Лаб. 7 - Кафедра &quot

1
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ КОЛОННЫ
С СИТЧАТЫМИ ТАРЕЛКАМИ
Цель работы: ознакомление с устройством колонных аппаратов и
гидродинамическими режимами их работы, экспериментальное определение
зависимости гидравлического сопротивления тарелки от скорости газа для
различных режимов работы и установление их границ.
I.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
При работе колонных аппаратов со ступенчатым контактом фаз
взаимодействие газа и жидкости происходит на устройствах, называемых
тарелками. Они представляют собой тонкие перфорированные перегородки,
служащие для развития поверхности контакта фаз при направленном их
движении; газ обычно движется снизу вверх, жидкость – сверху вниз.
Используемые тарелки могут иметь специальные переливные устройства
для перетока жидкости с одной тарелки на другую, газ при этом по
переливам не проходит. Уровень жидкости на тарелке устанавливается
несколько выше верхнего обреза сливного порога. Нижняя часть переливного
устройства опущена под уровень жидкости, что создает гидравлический
затвор, не допускающий прохода газа через перелив.
В тарелках провального (беспереливного) типа переливные устройства
отсутствуют, в них газ и жидкость проходит через одни и те же отверстия.
Наиболее распространенными видами тарелок являются ситчатые,
колпачковые, клапанные и т. д.
Для большинства тарелок в зависимости от скорости движения газа
существуют различные режимы их работы. При слишком малой скорости
газа его давление не может удержать слой жидкости, соответствующей
высоте перелива, и жидкость может просачиваться (или «проваливаться»)
через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что приводит к
существенному снижению движущей силы процесса массопередачи. В этом
случае газ в виде отдельных пузырьков движется через слой жидкости,
поэтому такой режим работы тарелки называют пузырьковым.
При дальнейшем увеличении скорости газа наступает пенный режим
работы. При этом на тарелке светлая жидкость практически полностью
исчезает и образуется газожидкостная система – пена, которая является
нестабильной и разрушается мгновенно после прекращения подачи газа.
Тарелка в таком режиме работает без «провала».
Если же скорость газа будет слишком велика, то может иметь место
«захлёбывание» колонны, то есть унос жидкости газом вверх по колонне,
что, также, неблагоприятно сказывается на работе колонны. Такой режим
называется инжекционным.
Наиболее эффективным является пенный режим работы тарелок, так как
в этом случае поверхность контакта фаз наибольшая. Прекращение провала
2
жидкости и начало захлёбывания колонны происходит при вполне
определённых скоростях газа, которые могут быть определены из различных
эмпирических зависимостей. Эти скорости представляют собой границы
эффективного режима работы тарелок.
Одна из эмпирических зависимостей оценочного расчета скорости пара,
ниже которой имеет место провал жидкости, приведена в работе[1].
w y ,n 
K 3  0,9 (25,4  d 0 )
y
(1)
где d0 – диаметр отверстий, мм.
wy ,n - скорость пара, отнесенная к свободному сечению тарелки, м/с.
Коэффициент K3 определяется из зависимости [1]:
K3 
hп  hп 0
0,08467  0,03146 ( hп  hп 0 )
(2)
где h п и h п0 – соответственно, высота перелива и высота жидкости
над переливом, мм. Величина последней рассчитывается из уравнения:
h по
V
 750  x
 Lсл



2/3
(мм),
(3)
где Lсл – длина перелива, (м),
Vх – объёмный расход жидкости, (м3/с).
Следует также отметить, что переход от одного режима работы тарелок
к другому сопровождается изменением характера зависимости
гидравлического сопротивления тарелки от скорости движения газа. Так при
пузырьковом и инжекционном режиме работы эта зависимость гораздо более
резкая, чем в пенном.
Для аппаратов со свободной поверхностью жидкости, то есть, главным
образом, для барботажных систем, гидравлическое сопротивление
рассчитывается как сумма сопротивлений контактного устройства ( Pсух ),
газожидкостного слоя на контактном устройстве ( Pг  ж ) и сопротивления,
обусловленного силами поверхностного натяжения ( P )[2]:
(4)
P  Pсух  Pг  ж  P
О сопротивлении неорошаемых ситчатых тарелок было подробно
рассказано в работе № «Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой
тарелки колонного аппарата». Сопротивление, обусловленное силами
поверхностного натяжения, также называют «остаточным» сопротивлением.
Оно связано с разностью давлений в выходящей из отверстия тарелки струе
газа и окружающей его жидкости из-за кривизны межфазной поверхности.
Такое сопротивление находят по формуле[3]:
P 
 
S

4
d0
(5)
3
где  – поверхностное натяжение жидкости (Н/м);
 – периметр сечения отверстия;
S – площадь сечения отверстия.
Сопротивление газо-жидкостного слоя представляет собой потери
давления при преодолении потоком газа слоя жидкости на тарелке. Оно
принимается равным статическому давлению газожидкостного слоя[3]:
Pг ж  g x h0  g П hП
(6)
где h0 и hП – высота светлой жидкости и пены (барботажного слоя)
соответственно,
 x и  П – плотность жидкости и пены соответственно.
Это уравнение является приблизительным. Опыты показывают, что
величины Pг  ж , измеряемые манометрическим методом (как статическое
давление жидкости на поверхности тарелки), ниже, чем полученные по
данной формуле. Поэтому для соответствия теоретических данных
экспериментальным вводят поправочный коэффициент 0,85 [3,4]:
Pг ж  0.85 g x h0 .
(7)
Таким образом, задача определения гидравлического сопротивление
газо-жидкостного слоя сводится к нахождению высоты слоя жидкости на
тарелке. Экспериментальное ее измерение затрудняется постоянным
колебанием высоты этого слоя, поэтому ряд зависимостей, предложенных
различными исследователями, дают значительные расхождения в значениях
между ними. Это также определяется сложным характером изменения h0 на
ситчатых тарелках: с постепенным увеличением скорости газа ее значения
сначала растут, достигают максимума в режиме ячеистой пены, затем
уменьшаются, а затем снова растут. Для практических расчетов можно
пользоваться уравнением [5]:
h0  0.14q
0.21
0.56
пер
h

1  0.31exp( 0.11 x )   x
 W



0.09
 wy
( 0.05 4.6 hп ер )
(8)
где hпер – высота перелива /м/,
q – плотность орошения тарелки в расчете на 1 м длины сливной планки
м2/ч, q  Vx L сл ,
Lсл – длина сливной планки /м/,
Vx – объёмный расход жидкости /м3/ч/,
Vy – объёмный расход газа /м3/с/,
wy 
Vy
S сеп
– фиктивная скорость газа, рассчитанная по площади
сепарационного пространства /м/с/.
 x и  W – поверхностное натяжение жидкости и воды,
 x – вязкость жидкости / мПа с/.
4
II. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.
Лабораторная установка, применяемая в данной работе, является одним
из контуров многофункционального гидродинамического комплекса с
автоматизированным сбором и обработкой информации. Схема контура для
измерения гидравлического сопротивления тарелки представлена на рисунке
1.
Основные элементы контура:
1.
Главным элементом контура является колонный аппарат с тремя
ситчатыми тарелками (рисунок 2), выполненный из органического стекла. Он
включает в себя четыре прямоугольные царги, между которыми
расположены тарелки, и сепаратор, служащий для отбоя брызг, уносящихся в
верх колонны. Каждая тарелка имеет 73 отверстия диаметром 5мм.
1.
Компрессор ВФ (шестеренчатый компрессор 12ВФ-1,7/1,5 см с
потребляемой мощностью N=3,0 кВт, частотой вращения ω=2870 об/мин,
подачей V=1,7 м3/мин и напором Н=0,5 кг/см2). С помощью компрессора
воздух нагнетается вниз колонны. Расход воздуха регулируется затвором 164
на газовой линии.
2.
Емкость рабочей жидкости (воды) Е3. Жидкость из емкости
самотеком подается в колонну сверху. Расход жидкости измеряется
ротаметром Р1 и регулируется затвором З2на жидкостной линии. Емкость
снабжена автоматическим сигнализатором уровня САУ-М7Е-Щ2.
Управление затворами осуществляется с электрического пульта.
На пульте управления расположены следующие индикаторы:
164 – индикатор степени открытия затвора на газовой линии;
157-1 индикатор перепада давления на тарелке (кПа);
156 – индикатор датчика давления внизу колонны (кПа)
163-2 индикатор затвора З2 на жидкостной линии.
Данные о перепаде давления, о расходе газа отображаются также и в
программной среде LabVIEW на соответствующих индикаторах и на графике
(см. описание работы «Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой
тарелки колонного аппарата).
В качестве контактирующих фаз в данной работе используются воздух
и вода. Сверху в колонну на верхнюю тарелку из емкости Е3 самотёком
подаётся вода. Поэтому предварительно емкость необходимо заполнить.
Расход жидкости из емкости Е3 регулируется затвором 32 (затвор дисковый
ИВГК с электроприводом МОФ). Степень открытия этого затвора
отображается измерителем (163-2 на схеме) с диапазоном отображения
данных 0.. .90 единиц, причем при значении 0 затвор полностью открыт на
колонну, а при 90 - полностью закрыт. На линии подачи воды установлен
расходомер Р1. В приложении 2 приведена калибровочная кривая ротаметра
Р1, отображающая связь расхода жидкости с числом делений по шкале
ротаметра.
5
Снизу в колонну подаётся воздух, нагнетаемый компрессором (ВФ) и
очищенный в патронном фильтре (ФП). Величина его подачи регулируется
степенью открытия затвора, которая отображается измерительным прибором
(164 на схеме) с диапазоном отображения данных 0...90 единиц, причем при
значении 0 затвор полностью открыт на колонну, а при 90 -полностью
закрыт. Регулирование расходов обеих фаз осуществляется с пульта
управления.
Расчет расхода газа в зависимости от степени открытия φ затвора 164
осуществляется в программе компьютера по следующей аппроксимации [6]:
Vк  0.012  ln(  )  0.053
где
(9)
Vк - расход газа, м /с, φ – степень открытия затвора 164, ед.
3
Ниже и выше второй тарелки вмонтированы датчики измерения
давления (157-1), соединенные с электрическим преобразователем,
посылающим сигнал о разности давлений до и после тарелки на
электрический пульт. Внизу колонны вмонтирован датчик (156),
измеряющий напор внизу колонны. Датчики давления откалиброваны в кПа.
Таким образом, варьируя значение расхода газа, можно наблюдать за
изменением сопротивления тарелки.
Рис 1. Схема лабораторной установки для определения сопротивления
колонного аппарата.
6
колонна
воздух
Т13
Т14
ЕЗ
Т7
Т9
КДЗ
К16
К22
Т6
К10
К7
К13
К8
К19
Т3
ВД
К6
ТЭТ
К11
К14
КД2
З1
К9
Т12
К12
Т11
Т4
Т10
М1
Е1
Н2
МВ1
Т2
Р1
D2
Н1
160-2
157-1
156
Р2
СТ
К1
К3
К2
Т1
Т8
К18
Т5
D1
РМ
й
ц
К17
К15
К4
ТЭТ
161
164
160-4
163-2
157-2
К5
К23
164
воздух
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ
МВ2
ВФ
канализация
7
III ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
На установке
Пульт управления
1.Ознакомиться со
схемой, найти затвор
(164), датчик измерения
давления на тарелке 157-1
, регулятор расхода
жидкости 163-2 и
ротаметр.
2.Открыть клапан К-16,
закрыть К-22
3. Закрыть клапаны К27,К9,К10,К11,К12,К14,К15
6. Открыть клапаны К1,
К8, К13, К18 и закрыть
клапан К17;
-
4. Включить пульт
управления
(ПУ)
гидродинамического
комплекса (рубильник
«сеть» в верхней
части ПУ комплекса).
Проверить
наличие
соединения
ПУ
с
компьютером.
5. Проверить наличие
воды в емкости Е3 по
показаниям датчика
З12 на щите. Если
горят не все три
индикатора, включить
на некоторое время
насос и набрать
емкость полностью.
Для этого:
7.- Включить насос
кнопкой «пуск» на
индикаторе 10-А.
Ручкой Р10А
увеличить частоту
вращения насоса до
величины 15-20 на
Компьютер
8
индикаторе;
- заполнять емкость
Е3, пока на датчике
уровня З-12 не
загорятся три
вертикальные
лампочки уровня
жидкости. При этом
загорается также
кнопка «авария»;
- выключить насос
ручкой Р10А;
8. Закрыть клапан К-18.
9.Открыть клапаны К14,
К15, закрыть К13.
10.Установить расход
жидкости регулятором
расхода
163-2
(Уровень жидкости на
тарелке
желательно
установить несколько
выше верхнего обреза
сливного
порога).
Расход
жидкости
следует устанавливать
в пределах 38-120л
\час
11. Включить
компрессор кнопкой
«пуск».
12. Установить
минимальный расход
газа
в колонну кнопкой
«ОТКР» затвора
регулятора воздуха.
(Минимальный расход
соответствует
показанию φ=
85-90 индикатора 164
степени открытия
затвора).
9
13.
Включить
компьютер, перейти в
программу,
демонстрирующую
текущие
значения
параметров.
Для этого:
- на «Рабочем столе»
компьютера
открыть
файл «Stend» (правая
кнопка «мышки»);
- в появившемся окне
открыть
файл
«Biodrome»
(правая
кнопка
«мышки»,
строка «Открыть»);
- в новом окне в
верхнем меню нажмите
на «Run»
- затем нажмите на
кнопку «Эксперимент».
14. В открывшемся
файле
содержится
виртуальный
экран
(слева внизу) и схема
установки, на которой
рядом с аппаратами
находятся окна текущих
значений
параметров
работы (см. рис. 2). Эти
значения соответствуют
показаниям приборов
на пульте управления
(ПУ) и значениям на
виртуальном экране.
На схеме в компьютере
найти индикатор
расхода воздуха.
Определить расход
воздуха Vк (в м3/мин)
на индикаторе
компьютера,
соответствующий
установленной в п.12
10
степени открытия
затвора φ.
Показание Vк занести в
таблицу.
15. Перейти в левый
нижний угол окна.
Нажать
на
кнопку
«выбрать/отменить
все»,
чтобы
снять
выделение
со
всех
каналов таблицы.
16. В соответствии с
заданием с помощью
кнопки
«выбрать/отменить»
выделить канал 3
(157-1 перепад
давления на тарелке
(кПа);
17. На виртуальном
экране появятся линии,
показывающие
изменение выбранного
параметра во времени.
18. На индикаторе
датчика измерения
давления 157-1 снять
показание перепада
давления на тарелке
ΔPэксп, соответствующее
установленному
расходу воздуха.
Записать показание
ΔPэксп в таблицу.
19. При заданном
расходе жидкости в
колонну, изменяя
значение расхода газа
11
степенью открытия
затвора 164 от 650 до
200, фиксировать
значения перепада
давления на тарелке
ΔPэксп по датчику 157-1
(особо отметить
значения расходов
газа, при которых
визуально
прекращается провал
жидкости и при
которых разрушается
пенный слой на
тарелке). Расход газа
(Vк ). фиксировать в
программе
компьютера. Снять 8-9
показаний
зависимости перепада
давления на тарелке
ΔPэксп от расхода
воздуха Vк
(Максимальный
расход воздуха
соответствует
показанию 30
индикатора 164
степени открытия
затвора).
Полученные данные
занести в таблицу.
20. Уменьшить расход
воздуха до
минимального
значения, закрыв
затвор. Закрыть клапан
К16
21. На виртуальном
экране
получается
развертка следующих
параметров во времени:
12
Перепад давления на
тарелке от расхода
воздуха.
22. После проведения
эксперимента
выключить
компрессор кнопкой
«Стоп».
23. После окончания
измерений
нажать
кнопку
«Stop».
В
появившемся
окне
нажать
на
кнопку
«Установки
оборудования»,
затем
кнопку “сеть – «off»”.
24.
Результаты
эксперимента
сохраняются в файле
«D:\ Resalt.dat». Через
30 сек для отключения
записи нажать кнопку
“сеть - «on»”, затем
кнопку «Выход».
25. Открыть файл: Мой
компьютердиск
DResalt.dat.
Сохранить
его
на
съемном
носителе:
ФайлСохранить
как
 Новое имя.
xls
Открыть
файл
на
съемном носителе и
проверить
точность
записи данных.
26. Выйти из всех
программ, закрыть все
окна.
13
27.
По
окончании
работы
выключить
компьютер через
28
Выключить кнопку «Пуск».
рубильник на пульте
управления
и
на
электрощите.
IV. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА.
1. Рассчитать для каждого значения скорости газа значения всех
составляющих гидравлического сопротивления тарелки.
2. Заполнить таблицу (все необходимые данные о конструкции
колонного аппарата и его тарелок приведены в описании работы
«Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки колонного
аппарата»).
Vx = ____л/час
№ φ
п\п
ед
w0 к 
Vк
м3/мин
w0 к
Pсух ,
ΔPэксп кПа
P ,
Pг  ж , ΔPрасч
кПа
кПа
Vк
- скорость движения газа в отверстиях тарелки, рассчитанная по
S0
показанию расхода воздуха Vк в программе компьютера. Для расчета
величины Vк можно воспользоваться также уравнением (9).
S0 – свободное сечение тарелки
ΔPэксп и ΔPрасч – соответственно экспериментальное и расчетное
значение сопротивления тарелки;
3. Построить графические зависимости lg ΔPрасч = f(lg w0 р ); lg ΔPэксп =
f(lg w0 р ) и lg ΔPэксп = f(lg w0 к ) для экспериментальных и расчетных
данных. По перегибам кривой определить значения скоростей газа,
соответствующих прекращению провала жидкости и резкому
увеличению уноса жидкости и сопоставить их со значениями,
определенными визуально.
14
4. Рассчитать скорость прекращения провала жидкости по уравнению 1,
сравнить с найденной экспериментально.
Проанализировать характер полученных зависимостей и сделать
соответствующие выводы.
V,л/ч
300
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
n
120
y = 2.2008x + 38
Рис 2 . Калибровочная кривая ротаметра Р1.Зависимость расхода жидкости
от числа делений шкалы ротаметра.
Список литературы
1. Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnot R. K. Chemical Engineering, 1983, v. 6,
№ 1, p. 541.
2. Александров И. А. Массопередача при ректификации и абсорбции
многокомпонентных смесей. Л., «Химия», 1975. 320 с.
3. Рамм В. М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Химия»,
1976. 656 с.
4. Александров И. А. Расчет и конструирование ситчатых тарелок. –
«Спиртовая промышленность», 1963, № 2, с. 17-23.
5. Хамад М. А., Павлов В. П. Труды МИХМ, 1969, т.1, вып. 1, с. 161-163.
6. Лисин С.Ю. Расчет и оценка гидравлического сопротивления тарельчатой
колонны с помощью программной среды LabVIEW . Дипломная работа.
Научный руков. Дмитриев Е.А., РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.,2006