بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
مقدمه
بخش عمده اي از واحدهاي علمياتي انتقال جرم مربوط به تماس دو فاز غير قابل امتزاج گاز – مايع مي باشد. مهمترين واحدهاي عملياتي گاز- مايع عبارتند از تقطير، جذب، رطوبت زني و رطوبت گيري. واحدهاي عملياتي فوق الذكر مي توانند توأم با انتقال جرم و حرارت باشند. از طرفي در بعضي گراديان غلظت و نفوذ در هر دو فاز قرار مي گيرد و حداقل يك جزء در دو فاز نفوذ مي كند( مانند جذب جزء خاص از مخلوط گازي توسط حلال مايع) و در بعضي انتقال جرم در هر دو فاز صورت مي گيرد و كليه اجزاء در هر دو فاز نفوذ مي كنند.( مانند تقطير) . لذا پيچيدگي واحدهاي فوق از تقطير تا رطوبت گيري كاهش مي يابد.
دستگاههاي مختلفي براي تماس هر چه بهتر و انتقال جرم با راندمان بالاتر براي سيستم گاز – مايع استفاده شده اند. از جمله اين دستگاهها مي توان ظروف مجهز به توزيع كننده گاز (Sparger) ظوف مجهز به بهم زن مكانيكي ، شوينده هاي ونتوري، ستونهاي ديواره مرطوب، ستونهاي پاشنده، ستونهاي سيني دار و ستونهاي پر شده را نام برد. در بسياري از اين دستگاهها به منظور بالا بردن سطح تماس بين دو فاز، يكي از فازهاره صورت حبابهاي گازي در فاز مايع در تماس با فاز مداوم ديگر قرار مي گيرد( مانند پراكندگي گاز به صورت حبابهاي گازي در فاز مايع درون ظرف مجهز به بهم زن يا پراكندگي فاز مايع در فاز گاز در ستون پاشنده و يا ايجاد فيلم مايع در ستونهاي ديواره مرطوب يا برجهاي پر شده). سطح تماس و نحوه پراكندگي يك فاز ديگر (فاز مداوم) از پارامترهاي مهم در طراحي هستند.
اسلاید 2 :
در اين بخش اشاره مختصري به بعضي از پارامترهاي هيدروديناميكي در دستگاههاي مجهز به توزيع كننده گاز و دستگاههاي مجهز به بهم زن مكانيكي خواهد شد . البته مطالب جامع تر در اين خصوص در كتب مربوطه در مكانيك سيالات وجود دارد . نگاهي گذرا به شوينده هاي ونتوري و ستونهاي پاشنده و ستونهاي ديوراه مرطوب خواهيم داشت و بيشتر به طراحي هيدروليكي ستونهاي سيني دار و ستونهاي پر شده مي پردازيم كه بسيار با اهميت هستند و موارد استفاده فوق العاده زيادي دارند. توضيح دستگاهها بر اساس پراكندگي گاز در مايع( دستگاههاي مجهز به sparger- دستگاههاي مجهز به هم زن مكانيكي – ستونهاي سيني دار) و نيز پراكندگي مايع در گاز به صورت قطره يا به صورت فيلم مايع( شوينده هاي ونتوري، ستونهاي پاشنده، ستونهاي ديوراه مرطوب و ستونهاي پر شده ) خواهد بود.
اسلاید 3 :
برج هاي سيني دار
برج هاي سيني دار، استوانه هاي قطوري هستند كه در داخل آنها تعدادي سيني به فاصله هاي معيني از يكديگر نصب شده اند . وجود سيني ها به منظور ايجاد تماس بهتر بين فاز گاز و فاز مايع است . فاز مايع معمولاً از بالاي برج وارد شده و تحت اثر نيروي ثقل به سمت پايين جريان مي يابد. اگر جهت جريان ها متقابل باشد ، فاز گاز از پايين برج وارد شده و در ضمن عبور به سمت بالاي برج با فاز مايع در تماس قرار مي گيرد.
اسلاید 4 :
1- آرايش داخل برج هاي سيني دار
شكل 5-6 ساختمان يك برح سيني دار را نشان ميدهد . ديده مي شود كه مايع ورودي به داخل برج پس از عبور از روي سيني وارد ناوداني مي شود كه از آنجا به سيني پايين تر هدايت مي شود و دوباره پس از عبور از روي سيني از طريق ناودان بعدي به سيني بعدي منتقل مي شود و حركت مايع به همين ترتيب به سمت پايين برج ادامه مي يابد . گاز ورودي از پايين برج از سوراخ هاي هر سيني عبور مي كند. چون در روي سيني لايه اي از مايع در حال حركت است از اين رو ، سوراخ هاي تعبيه شده در هرسيني همچون نازل باعث مي شوند كه گاز در درون مايع جاري روي هر سيني، پراكنده شده و به صورت حبابهايي درآيند تا سطح تماس گاز و مايع افزايش يابد. حبابهاي آغشته به مايع سپس سيني مربوطه را ترك كرده . به طرف سيني بالاتر مي روندو اين ترتيب ادامه مي يابد تا در نهايت گاز تصفيه شده از بالاي برج خارج مي شود. ديده مي شود كه جريان گاز مايع در روي هر سيني عملاً به صورت جريان متقاطع است ولي با توجه به حركت افقي در روي هر سيني ، به طور كلي مي توان يك برج سيني دار را به صورت مجموعه مراحل با جريان متقابل در نظر گرفت.
در بهترين صورت، انتظار مي رود كه هر سيني به صورت يك مرحله ايده آل عمل كند. در معماري داخل برج و نيز ساخت سيني ها، همه تمهيدات لازم را به كار مي گيرند تا عملكرد هر سيني هر چه ممكن است به حالت ايده آل نزديكتر شود. به همين خاطر است كه در طي سالهاي گذشته ، انواع مختلف سيني، از نظر شكل، نوع، اندازه و تعداد منافذ مطرح شده اند كه بعضي از آنها بسيار مقبول افتاده اند و در نتيجه كاربرد بيشتري پيدا كرده اندو اطلاعات زيادي در مورد مشخصات فني آنها در مراجع علمي (1و2) موجود است.
اسلاید 5 :
ظروف مجهز به توزيع كننده گاز
ظروف مجهز به sparer ها براي سيستم هاي گاز- مايع بدون واكنش شيميايي و يا به همراه واكنش شيميايي استفاده شده اند sparer ها (توزيع كننده حبابهاي ) وسايلي هستند كه با استفاده از آنها مي توان حبابهاي گازي را در يك سيال مايع ( فاز مداوم) ايجاد نمود. گاهي اين توزيع كننده ها از لوله هاي ساده تشكيل شده اند( براي ظوف با قطر كمتر از 3/0 متر) و گاهي توزيع كننده هايي طراحي شده اند( معمولاً در ظروف با قطر بزرگتر) كه از سوراخهاي تعبيه شده در توزيع كننده، حبابهاي گازي ايجاد مي شود . قطر سوراخها معمولاً 3-5/1 ميليمتر و فاصله سه برابر قطر حباب توليدي توصيه شده است . توزيع كننده هاي گاز خود نقش بهم زننده و ايجاد تلاطم درون طرف را نيز دارند.
اسلاید 6 :
انتقال جرم در ظروف به sparer
در اين گونه ظوف و در تماس دو فاز گاز – مايع معمولاً بيشترين مقاومت در مقابل انتقال جرم در فيلم و در اطراف حباب قرار مي گيرد و از مقاومت درون گاز( به لحاظ ويسكوزيته كم وجود چرخشهاي دروني بالا بخصوص در حبابهاي متوسط و بزرگ) صرف نظر مي شود. تماس دو فاز در اينگونه ظروف به صورت مداوم يا پيوسته ، نيمه پيوسته و ناپيوسته امكان پذير است. روابط زيادي براي دستيابي به ضرايب انتقال جرم فيلم مايع( در اطراف حباب كروي) در چنين سيستمهايي ارائه شده است كه از جمله به رابطه زير مي توان اشاره نمود.
كه در اين رابطه: يك حباب b’=0/06 مجموعه حبابها b’=0/0187
سرعت لغزش = VS
قطر متوسط حباب توليدي=d p
اسلاید 7 :
همانطور كه ملاحظه مي شود. رابطه فوق براي سيستمهاي با يك حباب تنها و مجموعه حبابها در نظر گرفته شده است. واضح است كه در بسياري از واحدهاي عملياتي واقعي يا مجموعه حبابها برخورد خواهيم كرد. حركت مجموعه حبابها درون ظرف مجهز به توزيع كننده( يا ستون مجهز به توزيع كننده) با حركت يك حباب تنها مقاومت است. در حالت مجموعه حبابها، امكان برخورد آنها، شكست و ائتلاف و تغييرات قطر حباب وجود دارد.
