Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ

ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ, устройства, в к-рых жидкость стекает в виде тонкой пленки по стенкам труб или каналов, соприкасаясь с потоком газа, пара или др. несмешивающейся жидкости либо участвуя в передаче теплоты др. потоку жидкости или газа через твердую стенку. В хим. реакторах иногда используют многослойные (обычно дву-и трехслойные) течения одной жидкостной пленки по другой.

Наиб. распространены: 1) кожухотрубчатые пленочные тепломассообменные аппараты (рис. 1); 2) колонные аппараты с регулярными насадками (см. Насадочные аппараты} в виде пакетов из гладких (плоскопараллельные) и гофрир. пластин ("зигзаг") или сетки ("Зульцер", рулонные, Мульти-книт, Стедмана), а также в виде регулярно уложенных мелких элементов (кольца Рашига в укладку, "Импульс-пекинг") или блоков (щелевые, решетчатые, сотовые); 3) роторные пленочные аппараты с мех. подводом энергии.

3553-1.jpg

Пленки жидкости и поток газа (пара) в кожухотрубчатых плёночных аппаратах могут двигаться в противоположном (противоток, рис. 2,а) и одном (прямоток, рис. 2, б, в, г)направлении. Гидродинамич. взаимод. фаз слабое, когда толщина и скорость течения пленки не зависят от скорости движения второй фазы (рис. 2, а, 6); сильное взаимод. обычно сопровождается образованием и уносом капель газовым потоком (рис. 2, в, г). В пределах каждой фазы течение м. б. ламинарным или турбулентным.

Наиб. важные технол. параметры для плёночных аппаратов-средняя толщина пленки h, характеризующая интенсивность теплопередачи, и потери напора в аппарате 3553-2.jpg (в случае абсорбции определяют энергозатраты на процесс, при ректификации влияют на изменение т-ры по высоте колонны). При слабом взаимод. фаз h стекающей пленки жидкости (независимо от относит. направления потоков-противоток, прямоток) для ламинарного режима течения (число Рейнольдса для пленки жидкости ReL < 1600) определяют по ф-ле Нуссельта:

3553-3.jpg

для турбулентного режима (ReL > 1600):

3553-4.jpg

где3553-5.jpg ; q-линейная плотность орошения, м3/(м·с); 3553-6.jpg -кинематич. вязкость жидкости, м2/с; 3553-7.jpg-дина-мич. вязкость жидкости, Па·с; 3553-8.jpg-плотн. жидкости, кг/м3; 3553-9.jpg -приведенная толщина пленки, м; g-ускорение своб. падения, м/с2. Величина h принимает значения от десятых долей мм для маловязких жидкостей (типа воды) до неск. мм для вязких жидкостей (типа глицерина) при больших плотностях орошения.

Время пребывания пленки в зоне контакта фаз обычно невелико вследствие высокой скорости течения uL — q/h. Плёночные аппараты характеризуются также очень низкими перепадами давления:

3553-10.jpg

где3553-11.jpg- коэф. гидравлич. сопротивления орошаемой трубы; l-длина трубы, м; D-диаметр трубы, м; 3553-12.jpg-плотн. газа, кг/м3; 3553-13.jpg-среднерасходная скорость газа, м/с; ui-скорость поверхностного слоя пленки жидкости, м/с, к-рая суммируется с 3553-14.jpg при противотоке и вычитается из нее при прямотоке. Для гладкой пов-сти пленки при наиб. распространенном в природе и технике турбулентном режиме течения газа справедлива ф-ла Блазиуса:

3553-15.jpg

где 3553-16.jpg - коэф. гидравлич. сопротивления для гладкой пленки, 3553-17.jpg (D - 2h)/vG, vG-кинематич.вязкость газа, м2/с. Однако уже при ReL 3553-18.jpg 20-40 в реальных условиях пов-сть пленки покрывается системой нерегулярных волн, к-рые по амплитуде делятся на крупные (наплывообразные) и мелкие капиллярные волны. Наличие большого числа мелких волн приводит к росту относит. гидравлич. сопротивления 3553-19.jpg из-за дополнит. потерь на отрыв потока с гребней волн. Найдено, что

3553-20.jpg

где a-относит. амплитуда мелких волн; ls -их длина, м; постоянная C = 0 для противотока и С = 0,11 для нисходящего прямотока.

3553-21.jpg

Крупные волны полностью перемешивают приповерх-ностные слои жидкости и интенсифицируют массообмен в 2-2,5 раза по сравнению с теоретич. расчетом для ламинарной гладкой пленки. Коэф. массоотдачи для пленки жидкости bL (м/с) м. б. оценен по ф-ле 3553-22.jpg , где DA-коэф. мол. диффузии распределяемого компонента А (м2/с), fB-частота крупных волн (л/с). Для турбулентного течения пленки справедлива теоретич. ф-ла 3553-23.jpg3553-24.jpg , где 3553-25.jpg - безразмерный параметр, s-поверхностное натяжение (Дж/м2), ScL = = vL/DA - число Шмидта для жидкости.

Массоотдача в газовой (паровой) фазе в области слабого взаимод. при турбулентном режиме течения газа (пара) определяется по аналогии с поверхностным трением газа в орошаемой трубе (аналогия Чилтона-Колборна):

3553-26.jpg

где bG-коэф. массоотдачи для газовой (паровой) фазы, м/с; ScG-число Шмидта для газовой фазы.

Предельные нагрузки по жидкости и газу (макс. производительность) противоточных плёночных аппаратов ограничены "захлебыванием". При скоростях газа в аппарате3553-27.jpg, близких к скорости захлебывания U0, сила трения газа о пов-сть пленки и сила тяжести, действующие на жидкость в противоположных направлениях, становятся соизмеримыми, в результате чего жидкость накапливается и периодически выбрасывается из верх. части аппарата. При 3553-28.jpg газ (пар) под действием силы трения увлекает пленку вверх по стенкам канала, вследствие чего реализуется восходящее пленочное течение (рис. 2,в). Ha практике при3553-29.jpg= (0,8-0,9)U0 скорость газового потока еще не влияет на толщину пленки и может приниматься как рабочая скорость при расчете противо-точных аппаратов. Для обеспечения противотока газа и жидкости в целом по многоступенчатой колонне при прямоточном характере контакта на отдельной ступени организация потоков усложняется (рис. 3).

Нисходящее прямоточное пленочное течение (рис. 2,5, г) не сопровождается захлебыванием. Однако и в этом случае существует критич. скорость газа (пара) UG*, характеризующая начало сильного гидродинамич. взаимод. фаз, когда волнообразование, толщина и скорость течения пленки начинают существенно зависеть от скорости газового потока, а с гребней волн срываются капли жидкости. В условиях интенсивного прямоточного (восходящего и нисходящего) течения фаз осн. гидродинамич. параметры пленочного течения и коэф. массо- и теплообмена рассчитывают обычно по полуэмпирич. зависимостям.

В ряде спец. случаев используют кожухотрубчатые плёночные аппараты с закрученным двухфазным потоком (вихревые плёночные аппараты), отличающиеся от аппаратов со стекающей или восходящей пленкой наличием завихрителей, размещаемых в контактных трубах. Завихрители бывают двух типов - осевые и тангенциальные. Наиб. распространены осевые завихрители в виде скрученной ленты или шнека, к-рые могут устанавливаться внутри контактной орошаемой трубы по всей ее высоте или в виде отдельных вставок.

3553-30.jpg

Рис. 3. Схема трехступенчатого пленочного аппарата с восходящим прямотоком фаз на ступенях.

Кожухотрубчатые плёночные аппараты применяют как конденсаторы, холодильники, испарители, десорберы, абсорберы, ректификац. колонны и лаб. колонны с орошаемыми стенками, кристаллизац. колонны.

Роторные плёночные аппараты можно разделить на две осн. группы. К первой относятся аппараты, в к-рых тепло- и массообмен и хим. превращ. происходят в тонком слое жидкости, создаваемом на внутр. пов-сти неподвижного корпуса с помощью вращающегося лопастного ротора. Ко второй-аппараты, в к-рых процессы переноса осуществляются в тонком слое жидкости, движущейся под действием центробежной силы по внутр. пов-сти вращающихся конусов, цилиндров, спиралей или дисков. К этому же типу относятся аппараты с разбрызгивающим жидкость ротором.

Наиб. распространены роторные лопастные аппараты первой группы, в к-рых лопасть подвижного ротора активно воздействует на пленку жидкости, перемешивая ее. Эти аппараты подразделяются на вертикальные (обычно ци-линдрич. формы) и горизонтальные (как правило, конич. формы). Роторы вертикальных цилиндрич. аппаратов (рис. 4) в осн. бывают трех видов: 1) лопасти жестко соединены с валом и имеют постоянный зазор с внутр. пов-стью корпуса (рис. 4,а); 2) лопасти крепятся шарнирно, и во время работы зазор между кромкой лопасти и корпусом аппарата устанавливается самопроизвольно (рис. 4,б); 3) маятниковые лопасти (рис. 4,в); на валу ротора с помощью подвесов установлены лопасти, к-рые при вращении ротора занимают радиальное положение с миним. зазором (0,3-0,5 мм). В аппаратах с перераспределением жидкости по высоте пов-сти тепло-, массообмена иногда используют роторы разбрызгивающего типа (рис. 4,г). При вращении ротора перед лопастью образуется турбулентный жидкостной валик, за лопастью остается тонкий слой жидкости, стекающий в ламинарном режиме под действием сил гравитации. С каждым новым приходом лопасти жидкость в этом слое перемешивается, а свободная пов-сть обновляется. Обновляется жидкость и у стенки аппарата.

3553-31.jpg

Аппараты, работающие благодаря действию центробежной силы, обычно наз. роторными ректификаторами. В аппаратах такого типа ротор часто состоит из набора контактных устройств (ступеней), закрепленных на вращающемся валу. В роторно-спиральной ректификац. колонне каждая ступень представляет собой одно- или многозаход-ную спираль Архимеда. Жидкость тонкой пленкой течет по внутр. пов-сти вращающейся спирали от центра к периферии. Контактирующий с жидкостью пар (газ) проходит через зазоры между витками спиралей. Жидкость, сбрасываемая с наружных кромок спиралей, попадает в кольцевой сборник, откуда перетекает в расположенную ниже ступень, где процесс повторяется снова. Роторные плёночные аппараты используют для работы с высоковязкими жидкостями (до неск. тыс. Па · с), в произ-вах капролактама, формальдегида, мочевины, жирных к-т и спиртов, гликолей, вазелина, желатина, глицерина, силиконовых масел, полимеров и др.

Лит.: Уоллис Г., Одномерные двухфазные течения, пер. с англ., M., 1972; Тананайко Ю. M., Воронцов E. Г., Методы расчета и исследования пленочных процессов, К., 1975; Коган В. Б., Харисов М.С., Оборудование для разделения смесей под вакуумом, Л., 1976; Олевский В. M., Ручинский В.Р., Роторно-пленочные тепло- и масообменные аппараты, M., 1977; Пленочная тепло- и масообменная аппаратура, под ред. В. M. Олевского, M., 1988. Н. Н. Кулов.


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн