Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки колонного аппарата

УДК 66.048.375

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

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

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СУХОЙ СИТЧАТОЙ ТАРЕЛКИ КОЛОННОГО АППАРАТА

In this work dependences of hydraulic resistance dry sieve-plates from speed of gas are determined, factors of hydraulic resistance dry sieve-plates are designed theoretically and determined experimentally. The possible range of change of speeds of a gas stream for a tested column is established. Convergence of the settlement and experimentally found factors of hydraulic resistance is shown.

В работе определены зависимости гидравлического сопротивления сухой ситчатой тарелки от скорости газа, рассчитаны теоретически и определены экспериментально коэффициенты гидравлического сопротивления сухой ситчатой тарелки. Установлен возможный диапазон изменения скоростей газового потока для испытуемой колонны. Показана сходимость расчетных и экспериментально найденных коэффициентов гидравлического сопротивления.

При работе колонных аппаратов со ступенчатым контактом фаз взаимодействие газа и жидкости происходит на устройствах, называемых тарелками. Они представляют собой тонкие перфорированные перегородки, служащие для развития поверхности контакта фаз при направленном их движении; газ обычно движется снизу вверх, жидкость - сверху вниз. Наиболее распространенными видами тарелок являются ситчатые, колпачковые, клапанные и т. д.

В данной работе проводились испытания колонного аппарата с ситчатыми тарелками. Тарелки были выполнены из органического стекла. Каждая тарелка имела 73 отверстия диаметром 5 мм. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством. В качестве переливного устройства в описываемой колонне использовались сливные планки. Газ, поднимающий по колонне, проходит через отверстия в диске и барботирует жидкость, протекающую по тарелке.

Прохождение потока газа через тарелку сопровождается потерей его энергии, которая проявляется в уменьшении давления в колонне от тарелки к тарелке «снизу вверх». Гидравлические потери давления в колонных аппаратах складываются из сопротивления сухой тарелки, сопротивления барботажного слоя на тарелке и «остаточных» сопротивлений, обусловленных действием сил поверхностного натяжения.

Сопротивление сухой тарелки определяется потерями напора на преодоление местных сопротивлений в виде сужения, поворотов и расширения потока, где скорость газа меняется по величине и (или) по направлению. Такое сопротивление рассчитывается по известным соотношениям гидродинамики однофазного потока, и уравнение имеет вид аналогичный формуле Дарси-Вейсбаха:

2

ЛРсух =СР2Г

где Z - коэффициент гидравлического сопротивления, ру - плотность газа в кг/м , w0 -

скорость газа в отверстиях тарелки в м/с.

Коэффициент сопротивления Z зависит от геометрических характеристик тарелки. Теоретическое обоснование потери напора на сухой тарелке заключается в следующем. При входе в отверстие ситчатой тарелки струя газа сначала сужается, а затем расширяется. Этот процесс характеризуется коэффициентом сжатия струи а (отношение минимального сечения струи к сечению отверстия) и коэффициентом s (отношение сечения струи на выходе из отверстия к сечению отверстия). Величина s меняется в пре-

делах от а до 1 и зависит от отношения 5/й0 (отношения толщины тарелки к диаметру

ее отверстий). При достаточно большом 5/й0 на некотором расстоянии от тарелки струя

расширяется до е = 1, после чего она заполняет все сечение. По методике [1].коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки определяется по уравнению:

С =

V

а

+

V

+

Г1

Vе

т

где коэффициенты а и е находятся по соответствующим уравнениям:

а = 0,57 +

0,043 1,1 -т

е = к

/ \0.14

V а0 у

где к - коэффициент, зависящий от материала тарелки (для органического стекла этот

5< /

коэффициент равен 0,77), т = у^ - доля свободного сечения тарелки

(отношение суммарной площади всех отверстий к площади поперечного сечения колонны).

Лабораторная установка, применяемая в данной работе, является одним из контуров исходного гидродинамического стенда. Подготовка лабораторного стенда и программной среды к проводимым испытаниям была осуществлена авторами работы [2]. Схема контура для экспериментального определения коэффициента гидравлического сопротивления сухой ситчатой тарелки представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема лабораторной установки для определения сопротивления сухой ситчатой тарелки.

Главным элементом установки является колонный аппарат с тремя ситчатыми тарелками, выполненный из органического стекла. Он включает в себя четыре прямоугольные царги, между которыми расположены тарелки, и сепаратор, служащий для отбоя брызг, уносящихся вверх колонны. Воздух (Ру=1,293 кг/м3) нагнетается вниз колонны компрессором ВФ. Его расход измеряется с помощью газового

1

1

расходомера(157-2), представляющего собой мерную диафрагму и регулируется затвором на газовой линии (на рисунке не указан). Управление затвором осуществляется с электрического пульта.

