химический каталог




ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ, устройства, в которых 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 химический 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 механические подводом энергии.


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

Наиб. важные технол. параметры для ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ а.-средняя толщина пленки h, характеризующая интенсивность теплопередачи, и потери напора в аппарате (в случае абсорбции определяют энергозатраты на процесс, при ректификации влияют на изменение температуры по высоте колонны). При слабом взаимодействие 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 формуле Нуссельта:


для турбулентного режима (ReL > 1600):


где ; q-линейная плотность орошения, м3/(м•с); -кинематич. вязкость жидкости, м2/с; -дина-мич. вязкость жидкости, Па•с; -плотность жидкости, кг/м3; -приведенная толщина пленки, м; g-ускорение свободный падения, м/с2. Величина h принимает значения от десятых долей мм для маловязких жидкостей (типа воды) до несколько 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 а. характеризуются также очень низкими перепадами давления:


где- коэффициент гидравлич. сопротивления орошаемой трубы; l-длина трубы, м; D-диаметр трубы, м; -плотность газа, кг/м3; -среднерасходная скорость газа, м/с; ui-скорость поверхностного слоя пленки жидкости, м/с, которая суммируется с при противотоке и вычитается из нее при прямотоке. Для гладкой поверхности пленки при наиболее распространенном в природе и технике турбулентном режиме течения газа справедлива формула Блазиуса:


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


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


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) может быть оценен по формуле , где DA-коэффициент мол. диффузии распределяемого компонента А (м2/с), fB-частота крупных волн (л/с). Для турбулентного течения пленки справедлива теоретич. формула , где - безразмерный параметр, s-поверхностное натяжение (Дж/м2), ScL = = vL/DA - число Шмидта для жидкости.

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


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

Предельные нагрузки по жидкости и газу (макс. производительность) противоточных ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ а. ограничены "захлебыванием". При скоростях газа в аппарате, близких к скорости захлебывания U0, сила трения газа о поверхность 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 газ (пар) под действием силы трения увлекает пленку вверх по стенкам канала, вследствие чего реализуется восходящее пленочное течение (рис. 2,в). Ha практике при= (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 прямо точном 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 критической скорость газа (пара) UG*, характеризующая начало сильного гидродинамич. взаимодействие 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 основные гидродинамич. параметры пленочного течения и коэффициент массо- и теплообмена рассчитывают обычно по полуэмпирическая зависимостям.

В ряде спец. случаев используют кожухотрубчатые ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ а. с закрученным двухфазным потоком (вихревые ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫа.), 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, которые могут устанавливаться внутри контактной орошаемой трубы по всей ее высоте или в виде отдельных вставоколо


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

Кожухотрубчатые ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ а. применяют как конденсаторы, холодильники, испарители, десорберы, абсорберы, ректификац. колонны и лабораторная колонны с орошаемыми стенками, кристаллизац. колонны.

Роторные ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫа. можно разделить на две основные группы. К первой относятся аппараты, в которых тепло- и массообмен и химический превращаются происходят в тонком слое жидкости, создаваемом на внутр. поверхности неподвижного корпуса с помощью вращающегося лопастного ротора. Ко второй-аппараты, в которых процессы переноса осуществляются в тонком слое жидкости, движущейся под действием центробежной силы по внутр. поверхности вращающихся конусов, цилиндров, спиралей или дисков. К этому же типу относятся аппараты с разбрызгивающим жидкость ротором.

Наиб. распространены роторные лопастные аппараты первой группы, в которых 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 основные бывают трех видов: 1) лопасти жестко соединены с валом и имеют постоянный зазор с внутр. поверхностью 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, которые при вращении ротора занимают радиальное положение с миним. зазором (0,3-0,5 мм). В аппаратах с перераспределением жидкости по высоте поверхности 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 поверхность обновляется. Обновляется жидкость и у стенки аппарата.


Аппараты, работающие благодаря действию центробежной силы, обычно называют 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. поверхности 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 а. используют для работы с высоковязкими жидкостями (до несколько тысяч Па • с), в производствах капролактама, формальдегида, мочевины, жирных кислот и спиртов, гликолей, вазелина, желатина, глицерина, силиконовых масел, полимеров и др.

Литература: 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.

Химическая энциклопедия. Том 3 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
черный для печати широкоформатным принтером
купить мебель для кинозала
курсы косметологов без медицинского образования
обучение маникюру и наращиванию ногтей в зеленограде

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(04.12.2016)