка (см. рисунок 10.1) состоит из насадочной колонны (1), компрессора (2), манометров (3) и (4), вентиля для регулирования подачи воды (5), вентиля для регулирования подачи воздуха (6), диафрагмы (7), ротаметра (8), зажима (9).

Рис. 9.1. Схема установки.

1 – насадочная колонна; 2 – компрессор; 3, 4 – диф.манометры;

5, 6 – вентили; 7 – диафрагма; 8 – ротаметр, 9 – зажим.