Гидродинамика аппаратов колонного типа

Гидродинамика аппаратов насадочного типа

Гидродинамический режим насадочных аппаратов определяет эффективность их работы [3, 5, 7, 8]. Эффективная работа достигается только при определенных соотношениях между количеством жидкости, стекающей по насадке, и скоростью газов или паров, идущих противотоком к жидкости.

Однофазное движение потока через насадку

Движение газа

Газ движется через насадку по извилистым каналам, образованным насадочными телами. Сечение этих каналов непостоянно по высоте аппарата и, следовательно, скорость газа также является переменной величиной. При изучении насадочных аппаратов исходят из средней скорости газа, которую находят делением объемного расхода газа на среднее сечение каналов.

При течении газа через насадку турбулизация развивается значительно раньше, чем при движении по трубам. Границе ламинарного режима соответствует число Рейнольдса (Re_г) от 15 до 40. Полностью развитый турбулентный режим наступает при значениях Re_г от 2000 до 6000. При обычно встречающихся на практике значениях Re_г от 40 до 2000 движение газа соответствует переходному режиму [7].

Движение жидкости

При течении жидкости через насадку в последней постоянно находится некоторое количество жидкости. Данная жидкость (или по крайней мере большая часть) непрерывно обновляется, т.е. часть ее стекает со слоя насадки и тотчас же замещается таким же количеством вновь поступающей жидкости. При этом количество находящейся в насадке жидкости остается постоянным [7].

Характер течения жидкости зависит от плотности орошения (U, кг/(м²∙с)). С повышением плотности орошения увеличиваются количество удерживаемой жидкости и доля смоченной поверхности.

Визуальные наблюдения течения воды в колонне, заполненной шарами диаметром 25 мм, показали, что при малых плотностях орошения течение имеет прерывистый характер; жидкость накапливается в точках контакта между насадочными телами и периодически перетекает струйками (рисунок 6.1, а) от одной точки контакта к другой.

Возрастание количества удерживаемой жидкости при повышении плотности орошения происходит вследствие увеличения количества жидкости в каждой точке контакта, а также за счет увеличения количества «активных» точек контакта. При плотности орошения около 2 кг/(м²∙с) на поверхности насадочных тел начинает образовываться пленка (рисунок 6.1, б). Начиная с плотности орошения 4…7 кг/(м²∙с), количество удерживаемой жидкости возрастает в результате увеличения смоченной поверхности и толщины пленки. Наконец, при плотности орошения около 24 кг/(м²∙с) достигается полное смачивание поверхности и жидкость начинает «проваливаться», падая между насадочными телами в виде капель и струй (рисунок 6.1, в). При этом с повышением плотности орошения дальнейшего увеличения толщины пленки не происходит, а возрастает количество «проваливающейся» жидкости.

а б в

а – струйчатое; б – пленочное; в – «провал» жидкости

Рисунок 6.1 – Течение жидкости по насадке (заштрихованные области – пленка жидкости; затемненные области – накопление жидкости)

При других типах насадок, а также при других жидкостях приведенные значения плотностей орошения изменяются, но смена трех режимов течения в общем сохраняется. В таких насадках, как кольца Рашига внавал, течение жидкости по наружной и внутренней поверхностям происходит неодинаково. По первой жидкость может двигаться во все стороны, а по второй – только вдоль оси кольца, причем по внутренней поверхности жидкость течет лишь по нижней ее части.

Опыты по изучению течения жидкости в насадке из колец диаметром от 13 до 32 мм показали, что по внутренней поверхности колец протекает меньшее количество жидкости, чем по наружной. С увеличением размера колец доля жидкости, протекающей по внутренней поверхности, уменьшается от 29 (для колец диаметром 13 мм) до 12% (для колец диметром 32 мм). Для более крупных колец эта величина составляет около 10%.