масообменные процессы

31

2.Определить мольные концентрации xF и xD .

3.По значениям R и xD рассчитать уравнение рабочей линии процесса.

4.Построить (по справочным данным) кривую равновесия на диаграмме

X -Y для смеси этанол-вода.

	5.	Отложив величину	xD			на оси Y и величину xD на оси X , построить
			R	+1
	рабочую линию (рис. 9).
	6.	Нанести точку xF на рабочую линию(восстановив из					точки xF			до
	пересечения с рабочей линией перпендикуляр).
	7.	Графическим интегрированием определить величинуmy					=	yK	dy	. В
								ò y* - y
								yH
	промежутке концентраций yD			и yF (рис. 9) задаются несколькими значениями

y (не менее трех). Для каждого значения y			по кривой равновесия	определяют
y* и вычисляют величину	1	. Строят	график в координатах	1		и y
	y* - y
				y* - y
				i	i

(рис. 10). Таким образом строят 5 или 6 точек на графике, включая значения yD

и yF . Определяют графически площадь, ограниченную кривой и осью абсцисс,

с учетом масштаба осей. Полученная площадь и будет значением my .

32

y

yD

y1*

y1 yF

B = xD

R +1

xF

xD

x

Рис. 9. Нанесение рабочей линии на диаграмму X-Y

1

yi* - yi

yF

y1

y2

y3

yD

y

Рис. 10. Графическое определение интеграла

33

8. Зная my и высоту насадки в колонне H , определяют hy :

hy = H , my

где H = 0,8 ì .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие смеси разделяют на отдельные компоненты с помощью ректификации?

2.В чем заключается принцип разделения смесей ректификацией? В чем

его отличие от простой перегонки?

3.Что такое флегма и флегмовое число?

4.Какими методами осуществляется периодическая разгонка смесей?

5.	Что	называется	укрепляющей	и	исчерпывающей	частя
ректификационной колонны?
6.	Единица переноса, высота единицы переноса, их физический смысл?

РАБОТА № 8.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ

ТАРЕЛЬЧАТЫХ УСТРОЙСТВ

Теоретические предпосылки

При барботаже газа через слой жидкости на тарелке часть его, вследствие трения, распыляется в жидкости, образуя пену, а часть жидкости увлекается газом в виде брызг. При этом пространство над слоем жидкости на тарелке заполняется пеной и брызгами, которые и создают развитую поверхность соприкосновения фаз. Интенсивность пено- и брызгообразования зависит от скорости газа.

34

В зависимости от скорости газа различают следующие режимы работы барботажных тарелок:

1. Режим неравномерной работы, наблюдаемый при скорости газа в свободном сечении колонны до 0,5-0,6 м/сек. В колпачковых тарелках прорези колпачков при такой скорости газа открыты не полностью(рис. 12а). В

ситчатых тарелках при малых скоростях газа жидкость"проваливается" через отверстие, и газ проходит только через часть отверстия. При повышении скорости газа "провал" жидкости постепенно прекращается, но тарелка продолжает работать в неравномерном режиме (рис. 11а).

а	б
	Dh
	П
	h

Рис. 11. Ситчатая тарелка а) неравномерный режим; б) равномерный режим:

1 – царга; 2 – тарелка; 3 – гидрозатвор; 4 – сливной порог

2. Режим равномерной работы наступает при дальнейшем увеличении

скорости	газа.	В	колпачковых			тарелках		наступление		этого	режима
соответствует		полному		открытию		прорезей, на		ситчатых		тарелках-
прохождению		газа	через		все	отверстия. В	режимах		равномерной		и

неравномерной работы на тарелках образуется пена ячеистой структуры(рис. 11б и 12б).

3. Режим газовых струй и брызг наблюдается при0,9-1,1 м/с в сечении колонны. В этом случае газ движется через жидкость в виде струй(факулов),

35

которые входят на поверхность пены, и пена при этом разрушается. Над пеной получается большое количество брызг. При дальнейшем увеличении скорости наблюдается унос жидкости на выше лежащую тарелку.

Рабочая скорость газа в тарельчатых колоннах выбирается таким образом, чтобы обеспечить равномерный режим работы и в то же время не превысить допустимый унос жидкости с тарелки на тарелку.

Следовательно, нижний предел рабочей скорости газа определяется скоростью полного открытия прорезей, а верхний - допустимым уносом.

Гидравлическое сопротивление тарелки DPò åî ð рассматривается как сумма трех составляющих: сопротивление сухой тарелки DPñóõ , сопротивление столба жидкости, находящейся на тарелке DPæ , сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения DPG .

	DP=	DP + DP + DP .				(24)
	ò åî ð	ñóõ		æ	G
	DPñóõ определяется экспериментально или по формуле(2); DPæ					и DPG –
	определяют по формулам (3, 4, 6).
	DP =	x ×	r ×w2	[	Ï à ,	(25)
			0
			2
	ñóõ				]

где r – плотность газа. кг/м3;

w0 – скорость газа в прорезях колпачковой или отверстиях ситчатой тарелок, м/с;

x – коэффициент сопротивления неорошаемых тарелок(берется из таблицы 4).

		36
			Таблица 4
	Значения коэффициента x
	Тарелки		x
Колпачковые			4,5-5
	Ситчатые		1,45-1,82
Для колпачковой:
	DP=æ	1,3 × g × k × ræ ×(e + l		2 + Dh)[Ï à .]		(26)
Для ситчатой:
	DP=æ		1,3 × g × k × ræ ×(hÏ	+ Dh)[Ï à],		(27)
где g – ускорение силы тяжести, м/с2;
k – отношение плотности пены к плотности жидкости(при расчетах
принимают k = 0,5);
ræ	– плотность жидкости, кг/м3;
e	– расстояние от		верхнего края	прорезей до		сливного порога(см.

рисунок), м;

l – высота прорези (измеряется на колпачке), м;

Dh – высота уровня жидкости над сливным порогом, м; hÏ – высота сливного порога (измеряется на тарелке), м.

а

37
Dh	б
e
П
h
l
Рис. 12. Колпачковая тарелка:

а) неравномерный режим; б) равномерный режим

Dh определяется по формуле			истечения				через водослив с учетом
плотности пены:
		V	2
æ			ö
					3
Dh = ç		æ		÷ ,			(28)
	1,85 × Ï
è			× k ø

где Væ – объемный расход жидкости, м3/с;

Ï – периметр сливной перегородки, м.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

G	=	4 ×sæ	[	]	(29)
		dý
DP				Ï à ,

где sæ – поверхностное натяжение жидкости, подаваемой на тарелку, Н/м;

dý – диаметр отверстия ситчатой тарелки или эквивалентный диаметр прорези в колпачковой тарелке, м.

Этим сопротивлением в колпачковых тарелках обычно пренебрегают.

		38
Цель	работы: наблюдение	гидродинамических	режимов	работы
тарельчатых устройств.
	Описание работы установки
Установка состоит из царги		с внутренним диаметромD = 400 ì ì ,		в
которой крепятся поочередно колпачковая и ситчатая			тарелки. Сверху	на

тарелку подается жидкость(вода), а снизу поступает от вентилятора воздух.

Количество подаваемой воды замеряется ротаметром -Р1,перепад давлений до

и после тарелки замеряется с помощью дифференциального манометраD ;

2

расход воздуха определяется с помощью нормальной диафрагмы и манометра

D1.

Порядок проведения работы

Замеряют геометрические характеристики тарелки: e , l , hÏ . Укрепляют
тарелку	в	среднем сечении царги. Начинают	подавать	жидкость(воду) на
тарелку	до	тех пор пока в кармане	сливного	устройства не образуетс

гидрозатвор (расход воды задается преподавателем и устанавливается по

ротаметру Р-1), после этого запускают вентилятор		и	устанавливают	при
помощи манометра 1 Д последовательно два	расхода		воздуха(задаются
преподавателем), отвечающие неравномерному	и	равномерному режимам

работы. Как только тарелка вышла на неравномерный(равномерный) режим

работы делают замеры, определяя DPï ðàêò : снимают показания манометра Д.

2

Результаты замеров заносятся в табл. 5.

39

Обработка экспериментальных данных

Определяют DPñóõ «сухой» тарелки, без подачи жидкости, при том же

расходе воздуха (либо рассчитывают по формуле). Определяют скорость в свободном сечении прорези по формуле:

w0	=	Vã	,	(30)
		F × n

где Vã – объемный расход воздуха, м3/с;

F – площадь отверстия ситчатой тарелки или площадь прорези в колпачковой тарелке, м2;

n – число отверстий (прорезей).

Вычисляют DPæ и DPG по формулам(3, 4, 6) и определяют полное сопротивление тарелки DPò åî ð по формуле (1).

Данные сводят в таблицу 5:

									Таблица 5
			Данные измерений и вычислений
e	l	hÏ	w0	Dh	DPñóõ	DPæ	DPG	DPò åî ð		DPï ðàêò
м	м	м	м/с	м	Па	Па	Па	Па		Па

Определяют относительную погрешность эксперимента:

	DPï ðàêò	- DPò åî ð
D		=	×100%.	(31)
	DPò åî ð

40

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В каких режимах работают барботажные тарелки?

2.Из каких элементов складывается гидравлическое сопротивление барботажных тарелок?

3.Дать сравнительную характеристику работ барботажных тарелок.

4.Какую роль играет гидрозатвор?

Библиографический список

1. Касаткин П.Г. Процессы и аппараты химической технологии. – М.:

Альянс, 2006.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – М.: Альянс, 2005.