Иваняков С.В., Коныгин С.Б., Крючков Д.А. Гидродинамика аппаратов со свободно стекающей пленкой жидкости

Подождите немного. Документ загружается.

С.В. ИВАНЯКОВ, С.Б. КОНЫГИН, Д.А. КРЮЧКОВ

ГИДРОДИНАМИКА АППАРАТОВ

СО СВОБОДНО СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ

ЖИДКОСТИ

Учебно-методическое пособие

Самара 2007

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

С.В. ИВАНЯКОВ, С.Б. КОНЫГИН, Д.А. КРЮЧКОВ

ГИДРОДИНАМИКА АППАРАТОВ

СО СВОБОДНО СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ ЖИД-

КОСТИ

Учебно-методическое пособие

Самара 2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УДК 66.021

Гидродинамика аппаратов со свободно стекающей пленкой жидкости: Учеб.-метод.

пособ. / С.В. Иваняков, С.Б. Коныгин, Д.А. Крючков; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2007. 24 с.

Рассмотрены основные вопросы гидродинамики пленочных противоточных аппаратов со

свободно стекающей пленкой жидкости, представлен порядок расчета гидродинамических па-

раметров работы аппаратов этого класса.

Рекомендуется для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности

130603 «Оборудование нефтегазопереработки».

Ил. 12. Табл. 1. Библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного

технического университета

Рецензент: д-р физ.-мат. наук А.М. Штеренберг

университет, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………

Конструктивное исполнение аппаратов со свободно

стекающей пленкой………………………………………………………..

Гидродинамика стекающей пленки………………………………………

Гидравлическое сопротивление при течении газа в канале с орошае-

мыми стенками……………………………………………………………. 16

Режим захлебывания пленочного противоточного аппарата…….......... 17

Смоченная поверхность…………………………………………….......... 17

Порядок расчета пленочного аппарата…………………………….......... 18

Контрольные вопросы……………………………………………………. 19

Задачи……………………………………………………………………… 20

Контрольная работа………………………………………………………. 21

Библиографический список ………...…………………………………….

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ



- толщина пленки жидкости, м;

- внутренний диаметр трубы, м;

- эквивалентный диаметр, м;

- массовый расход газа, кг/с;

- массовый расход жидкости, кг/с;



- коэффициент динамической вязкости газа, Пас;



- коэффициент динамической вязкости жидкости, Пас;

- давление, Па;



- плотность газа, кг/м

;



- плотность жидкости, кг/м

;



- коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

- площадь поперечного сечения, м

;

- скорость газа, м/с;

- скорость захлебывания, м/с;

- скорость жидкости, м/с;

ср

- средняя скорость пленки жидкости, м/с;



- коэффициент кинематической вязкости жидкости, м

/с;

- объемный расход жидкости, м

/с;

- линейная массовая плотность орошения, кг/(мс);

- смоченный периметр (или ширина) пленки, м;

- координаты.

ВВЕДЕНИЕ

В химической и смежных с ней отраслях промышленности в настоящее вре-

мя используется большое количество различных аппаратов, предназначенных для

осуществления химических превращений в системах «газ-жидкость».

В зависимости от способа формирования межфазной поверхности газожид-

костные аппараты можно разделить на четыре основные группы:

 барботажные аппараты, в которых поверхность контакта фаз образуется

при введении газа в слой жидкости через газораспределительные устрой-

ства;

 аппараты с механическим диспергированием газа, в которых вводимый в

аппарат газ диспергируется в жидкости различными перемешивающими

устройствами;

 пленочные аппараты, в которых контакт газа осуществляется с жидко-

стью, находящейся в виде пленки на стенках аппарата;

 распыливающие аппараты, в которых контакт газа осуществляется с ка-

пельным потоком жидкости.

В каждой группе может быть несколько типов аппаратов, имеющих различ-

ное конструктивное исполнение, которое, в свою очередь, определяет особенно-

сти гидродинамического режима работы аппарата.

В настоящем пособии рассматриваются аппараты, относящиеся к классу про-

тивоточных аппаратов со свободно стекающей пленкой жидкости. Эти аппараты

широко применяются в процессах, предназначенных для проведения быстрых хи-

мических превращений в системе «газ-жидкость», когда объемное соотношение

расходов газа и жидкости, участвующих в реакции, очень велико (более 100). При

таком соотношении равномерное распределение газа и жидкости по сечению ап-

парата может быть обеспечено только за счет пленочного течения жидкой фазы.

Еще одной отличительной особенностью пленочных аппаратов является ма-

лое время пребывания жидкости в аппарате, поэтому они широко применяются

как испарители термолабильных (разлагающихся при длительном температурном

воздействии) жидкостей.

1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ АППАРАТОВ

СО СВОБОДНО СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ

По конструктивному исполнению аппараты со свободно стекающей пленкой

жидкости можно подразделить на два вида:

 трубчатые;

 пластинчатые.

По устройству трубчатый пленочный аппарат аналогичен кожухотрубчатому

теплообменнику (рис. 1.1). Жидкость поступает на верхнюю трубную решетку

через оросительное устройство, распределяется по трубам и стекает по их внут-

ренней поверхности в виде тонкой пленки. В нижней части располагается устрой-

ство распределения газа, который движется по трубам снизу вверх, навстречу сте-

кающей жидкой пленке. Аппараты этого типа применяются в тех случаях, когда

химическая реакция сопровождается большим тепловым эффектом и требуется

соблюдение постоянства температуры жидкости. В этом случае в межтрубное

пространство аппарата подают охлаждающий агент (обычно воду).

Пластинчатые пленочные аппараты (рис. 1.2) используются в тех случаях,

когда реакционную теплоту можно отвести газовым потоком. В этих аппаратах

размещается пакет листовой насадки в виде вертикальных листов из различного

материала (металл, пластические массы, натянутая на каркас ткань и др.). В верх-

Р и с. 1.1. Трубчатый аппарат со свободно стекающей пленкой жидкости:

1 – корпус аппарата; 2 – трубки; 3 – перегородки; 4 – газовое распределительное устройство;

5 – распределитель жидкости

Жидкость

Газ

Охлаждающий агент



ней части аппарата находится распределитель жидкости, а в нижней части уста-

навливается газораспределительное устройство.

Распределительные устройства необходимы для обеспечения равномерной

подачи жидкости и газа по отдельным тепломассообменным элементам (трубы,

пластины) аппарата.

Равномерность распределения жидкости по отдельным трубам или пласти-

нам определяется равенством коэффициентов гидравлических сопротивлений

оросителей и постоянством гидростатических давлений (уровня жидкости) под

каждым из них. Если первое условие целиком зависит от конструкции оросителя,

то второе – только от способа подвода жидкости.

Р и с. 1.2. Пластинчатый аппарат со свободно стекающей пленкой жидкости:

1 – распределитель жидкости; 2 – корпус аппарата; 3 – пакеты листовой насадки

Жидкость

Газ

А-А

Стремление улучшить качество распределения жидкости привело к появле-

нию одно- (рис. 1.3) и двухуровневых (рис. 1.4) перераспределительных тарелок.

Это позволяет приблизить качество распределения к идеальному, но конструк-

тивно не всегда оправдано.

Обычно подвод жидкости к трубам осуществляется из кольцевого коллектора

(рис. 1.5), размещенного по контуру трубной решетки, или при помощи одиноч-

ного центрального патрубка (рис. 1.3).

В общем случае оросительное устройство, предназначенное для распределе-

ния жидкости по поверхности каждого из элементов, должно отвечать следую-

щим основным требованиям:

Р и с. 1.3. Одноуровневая распределительная

тарелка с центральным вводом жидкости

Р и с. 1.4. Двухуровневая распределительная

тарелка с периферийным вводом жидкости

Р и с. 1.5. Распределительная тарелка с кольце-

вым коллектором

 обеспечивать достаточную равномерность распределения жидкости по пе-

риметру орошаемой поверхности;

 оказывать минимальное гидравлическое сопротивление проходящему по-

току газа;

 иметь максимальные размеры пленкообразующих зазоров, способных

длительно работать без засорения.

По способу образования пленки оросительные устройства можно объединить

в следующие группы:

 переливные;

 щелевые;

 разбрызгивающие;

 капиллярные;

 струйные.

Образование пленки в переливных устройствах (рис. 1.6) происходит через

верхние кромки труб или через прорези различной конфигурации. Такие устрой-

ства работают при высоте уровня жидкости над переливом в 220 мм. Поскольку

расход жидкости пропорционален уровню жидкости над переливом, необходимо

обеспечить равенство уровней жидкости над всеми оросителями, что требует ус-

тановки специальных перераспределительных тарелок (см. рис. 1.4).

К щелевым оросителям относятся устройства, в которых пленка образуется

при истечении жидкости в трубу через затопленные щели или каналы различного

профиля (рис. 1.7). Применение щелевых оросительных устройств позволяет

удерживать на трубной решетке слой жидкости высотой в 100 мм и более, что да-

ет возможность уменьшить влияние горизонтальности установки оросительного

устройства на равномерность распределения жидкости по тепломассообменным

элементам аппарата. В этом случае достаточно иметь в аппарате распределитель-

ное устройство с периферийным коллектором (см. рис. 1.5).

Струйные оросители – это устройства, в которых жидкость подается на оро-

шаемую поверхность в виде струи. Такие оросители (рис. 1.8) обладают высокой

надежностью при больших плотностях орошения.

При небольших плотностях орошения, когда динамический напор струи

очень мал, применяются капиллярные оросительные устройства, использующие

для распределения поверхностную энергию жидкости.

Р и с. 1.6. Типы переливных оросительных устройств

А-А