5.1.1. Массообменные аппараты способы организации контакта фаз

В данном разделе рассматриваются общие закономерности процессов, реализующихся в массообменных аппаратах. Процессы массопередачи называют диффузионными, так как перенос вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей осуществляется в результате диффузии.

Механизм массопередачи. Рассмотрим механизм массопередачи на примерах, изображенных на рисунке 33.1.

Как видно из рисунка 33.1, потоки взаимодействующих фаз разделяются на две характерные области - ядро потока и пограничный слой, располагающийся непосредственно вблизи поверхности контакта с другой фазой. В пограничном слое резко изменяется концентрация переносимого компонента. В ядре потока концентрация практически постоянна; она выравнивается турбулентными пульсациями.

Массолередача в системе газ — жидкость. На стыке пограничных слоев жидкой и газообразной фаз (рис. 33.1, а)

Так же как для процессов распространения теплоты в твердом теле, это уравнение имеет аналитическое решение (в виде бесконечного ряда) для тел простейшей формы - неограниченной пластины, бесконечного цилиндра и шара. Для облегчения расчетов часто пользуются графиками, позволяющими определить концентрацию внутри твердого тела.

С помощью уравнения (33.1) находят среднюю концентрацию твердых частиц в зависимости от продолжительности процесса. Зная эту величину, можно получить необходимые сведения о кинетике процесса, а также об его эффективности по средней концентрации твердой частицы в конце процесса или кинетике изменения ее в течение процесса.

Для твердых тел произвольной формы вывод расчетного уравнения массопроводности на основе функции общего вида, выраженной зависимостью (33.1), возможен в каждом конкретном случае путем опытного определения средних (по объему частиц) концентраций в различные моменты времени и обработки экспериментальных данных.

В массообменных аппаратах необходим контакт фаз, обменивающихся массой. Для создания тесного контакта газа (пара) и жидкости применяют следующие приемы: организуют пленочное течение жидкости в трубчатых (см. рис. 33.2) или насадочных (см. рис. 33.4) колоннах, течение газа сквозь каскады жидкости, стекающей с одной поверхности на другую (см. рис. 33.3), барботаж газообразной фазы через слой жидкости с образованием струй, пузырей, пены, брызг, пенное течение жидкой и паровой фаз (см. рис. 33.8).

5.1.2. Массообменные аппараты с пленочным течением

Пленочное течение характеризуется течением тонких пленок жидкости по вертикальной или наклонной поверхности. Различают пленочные ректификационные колонны (трубчатые и ротационные), а также насадочные аппараты (скрубберы).

Ректификационные колонны. Примеры устройства пленочных ректификационных колонн приведены на рисунках 33.2 и 33.3.

Газовая фаза над пленкой может иметь различные скорости движения: от нуля и выше. При скорости воздушного потока 3,5 м/с движение газа практически не оказывает влияния на движение пленок. При скорости 7 м/с наблюдается унос брызг.

Характеристики движения самой пленки жидкости определяются значением критерия Рейнольдса (Re), вычисляемого по формулами

где v_cp — средняя скорость течения жидкости, м/с; d₃ — эквивалентный диаметр потока, м; v — кинематический коэффициент вязкости, м²/с; р — плотность жидкости, кг/м³; Yср— средняя толщина пленки, м; m — масса пленки жидкости, стекающей за 1 с через 1 м ее ширины кг/(м - с).

Ламинарное течение жидкой пленки имеет место при Re < 30. При этом стекающая пленка прозрачна. При Re > 1500 течение пленки турбулентно. Сплошность пленки нарушается при малой ее толщине (менее 50мкм в спокойном воздухе). Нарушение сплошности происходит под действием сил поверхностного натяжения.

Скорость течения пленок вблизи твердых стенок изменяется по параболическому закону. Отношение максимальной и средней

скоростей в пограничном слое V_max / V_ср = 3/2.

Насадочные аппараты (скрубберы). Эти аппараты служат для осуществления контакта жидкости и газа. В скруббере (рис. 33.4) жидкость и газ проходят навстречу друг другу через насадку, уложенную на опорную решетку. Как видно из рисунка 33.4, отвод жидкости может быть организован либо из нижней точки скруббера, либо на более высоком уровне. В последнем случае аппарат называют скруббером с принудительным эмульгированием

Жидкость

Рис. 33.4. Схема скруббера с принудительным эмульгированием:

1. —насадка; 2— решетка с насадками; 3— форсунка

Различают четыре характерных режима течения в насадочных скрубберах при противоточном движении фаз:

1) ламинарный — при малых расходах (скоростях движения компонентов);

2) промежуточный, характеризуемый началом торможения течения жидкости;

3) турбулентный, при котором течение жидкости турбулизировано; характеризуется наличием частичного задерживания жидкости в насадке — ее «зависания»;

4) эмульгационный, при котором фазы непрерывно меняются ролями — то одна, то другая делаются сплошной, а вторая - дисперсной. Это явление называют инверсией фаз. В таком режиме перемешивание фаз наиболее интенсивно. При дальнейшем увеличении скорости газа наблюдается «захлебывание». При этом жидкость поднимается выше уровня насадки и выбрасывается из аппарата.

Зависимость сопротивления движению газа (Ар) (перепад напора по газовой линии) от скорости движения газа в свободном сечении приведена на рисунке 33.5. Критические точки а...г соответствуют изменениям режимов течения.

Обобщение экспериментальных данных для расчета положения точки инверсии, соответствующей началу эмульгационного режи­ма, позволяет представить зависимость скорости инверсии фаз от режимных параметров аппроксимирующим уравнением вида

Ряс. 33.5. Режимы работы насадочной Ар, колонны:

1 — пленочный; 2— промежуточный; 3 — турбулентный; 4— эмульгашгонный; характерные точки: а — торможения; б— подвисания; в — инверсии фаз; г—захлебывания