Тепломас обмен оборуд Бак ТТ электрон курс Л 2012

Нсм	Н1	kН 2	.	(5.19)
	1
		k

Из уравнения сохранения массы влаги во влажном воздухе легко получить

5.4. Аппараты с непосредственным контактом газов и жидкости

Аппараты с непосредственным контактом газов и жидкости (одноступенчатые контактные) используют в промышленности для снижения температуры отходящих газов (утилизации их теплоты), в системах кондиционирования воздуха, для очистки газов от жидкой и твердой дисперсных фаз, для выпаривания растворов и т. д. В таких аппаратах могут одновременно протекать процессы тепло- и массообмена и пылеулавливания. Единой общепризнанной классификации контактных аппаратов в настоящее время не существует. Однако среди аппаратов, предназначенных для осуществления процессов тепло- и массообмена и пылеулавливания, можно выделить полые скрубберы, насадочные скрубберы, барботажные и тарельчатые колонны, скрубберы с подвижным слоем шаровой насадки, трубы Вентури. В каждой из выделенных групп контактных аппаратов существует более узкая классификация. Например полые скрубберы делят по назначению на охладительные и увлажнительно-охладительные (испарительные). Скрубберы (трубы) Вентури по способу подвода орошающей жидкости делят на аппараты с центральным подводом жидкости через конфузор, с периферийным орошением, с пленочным орошением, с предварительным дроблением орошающей жидкости и т. д.

Рис.5.7. Полный скруббер: 1 – корпус; 2 – форсунки

Наибольшее распространение среди смесительных теплообменников, работающих с полным или значительным (более двух третей) испарением

орошающей жидкости, получили полые скрубберы, представляющие собой колонны круглого или прямоугольного сечения (рис. 5.7).

Орошающая жидкость, подаваемая сверху, дробится на капли механическими форсунками грубого распыла, работающими под давлением 0,3—0,4 МПа. При этом факелы распыла должны перекрывать все поперечное сечение скруббера. Поток газа со скоростью 0,7—1,5 м/с, как правило, направляется противоточно по отношению к каплям, снизу вверх. В скрубберах с установленными для уменьшения уноса жидкой фазы каплеуловителями скорость газа в пересчете на полное поперечное сечение аппарата может, достигать значений 5—8 м/с.

Наиболее приемлемые для инженерной практики методики расчетов испарительных полых скрубберов базируются на полученных экспериментально значениях объемных коэффициентов теплопередачи kv рекомендуется соотношение

kv = Z (116,5+526Gж/Gг) (1+ tcp/1000)

(5.22)

где Gж, Gг — массовые расходы орошающей жидкости и обрабатываемого газа tcp— средняя по длине скруббера температура газа; 2, — коэффициент, учитывающий направление движения фаз; для прямотока Z=1, для противотока Z=2.

Применение полых скрубберов объясняется простотой их конструкции, высокими — до 6 — 8·103 Вт/(м3-К ) — значениями kv, широким диапазоном регулирования параметров, возможностью работы с загрязненной орошающей водой, большими расходами обрабатываемого газа и т. д.

Рис. 5.8. Скрубберные насадки:

a — кольца Рашига; ,б — седла Берля; в —кольца с перегородками; г —шары;

д — пролеллепная насадка; е-кольца Палля;	ж -хордовая	насадка;	з-спирали; и-
керамические	бтоки
		*
Насадочные скрубберы представляют собой		колонны,	заполненные

телами различной формы. Насадка из твердого материала предназначена для распределения жидкости по развитой поверхности и тем самым обеспечивает большую поверхность контакта между газом и жидкостью. Газ поступает обычно в нижнюю часть колонны, что позволяет осуществить противоток двух фаз. В качестве насадок широко используются кольца Рашига, «седла» различной конфигурации, деревянные рейки и т. д. На рис. 5.8 изображено несколько типов насадок. Они могут выполняться из керамики, пластмасс, металла и т. д. Важнейшими требованиями к насадке являются обеспечение большой поверхности контакта фаз, низкий перепад давления в слое, а также равномерное распределение потоков газа и жидкости по сечению аппарата. Преимуществом насадочных аппаратов по сравнению с безнасадочными является большая компактность, однако они обладают и большим гидравлическим сопротивлением. Насадка склонна к забиванию пылью при обработке запыленных газов.

Рассмотрим процесс тепло- и массообмена в насадочном скруббере при противоточном движении воздуха и воды. По условию задачи известны параметры воздуха на входе (H', t’, d'), расходы воздуха L и охлаждающей воды Gв, а также температура воды на входе tв’ и выходе tв". Необходимо определить параметры воздуха на выходе из скруббера и построить процесс его осушки (увлажнения) в H, d-диаграмме. Из уравнения теплового баланса для скруббера имеем

LН/ + Gвcв tв’ = LН"+( Gв ± W) cв tв",

(5.23)

где W — количество влаги, сконденсировавшейся из воздуха. Так как W<<Gв, то в практических расчетах величиной W обычно пренебре-

гают.

