Исследование гидродинамики насадочных аппаратов. Лабораторная работа - файл n1.doc

Исследование гидродинамики насадочных аппаратов. Лабораторная работа
скачать (148 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc148kb.03.11.2012 08:24скачать

n1.doc

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ НАСАДОЧНЫХ АППАРАТОВ

l. Цель работы

Исследование работы насадочных колонн, визу­альное наблюдение за режимами работы, определе­ние гидравлического сопротивления эксперименталь­ным и расчетным путем.

2. Содержание работы

1. Изучить конструкцию насадочных колонн и ти­пы насадочных тел, применяемых в аппаратах.

2. Рассмотреть и визуально наблюдать режимы работы насадочных колонн.

3. Описать влияние режимов работы на гидроди­намическую картину в аппарате и эффективность его работы.

4. Усвоить основные геометрические параметры насадочных аппаратов (диаметр и высота аппарата, свободный объем, удельная поверхность и эквива­лентный диаметр насадочных тел).

5. Усвоить понятия фиктивной и действительной скоростей в насадках.

6. Обосновать модель слоя насадочных тел.

7. Экспериментальное и теоретическое определе­ние гидравлического сопротивления насадочного скруббера.
3. Теоретическая часть

3.1. Основные понятия и термины

Основными понятиями и терминами являются: насадочная колонна, насадочные тела, свободный объ­ем и удельная поверхность насадочных тел, скорость газового потока, число Рейнольдса по газу, режимы работы насадочных колонн, гидравлическое сопро­тивление насадочных колонн.

При подготовке к выполнению данной лаборатор­ной работы с этими терминами следует ознакомить­ся (1,стр. 468—473).

3.2. Основные положения

В химической технологии широкое распростране­ние получили массообменные процессы, в которых одно или несколько веществ переходят из жидкой фазы в газовую или наоборот. Переход вещества из одной фазы в другую осуществляется через поверх­ность их контакта, и при прочих равных условиях ко­личество прошедшего вещества пропорционально площади этой поверхности, поэтому увеличение меж­фазной поверхности в массообменных аппаратах яв­ляется одним из способов повышения их производи­тельности.

В промышленных массообменных аппаратах для создания поверхности контакта между жидкой и газовой фазами применяются следующие способы:

пленочное течение жидкости вдоль твердой поверхности, омываемой потоком газа;


Рис. 11.1. Схема устройства насадочного аппа­рата:

/—колонна; 2—насадка; 3—опорная решетка;

4—распределитель жидкости: 5—перераспреде­литель жидкости

барботаж газа через слой жидкости;

распыление жидкости в газовом потоке;

движение газа вдоль зеркала жидкости.

Конструкции аппаратов, в которых реализуются эти способы, отличаются большим разнообразием.

Широкое распространение в химической промыш­ленности получили насадочные аппараты. В этих ап­паратах поверхность контакта фаз образуется по первому способу. Насадочный аппарат (рис. 11.1) представляет собой колонну 1, заполненную насад­кой. Насадка—это твердые тела различной формы. Насадка укладывается на опорные решетки 3, имею­щие отверстия или щели для прохождения газа и сто­ка жидкости. Жидкость с помощью распределителя 4 равномерно орошает насадку и стекает по ее поверхности вниз, а снизу вверх через слой насадки продувается газ.

Обычно орошающая жидкость только вверху ко­лонны равномерно распределяется по поперечному сечению аппарата и по мере продвижения вниз


Рис. 11.2. Типы насадок:

а—кольца Рашига (уложены беспорядочно); б— кольца с перегородками (уложены правильно):

в—насадка Гудлое; г – кольца Паля; д – на­садка «Спрейлах»; е—седла Берля; ж—хордо­вая насадка; з седла «Инталлокс»

оттесняется потоком газа от центра колонны к стен­кам, поэтому для равномерного смачивания по всему объему в колоннах большого диаметра насадку ук­ладывают слоями высотой 2ч3 м и под опорной ре­шеткой каждого слоя, кроме нижнего, устанавливают перераспределители жидкости 5.

В качестве насадки применяются разнообразные по форме и размерам тела. Наиболее распространен­ные в промышленности типы насадки изображены на рис. 11.2. Иногда в качестве насадки используют куски кварца или кокса размером 25ч100 мм, засы­паемые в колонну навалом.

Насадка, заполняющая колонну, характеризуется свободным объемом (пористостью), удельной по­верхностью и эквивалентным диаметром. Свободный объем ?[м33] определяет относительную долю пу­стот в общем объеме насадки и вычисляется как

(11.1)

где V — общий объем, занимаемый слоем насад­ки, [м3];

Vп — объем пустот в слое насадки, 3];

Vt — объем материала, из которого изготовле­на насадка, [м3].

Свободный объем можно вычислить и как отно­шение

(11.2)

где So — суммарное живое сечение пустот и пор в поперечном сечении насадки, [м2];

S — площадь поперечного сечения аппара­та, [м2].

Удельная поверхность a m2/m3 представляет собой поверхность насадки, приходящуюся на единицу ее объема.

При движении через слой насадки жидкости или газа или их смеси можно считать, что поток движется внутри каналов неправильной формы, образуемых пустотами и порами между элементами насадки. Эти каналы имеют различную конфигурацию, они не су­ществуют изолированно, и по пути потока происходит их постоянное слияние и разветвление, поэтому ко­личество каналов в каждом поперечном сечении слоя насадки различно. В расчетах под количеством ка­налов слоя следует понимать некоторую осредненную по его высоте величину. Средний эквивалентный диа­метр таких каналов и представляет собою эквива­лентный диаметр слоя насадки. Он определяется как

(11.3)

где rг— гидравлический радиус канала;

П — средний по высоте слоя смоченный пери­метр канала,[м].

Эквивалентный диаметр выражается через пори­стость и удельную поверхность насадки. Если умно­жить So и П на число каналов n и высоту слоя Н, то можно получить:

— объем пустот слоя насадки;

— общая поверхность слоя на­садки.

Решение этих уравнений относительно So и П и под­становка их значений в (11.3) приводит к выражению

(11.4)

В гидравлических расчетах насадочных аппара­тов обычно используется не действительная скорость движения потока в каналах слоя насадки Vк[м/с], а фиктивная V[м/с], под которой понимают скорость движения потока, отнесенную к полному сечению ап­парата и определяемую как

(11.5)

где Qy — объемный расход газа в аппарате, [м3/с];

Gy — массовый расход газа в аппарате, [кг/с].

Из условия неразрывности потока



следует, что

(11.6)

В насадочном аппарате при противоточном дви­жении газовой и жидкой фаз наблюдаются четыре гидродинамических режима: пленочный, промежу­точный, турбулизации и эмульгирования, которые по мере увеличения скорости движения газовой фазы последовательно сменяют друг друга. Характер за­висимости потери давления в разовой фазе от скоро­сти ее движения определяется режимом работы ап­парата. На рис. 11.3 в полулогарифмической системе координат изображен типичный для насадочного ап­парата график зависимости градиента давления от фиктивной скорости

(11.7)

где ∆Р — потеря давления в газовой фазе, по вы­соте слоя насадки, [н/м2];

Н — высота слоя насадки, [м].

Кривая I относится к сухой насадке, кривая II — к орошаемой. На кривой II можно выделить участки, соответствующие указанным режимам работы наса­дочного аппарата.

При малых скоростях движения газа имеет место пленочный режим (участок а). В этом режиме жид­кость перемещается от элемента к элементу насадки в виде



Рис. 11.3. Гидродинамические режимы работы насадочной колонны:

I — для сухой насадки:

II—для орошаемой насадки;

А—пленочный режим; В— промежуточный режим;

С— режим турбулизации; D режим эмульгирования.

капель и пленок, причем некоторые участки элементов могут не смачиваться. В пленочном режи­ме газ движется между элементами насадки как сплошная фаза и контактирует с жидкостью в основ­ном на смоченных поверхностях элементов.

В точке 1, называемой точкой торможения дви­жение жидкости по насадке начинает тормозиться газовым потоком, скорость жидкости уменьшается, и пленочный режим сменяется промежуточным (уча­сток В). В промежуточном режиме жидкость покры­вает насадку в виде стекающей тонкой пленки и отдельных струек, образуются отдельные вихри. Вза­имодействие между фазами происходит не только на смоченной поверхности насадки, но и на развитой поверхности пленок и струек.

С увеличением скорости газа в результате возрас­тающего торможения жидкость при скоростях газо­вого потока, соответствующей точке 2, называемой точкой подвисания, начинает подвисать на поверх­ности насадки, и промежуточный режим сменяется режимом турбулизации (участок С). При этом ре­жиме жидкость накапливается в аппарате, ее поверх­ность турбулизуется, и во всем объеме аппарата на поверхности жидкости наступает интенсивное вихре-образование. Взаимодействие между фазами проис­ходит на поверхности турбулизированной пленки жидкости, газ в этом режиме является сплошной, а жидкость — дисперсной фазой.

Накопление жидкости в насадке приводит к тому, что в точке 3, называемой точкой инверсии фаз, появляется новый гидродинамический режим – эмульгирование. Режим эмульгирования характеризуется интенсивным перемешиванием жидкой и газовой фаз, при этом невозможно сказать, какая из фаз является сплошной, а какая — дисперсной, так как они непре­рывно инверсируют и в отдельных объемах аппарата поочередно становятся то сплошной, то дисперсной фазами. В режиме эмульгирования резко возрастает поверхность фазового контакта, и происходят непре­рывное ее обновление.

Режим эмульгирования возникает не одновремен­но во всем объеме аппарата. Ввиду неравномерности укладки насадки он появляется там, где скорость движения газа наибольшая, то есть в местах с наи­более плотной укладкой насадки, и по мере увеличе­ния расхода газа быстро распространяется на весь объем аппарата. Гидравлическое сопротивление ко­лонны при этом резко возрастает, на графике этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком.

Когда весь слой насадки оказывается занятым га­зожидкостной эмульсией, увеличение расхода газа приводит к накапливанию жидкости поверх насадки;

Это явление называется захлебыванием, а точка 4, соответствующая началу захлебывания, — точкой за­хлебывания. В режиме захлебывания колонна пере­стает нормально работать, и этот режим на практи­ке используется только для смачивания насадки, при пуске колонны.

При визуальном наблюдении за работой насадочной колонны и на графике зависимости градиента давления от фиктивной скорости точки торможения и подвисания и промежуточный режим иногда про­являются нерезко, точка же инверсии всегда прояв­ляется резко и четко обнаруживается.

По мере увеличения расхода газовой фазы и по­следовательной смены режимов возрастает поверх­ность контакта фаз, что увеличивает эффективность работы аппарата, однако при этом возрастает и его гидравлическое сопротивление, и энергетические за­траты на проведение процесса увеличиваются. Если колонна работает под повышенным внутренним дав­лением, то целесообразна работа насадочных аппа­ратов в режимах эмульгирования и турбулизации, при работе колонны под атмосферным давлением и под вакуумом гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что делает целесо­образным, ее эксплуатацию в промежуточном и, возможно, пленочном режимах. Наиболее точно опти­мальный режим работы колонны следует определить с помощью технико-экономических расчетов.

Определение потерь давления в газе при его те­чении через сухую неорошаемую насадку сопряжено со значительными математическими трудностями. Задача определения потерь давления намного услож­няется, когда газ движется через орошаемую насад­ку, поэтому для получения простых расчетных зави­симостей, пригодных для инженерных расчетов, рассматривают движение потока не в каналах реаль­ного слоя насадки, а в каналах идеальной пористой среды, являющейся упрощенной, моделью реального слоя насадки. Идеальная пористая среда представ­ляет собою набор цилиндрических каналов, диаметр которых равен эквивалентному диаметру слоя на­садки, длина каналов равна высоте слоя, а их чи­сло—количеству каналов реального слоя насадки.

Согласно известному уравнению Дарси—Вейсбаха, при движении в прямолинейном цилиндрическом канале длиной 1 и диаметром d жидкости с плот­ностью ? и вязкостью ? со скоростью ? потери дав­ления равны
(11.8)
где ? коэффициент трения для цилиндрического канала.
Чтобы применить, это уравнение для движения газов в прямолинейных цилиндрических каналах сухой иде­альной пористой среды, надо в уравнении (11.8) и в выражении для числа Рейнольдса заменить 1 на Н, d на dэ,? на ?к . После указанной подстановки по­лучается следующая зависимость, позволяющая рас­считать гидравлическое сопротивление при движе­нии газа через сухую насадку

(11.9)

где ?с=f(Re) — коэффициент сопротивления для слоя насадки;
(11.10)

Re — число Рейнольдса для газа, дви­жущегося в слое насадки.
Коэффициент сопротивления ?с в уравнении (11.9) лишь формально напоминает коэффициент трения ? уравнения (11.8). Коэффициент ?с, в отличие от ?, учитывает не только потери на трение, но и дополни­тельные потери давления в местных сопротивлениях, возникающие в потоке газа при движении по искрив­ленным каналам реального слоя насадки.

Вид зависимости ?c=f(Re) для различных наса­док выявляется экспериментально. Установлено, на­пример, что для слоя насадки, состоящего из беспо­рядочно засыпанных колец Рашига при ламинарном режиме движения газа в слое, когда Re<40,

(11.11)

при турбулентном режиме движения газа, когда Re>40,

(11.12)
Гидравлическое сопротивление орошаемой насад­ки ∆pор [н/м2] больше сопротивления сухой. Это объ­ясняется тем, что часть жидкости удерживается на­садкой вследствие смачивания ее поверхности и скопления в узких криволинейных каналах, что уменьшает их живое сечение и соответственно увели­чивает скорость движения газа в насадке, в резуль­тате чего возрастает гидравлическое сопротивление слоя. Сопротивление орошаемой насадки до начала режима эмульгирования можно определить как
(11.13)
где k — поправочный коэффициент, определяе­мый из уравнения
(11.14)
где Gx – расход жидкости, подаваемой на орошение колонны, [кг/м2 с];

Gy – расход газа через колонну, [кг/м2с];

?y, ?x – плотность газа и жидкости, [кг/м3];

?y, ?x – вязкость газа и жидкости, [нс/м2];

C – безразмерный коэффициент, определяемый по графику (рис.11.4).


Рис. 11.4. График для определения коэффици­ента

На горизонтальной оси графика (рис. 11.4) отло­жены значения ?/?ин, где ?ин —фиктивная скорость газа, соответствующая точке инверсии. Значение ско­рости Vim можно определить с помощью уравнения

(11.15)
где А — безразмерный коэффициент.

Для газожидкостных систем А= -0,073 для парожидкостных систем А= -0,125.

Величина Gx/Gy. входящая в уравнения (11.14) и (11.15), называется относительным орошением:

Графические зависимости ∆P/H=f (?) можно по­лучить или для постоянного расхода жидкости Gx=const, когда в опытах меняется только расход воз­духа, а орошение постоянно, или для постоянного относительного орошения Gx/Gy=const, когда в опы­тах и орошение и расход воздуха изменяются про­порционально.

Из анализа уравнений (11.14) и (11.15) следует, что скорость, соответствующая точке инверсии, а сле­довательно, и скорости, отвечающие остальным кри­тическим точкам, будут тем меньше, чем больше от­носительное орошение. Для Gx/Gy=const кривые гидравлического сопротивления проходят круче, чем для Gx=const. Увеличение орошения при постоян­ном расходе газа приводит к увеличению гидравли­ческого сопротивления слоя



Рис. 11.5. Схема экспериментальной установки:

/— скруббер; 2—насадка; 3—кран; 4— расходомер воздуха; 5—распределительное устройство; 6—вен­тиль; 7—расходомер воды; 8—гидрозатвор; 9—вен­тиль; 10—дифманометр; 11,12термометры

4. Описание лабораторной установки.

Установка (рис. 11.5) состоит из скруббера I за­полненного насадочными телами 2. В нижнюю часть скруббера подается воздух, расход которого изме­няется регулирующим устройством 3 и измеряется расходомером 4.

В верхнюю часть скруббера на насадочные тела через распределительное устройство 5 производится подача воды, расход которой регулируется вентилем 6 и измеряется расходомером 7. Из скруббера вода отводится через гидрозатвор 8 и сливается в канали­зацию. Гидравлическое сопротивление измеряется дифманометром 10. На линиях воды и воздуха уста­новлены термометры 11 и 12.

5. Методика проведения экспериментов и обработка результатов

5.1. Методика проведения экспериментов

Ознакомиться с инструкцией и установкой, соста­вить эскизную схему установки с ее описанием. По­сле разрешения преподавателя установка приводится в действие.

1. Плавно регулируя расход воздуха, последова­тельно установить заданные показания расходомера 4 газа, снять по дифманометру 10 гидравлическое со­противление сухой насадки и занести показания в таблицу 11.1.

