Двухфазное движение газа и жидкости через насадку

При двухфазном движении газа и жидкости свободный объем уменьшается, а на поверхности соприкосновения фаз в результате трения возникают касательные напряжения. Взаимодействие между фазами ведет к повышению гидравлического сопротивления по сравнению с сопротивлением сухой (неорошаемой) насадки. Лишь при малых скоростях фаз можно пренебречь взаимодействием между ними. При противотоке газа и жидкости, в зависимости от скоростей потоков, наблюдается четыре различных гидродинамических режима, графическое отображение которых показано на рисунке 6.2 в координатах гидравлическое сопротивление (ΔP) – приведенная (т.е. отнесенная к сечению колонны) скорость газа, ω_г, построенное в логарифмическом масштабе [].

Первый режим (пленочный режим)наблюдается при сравнительно небольших нагрузках по газу и жидкости. В этом режиме взаимодействие фаз незначительно и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. На кривой ΔP – ω_г (рисунок 6.2) линии А₁В₁, А₂В₂,…, выражающие сопротивление орошаемой насадки, параллельны линии для сухой насадки, но лежат выше, сдвигаясь вверх с увеличением плотности орошения.

Некоторые исследователи отмечают в пределах пленочного режима перелом на кривой ΔP – ω_г, называемый ими точкой торможения, и считают, что он вызван началом воздействия жидкости на поток газа вследствие трения. Такой перелом действительно наблюдается, но он совпадает с аналогичным переломом для сухой насадки и соответствует переходу к турбулентному (автомодельному) режиму движения газа.

При очень высоких плотностях орошения (примерно выше 14…28 кг/(м²∙с)) линии на кривой ΔP – ω_г идут с малым уклоном (линии А₃В₃, А₄В₄, …). Даже в отсутствии движения газа наблюдается значительный перепад давлений в слое насадки. Это явление объясняется инжектирующим действием жидкости.

В пленочном режиме гидравлическое сопротивление насадки пропорционально скорости газа (ω_г) в степени примерно 2.

lg ΔP

lg ω_г

В₁,В₂,…,В_i – точки начала подвисания; С₁,С₂,…,С_i – точки начала захлебывания (инверсии); D₁,D₂,…D_i – точки захлебывания (уноса).

Рисунок 6.2 – Зависимость гидравлического сопротивления сухой насадки (линия АВ) и орошаемой (кривые А_iB_iC_iD_iE_i при постоянной плотности орошения) от скорости газа

Второй режим (режим подвисания) характеризуется торможением жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличиваются. Возрастание количества удерживаемой жидкости с повышением скорости газа ведет к уменьшению свободного объема насадки и быстрому увеличению сопротивления. На кривой ΔP – ω_г начало подвисания характеризуется переломами в точках В₁,В₂,…, называемых точками подвисания. Гидравлическое сопротивление насадки в этом режиме пропорционально скорости газа (ω_г) в степени 4…5.

Визуально режим подвисания характеризуется накоплением жидкости в отдельных местах насадки, преимущественно в точках соприкосновения насадочных тел. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная и активная поверхность насадки, что ведет к возрастанию интенсивности массопередачи.

Третий режим (режим захлебывания или барботажный) возникает в результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновесит силу трения. Накопление жидкости большей частью начинается с нижнего слоя насадки и постепенно распространяется на всю высоту. Тщательным регулированием подачи газа уровень жидкости может быть установлен на произвольной высоте, как ниже, так и выше верха насадки.

Накопление жидкости в насадке приводит к обращению (инверсии) фаз: газ перестает быть сплошной фазой и движется путем барботажа через слой заполнившей насадку жидкости. На кривой ΔP – ω_г режим захлебывания изображается участками C₁D₁, C₂D₂,…, расположенными почти вертикально, т.е. сопротивление резко возрастает по мере накопления жидкости в насадке, а увеличение скорости газа при этом почти не происходит. Точки перегиба С₁, С₂, … , соответствующие переходу в режим захлебывания, называют точками начала захлебывания или инверсии.

По исследованиям Плановского А.Н., Кафарова В.В. и ряда других авторов режим захлебывания соответствует максимальной эффективности насадочной колонны. Причина высокой интенсивности в режиме захлебывания объясняется большой поверхностью соприкосновения фаз, которая определяется в этом режиме не геометрической поверхностью насадки, а условиями барботажа. Однако работа производственных аппаратов в режиме захлебывания неустойчива, так как сопровождается значительными колебаниями сопротивления и даже при небольшом изменении расхода газа происходит переход ко второму или четвертому режиму с заметным снижением эффективности. Поэтому применяют абсорберы с искусственно затопленной насадкой, работающие достаточно устойчиво.

Четвертый режим (режим уноса)возникает при повышении скорости газа против величины, соответствующей режиму захлебывания. В данном случае происходит вторичная инверсия фаз:газ снова становится сплошной фазой и жидкость выносится из аппарата вместе с газом в основном в виде брызг. Нормального орошения насадки при этом уже не происходит, так как жидкость почти перестает поступать на насадку. Указанный режим сопровождается резким снижением интенсивности массопередачи. Режим уноса на практике не применяется и поэтому почти не исследовался. Точки D₁,D₂,..., соответствующие переходу к режиму уноса, называют точками захлебывания или уноса. Эти точки характеризуют предельные нагрузки аппарата.

Многочисленные экспериментальные исследования точки захлебывания позволили сделать следующие выводы [7]:

- с увеличением плотности орошения захлебывание наступает при более низких скоростях газа. Отмечено наступление захлебывания при очень больших плотностях орошения в отсутствии движения газа;

- при одинаковых плотностях орошения скорость газа, соответствующая захлебыванию, выше при более крупной насадке. При одинаковых размерах насадочных тел предел нагрузки по газу и жидкости тем ниже, чем меньше свободный объем насадки. Для регулярной насадки пределы нагрузки значительно выше, чем для беспорядочно загру­женной;

- с увеличением плотности газа в случае постоянной плотности орошения снижается линейная скорость газа при захлебывании, но уве­личивается его массовая скорость. Поэтому, например, если повышается давление, захлебывание наступает при более высокой массовой скорости газа;

- повышение вязкости орошающей жидкости и уменьшение ее плотности приводят к снижению предела нагрузки.

Таким образом, факторы, обусловливающие повышение количества удерживаемой жидкости (уменьшение размеров насадочных тел, уве­личение вязкости жидкости, уменьшение плотности жидкости), вызывают понижение нагрузок, соответствующих захлебыванию.

Отмечается повышение тенденции к захлебыванию и наступление подвисания при более низких скоростях газа в случае, если материал насадки плохо смачивается орошающей жидкостью (насадки из пластических масс).