ПАХТ - ЛАБЫ

1.Определяем массовые расходы фаз Gɺ и Lɺ умножением объемных расходов на плотности соответствующих фаз.

2.Подставляя Gɺ = ρгwзахлΩ в уравнение (3) находим w захл для заданного расхода жидкости с помощью компьютера.

3.Фиктивные скорости газа w 0 в насадке находим по уравне-

нию (1).

4. Вычисляем гидравлическое сопротивление сухой насадки ( ∆pрсух , Па) по зависимостям (5) – (9).

5. Гидродинамический фактор f определяем по уравнениям (4) и (10), где

Коэффициент С может быть найден из уравнения [10]

6. Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ( ∆pрор ,

Па) рассчитываем по уравнению (4) с использованием ∆pрсух , fр .

Анализ результатов и составление отчета

1.Сопоставить опытные и расчетные значения ∆pсух и ∆pор .

2.Сравнить факторы гидродинамического состояния двухфазной системы для опытных и расчетных данных.

3.Занести рассчитанные данные в таблицу и построить графики опытных значений гидравлического сопротивления сухой и орошае-

мой насадок в логарифмических координатах (зависимость lg ∆pэ от

lg w0 ).

141

4. Проанализировать, какая из классификаций гидродинамических режимов насадочной колонны (рис.2 или рис.3) в большей степени соответствует полученным опытным зависимостям.

Контрольные вопросы

1.Воспроизведите схему установки и дайте ее описание.

2.Какие виды насадок вы знаете? Каково назначение насадки? Перечислите характеристики насадки.

3.Какие гидродинамические режимы работы насадочного аппарата вы знаете? Назовите их характерные признаки.

4.Что характеризует фактор гидродинамического состояния двухфазной системы?

5.Дайте определение фиктивной и истинной скорости газового потока. Чем они отличаются?

РАБОТА 17

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ КОЛОНН

Доц. Р.Г. Галимуллин

Тарельчатые колонные аппараты представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте размещаются горизонтальные тарелки (ситчатые, колпачковые, клапанные и др.).

Колонные аппараты широко применяются в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Они используются преимущественно для проведения массообменных процессов – абсорбции и ректификации, в которых компоненты переносятся из одной фазы в другую, а также для разделения неоднородных систем – мокрой очистки газов от пыли.

При их конструировании стремятся создать тарелки, в которых можно развивать интенсивные гидродинамические режимы взаимодействия газа (пара) и жидкости с развитой поверхностью их контак-

142

та, т.е. режимы, обеспечивающие высокие значения коэффициента массопередачи и поверхности контакта фаз.

Жидкость в колонну подается сверху и стекает вниз с тарелки на тарелку самотеком. Газ (пар) поступает снизу колонны и, пронизывая снизу слои жидкости на тарелках, создает на них, в зависимости от расхода газа и жидкости, различные газожидкостные структуры (состояния двухфазной системы). Газ, последовательно пройдя через все тарелки, покидает колонну сверху.

Таким образом, в тарельчатых аппаратах процесс массопередачи происходит ступенчато. Поэтому тарельчатые колонны в отличие от насадочных, где массоперенос происходит непрерывно по всей высоте насадочного слоя, относятся к группе ступенчатых аппаратов.

По способу слива жидкости с тарелки на тарелку бывают тарелки со сливными устройствами и тарелки без сливных устройств (провальные). Наибольшее распространение получили тарелки со сливными устройствами, а именно колпачковые и ситчатые.

Устройство колпачковых тарелок

Жидкость движется вдоль тарелки с одного сливного устройства к другому, затем перетекает по нему на нижеследующую тарелку. Пройдя все тарелки, жидкость отводится снизу колонны. Сливные устройства располагают так (рис.1), чтобы жидкость на соседних тарелках протекала в противоположных направлениях.

Газ подается в нижнюю часть колонны. Проходит далее через паровые (газовые) патрубки под колпачки, затем через прорези колпачков выходит в слой жидкости на тарелке. Гидрозатвор, образуемый сливной планкой 4 и переливной перегородкой 1, предотвращает прорыв газа через сливные устройства.

143

Рис. 1. Устройство колпачковой тарелки:

1 - переливная перегородка; 2 - полотно тарелки; 3 – сливная перегородка; 4 - сливная планка; 5 - колпачок; 6 – патрубок

Высота слоя жидкости на тарелке регулируется высотой сливной перегородки 3 (см.рис. 1), т.е. высотой выступа сливного устройства над тарелкой. После выхода из прорезей газ (пар) распределяется в жидкости в виде струй и пузырьков, образуя с ней газожидкостной

144

слой, в котором и происходят массообменные процессы. Поднимаясь к поверхности жидкости, пузырьки, струи разрушаются. Освобожденный газ поступает далее на вышележащую тарелку.

К достоинствам колпачковых тарелок можно отнести устойчивость их работы в достаточно широком диапазоне изменения расходов (скоростей) газа. Благодаря выступу газового патрубка 6 над тарелкой жидкость не может полностью покидать тарелку даже при самых незначительных расходах газа. Эти тарелки высоко эффективны.

Основными недостатками колпачковых тарелок являются: сравнительно большое гидравлическое сопротивление; сложность конструкции; трудность монтажа, разбора и чистки; металлоемкость.

Устройство ситчатых тарелок

Ситчатая тарелка представляет собой полотно с большим числом отверстий диаметром 3÷8 мм (рис. 2).

Рис.2. Геометрические характеристики ситчатой тарелки:

D - диаметр колонны; hп - высота сливной планки; ℓc - периметр сли-

ва; Fс - сечение перелива; Fр - рабочая площадь тарелки; ℓр - длина пути жидкости

Через отверстия газ проходит снизу тарелки в слой жидкости. При очень малой скорости газа его давление может оказаться недостаточным для удержания жидкости на тарелке на уровне сливной перегородки, и тогда жидкость может «проваливаться» через отверстия тарелки на нижеследующую тарелку. Поэтому газ должен двигаться с

145

достаточной скоростью и иметь избыточное давление, необходимое для преодоления гидростатического давления слоя жидкости и предотвращения стекания жидкости через отверстия. Следовательно, по этой причине ситчатые тарелки эффективно работают лишь в небольшом диапазоне изменения расхода газа.

Кнедостаткам колонн с ситчатыми тарелками можно отнести также чувствительность к загрязнениям, забивающим их отверстия малого диаметра; неустойчивость к колебаниям расхода газа – при внезапном прекращении подачи газа сливается с тарелок вся жидкость, и для выхода на прежний режим приходится вновь запускать колонну.

Кдостоинствам ситчатых тарелок относятся: простота устройства; легкость монтажа и ремонта; сравнительно низкое гидравлическое сопротивление; достаточно высокая эффективность процессов массообмена.

Режимы работы тарелок

Эффективность процессов массопередачи и гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн существенно зависят от гидродинамических режимов их работы, а гидродинамический режим определяется в основном скоростью газа и в меньшей степени плотностью орошения жидкостью и физическими свойствами фаз.

В зависимости от скорости газа могут возникать три основных гидродинамических режима их работы (рис. 3): пузырьковый, пенный, струйный (инжекционный).

Названные режимы отличаются друг от друга геометрической структурой газожидкостного слоя на тарелке. Различным гидродинамическим режимам соответствуют различные значения гидродинамического сопротивления ( р) и величины поверхности контакта фаз (F).

Пузырьковый режим (рис. 3 а) возникает при малых скоростях газа. Газ в виде отдельных пузырьков проходит через слой жидкости. Поверхность контакта фаз в этом режиме невелика.

146

Рис.3 Гидродинамические режимы работы тарельчатых аппаратов при перекрестном движении фаз:

а - пузырьковый; б - пенный; в - струйный

Пенный режим (рис. 3 б) появляется при увеличении скорости газа. Газовые струи, выходящие из отверстий или прорезей, разрушаются в жидкости, образуя большое количество мелких пузырьков. В результате на тарелке образуется пена: высота газожидкостного слоя hс достигает максимального значения. Поверхностью контакта в этом режиме являются в основном поверхности пузырьков. Она в этом режиме наибольшая, поэтому тарельчатые колонны в основном работают в пенном режиме. Недостатком его по сравнению с пузырьковым является больший унос капель жидкости газовым потоком на выше-

147

расположенные тарелки, что уменьшает среднюю движущую силу массопередачи.

Струйный (инжекционный) режим (рис. 3 в) возникает при дальнейшем увеличении расхода газа. При этом струи газа, удлиняясь, не разрушаясь, проходят до верхнего слоя жидкости. Они выносят с собой большое количество брызг. Высота газожидкостного слоя и поверхность контакта фаз в струйном режиме значительно меньше, чем в пенном, а унос капель жидкости больше.

