Описание лабораторной установки.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ НАСАДОЧНЫХ АППАРАТОВ

L. Цель работы

Исследование работы насадочных колонн, визу­альное наблюдение за режимами работы, определе­ние гидравлического сопротивления эксперименталь­ным и расчетным путем.

Содержание работы

1. Изучить конструкцию насадочных колонн и ти­пы насадочных тел, применяемых в аппаратах.

2. Рассмотреть и визуально наблюдать режимы работы насадочных колонн.

3. Описать влияние режимов работы на гидроди­намическую картину в аппарате и эффективность его работы.

4. Усвоить основные геометрические параметры насадочных аппаратов (диаметр и высота аппарата, свободный объем, удельная поверхность и эквива­лентный диаметр насадочных тел).

5. Усвоить понятия фиктивной и действительной скоростей в насадках.

6. Обосновать модель слоя насадочных тел.

7. Экспериментальное и теоретическое определе­ние гидравлического сопротивления насадочного скруббера.

Теоретическая часть

3.1. Основные понятия и термины

Основными понятиями и терминами являются: насадочная колонна, насадочные тела, свободный объ­ем и удельная поверхность насадочных тел, скорость газового потока, число Рейнольдса по газу, режимы работы насадочных колонн, гидравлическое сопро­тивление насадочных колонн.

При подготовке к выполнению данной лаборатор­ной работы с этими терминами следует ознакомить­ся (1,стр. 468—473).

3.2. Основные положения

В химической технологии широкое распростране­ние получили массообменные процессы, в которых одно или несколько веществ переходят из жидкой фазы в газовую или наоборот. Переход вещества из одной фазы в другую осуществляется через поверх­ностьих контакта, и при прочих равных условиях ко­личество прошедшего вещества пропорционально площади этой поверхности, поэтому увеличение меж­фазной поверхности в массообменных аппаратах яв­ляется одним из способов повышенияих производи­тельности.

В промышленных массообменных аппаратах для создания поверхности контакта между жидкой и газовой фазами применяются следующие способы:

пленочное течение жидкости вдоль твердой поверхности, омываемой потоком газа;

Рис. 11.1. Схема устройства насадочного аппа­рата:

/—колонна; 2—насадка; 3—опорная решетка;

4—распределитель жидкости: 5—перераспреде­литель жидкости

барботаж газа через слой жидкости;

распыление жидкости в газовом потоке;

движение газа вдоль зеркала жидкости.

Конструкции аппаратов, в которых реализуются эти способы, отличаются большим разнообразием.

Широкое распространение в химической промыш­ленности получили насадочные аппараты. В этих ап­паратах поверхность контакта фаз образуется по первому способу. Насадочный аппарат (рис. 11.1) представляет собой колонну 1, заполненную насад­кой. Насадка—это твердые тела различной формы. Насадка укладывается на опорные решетки 3, имею­щие отверстия или щели для прохождения газа и сто­ка жидкости. Жидкость с помощью распределителя 4 равномерно орошает насадку и стекает по ее поверхности вниз, а снизу вверх через слой насадки продувается газ.

Обычно орошающая жидкость только вверху ко­лонны равномерно распределяется по поперечному сечению аппарата и по мере продвижения вниз

Рис. 11.2. Типы насадок:

а—кольца Рашига (уложены беспорядочно); б— кольца с перегородками (уложены правильно):

в—насадка Гудлое; г – кольца Паля; д – на­садка «Спрейлах»; е—седла Берля; ж—хордо­вая насадка; з— седла «Инталлокс»

оттесняется потоком газа от центра колонны к стен­кам, поэтому для равномерного смачивания по всему объему в колоннах большого диаметра насадку ук­ладывают слоями высотой 2÷3 м и под опорной ре­шеткой каждого слоя, кроме нижнего, устанавливают перераспределители жидкости 5.

В качестве насадки применяются разнообразные по форме и размерам тела. Наиболее распространен­ные в промышленности типы насадки изображены на рис. 11.2. Иногда в качестве насадки используют куски кварца или кокса размером 25÷100мм, засы­паемые в колонну навалом.

