Учебники и учебные пособия / Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов. Учебное пособие
.pdf
Рис. 4.2. Аппараты с вращающимся погружным конусом: а - аппарат Фельда, б — аппарат Сафина: 1 — кожух, 2 — тарелка, 3 - перегородка, 4 — конус, 5 — вал, 6 - конус питатель, 7 -кольцо, 8 — кольцевой желоб, 9 — периферийный желоб, 10 — переток.
Механические абсорберы с горизонтальным валом
Абсорбер с разбрызгивающими валками. Основным рабочим органом этих абсорберов является горизонтальный вал, на котором закреплены лопасти (рис. 4.3) или диски (рис. 4.4). Лопасти или диски слегка погружены в жидкость;
при вращении они захватывают жидкость и разбрызгивают ее, образуя факел распыла.
Разбрызгивающие валки устанавливают в камерах так, что газ движется перпендикулярно или параллельно осям валков. При этом по ходу движения
газа размещают перегородки. Движение газа параллельно оси валков
применяется в абсорберах с двумя валками, а перпендикулярное движение— при числе валков два и более.
Рис. 4.3. Аппарат с разбрызгивающими валками лопастного типа: 1—валки; 2, 3— перегородки
Рис. 4.4. Аппарат с разбрызгивающими дисками: 1 — вал, 2 — диски, 3 — перегородки.
Горизонтальный одновальный аппарат. Конструкция этого аппарата разработана Ганзом. Диски имеют диаметр, составляющий примерно 0,9 от
диаметра аппарата. По периферии диски надрезаны на 1/3 диаметра, и концы
51
их загнуты в виде лопаток (рис. 4.5). На поверхности дисков сделаны отверстия
для прохода газа.
Рис. 4.5. Диск горизонтального одновального абсорбера.
Центробежные аппарат, показан на рис. 4.6. На валу 1 укреплен ротор
2 с кольцами 3, между которыми расположены неподвижные кольца 4 статора.
При вращении ротора жидкость поднимается по внутренней поверхности колец
3 и под действием центробежной силы разбрызгивается с их верхних обрезов.
Распыленная жидкость ударяется о неподвижные кольца 4 и стекает в ротор, после чего распыливается на следующем (считая от центра) кольце 3. Газ движется в направлении, указанном стрелками, в зазорах между вращающимися и неподвижными кольцами (противотоком, как изображено на рисунке, или прямотоком), пересекая при этом факел распыленной жидкости.
Рис. 4.6. Центробежный аппарат: 1 — вал, 2 — ротор, 3 — кольца ротора; 4 - кольца статора
Исследования гидро- и аэродинамики центробежного абсорбера [24]
показали, что вращение ротора оказывает существенное влияние на сопротивление аппарата, которое в то же время практически не зависит (при
окружной скорости внутреннего кольца ротора выше 2 м/сек) от того, производится подача жидкости или нет. При малом числе оборотов ротора
центробежная сила становится недостаточной для того, чтобы жидкость
двигалась пленкой по внутренним поверхностям колец ротора, и жидкость
накапливается между ними, уменьшая зазор для прохода газа между ротором и нижней частью колец статора. Это ведет к возрастанию сопротивления и далее
к захлебыванию аппарата.
52
5 ГИДРОДИНАМИКА КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ
5.1 ГИДРОДИНАМИКА ПЛЕНОЧНЫХ АППАРАТОВ
Гидродинамика пленочных аппаратов представлена в обзорах
содержащихся в работах [15,24]. |
|
|
Однофазное |
пленочное |
течение. Течение пленки жидкости в |
пленочных аппаратах происходит в условиях воздействия на пленку газового потока. При небольших скоростях газа это воздействие незначительно, и
течение пленки можно рассматривать как однофазное [24]. Исследования показали, что наблюдаются три основных режима течения пленки:
•ламинарное течение пленки с гладкой поверхностью раздела фаз (рис.
5.1,а);
•ламинарное течение пленки с волнистой поверхностью раздела фаз (рис.
5.1,б);
•турбулентное течение пленки.
Переход к волновому режиму обусловлен действующими на свободную
поверхность пленки (т.е. на границе раздела фаз) силами поверхностного натяжения. При воздействии сил поверхностного натяжения волновое течение
при определенных расходах жидкости более устойчиво, чем ламинарное с гладкой поверхностью раздела фаз. При малых расходах жидкости, наоборот,
более устойчивым является течение с гладкой поверхностью, а возникающие при наличии возмущений волны быстро затухают. Опытами установлено, что уже при добавке к жидкости небольших количеств поверхностно-активных веществ течение с гладкой поверхностью сохраняется даже при значительных
значениях Reж.
Рис. 5.1. Схема пленочного течения по вертикальной поверхности: а — распределение скоростей при ламинарном течении; б—волновое течение.
