И НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН

Цель работы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление сухих и орошаемых контактных элементов – тарелок и насадок. Сопоставить измеренные величины с рассчитанными по эмпирическим зависимостям.

Основные определения и теория процесса

Тарельчатые и насадочные колонны являются широко распространенными аппаратами в химической и других смежных отраслях промышленности. В них осуществляется взаимодействие восходящих потоков газа или пара с жидкостью, стекающей по колонне вниз (абсорбция, ректификация).

Тарельчатые колонны работают в основном в барботажном режиме, когда пар или газ проходит через слой жидкости на тарелке в виде пузырей или струй.

Насадочные колонны работают в большинстве случаев как поверхностные аппараты, когда пар или газ взаимодействуют с жидкостью, стекающей в виде пленок по насадке.

Существует большое разнообразие контактных тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и т.д. Их устройство и принцип работы описаны в [2]. 

Наиболее распространенной насадкой являются кольца Рашига, которые изготавливаются из керамики и металла. Кроме них используются также кольца Паля, спиральная насадка и др. [2].

Назначение тарелок и насадки в колонных аппаратах состоит в том, чтобы создать хороший контакт газа и жидкости и тем самым обеспечить эффективное протекание процессов тепло- и массообмена между взаимодействующими фазами.

Для того чтобы обеспечить перемещение газа через колонну, необходимо затратить мощность на преодоление гидравлических сопротивлений.

N = Δ P · V              (1)

где Δ P – гидравлическое сопротивление колонны, Па;

V – объемный расход газа, м³/с.

Для колпачковых тарелок гидравлическое сопротивление рассчитывают как сумму трех составляющих:

 Δ P_т = Δ P_сух. + Δ P_σ + Δ P_с.т.             (2)

где Δ P_сух =   – сопротивление сухой тарелки, Па; 

Δ P_σ =   – сопротивление связанное с преодолением сил

поверхностного натяжения жидкости, Па;

Δ P_ст =  – сопротивление, оказываемое слоем

жидкости на тарелке, Па.

Здесь:  ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³;

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

 – коэффициент сопротивления колпачковой тарелки ( ≈ 5);

σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

m – высота прорезей колпачка, м;

b – ширина прорезей колпачка, м;

w₀ = w/ψ – скорость газа в прорезях колпачка, м/с;

w = V/S – скорость газа в колонне, м/с ;

V – расход газа, м³/с;

S – площадь сечения колонны, м²;

ψ – доля сечения прорезей колпачка определяется как отношения их суммарной площади на тарелке к площади поперечного сечения колонны S, кг/м³;

К – отношение плотности пены к плотности чистой жидкости

 (К ≈ 0,5);

l –расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м (l = 0,01м);

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Δ h = (V_ж /ПК) – подпор жидкости над переливным устройством, м;

V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

П – периметр слива жидкости, м.

С увеличением скорости газа растет гидравлическое сопротивление тарелок, и при некоторых значениях W расходы энергии могут оказаться слишком большими. Однако чаще предельное значение скорости газа в тарельчатых колоннах определяется величиной брызгоуноса, который определяется как отношение количества жидкости, уносимого одним килограммом газа с нижележащей на вышележащую тарелку. Величину брызгоуноса е (кг жидкости/кг газа) для колпачковых тарелок можно определить по формуле:

е = (11,5 · 10^-6/σ) · (W/Н_С)^3,2       (3)

где Н_С – высота сепарационного пространства, представляющая собой расстояние от верхней кромки пены до вышележащей тарелки, м.

Допустимая величина брызгоуноса составляет 0,1 кг/кг. Если значение больше 0,1, то необходимо уменьшить скорость газа в колонне.

Максимальный расход жидкости в колонне определяется сечением переливного устройства, обеспечивающего переток жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую. При этом допустимая скорость жидкости в переливном устройстве можно рассчитать как

, м/с     (4)

Сопротивление орошаемой насадочной колонны можно рассчитать исходя из величины гидравлического сопротивления сухой насадки

Δ P_н = Δ P_сух. · [1+8,4(L/G)^0,4(ρ_г/ρ_ж) ^0,23 ]                 (5)

Сопротивление сухой насадки зависит от высоты слоя Н и определяется как

             (6)

где a – удельная поверхность насадки, м²/м³

a = 300

ε – доля свободного объема насадки, м³/м³

ε = 0,7

Обе эти величины зависят от вида насадки и берутся из справочных таблиц [2].

Коэффициент сопротивления λ зависит от числа Рейнольдса для газа

Re_г

При Re_г < 40 λ_г = 140/Re_г

При Re_г > 40 λ_г = 16/Re_г^0,2

В зависимости от скорости газа возникают различные режимы работы насадочной колонны: пленочный, подвисания, захлебывания, эмульгирования.

При достижении определенной скорости газа, называемой «точкой инверсии фаз» происходит резкое изменение в характере гидродинамической обстановки. В этот момент насадка полностью заполняется жидкостью, а газ начинает барботировать через нее в виде пузырьков и струек. Дальнейшее увеличение скорости может привести к захлебыванию колонны, при котором нарушается противоток газа и жидкости и жидкость выбрасывается из верхней части колонны. Очевидно, что рабочая скорость должна быть меньше, чем скорость захлебывания W_з, которую можно найти из уравнения:

        (7)

Коэффициент А = 0,022 для процессов абсорбции, при которых жидкость взаимодействует с газами А = - 0,125 для систем пар – жидкость.

Описание установки