Гідродинамічний режим роботи тарілок.

Ефективність тарілок будь-яких конструкцій в значній мірі залежить від гідродинамічних режимів їх роботи.

Залежно від швидкості газу і щільності зрошування розрізняють три основні гідродинамічні режими роботи барботажних тарілок:

• пузирковий (бульбашковий);
• пінний;
• струменевий або інжекційний.

Ці режими відрізняються структурою барботажного шару, яка в основному визначає його гідравлічний опір і висоту шару рідини на тарілці, а також величину поверхні контакту фаз.

Перший режим - пузирковий (бульбашковий). Такий режим спостерігається при невеликих швидкостях газу, коли він рухається крізь шар рідини у вигляді окремих пузирів (бульбашок). Поверхня контакту фаз на тарілці, що працює в бульбашковому режимі, невелика і дорівнює сумарній поверхні утворених бульбашок.

Другий режим - пінний. Із збільшенням витрати газу, що виходить через отвори і прорізи, окремі пузирі (бульбашки) зливаються в суцільний струмінь, який на певній відстані від місця закінчення руйнується внаслідок опору барботажного шару з утворенням великої кількості пузирів. При цьому на тарілці виникає газо-рідинна дисперсна система, яка є піною комірчасто-плівкової структури. Окремі комірки цієї піни пов'язані один з одним розділяючими їх плівками рідини.

Піна, яка утворюється при цьому, нестабільна. Розрив оболонок пузирів при виході газу на поверхню газо-рідинного шару відбувається практично миттєво. Пінний шар, що утворюється, є динамічним: він стабільний тільки при подачі газу і руйнується після припинення його подачі через короткий час.

При виході пузирів газу з газо-рідинного шару і руйнування їх оболонок, утворюються бризки. Вони підіймаються над шаром на деяку висоту в залежності від їх розмірів і швидкості газу.

Таким чином, при даному режимі двофазна система, що утворюється на тарілці, складається по висоті з трьох зон (дивлячись знизу до верху):

• зона власне барботажу - в якій газ розподілений в рідині у вигляді пузирів або газових комірок (факелів);
• зона нерухомої піни;
• зона бризок.

Хоча значна частина рідини знаходиться в зоні власне барботажу, поверхня контакту фаз найбільш розвинена в зоні піни.

Із зростанням швидкості газу збільшується висота зони піни і зменшується висота зони власне барботажу. Поступово зона барботажу зникає зовсім - виникає власне пінний режим. Вважається, що перехід до пінного режиму відбувається тоді, коли швидкість газу

·

· де - швидкість спливання пузирів,

· - частка перетину апарату, зайнята пузирями.

Третій режим - струменевий (інжекційний). При подальшому збільшенні швидкості газу відбувається зміна структури піни: довжина газових факелів збільшується, і вони виходять на поверхню шару. Це приводить до руйнування комірчастої піни і перетворення її в систему, що складається з відносно крупних бризок і струменів рідини, що викидаються газом. При цьому верхня межа шару стає розмитою і над ним з'являється значна кількість дрібних бризок. Виникає «рухомий» газо-рідинний шар, який ще називають зоною «відкритих факелів». Виникає процес інжектування, коли рідина захоплюється газом, що виходить з отворів, і виноситься на поверхню газо-рідинного шару.

Поверхня контакту фаз в основному зосереджена на поверхні крапель і в умовах такого гідродинамічного режиму - знижується.

Слід зазначити, що перехід від одного режиму до іншого відбувається поступово. Тому при проектуванні тарілчастих апаратів розрахунковим шляхом визначають швидкісті газу, які відповідають нижній і верхній межам роботи тарілки, і потім вибирають робочу швидкість газу.

Так, для ситчастих тарілок мінімальна робоча швидкість w _н, при якій починають працювати всі отвори, знаходиться по рівнянню:

· w _н = 2/3 F_c (2 g ρ_ж h₀ / ξ ρ_г)^0,5

· де F_c - вільний перетин тарілки, тобто сумарний перетин всіх отворів, віднесений до площі тарілки;

· h₀ - висота шару рідини на тарілці, м;

· ξ -коефіцієнт гідравлічного опору сухої тарілки.

Для ковпачкових тарілок швидкість газу в прорізах ковпачка w _пр, при якій прорізі повністю відкриваються (це відповідає найбільш ефективній роботі цих тарілок), розраховують користуючись залежністю

· w _пр = 0,6 (2 g ρ_ж h_пр / ρ_г)^0,5

· де h_пр - висота прорізу прямокутної форми в ковпачку

До недоліків роботи тарілчастих контактних пристроїв відносяться:

1. Гідродинамічний градієнт, що виникає на тарілці між перетином входу рідини на полотно тарілки (перетин відразу за переливною планкою тарілки), і перетином зливу рідини з тарілки (перетин перед зливною планкою) (рис. 48). Якщо вказаний градієнт великий, виникає нерівномірність роботи тарілки, викликана нерівномірністю гідростатичного стовпа рідини на тарілці. При цьому газ в основному рухається через частину тарілки, прилеглу до переливного порогу, де рівень рідини нижчий. Це явище стає особливо помітним на тарілках великих діаметрів, де величина гідростатичного градієнта стає значною;

Рис.48-Схема руху рідини на тарілці з переливами

2. Поперечне перемішування рідини на тарілці; найкращі умови роботи масообмінних апаратів - це режим ідеального витіснення, коли рідина як поршень проходить по перетину тарілки, не перемішуючись в поперечному напрямі. Проте на реальних тарілках має місце поперечне перемішування рідини, викликане цілим рядом чинників. Для усунення цього явища використовують подовжнє секціонування тарілок (рис. 49).

Рис. 49 - Контсрукція струменевої тарілки, секціонованої прокольними перегородками

1 - полотно тарілки; 2 - пелюстки; 3 - секціонуючи перегородка; 4 - вікно; 5 - козирьки

Секції представляють собою пластини, що встановлені над полотном тарілки з деяким зазором і мають висоту, рівну або більше висоти барботажного шару. Проведені дослідження показали значне збільшення ефективності масообміну таких тарілок. Причому таке рішення дозволяє без значних витрат модернізувати вже існуючі тарілки.

Дата добавления: 2015-08-18