2015-05-27
1516
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА
НАСАДОЧНЫХ АППАРАТОВ
Цель работы
Экспериментальное определение оптимальной скорости газа в насадочных колоннах, сопоставление экспериментальных и теоретических результатов, построение зависимости оптимальной скорости от расхода газа.
Содержание работы
1. Изучить влияние скорости газового потока в насадочных аппаратах на диаметр и высоту колонны.
2. Ознакомиться, с методиками расчета оптимальной скорости и скорости, соответствующей точке инверсии.
3. Экспериментально определить скорости захлебывания и оптимальную.
4. Сопоставить экспериментальные и расчетные значения скорости, определить ошибку, получаемую при расчетах по критериальным уравнениям.
5. Построить и проанализировать зависимость оптимальной скорости от расхода газа.
Теоретическая часть
3.1. Основные термины и понятия
Основными терминами и понятиями, относящимися к данной работе, являются: насадочная колонна, насадочные тела, свободный объем и удельная поверхность насадочных тел, скорость газового потока, плотность орошения, массоперенос в насадочных колоннах. При подготовке к лабораторной работе с этими терминами необходимо ознакомиться (1, стр.468—473). Выполнение данной работы неразрывно связано с выполнением лабораторной работы №11 «Исследование гидродинамики насадочных аппаратов» и такими понятиями, как гидравлическое сопротивление и режимы работы насадочных колонн.
3.2. Основные положения
Важнейшей характеристикой насадочных колонных аппаратов является наибольшая допустимая скорость газовой фазы, отнесенная ко всему поперечному сечению аппарата.
Стремление к возможно большим скоростям газовой или паровой фазы обусловлено двумя причинами.
Во-первых, необходимый для обеспечения заданной производительности по газовой (паровой) фазе диаметр аппарата определяется из уравнения
(12.1)
которое получаетсяиз уравнения расхода газа в аппарате
(12.2)
гдеGу — массовая производительность аппарата по газовой фазе, [кг/с];
v — скорость газовой фазы, отнесенная ко всему поперечному сечению аппарата [м3/м2с];
d — диаметр аппарата, [м];
— плотность газовой (паровой) фазы [кг/м3].
Из уравнений (12.1) и (12.2) видно, что чем больше скорость газовой.фазы, тем меньше необходимый диаметр аппарата при заданной производительности, или тем большая производительность обеспечивается при данном диаметре аппарата.
Вторая причина, обусловливающая стремление к возможно большим скоростям, заключается в следующем.
Коэффициент массопередачи в насадочных аппаратах Ку находится в следующей зависимости от скорости:
(12.3)
где А — коэффициент, учитывающий все другие факторы процесса, кроме скорости газовой фазы.
Показатель степени n зависит от режима движения и растет с увеличением скорости от n=1 при пленочном и промежуточном режимах до n==2 при турбулентном режиме (рис. 12.1). Эта закономерность сохраняется до тех пор пока не наступит инверсия фаз, то есть превращение сплошной газовой фазы в дисперсную, а дисперсной (жидкой) фазы в сплошную (точка 1). Скорость газовой фазы, при которой наступает инверсия фаз называется скоростью эмульгирования. С наступлением инверсий фаз показатель степени n в уравнении (12.3) становится больше двух (n>2). Следовательно, режим наступления инверсии фаз является наивыгоднейшим с точки зрения интенсивности массопередачи. С увеличением скорости газовой фазы необходимая высота насадочной части аппарата уменьшается.
Из уравнений массопередачи
(12.4)
материального баланса
(12.5)
расхода газовой фазы (12.2) и уравнения (12.3) высота аппарата определяется из выражения
(12.6)
где а — удельная поверхность насадочных тел;
yн, yк — начальная и конечная концентрация газовой фазы;
∆уср — средняя движущая сила массообменного процесса.
 |
Рис. 12.1. Зависимость коэффициента массопередачи от скорости сплошной фазы
Поверхность контакта фазы в аппарате определяется поверхностью насадочных тел
(12.7)
где 
— объем занимаемый насадочнымителами.
Таким образом, увеличение скорости газовой фазы приводит к уменьшению как диаметра, так и высоты аппарата при постоянной производительности по газовой фазе и количеству поглощаемого вещества.
В насадочных аппаратах рекомендуется принимать скорость газовой фазы, на 10% меньшую скорости захлебывания. Эта скорость называется оптимальной скоростью газовой фазы, то есть
(12.8)
Для определения скорости захлебывания В. В. Кафаровым и А. И. Плановским предложено следующее уравнение для колонн с насадкой из колец Рашига
(12.9)
что равнозначно уравнению
(12.10)
где g — ускорение свободного падения, [м/с2];
ε — свободный объем насадки, [м3/м3];
ρу,ρх — плотность пара (газа) и жидкости,[кг/м3];
μх — вязкость жидкости, [нс/м2];
μ — вязкость воды при 20°, [нс/м2];
а — удельная поверхность насадки [м3/м3]
σху,σхв,σув — поверхностное натяжение на границах сплошная фаза— дисперсионная фаза, сплошная фаза—воздух, дисперсионная фаза — воздух, [н/м];
Gх, Gу — массовые расходы жидкой и газовой фазы, [кг/с];
— относительное орошение [кг/кг].
Это уравнение справедливо как для абсорбции и ректификации, так и для случая экстракции, если индекс у отнести к первичной сплошной фазе.
Л. А. Акопяном, А. Н. Плановским, А. Г. Касаткиным был предложен также следующий метод расчета скорости газа, соответствующей оптимальному гидродинамическому режиму работы насадочных колонн.
Оптимальная скорость пара (газа) vопт определяется по значению числа Рейнольдса
(12.11)
вычисляемого изкритериального уравнения
(12.12)
где 
- число Архимеда
Отсюда 
(12.13)
Эквивалентный диаметр можно выразить через характеристики насадки —свободный объем и удельную поверхность
,
где S0 — средняя площадь свободного сечения скруббера, [м2];
П — средний периметр свободного сечения, [м];
V — полный объем, занимаемый слоем насадки высотой Н, [м3];
Vп — свободный объем, [м3].
При выборе рабочей скорости газового потока и гидродинамического режима насадочной колонны необходимо учитывать гидравлическое сопротивление колонны.
Приведенная выше методика определения оптимальной скорости относится к насадочным аппаратам, работающим при повышенных давлениях или имеющим малое гидравлическое сопротивление.
В том случае, когда гидравлическое сопротивление велико и оказывает влияние на давление в колонне, как, например, при разделении под вакуумом, рабочую скорость газового потока следует уменьшить. Поэтому для насадочных колонн, работающих под атмосферным давлением и вакуумом, целесообразным является переходный режим работы насадочных колонн.
