автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование гидродинамики и массопередачи на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке новой конструкции

На правах рукописи

005549937

/1 : /

I /

м- /}

ЛАРЬКИН АРТЕМ ВАДИМОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ II МАССОПЕРЕДАЧИ НА ПРЯМОТОЧНОЙ КЛАПАННО-СИТЧАТОЙ ТАРЕЛКЕ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 !;:0Н 2014

Москва - 2014 г.

005549937

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Научный руководитель: Щелкунов Владимир Алексеевич,

кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры оборудования нефтегазопереработки РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

Официальные оппоненты: Ефремов Герман Иванович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Проектирование технологических машин и комплексов в химической промышленности» Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ) Листов Евгений Леонидович кандидат технических наук, начальник Лаборатории биотехнологических исследований Центра экологической безопасности, энергоэффективности и охраны труда ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Ведущая организация: ОАО «ВНИИНЕФТЕМАШ»

Защита состоится «24» июня 2014 г. в 15.00 ч. на заседании диссертационного совета Д212.200.07 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65, корп. 1, ауд. 612.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65, корп. 1, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, Ученый совет.

Автореферат разослан » мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Э.С. Гинзбург

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие массообменных аппаратов по пути увеличения мощностей, напрямую связано с разработкой массообменных контактных устройств высокой производительности. Не последнюю роль в этом сыграли клапанные тарелки с перекрестно-прямоточным движением фаз. Данные тарелки обладают повышенной пропускной способностью по жидкости и газу, достаточно высокой эффективностью массопередачи, обеспечивают широкий диапазон устойчивой и эффективной работы. Однако на перекрестно-прямоточных клапанных тарелках при высоких скоростях газа наступает интенсивный прямоток, вследствие чего уменьшается время пребывания жидкости на тарелке и тем самым снижается эффективность массопередачи. Основным путем решения данной проблемы является увеличение компенсации прямоточного движения взаимодействующих фаз. В связи с этим представляют интерес комбинированные конструкции прямоточных клапанно-ситчатых (ПКС) тарелок, выгодно сочетающие повышенную производительность прямоточных клапанных и высокую эффективность ситчатых тарелок. Просечки, выполненные в клапане и (или) в полотне тарелки, будут способствовать не только компенсации прямоточного движения и увеличению запаса жидкости на тарелке, но также увеличению диапазона устойчивой работы, зоны саморегулирования клапанов, удельной поверхности контакта фаз. Использование таких конструкций в промышленности ограничивается в основном трудностью получения точных характеристик по гидродинамике и массопередаче для широкого класса процессов, требующих проведения дорогих технически сложных экспериментов. Решением данной проблемы является исследование гидродинамических и массообменных характеристик новых конструкций тарелок в лабораторных условиях на экспериментальных стендах с последующим сопоставлением с характеристиками промышленных тарелок, полученными на тех же стендах.

Лель-работы: разработка методики расчета гидравлического

сопротивления, минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, эффективности массопередачи по жидкости для прямоточных клапанно-ситчатых тарелок.

Задачи исследования:

1. анализ тенденций в разработке клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз, обзор специальной литературы, посвященной проблемам исследования гидравлического сопротивления сухих и орошаемых тарелок, провала жидкости, межтарельчатого уноса и массопередачи на тарелках;

2. разработка экспериментального стенда, планирование экспериментов по исследованию гидродинамических и массообменных характеристик тарелок;

3. исследование гидравлического сопротивления, гидродинамических режимов работы, провала и уноса жидкости, эффективности массопередачи на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке новой конструкции;

4. сопоставление массообменных и гидродинамических характеристик новой тарелки с характеристиками прямоточной клапанной (ПК) тарелки;

5. описание применения полученных результатов работы на практике.

Научная новизна:

1. Разработанная методика, основанная на анализе экспериментальных данных для новой тарелки ПКС, позволяет получать уравнения для расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на прямоточных клапанно-ситчатых тарелках.

2. По разработанной методике получены уравнения для расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелке.

3. По результатам сопоставления установлено, что прямоточная клапанно-ситчатая тарелка имеет больший диапазон устойчивой работы, чем прямоточная клапанная тарелка. Особенно эффективна, по мнению автора, замена прямоточных клапанных тарелок на новые прямоточные клапанно-ситчатые в аппаратах с невысокой производительностью по газу. Так доказано, что минимальные допустимые значения фактора скорости газа новой тарелки ПКС в 1,5-2,0 раза меньше по отношению к тарелке ПК.

4. Подтверждено, что эффективность тарелки ПКС практически во всем диапазоне изменения факторов выше эффективности тарелки ПК. Установлено, что новую тарелку ПКС наиболее рационально использовать в барботажном и переходном режимах работы при нагрузках по газу ФР<1,5-2,2 кг ' /(м ' -с), то есть там, где достигается максимальное преимущество в эффективности. Для исследуемой системы и на данном экспериментальном стенде эффективность тарелки ПКС в барботажном режиме в 1,2-1,6 раза выше, чем эффективность тарелки ПК.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в том, что, во-первых, полученные уравнения могут быть использованы для гидравлического расчета промышленных прямоточных клапанно-ситчатых тарелок. Во-вторых, предложено направление в разработке новых конструкций прямоточных клапанно-ситчатых тарелок.

Методология и методы исследования. Для получения количественных значений гидродинамических и массообменных характеристик использовался активный эксперимент, при котором набор значений факторов (точек исследования) определялся задачами дальнейшей обработки данных и выбирался из условий производительности экспериментальной установки, диапазона промышленных нагрузок. Для обработки экспериментальных данных по гидродинамическим и массообменным характеристикам применены статистические методы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на прямоточных клапанно-ситчатых тарелках.

2. Уравнения для расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелке.

3. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие более широкий диапазон устойчивой работы и более высокую эффективность новых прямоточных клапанно-ситчатых тарелок по отношению к прямоточным клапанным.

Степень-достоверности результатов Достоверность научных

результатов подтверждена проведенными стендовыми испытаниями, статистическими методами обработки экспериментальных данных^ теоретическими положениями и результатами, полученных другими авторами по данной тематике.

Апробация—работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на 8-й (1-3 февраля 2010 г.) и 9-й (30 января-1 февраля 2012 г.) Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», 9-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (4-7 октября 2011 г.) «Новые технологии в газовой промышленности», научной сессии аспирантов факультета инженерной механики РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (18-20 сентября 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, из которых 3 научные статьи [3, 4, 7]' выпущенные в журналах, рекомендованных высшей аттестационной комиссией, и 4 материала научных конференций [1,2, 5, 6].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 135 наименований! приложений. Работа изложена на 164 страницах, в том числе приложения - 16 страниц. Диссертация содержит 70 рисунков и 56 таблиц, в том числе в приложении - 41 таблица.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении подчеркнута актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, конкретизирована научная новизна, отмечена практическая значимость исследований.

В первой главе представлен обзор конструкций клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз, разработанных за последние 50 лет. Выделены направления конструирования данных тарелок. Подчеркнуто, что существенной проблемой перекрестно-прямоточных тарелок является' то, что при высоких скоростях газа наступает интенсивный прямоток, вследствие чего

уменьшается время пребывания жидкости на тарелке и тем самым снижается эффективность массопередачи. В диссертации указано, что решить данную проблему можно за счет организации контакта фаз в режиме задержанного прямотока и (или) за счет компенсации прямоточного движения. Проведенный анализ запатентованных конструкций показал, что основным путем развития тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз является разработка конструкций, реализующих различные способы компенсации прямоточного движения.

Наиболее четко и выгодно преимущества устройств с компенсацией прямотока за счет энергии газового потока, по мнению диссертанта, реализуются б конструкции прямоточной клапанно-ситчатои тарелки, разработанной на кафедре оборудования нефтегазопереработки РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина совместно с ЗАО «ПЕТРОХИМ ИНЖИНИРИНГ». Фото экспериментальной тарелки представлено на рис.1.

Предметом исследования диссертационной работы являлись гидродинамические и массообменные характеристики прямоточных клапанно-ситчатых тарелок. Поэтому в первой главе также рассмотрены работы различных авторов, посвященные проблемам исследования гидравлического сопротивления сухих и орошаемых тарелок, провала жидкости, межтарельчатого уноса и массопередачи. Результаты работ данных авторов использованы в настоящей диссертационной работе при обработке данных и выводе эмпирических уравнений исследуемых характеристик.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных тарелок, лабораторного стенда и методик проведения экспериментов по провалу жидкости, межтарельчатому уносу, эффективности массопередачи по жидкости.

Объектом исследования диссертационной работы является новая прямоточная клапанно-ситчатая тарелка (рис. 1).

Рис. 1. Прямоточная клапанно-ситчатая тарелка новой конструкции.

