книги из ГПНТБ / Стабников В.Н. Перегонка и ректификация спирта

ющих пузырей, 'поток нисходящей жидкости и поток восходящей газожидкостной смеси. Скорость этих потоков находится в за­ висимости от количества .поступающего на тарелку газа и может быть определена из следующих соотношений [6 ]:

в виде пузырей, которые не обладают силой инерции, а между парами и жидкостью не происходит масоо- и теплообмена (40]. Эти допущения в значительной степени обесценивают выводы Р. А. Меликяна, так как они в полной мере относятся, очевид­ но, только к пузырьковому режиму барботажа. Практически же мы о этим режимом в контактных аппаратах не имеем дела. Следует также отметить, что величина Fr является практически неопределимой и, тем самым, неопределимо и соотношение ско­ рости потоков. Таким образом, единственным количественно оп­ ределимым фактором остается скорость пара (газа) в свободном сечении колонны. Недостатками анализа, проведенного Р. А. Ме­ ликяном, является то, что он рассматривает движение газа в жидкости только как всплывание. В действительности же, на­ чиная со струйного режима барботажа, мы имеем дело не толь­ ко с пузырями, но и со струями. При этом нельзя не учитывать как скорость вылета струй, так и инжекционный эффект.

В результате анализа движения потока газа и жидко­ сти Р. А. Меликян приходит к 'следующим представлениям о режимах, возникающих при всплывании газа в слое жидкости

[2 2 ]:

'барботажный, т. е. режим свободного всплывания газовых пузырьков в слое жидкости;

смешанный, представляющий чередование барботажного и струйного режимов;

струйный; пенный, который в определенном интервале скорости может

сосуществовать со смешанным режимом.

'Сопоставляя эту классификацию с изложенной выше, можно заключить, что представление Р. А. Меликяна о режимах барбо­ тажного процесса не расходится с изложенными ранее.

'Рассмотрим теперь условия существования режимов, кото­ рые в настоящее время могут быть признаны достаточно до­ казанными.

Критерии перехода гидродинамических режимов барботажа

Возникновение того или иного 'режима в настоящее время констатируется при помощи визуального наблюдения, момен­ тальной фотосъемки или при помощи киносъемки. Получила также применение скоростная киносъемка, дающая наиболее объективные представления о ходе процесса.

Пузырьковый режим барботажа был открыт и изучен ра­ нее других. Бму посвящен 'ряд обстоятельных работ, которыми выяснено течение этого режима, условия его перехода в струй­ ный .[23, 27, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52]. Не оста­ навливаясь здесь на подробной характеристике пузырькового режима, отметим только условия перехода этого режима в струйный. Так, 'Стабников [23], впервые обнаружив явления пе­ рехода пузырькового режима в струйный, выяснил, что критиче­ ская скорость зависит от диаметра насадок, типа их и не зави­ сит от глубины слоя жидкости.

Аксельрод и Дильман [49] нашли, что

(58)

где: d0—диаметр отверстий (выходных); d—диаметр пузыря;

v — скорость всплывания пузыря.

Величина d может быть найдена из уравнения:

(59)

где: а — поверхностное натяжение; Т ж— удельный вес жидкости.

Зти авторы представили график для нахождения критиче­ ской скорости [49]. Возникновение струйного режима характери­ зуется тем, что единичные пузырьки, выходящие из отверстий, сливаются и образуется непрерывная струя газа (факел), вы­ ходящая из отверстий. Эта струя довольно быстро распадается на отдельные .пузырьки, движущиеся в жидкости.

Изучением струйного режима барботажа также занимались многие исследователи [21, 23, 25, 27, 28, 30, 31, 32, 34, 35, 36].

Этот режим был исследован Стабниковым [23], который выяснил условия его возникновения и особенности протекания. Возникая

при значительных скоростях газа и 'пара, этот режим часто яв­ ляется рабочим в контактных аппаратах.

■Как и в пузырьковом режиме, при осуществлении струйного режима в межтар елочном пространстве имеются три зоны: бар­ ботажа, пены и брызг. Для колпачковых тарелок появляется еще одна зона — небарботируемой (светлой) жидкости. Так, Скобло и Сюй Вэнь-юань {53] указывают на наличие для кол­ пачковых тарелок четырех зон: небарботируемой жидкости, недеформированных струй, деформированных струй, контакта крупных и мелких капель с потоком газа в межтарелочном пространстве.

Оценка роли каждой из этих зон в образовании поверхно­ сти контакта различна. Некоторые авторы считают, что макси­ мальная поверхность контакта развивается в зоне пены и брызг

[26, 54, 55].

На значительную роль зоны брызг указывает И. М. Аношин [54]. ,В противоположность этому, Л. С. Аксельрод и Т. М. Юсо­ ва [56] полагают, что роль зоны брызг не может быть значитель­ ной. Последнее утверждение нуждается в дополнительной про­ верке.

Как указывается многими исследователями, для струйного режима характерна ячеистая структура пены, которая при этом режиме остается малоподвижной. Столб пены играет роль брызгоуловителя и в пределах некоторых скоростей уменьшает брызгоунос [25].

По мере увеличения скорости газа слой пены растет, а слой жидкости, барботируемой газом, уменьшается. При некоторых условиях (достаточно большое живое сечение тарелки, не слиш­ ком малая толщина исходного слоя жидкости на тарелке) воз­ никает режим, который получил название пенного. Этот режим характеризуется почти полным исчезновением жидкого барботажного слоя и сильно развитым подвижным слоем турбулизированной пены.

На возникновение этого режима влияют скорость газа, кон­ структивные факторы (особенно — высота сливной перегородки) и свойства жидкости и газа. Грубо приближенно указывают, что режим этот лежит в пределах скорости газа в свободном сечении колонны от 0,6—0,8 до 3,5—4 м/сек. Однако при неко­ торых условиях пенный режим вообще не возникает и непосред­ ственно от струйного режима происходит переход к инжекционному. Пенный режим особенно детально исследован М. Е. Позиным и его сотрудниками [21, 31, 39]. Этот же режим изучался И. Н. Кузьминых с сотрудниками [57, 58, 59, 60, 61]. Следует отметить, что в оценке эффективности увеличения скорости газа за пределы, определяющие струйный режим, имеется расхож­

154 Механизм процесса перегонки и ректификации

дение. И. Н. 'Кузьминых указывает .на то, что в ряде опытов, проведенных им, увеличение скорости не .привело к должному эффекту [60]. По-видимому, это объясняется тем, что условия проведения опыта способствовали переходу от струйного ре­ жима непосредственно к брызгав ому. В частности, этому спо­ собствовала малая высота сливной перегородки [62].

В настоящее время имеются попытки дать математические выражения, которые определили бы критическую скорость воз­ никновения этого режима [37, 38, 57];

Так, А. А. Носков и В. Н. Соколов [37, 38] считают, что кри­ терием для перехода от мелкоячеистой пены (струйный режим) к зоне подвижной пены (пенный режим) на ситчатых тарелках следует принимать критерий Фруда:

Как указывалось выше, границе перехюда к пенному режи­ му соответствует значение Fr ~ 1.

И. П. Мухленов [57] предложил общее критериальное урав­ нение гидродинамического подобия пенного слоя и показал пер­ спективность применения метода подобия при изучении гидро­ динамики барботажного процесса.

Как и струйный режим, .пенный режим является рабочим режимом контактных аппаратов.

В. В. Кафаров, который посвятил ряд работ изучению гидро­ динамики и массопередачи в контактных аппаратах [63, 64], от­ мечает, что высокая эффективность аппаратов может быть обес­ печена только при развитой свободной турбулентности в кон­ тактной зоне. Кафаров отмечает, что режим свободной турбу­ лентности в тарелочных аппаратах так же, как и в насадочных, соответствует минимальному удельному весу газожидкостных эмульсий. При этом в тарелочных аппаратах наблюдается мак­ симальная высота пены. Этим условиям отвечают режимы: струйный на границе с .пенным и пенный. В насадочных колон­ нах этим условиям отвечает режим эмульгирования, открытый Кафаровым. Поэтому В. В. Кафаров именует соответствующий режим в тарелочных аппаратах (ситчатых) также режимом эмульгиров ания.

Анализируя и сопоставляя работу насадочных и ситчатых колонн в режиме развитой свободной турбулентности, Кафаров приходит к весьма важному выводу о глубокой аналогии в ра­ боте этих различных по типу аппаратов. Он отмечает также, что

в оихчатых колоннах режим эмульгирования наступает при мень­ ших скоростях шара, чем в насадочных. В условиях развитой свободной турбулентности массообмен происходит весьма интен­ сивно. При этом роль молекулярной диффузии незначительна. Взаимное проникновение газовых и жидкостных вихрей настоль­ ко велико, что массообмен достигает *максимального значения, недостижимого при всех прочих режимах. При этом роль физи­ ко-химических свойств системы не играет существенного зна­ чения.

Для насадочных колонн скорость .пара, определяющая мо* мент возникновения режима свободной турбулентности, может быть определена по формуле [63, 64, 65, 6 6 ], предложенной Кафаровым и Плановсмим. Для тарелочных аппаратов, к сожа­ лению, аналогичной формулы не существует. Нужно надеяться, что при более глубоком изучении гидродинамики тарелочных аппаратов такие расчетные уравнения будут получены и для них.

