ИЗУЧЕНИЕ  ГИДРОДИНАМИКИ  ТАРЕЛЬЧАТЫХ  И НАСАДОЧНЫХ  КОЛОНН

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  1

 

Цель работы: практическое ознакомление с работой тарельчатых и насадочных колонн, определение гидравлических сопротивлений и изучение влияния скорости газа на сопротивление тарелок и насадок.

Приборы и принадлежности: тарельчатая и насадочная колонны, ротаметры РС-7 и РС-5, микроманометр с наклонной трубкой.

Установка для изучения гидродинамики состоит из тарельчатой и насадочной колонн (рис. 1).

 

Рис.1. Схема установки для изучения гидродинамики тарельчатых и насадочных колонн

Тарельчатая колонна 1 состоит из цилиндрического корпуса, выполненного из органического стекла. Внутри колонны имеются две колпачковые 5 и две ситчатые тарелки 2. Каждая ситчатая тарелка имеет различное число и различный диаметр отверстий. Каждая колпачковая тарелка имеет по два капсульных колпачка 3. В нижней части колпачка имеются прорези в виде равнобедренного треугольника.

Вода в колонну подается сверху через ороситель 7 и перетекает вниз с тарелки на тарелку по сегментным переливным каналам 4. Концы переливных каналов находятся в сливных карманах 6, создавая гидравлический затвор на тарелках, что предотвращает проскок воздуха по сливным каналам. Сливные каналы выступают над тарелками, образуя сливной порог, что обеспечивает определенный уровень жидкости на тарелках. Подача воды в колонну регулируется вентилем 16, а ее расход измеряется ротаметром 8. Для подачи воды в тарельчатую колонну необходимо, чтобы рукоятка трехходового крана 18 находилась в положении Т (тарелка). Вода, сливаясь в нижнюю часть колонны, отводится через гидрозатвор и вентиль 21 в канализацию.

Воздух от компрессора подается через ротаметр 12, которым измеряется его расход, и поступает в нижнюю часть колонны выше точки слива воды по гидрозатвору. Расход воздуха регулируется вентилем 17. При подаче воздуха в тарельчатую колонну необходимо, чтобы вентиль 20 был открыт, а вентиль 19 закрыт.

Для измерения гидравлического сопротивления тарелок колонна снабжена пробоотборниками I-V.

Насадочная колонна 9 имеет два слоя насадки из керамических колец Рашига размером 15*15*2 мм, расположенных на опорных решетках 10. Для перераспределения жидкости по сечению колонны и отвода ее от стенок под верхним слоем насадки установлен направляющий конус 11. Вода на орошение поступает в верхнюю царгу через ороситель. Расход воды измеряется ротаметром 8 и регулируется вентилем 16. При этом регулятор 18 должен находиться в положении Н (насадка). Слив воды идет в нижнюю часть колонны, а затем через гидрозатвор и вентиль 22 в канализацию.

Подача воздуха от компрессора регулируется вентилем 17 и измеряется ротаметром 12. При этом вентиль 19 должен быть открыт, а вентиль 20 закрыт.

Гидравлическое сопротивление насадки измеряется через пробоотборники VI-VIII.

Тарельчатая и насадочная колонны могут работать только раздельно. Переключение осуществляется регулятором 18 и вентилями 19, 20. Регулирование слива из колонн производится вентилями 21 и 22 для предотвращения переполнения колонн жидкостью и возможного прорыва воздуха через слив.

Измерения гидравлических сопротивлений (перепада давлений) осуществляется микроманометром с наклонной трубкой 13 типа ММН, который подключен через многоходовые переключатели 14 (вход) и 15 (выход) с пробоотборниками. Для измерения перепада давления, например, верхней колпачковой тарелки необходимо переключатель 14 установить в положение II (т.е. отбор воздуха пойдет через пробоотборник II), а переключатель 15 в положение III (отбор сверху тарелки), и по микроманометру снять показания гидравлического сопротивления в мм. вод. ст. Аналогично производятся измерения для других тарелок и насадки или группы тарелок и колонн в целом.

В барботажных аппаратах, к которым относится тарельчатая колонна, контакт фаз осуществляется путем барботажа (пробулькивания) газа через слой жидкости. На колпачковой тарелке газ проходит по патрубкам под колпачками и барботирует через жидкость, выходя через прорези колпачков. На ситчатой тарелке газ проходит через небольшие отверстия в плоской тарелке и барботирует через жидкость, находящуюся на ней.

В насадочной колонне кольца Рашига, беспорядочно засыпанные в аппарат, увеличивают поверхность соприкосновения газа и жидкости. Жидкость стекает по поверхности насадки тонкой пленкой и одновременно распределяется в слое в виде капель и брызг.

 

Характеристика тарельчатой колонны:

 

Внутренний диаметр колонны – 150 мм

Количество колпачков на тарелке – 2 шт

Внутренний диаметр колпачка – 40 мм

Число прорезей в колпачке – 8 шт

Форма прорези – равнобедренный треугольник

Размер зуба у основания – 15 мм

Высота зуба – 10 мм

Высота перелива (сливного порога) – 20 мм

Периметр перелива – 150 мм

Площадь перелива – 8.0*10^{-4 м2}

Ситчатая тарелка (нижняя) имеет 216 отверстий диаметром

4 мм

Ситчатая тарелка (верхняя) имеет 238 отверстий диаметром

3 мм

 

Характеристика насадочной колонны:

 

Диаметр колонны – 125 мм

Высота насадки (общая) - 600 мм

Высота насадки в одной царге – 300 мм

 

ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ

 

Общие сведения

В химической технологии широко распространены процессы, основанные на взаимодействии газа и жидкости. К ним относятся, в первую очередь, массообменные процессы, связанные с переходом вещества из фазы в фазу. К массообменным процессам относятся абсорбция, ректификация, экстракция, сушка и другие. Эти процессы в промышленных установках проводятся в аппаратах колонного типа.

Скорость перехода вещества из фазы в фазу пропорциональна поверхности соприкосновения фаз (поверхности контакта фаз). А саму скорость определяют как количество вещества, переходящего из фазы в фазу в единицу времени. Увеличение поверхности контакта фаз способствует более интенсивному течению процесса перехода вещества из одной фазы в другую. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к массообменному аппарату, является создание развитой поверхности контакта фаз между газом и жидкостью. Однако создание необходимой поверхности в этих аппаратах требует затраты энергии на преодоление сопротивлений движению газа (гидравлических сопротивлений).

Современные масштабы производства требует создания мощных аппаратов. Достаточно сказать, что в настоящее время имеются тарельчатые колонны диаметром 12 м и высотой 100 м. Гидравлическое сопротивление таких аппаратов, вызванное потерей напора на трение и местные сопротивления, велико и требует достаточно точной оценки при проектировании. Поэтому необходимо знать влияние различных факторов на гидравлическое сопротивление. Знание этих факторов позволяет получить необходимые расчетные уравнения.

Тарельчатые колонны

Тарельчатые колонны бывают с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, провальными и другими типами контактных устройств – тарелками. Они относятся к барботажным аппаратам, в которых поверхность соприкосновения фаз создается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струй. Особенностью тарельчатых колонн является то, что газ и жидкость последовательно соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата. В колоннах с колпачковыми тарелками газ проходит по патрубкам в пространстве под колпачком и барботирует через жидкость на тарелке, выходя из прорезей колпачков. В ситчатых аппаратах газ проходит через жидкость, находящуюся на тарелках.

При барботаже часть газа вследствие трения диспергируется в жидкость, образуя пену, а часть жидкости увлекается газом в виде брызг, что и создает развитую поверхность соприкосновения фаз (жидкости и газа).

Скорость газа оказывает непосредственное влияние на интенсивность пено- и брызгообразования. В зависимости от скорости газа различают три режима работы барботажных тарелок:

- режим непрерывной работы – наблюдается при скорости газа в свободном сечении колонны (между тарелками) 0,5-0,6 . При такой скорости прорези колпачков закрыты жидкостью не полностью. Газ барботирует по всей поверхности тарелки, и в отдельных местах остается небарботируемая жидкость;

- режим равномерной работы – наступает при увеличении скорости газа свыше 0,6-0,7 . При этом прорези колпачков полностью открыты. На тарелке образуется пена;

- режим газовых струй – наблюдается при скорости газа 0,9-1,1 . В этом случае газ движется через жидкость в виде струй, которые выходят на поверхность пены, разрушая ее. При дальнейшем увеличении скорости газа начинается унос жидкости на вышележащую тарелку, что приводит к захлебыванию тарелки. Это сопровождается увеличением перепада давлений газа.

Гидравлическое сопротивление тарельчатого аппарата зависит от его конструктивных особенностей, определяемых типом тарелки. Гидравлическое сопротивление различных типов тарелок будет неодинаково.

Общее гидравлическое сопротивление любой тарелки

,                                       (1)

где - сопротивление сухой тарелки, Па;

- сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, Па;

- статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па.

Гидравлическое сопротивление сухой колпачковой и ситчатой тарелок для случая равномерного режима, т.е. при полном открытии прорезей и отверстий

,                                                 (2)

где - плотность газа при рабочих условиях (плотность воздуха при );

- коэффициент сопротивления. Для колпачковых тарелок со свободным сечением отверстий 7-10% он равен 4,5-5,0, для ситчатых - 1,82;

- скорость газа в прорезях колпачка или в отверстиях тарелки,

,                                                                     (3)

где - живое сечение прорезей или отверстий тарелки, равное отношению суммарной площади прорезей или отверстий к площади поперечного сечения колонны;

- скорость газа в свободном сечении колонны, .

,                                                             (4)

где - объемный расход газа, ;

- площадь поперечного сечения колонны,

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения:

,                                                         (5)

где - поверхностное натяжение жидкости (воды). При =0,072 ;

- эквивалентный диаметр отверстия, м;

Для колпачковых тарелок:

,                                                            (6)

где - площадь свободного сечения прорези, ;

- периметр прорези, м;

Для ситчатых тарелок  равен диаметру отверстия.

Сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке (при полном открытии прорезей)

,                                   (7)

где - ускорение силы тяжести, ;

K - отношение плотности газожидкостного слоя (пены) к плотности чистой жидкости (при расчетах принимается );

- плотность воды при температуре  

 - расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога (рис.2), м. Для исследуемой тарелки  м;

 - высота прорези, м;

- высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

Величина  определяется по формуле

,                                                          (8)

где - объемный расход жидкости, ;

П – периметр сливного устройства м;

 - коэффициент, учитывающий плотность пены, .

Сопротивление столба жидкости на ситчатой тарелке

,                                            (9)

где - высота сливного порога, м (рис 3).

Все остальные величины, входящие в эту формулу, определяются так же, как и для колпачковой тарелки. Если в колонне имеется несколько однотипных тарелок, то общее их сопротивление

,                                                                 (10)

где n – число тарелок в колонне.

 представляет ту энергию, которую необходимо сообщить газу для движения его по колонне с заданной скоростью.

а)                                       б)

Рис. 2. Эскиз колпачка

а) колпачковая тарелка; б) ситчатая тарелка.

Насадочные колонны

Основным элементом этого типа колонн является насадка – твердые тела различной формы, предназначенные для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости.

Существует три гидродинамических режима работы насадочных колонн: пленочный, подвисания (турбулентный) и эмульгирования.

Пленочный режим наблюдается при низких скоростях газа, когда жидкость стекает по насадке в виде пленки, и газ контактирует с жидкостью по поверхности этой пленки.

При увеличении скорости возникает турбулизация жидкости. При этом движение жидкости по насадке начинает тормозиться потоком газа. Такой режим называется режимом подвисания.

В режиме эмульгирования насадка начинает затопляться жидкостью. В этих условиях газ барботирует через жидкость с образованием газожидкостной системы (пены). Поверхность соприкосновения фаз значительно возрастает. Одновременно увеличивается гидравлическое сопротивление.

Скорость, соответствующая началу режима эмульгирования, называется скоростью инверсии. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к тому, что силы трения газа о жидкость становятся больше сил тяжести жидкости и начинается движение жидкости снизу вверх. Критическая скорость, соответствующая началу уноса жидкости газом, называется скоростью захлебывания.

Преимущество насадочных колонн – это низкое гидравлическое сопротивление, особенно в пленочном режиме, простота конструкции, малая металлоемкость. В то же время величина удельной поверхности контакта фаз в насадочных аппаратах несколько ниже, чем в тарельчатых.

Сопротивление сухой (неорошаемой) насадки определяется по уравнению:

,                                                   (11)

где  - коэффициент сопротивления при прохождении газа через слой насадки, безразмерный;

Н - высота слоя насадки, м;

- удельная поверхность насадки, . Для колец Рашига размером 15*15*2 мм ;

- плотность газа (воздуха). При ;

- фиктивная скорость газа, ;

- свободный объем насадки, .

Фиктивная скорость газа, т. е. скорость, отнесенная к полному поперечному сечению аппарата, находится как

,                                                                    (12)

где - расход газа, ;

S - площадь поперечного сечения колонны, .

Коэффициент сопротивления  зависит от режима движения газа и имеет следующие значения для беспорядочно засыпанной насадки:

при ламинарном движении

                                                                   (13)

при турбулентном движении

                                                                  (14)

Критерий Рейнольдса определяется из выражения

,                                                              (15)

где - динамическая вязкость газа (воздуха), . При

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки больше сопротивления сухой насадки. Это объясняется тем, что некоторое количество жидкости задерживается в насадке вследствие смачивания ее поверхности и скопления в узких криволинейных каналах, образуемых соприкасающимися насадочными телами. При этом уменьшается свободное сечение каналов и свободный объем насадки и, соответственно, увеличивается действительная скорость газа  в результате чего возрастает сопротивление насадки

Точный расчет  затруднителен. Для приближенного расчета величины , при работе в режимах ниже точки инверсии, можно использовать уравнение

,                                                                  (16)

где - коэффициент, для колец Рашига 15*15*3 мм  

- плотность орошения,

,                                                                (17)

где - объемный расход жидкости на орошение колонны, .

При малых плотностях орошения (менее ) можно воспользоваться формулой

,                                                  (18)

где k– опытный коэффициент; для уложенной «навалом» насадки

 - расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога (рис.2), м. Для исследуемой тарелки  м;

Фиктивная скорость газа в точке захлебывания (инверсии) рассчитывается по уравнению

.              (19)

Здесь - динамическая вязкость жидкости (воды), при ;

- ускорение свободного падения, ;

- плотность жидкости (воды), при = 1000 кг/м³;

 и - массовые расходы жидкости и газа соответственно, , определяемые по выражениям:

,

.