Расчет насадочных аппаратов

Оросительные скрубберы с насадками. Для получения больших активных поверхностей теплообмена между газом и жидкостью применяют колонны с различными насадками, например: кольцами Рашига, коксом, деревянными рейками в виде хордовых насадок, с металлической стружкой и т. п.

Насадки характеризуются:

· поверхностью единицы объема S, м ² / м³;

· свободным объемом Vсв м³/м³;

· проходным сечением f, м²-,

· просветомна 1 м² поперечного сечения аппарата

· периметром U—условным пери­метром просветов в метрах на 1 м² поперечного сечения аппарата.

При противоточном движении газа и жидкости в насадочных колон­нах по мере возрастания скорости наблюдаются четыре характерных ре­жима движения потоков: пленочный, промежуточный, турбулизации и эмульгирования.

В режиме эмульгирования интенсивность тепло- и массообмена до­стигает максимального значении, одновременно происходит накаплива­ние жидкости и, когда вся насадка затапливается жидкостью, проис­ходит так называемое захлебывание и начинается выброс жидкости из колонны. При проектировании скрубберов принимают рабочую скорость w_г несколько меньше скорости эмульгирования w_э, при которой насту­пает инверсия (пенообразное перемешивание) фаз:

w_г=(0,80-0,85) w_э, м/с.

Скорость газов, соответствующая оптимальному режиму работы колонн,

Оптимальная скорость газа

Вычисленная по этому методу Wопт составляет примерно 80% ско­рости захлебывания.

Определение основных размеров колонны сводится к подсчету по­лезного или активного объема В, диаметра D и полезной высоты H.

В насадочных колоннах под полезным или активным объемом и по­лезной высотой следует понимать объем и высоту насадки.

Полезный или активный объем скруббера определяется по формуле

где Q—количество тепла, передаваемое в скруббере, Вт; k—коэффициент теплопередачи насадки, Вт/(м ^{2 0}С); Δt—средняя разность температур теплоносителей, ⁰С; S—поверхность насадки в единице объема, м² /м³; j—коэффициент смачиваемости.

Коэффициент смачиваемости насадки j (отношение поверхности смоченной насадки к полной поверхности ее) можно найти как отношение количества жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки, V, к количеству жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки при полной ее смачиваемо­сти, V. Таким образом,

где S—поверхность насадки в единице объема, м² /м³; _ж - плотность орошения, м³/(м².ч )

Если j получается больше едини­цы, то насадка смачивается полностью и в расчете принимается φ =1

Для равномерного распределения газа и жидкости по сечению аппарата отношение высоты насадки к ее диаметру Н/D не должно быть меньше 1,5—2 и больше 5—7.

Коэффициент теплопередачи при охлаждении воздуха водой в скрубберах с насадкой можно определить по формуле Тадеуша Хоблера], обобщившего работы Н. М. Жаворонкова к Н. Э. Фурмер:

α =0.0024*λ /d_э *Re^0.7_гPr_г^0.33(Re_ж)^0.7_tж=20⁰с *(1+εх)

где λ,—теплопроводность смеси (влажного воздуха), Вт/(м*°С); d_э =4 V_св/S —эквивалентный диаметр насадки, м; Re_г = w *d_э /ν_г—критерий Рейнольдса для парогазовой смеси, в котором w - скорость газа в на­садке, м/с; ν_г - кинематическая вязкость парогазовой смеси, м²/с; Рг= ν_см / а_см—критерий Прандтля для парогазовой смеси; Reж= H_w d_э / 3600ν_ж - критерий Рейнольдса для жидкости при температуре 20°С, в котором H_w = 4L/ πD² —плотность орошения насадки, м³/(м².ч ); L — расход жид­кости, м³/ч); ν_ж —кинематическая вязкость жидкости при температуре 20°С, м² с; ε- безразмерный комплекс, учитывающий влияние массообмена, ε=130 при температуре в скруббере 20-90; i—энтальпия пара¹ ; r—теплота парообразования; φ=α/β= Ср—соотношение Льюиса, где α —коэффициент теплоотдачи, β — коэффициент массообмена; m=μ_п/μ_в — отношение молекулярных весов пара и воздуха; с_p—теплоемкость влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха, А=1/427—тепловой эквивалент единицы работы, R—га­зовая постоянная влажного воздуха: Т—температура парогазовой смеси, К,

В большинстве случаев процессы в скрубберах при тепло- и массообмене воздуха с водой протекают при температурах от 20 до 90°С;

Т. Хоблер предлагает в расчетах принимать среднее значение комплек­са ε=130; Х—средняя концентрация пара в парогазовой смеси:

Х= (Х_п –Х_в )/ln Х_п/ Х_в

где Хп — концентрация пара и смеси при ее средней температуре, кг/кг; Хв-—концентрация пара в смеси у зеркала испарения воды при темпе­ратуре 20 ⁰С, кг/кг.

Основные понятия о процессе сушки Формы связи влаги с материалом. Кинетика сушки.

Сушкой называется термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги путем ее испарения. Этим сушка отличается от других методов удаления влаги, например, путем поглощения ее химическими реагентами или механического отделения.

Изделия или материалы приходится сушить в зависимости от их назначений для разных целей.

Назначение сушки:

- повышение прочности строительных материалов (кирпича, древесины), предохранения от гниения и плесени, облегчения обработки, увеличения долговечности, предотвращения сжатия, искривления и растрескивания;

- увеличение теплоты сгорания топлив (угля, торфа), улучшения процесса горения;

- уменьшение массы и объема транспортируемых материалов;

- удлинение срока хранения продуктов.

Существующие методы обезвоживания:

- физико-химический;

- механический;

- тепловой.

Физико-химический метод основан на поглощении влаги из высушиваемого материала путем их соприкосновения с гигроскопическими веществами (хлористым кальцием, силикагелем). Применяется в мелкомасштабных производствах и лабораториях.

Механическое обезвоживание – это разделение гетерогенных систем на твердую и жидкую фазы под воздействием механических сил (давления, центробежных, гравитационных).

Тепловой метод обезвоживания осуществляется путем подвода к высушиваемому материалу теплоты.

Наиболее широко распространены последние два способа.

Механическое обезвоживание (отжатие и отсасывание влаги, центрифугирование, фильтрование) широко применяется, например, в текстильной промышленности, для чего в технологический процесс включаются специальные аппараты — прессы, центрифуги, вакуум-филь­тры.

Механическое обезвоживание материалов более экономично, чем тепловая сушка, однако оно применимо только для материалов, допу­скающих деформацию (торфяная масса, текстиль, шерсть и т. п.). При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случа­ев является недостаточным, так как оно обеспечивает только частичное удаление свободной влаги (до 40—60%). Поэтому часто комбинируют различные способы удаления влаги, например в текстильной промыш­ленности после механического обезвоживания, а в химической после вы­паривания применяют сушку материалов, достоинством которой являет­ся возможность получения материала с любой конечной влажностью.

Оборудование для механического обезвоживания:

- отстойники (разделение осуществляется в поле сил тяжести);

- вакуум-фильтры (движущая сила процесса создается разрежением под фильтровальной перегородкой, перепад давлений при этом составляет 0,02-0,07МПа);

- отстойные и фильтрующие центрифуги (разделение осуществляется за счет центробежной силы).

Сушку материалов можно производить естественным и искусствен­ным путями. Естественная сушка обычно производится на открытом воз­духе, под навесами или в специальных сараях и представляет собой про­цесс, при котором сушильный агент (воздух), поглотивший пары влаги, отводится из зоны сушимого материала без искусственных мероприятий. Она производится за счет тепла наружного воздуха и применяется при массовой обработке дешевых влажных материалов, например глины, пе­ска, торфа, дров, пиломатериалов, сена и т. п., и имеет еще значительное применение в народном хозяйстве.

Недостатками естественной сушки по сравнению с искусственной являются большая продолжительность, зависимость ее от времени года и состояния наружного воздуха, необходимость большой территории для размещения материала. При естественной сушке материал можно высушить только до влажности, близкой к равновесной, соответствующей параметрам окру­жающего воздуха, и в ряде случаев недостаточной для последующей тех­нологической обработки материалов.

Искусственная сушка материалов производится в специальных устройствах — сушилках, в которых сушильный агент, поглотивший пары влаги, отводится искусственным способом: при помощи вентиляторов, инжекторов, вытяжных труб и других устройств. Искусственная сушка в большинстве случаев осуществляется горячим воздухом.