Пленочное течение в двухфазном потоке. При однофазном
пленочном течении касательное напряжение в пленке достигает максимума у
стенки и уменьшается до нуля на свободной поверхности. При двухфазном
потоке воздействие газа на течение пленки проявляется в том, что у свободной поверхности, где скорости жидкости и газа одинаковы, в обеих фазах возникают касательные напряжения, равные по величине, но противоположные по знаку.
53
Касательное напряжение в газовой фазе направлено в сторону,
противоположную движению газа.
При движении снизу вверх (противоток) газ тормозит стекание пленки. Это приводит к увеличению толщины пленки и уменьшению средней скорости
ее течения, причем гидравлическое сопротивление аппарата возрастает. Если
скорость газа составляет 5—10 м/сек, наступает так называемое захлебывание, сопровождаемое накоплепием жидкости в аппарате и резким ростом гидравлического сопротивления. В случае дальнейшего повышения скорости газа жидкость движется уже снизу вверх (восходящий прямоток); при этом гидравлическое сопротивление сначала падает до некоторого минимальною
значения, а затем снова возрастает. Если скорость газа выше 15—40 м/сек,
жидкость отрывается от поверхности пленки и уносится с газом в виде брызг.
При движении сверху вниз (нисходящий прямоток) газ увлекает пленку жидкости, что увеличивает ее среднюю скорость и уменьшает толщину пленки.
При одинаковых скоростях газа гидравлическое сопротивление ниже, чем в
случае движения газа снизу вверх. Устойчивый нисходящий прямоток может существовать, если скорости газа не превышают 15—30 м/сек; при более высоких скоростях происходит брызгоунос.
Распределение скоростей в газовом и жидкостном потоках для
описанных режимов течения пленки показано на рис. 5.2.
Гидравлическое сопротивление в трубках с орошаемыми стенками и в аппаратах с листовой насадкой при двухфазном потоке выше, чем при однофазном движении газа (при одинаковых расходах газа), что объясняется:
•уменьшением сечения для прохода газа (поскольку часть сечения занята текущей жидкостью);
•увеличением относительной скорости газа, определяющей величину гидравлического сопротивления, по сравнению с его абсолютной скоростью (при противотоке);
•передачей от газа к жидкости некоторой части энергии, которая расходуется на преодоление силы тяжести (при движении газа вверх) или на ускорение
течения жидкости (при движении газа вниз);
•потерей энергии, обусловленной движением волн.
Рис. 5.2. Распределение скоростей при пленочном течении в двухфазном потоке: а
—противоток; б — нисходящий прямоток; в — восходящий прямоток.
54
При скоростях газа 2—10 м/сек сопротивление в случае нисходящего прямотока в 10—20 раз ниже, чем в случае противотока. В области скоростей
выше 10 м/сек различие в сопротивлении между нисходящим и восходящим прямотоком не столь велико и сглаживается по мере увеличения скорости газа.
Захлебывание. В пленочных аппаратах с противоточным движением
фаз при некоторой скорости газа наступает захлебывание. Начало захлебывания (подвисание) характеризуется резким возрастанием
сопротивления, а также количества находящейся в аппарате жидкости. При небольшом увеличении скорости газа аппарат начинает заполняться жидкостью, через которую барботирует газ; при дальнейшем повышении
скорости происходит выброс жидкости вместе с газом через верхнюю часть аппарата или (при подаче жидкости снизу) переход к восходящему прямотоку.
55
5.2ГИДРОДИНАМИКА НАСАДОЧНЫХ АППАРАТОВ
Гидравлический режим насадочных аппаратов определяет
эффективность работы насадочных аппаратов [1,12,15,24]. Качественная работа достигается только при определенных соотношениях между количеством жидкости, стекающей по насадке, и скоростью газов или паров,
идущих противотоком к жидкости.
Движение газа через насадку. Газ движется через насадку по
извилистым каналам, образованным насадочными телами. Сечение этих каналов не постоянно по высоте аппарата и, следовательно, скорость газа также является переменной величиной. При изучении насадочных аппаратов
исходят из средней скорости газа, которую находят делением объемного расхода газа на среднее сечение каналов.
При течении газа через насадки турбулизация развивается значительно раньше, чем при движении по трубам. Границе ламинарного режима соответствует Reг от 15 до 40. Полностью развитый турбулентный режим
наступает при значениях Reг от 2000 до 6000. При обычно встречающихся на практике значениях Reг от 40 до 2000 движение газа соответствует переходному режиму.
Течение жидкости через насадку обычно рассматривают, как пленочное. Однако в насадочных аппаратах пленочное течение существует
лишь при определенных режимах и характер его отличается от течения в
пленочных аппаратах. В то время как в последних практически вся поверхность покрыта жидкой пленкой, в насадках обычно не вся поверхность насадочных тел смочена жидкостью. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью, не участвующей в общем течении
жидкости.
