Гидродинамические режимы работы тарелок

Лекция №17

Основное влияние на эффективность тарелок любых конструкций оказывают гидродинамические условия их работы. Эти условия в значительной мере зависят от скорости газа и в существенно меньшей – от плотности орошения и физических свойств фаз. В зависимости от скорости газа различают три основных гидродинамических режима работы тарельчатых аппаратов: пузырьковый, пенный и струйный (или инжекционный). Эти режимы различаются структурой газожидкостного слоя на тарелке, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление, высоту и поверхность контакта на тарелке.

Барботажный режим. При низких скоростях газа пузырьки поднимаются независимо друг от друга в близком контакте. По мере увеличения скорости газа они деформируются и образуют ячеистую структуру. Дальнейшее увеличение нагрузок по газу приводит к турбулентному перемешиванию потоков. Следовательно, барботажный режим соответствует таким нагрузкам, когда газ распределен в жидкости (рис. 4.11).

Средний радиус сферического пузырька равен

,

где R ₀ – радиус отверстия на тарелке, м; – поверхностное натяжение, Н/м; – плотности жидкости и газа, кг/м³.

Рис. 4.11. Схема движения потоков на барботажной тарелке и структура барботажного слоя: 1 – область струй; 2 – пенный слой

Пенный режим возникает при увеличении скорости газа, когда его пузырьки, выходящие из прорезей или отверстий, сливаются в струи, которые вследствие сопротивления барботажного слоя разрушаются (на некотором расстоянии от места истечения) с образованием большого числа мелких пузырьков. При этом на тарелке образуется газожидкостная система – пена, которая является нестабильной и разрушается мгновенно после прекращения подачи газа. Основной поверхностью контакта фаз в такой системе является поверхность пузырьков, а также струй газа и капель жидкости над газожидкостной системой, которые образуются при разрушении пузырьков газа в момент их выхода из барботажного слоя. Поверхность контакта фаз при пенном режиме наибольшая, поэтому пенный режим обычно является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых абсорберов.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что значительное количество вещества (до 75–100 %) передается на небольшом расстоянии от входа газа в слой жидкости, т.е. в газовых струях. Это явление получило название «входного эффекта» или активного участка.

Инжекционный режим. Дальнейшее увеличение нагрузок по газу приводит к тому, что непрерывной фазой становится газ, а дисперсной - жидкость. Структура дисперсной системы в инжекционном режиме характеризуется наличием значительных газовых пустот, подвижных агрегатов жидкости с мелкими пузырями и циркуляционными токами по высоте слоя. Характерной особенностью дисперсной системы в этом режиме является также наличие интенсивных пульсаций газосодержания и перепада давления в слое. Для инжекционного режима характерно также интенсивное обновление поверхности контакта фаз газовых агрегатов и исключительная устойчивость пузырей небольшого размера в агрегатах жидкости.

Гидродинамические режимы работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости газа. При низких скоростях газа жидкость на тарелке не задерживается, так как мала сила трения на поверхности контакта жидкости и газа.

При увеличении скорости газа наступает режим работы, который сопровождается резким увеличением гидравлического сопротивления из-за возникновения на тарелке слоя жидкости. При этом могут возникать ранее рассмотренные гидродинамические режимы. Верхней границей скорости является скорость захлебывания.

Для тарельчатых колонн со сливными устройствами характерна гидродинамическая неравномерность по длине тарелке, которая является следствием гидравлического сопротивления движению жидкости по длине тарелки. Эта неравномерность объясняется тем, что при движении жидкости по тарелке ее уровень повышается (например, из-за наличия колпачков или под действием перпендикулярного потока проходящего через жидкость газа), по длине пути движения жидкости возникает гидравлический градиент. Такое явление приводит к неравномерному распределению газа по площади тарелки: большая часть газа движется через часть тарелки, прилегающую к сливному порогу, где уровень жидкости ниже, что становится особенно заметно на тарелках больших диаметров, когда величина гидравлического градиента значительна. Для снижения гидравлического градиента в аппаратах большого диаметра (от 1–2 м и выше) уменьшают путь прохождения жидкости.

Характеристиками дисперсных или барботажных систем газ-жидкость в массообменных аппаратах являются: удельная поверхность контакта фаз, задержка жидкости, объемное газосодержание, относительная плотность и высота дисперсной системы и средний диаметр пузыря или капель. Из перечисленных характеристик первые две - основные, определяющие массопередачу и гидродинамику двухфазных течений.

Удельная поверхность контакта фаз рассчитывается обычно на единицу объема дисперсной системы (a_v) или на единицу поверхности контактного устройства (a_f). Задержка жидкости (h _ст) - это количество жидкости, удерживаемое в гетерогенной системе газ – жидкость. В аппаратах без фиксированной поверхности контакта фаз задержка жидкости определяется уровнем жидкости или высотой столба светлой жидкости. Газосодержание представляет собой отношение объема, занятого газом, к общему объему дисперсной системы. Плотность дисперсной системы обычно определяется по отношению к плотности чистой, невспененной жидкости. В аппаратах с поверхностью контакта, образуемой в процессе взаимодействия фаз, высота дисперсной системы H _Пявляется величиной переменной, в то время как в аппаратах с фиксированной поверхностью контакта фаз она совпадает с высотой аппарата. При усреднении диаметров пузырей или капель в дисперсных системах газ-жидкость обычно пользуются средним объемно-поверхностным диаметром.

Поток газа увлекает капли жидкости, а иногда и струи жидкости и уносит их с нижележащего контактного устройства на вышележащее.

При малоинтенсивных режимах взаимодействия фаз унос жидкости по массе состоит в основном из мелких витающих капель, размеры которых при максимальной плотности вероятности их распределения для систем с поверхностным натяжением жидкости порядка (5¸10)×10^-3 Н/м составляют 5–10 мкм. С увеличением нагрузки по газу заметно увеличивается доля крупных капель в массовом уносе жидкости и размеры их с максимальной плотностью вероятности распределения для систем с поверхностным натяжением жидкости (20¸40)×10^-3 Н/м достигают уже 3–6 мм.

Количество жидкости, увлекаемое потоком газа, зависит от способа взаимодействия фаз, т.е. главным образом от конструкции контактного устройства, гидродинамического режима движения потоков и физических свойств газожидкостной системы.

Из-за сложности и недостаточной изученности механизма увлечения жидкости потоком газа даже в простейших условиях взаимодействия фаз, например при пленочном течении жидкости или барботаже, в настоящее время для обобщения опытных данных используют только эмпирические зависимости. При этом опытные данные, как правило, получают в результате испытания разных конструкций контактных устройств на гидродинамических моделях, т.е. в условиях без массопередачи.

Различают минимальную и максимальную предельные нагрузки по газу и жидкости, отвечающие началу и прекращению устойчивой и эффективной работы контактных устройств соответственно или резкой смене гидродинамических режимов движения потоков. При минимальных предельных нагрузках на контактных устройствах с переливами прекращается значительный провал жидкости на нижележащую тарелку, а на провальных тарелках образуется устойчивый барботажный слой и в насадке интенсивно накапливается жидкость.

Максимальные предельные нагрузки для всех типов контактных устройств соответствуют захлебыванию или чрезмерному межтарельчатому уносу жидкости. Экспериментальное изучение гидродинамики потоков в массообменных аппаратах и обобщение обширного материала по эксплуатации промышленных колонн показывают, что предельные нагрузки для колонн, работающих под атмосферным или повышенным давлениях, определяются обычно захлебыванием тарелок, а для вакуумных колонн - чрезмерным межтарельчатым уносом жидкости.

Дата добавления: 2014-01-20