Лабораторная работа 16 изучение гидродинамики насадочной колонны студент гр. 118161 Гусева Анна Проверил
![]()
|
Казанский Государственный Технологический Университет Кафедра ПАХТ Лабораторная работа №16 ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ Выполнил: Студент гр. 1181-61 Гусева Анна Проверил: А.И. Исмагилова Казань, 2011г. Цель работы: 1) визуальное изучение гидродинамических режимов работы насадочной колонны и их характерных особенностей; 2) опытное определение гидравлических сопротивлений сухой и орошаемой насадок; 3) расчет скорости воздуха в точке инверсии фаз; 4) расчет гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадок; 5) сопоставление расчетных и опытных гидравлических сопротивлений для значения плотности орошения, заданного преподавателем; 6) расчет фактора гидродинамического состояния двухфазной системы f, сопоставление его с опытным значением. Описание установки Установка (рис. 4) состоит из модели насадочного аппарата I, ротаметра 2 для измерения расхода воды и ротаметра 3 для измерения расхода воздуха, вентиля 9 для регулирования расхода воды, U-образного манометра 4 для измерения перепада давления в слое насадки, вентилятора 5 с однофазным электродвигателем М, лабораторного автотрансформатора 6 для регулирования частоты вращения ротора электродвигателя с целью изменения расхода воздуха в колонне. Привод вентилятора включается тумблером 7. О наличии электропитания на приводе сигнализирует контрольная лампочка 8. Модель аппарата ![]() В качестве насадки использованы керамические кольца Рашига ![]() Основные характеристики насадки: свободный объем ![]() ![]() ![]() ![]() Теория Насадочные колонны широко используются в промышленности для проведения мокрой очистки газов от пыли, а также массообменных процессов в системах: газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость. Рабочая зона колонны заполнена насадкой. В качестве насадок используют твердые тела различной формы, изготовленные в зависимости от коррозийных свойств обрабатываемых сред из керамики, металла, стекла, пластмассы, дерева и т.д. Контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними. Насадочный аппарат должен обеспечивать наибольшую поверхность контакта фаз и максимальную интенсивность процесса при наименьшем гидравлическом сопротивлении. Некоторые виды насадок приведены на рис.1. Насадки загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. В результате образуется сложная пространственная структура с развитой поверхностью, благодаря чему обеспечивается значительная поверхность контакта фаз. Среди насадок, засыпаемых внавал, широкое распространение получили кольца Рашига (см. рис. 1) из различных материалов, обеспечивающие универсальность практического использования. У колец Рашига диаметр равен высоте. Основными характеристиками насадок являются: удельная поверхность ![]() ![]() ![]() Удельная поверхность насадки - это суммарная поверхность всех насадочных тел в единице занимаемого насадкой объема аппарата. Под свободным объемом насадки понимают суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема, занимаемого насадкой. Насадку укладывают на опорно-распределительные решетки. Свободное сечение этих устройств должно быть по возможности больше и приближаться по величине к свободному объему насадки, а размеры отверстий - максимальными, но исключающими проваливание насадочных тел. Колонны диаметром до 150 мм, заполненные насадкой внавал, могут орошаться из единичного источника. Для колонн большего диаметра применяются оросители с большим числом источников орошения: для неупорядоченных насадок 15-30 на 1 м2 сечения колонн, для упорядоченных - 35-50. Эффективность работы насадки в значительной степени зависит от смачиваемости поверхности элементов насадки жидкостью. Чтобы улучшить смачиваемость элементов насадки и повысить ее эффективность, их подвергают специальной обработке. ![]() Большие насадки, например кольца Рашига размером не менее 50x50 мм, укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ по сравнению с нерегулярной, засыпанной в аппарат навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросители. Гидродинамические режимы работы насадочных колонн. В насадочной колонне потоки газа (пара) и жидкости взаимодействуют в противотоке. В зависимости от расходов газа ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Существуют различные классификации гидродинамических режимов насадочных аппаратов. В соответствии с этой классификацией на рис.2 в логарифмических координатах представлены зависимости гидравлического сопротивления ![]() ![]() ![]() Визуальные наблюдения и количественные измерения позволяют установить границы гидродинамических режимов, возникающих в насадке, и характерные переходные точки между ними. При малых скоростях относительного движения фаз взаимодействие между ними незначительно, жидкость смачивает поверхность насадочных элементов, стекая в виде пленки; сопротивление насадки пропорционально сопротивлению сухой насадки. Такой режим называется пленочным. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке ![]() При дальнейшем увеличении скорости газа возрастает трение между фазами, происходит торможение потока жидкости, скорость течения жидкости уменьшается, толщина ее пленки и количество жидкости, удерживаемой в насадке, увеличиваются. Этот режим называется режимом подвисания, в котором спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т.е. создаются условия перехода к барботажу. Интенсивность процесса массопередачи возрастает, но и увеличивается гидравлическое сопротивление. Режим подвисания заканчивается во второй переходной точке ![]() Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к резкому увеличению количества удерживаемой насадкой жидкости и росту гидравлического сопротивления слоя насадки. Этот режим называется захлебыванием колонны (барботажным, или режимом эмульгирования) и характеризуется отрезком ![]() Режим эмульгирования характеризуется тем, что интенсивность межфазного обмена субстанциями достигает своего предела при условии сохранения противоточного течения фаз в свободном сечении насадки. В этом режиме достигаются: • предельно возможная скорость газовой фазы ![]() • максимально возможная поверхность контакта фаз; • предельно интенсифицированная гидродинамическая обстановка у границы раздела фаз. Роль насадки при этом сводится к дроблению газовых вихрей на большое количество мелких пузырьков, пронизывающих жидкость, распределению их по всему сечению. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к возникновению режима уноса. В этом режиме происходит вторичная инверсия фаз: газ снова становится сплошной фазой, и жидкость выносится из аппарата вместе с газом в основном в виде брызг. Режим уноса на практике не применяется. В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенном давлении). Оптимальный гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета. Существуют и другие определения гидродинамических режимов: При малых скоростях газа и жидкости возникает пленочный режим течения жидкой фазы (отрезок 1 на рис. 3) по поверхности насадки, при котором жидкость перемещается по элементам насадки в виде капель и пленок. Взаимодействие между фазами осуществляется по смоченной поверхности элементов насадки и отдельных капель жидкой дисперсной фазы. Этот режим заканчивается в первой точке перегиба (точка ![]() После точки торможения возникает следующий по интенсивностивзаимодействияфаз промежуточный гидродинамический режим при струйчато-пленочном течении жидкой фазы (отрезок 2 на рис. 3). Взаимодействие между фазами происходит по поверхностям пленки и отдельных струек, а также и местам скопления жидкости в точках контакта элементов насадки. Пленка, струйки и скопления жидкости на торцах и в местах контакта элементов насадки подтормаживают поток жидкости и вызывают его завихрение. Дальнейшее повышение скорости газа w0 приводит к подвисанию жидкости в насадке (точка С, рис. 3). Точка С называется точкой подвисания. За этой точкой количество жидкой фазы в насадке увеличивается как на ее поверхности, так и в свободном объеме за счет взаимодействия с газом, движущимся противотоком. Контакт фаз происходит по межфазной поверхности, турбулизированной вихрями, и поэтому гидродинамический режим (отрезок 3 на рис. 3) определяется как режим турбулизации двухфазной системы, существующей на поверхности пленки, которая стекает по насадке. ![]() Дальнейшее накопление жидкости в насадке приводит к тому, что интенсивное межфазное взаимодействие жидкостного и газового потоков перемещается с поверхности пленки в свободный объем насадки, в котором возникают новые явления: эмульгирования и инверсии фаз (точка инверсии ![]() ![]() В отличие от первых двух характерных переходных точек (точки торможения ![]() ![]() ![]() Дальнейшее увеличение нагрузки посадочной колонны приводит к тому, что противоточное течение в насадке скачкообразно перейдет в прямоточное, т.е. произойдет обращение течения жидкости, так называемое «захлебывание аппарата». Точка захлебывания (точка ![]() Фиктивная скорость газа ![]() ![]() ![]() Насадка занимает часть объема колонны, поэтому скорость движения газа в каналах, образующихся между элементами насадки, выше, чем фиктивная скорость. Скорость движения газа в сухой насадке ![]() Действительная скорость газа при работе колонны будет выше скорости ![]() Для расчета фиктивной скорости захлебывания имеются различные уравнения, в том числе следующего вида: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Сопротивление насадочных колонн. Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ![]() ![]() ![]() ![]() Множитель ![]() ![]() Между элементами насадки образуются длинные узкие каналы весьма сложной конфигурации, поэтому величину сопротивления сухой насадки можно рассчитать по известному уравнению Дарси-Вейсбаха, в котором за длину канала принимают высоту насадочного слоя ![]() ![]() ![]() Эквивалентный диаметр каналов насадки ![]() ![]() Коэффициент гидравлического сопротивления ![]() ![]() Для насадок, засыпанных внавал, ![]() ![]() Критерий Рейнольдса определяется по формуле ![]() где ![]() Сопротивление орошаемых насадок рассчитывается по уравнению (4), а фактор гидродинамического состояния двухфазной среды - по уравнению ![]() где значения ![]() Таблица опытных данных
Обработка опытных данных Массовые расходы фаз: ![]() 2. Скорость захлёбывания: ![]() 3. Фиктивная скорость газа: ![]() 4.Гидравлическое сопротивление сухой насадки: ![]() 5. Гидродинамический фактор f: ![]() ![]() ![]() |