3. Гидродинамика потоков в насадках

Насадка – твердые тела различной формы - часто используются в аппаратах, предназначенных для проведения массообменных процессов, процессов контактного теплообмена и др.

Назначение насадки: создание и развитие поверхности контакта между фазами (или турбулизации в пределах одной фазы).

В ряде процессов (адсорбции, ионный обмен, химические превращения) через слой насадки движутся однофазные потоки. Используемые для этих процессов насадки представляют собой, как правило, кусковые твердые материалы.

В массообменных процессах в системах Г – Ж и Ж – Ж имеют место двухфазные течения в слое насадки.

Используют насадки двух типов:

А) насыпные - насадочные тела определенной формы и размеров, изготовленные из керамики, металлов и др. (кольца Рашига h=d, седла и т.д.).

Б) регулярные – чаще всего изготавливаются из металлических листов или сеток, из дерева, пластмасс.

Основные характеристики насадки:

1. Удельная поверхность а, [м²/м³];

2. Свободный объем (порозность) [м³/м³],

3. Эквивалентный диаметр , [м]

4. Коэффициент смоченности насадки ,[%]

3.1. Гидродинамика однофазного течения через насадку

Гидравлическое сопротивление при движении однофазного потока через слой насадки определяется по формуле Дарси-Вейсбаха:

=

Коэффициент трения зависит от режима движения, который определяется критерием Рейнольдса:

где: фиктивная скорость; – действительная скорость.

Наличие насадки приводит к турбулизации потока раньше, чем в гладких трубах. При Re < 40 обтекание насадки происходит без возникновения вихрей - ламинарное движение; при Re>40 происходит турбулизация потока.

Re<40 => ;

Re>40 =>

Эти формулы справедливы для кольцевых насадок. Для седлообразных насадок, шаров, гранул, зерен при всех режимах движения:

(зернистый слой с равномерным распределением пустот).

Для регулярных насадок существуют особые формулы

3.2. Гидродинамика двухфазных потоков в насадках

Гидравлическое сопротивление орошаемой жидкостью насадки больше, чем сухой, так как вследствие наличия жидкости в каналах уменьшается свободный объем для прохода газа, т.е. возрастает действительная скорость газа Количество жидкости, подаваемое в насадку, характеризуется плотностью орошения:

где: – объемный расход жидкости; – массовый расход жидкости;

- площадь поперечного сечения колонны.

Для обычных насадочных колонн U=10-20 м³ /м² час.

При противоточном движении газа в жидкости в насадочной колонне можно наблюдать следующие виды движения потоков (при последовательном увеличении нагрузки по газу), возникающие в насадке гидродинамические режимы и характерные переходные точки:

1. Пленочный режим.

Капельно-пленочное движение жидкости от элемента к элементу насадки, наблюдающееся при малых нагрузках по газу и жидкости. Взаимодействие между фазами осуществляется на смоченной поверхности насадки в отдельных точках контакта. Поднимающийся газ не вызывает заметного изменения в характере движения жидкости, движущийся в виде капель и пленок.

Капельному движению соответствует пленочный режим, заканчивающийся точкой торможения.

2. Промежуточный режим.

Струйчато-пленочное движение жидкости: жидкость покрывает насадку в виде стекающей тонкой пленки и отдельных струй, причем значительная поверхность насадки все еще остается не смоченной. Контакт между фазами происходит на поверхности пленки и струй жидкости на отдельных элементах насадки при отсутствии заметной турбулизации потоков. Противоточное движение газа также не вызывает видимого изменения в характере движения жидкости.

Струйчато- пленочному течению соответствует промежуточный режим, заканчивающийся точкой подвисания.

Ввиду того, что точка торможения не всегда четко обнаруживается, иногда объединяют эти 2 режима в один – пленочный режим двухфазного потока до точки подвисания.

3. Режим турбулизации.

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. Жидкость стекает по насадке в виде пленки, которая турбулизируется, появляются завихрения, брызги. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности турбулизированной пленки жидкости, покрывающей элементы насадки.

Это соответствует режиму турбулизации двухфазной системы, заканчивается в точке инверсии.

4. Режим эмульгирования.

С увеличением нагрузки по газу наблюдается возрастание количества турбулизованной жидкости, которая заполняет весь объем насадки. Вся жидкость,

заполняющая насадку, находится в состоянии «эмульсии».

Накопление жидкости связанно с тем, что подъемная сила газа становится равной весу жидкости, находящейся в насадке. Эмульгирование жидкости начинается в самом узком сечении в насадке, образующаяся газо-жидкостная система напоминает барботажную пену или газо-жидкостную эмульсию. Происходит инверсия фаз: жидкость занимает весь свободный объем насадки. Она становится сплошной фазой.

Газовая фаза диспергирована в жидкости в виде мельчайших пузырьков, которые эмульгируют жидкость. Взаимодействие между потоками с поверхности насадки переносится в ее объем, что соответствует возникновению режима эмульгирования, возникающего после точки инверсии. Точка инверсии всегда резко проявляется и четко обнаруживается.

По Кафарову в этом режиме теряет смысл понятия о дисперсной и сплошной фазах, так как газ, то жидкость непрерывно становятся то сплошной, то дисперсной фазой.

Накопление жидкости в режиме эмульгирования приводит к захлебыванию насадки – точка захлебывания.

Высота слоя жидкости становится больше высоты насадки и над насадкой накапливается слой жидкости, представляющий собой барботажный слой с интенсивным перемешиванием и препятствующий нормальной работе колонны.

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая определяется уже не геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков газа и струй жидкости в свободном объеме насадки. Однако устойчивая работа в таком режиме невозможна ввиду «захлебывания». Кроме того, сильно возрастает гидравлическое сопротивление.

Для устойчивого эмульгирования фаз существуют специальные эмульгационные колонны с искусственно затопленной насадкой. Гидродинамические режимы видны на графике:

1 – пленочный режим; 2 – точка торможения;

3 – промежуточный режим; 4 – точка подвисания;

5 – режим турбулизации; 6 – точка инверсии;

7 – режим эмульгирования; 8 – точка захлебывания.

Для сухой насадки – зависимость линейная. С увеличением плотности орошения раньше достигается точка инверсии, режимы турбулизации и эмульгирования. Для определения скорости газа в точке инверсии предложено уравнение:

для систем газ - жидкость => A=0.022;

для систем пар – жидкость => A=-0.125;

– вязкость воды;

L, G – нагрузка колонны по жидкости и газу (кг/ м² час) или (кг/час);

Насадочные колонны работают обычно при скоростях газа, равных:

(т.е. в режиме турбулизации, точнее точка подвисания). Точка торможения

Для расчета сопротивления орошаемой насадки предложено уравнение:

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