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, м³/ч;  – массовый расход жидкости;

- площадь поперечного сечения колонны, м².

Для обычных насадочных колонн U = 10-20 м³ /м² ч.

При противоточном движении газа к 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;

2 – точка торможения;

3 – промежуточный режим;

4 – точка подвисания;

5 – режим турбулизации;

6 – точка инверсии;

7 – режим эмульгирования;

8 – точка захлебывания.

 

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 поток газа 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.

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.

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 насадку.

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

 

Режим эмульгирования.

При дальнейшим 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. Происходит инверсия фаз: жидкость занимает весь свободный объем насадки. Она становится сплошной фазой.

Газовая фаза диспергирована в жидкости в виде мельчайших пузырьков. Взаимодействие между потоками с поверхности насадки переносится в ее объем. Точка инверсии всегда 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, при этом сильно возрастает гидравлическое сопротивление.

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

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 обычно работают 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 м³/м² 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, кольца  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).

Гидродинамика барботажных (тарельчатых) колонн

Такие колонны широко используются на НПЗ.

При барботаже газовая фаза, распределяемая через отверстия различных устройств (так называемых тарелок), 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 через жидкость в виде пузырьков, которые свободно всплывают под действием архимедовой силы. Над пузырьковой зоной, содержащей основную массу жидкости, возникает зона малоподвижной 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.

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 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 (f_св=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 взешенному слою подвижной пены наблюдается в широком интервале скоростей газа.

При пенном режиме достигается наибольшая поверхность контакта фаз!!!

 

3. Инжекционный (струйный) режим

При еще больших скоростях газа ( ) он движется через жидкость в виде струй (факелов), которые выходят на поверхность пены, причем сама 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).

---

Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 328; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!