т

Полотно тарелки представляет стальную пластину размером 650x180x2 мм. В полотне в шахматном порядке сделаны двенадцать отверстий диаметром 40 мм под клапаны, а также два прямоугольных выреза, которые предназначены для переточных устройств (для приемного кармана и для перетока жидкости на нижележащую тарелку). Клапаны тарелки устанавливаются в отверстия полотна. По длине пути жидкости образуется восемь рядов по два и один клапан в смежных рядах, Шаг между клапанами (расстояние между рядами)- 50 мм. Расстояние между клапанами - 80 мм. Доля свободного сечения тарелки - 14,95%.

Особенностью конструкции тарелки является наличие просечек в пластине клапана, оснащенными козырьками. Козырьки отогнуты навстречу потоку газа на угол, позволяющий козырькам при максимальном угле открытия пластины клапана располагаться вертикально. Высота козырьков увеличивается в направлении открытия пластины клапана. Благодаря такой конструкции в отверстия клапанов направляется максимально возможная доля общего потока газа и обеспечивается максимальная компенсация прямотока. Также поток газа, выходящий из отверстий клапана, перекрещивается с газом, выходящим из-под смежного по ходу движения жидкое ги клапана, обеспечивая при этом развитую поверхность контакта фаз и ее интенсивное обновление. Конструктивные параметры клапана новой тарелки оптимальны и выбраны по критериям надежности и равномерности работы, минимизации провала жидкости, максимизации компенсации прямоточного движения взаимодействующих фаз.

В данной работе также проводили сопоставление гидродинамических и массообменных характеристик новой тарелки с характеристиками прямоточной клапанной тарелки. Данная тарелка разработана ВНИИНЕФТЕМАШ. Клапан прямоточной клапанной тарелки представляет круглый диск с одной задней ножкой и двумя направляющими. Прямоточная клапанная тарелка была выбрана в работе в качестве объекта сравнения по следующим причинам:

1. Тарелка ПК в настоящее время успешно используется в промышленных процессах нефтепереработки и нефтехимии, что говорит о конкурентоспособности данной тарелки среди множества современных контактных устройств.

2. Тарелки ПКС и ПК отличаются друг от друга только конструкцией клапана. Поэтому сопоставление гидродинамических и массообменных характеристик позволит непосредственно оценить эффект от сочетания свойств прямоточных клапанных и ситчатых тарелок.

3. Модернизация промышленных колонн с прямоточными клапанными тарелками с целью улучшения четкости разделения и (или) увеличения выхода целевых продуктов может быть осуществлена путем замены внутренних контактных устройств. В случае установки тарелок ПКС вместо ПК капитальные затраты минимальны, так как требуется выполнить замену только клапанов тарелок. Таким образом, сопоставление гидродинамических и массообменных характеристик тарелки ПКС с характеристиками тарелки ПК в

Вода из сети

Рис. 2. Схема экспериментальной установки:

CI, С2 - компрессоры; Р1 - насос; TR1, TR2 - тарелки; Rl, R2 - ресиверы; Е1 - бак; Е2 - емкость для сбора провала; ЕЗ - емкость для трассера; А1 - абсорбционная колонна; DR1 - распределитель воздуха; DR2 -распределитель трассера; LM - уровнемер; О - отбойник; Dl, D2, ЮЗ - диафрагмы; DD1P, DD2,, - блоки дифференциальных манометров; Tl, Т2 - термометры; DFf - расходомер; V1-V19 - запорная арматура.

лабораторных условиях позволит получить необходимую информацию для принятия соответствующих инвестиционных решений.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. Исследуемые тарелки TRI, TR2 устанавливались в прямоугольную колонну, представляющую набор металлических царг, соединенных между собой болтами. Стенки царг выполнены из оргстекла, благодаря которым можно визуально наблюдать за работой исследуемых тарелок. Свободное сечение колонны - 630x160 мм.

Конструкция колонны в зависимости от задач исследования позволяет устанавливать одну или две тарелки, менять межтарельчатое расстояние. В колонну врезаны отборы давления, которые подключены к блоку водяных дифференциальных манометров DD2P. Манометрами измерялось давление на входе в колонну и перепад давления на тарелках. Колонна устанавливается на бак. Конструкция бака предусматривает наличие воздухораспределителя DR1, отсека для сбора провала и штуцера для его отвода, прямого указателя уровня LM, гидрозатвора с краном VI2. Воздух в колонну подавался с помощью компрессоров Cl, С2. Измерение расхода воздуха осуществлялось с помощью трех диафрагм Dl, D2 и D3, установленных на трубопроводах диаметром Ду50, Ду 125, Ду400. Работа на трех диафрагмах позволяла измерять нагрузку по газу от 50 до 1200 м /ч. Вода в колонну могла поступать из напорной сети или подаваться с помощью центробежного насоса PI. При первом варианте осуществлялась проточная схема движения воды, при втором -циркуляционная схема. Расход воды измерялся электромагнитным расходомером DFb диапазон измерения которого от 0,5 до 30 м3/ч.

Исследование провала жидкости проводилось на системе «вода-воздух». В ходе эксперимента жидкость, провалившаяся через отверстия тарелки TRI, попадала в специальный отсек, откуда она практически без задержки поступала по трубопроводу диаметром Ду50 в оттарированную емкость Е2 из оргстекла высотой около 1 м и вместимостью более 10 л. Из емкости Е2 жидкость удалялась через гидрозатвор при открытом шаровом кране V8. Эксперимент проводился следующим образом. Вначале устанавливался режим работы тарелки, характеризующийся постоянством расходов жидкости и газа. Проваливающаяся жидкость при этом непрерывно выводилась из системы по описанной выше схеме. Далее кран V8. закрывали и замеряли время, необходимое для заполнения жидкостью определенного объема. По полученным данным определяли величину провала жидкости в м3/'ч. Для каждой опытной точки проводили три измерения, для дальнейшей обработки данных использовалось среднее значение провала.

В диссертации унос жидкости исследовался фотоколориметрическим методом на системе «вода-воздух». В ходе опытов воздух в колонну подавался компрессором С1 через распределитель DR1 под нижнюю тарелку TRI. Вода поступала из сети на верхнюю тарелку TR2. Далее жидкость проходила последовательно верхнюю и нижнюю тарелки, затем попадала в бак, откуда выводилась из системы. Насыщенный раствор красителя подавался из бачка ЕЗ в приемный карман нижней тарелки TRI через специальный распределитель

При работе колонны часть жидкости с нижней тарелки уносилась на верхнюю и окрашивала жидкость на ней. За переливами тарелок находились отборы проб, которые представляют корытца размером 150x10x25 мм. Отобранная жидкость выводилась из колонны и собиралась в колбы объемом 0,5 л. Определение концентраций растворов осуществлялось на фотометре «Эксперт-003». Далее с использованием уравнений материального баланса определялись опытные значения относительного уноса.

Эффективность массопередачи по жидкости исследовали при десорбции углекислого газа из воды воздухом. Концентрацию углекислого газа определяли по значению рН воды с помощью экспериментальной зависимости.

Эксперименты по определению эффективности массопередачи в жидкости проводили в колонне с одной исследуемой тарелкой ТЯ1. Первым этапом было заполнение системы водой и насыщение воды углекислым газом. Для этого, налаживали циркуляцию воды по схеме «бак—>Р1—>А1—>Е1—»бак», затем начинали подавать в поток воды на входе в абсорбционную колонну А1 углекислый газ из баллона. Время насыщения составляло около 15 мин, в результате достигалась концентрация углекислого газа -8-12 моль/м3. Далее начинали подавать жидкость в колонну, при этом углекислый газ небольшим потоком продолжал подаваться в абсорбционную колонну А1 для восстановления своей концентрации в воде. После вывода колонны на заданный режим работы отбирали пробы воды на входе и на выходе с тарелки. На одной опытной точке проводили два отбора (для обработки бралась средняя величина). Далее определяли величину рН отобранных проб. По формуле (1) находили концентрацию С02 в пробах ,9к, а по зависимости (2) определяли эффективность тарелки по Мерфри:

г)К =3,79710"3 +ехр[\,959(4,№-рН )} (1)

Е УК(рНн)-^(рНК) 1%(рНн ;-з,992-ю-3

Едя. - общая эффективность массопередачи по жидкости; $ъ(рНц), $к(рНк) -концентрации карбонатов и бикарбонатов на входе и на выходе с тарелки соответственно, моль/л; рН - величина рН отобранных проб.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по гидродинамике и массопередаче.

Наблюдая за работой тарелки ПКС, по мере увеличения скорости газа в колонне было установлено наличие пяти гидродинамических режимов: режим интенсивного провала жидкости, барботажный, переходный, струйный режимы и режим интенсивного уноса. В диссертации описаны особенности и характерные черты работы новой тарелки в каждом режиме.

Проведенными экспериментами подтверждено, что зависимость гидравлического сопротивления сухой прямоточной клапанно-ситчатой тарелки от фактора скорости газа в рабочем сечении тарелки имеет три характерные области. При малых скоростях газа клапаны тарелки находятся в нижнем положении, и газ проходит через просечки в клапане и начальный зазор между клапаном и полотном тарелки - участок I. Гидравлическое

сопротивление тарелки в этой ооласти пропорционально квадрату скорости газа. При достижении значения фактора скорости газа Ф,-.ц, при котором сила, действующая на клапан со стороны газа, становится равной его весу, клапан начинает подниматься. Такой режим работы тарелки соответствует режиму саморегулирования - участок II. Визуально было отмечено, что в этом режиме все клапаны на тарелке совершают плавные непрерывные колебательные движения, отличающиеся по фазе и амплитуде. С увеличением нагрузки по газу клапаны приподнимаются выше, увеличивая свободную поверхность для выхода газа. Это происходит до того момента, когда клапаны не поднимутся в крайнее верхнее положение (до Фц-ш). Далее свободное сечение становится постоянным и сопротивление в этой области растет пропорционально ФР2 -участок III. На основе анализа опытных данных на новой тарелке в работе предложено общее уравнение сопротивления сухих прямоточных клапанно-ситчатых тарелок:

■Ф1'

АРГ-

1

2-8

F,

ехр( С-Фг ) J

2-g

В Фс

_ '^огпк'Фр

с

FP !

F

о)

0<ФР<Ф,_п

Ф,_„<Ф,,<Ф

Фг^п-Ш

(3)

АРI — гидравлическое сопротивление сухой тарелки, мм вод.ст.; -коэффициент сопротивления тарелки с закрытыми клапанами, отнесенный к скорости газа в отверстиях полотна тарелки; ¡птк — коэффициент сопротивления тарелки с полностью открытыми клапанами, отнесенный к скорости газа в отверстиях полотна тарелки; /7. - рабочая площадь тарелки, равная площади свободного сечения колонны за вычетом площади одного перелива, м2; ^ -площадь всех отверстий в полотне тарелки, м2; Фр — фактор скорости газа, отнесенный к рабочей плошади тарелки кг°'5/(м°'5-с): Фр = IVг ■ л[рп ; -скорость газа в рабочем сечении тарелки м/с; рп - плотность газа, кг/м3; А, В, С- коэффициенты регрессии.

Коэффициенты А, В. С в данном уравнении определяются после статистической обработки экспериментальных данных для конкретной конструкции тарелки. Дчя новой тарелки уравнение гидравлического сопротивления имеет вид:

2

АРГ-

27,00 ФР \ехр(\,991-ФР) )

0<Ф,<1,00

1,00<Ф„<2,43

(4)

Фр>2,43

5,430Ф;,

Анализируя опытные значения сопротивления орошаемой тарелки, для дальнейшей обработки данных было предложено использовать аддитивный подход, то есть общее сопротивление равно:

ЛР=ЛР1+ЛР2 (5)

АР - гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки, мм вод.ст.; АР2 -гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя, мм вод.ст.

Сопротивление сухой тарелки АР, находится по уравнению (4). Для дальнейшего изучения сопротивления газожидкостного слоя АР2 в работе предложена модель уравнения:

АР2=АРг^-а+Аы, (6)

АР2 " 0 — сопротивление газожидкостного слоя без переливной планки (/г^О), мм вод.ст.; ДАч, - составляющая сопротивления газожидкостного слоя, обусловленная влиянием (ЬпФО), мм вод.ст.

Исследуя сопротивление газожидкостного слоя без переливной планки АР/""'0, было отмечено:

1. зависимость АР2 = Р(ФР) разбита на три области, в каждой из которых существует своя аппроксимирующая функция;

2. границы областей совпадают с границами существования различных режимов работы сухой тарелки;

3. зависимость между сопротивлением газожидкостного слоя и фактором скорости газа на участках I, II близка к линейной;

4. на участке III зависимость АР2 = Р(ФР) носит нелинейный характер и близка к экспоненциальной.

