CC BY
15
УДК 66.021.3
О ВЫСОТЕ СТАТИЧЕСКОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА СИТЧАТОЙ ТАРЕЛКЕ
Сидягин А.А. ©
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Дзержинский политехнический институт (филиал)
Аннотация
Статья посвящена исследованию высоты статического слоя жидкости, как одного из факторов, определяющего гидродинамическую обстановку на массообменной тарелке и влияющего на ее гидравлическое сопротивление и эффективность массопередачи. Полученная зависимость для расчета данного показателя может быть использована при расчете гидравлических и тепло-массообменных характеристик переливных ситчатых тарелок.
Ключевые слова: контактное устройство, массообменная тарелка, гидродинамика Keywords: contact device, mass transfer plate, hydrodynamics
Для проведения тепломассообменных процессов в химической и смежных отраслях промышленности широко используются колонные аппараты с переливными тарелками. Одной из важнейших характеристик тарельчатых контактных устройств, используемой как при проектировании новых аппаратов, так и при анализе работы действующих установок, является гидравлическое сопротивление.
Обычно полное гидравлическое сопротивление тарелки определяют как сумму трех составляющих: сопротивления сухой тарелки ЛРсух, сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения, АРа , и сопротивления слоя жидкости на тарелке ЛРж. [1, 448]:
АР = ДРсух + АРа + АРж . (1)
Понятно, что такой расчет дает погрешность из-за отсутствия надежных зависимостей для расчета ряда величин, в первую очередь, высоты статического слоя жидкости.
Высота статического слоя жидкости (высота светлой жидкости) Ист на плато перфорированной зоны является одной из ключевых величин для расчета основных гидродинамических характеристик, в том числе составляющей ЛРЖ., и интенсивности массообмена на тарелках. Умение определять этот показатель является необходимой предпосылкой создания достоверной инженерной методики расчета колонных аппаратов для проведения массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость.
Теория расчета Ист разработана пока недостаточно, несмотря на относительно большое количество исследований, посвященных этому вопросу. За последние восемьдесят лет изучению влияния различных факторов на высоту статического слоя жидкости был посвящен целый ряд экспериментальных и теоретических работ, опубликованных, как в отечественных, так и в зарубежных изданиях.
Для определения величины Ист предложен ряд эмпирических зависимостей [1, 459; 2, 45; 3, 162; 4, 12; 5, 495], которые, однако, дают различные результаты, что объясняется как сложным характером изменения высоты статического слоя жидкости, так и различной геометрией лабораторных моделей. Например, на рис.1 приведены кривые для зависимости Ист от фактора скорости газа f f = wVpr), отнесенной к площади барботажа, рассчитанные по данным [1 - 5], а также нанесены наши экспериментальные данные для удельной нагрузки по жидкости q = 1,15 м /(м ч).
© Сидягин А.А., 2016 г.
Ист, мм
30 25 -20 15 10 5 -0
0,5 1,0 1,5 2,0
Г 0,5// 0,5 л /г , КГ /(м С)
Рис.1. Зависимости высоты статического слоя жидкости от фактора скорости газа, по данным разных авторов:
1 - [1, 459]; 2 - [2, 45]; 3 - [3, 162]; 4 - [4, 12]; 5 - [5, 495]; точки - наш эксперимент
Учитывая, что ранее предложенные расчетные формулы дают сильный разброс результатов, и их использование не позволяет получить сколько-нибудь достоверные значения Ист, нами проведены исследования, направленные на измерение высоты статического слоя жидкости на ситчатых тарелках различной конфигурации. Исследования проводились на двух лабораторных стендах.
Одна часть исследований по гидродинамике ситчатых тарелок осуществлялась на колонне прямоугольного сечения 450 х 160 мм, корпус которой был изготовлен из органического стекла. В колонне были установлены ситчатые тарелки с диаметром отверстий 5 мм, шагом между отверстиями 15 мм и относительным свободным сечением 8,7%.
Второй стенд включал цилиндрическую колонну внутренним диаметром 500 мм, состоящую из царг, выполненных из органического стекла. В колонне устанавливалась ситчатая тарелка с диаметром отверстий 4 мм и шагом между отверстиями 12 мм. Длина пути жидкости составляла 300 мм. Под исследуемой тарелкой располагалось газораспределительное устройство, обеспечивающее равномерный вход газового потока в рабочую зону тарелки.
Для определения высоты статического слоя на тарелках была предусмотрена установка манометрических трубок в пяти точках по длине пути жидкости. Во всех случаях исследования проводились на системе вода - воздух. Для замера сопротивления тарелок использовался микроманометр МКВ - 250. Высота сливной планки варьировалась от 25 до 50 мм.
Исследования проводились при различных нагрузках по жидкости в диапазоне q = 0,8.. .2,2 м3/(м ч) и при значениях фактора скорости, отнесенной к площади рабочей зоны /г = 0,5.1,7 кг0,5 / (м0,5 с). В исследованном диапазоне нагрузок на тарелках имеет место пенный режим (режим свободной турбулентности), при котором газ, выходящий из отверстий, движется в виде сплошных струй-факелов, которые на определенной высоте разрушаются с образованием множества пузырей. На тарелке формируется подвижная газожидкостная дисперсная система - пена. Поверхность контакта фаз и эффективность
2
о - ° 0 ° о
о V о 0 3
-1 4
5
тарелок в пенном режиме максимальная, поэтому его наиболее часто выбирают для проведения массообменного процесса.
Из-за возникающих при некоторых режимах работы осцилляций пенного слоя, измерения производились несколько раз при каждом зафиксированном значении нагрузок, после чего усреднялись.
Результаты исследований при значении высоты сливной планки Ипер = 30 мм приведены на рис. 2. Из графиков наглядно видно, что с увеличением фактора скорости газа высота статического слоя жидкости на тарелке снижается, причем общий характер зависимости можно выразить соотношением
Лот~/
-0,35
/?ст, ММ
30 25 20 15 10
\д \»
•Ч» о>!
о °оо
• -1
о -2 ■ -3
а 4
* -5
Л -6
о
0,5
1,0
1,5 2,0
/;, кг°=5/(м0'5 с)
Рис.2. Зависимость высоты светлого слоя жидкости на тарелках с ситчатой рабочей зоной от фактора скорости газа:
удельная нагрузка по жидкости я м3/(м ч): 1, 2 — 0,8; 3, 4 —1,5; 5, 6 — 2,2; 1, 3, 5 — стенд №1; 2, 4, 6 — стенд №2
(2)
По результатам обработки всего массива экспериментальных данных было предложено эмпирическое соотношение, позволяющее выполнить расчет высоты статического слоя жидкости на ситчатой тарелке:
7 ппч ) 0,5 0,24 г —0,35 /оч
кСт = 0,123 Лпер ' Я / . (3)
С учетом полученной зависимости (3) было рассчитано полное гидравлическое сопротивление тарелки по формуле (1) и выполнено сопоставление расчетных и экспериментальных данных, результаты которого представлены на рис.3.
Проведенное сопоставление показывает, что полученная зависимость для расчета высоты статического слоя на ситчатой тарелке в исследованном диапазоне нагрузок обеспечивает достоверность вычислений и может быть использована при определении гидравлических и тепло-массообменных характеристик переливных ситчатых тарелок.
А-Ррасч! Па
400
200
0
+20%, //// /к, А □ии .. /ф ш
А
• - 1
о -2 ■ -3 □ -4 * -5 д -6
О
200
400
600
АР.
ТТ-1
ЭКСП 5 ±±а
Рис.3. Сопоставление экспериментальных данных по величине полного гидравлического сопротивления с рассчитанными по формуле (1):
удельная нагрузка по жидкости q м3/(м ч): 1, 2 - 0,8; 3, 4 —1,5; 5, 6 - 2,2; 1, 3, 5 — стенд №1; 2, 4, 6 — стенд №2
Литература
1. В.М.Рамм Абсорбция газов / М.: Химия, 1976. - 656 с.
2. И.А.Мухленов Исследование взвешенного слоя подвижной пены в ситчатых аппаратах // Журнал прикладной химии. - 1958. - т.31. - вып.1 - С.45-54.
3. М.А.Хамад Определение запаса жидкости на ситчатых тарелках с учетом влияния физических свойств жидкой фазы // Хамад М.А., Павлов В.П. Труды МИХМ. - М.:МИХМ.- 1969.- т.1.-вып.1.- С.161-163.
4. Л.Е.Жаркова Исследование влияния структуры барботажного слоя на массообмен в системах газ-жидкость // Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н., МИНХиГП им.И.М.Губкина.- 1971.16 с.
5. М.Е.Позин О высоте исходного слоя жидкости на решетке пенного аппарата с переливными устройствами // Позин М.Е., Тарат Э.Я., Мрняк Л. Известия ВУЗов. Химия и хим. Технология. -1963.- т.6.- №3.- С.490-497.
