Гидродинамические режимы работы колонны с ситчатыми тарелками

свидетельствует об эффективном использовании графического метода для определения характеристик оптимального по экономическим критериям оборудования.

Список литературы

1. Muralikrishna K. Shenoy U. V. Heat exchanger dezign targets for minimum area and cost. // Trans I ChemE.-2000.-v78.-p161-167.

2. Александрова А.А., Кузнецова И.К., Дмитриев Е.А. Оптимизации конструкций кожухотрубных теплообменников на основе графического метода. Успехи в химии и химической технологии, - 2006, т. 20, № 2. - Стр. 101 - 104.

УДК 66.048.375+352.5.013.12

С.П. Ларионов, Т.А. Тарасова, Е.А. Дмитриев

Российский химико-технологический университет, им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ КОЛОННЫ С СИТЧАТЫМИ ТАРЕЛКАМИ

In this work hydrodynamical modes of a column with sieve-plates and as dependences of hydraulic resistance of an irrigated plate on speed of gas for various modes of operation are determined are established.

Установлены гидродинамические режимы колонны с ситчатыми тарелками, определены зависимости гидравлического сопротивления орошаемой тарелки от скорости газа для различных режимов работы.

Для аппаратов со свободной поверхностью жидкости, то есть, главным образом, для барботажных систем, гидравлическое сопротивление рассчитывается как сумма сопротивлений контактного устройства (АРсух ), газожидкостного слоя на контактном

устройстве (АРг_ж) и сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения ( АРо ):

АР = АРсух +АРг _ ж +АР„

Сопротивление сухой тарелки определялось по известной методике [1]. Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, также называют «остаточным» сопротивлением. Оно связано с разностью давлений в выходящей из отверстия тарелки струе газа и окружающей его жидкости из-за кривизны межфазной поверхности. Такое сопротивление находят по формуле:

ДРо= — = —

S d0

где: о - поверхностное натяжение жидкости (Н/м); П - периметр сечения отверстия; S - площадь сечения отверстия.

Сопротивление газо-жидкостного слоя представляет собой потери давления при преодолении потоком газа слоя жидкости на тарелке. Оно принимается равным статическому давлению газожидкостного слоя:

ДРг-ж = ЕРхК = ЕРП ИП

где: h0 и hn - высота светлой жидкости и пены (барботажного слоя) соответственно, Рх и Рп - плотность жидкости и пены соответственно.

Это уравнение является приблизительным. Поэтому для соответствия теоретических данных экспериментальным вводят поправочный коэффициент 0,85 [1]:

АРг_ж = 0.85 йрД-

Таким образом, задача определения гидравлического сопротивление газожидкостного слоя сводится к нахождению высоты слоя жидкости на тарелке. Экспериментальное ее измерение затрудняется постоянным колебанием высоты этого слоя, поэтому ряд зависимостей, предложенных различными исследователями, дают значительные расхождения в значениях между ними. Для практических расчетов можно пользоваться уравнением [2]:

Но = 0.14д0^6

С у

. п

где: Нпер - высота перелива /м/; q - плотность орошения тарелки в расчете на 1 м длины сливной планки м2/ч, q = Ух/Ь сл; Ьсл - длина сливной планки /м/; Ух - объёмный

5 • 3 V

расход жидкости /м /ч/, Уу - объёмный расход газа /м /с/, = —— - фиктивная

^ сеп

скорость газа, рассчитанная по площади сепарационного пространства /м/с/. сх и ош -поверхностное натяжение жидкости и воды, /лх - вязкость жидкости / мПа с/.

Лабораторная установка, применяемая в данной работе, являлась одним из контуров многофункционального гидродинамического комплекса с автоматизированным сбором и обработкой информации [3].

Главным элементом контура являлся колонный аппарат с тремя ситчатыми тарелками, выполненный из органического стекла. Он включал в себя четыре прямоугольные царги, между которыми расположены тарелки, и сепаратор, служащий для отбоя брызг. Каждая тарелка имела 73 отверстия диаметром 5мм. Воздух нагнетался вниз колонны помощью компрессора. Расход воздуха измерялся с помощью газового расходомера, представляющего собой мерную диафрагму и регулировался затвором на газовой линии. В колонну сверху подавалась жидкость. Расход жидкости измерялся ротаметром и регулировался затвором на жидкостной линии. Управление затворами осуществлялось с электрического пульта.

В представленной работе:

- Рассчитаны значения всех составляющих гидравлического сопротивления ситчатой тарелки для каждого значения скорости газа. Исследованы гидродинамические режимы работы колонны в диапазоне скоростей газа 0,25-0,55 м /мин. Полученные экспериментально значения гидравлического сопротивления находятся в близком соответствии с расчетными данными, что подтверждает правомерность использования предлагаемого в литературе уравнения (5) для расчета гидравлического сопротивления исследуемой колонны.