Насадка, заполняющая колонну, характеризуется свободным объемом (пористостью), удельной по­верхностью и эквивалентным диаметром. Свободный объем ε[м³/м³] определяет относительную долю пу­стот в общем объеме насадки и вычисляетсякак

(11.1)

где V — общий объем, занимаемый слоем насад­ки, [м³];

V_п — объем пустот в слое насадки,[м³];

V_t — объем материала, из которого изготовле­на насадка, [м³].

Свободный объем можно вычислить и как отно­шение

(11.2)

где S_o — суммарное живое сечение пустот и пор в поперечном сечении насадки, [м²];

S — площадь поперечного сечения аппара­та, [м²].

Удельная поверхность a m²/m³ представляет собой поверхность насадки, приходящуюся на единицу ее объема.

При движении через слой насадки жидкости или газа илиих смеси можно считать, что поток движется внутри каналов неправильной формы, образуемых пустотами и порами между элементами насадки. Эти каналы имеют различную конфигурацию, они не су­ществуют изолированно, и по пути потока происходит их постоянное слияние и разветвление, поэтому ко­личество каналов в каждом поперечном сечении слоя насадки различно. В расчетах под количеством ка­налов слоя следует понимать некоторую осредненную по его высоте величину. Средний эквивалентный диа­метр таких каналов и представляет собою эквива­лентный диаметр слоя насадки. Он определяется как

(11.3)

где r_г— гидравлический радиус канала;

П — средний по высоте слоя смоченный пери­метр канала,[м].

Эквивалентный диаметр выражается через пори­стость и удельную поверхность насадки. Если умно­жить S_o и П на число каналов n и высоту слоя Н, то можно получить:

— объем пустот слоя насадки;

— общая поверхность слоя на­садки.

Решение этих уравнений относительно S_o и П и под­становка их значений в (11.3) приводит к выражению

(11.4)

В гидравлических расчетах насадочных аппара­тов обычно используется не действительная скорость движения потока в каналах слоя насадки V_к[м/с], а фиктивная V[м/с], под которой понимают скорость движения потока, отнесенную к полному сечению ап­парата и определяемую как

(11.5)

где Q_y — объемный расход газа в аппарате, [м³/с];

G_y — массовый расход газа в аппарате, [кг/с].

Из условия неразрывности потока

следует, что

(11.6)

В насадочном аппарате при противоточном дви­жении газовой и жидкой фаз наблюдаются четыре гидродинамических режима: пленочный, промежу­точный, турбулизации и эмульгирования, которые по мере увеличения скорости движения газовой фазы последовательно сменяют друг друга. Характер за­висимости потери давления в разовой фазе от скоро­сти ее движения определяется режимом работы ап­парата. На рис. 11.3 в полулогарифмической системе координат изображен типичный для насадочного ап­парата график зависимости градиента давления от фиктивной скорости

(11.7)

где ∆Р — потеря давления в газовой фазе, по вы­соте слоя насадки, [н/м²];

Н — высота слоя насадки, [м].

Кривая I относится к сухой насадке, кривая II — к орошаемой. На кривой II можно выделить участки, соответствующие указанным режимам работы наса­дочного аппарата.

При малых скоростях движения газа имеет место пленочный режим (участок а). В этом режиме жид­кость перемещается от элемента к элементу насадки в виде

Рис. 11.3. Гидродинамические режимы работы насадочной колонны:

I — для сухой насадки:

II—для орошаемой насадки;

А—пленочный режим; В— промежуточный режим;

С— режим турбулизации; D — режим эмульгирования.

капель и пленок, причем некоторые участки элементов могут не смачиваться. В пленочном режи­ме газ движется между элементами насадки как сплошная фаза и контактирует с жидкостью в основ­ном на смоченных поверхностях элементов.

В точке 1, называемой точкой торможения дви­жение жидкости по насадке начинает тормозиться газовым потоком, скорость жидкости уменьшается, и пленочный режим сменяется промежуточным (уча­сток В). В промежуточном режиме жидкость покры­вает насадку в виде стекающей тонкой пленки и отдельных струек, образуются отдельные вихри. Вза­имодействие между фазами происходит не только на смоченной поверхности насадки, но и на развитой поверхности пленок и струек.

