CC BY
13
УДК 66.023
Дмитриев Е.А., Тарасова Т. А., Кузнецова И. К., Кабанов О.В.
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ СБОРОМ ИНФОРМАЦИИ
Дмитриев Евгений Александрович, (1952-2017) д.т.н., профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева 2004-2017 гг.
Тарасова Татьяна Александровна, к.т.н., доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, e-mail: artana@bk.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9
Кузнецова Ирина Константиновна, к.т.н., доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева
Кабанов Олег Викторович, доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Отработана методика наглядного наблюдения особенностей газожидкостных турбулентных течений в барботажном слое на тарелке колонного аппарата модернизированного многофункционального комплекса. Использование программного комплекса позволило установить факт наличия незначительных колебаний перепада давления на тарелке даже при постоянных расходах фаз, а также получить графическую иллюстрацию перехода от нормального режима работы тарелки к резкому увеличению уноса. Исследования проводились при работе тарелок в разных режимах и были отмечены точки перехода от одного режима работы тарелки к другому. Была построена измерительная характеристика прибора, отображающего перепад давления на тарелке.
Ключевые слова: газожидкостные течения, колонные аппараты, работа тарелки, гидродинамические режимы, ситчатая тарелка, барботаж.
STUDY OF HYDRODYNAMICS OF COLUMN MACHINES WITH A MODERNIZED MULTIFUNCTION HYDRODYNAMIC COMPLEX WITH AUTOMATED DATA COLLECTION
E.A. Dmitriev, T.A. Tarasova, I.K. Kuznezova, O.V.Kabanov
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The technique of visual observation of the features of gas-liquid turbulent flows in the bubbling layer on the plate of the column apparatus of the modernized multifunctional complex has been worked out.
The use of the software complex made it possible to establish the fact that there are insignificant fluctuations in the pressure drop on the plate even at constant phase outlays, and also to obtain a graphic illustration of the transition from the normal operation mode of the plate to a sudden increase in entrainment.
The studies were carried out when the plates were operated in different modes and the transition points from one operation mode of the plate to the other were noted. The measuring characteristic of the device displaying the pressure drop on the plate was constructed.
Keywords: gas-liquid flows, column equipment, plate work, hydrodynamic regimes, sieve plate, bubbling.
Современные системы обучения призваны формировать у выпускников технических университетов соответствующие компетенции, которые необходимы для разработки и внедрения новых технологий, что является основным направлением развития производства. Поэтому в технических ВУЗах все большее внимание уделяется созданию и внедрению в учебный процесс информационно-компьютерных систем,
стандартного программного обеспечения и пакетов прикладных программ. Разрабатываются
автоматизированные системы контроля знаний, системы проектирования и научных исследований, а также виртуальные лабораторные практикумы. Последние играют особенно важную роль в подготовке и повышении квалификации инженера, поскольку позволяют имитировать реальный процесс, происходящий внутри химико-технологических схем. Достоинством таких лабораторий является то, что они могут охватить весь комплекс вопросов и задач проектирования и эксплуатации химических производств, представить
все возможные комбинации оборудования и технических параметров процессов. Однако данные системы имеют и недостатки: не возникает прямых связей с реальными процессами и аппаратами, нет представления о масштабе явлений и т.д.
В целях сочетания реального и виртуального процессов на кафедре процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им Д.И. Менделеева был создан многофункциональный лабораторный комплекс для проведения экспериментов по гидродинамике одно - и двухфазных потоков [1].
Комплекс оснащен приборами и датчиками для измерения параметров и регулирования процесса, которые выведены на пульт управления. Одновременно данные этих приборов отражаются на виртуальных приборах в компьютерной программе, что позволяет получать и обрабатывать данные экспериментов в виде графиков и таблиц. Такая организация процесса позволяет визуально наблюдать протекание реального и виртуального гидродинамического процесса. В комплексе предусмотрена возможность выделения контуров для проведения семи экспериментальных работ. Во всех работах измерения можно проводить как с помощью обычных измерительных приборов, так и с помощью виртуальных приборов.
Зная о широком применении колонных аппаратов в химической промышленности, в комплекс был введен колонный аппарат с ситчатыми тарелками и экспериментально определены диапазоны устойчивой работы тарелки. После отработки методик измерения данных с внешнего оборудования, контроля измеряемых параметров в ходе проведения экспериментов и получения воспроизводимых данных была проведена модернизация комплекса.