Гидравлическое сопротивление в тарельчатых колоннах

Расчет гидравлического сопротивления в тарельчатых ко-

лоннах. Если жидкость, поступающая сверху, стекает вниз под действием силы тяжести самотеком, то газ (пар), поступающий в колонну, должен иметь избыточное давление для продвижения его через аппарат. Давление это должно быть не меньше сопротивления, которое испытывает газовый поток при движении в колонне. Причем перепад давления (условно названного гидравлическим сопротивлением) окажется тем больше, чем больше число тарелок в колонне и выше уровень жидкости на тарелке.

Гидравлическое сопротивление каждой тарелки складывается из сопротивления газу сухой тарелки, сопротивления слоя жидкости (гидростатического давления) и сопротивления движению газа сил поверхностного натяжения жидкости.

В связи с этим гидравлическое сопротивление орошаемой та-

жидкостного слоя на тарелке; рσ - сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости.

Сопротивление сухой тарелки определяется по уравнению

где w 0 – скорость газа в отверстиях для ситчатой тарелки или в прорезях колпачковой тарелки (скорость в живом сечении); ρг – плотность газа; ξ - коэффициент гидравлического сопротивления тарелки

148

(в зависимости от конструкции тарелки он колеблется в пределах 0,5 ¸ 5).

Потеря давления на преодоление сил поверхностного натяжения жидкости при входе газа в слой жидкости определяется по формуле

σ

dэ

где σ – коэффициент поверхностного натяжения, dэ – эквивалентный диаметр. Для ситчатой тарелки dэ равен диаметру отверстия, для колпачковой тарелки – эквивалентному диаметру прорези, определяемо-

4S

му по соотношению dэпр = Ппр , где Sпр = а × b - площадь свободного

см

сечения прорези, a – высота прорези; b – ее ширина; Псм – смоченный периметр прорези, равный

Псм = 2a + b.

Сопротивление газожидкостного слоя рассчитывается по разным формулам.

В случае, когда известна высота слоя жидкости (hж) на тарелке,

Цель работы:

1.Визуальное наблюдение режимов работы ситчатой и колпачковой тарелок.

2.Экспериментальное определение гидравлического сопротивления сухой тарелки.

3.Экспериментальное определение гидравлического сопротивления орошаемой тарелки.

4.Расчетное определение гидравлического сопротивления сухой и орошаемой тарелок.

5.Сравнение экспериментальных и расчетных результатов.

6.Сопоставление гидравлического сопротивления ситчатой и колпачковой тарелок.

149

Описание установок

Ниже приводится описание двух лабораторных установок – для изучения режимов и гидравлического сопротивления: 1) аппарата с ситчатыми тарелками; 2) аппарата с колпачковыми тарелками

Установки состоят из колонн 1 с тремя колпачковыми (рис. 4) или ситчатыми тарелками (исследуется средняя тарелка); ротаметра 2 для измерения расхода жидкости; диафрагмы 3, соединенной с наклонным дифманометром 4 для измерения расхода воздуха; указателя 5 уровня жидкости на тарелке; наклонного дифманометра 6 для измерения гидравлического сопротивления тарелки.

Расход воздуха регулируется изменением числа оборотов вен– тилятора с помощью ЛАТРа 7. Расход воды регулируется вентилем 8.

Основные размеры аппарата и тарелок: диаметр аппарата D = 100 мм; расстояние между тарелками Hмт =200 мм; высота выступа сливной трубы над тарелкой hсл = 0,026 м; диаметр отверстий сит– чатой тарелки d0 = 2,8 мм; количество отверстий – 176; суммарное се– чение отверстий, т. е. живое сечение ситчатой тарелки, S0 = 1,1·10-3 м2.

Размеры колпачковой тарелки: диаметр газового патрубка dп = 24 мм; размеры прорези колпачка: a = 12 мм; b = 2 мм; число прорезей колпачка 26; суммарное сечение прорезей колпачка, т.е. живое сечение колпачковой тарелки S0 = 6,24 ·10-4 м2.

Порядок проведения работы

Визуальное наблюдение режимов работы тарелки. Установить расход жидкости по ротаметру, соответствующий 30 делениям его шкалы; включить вентилятор и медленно, периодически увеличивая расход воздуха, добиваться появления на тарелке различных гидродинамических режимов распределения газа в жидкости.

150