С увеличением скорости газа в результате возрас­тающего торможения жидкость при скоростях газо­вого потока, соответствующей точке 2, называемой точкой подвисания, начинает подвисать на поверх­ности насадки, и промежуточный режим сменяется режимом турбулизации (участок С). При этом ре­жиме жидкость накапливается в аппарате, ее поверх­ность турбулизуется, и во всем объеме аппарата на поверхности жидкости наступает интенсивное вихре-образование. Взаимодействие между фазами проис­ходит на поверхности турбулизированной пленки жидкости, газ в этом режиме является сплошной, а жидкость — дисперсной фазой.

Накопление жидкости в насадке приводит к тому, что в точке 3, называемой точкой инверсии фаз, появляется новый гидродинамический режим – эмульгирование. Режим эмульгирования характеризуется интенсивным перемешиванием жидкой и газовой фаз, при этом невозможно сказать, какая из фаз является сплошной, а какая — дисперсной, таккак они непре­рывно инверсируют и в отдельных объемах аппарата поочередно становятся то сплошной, то дисперсной фазами. В режиме эмульгирования резко возрастает поверхность фазового контакта, и происходят непре­рывное ее обновление.

Режим эмульгирования возникает не одновремен­но во всем объеме аппарата. Ввиду неравномерности укладки насадки он появляется там, где скорость движения газа наибольшая, то есть в местах с наи­более плотной укладкой насадки, и по мере увеличе­ния расхода газа быстро распространяется на весь объем аппарата. Гидравлическое сопротивление ко­лонны при этом резко возрастает, на графике этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком.

Когда весь слой насадки оказывается занятым га­зожидкостной эмульсией, увеличение расхода газа приводит к накапливанию жидкости поверх насадки;

Это явление называется захлебыванием, а точка 4, соответствующая началу захлебывания, — точкой за­хлебывания. В режиме захлебывания колонна пере­стает нормально работать, и этот режим на практи­ке используется только для смачивания насадки, при пуске колонны.

При визуальном наблюдении за работой насадочной колонны и на графике зависимости градиента давления от фиктивной скорости точки торможения и подвисания и промежуточный режим иногда про­являются нерезко, точка же инверсии всегда прояв­ляется резко и четко обнаруживается.

По мере увеличения расхода газовой фазы и по­следовательной смены режимов возрастает поверх­ность контакта фаз, что увеличивает эффективность работы аппарата, однако при этом возрастает и его гидравлическое сопротивление, и энергетические за­траты на проведение процесса увеличиваются. Если колонна работает под повышенным внутренним дав­лением, то целесообразна работа насадочных аппа­ратов в режимах эмульгирования и турбулизации, при работе колонны под атмосферным давлением и под вакуумом гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что делает целесо­образным, ее эксплуатацию в промежуточном и, возможно, пленочном режимах. Наиболее точно опти­мальный режим работы колонны следует определить с помощью технико-экономических расчетов.

Определение потерь давления в газе при его те­чении через сухую неорошаемую насадку сопряжено со значительными математическими трудностями. Задача определения потерь давления намного услож­няется, когда газ движется через орошаемую насад­ку, поэтому для получения простых расчетных зави­симостей, пригодных для инженерных расчетов, рассматривают движение потока не в каналах реаль­ного слоя насадки, а в каналах идеальной пористой среды, являющейся упрощенной, моделью реального слоя насадки. Идеальная пористая среда представ­ляет собою набор цилиндрических каналов, диаметр которых равен эквивалентному диаметру слоя на­садки, длина каналов равна высоте слоя, а их чи­сло—количеству каналов реального слоя насадки.

Согласно известному уравнению Дарси—Вейсбаха, при движении в прямолинейном цилиндрическом канале длиной 1 и диаметром d жидкости с плот­ностью ρ и вязкостью μ со скоростью υ потери дав­ления равны

(11.8)

где λ— коэффициент трения для цилиндрического канала.

Чтобы применить, это уравнение для движения газов в прямолинейных цилиндрических каналах сухой иде­альной пористой среды, надо в уравнении (11.8) и в выражении для числа Рейнольдса заменить 1 на Н, d на d_э,υ на υ_к . После указанной подстановки по­лучается следующая зависимость, позволяющая рас­считать гидравлическое сопротивление при движе­нии газа через сухую насадку

(11.9)

где λ_с=f(Re) — коэффициент сопротивления для слоя насадки;

(11.10)

Re — число Рейнольдса для газа, дви­жущегося в слое насадки.

Коэффициент сопротивления λ_с в уравнении (11.9) лишь формально напоминает коэффициент трения λ уравнения (11.8). Коэффициент λ_с, в отличие от λ, учитывает не только потери на трение, но и дополни­тельные потери давления в местных сопротивлениях, возникающие в потоке газа при движении по искрив­ленным каналам реального слоя насадки.

Вид зависимости λ_c=f(Re) для различных наса­док выявляется экспериментально. Установлено, на­пример, что для слоя насадки, состоящего из беспо­рядочно засыпанных колец Рашига при ламинарном режиме движения газа в слое, когда Re<40,

(11.11)

при турбулентном режиме движения газа, когда Re>40,

(11.12)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насад­ки ∆p_ор [н/м²] больше сопротивления сухой. Это объ­ясняется тем, что часть жидкости удерживается на­садкой вследствие смачивания ее поверхности и скопления в узких криволинейных каналах, что уменьшает их живое сечение и соответственно увели­чивает скорость движения газа в насадке, в резуль­тате чего возрастает гидравлическое сопротивление слоя. Сопротивление орошаемой насадки до начала режима эмульгирования можно определить как

(11.13)

где k — поправочный коэффициент, определяе­мый из уравнения

(11.14)

где G_x – расход жидкости, подаваемой на орошение колонны, [кг/м² с];

G_y – расход газа через колонну, [кг/м²с];

ρ_y, ρ_x – плотность газа и жидкости, [кг/м³];

μ_y, μ_x – вязкость газа и жидкости, [нс/м²];

C – безразмерный коэффициент, определяемый по графику (рис.11.4).

Рис. 11.4. График для определения коэффици­ента

На горизонтальной оси графика (рис. 11.4) отло­жены значения υ/υ_ин, где υ_ин —фиктивная скорость газа, соответствующая точке инверсии. Значение ско­рости Vim можно определить с помощью уравнения

(11.15)

где А — безразмерный коэффициент.

Для газожидкостных систем А= -0,073 для парожидкостных систем А= -0,125.

Величина G_x/G_y. входящая в уравнения (11.14) и (11.15), называется относительным орошением:

Графические зависимости ∆P/H=f (υ) можно по­лучить или для постоянного расхода жидкости G_x=const, когда в опытах меняется только расход воз­духа, а орошение постоянно, или для постоянного относительного орошения G_x/G_y=const, когда в опы­тах и орошение и расход воздуха изменяются про­порционально.

Из анализа уравнений (11.14) и (11.15) следует, что скорость, соответствующая точке инверсии, а сле­довательно, и скорости, отвечающие остальным кри­тическим точкам, будут тем меньше, чем больше от­носительное орошение. Для G_x/G_y=const кривые гидравлического сопротивления проходят круче, чем для G_x=const. Увеличение орошения при постоян­ном расходе газа приводит к увеличению гидравли­ческого сопротивления слоя

Рис. 11.5. Схема экспериментальной установки:

/— скруббер; 2—насадка; 3—кран; 4— расходомер воздуха; 5—распределительное устройство; 6—вен­тиль; 7—расходомер воды; 8—гидрозатвор; 9—вен­тиль; 10—дифманометр; 11,12—термометры

Описание лабораторной установки.

Установка (рис. 11.5) состоит из скруббера I за­полненного насадочными телами 2. В нижнюю часть скруббера подается воздух, расход которого изме­няется регулирующим устройством 3 и измеряется расходомером 4.

В верхнюю часть скруббера на насадочные тела через распределительное устройство 5 производится подача воды, расход которой регулируется вентилем 6 и измеряется расходомером 7. Из скруббера вода отводится через гидрозатвор 8 и сливается в канали­зацию. Гидравлическое сопротивление измеряется дифманометром 10. На линиях воды и воздуха уста­новлены термометры 11 и 12.