Модернизация позволила использовать комплекс для отработки методики наглядного наблюдения особенностей газожидкостных турбулентных течений в барботажном слое на тарелке колонного аппарата.
Использование программного комплекса позволило установить, что даже при постоянных расходах фаз наблюдаются незначительные колебания перепада давления на тарелке, с амплитудой около 0,03 кПа. Использование же только реального прибора измерения перепада давления не позволяет установить этот факт т. к. таковой прибор не обладает достаточной точностью измерения. Позже выяснилось, что данные колебания носят характер синусоиды и могут быть вызваны крупномасштабными
турбулентными пульсациями в барботажном слое на тарелке. Ниже на рис.1 приведено графическое отображение данного явления в программном комплексе LaЪVIEW^.
Скачок кривой в начале графика соответствует переходу от нормального режима работы тарелки к резкому увеличению уноса. Затем, после снижения расхода газа до нормального режима, в течение почти 6 -ти минут расход газа не менялся, однако сопротивление тарелки изменялось колебательно с небольшой амплитудой.
Данное явление описано в литературе [2-4] при исследовании особенностей газожидкостных турбулентных течений в барботажном слое.
Следует также заметить, что показания данных в программной среде LaЪVIEW практически совпадают с показаниями приборов. Разве что, программа обладает небольшой инерционностью, в результате чего возникает запаздывание отображения параметров (около 3 -4 секунд).
Рис.1 Изображение в среде LabVIEW изменения сопротивления тарелки во времени при расходе жидкой фазы ¥¿=38 л/час
Исследования проводились при работе тарелок в режиме проваливания жидкости, в режиме нормальной работы и в режиме уноса жидкости. Были также отмечены точки перехода от одного режима к другому. Унос жидкости наблюдался только при расходе жидкости Ух = 38 л/час, а при больших расходах жидкости тарелки работали без уноса во всем диапазоне изменения скоростей газа. Замечен был и тот факт, что с увеличением расхода жидкости значения расхода газа, при которых прекращается провал, изменяются незначительно. Результаты эксперимента по измерению сопротивления орошаемой тарелки приведены в таблице №1.
Таблица №1. Результаты эксперимента по испытанию орошаемой тарелки при Vx = 38 л/час
степень расход перепад давления по перепад давления по показания
открытия газа, дифманометру, дифманометру, прибора,
затвора, ед. м3/с мм в ст. кПа кПа
80 0,0004157 1 0,00981 -0,02
71,8 0,0017134 4 0,03924 0,01
60 0,0038679 12 0,11772 0,09
48 0,0067982 22 0,21582 0,18
40,2 0,0086736 24 0,23544 0,20
35,3 0,0102334 26 0,25506 0,23
28 0,0130135 29 0,28449 0,25
25 0,0143735 32 0,31392 0,28
21,3 0,0162955 35 0,34335 0,34
19 0,0176667 37 0,36297 0,33
17,5 0,0186536 45 0,44145 0,42
17,1 0,0189311 50 0,4905 0,46
Жирным шрифтом в таблице №1 обозначены расходы газа, соответствующие прекращению провала жидкости (Уу = 0,0067982 м3/с) и резкому увеличению уноса (Уу = 0,0176667 м3/с).
На основании всех полученных данных в экспериментах с сухой и орошаемой тарелкой была построена измерительная характеристика прибора, отображающего перепад давления на тарелке. Данные были аппроксимированы прямой линией с целью определения достоверности показаний прибора. В настройку прибора была внесена соответствующая поправка.
Литература
1. Дмитриев Е.А., Лисин С.Ю. Расчет и оценка гидравлического сопротивления тарельчатого аппарата с помощью программной среды ЬаЬУ1Е'^ Успехи в
химии и химической технологии: Сб. науч. тр. - М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2006, т. 20, № 2. - с. 68 - 72.
2. Александров И. А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. Л., «Химия», 1975. 320 с.
3. Аксельрод Л. С., Дильман В. В. О барботаже при малых скоростях газа. -«Журнал прикладной химии», 1954, № 5, т. XXVII, с. 485-492.
4. Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnot R. K. Chemical Engineering, 1983, v. 6, № 1, p. 541.