Характер течения жидкости зависит от плотности орошения. С
повышением плотности орошения увеличиваются количество удерживаемой
жидкости и доля смоченной поверхности.
Визуальные наблюдения течения воды в колонне, заполненной шарами диаметром 25 мм, показали, что при малых плотностях орошения течение имеет прерывистый характер: жидкость накапливается в точках контакта между насадочными телами и периодически перетекает струйками (рис. 5.3,а) от
одной точки контакта к другой.
Возрастание количества удерживаемой жидкости при повышении плотности орошения происходит вследствие увеличения количества жидкости в каждой точке контакта, а также за счет увеличения количества «активных» точек контакта. При плотности орошения около 2 кг/(м2сек) на поверхности насадочных тел начинает образовываться пленка (рис. 5.3,б). Начиная с плотности орошения 4 — 7 кг/(м2сек), количество удерживаемой жидкости возрастает в результате увеличения смоченной поверхности и толщины
пленки. Наконец, при плотности орошения около 24 кг/(м2сек) достигается полное смачивание поверхности и жидкость начинает «проваливаться», падая
между насадочными телами в виде капель и струй (рис. 5.3,в). При этом с повышением плотности орошения дальнейшего увеличения толщины пленки не
происходит, а возрастает количество «проваливающейся» жидкости.
56
Рис. 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 приведенные
значения плотностей орошения, конечно, изменяются, но смена трех режимов
течения в общем сохраняется. В таких насадках, как кольца Рашига внавал,
течение жидкости по наружной и внутренней поверхностям происходит
неодинаково. По первой жидкость может двигаться во все стороны, а по
второй— только вдоль оси кольца, причем по внутренней поверхности жидкость
течет лишь по нижней ее части.
Двухфазное движение газа и жидкости через насадку. При
двухфазном движении газа и жидкости свободный объем уменьшается, а на поверхности соприкосновения фаз в результате трения возникают касательные
напряжения. Взаимодействие между фазами ведет к повышению гидравлического сопротивления по сравнению с сопротивлением сухой (неорошаемой) насадки. Лишь при малых скоростях фаз можно пренебречь взаимодействием между ними. При противотоке газа и жидкости, в зависимости от скоростей потоков, наблюдаются четыре различных гидродинамических режима.
Первый режим (пленочный режим) наблюдается при сравнительно
небольших нагрузках по газу и жидкости. В этом режиме взаимодействие фаз
незначительно и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. 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 с увеличением плотности орошения.
Некоторые исследователи отмечают в пределах пленочного режима перелом 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 аналогичным переломом 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 в
отсутствие движения газа наблюдается значительный перепад давлений в слое
насадки. Это явление объясняется инжектирующим действием жидкости.
57
Рис. 5.4. Кривые зависимости∆p − w0 :АВкривая для сухой насадки, A1B1C1D1E1,A2B2
C2D2 E2, ...- кривые при постоянной плотности орошения; В1,B2, ...— точки начала подвисания, C1,С2, ...- точки начала захлебывания (инверсии), D1,D2 ...— точки захлебывания (уноса).
Второй режим (режим подвисания) характеризуется торможением
жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличиваются. Возрастание количества удерживаемой жидкости с
повышением скорости газа ведет к уменьшению свободного объема насадки и быстрому увеличению сопротивления. На кривой ∆p − w0 начало подвисания
характеризуется переломами в точках В1,В2,..., называемых точками подвисания.
Визуально режим подвисания характеризуется накоплением жидкости в
отдельных местах насадки, преимущественно в точках соприкосновения насадочных тел. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная и активная поверхность насадки, что ведет к возрастанию интенсивности массопередачи.
Третий режим (режим захлебывания или барботажный) возникает в
результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила
тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновесит сил трения. Накопление жидкости большей частью начинается с нижнего слоя насадки и постепенно распространяется на всю высоту. Тщательным
регулированием подачи газа уровень жидкости может быть установлен на произвольной 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 барботажа
через слой заполнившей насадку жидкости. На кривой ∆p − w0 режим
захлебывания изображается участками C1D1, C2D2, . . . , расположенными почти
вертикально, т. е. сопротивление резко возрастает по мере накопления жидкости 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].
58
По исследованиям Плановского и Кафарова и ряда других авторов, режим захлебывания соответствует максимальной эффективности насадочной
колонны. Причина высокой интенсивности в режиме захлебывания объясняется большой поверхностью соприкосновения фаз, которая определяется в этом режиме не геометрической поверхностью насадки, а условиями барботажа.
Однако работа производственных аппаратов в режиме захлебывания неустойчива, так как сопровождается значительными колебаниями
сопротивления и даже при небольшом изменении расхода газа происходит переход ко второму или четвертому режиму с заметным снижением эффективности. Поэтому КафаровВ.В. [15] в дальнейшем перешел на
абсорберы с искусственно затопленной насадкой, работающие достаточно устойчиво.
Четвертый режим (режим уноса) возникает при повышении скорости газа против величины, соответствующей режиму захлебывания. В данном
случае происходит вторичная инверсия фаз: газ снова становится сплошной фазой и жидкость выносится из аппарата вместе с газом в основном в виде брызг. Нормального орошения насадки при этом уже не
происходит, так как жидкость почти перестает поступать на насадку. Указанный режим 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 точками захлебывания или уноса. Эти точки характеризуют предельные нагрузки аппарата.
Распределение жидкости по насадке. Наибольшая эффективность насадочных абсорберов достигается при равномерном распределении
жидкости по поперечному сечению абсорбера, причем эта равномерность
должна сохраняться во всех поперечных сечениях по высоте аппарата. При идеально равномерном орошении локальная плотность орошения в любой точке насадки постоянна и равна средней плотности орошения.
Определение равномерности производят путем деления поднасадочной части абсорбера на несколько секций (отсеков), собирая жидкость, вытекающую из каждого отсека, или же замеряют плотность орошения в различных точках поперечного сечения поднасадочного пространства,
располагая в них стаканы для сбора жидкости. Для исследования
распределения по высоте проводят опыты с насадкой разной высоты.
Равномерность распределения жидкости определяется первоначальным
распределением подаваемой на насадку жидкости (т. е. работой оросительного устройства) и изменением равномерности, вносимым насадкой. При течении
жидкости по насадке распределение жидкости изменяется так, что даже при равномерной подаче орошения на верхние слои насадки равномерность в нижних слоях нарушается. В некоторых случаях (например, если орошение
подается в небольшом числе точек) при стекании жидкости по насадке равномерность распределения увеличивается. Движение газа также оказывает
влияние на равномерность распределения жидкости. Большинство исследований по распределению жидкости на насадке проводилось в колоннах
малых диаметров с мелкими насадками и поэтому полученные результаты не всегда можно применить в производственных условиях. Для колонн малого
59
диаметра характерно достижение жидкостью стенок колонны, после чего
значительная часть жидкости течет по стенкам.
Распределение газа. Распределение газа в насадочных колоннах
изучалось почти исключительно в отсутствие течения жидкости. При этом были
использованы следующие методы: измерение поля скоростей;
•добавка к газу примеси, реагирующей с веществом, покрывающим насадку; в результате образуется окрашенный продукт; о распределении газа судят
по перемещению фронта окраски или посредством рентгеновского
просвечивания;
•испарение нафталиновых насадочных тел в токе воздуха, о распределении газа судят по убыли веса тел в различных точках насадочного слоя,
•электрогидродинамическая аналогия.
Проведенные исследования и визуальные наблюдения показывают, что источником неравномерности в распределении газа является способ его ввода
в аппарат. При центральном вводе (по оси аппарата) за счет кинетической энергии входящей струи газ движется преимущественно в центральной части
аппарата, лишь постепенно заполняя все сечение (рис. 5.5,а). При боковом
вводе входящая газовая струя движется к противоположной стенке и, ударяясь о нее, поворачивает затем вверх (рис. 5.5,б). Исследованиями движения газа в полой башне установлено, что изменение конструкции входного и выходною
отверстий не оказывает существенного влияния на распределение газа. Однако
при отделении входящей струи газа от основного объема башни решеткой или тонким слоем насадки равномерность движения газа в основном объеме повышается.
Рис. 5.5. Распределение газовой струи: а — при центральном вводе газа, б — при боковом вводе газа.
5.3 ГИДРОДИНАМИКА КОЛОНН С КОЛПАЧКОВЫМИ ТАРЕЛКАМИ
Простейшим случаем является барботаж газа через одиночное отверстие, когда газ движется через слой жидкости в виде отдельных
пузырьков. На барботажных тарелках газ выходит из большого числа отверстий
(массовый барботаж) [1, 12, 15, 24]; при этом наблюдаются различные
гидродинамические режимы с разной структурой барботажного слоя. Структура слоя характеризует его гидравлическое сопротивление, зависящее от
количества находящейся на тарелке жидкости, и поверхность контакта фаз, определяемую размером пузырьков, газосодержанием и высотой слоя.
Принципиальная схема работы тарельчатой колпачковой колонны
приведена на рис. 5.6. Пар (газ) проходит снизу колонны через паровые
патрубки 3 и выходит через прорези колпачков 4 в жидкость, барботируя через
60