2. Установить заданный расход воды по расходо­меру 7. Плавно изменяя напряжение, последователь­но установить расходы воздуха и определить по дифманометру 10 гидравлическое сопротивление скруб­бера при различных расходах воздуха и заданных плотностях орошения, данные занести в таблицу 11.1.

3. При определенных расходах воздуха и плотно­сти орошения показания днфманометра растут без изменения напряжения, а расход воздуха уменьша­ется. Эта неустойчивость процесса говорит о насту­плении режима эмульгирования и захлебывания колонны. Следя за поведением газа и жидкости в ко­лонне и поддерживая постоянный расход жидкости, определить показания расходомера 5, при которых наблюдается захлебывание колонны, и занести их в таблицу 11.1.

4. Повторить пункты 2 и 3 для других расходов воды.

5.2. Обработка опытных данных

Для построения графических зависимостей ∆р/Н = =f (?) рекомендуется обрабатывать опытные данные в следующем порядке:

1. По показаниям расходомеров с помощью тарировочных графиков определить расходы воздуха и воды.

2. По опытным данным рассчитать по формуле (11.5) значения фиктивной скорости газа и вычис­лить соответствующие ей значения градиента давле­ния (11.7) для сухой и орошаемой насадки.

3. Построить графики зависимости градиента дав­ления от фиктивной скорости газа для сухой и оро­шаемой насадки.

Опытные и рассчитанные величины занести в от­четную таблицу 11.1.

Расчетное значение гидравлического сопротивле­ния орошаемой насадки определяется для заданных преподавателем значений орошения и расходе воз­духа. Расчет гидравлического сопротивления реко­мендуется выполнять в следующем порядке:

№ п./п.



Расход воздуха




Фиктив-

ная

скорость

?

[м/с]


Гидравлическое сопротивление насадки


деления

шкалы

рота-

метра



Qy

3/с]

Gx=0

[кг/с]

Gx=

[кг/с]

Gx=

[кг/с]

Gx=

[кг/с]

Gx=

[кг/с]

мм

вод.

ст.


[н/м2]

мм

вод.

ст.


[н/м2]

мм

вод.

ст.


[н/м2]

мм

вод.

ст.


[н/м2]

мм

вод.

ст.


[н/м2]









































Температура воздуха 0С

Температура воды 0С

1. Для заданных расходов воздуха вычислить па формуле (11.5) фиктивную скорость газа.

2. Рассчитать значения числа Рейнольдса по фор­муле (11.10).

3. Определить по формулам (11.11) или (11.12) значения коэффициента сопротивления.

4. Определить для заданных расходов воздуха гидравлическое сопротивление сухой насадки по фор­муле (11.9).

5. Для заданного расхода воздуха Qy определить массовый расход



и при различных расходах жидкости Gx рассчитать по уравнению (11.15) скорость инверсии фаз ?ин.

6. Определить отношение скоростей ?/?ин— для раз­личных значений Gх и по рисунку 11.4 определить ве­личину коэффициента k.

7. Рассчитать по формуле (11.14) значение попра­вочного коэффициента k для различных расходов жидкости Gx при заданном расходе газа Gy.

6. Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать схему лабораторной установки и ее описание, табли­цу измеряемых и рассчитываемых величин, основные расчетные формулы и список справочных данных по насадочной колонне и насадочным телам и физиче­ским свойствам жидкости и газа. В отчете необходи­мо привести расчетные значения гидравлического со­противления сухого и орошаемого скруббера для за­данных преподавателем расходов газа и жидкости. Экспериментальные результаты гидравлического со­противления скруббера оформляются в графическом виде. Провести анализ зависимости гидравлического сопротивления от расхода газа и жидкости и сопо­ставить расчетные и экспериментальные результаты.

7. Контрольные вопросы

1. Способы создания поверхности контакта фаз в колонных аппаратах.

2. Конструкции насадочных колонн.

3. С какой целью насадка разбивается по высоте на отдельные слои, и какие конструктивные элементы устанавливаются между слоями?

4. Типы насадочных тел.

5. Геометрические параметры насадочных тел (свободный объем, удельная поверхность и эквива­лентный диаметр).

6. Дать понятие о фиктивной и действительной скоростях газа в аппарате и описать связь между этими скоростями.

7. Описать режимы работы насадочных колонн и их влияние на эффективность работы этих колонн.

8. Модель слоя насадочных тел.

9. Определение гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки.

10. Почему увеличивается сопротивление ороша­емой насадки?





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации