Лабораторные исследования гидродинамики и кинетики массопередачи массообменных аппаратов

Исследование гидродинамики на ситчатой тарелке

Цель работы: Получить навыки экспериментального исследования гидродинамики в барботажном аппарате, а также научиться определять параметры математических моделей и оценивать адекватность модели.

Исследование гидродинамики проводится на модельной системе воздух-вода в барботажном аппарате диаметром 1050 мм с двумя ситчатыми тарелками 4 с переливом (рис. 25.8), широко используемом в процессах ректификации, абсорбции и т. д.

Воздух нагнетается в колонну вентилятором 1 высокого давления ВВД-4. Расход воздуха регулируется заслонкой 2 на входе вентилятора и контролируется дифманометром 3.

Подача воды на орошение осуществляется с помощью центробежного насоса 11 производительностью 7 м³/ч с дистанционным измерением расхода воды с помощью ротаметра 9 типа РЭ-16.

Рис. 25.8. Схема барботажного аппарата для исследования структуры потока жидкости в системе воздух-вода: 1 — вентилятор высокого давления; 2 — заслонка на входе вентилятора; 3 — дифманометр диафрагмы воздуховода; 4 — рабочая тарелка; 5 — воронка для заливки индикатора (раствора соли); 6 — импульсная трубка; 7 — кондуктометрический датчик; 8 — вентиль подачи воды в бак; 9 — ротаметр; 10 — кран подачи воды в колонну; 11 — водяной насос; 12 — бак с водой.

Приведенный выше метод моментов функции распределения времени пребывания (ФРВП) позволяет определить сложную гидродинамику на тарелке и предусматривает импульсную подачу индикатора на входе потока жидкости на тарелку с последующим снятием С-кривых в различных точках по длине пути жидкости на тарелке (рис. 23.3). Так, для исследования структуры потока по этому методу необходимо в центральном и боковых сечениях тарелки установить от 10 до 15 кондуктометрических датчиков, а также систему автоматизированного эксперимента (САЭ). Подробное описание САЭ и комплекса программ для ее обеспечения приведено в учебном пособии [21].

С учетом трудоемкости реализации метода моментов ФРВП в настоящей работе был использован метод импульсного возмущения по составу потока.

Суть метода заключается в том, что обеспечивается необходимый режим по газу (воздуху) и жидкости на тарелке и по мере достижения установившегося состояния на тарелке на входе потока с помощью устройства 6 осуществляется импульсное возмущение (6-функция Дирака). На выходе потока жидкости с рабочей тарелки 4 непрерывно записывается концентрация индикатора во времени (С-кривая) с помощью кондуктометрического датчика 7, установленного у сливной планки и включенного в одно из плеч электронного автоматического моста.

Порядок выполнения эксперимента:

• 1. Открыть вентиль 8 и подать воду в бак 12, заполнив его наполовину.
• 2. Наполовину открыть заслонку 2 на входе подачи воздуха в вентилятор 1.
• 3. Уменьшить подачу воды в бак 12 вентилем 8.
• 4. Включить тумблером на общем щите электроснабжения вентилятор 1.
• 5. Включить в сеть вторичный прибор электрического ротаметра расхода воды (на схеме не показан).
• 6. Включить центробежный водяной насос 11 и установить краном 10 расход воды на испытуемую тарелку 1,8 м³/ч, что соответствует 30 % показания ротаметра 9 (см. табл. 25.2).
• 7. Установить скорость воздуха на полное сечение колонны 0,9 м/с по дифманометру 3 (что соответствует показанию дифманометра 86 мм вод. ст. (см. табл. 25.3) с помощью заслонки 2 на входе вентилятора 1.
• 8. Включить электронный мост КСМ-4 в сеть и переключить тумблеры на нем «Прибор» и «Диаграмма» (на схеме не показано).
• 9. Подготовить 50 мл водного раствора соли NaCl концентрацией 40 г/л и залить его через воронку 5 в импульсную трубку 6, расположенную над приемной планкой тарелки у входа потока жидкости.

• 10. Подать раствор соли на вход потока жидкости рабочей тарелки 4 резким поворотом трубки импульса 6 на 90 ° против часовой стрелки.
• 11. С помощью кондуктометрических датчиков снять С-кривые на выходе с тарелки: 9 режимов (три по воздуху при трех по воде) и два режима на воспроизводимость эксперимента.

Закрыть вентиль 8 подачи воды в бак 12, выключить водяной насос 11, через минуту выключить вентилятор 1, затем самописец и вторичный прибор РЭ. Такой порядок выключения установки исключает затопление колонны и воздуховода.

Среднее время пребывания в аппарате определяется по формуле:

Безразмерную дисперсию определяют по формуле:

где Л/₂ — начальный момент второго порядка; 1-среднее время пребывания.

Обработка С-кривых, получаемых на выходе потока, может быть произведена любым численным методом (трапеций, прямоугольников, Симпсона).

• 1. Оценить вид кривой и установить ориентировочную модель структуры потока жидкости.
• 2. Определить наличие неоднородностей (застойных зон, байпаса, рецикла) в структуре потока сравнением общей длительности эксперимента /_э и /_вых.
• 3. Рассчитать по С-кривым величины A/о, Л/|, Л/г, среднее время пребывания жидкости на тарелке 7_ВЫХ, безразмерную дисперсию Со"_ых, величину Ре_вых, число ячеек У_вых.
• 4. Установить вид модели и определить ее параметры.
• 5. Построить графики зависимости коэффициента продольного перемешивания Е от нагрузок по газу и жидкости, оценить характер зависимостей.
• 6. Провести сравнение теоретической и экспериментальной функций отклика.
• 7. По диффузионной и ячеечной моделям определить КПД тарелки.
• 8. Условия эксперимента занести в таблицу.

Формулы для определения числа Пекле (Ре) для диффузионной модели, числа ячеек N дзя ячеечной модели и КПД тарелки по диффузионной и ячеечной моделям:

В работе следует определить rjy при г)^ = 0,4; 0,8; 1,0.

9. По методу наименьших квадратов следует определить зависимость КПД от расхода по жидкости и пару L и G (кг/ч):

КПД по ячеечной модели имеет вид:

где N — число ячеек полного перемешивания.