Ниже и выше второй тарелки вмонтированы датчики измерения давления (1571), соединенные с электрическим преобразователем, посылающим сигнал о разности давлений до и после тарелки на электрический пульт. Внизу колонны вмонтирован датчик (156), измеряющий напор внизу колонны. Датчики давления откалиброваны в кПа. Данные о перепаде давления, о расходе газа отображаются также и в программной среде ЬаЪУ1ЕШ на соответствующих индикаторах и на графике.

Необходимые для расчетов параметры ситчатых тарелок приведены ниже:

а) Свободное сечение тарелки (суммарная площадь поперечного сечения всех отверстий) - Б о = п-л^20/4 = 0,001433351 м2 ; б) Поперечное сечение

колонны - Бкол = ¿кол Ькол = 0,03 м2;в) Диаметр отверстия тарелки ¿0 =5 мм; г) Толщина тарелки 5 = 4 мм

В данной работе:

- Рассчитан с помощью уравнений (2),(3),(4) коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки Срссч = 1.813

- По уравнению (1) рассчитаны для каждого значения скорости газа величины гидравлического сопротивления тарелки АРрасч

- По найденным экспериментально величинам ЛРэксп построена зависимость гидравлического сопротивления сухой тарелки от скорости газа. Результаты расчета и эксперимента представлены на графиках рис. 2

- По найденным экспериментально величинам ЛРэксп рассчитаны с помощью уравнения (1) значения ^эксп Результаты представлены в таблице.

- Найдены средние арифметические значения коэффициента сопротивления по всему эксперименту £Эксп,ср.=2.17

- Проведено сравнены значения Сэксп,ср., найденного по экспериментальным данным и £расч ,рассчитанного по уравнениям.

Проделанная работа позволяет сделать вывод о сходимости расчетных и экспериментально найденных коэффициентов гидравлического сопротивления. Погрешность найденного значения составляет 16 % от теоретически рассчитанного. Зависимость полученных экспериментально значений гидравлического сопротивления сухой ситчатой тарелки от скорости газа имеет линейную форму, что соответствует графику для рассчитанных данных.

Таблица 1. Результаты расчета коэффициента гидравлического сопротивления сухой тарелки по

данным эксперимента

Л ™0 V АР £Л± эксп АР £Л± расч 2 АР V —эксп ('ЭКСП= Ру™2

п/п м /мин м/с кПа кПа

1 0,3 3,488 0,02 0,014 2,542

2 0,362 4,209 0,03 0,021 2,619

3 0,401 4,663 0,04 0,025 2,846

4 0,414 4,814 0,05 0,027 3,338

5 0,455 5,291 0,06 0,033 3,316

6 0,521 6,058 0,08 0,043 3,372

7 0,564 6,558 0,09 0,050 3,237

8 0,598 6,953 0,1 0,057 3,199

9 0,871 10,128 0,11 0,120 1,659

10 0,807 9,384 0,09 0,103 1,Ь81

11 0,796 9,2Ь6 0,08 0,100 1,44Ь

12 0,743 8,639 0,07 0,088 1,4Ь1

13 0,67Ь 7,849 0,06 0,072 1,Ь07

14 0,606 7,046 0,0Ь 0,0Ь8 1,ЬЬ8

1Ь 0,Ь48 6,372 0,04 0,048 1,Ь24

16 0,47 Ь,46Ь 0,03 0,03Ь 1,ЬЬ4

17 0,41 Ь 4,826 0,02 0,027 1,329

Сэксп,ср 2,16Ь

V - расход газа; - скорость движения газа в отверстиях тарелки; ЛРэ,

и

ЛРрасч - соответственно экспериментальное и расчетное значение сопротивления

тарелки; = ——, где S0 - свободное сечение тарелки. 5Л

Эксперимент Расчёт

Рис. 2. Зависимости расчетных и полученных экспериментально значений гидравлического сопротивления сухой ситчатой тарелки от скорости газа.

Список литературы

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

2. 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.

2,3

2. 1

9

7

Ь

3

lgw

0.9

U.b

U.B

0. 7

U.B

0.9

1.1

УДК 661.189.21.62-529

С.В. Прокудин, А.В. Беспалов, В.Н. Грунский, А.И. Козлов

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

РАЗРАБОТКА ИНФОМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ВЫБОРА И РАСЧЕТА КАТАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ВПЯМ

The systeme of the information is developed for the chose catalysators on the base of high porous cell materials (HPSM).

Разработана информационная система по выбору и расчету катализаторов на основе высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ).