Аппаратах насадочного типа
В связи с исследованием процессов, происходящих в различных аппаратах насадочного типа, вопросы совместного течения жидкости и газа рассматриваются в ряде работ по массообменным процессам химической технологии. Общий вывод, который следует сделать из анализа работ, посвященных данному вопросу, заключается в том, что ввиду сложности происходящих явлений нельзя использовать аналитические методы для получения расчетных зависимостей, а разработка обобщенных экспериментальных связей в ряде случаев наталкивается на весьма серьезные трудности.
Для выбора наиболее рационального режима работы камеры с орошаемым слоем необходимо четко представлять физическую картину движения воды и воздуха.
Все возможные режимы можно представить в виде трех основных.
Первый основной режим следует назвать режимом раздельного движения фаз (воды и воздуха); он наблюдается при малых плотностях орошения и сравнительно небольших скоростях движения воздушного потока. В этом режиме вода движется по стенкам, образуемым элементами насадки (ячейками сетки), а воздух проходит в центральной части ячеек. Воздух и вода взаимодействуют на поверхности движущейся пленки воды.
Переход от этого режима к следующему, второму, может произойти благодаря увеличению расхода воздуха при неизменном расходе воды и, наоборот, благодаря увеличению расхода воды при неизменном расходе воздуха. И в том и в другом случае вначале наступает так называемое торможение, а потом подвисание воды, когда движение ее замедляется. Удерживается вода движущимся воздухом. При этом происходит турбулизация движущейся пленки и наблюдаются срывы частичек жидкости с турбулизированной поверхности. Число увлекаемых воздухом частичек постепенно увеличивается, и воздух начинает взаимодействовать со всем объемом жидкой пленки, что приводит к инверсии движения воды, ее эмульгированию и возникновению третьего основного режима.
Режим эмульгирования является режимом совместного движения фаз.
Этот режим кончается захлебыванием аппарата, когда сверху слоя насадки накапливается барботируемый слой воды.
При переходе от одного режима к другому меняется характер зависимости аэродинамического сопротивления слоя насадки от скорости движения воздуха (при постоянной плотности орошения). Поэтому график функции Ар = / (да) в логарифмических координат. Если в течение первого режима характер зависимости остается примерно таким же, каким он был в случае сухой насадки, то при переходе к промежуточному режиму угол наклона линии Ар = / (да) увеличивается. В режиме эмульгирования эта линия становится почти вертикальной.
Таким образом, в слое орошаемой насадки имеют место три основных режима движения воды и воздуха: режим раздельного течения фаз (или пленочный), промежуточный режим (или режим турбулизации пленки) и режим совместного движения фаз (или режим эмульгирования).
Некоторые исследователи предлагают иную трактовку возможных режимов. Так, например, В. В. Кафаров говорит о четырех режимах: пленочном, промежуточном, режиме турбулизации и эмульгирования. Поэтому график функции Ар = f (да) в логарифмических координатах претерпевает перелом (рисунок 4.33).
Рисунок. 4.33. Аэродинамическое сопротивление слоя орошаемой сетчатой насадки при различных режимах работы
Весьма существенным является вопрос о выборе наиболее целесообразного режима работы камеры с орошаемым слоем, используемой для тепловлажностной обработки воздуха. Максимальная интенсификация процесса достигается в режиме эмульгирования, но при этом наблюдаются наибольшие аэродинамические сопротивления слоя насадки. Малые сопротивления характерны для пленочного режима. Однако этот режим отличается незначительной тепловой напряженностью. В результате исследований нами был сделан вывод о целесообразности применения промежуточного режима, или режима турбулизации пленки. Для этого режима аэродинамическое сопротивление слоя орошаемой насадки из 32 сеток, уложенных горизонтально, может рассчитываться по формуле
Незначительная толщина орошаемого слоя сетчатой насадки из плоских капроновых нитей позволяет создать конструкцию камеры с несколькими орошаемыми слоями, расположенными параллельно по отношению к направлению движения воздуха. Одна из возможных конструктивных схем такого решения приводится на рисунке 4.34.
Рисунок. 4.34. Схема аппарата с горизонтальными слоями орошаемой
сетчатой насадки: 1 - корпус; 2 - орошающее устройство; 3 - орошаемая сетчатая насадка; 4 - сепаратор; 5 - поддон
Как видно из этой схемы, при подходе к аппарату горизонтальный воздушный поток разделяется и пронизывает слои насадки в вертикальном направлении (снизу вверх). Вода подается на слои насадки с помощью труб и, пройдя через насадку, собирается в промежуточных водосборниках, откуда через гидравлический затвор направляется в водосборные трубы и затем в общий поддон. Из поддона часть воды может поступать на рециркуляцию.
Данная конструктивная схема отличается компактностью и сохраняет горизонтальный принцип компоновки узла тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования. Проектировать камеру этого типа следует Исходя из условий ее работы в режиме турбулизации пленки.
В заключение укажем, что одной из модификаций аппарата с сетками из капроновых нитей может быть камера, в которой сетки установлены под острым углом (примерно 7°) друг к другу и к направлению движения воздуха (рисунок 4.35).
Рисунок. 4.35. Схема аппарата со слоями орошаемой насадки, расположенными под углом друг к другу:
1 - корпус; 2 - патрубок для выхода обработанного воздуха; 3 - сепаратор; 4 - орошающее устройство; 5 - орошаемая насадка; 6 - поддон; 7 - патрубок для входа воздуха
Камеры с орошаемым слоем из винипластовых сеток
Приведенные выше сведения относятся к камерам с орошаемой насадкой в виде специальных сеток из плоских капроновых нитей. Данные сетки имеют весьма хорошие характеристики, но технология изготовления их довольно сложная.
Могут использоваться сетки, производство которых налажено в отечественной химической промышленности. Из числа таких сеток наилучшие показатели у штампованных перфорированных и гофрированных сеток из пластических масс, вырабатываемых на основе полихлорвиниловых смол по техническим условиям ТУ 30-12423-62. Этот материал, широко применяемый в технике, называется обычно винипластом. Винипластовая пленка изготавливается из поливинил- хлорида путем термической пластификации с последующей перфорацией и гофрированием на специальных станках. Ширина выпускаемой пленки составляет 400-650 мм.
Как известно, винипласт коррозийно-устойчив, прочен, гибок, стоек к кислотам и щелочам. Гофрированные винипластовые сетки применяются в качестве прокладок в кислотных аккумуляторах. Наличие гофр позволяет производить укладку нескольких сеток в слое насадки (рисунок 4.36).
Рисунок. 4.36. Схема укладки гофрированных сеток в слое насадки
Приведем основные характеристики перфорированных винипластовых сеток: толщина пленки материала 0,5 мм; диаметр отверстий 2,85 мм; высота гофра 1,0 мм; шаг гофра 5 мм; коэффициент гофрировки 1,25; скважность 54-55%; вес 1 м2 сетки 380-400 Г; цена 1 кГ сетки 90 коп.; 1 кГ сетки покрывает около 2,5 м2; стоимость 1 м2 40 коп. Стоимость 1 м2 широко применяемых медных сеток составляет 5-8 руб.
Имея эти данные, можно найти необходимые аэродинамические характеристики перфорированных винипластовых сеток. Удельная поверхность / (по расчетам В. В. Попенченко) составляет 1200 м2/мъ. Свободный объем V определенный как отношение объема вытесненной воды при погружении сеток к объему, занятому сетками, равен 0,907 м3/м3. Отсюда эквивалентный диаметр в соответствии с выражением (4.119) оказывается равным 3,0910"3 м.
Таким образом, для создания насадки из винипластовых сеток, эквивалентной по поверхности слою колец Рашига толщиной 400 мм, необходимо иметь слой толщиной 65 мм, что соответствует 43 сеткам (считая, что толщина сетки равна толщине материала, увеличенной на высоту гофр).
Рисунок. 4.37. Схема аппарата с наклонным расположением слоев сетчатой насадки и орошением через водораспределительный лоток:
1 - корпус; 2 - сепаратор; 3 - слой сетчатой насадки; 4 - поддон; 5 - водораспределительный лоток
Аэродинамическое сопротивление такого слоя при отсутствии орошения водой составляет Ар = 6,0 да1,45. Следовательно, при скорости воздуха в сечении камеры w = 1,5 м/сек сопротивление слоя равно 11 мм вод. ст., т. е. практически не отличается от сопротивления слоя капроновых сеток. Поэтому на основе сеток из перфорированных и гофрированных пластин винипласта могут быть созданы камеры такого же типа, как и на основе капроновых сеток. Конструктивные схемы, изображенные на рисунке 4.34,4.35, в полной мере относятся и к этому случаю. Кроме того, исследованиями В. В. Попенченко была установлена целесообразность применения другой конструктивной схемы аппарата, которая использует совершенно иной способ орошения и отличается наклонным расположением насадки (рисунок 4.37). Орошение слоя насадки, составленного из винипластовых сеток, происходит не сверху (как в рассмотренных ранее схемах), а сбоку через водораспределительный лоток. Лоток расположен вдоль одной из сторон поперечного сечения аппарата, открыт сверху для свободного излива воды.
Из рисунка 4.37 видно, что орошающая насадку вода попадает сначала на верхний слой (или пакет) сеток, а затем на нижний. Равномерное распределение воды, стекающей по верхнему слою насадки, достигается путем установки сеток под соответствующим углом наклона. Для скоростей воздушного потока в пределах 1-2,5 м/сек оптимальный угол наклона пакета сеток составляет 30° к горизонтальной плоскости. При таком угле наклона вся поверхность орошаемого слоя равномерно покрывается водой без заметного провала ее через отверстия. На нижний слой сеток вода поступает с нижнего края верхнего слоя таким же образом, как из лотка на верхний слой.
Рисунок. 4.38. Аэродинамическое сопротивление сухой и орошаемой насадки в зависимости от скорости воздуха:
1 - сухая насадка; 2 - плотность орошения ложен горизонтально, а вода Н = 3,6 М-, 3 - н - -5,25 м; 4 - Н = 8,7 м
Данная схема существенно отличается от ранее рассмотренной, в которой орошаемый слой расположен горизонтально, а вода поступала сверху из перфорированных труб, что создавало противоточный характер движения воды и воздуха. В схеме с боковым подводом воды и наклонным расположением насадки движение воды и воздуха представляет собой в большей степени перекрестный ток, хотя наблюдается и противоток из-за частичного провала воды сквозь перфорированные сетки. Естественно, что существенные изменения в характере совместного движения воды и воздуха сказались и на виде зависимостей аэродинамического сопротивления орошаемого слоя от скорости воздуха и плотности орошения. На рисунке 4.38 изображен график аэродинамического сопротивления сухой и орошаемой насадки в зависимости от скорости воздуха. При небольших скоростях воздуха наблюдается, как и ранее, пленочный режим движения воды и воздуха, или режим смачивания. Он имеет место лишь при малых скоростях воздуха, когда последний свободно проходит через сечения отверстий, соприкасаясь с поверхностью пленки воды. Поскольку часть сечений отверстий занята водой, сопротивление орошаемого слоя при той же скорости воздуха выше, чем у сухой насадки. Однако из-за того что сухая насадка в большей степени шероховата, линия Дp=f(w) для смоченной насадки в логарифмической сетке координат несколько положе.
Режим смачивания наблюдается до некоторой величины скорости воздуха, при достижении которой возникает настолько сильное торможение стекающей воды, что она как бы подвисает на сетках.
Это состояние носит название подвисания. Выражается оно в резком скачке аэродинамического сопротивления. При дальнейшем росте скорости воздушного потока величина кинетической энергии становится достаточной для преодоления состояния подвисания, и вместе с этим начинается следующий режим, называющийся барботажным. В барботажном режиме слой воды разрывается и через него проходят пузырьки воздуха. В отличие от схем с горизонтальной насадкой в данной схеме из-за наклонного расположения насадки барботируемый слой воды не накапливается. Поэтому линия, характеризующая аэродинамическое сопротивление насадки, в системе координат w - tap в логарифмическом масштабе располагается довольно полого. Это обстоятельство позволило сделать вывод о возможности использования камеры с наклонным расположением сеток при режиме барботажном, а не смачивания. Была получена зависимость, позволяющая рассчитывать аэродинамическое сопротивление слоя орошаемой насадки из винипластовых перфорированных сеток:
где п - количество сеток в слое.
Необходимо обратить внимание на сравнительно небольшое влияние, которое оказывает плотность орошения на величину аэродинамического сопротивления слоя насадки. Это происходит потому, что на наклонной насадке может накапливаться барботируемый слой воды более или менее постоянной толщины.
Заметим, что барботажный режим работы наклонной сетчатой насадки наблюдается в весьма широком интервале скоростей воздуха и плотностей орошения. Поэтому выбор целесообразной комбинации этих двух факторов следует производить исходя из недопустимости превышения определенного значения аэродинамического сопротивления насадки. В качестве предельной величины сопротивление может быть принято 25-30 мм вод. ст.
На рисунке 4.39 показаны линии, объединяющие такие комбинации удельных расходов воды (коэффициентов орошения) и скоростей воздуха, при которых наблюдается предельное сопротивление при я = 7, 12 и 22 сетки.
Выбор оптимального количества сеток в орошаемом слое производится на основании оценки эффективности процессов тепло- и массообмена.
Рисунок. 4.39. Комбинации удельных расходов воды и скоростей воздуха, создающих предельные сопротивления аппарата с сетчатой насадкой, расположенной наклонно
Оказывается, что после увеличения количества сеток в слое сверх 20 рост поверхности тепло- и массообмена практически не происходит. Отсюда был сделан вывод о том, что оптимальное количество сеток в слое равно пяти. При такой толщине слоя насадки наблюдаются достаточно высокая эффективность по тепло- и массообмену и сравнительно небольшие энергозатраты на преодоление сопротивления слоя насадки.
Рис. 4.40. Схема аппарата с одноярусным расположением насадки:
1 - корпус; 2 -- патрубок для выхода обработанного воздуха; 3 - сепаратор; 4 - орошающий лоток; 5 - орошаемая насадка; 6 - поддон; 7 - патрубок для входа воздуха
Рис. 4.41. Схема аппарата с двухъярусным расположением насадки:
1 - корпус; 2 - орошающий лоток; 3 - сепаратор; 4 - поддон
На основе выполненных исследований предлагаются две схемы камеры с орошаемой насадкой, в которых используется наклонное расположение гофрированных винипластовых сеток: схема с одноярусным расположением насадки может быть рекомендована для камер, рассчитанных на производительность 5000 и 10 000 м3/час воздуха (рисунок 4.40); схема с двухъярусным расположением сетчатой насадки - для камер производительностью 20 000 мъ/час воздуха (рисунок 4.41).
