Miniskrypt do ćw. nr 4

Opracował: Paweł Małota 10

granicach ekonomicznych) a punktami P - I (obszar inwersji) występuje przyspieszenie wzrostu spadku ciśnienia na wypełnieniu. Faza gazowa wnika w fazę ciekłą, jej spływ jest przyhamowany. Między punktami I - Z (obszar zalewania) występuje równomiernie spienienie fazy ciekłej w obrębie wypełnienia. Piana ukazuje się równieŜ nad wypełnieniem. Stopień zatrzymania i procent wolnej przestrzeni ulegają wyraźnym zmianom (wzrost - spadek), co w sumie powoduje szybki wzrost spadku ciśnienia na wypełnieniu. Poza punktem Z występuje obszar nieregulowanej pracy aparatu. Ciecz jest zatrzymywana i porywana przez gaz, jej spływ odbywa się nierównomiernie. Stąd duŜe wahania spadku ciśnienia p. Wymiana ciepła i masy w pobliŜu przeciąŜenia jest najkorzystniejsza ze względu na dobre przemieszanie faz. Praca w punkcie zachłystywania nie jest natomiast moŜliwa. 2.3 Spadek ciśnienia w kolumnach zraszanych Spadek ciśnienia podczas przepływu gazu przez wypełnienie zraszane moŜna określić przy pomocy wykresów (zgrubnie) lub równań. ZaleŜności te nie są uniwersalne i dotyczą zazwyczaj jednego rodzaju wypełnienia. Jedno z równań wykorzystywane w celu wyznaczenia ∆pw zostało opracowane przez śaworonkowa. Wielkość spadku ciśnienia określa się wzorem:

mpp sw ∆=∆ [1.14] ∆pw – spadek ciśnienia na wypełnieniu zraszanym ∆ps – spadek ciśnienia na wypełnieniu suchym m – współczynnik zwiększenia oporów na wypełnieniu zraszanym w stosunku do wypełnienia suchego (wskutek zmniejszenia porowatości wypełnienia) Wartość współczynnika m występuje w funkcji porowatości złoŜa, powierzchni właściwej i parametru zraszania. Wszystkie te wielkości wiąŜą ze sobą rodzaj wypełnienia i jego ułoŜenia w kolumnie, dlatego rozpatrując spadek ciśnienia w kolumnie zraszanej kaŜdy aparat traktujemy indywidualnie.

Tab.1. Przykładowe wartości parametru m w zaleŜności od rodzaju pierścieni

Pierścienie

m

Raschiga d>30 mm

A30 mm

A>0.3 3)43.113.1(

1

A−

stalowe 3)39.11(

1

A−

Spadek ciśnienia na wypełnieniu suchym (∆ps) z równania [1.14] oblicza się z zaleŜności:

3

2

8ερλ ahwps =∆ [1.15]

ZaleŜność tą otrzymuje się z równania Darcy-Waisbach wykorzystując równania [1.9] i [1.13]

Współczynnik oporu λ jest funkcją liczby Reynoldsa, przekształconej do postaci:

Miniskrypt do ćw. nr 4

Opracował: Paweł Małota 11

ηρ

a

w4Re= [1.16]

Dla wypełnienia nieuporządkowanego λ moŜna odczytać z Tab.2. Tab.2. Wartość współczynnika oporu λ dla korelacji wg śaworonkowa

Re

λ

< 40

Re

140=λ

> 40

2.0

Re

16=λ

2.4 Przepływ dwufazowy gaz – ciecz przez kolumny półkowe Drugim podstawowym typem aparatu, który ma duŜe zastosowanie w procesach wymiany masy i ciepła, jest kolumna półkowa rys.8. Składa się ona z płaszcza oraz z szeregu półek, umieszczonych jedna nad drugą. Średnica i wysokość kolumny mogą dochodzić odpowiednio do 15 i 50 m., zazwyczaj nie przekraczają 3 i 30 m. Półki kolumny wykonane są najczęściej z blach stalowej, której grubość zaleŜy od względów wytrzymałościowych.

Rys. 8. Schemat kolumny półkowej sitowej 1 – odkraplacz, 2 – przelew, 3 – element spływowy, 4 – kolumna, 5 - półka Ciecz jest doprowadzana na najwyŜszą półkę, następnie przepływa wzdłuŜ półki w kierunku poziomym i po dotarciu do przelewu spływa rurą przelewową na niŜszą półkę. Gaz jest doprowadzany poniŜej najniŜszej półki, następnie przepływa przez otwory w półce i barbotuje przez warstwę cieczy, wytwarzając na półce warstwę piany. Zastosowanie takiego przepływu faz ma na celu zapewnienie jak największej powierzchni wymiany masy oraz duŜej turbulencji fazy gazowej i ciekłej, co w konsekwencji prowadzi do duŜej sprawności półki. Odstępy między półkami powinny zapewnić wydzielenie kropel cieczy porywanych z fazy ciekłej, jak równieŜ wydzielenie w elemencie spływowym gazu z cieczy.

Miniskrypt do ćw. nr 4

Opracował: Paweł Małota 12

Rys. 9. RóŜne sposoby prowadzenia cieczy w kolumnie 1 – elementy spływowe, 2 – część robocza półki

Rys. 10. RóŜne sposoby prowadzenia gazu i ciecz na półkach W odniesieniu do całej kolumny przepływ faz jest przepływem przeciwprądowym, natomiast dla jednej półki przepływ gazu i ciecz w większości przypadków jest przepływem krzyŜowym . RóŜne sposoby prowadzenia cieczy w kolumnie są przedstawione na rys. 9, natomiast sposoby prowadzenia gazu i cieczy na rys. 10. WyróŜnia się cztery podstawowe typy półek: � kołpakowe � zaworowe � sitowe z przelewami � sitowe bez przelewów

Półki kołpakowe (rys11a) były do niedawna szeroko stosowane. Z uwagi na wysoki koszt wykonania klasyczna forma półek kołpakowych nie jest obecnie proponowana. Jedynie w warunkach, gdy obciąŜenie kolumny gazem i cieczą zmienia się w bardzo szerokim zakresie, stosowanie tych półek jest uzasadnione. Na klasycznych półkach kołpakowych gaz wpływa kominkiem pod kołpak i dalej w postaci pęcherzyków przepływa przez warstwę cieczy. W najnowszych rozwiązaniach stosuje się niskie kołpaki (rys11b) lub kołpaki skośne (rys11c), co pozwala na obniŜenie kosztów wykonania półki i zmniejszenie spadku ciśnienia gazu na półce.

Miniskrypt do ćw. nr 4

Opracował: Paweł Małota 13

Rys. 11. Schemat półki kołpakowej

Półki zaworowe (rys. 12 i 13) mogą pracować w duŜym zakresie obciąŜeń kolumny

gazem i cieczą, uzyskując przy tym dobre sprawności. Na półce umieszczone są zaworki, które w zaleŜności od natęŜenia przepływu gazu otwierają się lub zamykają. Wraz ze wzrostem prędkości przepływu fazy gazowej zaworek podnosi się, zwiększając otwarcie aŜ do wielkości maksymalnej.

Rys. 12. Element półki zaworkowej

Rys. 13. Proponowane rozwiązania zaworów

Półki sitowe z przelewami ze względu na niskie koszty są obecnie najwaŜniejsze i najczęściej stosowane. Schemat półki sitowej przedstawiony jest na (rys.14).

Miniskrypt do ćw. nr 4

Opracował: Paweł Małota 14

Rys. 14. Schemat półki sitowej z przelewem 1 – powierzchnia robocza półki, 2 – właz, 3 – element spływowy, 4 - półka

W blasze są nawiercone otwory, które zazwyczaj tworzą trójkąty równoboczne.

Podstawowymi zaletami półki sitowej jest łatwość wykonania, niewielkie spadki ciśnienia w porównaniu z półkami kołpakowymi i zaworowymi oraz moŜliwość stosowania duŜych obciąŜeń fazą ciekłą. Zasadniczą wadą półek sitowych jest mała elastyczność. Typowe przykłady rozwiązań konstrukcyjnych pólek przelewowych przedstawiono na rys. 15.

Miniskrypt do ćw. nr 4

Opracował: Paweł Małota 15

Rys. 15. Półki przelewowe: a) z zawracanym strumieniem, b) z promieniowym przepływem ciecz, c) jednospływowe, d) dwuspływowe, e) jednospływowe kaskadowe

Półki sitowe bezprzelewowe skonstruowane są tak, Ŝe gaz i ciecz przepływają w przeciw prądzie tymi samymi otworami. Półki te charakteryzują się małymi spadkami ciśnień, niewielkim zatrzymaniem cieczy, dość wysokimi współczynnikami wnikania masy, mają jednak jedną zasadniczą wadę – małą elastyczność. Półka pracuje prawidłowo dopiero przy przekroczeniu krytycznej prędkości gazu, a przy dalszym wzroście prędkości następuje zalewanie kolumny.