Библиографический список

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии- М.: Химия, 1973.

2. Павлов П.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» - М.; Л.: Химия, 1981.

3. Справочник химика. Том 5. – М.; Л.: Химия, 1966.

4. Романков П.Г. Руководство к лабораторным работам по процессам и аппаратам химической технологии – Л.: Химия, 1969.

Р а б о т а № 3

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ НА ТАРЕЛКАХ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В химической и в родственных с ней отраслях промышленности для осуществления массообменных процессов в системах жидкость-жидкость, жидкость-газ (пар) наибольшее распространение получили колонные аппараты с тарельчатыми контактными устройствами (тарелками). Достоинствами тарельчатых колонн являются, в частности, меньший (по сравнению с насадочными) вес при одинаковой производительности, устойчивая работа при изменении нагрузок и др.

В массообменных колоннах применяются тарелки различных конструкций, существенно различающиеся по своим рабочим характеристикам и технико-экономическим данным. В настоящее время известны сотни различных конструкций тарелок, однако универсальной нет.

Сведения о них приведены в [1, с. 475-480; 2, с.69-79]. Ориентировочные сравнительные данные по наиболее распространенным тарелкам приведены в таблице балльных оценок, помещенной в конце работы № 3 (табл.3).

Основное требование к контактным устройствам заключается в том, чтобы привести в тесное взаимодействие рабочие среды и создать непрерывное и интенсивное обновление поверхности фазового контакта на них. Это осуществляется различными способами для тарелок разных типов.

Однако во всех случаях увеличение относительной скорости взаимодействующих фаз приводит к увеличению турбулентности двухфазного порока и, следовательно, к увеличению скорости обновления поверхности. Но, с другой стороны, возрастание брызгоуноса, неизбежно сопровождающее рост скорости газового (парового) потока, приводит к ухудшению эффективности работы тарелок.

Таким образом, эффективность массообмена в значительной мере определяется гидродинамическими условиями на тарелке. В зависимости от величины и соотношения нагрузок по газовой (паровой) и жидкой фазам наблюдаются различные гидродинамические режимы [1, с. 449-450, 2, с. 71-78]. Нормальный режим работы тарелок с организованным переливом соответствует таким нагрузкам, при которых газ (пар) равномерно проходит через все свободное сечение тарелки, а жидкость сливается с нее через переливное устройство.

Рабочие характеристики тарелок и их возможности при реализации того или иного массообменного процесса в значительной мере определяются сопротивлением тарелок потоку газа (пара), рассчитать которое предварительно не всегда возможно. В связи с этим часто возникает необходимость в экспериментальном исследовании гидродинамического сопротивления тарелок, его зависимости от геометрических характеристик их и нагрузок по фазам, чему и посвящается данная лабораторная работа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по гидродинамике тарельчатых контактных устройств колонных массообменных аппаратов.

2. Практически ознакомиться с некоторыми конструкциями тарелок и их работой. Приобрести навыки визуального определения различных гидродинамических режимов.

3. Экспериментально определить зависимость гидравлического сопротивления сухой тарелки от скорости газа (воздуха), коэффициент сопротивления ее.

4. Экспериментально определить зависимость гидравлического сопротивления тарельчатых контактных устройств от скорости газа (воздуха), расхода жидкости (воды) и высоты сливного порога.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.1)

Установка предназначена для исследования гидродинамических режимов работы контактных устройств колонных массообменных аппаратов в системе газ (воздух) – жидкость (вода), для визуального наблюдения за гидродинамикой газожидкостного слоя и определения характера гидродинамического режима.

Она оборудована измерительными приборами и устройствами, необходимыми для достижения сформулированных в п. 1 целей. Ниже дается подробное ее описание.

Установка состоит из колонны, выполненной из двух царг 1, 2. Нижняя царга 2 является продолжением бака-хранилища жидкости. В днище бака введены шесть распределительных труб 5, через которые воздух поступает в колонну. Сверху трубы покрыты колпачками. Бак имеет указатель уровня жидкости 8 и штуцер для залива и слива жидкости (воды). Верхняя царга 1 – подъемная. Для облегчения подъема она уравновешена двумя противовесами (на схеме не показаны). Уплотнение между неподвижной крышкой колонны 6 и верхней царгой 1 выполнено в виде гидравлического затвора 7. В царгах имеются окна для наблюдения за процессом на тарелке и сливом воды, кроме того через окно в верхней царге устанавливаются сливные перегородки (пороги) 4. Исследуемые тарелки 3 зажимаются между фланцами верхней и нижней царг колонны. Воздух в колонну подается центробежным вентилятором 10 (марка Ц 4-70 № 3), присоединенным всасывающим патрубком через трубопровод к патрубку на крышке 6. Регулирование расхода воздуха производится заслонкой 16. Для измерения расхода воздуха на трубопроводе установлена мерная диаграмма 11, подключенная к дифманометру 12. Потери напора воздуха, проходящего через тарелку (гидродинамическое сопротивление), замеряются дифманометром 13. Вода из бака-хранилища 2 на тарелки подается насосом 9 через ротаметры 14. Расход воды в соответствии с показаниями ротаметра определяется по тарировочному графику, помещенному на приборном щите. Изменение и регулировка его осуществляются с помощью вентилей 17.

Для подъема верхней царги аппарата предусмотрен гибкий участок трубопровода 15. 18-21 – запорная арматура.

Для исследований в ходе лабораторной работы предлагаются следующие пять контактных устройств – тарелок.

Ситчатая тарелка [1, с. 451; 2, с. 72] представляет собой перфорированную пластину. Диаметр отверстий – 2,5 мм, шаг отверстий – 11 мм. Свободное (живое) сечение тарелки – отношение площади отверстий к площади тарелки – 3,9%.

Клапанная тарелка с круглыми (дисковыми) клапанами (типа «флекситрей») [1, с. 453; 2, с. 73] представляет собой тарелку с переменным проходным сечением для газа (пара), обеспечиваемым различной высотой поднятия круглых клапанов (крышек, закрывающих под действием силы тяжести отверстия в перфорированной пластине) с верхними ограничителями при изменении нагрузки по газовой (паровой) фазе. Диаметр отверстий – 8 мм, шаг отверстий – 40х50 мм, диаметр клапана – 31 мм, максимальный подъем клапана – 3 мм, свободное сечение тарелки – 2%.

Клапанная тарелка с пластинчатыми клапанами [1, с. 453; 2, с. 74]. Так же, как и предыдущая, это тарелка с переменным проходным сечением по газу (пару). Пластина тарелки имеет прорези прямоугольной формы, которые перекрываются L –образными пластинчатыми клапанами.

В нерабочих условиях клапан под действием собственного веса закрывает прорезь, в рабочих условиях поток газа (пара) поднимает более легкую часть клапана (широкую его полку), проходя в образовавшуюся щель под углом к плоскости тарелки в сторону движения жидкости по ней. При дальнейшем возрастании нагрузки по газовой (паровой) фазе клапан поднимается полностью, удерживаемый в этом положении верхними ограничителями.

Ширина прорезей – 12 мм, длина прорезей – 120 мм, расстояние между ними – 24 мм, свободное сечение тарелки – 16%.

Тарелка из S –образных элементов («Юнифлюкс») [4, с. 509].

Штампованные S –образные элементы, из которых собирается тарелка, образуют колпаки с односторонним выходом, открытые таким образом, что газ (пар) выходит в том же направлении, что и текущая на тарелке жидкость. Это содействует движению последней в сторону перетока, уменьшает разность уровней жидкости на тарелке и снижает сопротивление движению газа (пара). Свободное сечение тарелки – 55%.

Тарелка многократного массообмена или рециркулярная (рис.2).

Эта тарелка используется в процессах абсорбции и ректификации при повышенных давлениях порядка 6 Мпа, т.е. в условиях высокой плотности паров. Принцип работы тарелки в следующем. Газ (пар), поднимаясь по колонне, проходит через круглые отверстия нижней ступени и контактирует с жидкостью, находящейся на тарелке, образуя барботажно-пенный слой. Этот слой течет над открытыми ящиками, попадает в них и успокаивается, благодаря чему образуется перепад давлений, из-за чего жидкость вытекает из ящика через отверстия в нем и снова попадает на то место тарелки, которое она уже прошла.

Свободное сечение тарелки –4,3%.

Рис. 2. Схема тарелки многократного массообмена

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

После внимательного ознакомления с лабораторной установкой (см. рис.1) и получения допуска к работе приступить к ее выполнению.

При отсутствии или малом количестве воды в баке-хранилище (устанавливается по водомерному стеклу 8) заполнить его водой до контрольной отметки на водомерном стекле (допустимо незначительное отклонение). Заполнение бака водой, в силу особенностей данной лабораторной установки, производится через гидрозатвор 7, для чего следует открыть вентиль 19. Заполнив гидрозатвор, тем самым обеспечив требуемую герметичность установки, вода будет поступать в бак-хранилище, что фиксируется визуально через смотровые окна. После заполнения бака-хранилища вентиль 19 закрыть.

Установка (смена) переливного порога 4 производится через прямоугольный люк на верхней царге 1 в следующей последовательности. Отвернуть гайки на болтах, удерживающих крышку, снять ее, вынуть металлическую пластинку – переливной порог 4 из пазов, в которые он вставлен, и установить на его место другой. После этого плотно закрыть крышку люка.

Для смены контактного устройства необходимо:

• освободить от болтов фланцы, соединяющие царги колонны 1 и 2;

• поднять верхнюю царгу до упора в штыри;

• тщательно установить исследуемую тарелку 3 в углубление фланца нижней царги колонны;

• опустить верхнюю царгу колонны и затянуть фланцы болтами.

Установив в колонну, по согласованию с преподавателем, нужную тарелку, приступить к гидродинамическим исследованиям. Сопротивление при прохождении газа (пара) через тарелку складывается из сопротивления сухой тарелки Δp_с.т. , сопротивления слоя газожидкостной эмульсии Δp_сл. на ней и сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости Δp_σ. Величиной последнего для данных контактных устройств в условиях опыта можно пренебречь.

1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки.

Установив заслонку 16 (рис.1) на линии выхода воздуха из колонны в положение «закрыто», включить вентилятор 10, после чего установить некоторый расход воздуха, фиксируя рукоятку заслонки 16 в одном из рабочих положений. Для определения величины расхода воздуха снять показания дифманометра 12, соединенного с диафрагмой 11. Сопротивление сухой тарелки определить по показаниям дифманометра 13.

Повторить этот эксперимент еще пять-шесть раз, устанавливая в каждом случае новый расход воздуха (фиксируя рукоятку заслонки 16 в новом положении). Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Номер опыта, i	Сопротивление сухой тарелки		Сопротивление диафрагмы Δpдиаф. мм вод.ст	Скорость воздуха		Температура воздуха t, oС
	ΔHс.т., мм вод.ст	Δpс.т., Па		w, м/с	w0, м/с

2. Гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки Δp_ор..

В соответствии с целью лабораторной работы решается задача экспериментального исследования гидравлического сопротивления орошаемой тарелки выбранной конструкции от скорости газа (воздуха) w, объемного расхода жидкости (воды) L и от высоты газожидкостного слоя на тарелке (от высоты сливного порога – h). Для этого, как и в предыдущем эксперименте, включив вентилятор, установить некоторый произвольный расход воздуха. Предварительно зафиксировать величину высоты сливного порога, установленного на тарелке к началу работы.

При закрытых вентилях 17 (рис.1) на линии подачи воды включить насос 9. Плавно открывая один из вентилей 17, подать воду на тарелку с некоторым расходом, ориентируясь по числу делений ротаметра. Для обеспечения больших расходов воды открыть второй вентиль 17, пустив воду двумя параллельными потоками. Общий расход определить как сумму расходов по показаниям обоих ротаметров.

Изменением расхода воздуха установить на основе визуальных наблюдений через смотровые окна приемлемый гидродинамический режим работы тарелки, избегая проваливания жидкости и существенного брызгоуноса. При этих условиях определить и занести в табл.2 показания дифманометров 12 (сопротивление диафрагмы – ΔH_диаф.) и 13 (сопротивление орошаемой тарелки – ΔH_ор.), показания ротаметра – N, высоту сливной перегородки – h, определяющую высоту газожидкостного слоя на тарелке.

При той же сливной перегородке повторить опыт еще не менее двух раз. После чего выключить насос 9 и вентилятор 10, закрыть заслонку 10 и вентили 17.

Такие же эксперименты провести с тремя другими сливными перегородками. Высоты сливных перегородок, предлагаемых для исследования: 50 мм, 77 мм, 107 мм, 125 мм.

По окончании работы выключить насос 9, вентилятор 10, закрыть вентили 17 и заслонку 10. Привести в порядок рабочее место. Сдать установку учебному мастеру (лаборанту).

Таблица 2

Номер опыта,i	Сопротивление орошаемой тарелки		Показания ротаметра N, дел.	Массовый расход L, м/с	Скорость воздуха		Высотасливной перегородки h·103, м
	ΔHор., мм вод.ст	Δpор., Па			ΔHдиаф., мм вод ст	w, м/с

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Определить скорость воздуха w_i (м/с) в полном сечении аппарата по формуле

W_i = 0,0857 √ ∆H_диаф.i ,

где ∆H_{диаф. I} – сопротивление диафрагмы, мм вод.ст. (табл. 1);

i – номер опыта (табл. 1).

2. Определить скорость воздуха w_0i (м/с) в свободном сечении тарелки:

W_0i = W_i / f.

Здесь f – свободное (живое) сечение тарелки (в долях единицы – см. п. 2).

3. Определить коэффициент сопротивления ζ_i сухой тарелки из формулы

ΔP_с.т.i = ζ_i ρ W_0i² / 2

Как _i = 2 ΔP_с.т.i / ρ W_0i² .

Здесь ΔP_с.т.i – сопротивление сухой тарелки, определенное в I –том опыте, Па,

ΔP_с.т.i = ρ g ΔH_с.т.i ;

ρ – плотность воздуха, кг/м³ (определить при температуре воздуха в лаборатории); g – ускорение силы тяжести, м/с²; ΔH_с.т.i – сопротивление сухой тарелки, определенное экспериментально, мм вод.ст. (см. табл.1).

4. Определить среднее значение коэффициента сопротивления сухой тарелки

ζ = 1/n Σ ζ_i , i = (1, 2, …, n).

5. Из условия аддитивности полного гидравлического сопротивления орошаемой тарелки

Δp_ор. = Δp_с.т. + Δp_сл. + Δp_ơ

и пренебрегая величиной Δp_ơ сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения, определить гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке:

Δp_сл.i = Δp_ор.i – Δp_с.т.i .

6. Определить расход воды L_i (м³/с) в каждом опыте по формуле

L_i = (330,6 + 5,333·N_i)· 10 ^–6

или по тарировочному графику, помещенному на приборном щите установки.

Здесь N_i – число делений ротаметра (табл.2).

7.Определить скорость воздуха W_0i в опытах с орошаемой тарелкой, как в п.п.1,2.

8. Результаты расчетов по п.п. 5-7 занести в табл. 2.

9. Аппроксимировать данные табл. 2 зависимости Δp_сл. = f (W, L, h) степенным уравнением вида

Δp_сл. = А W₀ ^a L ^в h ^c .

Метод определения постоянных А, а, в, с выбрать самостоятельно.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата А4 (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

• описание цели работы,

• схема лабораторной установки,

• описание работы установки,

• методика проведения работы,

• полученные экспериментальные данные,

• результаты обработки опытных данных,

• выводы.

Обозначения типов тарелок, принятые в табл. 3:

1 – колпачковая с круглыми колпачками,

2 – колпачковая с прямоугольными колпачками,

3 – из S –образных элементов («Юнифлюкс»),

4 – ситчатая с переливом,

5 – ситчатая с направляющими отбойниками,

6 – клапанная с круглыми клапанами,

7 – клапанная с прямоугольными клапанами,

8 – балластная,

9 – колпачково-ситчатая,

10 – решетчатая провальная,

11 – дырчатая провальная,

12 – трубчатая провальная,

13 – волнистая провальная,

14 – провальная с разной перфорацией,

15 – Киттеля,

16 – чешуйчатая,

17 – пластинчатая,

18 – гипронефтемаша,

19 – каскадная,

20 – Вентури.

Соответствие каждой тарелки тому или иному показателю оценено по шкале:

0 – не пригодна;

1 – сомнительно пригодна (целесообразно рассмотреть возможность замены другим типом);

2 – пригодна;

3 – вполне пригодна;

4 – хорошо пригодна;

5 – отлично пригодна.

При выборе тарелки должны учитываться лишь важнейшие для данного конкретного случая показатели. Тарелки, для которых одному из предъявляемых требований соответствует балл 0, отвергаются. Для остальных тарелок баллы суммируются по всем выдвинутым показателям. Самой пригодной можно считать тарелку, для которой сумма баллов наибольшая. Для окончательного выбора надо рассмотреть оценки по отдельным показателям, обращая внимание на баллы 1 и 5. Решение о выборе обычно является компромиссным между желательными и

нежелательными характеристиками. При этом учитывают и такие факторы, как опыт промышленной эксплуатации, возможность быстрого изготовления и т.д. Окончательный выбор конструкции тарелки делается по результатам технико-экономического сравнения.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

• убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки,

• проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед приборным щитом,

• проверить наличие и уровень воды в баке-хранилище 16 по водомерному стеклу 8.

2. Во время работы:

• строго руководствоваться данными методическими указаниями,

• при завинчивании и отвинчивании гаек пользоваться только исправными гаечными ключами (без забоев, трещин и т.п.), соответствующими размерам гаек,

• работы с гаечным ключом проводить в рукавицах, аккуратно, не допуская срыва ключа с гайки,

• после подъема подвижной царги 1 для смены тарелки установить в разъеме между фланцами деревянный брусок соответствующего размера для предотвращения аварийного опускания царги,

• следить за уровнем воды в баке-хранилище, не допуская его переполнения (выше контрольной отметки на водомерном стекле),

• включать насос подачи воды 9 только при закрытых вентилях 17 на ротаметрах,

• не оставлять лабораторную установку без присмотра,

• о всех замеченных неполадках докладывать преподавателю или учебному мастеру,

• поддерживать чистоту на рабочем месте.

3. По окончании работы:

• выключить вентилятор и насос,

• привести в порядок рабочее место и сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Какие контактные устройства – тарелки имеются на установке?

Их устройство и принцип действия.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении лабораторной работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕРЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какие гидродинамические режимы возможны в барботажных (тарельчатых) колонных аппаратах с организованным переливом и без организованного перелива? Охарактеризовать каждый.

2. Чем определяется оптимальный гидродинамический режим работы тарелки?

3. Из чего складывается гидравлическое сопротивление тарелки?

4. Из каких соображений устанавливаются пределы скоростей газа (пара) в колонном аппарате с тарельчатыми контактными устройствами с организованным и без организованного перелива?

5. Что называется свободным (живым) сечением тарелки?

6. Основные типы тарельчатых контактных устройств, применяемых в химической промышленности (иметь представление о конструкции, принципе работы, достоинствах и недостатках, уметь изобразить графически принципиальную схему).

7. Как выбрать тип и конструкцию тарелки для конкретного случая, пользуясь балльной шкалой оценок?