CC BY
29
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 2_
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 ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ДИАПАЗОНА УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ СИТЧАТОЙ ТАРЕЛКИ
Аннотация
Полученные экспериментально скорости уноса жидкости на ситчатой тарелке сравнивали с рассчитанными по приведенным в литературе уравнениями. Скорректировано уравнение, которое может быть использовано для расчета скорости уноса жидкости на ситчатой тарелке колонного аппарата лабораторного учебного гидродинамического комплекса.
Ключевые слова: колонные аппараты; массообмен; гидродинамические режимы, ситчатая тарелка, скорость уноса, барботаж.
Эффективность
работы массообменных тарельчатых аппаратов зависит от
гидродинамических условий их работы. В представленной работе изучались
гидродинамические условия работы ситчатой тарелки колонного аппарата многофункционального гидродинамического комплекса лаборатории кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д.И.Менделеева.. Характеристики колонного
- h
■ 0, 03м ;
длина
аппарата: высота перелива --пер
сливной планки - = ° 09м ; поперечное сечение перелива - Sпер;
8 = L • d = 0,09 • 0,026 = 0,00234 м2
пер сл сл ' ' '
Рабочая площадь тарелки (поперечное сечение зоны контакта между паром и жидкостью) -
8 раб = 0,192 • 0,087 = 0,016685м2. Поперечное
сечение сепарационного пространства
8 = 8 - 8 = 0,03 • 0,00234 = 0,02766м2
сеп кол пер ' ' '
Перфорированная площадь тарелки (часть рабочего сечения, покрытого отверстиями)
Свободное
сечение тарелки (суммарная площадь поперечного
отверстий) -
$перф = 0,150 • 0,078 = 0,0117м2.
сечения
всех
S0 = " d = 0,001433351м2. Поперечное
сечение колонны
- 8кол: 8ол = ^ол ■ Lкол = 0,03м2.
Расстояние между тарелками - Ь = 0,3м. Диаметр
отверстия тарелки: ¿0 = 5мм. Толщина тарелки: 5 = 4мм.
Основным гидродинамическим процессом, протекающим на ситчатых тарелках, является барботаж. Барботаж - один из наиболее распространенных методов развития межфазной поверхности в химической аппаратуре. Гидродинамические режимы барботажа в значительной мере зависят от скорости газа и в
существенно меньшей - от плотности орошения и физических свойств фаз. При проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорости газа, соответствующие границам эффективного диапазона работы, а затем выбирают рабочую скорость газа. Поэтому практический интерес представляет определение границ этого диапазона. Нижняя граница представляет собой скорость газа, при которой прекращается провал жидкости, а верхняя — скорость, при которой резко увеличивается унос жидкости. На величины этих скоростей, судя по исследованиям многих авторов [1-5], наибольшее влияние оказывают физико-химические свойства фаз, диаметр отверстий тарелок, толщина тарелок и т д.
Достаточно большое количество работ посвящено определению верхней границы работы ситчатых тарелок, то есть такой нагрузки колонны по газовой фазе, при которой наступает резкое увеличение брызгоуноса. Величина уноса зависит от расстояния между тарелками, скорости газа в отверстиях тарелки, расстояния между отверстиями тарелки, свойств контактирующих фаз и других факторов. Сложность самого явления уноса, а также многочисленность определяющих его факторов не позволяет получить зависимость, учитывающую все составляющие. Как правило, полученные в результате исследований уравнения, учитывают лишь некоторые из них.
Хотя условия барботажа и вся гидродинамическая картина работы ситчатых тарелок отличается от таковой для колпачковых тарелок, все же для определения допустимой скорости пользуются теми же формулами, что и для колпачковых тарелок. Так, И. А. Александров [1] рекомендует для этой цели уравнение Саудерса и Брауна в такой форме:
U 0ун _
0,305 3600
C
V
Р x -Р У
(1)
У
Скорость газа Ооун в этом уравнении отнесена к свободному сечению тарелки (м/с). Коэффициент С рекомендуется находить по уравнению:
C = 1,2 • С - С2 • (Ьу - 35),
(2)
где Ьу — количество стекающей жидкости на 1 м длины сливной перегородки (м3/мч); С2 = 4. Величина С находится по диаграмме и зависит от расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости (0=280 для испытуемой колонны [2]).
В работе [3] скорость пара (в расчете на свободное сечение тарелки в м/с), выше которой происходит захлебывание колонны, предлагается находить по уравнению:
-"0 ун
= К! . К.
^20 )
,(3)
где о - поверхностное натяжение (мН/м); Px - плотность жидкой фазы (кг/м3);
Ру - плотность газовой фазы, (кг/м3); So - свободное сечение тарелки (суммарная площадь поперечного сечения всех отверстий) (м2);
Sсеп - поперечное сечение сепарационного пространства (м2).
Коэффициент Ел вычисляется из графической корреляции [3], которая в работе [4] аппроксимировалась меньшим из значений, находимых по уравнениям:
Е = 0,118 • ехр(0,001886 • И) К = 0,118 • ехр(0,001886 • И)'
0,1092 - 0,58 • 1п
(4)
К2 = 0,3048
при УБ^ >0,1 К2 = 1,52-(0,1+ уБ^) при 8о/8к
< 0,1
(5)
где Sкол - поперечное сечение колонны (м2). Рамм [5] рекомендует для определения максимально допустимой скорости газа пользоваться такой формулой:
иуН = (0,1 • Е • К2 • - Кз • (я - 35)) • (6)
где Ь - расстояние между тарелками (м); я -линейная плотность орошения (объемный расход жидкости, приходящийся на единицу длины периметра переливной перегородки) (м2/ч); К1= 1,2 (для ситчатых тарелок); К2= 1 при атмосферном и повышенном давлении; К3= 0, 00034 ; Рх - плотность жидкой фазы (кг/м3); ру - плотность газовой фазы (кг/м3). Скорость газа %н (м/с) в этом уравнении отнесена к полной площади поперечного сечения аппарата.
В работе [2] проводились испытания по определению скорости начала уноса в отверстиях ситчатой тарелки колонны многофункционального гидродинамического комплекса. Были получены данные при расходе жидкости 38 л/час:
Экспериментально установленная:
и0 = 12,33м /с
0 ун '
Теоретически рассчитанная:
= 18,3м/с •
а) по уравнению (1): Ц
где Ь - межтарельчатое расстояние (мм). Коэффициент К2 зависит от относительной величины свободного сечения тарелки и равен:
0 ун
б) по уравнению (3): 00ун = 36,4м / с .
В представленной нами работе проводились эксперименты по определению скоростей уноса жидкости в отверстиях ситчатой тарелки (и0ун) при различных расходах жидкой фазы. Экспериментально найденные скорости сравнивали с рассчитанными по уравнениям, предлагаемым в литературе (см. табл).
Таблица. Экспериментальные и рассчитанные по уравнениям значения скоростей уноса в отверстиях тарелки колонны
многофункционального гидродинамического комплекса.
Скорость начала уноса; ивун, (м/с) Расход жидкости (л/ч)
Эксп. по ур.1 по ур.3 по ур.6 по ур.7
9,6 24 33 46,7 8,64 120
9,26 24 33 46,7 8,60 130
9 23,9 33 46,7 8,59 157
Скорость газа ^0ун (м/с) в таблице отнесена к свободному сечению тарелки.
Из расчетов видно, что экспериментально полученные данные в 2 -5 раз меньше теоретических. Однако и теоретические данные, рассчитанные по различным соотношениям, значительно отличаются между собой. Это связано со сложностью процессов и явлений, протекающих в барботажных системах, а, следовательно, со сложностью расчета этих параметров. Кроме того, предлагаемые в литературе уравнения были получены для аппаратов различных конструкций при значительно больших расходах газа и жидкости и рекомендовались для расчета промышленных аппаратов. Так, например, Рамм [5] обсуждает процессы в колонных аппаратах при линейной плотности орошения я от 10 до 65 м3/ч. В
нашем же случае величина я не может превышать 0,9 м3/ч. Большое количество методов расчета скорости прекращения провала и возрастания уноса дает многообразие различных значений и вследствие трудности их экспериментального их определения. Во многих литературных источниках [1,2,5] указывается, что данные уравнения пригодны лишь для оценочного расчета, но никак не для точного.
В связи с этим, в представленной работе были скорректированы коэффициенты К1 и К2 в уравнении (6). Указанные коэффициенты были рассчитаны по уравнениям (4),(5): К:= 0,207; К2= 0,225.
Результаты расчетов в этом случае хорошо согласуются с экспериментальными, а уравнение (6) со скорректированными коэффициентами может быть использовано для оценки скоростей начала
уноса в отверстиях тарелки испытуемой лабораторной колонны. Скорректированное уравнение для расчета скорости начала уноса выглядит следующим образом:
0ун
= (0,1- 0,207 • 0,225 Vh - K3 • (q - 35)) ■ J?*- • -кол-
Sn
(7)
где Ь - расстояние между тарелками (м); q - линейная плотность орошения (объемный расход жидкости, приходящийся на единицу длины периметра переливной перегородки), (м2/ч); Кз= 0, 00034. Скорость газа Ооун (м/с) в этом уравнении отнесена к свободному сечению тарелки.
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., проф. кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Куликов Михаил Витальевич аспирант кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Александров И. А. Нагрузки ситчатых тарелок ректификационных аппаратов. - «Спиртовая промышленность», 1963, № 1, с. 6-12.
2. 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.
3. Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnot R. K. Chemical Engineering, 1983, v. 6, № 1, p. 541.
4. Economopoulos A.P. Chemical Engineering, 1978, v. 85, № 27, p. 109.
5. Рамм В. М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Химия», 1976. 656 с.
T.A Tarasova*, E.A Dmitriev, M.V. Kulikov,
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * E-mail: [email protected]
DETERMINE THE SPEED OF ENTRAINMENT OF THE PERFORATED PLATE COLUMN APPARATUS
Abstract
Experimentally obtained rate of entrainment of 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 rate of entrainment of liquid on the perforated plate column apparatus of laboratory training hydrodynamic complex.
Keywords: column equipment; mass transfer; hydrodynamic regimes, sieve tray, ablation rate, sparging.