- Получены и исследованы зависимости гидравлические сопротивления колонны от скорости газа при различных расходах орошаемой жидкости (от 50 до 500 л/час). Как видно из полученных графиков (рис. 1-5), расход жидкости мало влияет на величины гидравлического сопротивления ситчатой тарелки, но, тем не менее, растет с увеличением количества подаваемой жидкости.

0.09

♦ •

-----

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9

♦ Эксперимент  Расчёт -Диапазон скоростей газого потока, в котором наблюдается провал жидкости

Рис. 1. Зависимости расчетных и полученных экспериментально значений гидродинамического сопротивления ситчатой тарелки от скорости газа для расхода жидкости 49 л/ч.

2,4

2,35

2,3

2,25

2,2

2,15

2,1

А

1 А

. к

_

1дж

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

2,45

2,4

2,35

2,3

2,25

2,2

2,15

♦ 56 л/ч Эксп

♦ 56 л/ч Расч

А 100 л/ч Эксп

А 100 л/ч Расч

64 л/ч Эксп

64 л/ч Расч

Диапазон скоростей газового потока,в котором наблюдается провал жидкости

Рис. 2. Зависимости расчетных и полученных экспериментально значений гидродинамического сопротивления ситчатой тарелки от скорости газа для расхода жидкости 50-100 л/ч.

- По перегибам кривой определены значения скоростей газа, соответствующих прекращению «провала» жидкости. Эти значения скорости сопоставлены со значениями, определенными визуально. Анализ моментов, при которых прекращается «провал» жидкости, даёт возможность определить закономерность их наступления при различных расходах жидкости, а именно: с увеличением расхода жидкости

увеличивается гидравлическое сопротивление тарелки, для преодоления которого, требуется всё большее количество газа (рис. 6).

дж

:

-Диапазон скоростей газового потока,в котором наблюдается провал жидкости

:

Рис. 3. Зависимости расчетных и полученных экспериментально значений гидродинамического сопротивления ситчатой тарелки от скорости газа для расхода жидкости 180 л/ч.

ар

♦ ♦ ♦ ♦♦ ♦ .

♦ ♦ ♦ ♦ ♦♦ «♦♦ * . * ^ у

А_♦ ♦_♦ **** * ♦.♦.

--------

__________

♦ ♦ ♦ ♦ 4» ♦

дж

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

♦ Эксперимент Расчёт

Рис. 4. Зависимости расчетных и полученных экспериментально значений гидродинамического сопротивления ситчатой тарелки от скорости газа для расхода жидкости 300 л/ч.

2,7

2,65

2,6

2,55

2,5

2,45

2,4

2,35

2,3

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

2,8

2,7

2,6

2,5

2,4

2,3

2,2

2,1

- Обнаружено, что при расходах жидкости более 100 л/час наблюдается образование слоя жидкости на тарелке, который не проваливается под действием давления газа. Этот слой больше высоты перелива (на 3-5 см), из-за этого жидкость быстро перетекает с тарелки на тарелку по переливным устройствам. С увеличением

высоты этого слоя увеличивается гидравлическое сопротивление тарелки до того момента, как первые пузырьки газа не начинают пробиваться сквозь слой, который в это время уменьшается в размерах за счёт «провала» жидкости. После этого сопротивление резко падает (рис. 3-5).

| ♦ Эксперимент И Расчёт |

Рис. 5. Зависимости расчетных и полученных экспериментально значений гидродинамического сопротивления ситчатой тарелки от скорости газа для расхода жидкости 510 л/ч.

1др

0,64 0,66 0,68 0,7 0,72

♦ 50 л/ч ббл/ч  64 л/ч • 100л/ч - 180 л/ч

Рис. 6. Зависимости полученных экспериментально значений гидравлического сопротивления ситчатой тарелки, соответствующего «провалу» от скорости газа для разных расходов жидкости.

2,8

2,75

2,7

2,65

2,6

2,55

2,5

2,45

2,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

2,5

2,45

2,4

2,35

2,3

2,25

2,2

0,62

0,74

0,76

Список литературы

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии.- М.:Химия,1992. -383 с.

2. Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976. -655 с

3. Лисин С.Ю. Расчёт и оценка гидравлического сопротивления тарельчатого аппарата с помощью программной среды LabVIEW /С.Ю. Лисин, Е.А. Дмитриев //Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. - 2006. - Т. XX, №2. - С.68-72.