Структура двухфазных (парожидкостных) потоков в массообменных аппаратах для стационарных условий

Гидродинамика структуры потоков жидкости на тарелке ректификационной колонны и степени перемешивания пара в межтарельчатом пространстве в значительной степени определяют эффективность аппарата в целом.

Существенную роль в массообменном аппарате играет неравномерность распределения парожидкостных потоков и как следствие неравномерность распределения концентрации компонентов по сечению аппарата (например, на ситчатых тарелках диаметром 5 м концентрации в разных точках сечения тарелки различались в 3 раза). Все это приводит к потерям движущей силы процесса массопередачи [10].

Очевидно, именно эти явления вызывают снижение эффективности при увеличении размера аппаратов. Поперечная неравномерность потоков возрастает при увеличении размера аппарата. Поэтому распространенное мнение, что моделирование может полностью основываться на критериальных уравнениях, полученных на лабораторных установках, неверно.

В табл. 5.2 приведены математические модели кинетики процесса массопередачи для разных структур парожидкостных потоков (их математические описания и аналитические решения), опубликованные в литературе.

Модели структуры потоков являются основой расчета гидродинамических процессов в аппаратах, выполняющих функции разделения и смешения потоков различных составов и количеств. Для стационарных условий математическое описание смесителя емкостного типа состоит из уравнений материального и теплового балансов:

где G — количество выходного потока; х — состав выходного потока; С_р — теплоемкость; t — температура; G*, х, — количество и состав входных потоков.

На основании уравнений (5.5) рассчитывают концентрации, количество и температуру выходного потока. Заметим, что температура определяется итерационно по уравнению теплового баланса.

При переносе потока вещества в химическом аппарате происходит изменение его концентрации и температуры за счет химических реакций, теплои массопереноса. Поэтому при переходе к расчету соответствующих аппаратов необходимо уравнения, описывающие гидродинамическую структуру потоков, дополнить членами, учитывающими источники и стоки массы и тепла потоков (в зависимости от того, образуется или расходуется масса или энергия), т. е. учитывать соответственно диффузионные, химические и термокинетические составляющие.

Таблица 5.2. Математические описания кинетики процесса массоперсдачи и их решения для различных структур моделей массоперсдачи.

Условные обозначения: а — доля жидкости, прошедшая через тарелку в контакте с газом (паром); D — коэффициент диффузии, м²/с; z — безразмерная длина; Я — фактор диффузионного потенциала {mG!L) L. G — расход жидкости и пара; п — число ячеек; D_K — диаметр колонны, м; h_cn% Ь — высота и длина сливной планки, м; о; - скорость пара в аппарате, м/с;

T_t — среднее время пребывания на тарелке, с; Т- время пребывания в /-й точке; х_и, дг_>ых, х_у х — концентрации жидкости в соответствующих точках и равновесная концентрация;

— концентрации пара на входе, выходе и равновесная; /Ду.Яоу — КПД тарелки и локальный КПД.