CC BY
34
УДК 66.023
Т.А. Тарасова*, Е. А. Дмитриев, М.В. Куликов.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 *e-mail: [email protected]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ДИАПАЗОНА РАБОТЫ СИТЧАТОЙ ТАРЕЛКИ
Аннотация
Полученные экспериментально скорости прекращения провала жидкости на ситчатой тарелке сравнивали с рассчитанными по приведенным в литературе уравнениям. Скорректировано уравнение, которое может быть использовано для расчета скорости прекращения провала жидкости на ситчатой тарелке колонного аппарата лабораторного учебного гидродинамического комплекса.
Ключевые слова: колонные аппараты, массообмен, гидродинамические режимы, ситчатая тарелка, скорость провала, барботаж.
Эффективность аппаратов с тарелками любых конструкций в значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы. Гидродинамические режимы определяют допустимые пределы устойчивой работы аппарата. Нижний предел соответствует такой скорости газа, при которой прекращается провал жидкости с тарелки. Верхний предел соответствует скорости газа, при которой наблюдается унос жидкости на верхнюю тарелку, поверхность контакта фаз при этом резко снижается. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов для барботажных тарелок отсутствуют. Поэтому при проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорости газа, соответствующие нижнему и верхнему пределам работы тарелки, а затем выбирают рабочую скорость газа.
Представленная работа посвящена выбору наиболее корректных из предлагаемых в литературе [1-6] уравнений для расчета скорости прекращения провала жидкости в ситчатой тарелке колонного аппарата многофункционального
гидродинамического комплекса кафедры процессов и
аппаратов химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева. Данный комплекс используется для изучения гидродинамики колонных аппаратов в лабораторном студенческом практикуме. В лабораторной работе студентам предлагается определить экспериментально, а затем рассчитать нижний предел устойчивой работы тарелки. Поэтому необходимо было оценить, насколько предлагаемые в литературе уравнения подходят для расчета скорости прекращения провала жидкости на тарелке конкретной лабораторной установки.
Множество исследований [1-8] было посвящено выяснению условий, при которых жидкость не проваливается через отверстия тарелок, а также установлению нижнего предела устойчивой работы барботажной тарелки, при котором барботаж начинает осуществляться по всему рабочему сечению тарелки.
Так, И. А. Александров в работе [4] условно принимал, что нижняя граница устойчивой области работы ситчатых тарелок определяется условием ее беспровальной работы. Он рекомендует определять ее по следующему уравнению:
100
(
°0,пр _'
•Р
0,5
у
1
0,002-С'
( 4а >
h 0 Фх ^g + -т + 63
(1)
где £ - коэффициент сопротивления сухой тарелки, Ь0 - высота слоя светлой жидкости на тарелке (м), о -поверхностное натяжение (Н/м), d - диаметр отверстий (мм); ив,пр -скорость газа, отнесенная к свободному сечению тарелки, м/с. Для расчета Ь можно использовать уравнение, представленное в работе [8].
В работе [5] скорость пара, ниже которой имеет место провал жидкости, отнесенная к свободному сечению тарелки (в м/с), находится из уравнения:
Коэффициент Кз определяется из графической корреляции [5], апроксимированной уравнением:
К,
Ьп + Ьп0
0,08467 + 0,03146 (Ьп + Ьп0)
(3)
где Ьп и Нп01 - соответственно, высота перелива и высота жидкости над переливом (мм). Величина последней рассчитывается из уравнения:
х 2/3
/
К3 - 0,9(25,4 - dо)
и0,пр _
где d0 - диаметр отверстий в мм.
(2)
750
V
V ^сл у
(мм), (4)
где Ься - длина перелива (м), Ух - объёмный расход жидкости (м3/с).
В работе [6] для ситчатых тарелок минимальная скорость газа, при которой начинают работать все отверстия, находится по уравнению:
X
°пр 3
2 ■ ё-Рх ■ ьс
С-Ру
(5)
где £ - коэффициент сопротивления сухой тарелки, Н0 - высота жидкости на тарелке (м), ; рх -плотность жидкой фазы (кг/м3); ру - плотность газовой фазы (кг/м3); S0 - свободное сечение тарелки (м2); Spaб - поперечное сечение тарелки (м2). Скорость газа ир (м/с) в этом уравнении отнесена к сечению тарелки.
На лабораторном многофункциональном гидродинамическом комплексе кафедры процессов и аппаратов ранее уже проводились эксперименты [7] по определению скоростей прекращения провала в
отверстиях ситчатой тарелки при низких расходах жидкой фазы. Визуальные наблюдения сравнивали с данными расчета по уравнению (2). Было показано, что расчетные значения превышают экспериментально найденные более, чем в два раза.
В представленной нами работе проводились эксперименты по определению скоростей окончания провала в колонном аппарате с ситчатой тарелкой при различных расходах жидкой фазы в интервале изменения расхода газовой фазы (воздуха) 1,5 - 15 л/с, что соответствует изменению скоростей воздуха в отверстии тарелки 2-10 м/с. Экспериментально найденные скорости сравнивали с рассчитанными по различным уравнениям, приведенным в литературе (см.табл.). Рабочий диапазон изменения расхода жидкости на данной установке 80- 170 л/ч. Расчет скоростей по уравнению (1) проводили при одном и том же расходе газовой фазы 5,3 л/с, соответствующем началу прекращения провала жидкости, наблюдаемой в экспериментах.
Таблица. Экспериментальные и расчетные значения скоростей прекращения провала (отнесенных к свободному
сечению тарелки).
Скорость окончания провала; (м/с) Высота светлой жидкости на тарелке; (см) Расход жидкости л/час
Ч эксп. Ч рраасч. по ур1 Ц)расч. по ур.2 Ч ррасч. по ур.5 Ч ррасч. по ур.6 Ч ррасч. по ур.7 Ь0
- 23,8 10,01 1,38 50
2,5 27 10,05 7,91 4,59 3,95 1,56 90
3 27,7 10,09 7,98 4,67 3,99 1,59 100
4,3 29,3 10,10 8,18 4,69 4,09 1,67 120
4.0 29,8 10,12 8,23 4,70 4,12 1,69 130
5,2 42,9 10,16 9,18 4,73 4,59 2,10 157
Сравнение экспериментальных и
рассчитанных по уравнениям значений скорости показало, что приведенные в литературе уравнения (1), (2) и (5) не пригодны для оценочного расчета скоростей прекращения провала на данном колонном аппарате.
Проведенные в данной работе исследования позволили скорректировать коэффициенты уравнения (2). Скорректированное уравнение выглядит следующим образом:
° 0,пр =
Кз- 0,9(32 - йо0
(6)
где - диаметр отверстий, мм. Коэффициент К3 определяется по уравнением (3).
Также было скорректировано уравнение (5): 1 80 /2 • ё-Рх- Ч
и пр = 3
раб
(7)
Полученные уравнения (6) и (7) дают хорошую сходимость расчетных и
экспериментальных данных (табл.) и могут быть рекомендованы для расчета скорости прекращения провала жидкости с тарелки колонного аппарата многофункционального гидродинамического
лабораторного комплекса.
Экспериментальные и расчетные значения хорошо согласуются при расходах жидкой фазы более 100 л/ч, что соответствует рабочему диапазону изменения расхода жидкости в колонне.
Тарасова Татьяна Александровна к.т.н., доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Дмитриев Евгений Александрович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
у
Куликов Михаил Витальевич аспирант кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Усюкин И. П., Аксельрод Л. С. Основы гидравлического расчета ситчатых ректификационных колонн. - «Кислород», 1949, № 1, с. 6-11.
2. Аксельрод Л. С., Дильман В. В. О барботаже при малых скоростях газа. - «Журнал прикладной химии», 1954, № 5, т. XXVII, с. 485-492.
3. МолокановЮ. К. Химия и технология топлив и масел. 1962, № 9, с. 42-46.
4. Александров И. А. Расчет и конструирование ситчатых тарелок. - «Спиртовая промышленность», 1963, № 2, с. 17-23.
5. Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnot R. K. Chemical Engineering, 1983, v. 6, № 1, p. 541.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. «Химия», 1973,750 с.
7. Дмитриев Е.А., Лисин С.Ю. Расчет и оценка гидравлического сопротивления тарельчатого аппарата с помощью программной среды LabVIEW. Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. -М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2006, т. 20, № 2. - с. 68 - 72.
8. ХамадМ. А., Павлов В. П. Труды МИХМ, 1969, т.1, вып. 1, с. 161-163.
T.A. TarasovaE.A. Dmitriev, M.V. Kulikov,
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *E-mail:[email protected]
TERMINATION OF FAILURE RATE DETERMINATION SIEVE TRAY COLUMN APPARATUS
Abstract
Obtained experimentally termination failure rate of the liquid on the perforated plate were compared with those calculated by the equations given in the literature. Adjusted equation that can be used to calculate the velocity of the liquid at the termination of the failure of the perforated plate column apparatus of laboratory training hydrodynamic complex.
Keywords: column equipment; mass transfer; hydrodynamic regimes, sieve tray, the rate of failure, bubbl