براي محاسبه ضريب انتقال جرم در رابطه فوق بايد عدد رينولدز(ReG) محاسبه شود. در عدد بدون بعد رينولذز قطر حباب توليدي (dp) و سرعت لغزشي(Vs) حباب مورد نياز است كه در خصوص آنها توضيحات ارائه مي شود.
اسلاید 8 :
برج هاي آكنده
برج هاي آكنده يكي از مشهور ترين دستگاههاي انتقال جرم هستند كه در آنها فاز مايع به صورت پراكنده در مي آيد و فاز گاز نقش قاز پيوسته را بازي مي كند. از دستگاههاي ديگري كه در آنها فاز مايع به صورت فاز پراكنده در مي آيند عبارتند از بر ج هاي جداره مرطوب و انواع مختلف برج هاي پاششي.
شكل (6-8) يك برج آكنده را نشان مي دهد. اين برج ها استوانه هاي عمودي هستند كه از ذرات و قطعاتي مرسوم به آكنه. كه داراي سطح ويژه زياد هستند، پر مي شوند. در اين برج ها فاز مايع از بالاي برج وارد شده و با چكيدن از روي آكنه هاي داخل برج، سطح تماس زيادي براي تبادل با فاز گاز را فراهم مي آورند.
اسلاید 9 :
سيني هاي مشبك(Sieve Trays)
ساده ترين نوع سيني ها هستند كه فاز بخار از طريق سوراخهاي ايجاد شده در صفحات مسطح حبابهاي بخار و مايع است. مايع از طريق ناوداني به سيني پاييني وارد مي شود( ستونهاي سيني دار بدون نادوداني نيز ساخته شده اند. ستونهاي سيني دار ديفرانسيل) احتمال چكه كرده مايع از سوراخها وجود دارد .چكه كرده مايع باعث كاهش زمان تماس دو فاز و كاهش راندمان سيني ها مي شود. لذا بايد در طراحي سيني مقدار چكه كردن مايع بررسي شود تا در حد طراحي و مجاز باشد .
سيني هاي فنجا ني (Bubble-Cap Teays)
لوله هاي كوتاهي (riser) روي سوراخ سيني ها تعبيه شده است. روي آن لوله هاي كوچك كلاهك هايي قرار دارد. محيط اطراف كلاهك داراي سوراخ هايي است (slot) . بخار از طريق لوله هاي كوتاه به سمت بالا آمده، از مسير كلاهك و سوراخ هاي كااهك به صورت حبابهاي بخار به فاز مايع روي سيني مي رسد تماس بين دو فاز ذروي سيني صورت گرفته و آمگاه بخارات به سمت بالا حركت مي كنند. مايع نيز از بين كلاهك و از طريق يك نادواني به سيني پايين هدايت مي شود.
سوراخ هايي روي ملاهك ها با اشكال مختلفي طراحي شده اند. وجود لوله هاي كوتاه روي سيني باعث مي شود كه هموراه روي سيني ( حداقل تا زير سوراخ هاي موجود در كلاهك) مايع وجود داشته باشد.
اسلاید 10 :
سيني هاي شير دار (FLOATING Cap Trays or Valve Trays)
در اينگونه سيني ها، سوراخ هاي روي سيني توسط در پوشهاي متحرك پوشيده شده اند. اين در پوشها با افزايش و كاهش جريان گاز بالا و پايين مي روند و مسير حركت گاز بيشتر و كمتر كمي شود. نمونه اي از اين سيني ها در شكل 8-5 نشان داده شده است.
در نيمه اول قرن گذشته (1950-1900) تقريباً تمامي ستونها با سيني هاي فنجاني طراحي شده بودند ، ليكن در حال حاضر از سيني هاي مشبك يا شير دار بيشتر استفاده مي شود.
اصولاً براي ستونهاي با قطر بزرگ ، سيني ها پس از ساخت يكي پس از ديگري درون ستون تعبيه مي شوند.ليكن در ستونهاي با قطر كوجكتر(كمتر از 2/1 متر) مجموعه اي از سيني هاي ساخته شده، توسط شفتي كه سيني ها به آن وصل است و از طريق spacer از يكديگر جدا شده اند درون ستون جا داده مي شوند. ستونهاي بلند معمولاً دو يا چتد تكه ساخته مي شوند و تعداد سيني ها در هر تكه در حدود 10 عدد مي باشد ( شكل 8-6) .
واضح است ايزش مايع از كناره سيني وجود دارد(كاملاً آب بندي نمي شوند. ليكن مقدار آن در حد نيست كه مشكلي ايجاد شود.