Рис. 5.9. Изображение осушки воздуха в скруббере

Для построения на H, d-диаграмме процесса осушки весь аппарат по высоте разбивают на n участков (рис. 5.9) Тем самым весь перепад энтальпий H'-H" разбивают на п участков; H'-H" = n H, где перепад энтальпий на каждом участке. Следовательно, значения H в промежуточных сечениях можно

определить так: в I промежуточном сечении энтальпия равна Hi = H’– H, во II сечении Hii = H’–2 H, в i-м сечении HI = H’–i H.

Для каждого участка скруббера, находящегося между двумя соседними сечениями, можно составить уравнение теплового баланса. Так, например, для

участков / и II

LH’+ Gвcpв tвI = Gвcpв tв” + LHI, (5.24)

LHI + Gвcpв tв”= Gвcpв tвI + LHII (5.25)

В этих уравнениях и — температуры воды соответственно в I и II сечениях. По уравнению (5.24) определяют неизвестную температуру воды tвI зная которую, по уравнению (5.25) находят tвII. Аналогично можно составить уравнения теплового баланса для следующих участков и определить температуру воды в каждом промежуточном cечении.

Процесс осушки воздуха строится по ступеням на Н, d-диаграмме следующим образом. На диаграмму наносят точку А, соответствующую начальным параметрам воздуха, а также значения энтальпий НI, НII,... ..., Н" в каждом сечении. Далее на линии θ=100% отмечают значения температур воды в каждом сечении tВ", tвI, tвII, ..., tв’. На первом участке воздух с параметрами точки А смешивается с насыщенным воздухом, имеющим θ=100% и tв=tв". Далее через точку А проводят линию смешения и при пересечении с линией H=соnst получают точку а1, характеризующую параметры воздуха в этом промежуточном сечении. Для последующих участков рассуждения аналогичны.

Рис. 5.10. Изображение процессов смешения воздуха и воды на Н, d-диаграмме:

а — прямоток; 6 — противоток

Построение процессов увлажнения воздуха при противотоке и увлажнения (осушки) воздуха при прямотоке подобно описанному. Такие процессы изображены на рис. 5.10.

В процессах сушки и увлажнения воздуха температуры .теплоносителей по длине аппарата изменяются по сложным соотношениям. Поэтому использование в расчетах логарифмического температурного напора между теплоносителями может привести к большой погрешности. Для определения средней разности температур между теплоносителями в этом случае рекомендуется формула:

t 1/	b	,
			(5.26)
	tпр

где b — отношение изменения температуры воздуха в ступени к полному изменению его температуры в смесительном аппарате; tпр — разность температур между теплоносителями для одной ступени.

Тарельчатые скрубберы (рис. 5.11) также используют для очистки газов. Они могут работать в барботажном и пенном режимах. В первом случае газ проходит через слой жидкости в виде пузырьков, на поверхности которых и происходит осаждение частиц пыли, во втором на скрубберной тарелке имеет место ценообразование и очистка газов от частиц осуществляется поверхностью пены. Так как межфазная поверхность при пенном режиме больше, чем при барботажном, то аппараты, работающие в ценном режиме, более эффективны и находят более широкое применение в промышленности, чем барботажные.

Рис. 5.Н. Пенный тарельчатый скруббер:

1 – корпус; 2 – оросительное устройство; 3 - тарелка

Впенных скрубберах широко применяют провальные тарелки (рис. 5.11),

вкоторых подвод газа вверх и слив жидкости вниз осуществляется через одни и те же круглые или щелевые отверстия в тарелках. В первом случае диаметр

отверстий dо = 3 8 мм, свободное сечение Sо составляет 15 — 25% площади тарелки, шаг между отверстиями — от 6 до 18 мм. Во втором случае ширина

где dЭ

щели b=4 5 мм, свободное сечение S0=0,2 0,25 м2/м2. Минимальная скорость газов, при которой создается пенный режим, составляет 1,0 — 1,2 м/с. Расчет максимальной скорости WКР, м/с, ведут методом последовательного приближения по уравнению

lg w	1350	S02dЭ	0,154,
кр		А

— эквивалентный диаметр отверстий тарелки, м; для дырчатых тарелок dЭ = dо, для щелевых — dЭ =2b; А определяют из выражения

A = 38,8 (W*/Wст)-0,57m0,7(ρж/ρг)0,35

Здесь Wст — стандартная плотность орошения, равная 1 кг/(м2-с). Плотность орошения W*, находят из выражения

W* = mwг ρж,

где т — удельное в расчете на 1 м3/с газа орошение водой, обычно оно составляет

0,3 — 1 м3/м3.

При расчете гидравлического сопротивления предварительно задаются скоростью газа в аппарате wг принимая ее равной 2 — 2,3 м/с. Рабочая скорость газов wг должна составлять от 0,9 до 0,95wкр. Полное гидравлическое сопротивление тарелки, Па, определяется по уравнению

	w2	г
р А	г		р ,
	2S0

где ρζ — гидравлическое сопротивление за счет действия сил поверхностного

натяжения. Для щелевых тарелок			ρ = 2ζ/b. Для дырчатых тарелок для
расчета ρζ рекомендуется формула
р			4	.
	1,3d	0	0,08d 2
			0

Скрубберы с псевдоожиженным	слоем легких инертных тел (главным
образом из полимерных материалов)	работают в режимах псевдоожижения.
Обрабатываемый газ подают снизу		(рис. г 5.12) под опорно-

распределительную перегородку 1 с расположенной на ней дисперсной насадкой 2. Последняя сверху закрывается ограничительной перегородкой 3, на которую распыливается через форсунки 4 орошающая жидкость. Для уменьшения каплеуноса в верхней части аппарата расположен брызгоотделитель 5. Повышение скорости газа в псевдоожиженном слое смоченных шаров (до 5—6 м/с в расчете на свободное сечение аппарата) увеличивает турбулентность газового потока и как следствие — скорость испарения жидкости, за счет чего и интенсифицируется охлаждение газа.

Рис. 5.12. Скруббер с псевдоожиженной насадкой

При начальных температурах обрабатываемого газа в пределах 200 — 250 °С коэффициент теплоотдачи от газа к жидкости в расчете на единицу площади поперечного сечения можно рассчитать по формуле:

				Нст	0,3
	Nu 2,62Re		0,79		(5.27)
			г	dш
где Rе = wг	/ ж g / vг — число Рейнольдса; ζ, ρж — коэффициент по-

верхностного натяжения и плотность орошающей жидкости; dш — диаметр шаров насадки (рекомендуют dш=0,02 0,04 м); Hст — высота неподвижного слоя насадки, принимаемая равной (5 8) dш.

Рис. 5.13. Возможные схемы скрубберов с псевдоожиженной насадкой

Рис. 5.14. Конструкции труб Вентури:

а– центральный подвод жидкости; б – периферийное орошение; в – пленочное орошение;

г– бесфорсуночное орошение; д – форсуночное орошение.

Для рационального режима работы аппарата следует принимать удельную плотность орошения в пределах (0,5 0,7)·10-3 м3/м3, свободное сечение опорно-распределительной и ограничительной перегородок — соответственно 0,5—0,6 и 0,8—0,9 м2/м2.

Для улучшения распределения орошающей жидкости, уменьшения уноса брызг, стабильности работы в широком диапазоне скоростей газа применяют цилиндрические или конические (рис. 5.13) аппараты с двумя и более слоями насадки.

Скрубберы Вентури используются не только для охлаждения газов, но и как высокоэффективные пылеуловители, обеспечивающие очистку газа до очень низкой остаточной концентрации пыли. Конструктивно скруббер Вентури представляет собой трубу типа конфузор-диффузор, в которой скорость движения газов достигает 100—150 м/с. Орошающая жидкость, способы подвода которой показаны на рис. 5.14, дробится газовым потоком на капли. Скорость капель на выходе из горловины трубы Вентури составляет 0,25—0,45 скорости газа.

Рис. 5.15. Труба Вентури:

1 – конфузор; 2 – горловина; 3 -диффузор

Ярко выраженная гидродинамическая нестационарность при каплеобразовании значительно интенсифицирует тепломассообмен в скрубберах Вентури. Значения объемного коэффициента теплоотдачи в расчете на единицу объема трубы Вентури при скоростях в горловине трубы 85140 м/с изменяются в пределах (100 160) • 103 кДж/(м3-ч-К). Влияние скорости газа на коэффициент теплоотдачи аналогично влиянию скорости газа в насадочных скрубберах, т. е. α~ w0,7. Повышение скорости газа в

горловине трубы не только интенсифицирует процесс теплообмена, но и увеличивает энергетические затраты: при wг до 60 м/с на обработку 1000 м3 газа расходуется не более 0,7 кВт·ч при wг до 90 м/с —0,7-2,0 кВт·ч, при wг>90 —свыше 9,0 кВт·ч.

Выпускаемые промышленностью скрубберы Вентури имеют производительность по газу на входе (3 85)103 м3/ч, диаметр горловины трубы dг= 150 420 мм, расход орошающей жидкости 2—168 м3 /ч, габаритные размеры – от 540X610X2500 до 2060X2060X8140 мм.