Определение гидравлического сопротивления

Насадочной колонны

Цель работы: изучение гидравлического сопротивления насадочной колонны в зависимости от скорости газа и плотности орошения.

Теоретическая часть

Насадочные колонны применяются в процессах, требующих большой поверхности фазового контакта между жидкостью и газом или паром. К таким процессам относятся абсорбция, ректификация, охлаждение, мокрая отчистка газов и др.

Насадочные колонны представляют собой аппараты, заполненные насадкой тел различной формы: кольца, кусковой материал, деревянные решетки, спирали. Насадка должна иметь большую удельную поверхность и большой удельный объем, обладать значительной механической прочностью, химической стойкостью и иметь малый насыпной вес.

Наиболее распространенными насадками являются: кольца Рашига из керамики и металла, керамические седла Берля, керамические и металлические кольца Поля, деревянные хорды, металлические сетки и блочные насадки.

Кольца Рашига имеют наибольшее распространение, так как они просты в изготовлении, имеют малое гидравлическое сопротивление, обладают большей эффективностью по сравнению с другими насадками.

При выборе насадки и скорости газа необходимо учитывать потерю давления газового потока, проходящего по колонне, особенно значительную при работе под давлением, близком к атмосферному давлению, так как с увеличением гидравлического сопротивления растет и расход электроэнергии для перемешивания газа и жидкости. При движении газа в слое насадки происходит потеря давления за счет трения его о стенки элементов насадки, стенки самой колонны, сопротивлений местного характера (сужения, расширения, изменения направления потока газа в слое насадки).

Сопротивление слоя насадки можно рассчитать по формуле Дарси-Вейсбаха:

н/м² (9.1) где: ∆P_сух – сопротивление слоя насадки в единицах давления;

λ - суммарный коэффициент сопротивления слоя насадки;

H – высота слоя насадки, м;

d_э – эквивалентный диаметр каналов в насадке, м;

W_г - скорость газа в каналах, м/сек;

h_н - потеря напора в слое насадки, м;

ρ_г – плотность газа, кг/м³ ;

ρ_ж – плотность манометрической жидкости, кг/м³ ;

Эквивалентный диаметр каналов в насадке можно выразить через специальные характеристики насадки:

а) удельный свободный объем V_св, м³/ м³, численно равный удельному свободному сечению;

б) удельную поверхность δ, м²/ м³,

(9.2)

Где: F₀ – средняя площадь свободного сечения насадки колонны, м² ;

П₀ - средний периметр свободного сечения насадки, м² ;

V – полный объем, занимаемый слоем насадки, м³ ;

Действительная скорость газа в свободном сечении колонны ввиду трудности её непосредственного замера заменяется фиктивной скоростью W_ф, отнесенной к полному сечению колонны:

(9.3)

где: F = м² - полное сечение колонны;

D – диаметр колонны, м ;

W_г – действительная скорость газа, м/сек ;

Уравнение (9.3) решаем относительно действительной скорости газа:

W_г = (9.4)

Подставляя значения d_э и W_г в формулу (9.1) получаем:

∆P_сух = λ (9.5)

Для насадки с размерами 25х25х3 мм Vсв и δ можно определить по справочным данным /3/.

Суммарный коэффициент сопротивления является функцией числа Рейнольдса для газового потока.

По данным Жаворонкова для насадки из колец, насыпанных беспорядочно:

при ламинарном движении при Rе_г < 40,

λ = 140/ Rе_г (9.7)

при турбулентном движении при Rе_r < 40,

λ = 16 / Rе_г^0,2 (9.8)

Число Рейнольдса равно

где: μ _г – вязкость газа, Па · с;

ν_г - кинематическая вязкость газа, м ²/сек;

Следует отметить, что фактическое сопротивление сухой насадки значительно выше расчетного, так как оно зависит от качества изготовленных насадочных тел, способа засыпки, степени загрязнения, сухости поверхности и многих других факторов.

При орошении колонны сопротивление слоя насадки увеличивается, так как в узких каналах смоченной насадки задерживается определенное количество жидкости, при этом уменьшается свободное сечение, по которому проходит газ, увеличивается действительная скорость газа и соответственно возрастает гидравлическое сопротивление насадки. Увеличение сопротивления при орошении можно учесть, заменяя в уравнении (9.5) свободный объем насадки на свободный объем орошаемой насадки:

V^/_св = V_св – δ, м (9.9)

Где: δ – толщина пленки, м.

Если учесть только изменение свободного объема, то

(9.10)

Отношение сопротивлений можно также определить из уравнения Тейча:

(9.11)

Уравнение Элуджи выражает графическую зависимость:

(9.12)

Ввиду сложности приведенных уравнений для вычисления часто применяют более простые уравнения, учитывая влияние орошения на величину гидравлического сопротивления. При невысоких расходах орошающей жидкости (ниже 50 м³ ) можно использовать уравнение Лева:

(9.13)

Где: в₁- коэффициент, зависящий от формы и способа засыпки насадки

(для колец в навал в₁ = 216),

U – плотность орошения, м³/ м² сек.

9.2. Описание установки