Основные аппараты химических производств. Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 2 ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ МАССООБМЕННОГО АППАРАТА

С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ РЕШЕТКАМИ (АВР)

Цель работы – знакомство с устройством и принципом работы массообменного аппарата АВР; экспериментальное изучение влияния нагрузок по жидкости и газу на гидравлическое сопротивление, задержку жидкости, предельные режимы работы.

Массообменные аппараты АВР, применяющиеся в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, высокоэффективны и производительны.

Основными конструктивными элементами АВР (рис. 2.1) являются вертикальные контактные решетки 1 и зигзагообразные перегородки 2. В качестве контактных решеток могут использоваться металлические плетеные сетки и просечный листовой материал. Зигзагообразные перегородки изготавливаются на кромкогибочных машинах из листового сортаментного проката δ = 1...3 мм.

В нижнюю часть аппарата подается газ (пар) (в дальнейшем по тексту именуемый «газ»), который проходит вверх по зигзагообразным каналам, многократно пересекая вертикальную решетку 1. Жидкость подается в верхнюю часть аппарата и, стекая по вертикальным решеткам, в виде пленки, последовательно на каждой ступени высотой H распыляется газом. Наличие контактной решетки способствует равномерному распределению жидкостного потока по ширине аппарата. Резкое изменение направления движения газа создает благоприятные условия для разделения фаз.

Процесс массообмена протекает в условиях противотока контактирующих фаз по аппарату в целом и в прямотоке на ступени контакта, что совместно с продольным секционированием обеспечивает высокую эффективность его работы. АВР обладают невысокой металлоемкостью, простотой изготовления и монтажа в колонне, большим диапазоном устойчивой работы. Небольшой объем жидкости и малое время пребывания в аппарате делает возможным использование их для переработки термолабильных веществ. Эти аппараты быстро вы-

21

ходят на стационарный режим при резких изменениях расхода фаз, что, в свою очередь, значительно облегчает управление процессом.

Наиболее важные геометрические параметры АВР, влияющие на его эксплуатационные качества:

H – высота ступени контакта, м; а – ширина контактной камеры, м;

fc в – площадь свободного сечения контактной решетки, %.

Рис. 2.1. Схема аппарата АВР:

1 – контактная решетка; 2 – зигзагообразная перегородка

Определяющими гидродинамическими характеристиками аппаратов АВР являются следующие:

– гидравлическое сопротивление ступени контакта, Па;

– задержка жидкости в аппарате;

22

– дополнительные потери, вызванные жидкостным орошени-

ем, Па.

Величину рассчитывают по формуле

Потери давления за счет сил поверхностного натяжения жидкости из уравнения Лапласа:

,

где – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

— главные радиусы кривизны поверхности жидкости в момент ее разрушения газом, м.

В рабочих режимах работы аппаратов АВР пленка у отверстий контактных решеток принимает форму, близкую к цилиндрической, главные радиусы кривизны которой

Здесь – эквивалентный диаметр отверстий решетки. С учетом вышеизложенного можно записать

(2.3)

Потери напора, связанные с подачей орошения, рассчитывают по формуле

где L, G – расходы жидкости и газа соответственно, кг/с; К,п– экспериментальные коэффициенты.

23

С учетом формул (2.2)–(2.4) выражение для гидравлического сопротивления ступени контакта (2.1) может быть представлено в виде

Величина задержки жидкости в аппарате определяется уравнением

Предельный режим работы аппарата АВР характеризуется резким возрастанием его гидравлического сопротивления . Это объясняется значительным накоплением жидкости на ступенях контакта и переходом работы аппарата в барботажный режим. Унос жидкости со ступени на ступень может достигать 50 %. Данному режиму соответствует ско-

– коэффициент гидравлического сопротивления сту-

пени контакта, учитывающий потери напора на поворот, на преодоление сопротивления контактной решётки и трения газа о жидкость;

– коэффициент гидравлического сопротивления

контактной решетки при течении жидкости.

24

Описание и принцип действия лабораторной установки

Испытания массообменных аппаратов в лабораторных условиях дают возможность определить коэффициенты в эмпирических формулах расчета режимов его работы, изучить доведение аппарата в переходных режимах, оценить области устойчивой и эффективной работы, а также наметить пути его совершенствования.

внапорный бак; 8 – вентиль подачи орошения; 9 – датчик расхода орошения; 10, 11, 12 – дифманометры; 13 – датчик расхода газа; 14 – воздуходувка;

15 – вольтметр; 16 – автотрансформатор; 17 – тумблер; 18 – пробковый кран; 19 – уровнемерная линейка

25

Лабораторная установка для гидродинамических испытаний массообменного аппарата АВР (рис. 2.2) состоит из корпуса 1 прямоугольного сечения с размерами 114×46×1320 мм. Внутри корпуса устанавливается контактный элемент насадки АВР с промышленными геометрическими размерами, состоящий из зигзагообразных перегородок 2 и сетки 3.

В верхней части корпуса аппарата имеется каплеотбойник 5, штуцер с вентилем 8 для подачи орошения внутрь аппарата, а также штуцер для подключения ротаметра 4, с помощью которого определяется количество жидкости, вынесенной из аппарата потоком газа. В нижней части корпуса аппарата установлены уровнемерная линейка 19 для определения количества находящейся в аппарате жидкости, штуцер с краном 18, позволяющий перекрыть уходящий из аппарата поток жидкости, штуцер с трубопроводом для подсоединения к аппарату воздуходувки 14.

Количество воздуха, подаваемое в аппарат, регулируется изменением напряжения на коллекторе электродвигателя воздуходувки 14 с помощью автотрансформатора 16. Расход воздуха определяется с помощью диафрагмы 13 по перепаду уровней жидкости в дифманометре 11.

По показаниям вольтметра 15 контролируется напряжение, подаваемое на электродвигатель воздуходувки 14.

Для обеспечения постоянства жидкостного орошения над аппаратом установлен расходный бак 6 с постоянным уровнем жидкости, в который через вентиль 7 подается водопроводная вода. Расход подаваемого орошения определяется с помощью диафрагмы 9 по перепаду уровней жидкости в дифманометре 12.

Гидравлическое сопротивление аппарата определяется по перепаду уровней жидкости в дифманометре 10.

Порядок пуска установки и требования техники безопасности

К работе на установке можно приступать только с разрешения преподавателя, предварительно изучив схему установки и назначение органов регулирования и контроля режимов ее работы (см. выше, рис. 2.2).

26

Перед пуском установки необходимо выполнить следующие операции:

–произвести внешний осмотр установки. В случае обнаружения неисправности сообщить об этом преподавателю;

–ручку регулятора напряжения на автотрансформаторе 16 повернуть против часовой стрелки до упора;

–закрыть вентиль подачи орошения 8;

–открыть сливной кран 18;

–открыть вентиль 7 подачи воды в расходный бак 6.

Режим работы аппарата определяется расходом жидкости и газа в нем и устанавливается в определенной последовательности:

–подать напряжение на автотрансформатор 16, переведя тумблер 17 в положение «включено»;

–вращая ручку регулирования выходного напряжения на автотрансформаторе 16, установить необходимый расход газа в аппарате по показанию дифманометра 11;

–вращая ручку вентиля 8, установить необходимый расход жидкости в аппарате по показанию дифманометра 12;

–выполнив соответствующие измерения, необходимо закрыть вентиль 8, затем вентиль 7 и кран 18, отключить установку от сети, переведя тумблер 17 в положение «выключено».

Запрещается:

–подавать жидкость в аппарат при закрытом кране 18;

–устанавливать напряжение на выходе автотрансформатора 16 свыше 220 В;

–поднимать уровень жидкости в нижней части аппарата выше ограничительной черты уровнемерной линейки 19.

Порядок выполнения лабораторной работы

Ознакомиться со всеми разделами данного руководства. Подготовить таблицы для записи результатов.

27

1.Определение гидравлического сопротивления «сухого» аппарата

Подготовить установку к работе. Изменяя расход газа в диапазоне, заданном преподавателем, произвести 8 –10 измерений перепада давления в аппарате по дифманометру 10. Опыт повторить 2 раза, полученные данные занести в табл. 2.1.

2.Определение полного гидравлического сопротивления и объема жидкости в аппарате V3

Опыты проводятся при 4-х значениях плотности орошения, указанных преподавателем, в следующей последовательности:

– установить расход газа в аппарате W = 1 м/с;

– установить 1-й, заданный преподавателем, расход жидкости;

– плавно увеличивая расход газа, довести аппарат до режима захлебывания. Момент начала захлебывания определяется визуально по накоплению жидкости в зигзагообразном канале и образованию барботажного режима работы аппарата;

– произвести измерения перепада давления в аппарате по дифманометру 10, расхода газа, равного предельному Wпр, по дифманометру 11, расхода вынесенной из аппарата жидкости Ly по ротаметру 4;

– закрыть сливной кран 18 и, как только уровень жидкости в нижней части аппарата достигнет нулевой линии уровнемерной линейки 19, резким движением руки закрыть вентиль 8;

– убавив расход воздуха до 0, дождаться полного стекания жидкости из зигзагообразного канала в низ аппарата, произвести измерение объема жидкости в нижней части аппарата по уровнемерной шкале 19, которое соответствует количеству жидкости Vз;

– аналогичные измерения выполнить 5–6 раз при расходе газа в

диапазоне от 0 до Wпр;

28