(Пенный режим, а при некоторых обстоятельствах и струй’ ный, при дальнейшем увеличении скорости переходит в инжекционный или брызговой режим, который предшествует срыву работы аппарата. При этом режиме струи .пара прорываются в массу пены, подавляя ее и инжектируя жидкость. Обильный брызгоунос понижает при этом эффективность работы контакт­ ного устройства. Г. В. Бурова [34] под руководством проф. П. Г. Романкова выполнила диссертацию, в которой предложила для ситчатых тарелок уравнение для определенной скорости пара, соответствующей переходу к инжекционному режиму. Это урав­ нение имеет следующий вид:

Для провальных тарелок вопрос о моменте перехода от пенного режима к инжекционному рассмотрен А. Г. Касаткиным и др. [67]. Для других типов тарелок уравнений для определения критической скорости перехода от пенного к инжекционному режиму пока нет.

О. С. Чехов 'и В. И. Матрозов [6 8 ] три исследовании массообмена на колпачковых тарелках установили, что в их опытах инжехционный режим наступил ,при скоростях пара между та­ релками от 0,85 до 1 ,1 м/сек. Этот режим они назвали режимом фонтанирования и установили, что критическая скорость пере­ хода зависит от величшГы свободного сечения тарелки. Ве­ роятно также влияние конструктивного фактора и особенно, как было указано выше, высоты сливной перегородки.

В связи с изложенным может быть поставлен вопрос о том, в какой связи находятся уравнения для определения допустимой скорости в тарелочных аппаратах с представлением о режиме свободной турбулентности, как оптимальной зоне работы аппа­ ратов. Так как многие уравнения, предлагаемые для этой цели,, основаны на рассмотрении только уноса, то целесообразно пе­ ресмотреть их с этой новой точки зрения.

На основании рассмотрения значительного количества ра­ бот, так или иначе затрагивающих вопрос о гидродинамических режимах в тарелочных аппаратах, можно заключить, что за последние годы достигнуто глубокое понимание гидродинамики процесса барботажа. Намечены и исследованы основные режи­ мы барботажного процесса. Многое сделано для изучения кри­ териев перехода от одного режима к другому.

Мы отметили, что в целом ряде вопросов имеются еще не­ выясненные пункты, которые нуждаются в исследовании. Точное знание гидродинамики барботажа уже принесло существенную практическую пользу при проектировании и эксплуатации про­ мышленных установок.

Следует углубить изучение этого важного процесса, чтобы еще более повысить эффективность барботажных аппаратов.

§4. ГИДРОДИНАМИКА НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН

Внасадочных колоннах мы имеем случай движения жид­ кости и газа через слой твердых тел различной конфигурации. Изучение этого движения жидкого потока за последнее десяти­ летие [69, 70, 71, 72, 73, 74, 75] позволило выяснить механизм процесса и сформулировать основные закономерности этого про­ цесса. Глубокое изучение процесса, вместе с тем, дало возмож­ ность значительно интенсифицировать процесс и расширить об­ ласть его применения.

При изучении противоточного движения газа и жидкости в насадочных колоннах наблюдаются 4 режима движения, возни­ кающие в зависимости ют плотности орошения и скорости газа.

П л е н о ч н ы й р е ж и м имеет место при малых плотностях орошения и малых скоростях газа (пара).

,В этом режиме орошающая жидкость движется по орошае­ мой насадке в виде капель и пленок, перемещающихся от од­ ного элемента насадки к другому. (Контакт между паром и жид­ костью осуществляется на поверхности насадки, смоченной жид­ костью. Пар движется в этом режиме непрерывным сплошным потоком, заполняя свободный объем насадки. Таким образом, дисперсной фазой здесь является жидкость, а сплошной фа­ зой — газ.

ному режиму. В промежуточном режиме уже начинает сказы­ ваться и тормозящее действие жидкости на паровой поток. Жидкость здесь покрывает насадку, стекая по ней в виде пле­ нок и струй. Эти пленки и струи, затормаживая пар, заставля­ ют его образовывать вихри. Взаимодействие фаз происходит на поверхности пленки и струй. Сплошной фазой здесь являет­ ся паровая фаза. При дальнейшем развитии этого режима воз­

скоростях газа, который препятствует стоку жидкости и вызы­ вает подвисание (задержку) жидкости в насадке. Взаимодейст­ вие фаз происходит на поверхности турбулизированной пленки жидкой фазы.

рования.

В турбулентном режиме сплошной фазой все еще остается паровая фаза. В режиме эмульгирования .нельзя уже опреде­

чрезвычайно интенсивное перемешивание фаз.

Режим этот возникает при увеличенных плотностях ороше­ ния и скорости газа. Как в той, так и в другой фазах, при этом режиме возникают многочисленные вихри. При дальнейшем уве­ личении скорости газа в некоторый момент жидкость перестает перемещаться вниз; и увлекается потоком газа вверх. Проис­ ходит то, что называется «захлебыванием». Жидкость подни­ мается выше верхнего уровня насадки и выбрасывается из ап­ парата.

Графическое выражение всех указанных выше режимов дано на рис. 98, причем на горизонтальной оси отложена скорость га­ за в колонне, считая на свободное сечение, а на вертикальной оси — перепад давления на единицу высоты насадки.

как было выяснено, что эмульгационный режим работы насадоч-

Рис. 99. Эмульгационная колонна: