Расчет коэффициентов тепломассообмена

Как было указано выше, целью теплового расчета является определение объема насадки для насадочных аппаратов или полезных высоты и диаметра для полых аппаратов.

Количество теплоты, которое необходимо передать от газа к жидкости, можно выразить следующим уравнением

, (3.52)

где - условный коэффициент теплообмена между газом и жидкостью в контактном аппарате, отнесенный к единице поверхности насадки, Вт/(м²×К); - условный коэффициент теплообмена между газом и жидкостью в контактном аппарате, отнесенный к единице объема насадки или к единице объема камеры контакта газовой и жидкой фаз, Вт/(м³×К); - поверхность насадки, м²; - объем полого скруббера или объем насадки, м³; - средняя разность температур между теплоносителями, °С.

Коэффициенты теплообмена и до настоящего времени аналитически получить очень сложно. Их истинные значения определяются многими факторами: смачиваемостью насадки, дисперсностью распыления жидкости, физическими параметрами теплоносителей, способом определения средней разности температур и др.

Теплообмен в насадочных аппаратах. Коэффициент теплопередачи при охлаждении газов водой в скрубберах с насадкой можно определить по формуле Тадеуша Хоблера [2, 3], обобщившего работы Н.М. Жаворонкова и Н.Э. Фурмер,

, (3.53)

где - теплопроводность смеси (влажного воздуха), Вт/(м×К); - эквивалентный диаметр насадки, м; - критерий Рейнольдса для парогазовой смеси, в котором - скорость газа в насадке, м/с; - кинематическая вязкость парогазовой смеси, м²/с; - критерий Прандтля для парогазовой смеси; - коэффициент температуропроводности парогазовой смеси; - критерий Рейнольдса для жидкости при температуре 20°С; - кинематическая вязкость жидкости при этой же температуре, м²/с; - плотность орошения насадки, м³/(м²×с); - безразмерный комплекс:

,

где - энтальпия пара, кДж/кг; - теплота парообразования, кДж/кг; - соотношение Льюиса, в котором - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К); - коэффициент массообмена, кг/(м²×с); - теплоемкость влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха, кДж/(кг×К); - отношение молекулярных весов пара и воздуха; - тепловой эквивалент единицы работы; - газовая постоянная влажного воздуха; - температура парогазовой смеси, К.

В большинстве случаев процессы в скрубберах при тепло- и массообмене воздуха с водой протекают при температурах от 20 до 90 °С, в связи с чем Т. Хоблер предложил в расчетах принимать среднее значение комплекса 130.

- средняя концентрация пара в парогазовой смеси

, (3.54)

где - влагосодержание при средней температуре влажного газа, кг/кг;

- концентрация пара в смеси у зеркала испарения воды при температуре 20 °С, кг/кг.

Выбор насадки. Как уже отмечалось, в насадочных аппаратах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Потому насадка должна иметь возможно бóльшую поверхность в единице объема.

Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:

1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным;

2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. иметь возможно большее значение свободного объема или сечения насадки;

3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения e и площади свободного пространства ;

4) иметь малую плотность;

5) равномерно распределять орошающую жидкость;

6) быть стойкой к агрессивным средам;

7) обладать высокой механической прочностью;

8) иметь невысокую стоимость.

Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности а насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допустимых скоростей газа и т.д.).

Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, изготовленных из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса абсорбции.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига (рис. 1.2, а), имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50´50 и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает бóльшие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.

Хордовую насадку (рис. 1.2, ж) обычно применяют в абсорберах большого диаметра. Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вследствие небольшой удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок, часть из которых представлена на рис. 1.2, б. В табл. 3.5 приведены основные характеристики насадок некоторых типов.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с увеличением размеров ее элементов увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного аппарата снижается. Общая стоимость колонны с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра аппарата, несмотря на то что высота насадки несколько увеличится по сравнению с таковой в абсорбере, заполненном насадкой меньших размеров.

При выборе размера насадки необходимо соблюдать условие, при котором отношение диаметра колонны к эквивалентному диаметру насадки:

.

Насадка характеризуется следующими геометрическими параметрами (табл. 3.5):

удельная поверхность f, м²/м³;

приведенный или эквивалентный диаметр , м;

свободный объем , м³/м³;

объемный вес , кг/м³.

Для расчета коэффициента теплопередачи важным моментом является определение скорости газа, так как ее значение влияет на гидродинамический режим работы насадочного аппарата. В противоточных насадочных аппаратах имеют место четыре гидродинамических режима.

Первый режим - пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние газового потока на скорость стекания по насадке жидкой пленки и, следовательно, на количество задерживаемой в насадке жидкости.

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является, в основном, смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижеследующем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке А на рис.3.6, называемой точкой подвисания.

Второй режим - режим подвисания (или торможения). После точки А повышение скорости газа приводит к заметному увеличению сил трения о жидкость на поверхности контакта фаз и подтормаживанию жидкости газовым потоком. Вследствие этого скорость течения пленки жидкости уменьшается, а ее толщина и количество удерживаемой жидкости в насадке увеличиваются. В режиме подвисания с повышением скорости газа нарушается спокойное течение пленки жидкости, появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно - интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается в точке В.

Третий режим - режим эмульгирования - возникает при превышении скорости, соответствующей точке В. В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ – дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки (отрезок ВС на рис. 3.6).

Рис. 3.6. Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости

газа в колонне:

1 - сухая насадка; 2 - орошаемая насадка

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн преимущественно вследствие увеличения контакта фаз, который в этом режиме определяется не столько поверхностью насадочных тел, сколько поверхностью образующейся газожидкостной эмульсии, заполняющей весь свободный объем насадки. Следует отметить, что это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления (отрезок ВС). В насадочных колоннах без специальных устройств поддерживать режим эмульгирования очень трудно, так как мал интервал изменения скоростей газа, при котором насадочная колонна работает в этом режиме (между точками В и С).

Как правило, работа в режиме подвисания и эмульгирования целесообразна только в случае, если повышение гидравлического сопротивления аппарата не имеет существенного значения. Поэтому большинство насадочных аппаратов работает в пленочном режиме (т.е. при скоростях газа до точки А). Пределом устойчивой работы насадочных колонн является скорость газа, соответствующая точке инверсии (или захлебывания).

При проектировании насадочных контактных теплообменников рабочая скорость газа принимается несколько меньше скорости эмульгирования , при которой наступает инверсия фаз:

= (0,8 - 0,85)×.

Скорость газа , соответствующая оптимальному режиму работы аппарата, находится по уравнению

, (3.55)

где ; - число подобия Архимеда:

, (3.56)

где - коэффициент кинематической вязкости газа при его средней температуре, м²/с; - плотность жидкости, кг/м³; - плотность газа, кг/м³; = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

.

Вычисленная по этому методу скорость составляет приблизительно 80 % от скорости захлебывания [19].

Площадь поперечного сечения аппарата определяется по соотношению, м²,

.

Далее определяется плотность орошения по уравнению, м³/(м²×с),

.

Находится диаметр аппарата, м,

, (3.57)

который приводится к нормализованному значению. Затем уточняются .

Дата добавления: 2014-01-20