книги / Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1

следующих размеров: 8×8×1,5 мм; 10×10×1,8 мм; 15×15×2 мм; 20×20×2,2 мм; 25×25×3 мм; 35×35×4 мм; 50×50×5 мм и другие.

Удельная поверхность насадки представляет собой площадь геометрической поверхности насадочных тел в 1 м3 (м2/м3).

Свободный объем насадки (порозность) представляет объем пустот в 1 м3 (м3/м3). При гидравлической характеристике насадки ее оценивают величиной эквивалентного диаметра, м:

При движении газа через слой насадки различают понятия фиктивной и действительной скорости газа. Фиктивная скорость – это скорость газа в пустом аппарате, рассчитываемая на его полное сечение, м/с:

где Vг – часовой объемный расход газа, м3/ч; S – площадь поперечного сечения аппарата, м2.

Действительная скорость газа в каналах слоя больше фиктивной ввиду уменьшения сечения для прохода газа из-за наличия насадки. Действительная скорость, м/с,

д

При движении однофазного потока, т.е. потока газа через сухую насадку, гидравлическое сопротивление (Н/м2) рассчитывается по уравнению:

где – коэффициент трения; Н – высота насадки, м; г – плотность газа, кг/м3.

Коэффициент трения зависит от режима движения среды. Величиной, определяющей гидродинамический режим однофазно-

21

го потока, является критерий Рейнольдса, который для насадок определяется следующим образом:

где г – динамическая вязкость газа, кг/(м·с).

Наличие в колонне насадки приводит к турбулизации газового потока раньше, чем в гладких трубах, и поэтому критическое состояние наступает значительно раньше. В области, в которой Re 40, течение происходит без возникновения вихрей за обтекаемыми элементами насадки, в то время как при величине Re 40 обтекание элементов вызывает появление в потоках вихрей. Поэтому получены следующие зависимости для кольцевой насадки:

– для области Re 40

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки больше, чем сухой, так как вследствие наличия жидкости в каналах уменьшается сечение для прохода газа, т.е. при неизменной фиктивной скорости возрастает действительная скорость газа. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газа показана на рис. 3.1 (I – для сухой насадки; II – при орошении).

Величиной, характеризующей расход жидкости на единицу сечения колонны, являетсяобъемнаяплотностьорошения, м3/(м2·ч):

где Vж – часовой объемный расход жидкости, м3/ч; L – часовой массовый расход жидкости, кг/ч; ж – плотность жидкости, кг/м3.

22

Ввиду того что точка торможения не всегда четко проявляется, эти два режима объединяют иногда в один пленочный режим двухфазного потока до точки подвисания.

Дальнейшее повышение скорости газа приводит к тому, что газ тормозит жидкость, скорость ее течения уменьшается, и жидкость во все большем количестве удерживается в насадке. Доля смоченной поверхности возрастает. При этом становится заметным влияние взаимодействия потоков на характер движения пленки. Пленка начинает турбулизироваться, появляются завихрения, брызги. Это соответствует режиму турбулизации двухфазной системы 5, заканчивающемуся в точке инверсии фаз 6.

С увеличением нагрузки по газу наблюдается возрастание количества турбулизированной жидкости, заполняющей весь объем насадки. Накопление жидкости связано с тем, что подъемная сила газа становится равной весу жидкости, находящейся в насадке. Создается впечатление, что жидкость в насадке находится в состоянии эмульсии, причем эмульгирование начинается в самом узком месте насадки. Происходит обращение (инверсия) фаз: жидкость занимает весь свободный объем насадки и становится сплошной фазой; газовая фаза диспергирована в жидкости в виде мельчайших пузырьков.

Таким образом, взаимодействие между потоками с поверхности насадки переносится в ее объем, что соответствует возникновению режима эмульгирования 7. Накопление жидкости в режиме эмульгирования приводит к захлебыванию насадки (точка 8). Высота газожидкостного слоя становится больше высоты насадки. Над насадкой накапливается слой жидкости, препятствующий нормальной работе колонны.

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн за счет значительного увеличения поверхности контакта фаз, которая определяется уже не поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков газа и струй жидкости

всвободном объеме насадки. Однако устойчивая работа колонны

втаком режиме невозможна ввиду захлебывания насадки; кроме того, сильно возрастает гидравлическое сопротивление.

24

Поэтому созданы специальные эмульгационные колонны (рис. 3.2) с искусственно затопленной насадкой, которые могут устойчиво работать в условиях эмульгирования жидкости.

Рис. 3.2

Режим эмульгирования в такой колонне 1 поддерживают при помощи сливной трубы в виде гидродинамического затвора 2. Высоту эмульсии регулируют вентилями 3. Тарелка 4 способствует равномерному распределению газа.

Скорость газа в точкеинверсииWинв определяется изуравнения:

где ж – вязкость жидкости, кг/(м·с); в – вязкость воды при 20 оС, кг/(м·с); L, G – массовая нагрузка колонны по жидкости и газу со-

25

ответственно; А – коэффициент, определяемый экспериментально, для систем газ-жидкость коэффициент А = 0,022; для систем паржидкость А = – 0,125.

Для расчета сопротивления орошаемой насадки используется уравнение:

где b – постоянный коэффициент, зависящий от вида и размеров насадки.

Для колец Рашига размерами 25×25 мм b = 0,051; 50×50 мм b = 0,047; 100×100 мм b = 0,033; 15×15 мм b = 0,053.

Описание установки

Внешнийвид лабораторнойустановкипоказан нарис. 3.3.

Рис. 3.3

26

В установку входят следующие аппараты и приборы:

1. Колонна из органического стекла с насадкой из колец Ра-

2.Коллектор в комплекте с микроманометром для измерения расхода воздуха.

3.Ротаметр РС-5 для измерения расхода воды.

4.U-образный дифференциальный манометр для измерения гидравлического сопротивления насадки.

Схема установки показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4

Воздух просасывается через колонну 6 пылесосом, расход его измеряется коллектором 1 в комплекте с микроманометром 8. Вели-

27

чина расхода регулируется плавным вращением ручки регулятора напряжения 9, подаваемого на пылесос. Вода из водопровода поступает в колонну через вентиль 7, ротаметр 5 и ороситель 4. В верхней части колонны установлен брызгоуловитель 3. Замер гидравлического сопротивленияколонныпроизводитсяU-образнымдифманометром2.

Методика проведения опытов

Приступить к выполнению лабораторной работы можно только после детального ознакомления с установкой.

Пуск установки производят с разрешения преподавателя в следующем порядке:

1.При помощи дифференциального манометра 2 замеряют сопротивление сухой насадки при различных расходах воздуха. Изменение расхода воздуха от минимально возможного производят плавным вращением ручки регулятора напряжения 9 из крайнего левого положения по часовой стрелке. При этом расход воздуха контролируют по показаниям микроманометра 8, присоединенного к коллектору 1, через заданные преподавателем интервалы. Сопротивление слоя насадки контролируют по показаниям дифференциального манометра 2.

2.Устанавливают заданный преподавателем расход орошающей воды ротаметром РС-5 и замеряют сопротивления оро-

шаемой насадки при тех же показаниях микроманометра 8 (см. пункт 1), обращая особое внимание на режимы движения двухфазного потока.

3.Определяют сопротивление насадки при захлебывании ко-

лонны.

4.Все измеренные величины заносят в табл. 3.1. Градуировочные графики для ротаметра и микроманометра

находятся на рабочем месте. Расход воздуха определяется с учетом тангенса угла наклона микрометрической трубки (коэффициента K). В качестве жидкости в микроманометре используется спирт плотностью 0,78 г/см3.

28

Дата выполнения работы

Ф.И.О.

Полученные данные

Температура воздуха Температура воды

Показания ротаметра РС-5 (по воде) Расход воды

Обработка результатов опытов

Определение сопротивления сухой насадки:

1.По градуировочному графику коллектора с учетом коэффициента K и плотности жидкости, залитой в микроманометр, определяют расходы воздуха, соответствующие экспериментальным точкам.

2.Для всех экспериментальных точек находят фиктивные

скорости воздуха и строят график зависимости lg сух = f(lgW). 3. Вычисляют плотность воздуха, кг/ м3:

где Т – температура, К; 0 – плотность воздуха при нормальных условиях, равная 1,293 кг/м3.

4.Для трех любых экспериментальных точек, выразив для них значения Рсух в системе СИ (Н/м2), из уравнения (3.4) находят опытные значения коэффициента трения оп.

5.Для этих же точек рассчитывают значения критерия

Рейнольдса по формуле (3.5), принимая для воздуха г = = 1,8 10–5 кг/(м с).

29

6. По соответствующему уравнению ((3.6) или (3.7)) определяют теоретические значения коэффициента трения теор и сравнивают их с экспериментальными.

Определение сопротивления орошаемой насадки:

1.Строят график зависимости lg Pор = f(lgW), по которому находятопытное значение скорости воздухав точкеинверсии Wинв.оп.

2.Зная температуру воды, по табл. 3.2 находят плотность во-

ды ж и динамическую вязкость воды ж.

3. Объемные расходы воздуха и воды в точке инверсии пересчитывают в массовые (кг/ч) по формулам:

4. По уравнению (3.9) определяют теоретическое значение скорости воздуха в точке инверсии Wинв.теор и сравнивают его

сэкспериментальным.

5.Находят плотность орошения U по формуле (3.8).

6.Для трех любых экспериментальных точек из уравнения (3.10) определяют опытные значения коэффициента b и сравнивают с теоретическими.

7.Расчетные данные заносят в табл. 3.3.

Таблица 3 . 2

Таблица 3 . 3

30