НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ

 

Ц е л ь р а б о т ы - практическое ознакомление с гидродинамическими режимами работы насадочной колонны; экспериментальное определение зависимости гидравлического сопротивления слоя насадки от скорости газа в колонне для сухой насадки и при различных плотностях орошения.

Теоретическая часть. Для проведения процессов абсорбции, ректификации и охлаждения газа (скрубберный процесс) используются насадочные колонны, представляющие собой вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный насадочными телами - насадкой.

Наибольшее распространение получила керамическая насадка в форме колец различного размера. Она называется кольцевой. Высота слоя насадки определяет рабочую высоту насадочной колонны.

Контакт газа и жидкости в насадочной колонне, во время которого происходит обмен веществом или теплотой между фазами, осуществляется в основном на смоченной поверхности насадки. При некоторых условиях в слое насадки возможен барботаж, который увеличивает поверхность контакта фаз.

В зависимости от скорости газового потока и количества орошающей жидкости изменяется характер движения фаз и условия их взаимодействия. При сравнительно небольших нагрузках по газу и жидкости трение между газом и жидкостью незначительно и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. Контакт газа и жидкости происходит только на поверхности пленки жидкости, стекающей по насадке. С увеличением скорости газа происходит торможение жидкости, из-за чего скорость её стекания уменьшается, а толщина пленки жидкости и, следовательно, удерживающая способность насадки по жидкости увеличивается. Возрастание количества жидкости в насадке ведет к уменьшению сечения для прохода газа и соответственно росту гидравлического сопротивления. Последующее увеличение скорости газа приводит к дальнейшему увеличению количества жидкости в насадке до тех пор, пока сила тяжести жидкости не уравновесит силы трения. Момент, когда наступает равновесие силы трения и силы тяжести, характеризуется полным затоплением насадки и называется " точкой захлебывания". Затопление начинается с нижних слоев насадки и распространяется на всю ее высоту.

Работа промышленных аппаратов в точке захлёбывания вследствие неустойчивости течения газа в жидкости, сопровождаемая периодическими провалами и выбросами жидкости, а также значительными колебаниями гидравлического сопротивления, становится невозможной.

В работе насадочной колонны условно выделяют " пленочный" режим и режим " подвисания" - частичного затопления насадки, который называют оптимальным режимом. Рабочие режимы ограничены точкой захлёбывания, являющейся верхним пределом рабочих скоростей газа в насадочной колонне.

Движение жидкости через насадку характеризуется плотностью орошения, т.е. объемным расходом жидкости, подаваемой на единицу площади поперечного сечения колонны. При недостаточном орошении поверхность насадки смачивается неполностью. Для каждого вида и размера насадки существует минимальная плотность орошения, при которой поверхность насадки, смоченная жидкостью, будет наибольшей. Рабочая плотность орошения должна быть выше минимальной. Условие смачивания насадки определяет нижний предел плотности орошения насадочной колонны.

Важным показателем работы насадочной колонны является гидродинамическое сопротивление, определяющее энергетические затраты на перемещение газа через аппарат. Данный показатель характеризует режим работы и состояния насадки в колонне, от которого зависят массообменные характеристики насадочной колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки Δ Р_сух газовому потоку определяется по уравнению

 

, (1.26)

 

где λ – гидравлический коэффициент трения при движении газа в слое насадки; Н – высота слоя насадки в колонне, м; d_экв = 4ε /d – эквивалентный диаметр каналов в слое насадки, м; ε – свободный удельный объем насадки (порозность), м³/м³; d – удельная площадь поверхности насадки, т.е. геометрическая площадь поверхности всех насадочных тел в единице объема насадки, м²/м³; ω = ω ₀/ε – истинная скорость газа в каналах насадки, м/с; ω ₀ = V_r/f_к - фиктивная скорость газа, т.е. скорость газа, отнесенная ко всему сечению колонны, м/с; ρ _г - плотность газа, кг/м³;

V_г – объемный расход газа в колонне, м³ /с; f_к - площадь поперечного (живого) сечения колонны, м².

Для беспорядочно засыпанных кольцевых насадок гидравлический коэффициент трения находят по следующим формулам

- при ламинарном режиме движения газа ( Rе _г < 40 )

 

; (1.27)

 

- при турбулентном режиме движения газа (Rе _г > 40)

 

, (1.28)

 

где Re _г - критерий Рейнольдса, вычисленный по газовой фазе в насадке

 

, (1.29)

 

где ν _г - кинематическая вязкость газа, м/с².

 

Сопротивление орошаемой насадки при одной и той же скорости газа в колонне ω _о превышает сопротивление сухой насадки. Величина Δ Р_ор определяется из соотношения

 

, (1.30)

 

где K – поправочный коэффициент, определяемый по уравнению

 

, (1.31)

 

где L, G – массовые расходы жидкой и газовой фаз, кг/с; ρ _ж, ρ _г – плотности жидкой и газовой фаз, кг/м³; μ _ж, μ _г – динамическая вязкость жидкой и газовой фаз, Па·с.

При незначительно изменяющихся значениях ρ _ж, ρ _г, μ _ж, μ _г (t = const) уравнение (1.31) преобразуется к виду

 

, (1.32)

 

где V_ж , V_г – объемные расходы жидкой и газовой фаз, м³/с.