Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Гидродинамика двухфазных потоков в насадках



Гидравлическое сопротивление орошаемой жидкостью насадки больше, чем сухой, так как вследствие наличия жидкости в каналах уменьшается свободный объем для прохода газа, т.е. возрастает действительная скорость газа Количество жидкости, подаваемое в насадку, характеризуется плотностью орошения:

где: – объемный расход жидкости; – массовый расход жидкости;

- площадь поперечного сечения колонны.

Для обычных насадочных колонн U=10-20 м32 час.

При противоточном движении газа в жидкости в насадочной колонне можно наблюдать следующие виды движения потоков (при последовательном увеличении нагрузки по газу), возникающие в насадке гидродинамические режимы и характерные переходные точки:

1. Пленочный режим.

Капельно-пленочное движение жидкости от элемента к элементу насадки, наблюдающееся при малых нагрузках по газу и жидкости. Взаимодействие между фазами осуществляется на смоченной поверхности насадки в отдельных точках контакта. Поднимающийся газ не вызывает заметного изменения в характере движения жидкости, движущийся в виде капель и пленок.

Капельному движению соответствует пленочный режим, заканчивающийся точкой торможения.

2. Промежуточный режим.

Струйчато-пленочное движение жидкости: жидкость покрывает насадку в виде стекающей тонкой пленки и отдельных струй, причем значительная поверхность насадки все еще остается не смоченной. Контакт между фазами происходит на поверхности пленки и струй жидкости на отдельных элементах насадки при отсутствии заметной турбулизации потоков. Противоточное движение газа также не вызывает видимого изменения в характере движения жидкости.

Струйчато- пленочному течению соответствует промежуточный режим, заканчивающийся точкой подвисания.

Ввиду того, что точка торможения не всегда четко обнаруживается, иногда объединяют эти 2 режима в один – пленочный режим двухфазного потока до точки подвисания.

3. Режим турбулизации.

Дальнейшее повышение скорости газа приводит к тому, что газ тормозит жидкость, скорость ее течения уменьшается и жидкость во все большем количестве удерживается в насадке. Доля смоченной поверхности возрастает. Жидкость стекает по насадке в виде пленки, которая турбулизируется, появляются завихрения, брызги. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности турбулизированной пленки жидкости, покрывающей элементы насадки.

Это соответствует режиму турбулизации двухфазной системы, заканчивается в точке инверсии.

4. Режим эмульгирования.

С увеличением нагрузки по газу наблюдается возрастание количества турбулизованной жидкости, которая заполняет весь объем насадки. Вся жидкость,

заполняющая насадку, находится в состоянии «эмульсии».

Накопление жидкости связанно с тем, что подъемная сила газа становится равной весу жидкости, находящейся в насадке. Эмульгирование жидкости начинается в самом узком сечении в насадке, образующаяся газо-жидкостная система напоминает барботажную пену или газо-жидкостную эмульсию. Происходит инверсия фаз: жидкость занимает весь свободный объем насадки. Она становится сплошной фазой.

Газовая фаза диспергирована в жидкости в виде мельчайших пузырьков, которые эмульгируют жидкость. Взаимодействие между потоками с поверхности насадки переносится в ее объем, что соответствует возникновению режима эмульгирования, возникающего после точки инверсии. Точка инверсии всегда резко проявляется и четко обнаруживается.

По Кафарову в этом режиме теряет смысл понятия о дисперсной и сплошной фазах, так как газ, то жидкость непрерывно становятся то сплошной, то дисперсной фазой.

Накопление жидкости в режиме эмульгирования приводит к захлебыванию насадки – точка захлебывания.

Высота слоя жидкости становится больше высоты насадки и над насадкой накапливается слой жидкости, представляющий собой барботажный слой с интенсивным перемешиванием и препятствующий нормальной работе колонны.

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая определяется уже не геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков газа и струй жидкости в свободном объеме насадки. Однако устойчивая работа в таком режиме невозможна ввиду «захлебывания». Кроме того, сильно возрастает гидравлическое сопротивление.

Для устойчивого эмульгирования фаз существуют специальные эмульгационные колонны с искусственно затопленной насадкой. Гидродинамические режимы видны на графике:

1 – пленочный режим; 2 – точка торможения;

3 – промежуточный режим; 4 – точка подвисания;

5 – режим турбулизации; 6 – точка инверсии;

7 – режим эмульгирования; 8 – точка захлебывания.

Для сухой насадки – зависимость линейная. С увеличением плотности орошения раньше достигается точка инверсии, режимы турбулизации и эмульгирования. Для определения скорости газа в точке инверсии предложено уравнение:

для систем газ - жидкость => A=0.022;

для систем пар – жидкость => A=-0.125;

– вязкость воды;

L, G – нагрузка колонны по жидкости и газу (кг/ м2 час) или (кг/час);

Насадочные колонны работают обычно при скоростях газа, равных:

(т.е. в режиме турбулизации, точнее точка подвисания). Точка торможения

Для расчета сопротивления орошаемой насадки предложено уравнение:

где: b – постоянный коэффициент, зависящий от вида и размеров насадки.

a. Гидродинамика орошаемой взвешенной насадки.

В этих аппаратах (АПН) насадка находится во взвешенном состоянии – трехфазный псевдоожиженный слой: газ – жидкость – твердое. Непрерывное хаотическое движение элементов насадки.

Применение: 1) массообмен (абсорбция, десорбция);

2)контактный теплообмен;

3)мокрое обеспыливание;

По сравнению с насадочными (и тарельчатыми) аппаратами они имеют ряд достоинств:

1)устойчивая работа в широком диапазоне нагрузок по газу (0.5-7 м /сек) и жидкости (до 240 м32 час);

2)большая турбулизация потоков газа и жидкости, обеспечивающая получение высоких коэффициентов тепло- и массообмена и высокую степень пылеулавливания;

3)отсутствие залипания насадки, стенок и решетки, что очень удобно для процессов пылеочистки;

4)сравнительно невысокое

В аппарате имеется опорно-распределительная решетка, и удерживающая сетка.

Насадка – полые и сплошные шары, кубики ø 6-76 мм из полиэтилена, полипропилена и др. пластмасс.

I условие: для обеспечения свободного перемещения насадки.

II условие:

График изменения гидравлического сопротивления насадки показывает возникновение различных гидродинамических режимов:

I. Режим стационарного состояния насадки.

Шары находятся в тесном соприкосновении друг с другом, жидкость стекает по насадке, газ проходит снизу вверх.

II. Режим начального псевдоожижения.

Часть насадки переходит во взвешенное состояние. Наличие ника давления объясняется необходимостью преодоления сил сцепления между шарами. С ростом скорости газа увеличивается порозность слоя.

Взвешенная насадка движется неинтенсивно.

III. Режим развитого взвешивания.

Все шары переходят во взвешенное состояние. Газовый и жидкостной потоки равномерно распределяются по всему объему слоя, что приводит к хорошему перемешиванию газа и жидкости. Гидравлическое сопротивление растет.

При достижении некоторой скорости (скорость захлебывания) наблюдается прижатие шаров к удерживающей сетке с образованием висячего плотного слоя. Сопротивление аппарата резко возрастает.

Барботаж

При барботаже газовая фаза, распределяемая через отверстия различных устройств, диспергируется в жидкости в виде пузырьков и струй. Если газ распределяется в жидкости, проходя через одиночное отверстие, то при сравнительно небольшом расходе он барботирует через жидкость в виде отдельных свободно всплывающих пузырей (свободное движение).

Определим диаметр пузыря в момент его отрыва, когда подъемная (Архимедова) сила равна силе сопротивления отрыву, зависящей от поверхностного натяжения:

;

где: – поверхностное натяжение; – диаметр отверстия; – диаметр пузыря.

Отсюда в момент отрыва:

Следовательно, при свободном движении диаметр пузыря не зависит от расхода газа, а определяется диаметром отверстия и физическими свойствами жидкости. С увеличением расхода возрастает лишь количество пузырей или частота их отрыва:

(1/сек);

По достижении критического расхода пузыри не успевают один от другого и движутся в виде цепочки, соприкасаясь друг с другом.

Скорость подъема небольших одиночных пузырей (менее 1-1.5 мм) находится аналогично скорости свободного осаждения из равенства подъемной силы и силы сопротивления среды.

Расчет диаметра небольшого шарообразного пузыря производится по соответствующим формулам в зависимости от величины критерия Re для пузыря:

Ламинарный режим: <9…. d=

Турбулентный режим: >9… d=

Для больших пузырей картина иная. С увеличением размера, из-за неравномерного давления по окружности, пузырь деформируется. Влияние поверхностного натяжения, приводящего к шарообразной форме, становится все меньше. Пузырь приобретает неустойчивую форму: эллипсообразную, грибовидную и т.д. Изменение формы приводит к колебаниям скорости всплывания по величине и направлению.

Картина массового барботажа при истечении из многих отверстий сложна, так как пузыри всплывают не свободно, а стесненно, воздействуя друг на друга, сливаясь или дробясь.

Гидродинамика барботажных аппаратов

В условиях массового барботажа наблюдаются различные гидродинамические режимы с разной структурой барботажного слоя, которая определяет гидравлическое сопротивление и высоту слоя, а также поверхность контакта фаз.

Режимы барботажа. Переход от одного режима к другому происходит постепенно при изменении скорости газа, причем на тарелках различных типов режимы чередуются по-разному.

Различают:

1. Барботажный:

А) пузырьковый (неравномерный);

Б) струйный (равномерный);

2. Пенный;

3. Инжекционный (газовых струй и брызг).

Барботаж

При барботаже газовая фаза, распределяемая через отверстия различных устройств, диспергируется в жидкости в виде пузырьков и струй.

1. Барботажный режим.

А) при небольших скоростях (до 0.5 м/с) газа получается типичный барботажный слой. Газ проходит в виде пузырьков, которые свободно всплывают под действием архимедовой силы. Над пузырьковой зоной, содержащей основную массу жидкости, имеется зона пены ячеисто-пленочной структуры, а над ней зона брызг.

Всплывающие при барботаже пузырьки обладают весьма малой массой и скоростью (несколько десятых долей м/с). Поэтому кинетическая энергия пузырьков мала и ее может не хватить на преодоление механической прочности абсорбционного слоя на поверхности раздела Ж – Г. В этом случае над слоем жидкости образуется слой малоподвижной пены.

Очевидно, что барботаж невозможен, если скорость газа, проходящего через жидкость, превышает скорость свободного подъема пузырьков. При этом вся жидкость превращается в пену. Но в этих условиях пена образуется уже не вследствие проявления абсорбционных свойств, а в результате массового столкновения пузырьков и струй газа, характер движения которых определяется уже не архимедовыми силами, а кинетической энергией газа.

Свободное сечение решетки должно быть больше некоторого минимального значения (fсв=15-25%).

Работа распределительных устройств для жидкости (тарелок) неравномерна: в ситчатых происходит частичный провал жидкости, в колпачковых – неполное открытие прорезей.

Б) при повышении скорости газа он образует струи, от которых отделяются пузырьки. Тарелки работают равномерно:

Колпачковые => прорези открыты полностью;

Ситчатые => газ проходит через все отверстия.

2. Пенный режим.

С увеличением скорости газа увеличивается высота слоя пены и уменьшается высота зоны собственно барботажа, которая в условиях пенного режима почти полностью исчезает. Пена становится подвижной и сильно турбулизованной. Работа тарелки равномерна. Переход от ячеистой пены к взвешенному слою подвижной пены наблюдается в широком интервале скоростей газа: .

Поверхность контакта фаз наибольшая.

3. Инжекционный (струйный) режим.

При больших скоростях газа ( ) он движется через жидкость в виде струй (факелов), которые выходят на поверхность пены, причем пена разрушается и над ней появляется большое количество брызг. Резко возрастает унос жидкости. Поверхность контакта фаз резко снижается.

Для различных тарелок описанные режимы имеют место при различных скоростях газа (с некоторыми особенностями).

Гидравлическое сопротивление тарелок

Гидравлическое сопротивление барботажных тарелок складывается из сопротивления сухой тарелки, сопротивления газожидкостного слоя на тарелке и сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения:

Сопротивление сухой тарелки:

где: – скорость газа в прорезях колпачка (для колпачковых) или в отверстиях (для ситчатых).

где: - «живое» сечение прорезей или отверстий;

- коэффициент сопротивления:

Колпачковые - 4.5 – 5; Ситчатые:

= 0.07 – 0.1 →1.82;

=0.15 – 0.2 →1.45;

Провальные:

Дырчатые →1.1; Решетчатые →1.4-1.5; Трубно-решетчатые →0.9 – 1;

Сопротивление газожидкостного слоя принимают равным статическому давлению слоя:

= (пена) [Н/м2];

Сопротивление, обусловленное силами поверхностого натяжения, возникает при выходе газа из отверстий или прорезей в слой жидкости:

В струйном (инжекционном) режиме →0.

Где: - поверхностное натяжение;

П; S – периметр и площадь сечения отверстия;

– эквивалентный диаметр отверстия.

Для решетчатых провальных: (т.е удвоенной ширине щели).

Эти уравнения являются общими для всех типов тарелок, однако их практическое применение для разных тарелок несколько различается.

Гидродинамика пленочных абсорбентов.

1. Однофазное пленочное течение.

Течение пленки в абсорберах происходит в условиях воздействия на пленку газового потока. При небольших скоростях газа это воздействие незначительно и течение пленки можно рассматривать как однофазное.

Если периметр орошения при вертикальном течении П (м), то массовый расход жидкости составляет:

;

С другой стороны:

[кг/сек]

Где: - средняя скорость течения пленки;

В трубчатых абсорберах П= , где внутренний диаметр трубы.

В абсорберах с листовой насадкой при течении пленки по обеим сторонам вертикальной пластины:

П=2В;

Где: В – ширина пластины.

При этом L – расход жидкости на 1 трубу или 1 пластину.

Отношение ; кг[/м сек] называют линейной плотностью орошения и представляет собой расход жидкости через единицу периметра орошения.

Можно определить зависимость между толщиной пленки и средней скоростью ее течения:

;

Величина , необходимая для расчета толщины пленки, зависит от режима ее движения. Этот режим характеризуется критерием Re для жидкости, определяемый по средней скорости течения пленки и ее эквивалентному диаметру :

=4 ;

= = ;

Исследования показали, что в зависимости от величины наблюдаются три основных режима течения пленки:

А) ламинарное течение пленки с гладкой поверхностью раздела фаз ( );

Б) ламинарное течение пленки с волнистой поверхностью раздела фаз ( );

В) турбулентное течение пленки ( ).

Переход к волнистому течению обусловлен действующими на свободную поверхность пленки (на границе раздела фаз) силами поверхностного натяжения.

При ламинарном течении с гладкой поверхностью скорость по толщине пленки изменяется согласно параболическому закону (от 0т до umax), при этом:

umax=1.5uср;

значения и uср могут быть только найдены из теоретических формул:

; ;

Для турбулентного режима зависимости более сложные.

В частности, (Живайкин):

прив ;

где: прив=( )1/3- приведенная толщина пленки;

средняя толщина пленки при волновом режиме ср=0.93 0 ( 0 - толщина пленки при ламин-м режиме), а umax=2uср.

минимальная толщина пленки 50 мкм (при ).

Это соответствует Г=0.0042 кг/м с или 1.5 кг/м час;

У Хаблера Гmin=30-800 кг/м час.

2. Пленочное течение в двухфазном потоке.

При противотоке газ тормозит стекание пленки. Это приводит к увеличению ее толщины и уменьшению средней скорости течения, причем гидравлическое сопротивление аппарата возрастает. Если скорость газа составляет 5-10 м/сек, наступает так называемое «захлебывание» (сила тяжести равна силе трения у поверхности), сопровождаемое накоплением жидкости в аппарате и резким ростом гидравлического сопротивления.

В случае дальнейшего повышения скорости газа жидкость движется уже снизу вверх (восходящий прямоток). При подаче жидкости сверху происходит выброс ее, а при подаче снизу – переход к восходящему прямотоку («обращенное» движение жидкости).

По мере увеличения скорости газа гидравлическое сопротивление аппарата сначала падает до некоторого минимального значения, а затем снова возрастает. Если скорость газа выше 40 м/сек, то жидкость отрывается от поверхности пленки и уносится с газом в виде брызг («брызгоунос»).

При движении сверху вниз (нисходящий прямоток) газ увлекает пленку, что увеличивает ее среднюю скорость и уменьшает толщину пленки.

Устойчивый нисходящий прямоток существует при скоростях газа не выше 15 – 30 м/сек, при более высоких скоростях происходит брызгоунос.

Распределение скоростей в газовом и жидкостном потоках:

3. Гидравлическое сопротивление пленочных абсорберов.

Гидравлическое сопротивление при движении газа:

где: - коэффициент сопротивления трению (определяется по эмпирическим формулам);

- длина (высота) поверхности, по которой стекает пленка;

- диаметр трубки или эквивалентный диаметр канала, по которому движется газ;

- относительная скорость газа (относительно жидкости);

=

Где: - средняя скорость газа;

+ при противотоке;

- при прямотоке;

При двухфазном потоке гидравлическое сопротивление выше, чем при однофазном (при тех же расходах газа).

Это объясняется:

А) уменьшением сечения для прохода газа, поскольку часть сечения занята текущей жидкостью (влияет лишь вблизи режима захлебывания);

Б) увеличением относительной скорости газа при противотоке по сравнению с его абсолютной скоростью;

В) передачей от газа некоторой части энергии, которая расходуется на преодоление силы тяжести (при движении газа вверх) или на ускорение движения жидкости (при движении газа вниз).

Г) потери энергии, обусловленные движением волн.




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.