Принимая во внимание данные замечания, в работе для расчета сопротивления газожидкостного слоя на прямоточных клапанно-ситчатых тарелках без переливной планки предложено уравнение:

А )+В(Р,) (Ф,_п -Фр )+С(1.у ;+ 0(Р, ) Ф,_„ 0,40<Ф^<Ф,17 С(Ц,)+0(Ьу)Фг Ф,_„<Фе<Фп_т (7)

{С(1у)+Оау)Ф^т ^хр[Е(^,)(Фр-Фи_т)\ фг>фп

АР2

р—4 п-ш

.3/,

Ьу - нагрузка по жидкости, м/(м-ч); А(ЬУ), В(ЬГ), С(Ьу), О(Ьу), Е(Ьу) -функции от нагрузки по жидкости.

Для исследуемой тарелки по данной модели была выполнена обработка данных, определены коэффициенты регрессии. В итоге получено следующее уравнение газожидкостного слоя:

'24,65/1,00-Ф, >0,5 54-1,, 0,40<Ф;, <1,00

- 0,5541,, 1,00<Ф,,<2,43(8)

0,554-1,, ■ехр\-ОД51-(Фг -2,43)] Фр >2,43

АР.г'"г"а--

Вычитанием из опытных значений АР2 новой тарелки значений АР-

Ик=0

рассчитанных по уравнению (8), были вычислены экспериментальные значения составляющей сопротивления Д/ш. Проанализировав экспериментальные значения Акп., было установлено:

1.при росте Фр (ФР > 3,5 кг0,5/(м0,5-с)) разность общего сопротивления газожидкостного слоя АР2 и АР2к'х°" стремится к нулю;

2. зависимость между А,гл. и ФР на участках I, II близка к линейной; на участке III - к экспоненциальной.

В результате предложена модель зависимости Дм„ на прямоточных клапанно-ситчатых тарелках от фактора скорости газа, нагрузки по жидкости и высоты переливной планки:

Фр)=А01№,1у)+В(11„1у)Фт 0,40 <ФР<Ф,.„

фр)=\'(Ф1-и)[^С0гп,,ЬгХФР-Ф1.11)} Ф,.и<ФР<Фп_ш (9)

\"'(Фр >4*"(фа-ш )ехр(Фр-Ф„_ш;] фр>фи_ш

И ¡у - высота переливкой планки, м; Afhw.Lv), В(ктЬу). СфщЬу), 0(ктЬг) -функции от нагрузки по жидкости и высоты переливной планки.

Обработка экспериментальных данных на новой тарелке позволила получить уравнение:

Г414.2-180.7-Ф, >/г,,.0775 0,40<Ф, <1,00

0,775

232,Э'/г^.0,775-[1+^-0,804+5,512-/!^/ФР-1,00)\ 1,00^<2,43 (10) А-ехр[(-\бтШ,\-Ь)(ФР -2,43 ;] фр >2,43

где А рассчитывается по формуле:

А=2Ъ2,9\,0,773 -[-0,143+7,83 87г] (11)

/г - высота слоя жидкости на тарелке, м:

/г=/г(Г+0,00291/3' (12)

В итоге для нахождения значений сопротивления газожидкостного слоя на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке новой конструкции необходимо сложить найденные значения составляющих ДР2Ы"° и А,1Л, по уравнениям (8) и (10) соответственно. На рис. 3 представлен график зависимости гидравлического сопротивления газожидкостного слоя на новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелке в зависимости от фактора скорости газа ФР при Ьу = 29,8 м3/(м-ч), И1Г= 0; 0,04; 0,08 м.

Уравнения (7) и (9) носят общий характер и в работе предложены как общие уравнения для расчета сопротивления газожидкостного слоя на тарелках ПКС.

Приведенные выше уравнения применимы для расчета гидравлического сопротивления орошаемой тарелки новой конструкции в следующих диапазонах значений факторов: фактора скорости газа в рабочем сечении тарелки ФР = [0,4 - 3,7] кг°'5/(м0'5-с); нагрузки по жидкости Ьу = [5 - 50] м /(м-ч); высоты переливной планки кк = [0 - 0,08] м.

Исследование провала жидкости осуществлялось в тех же диапазонах параметров, что и исследование гидравлического сопротивления. Было установлено, что, как с ростом нагрузки по жидкости, так и с увеличением высоты переливной планки, минимальная допустимая нагрузка по газу увеличивается. Также было установлено, что зависимость «ФРт'п -1,» близка к линейной. Принимая во внимание данные замечания, для расчета величины минимального допустимого значения фактора скорости газа в рабочем сечении тарелки ФР""" предложена модель:

Фртт =(А+ВИ„. +Г/3+СА,,. )=АЬУ +ВЬУЬ1Г+С\, +В (13)

Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления газожидкостного слоя АР? от фактора скорости газа ФР [Lj/=29,8 м3/(м-ч)]: 1 - Л„=0 м; 2 - йи-0,04 м; 3 - /гн,=0,08 м.

Уравнение (¡3) в диссертации рекомендовано, как общее уравнение минимальной допустимой нагрузки по газу для прямоточных клапаяно-ситчатых тарелок. Для нахождения коэффициентов А, В, С, D (в уравнении минимальной допустимой нагрузки по газу для определенной конструкции прямоточной клапанно-ситчатой тарелки) достаточно исследовать значения ФРт,п на границах диапазонов рассматриваемых факторов, то есть в точках (Lj,-mi„, кц/„,1„), (Lv.max5 hw.min), (Lv.mim hw.max(Lv.max> hw.max)-. и Далее статистическими методами обработать экспериментальные данные.

Для новой тарелки регрессионный анализ экспериментальных данных был выполнен в программе Excel. В итоге для расчета значений минимального допустимого фактора скорости газа в рабочем сечении тарелки получено уравнение:

Ф/"'"=732-1 (Г5 -¿,,+5,99-10"2 -Lvhw+0,3 8 (14)

Уравнение (14) применимо для расчета Ф"пп новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелки в следующих диапазонах значений факторов: Ly = 1 [5-50] м3/(м- ч); hw={0 - 0,08] м. !

Исследование уноса жидкости на новой тарелке показало, что: 1. с увеличением скорости газа в колонне увеличивается величина j относительного уноса е. Причем во всем диапазоне изменения скорости газа зависимость «1п(е) - In(Wp)» близка к линейной; j

2. с увеличением расстояния между тарелками наблюдается значительное уменьшение величины уноса жидкости;

3. с увеличением нагрузки по жидкости и высоты переливной планки относительный унос увеличивается незначительно.

По результатам анализа различных моделей зависимости уноса от исследуемых факторов предложено расчетное уравнение относительного уноса жидкости:

е - относительный унос жидкости на вышележащую тарелку, кг жидкости/кг газа; Нс - высота сепарационного пространства, м; Нт -расстояние между тарелками, м.

При обработке экспериментальных данных по уносу для других конструкций прямоточных клапанно-ситчатых тарелок в диссертации предлагается использовать уравнение, аналогичное уравнению (15). Коэффициенты в уравнении должны находиться с помощью статистической обработки данных.

Из уравнения (15) в диссертационной работе получено уравнение для расчета скорости газа, соответствующей допустимому уносу ед.

м/с; ед — величина допустимого относительного уноса жидкости на вышележащую тарелку, кг жидкости/кг газа.

Уравнение (17) рекомендовано для расчета максимальной допустимой величины скорости газа прямоточной клапанно-ситчатой тарелки новой конструкции в следующих диапазонах значений факторов: расстояния между тарелками [0,3-0,5] м; нагрузки по жидкости [5-50] м3/(м-ч); высоты переливной планки [0-0,08] м.

Эффективность тарелки по жидкости исследовалась в зависимости от фактора скорости газа, нагрузки по жидкости и высоты переливной планки. Проанализированное поведение экспериментальных кривых эффективности тарелки от Фр позволило определить вид модели, описывающей ЕМ1 от рассмотренных факторов. В работе предложено представить эффективность прямоточной клапанно-ситчатой тарелки в виде суммы эффективностей:

составляющая эффективности тарелки, обусловленная влиянием И,г(Ицф0).

Исследуя эффективность тарелки без переливной планки, было отмечено, что зависимость Еши""° от ФР близка к полиному третьей степени. Причем свободный член полинома равен 0 (кривая зависимости Ем!™™0 от ФР проходит через точку начала координат). Поэтому было предложено уравнение эффективности искать в следующем виде:

(15)

нс=нт-('к+ъ.ът-Ьу'^)

(16)

(18)

Е^-^-г=В-Фг,+СФр1+0-Ф: (19)

¡ж

Рж — плотность жидкости, кг/м3; 1Ж— длина полотна тарелки (длина пути жидкости на тарелке), м; В, С, Б- коэффициенты.

Уравнение (19) носит общий характер и в диссертации рекомендовано, как основное уравнение для расчета эффективности массопередачи по жидкости тарелок ПКС при /?,ч=0. Характер зависимости коэффициентов В, С, Б в уравнении должен уточняться для каждой конструкции прямоточной клапанно-ситчатой тарелки отдельно.

Регрессионный анализ данных был выполнен в программе 51а115(дса. В итоге уравнение эффективности массопередачи по жидкости новой тарелки ПКС при /г^Н) имеет вид:

, \/ 106 =/¡{1,569Ф,, —0,799'Ф,,2 +0,129Ф,,3 (20)

- Рж'Ьу

Экспериментальные значения АЕМ, были найдены как разность опытных значений общей эффективности тарелки и значений эффективности тарелки без переливной планки, рассчитанных по уравнению (20). В ходе анализа экспериментальных зависимостей АЕ\ц было установлено:

1. При ФР (Фр > 3,0 кг°'5/(м0,5-с)) разность Ека. и Ем1т " стремится к 0.

2. Характер экспериментальных кривых АЕщ, от Фр близок к функции вида Д£ж =ехр(^ФР)). Где/(Фр) - полином третьей степени.

На основе данных замечаний и наблюдений для нахождения была

предложена следующая модель:

■А^-ехр{Ь2+Ь}-Ф!,+Ь4-Фр2+Ь5-Ф/ ) (21)

1ж

Ьо, Ъи Ь2, Ь3, Ь4, Ь5 - коэффициенты регрессии.

Уравнение (21) предложено в качестве уравнения составляющей эффективности АЕМ. Для прямоточных клапанно-ситчатых тарелок. Коэффициенты в данном уравнении должны находиться с помощью статистических методов обработки для каждой конструкции прямоточной клапанно-ситчатой тарелки отдельно. Регрессионный анализ данных для новой тарелки был выполнен в программе 81аЙ5Йса. Подставляя полученные значения коэффициентов в уравнение (21), получим уравнение для расчета Л£дя, на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке новой конструкции:

тЛ, ОЛ"е.тр(-0,095-3,784Ф^+2,52ВФ/,2-0,479Фо3 (22)

"" ' РжЦ>

Для нахождения значений обшей эффективности новой тарелки ПКС необходимо сложить уравнения (20) и (22). Полученные уравнения применимы для расчета эффективности массопередачи по жидкости новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелки в следующих диапазонах значений факторов: Фр = [0,50 - 3,30] кг°'5/(м0'5-с); Ьу= [5 - 50] м3/(м-ч); /г1Г=[0 - 0,08] м.

В четвертой главе приведены результаты сопоставления гидродинамических и массообменных характеристик прямоточной клапанно-ситчатой и прямоточной клапанной тарелок.

По результатам сопоставления сопротивления сухих тарелок установлено: 1) новая тарелка благодаря направлению части газового потока через просечки в пластине клапана не уступает по сопротивлению сухой тарелки ПК, которая при полностью открытых клапанах имеет в 1,4 раза большую свободную поверхность между полотном и пластиной клапана для выхода газа; 2) на конец областей устойчивой и эффективной работы тарелок ПКС и ПК их зоны саморегулирования будут оказывать влияние в равной степени, так как конструкции данных тарелок имеют верхние границы диапазонов динамической работы клапанов, наступающие приблизительно при одинаковых скоростях газа.

Проанализировав экспериментальные зависимости гидравлического сопротивления орошаемых тарелок, отмечено, что при малых нагрузках по газу полное сопротивление тарелки ПКС в 1,2-1,4 раза больше, чем у тарелки ПК. С увеличением скорости газа разница сопротивлений уменьшается, а при ФР>2,0-2,5 кг0'5/^!0'5^) сопротивление тарелки ПК становится больше. В целом разница величин сопротивления орошаемых тарелок ПК и ПКС лежит в пределах от -10 мм вод.ст. до 10 мм вод.ст. Тем самым можно заключить, что величина сопротивления тарелки ПКС существенно не отличается от величины сопротивления тарелки ПК. Другим выводом является то, что ситчатые элементы при малых и средних нагрузках по газу позволяют значительно больше накапливать жидкость на тарелке ПКС, чем на тарелке ПК. При высоких скоростях газа (Фу> 2,0-2,5 кг°'5/(м0,5- с)) влияние просечек с козырьками на работу тарелки становится несущественным, новая тарелка работает как клапанная прямоточная.

При сопоставлении минимальных допустимых нагрузок по газу было установлено, что тарелка ПКС имеет Фртт значительно меньшие (в 1,5-2 раза), чем тарелка ПК. Также показано, что использование метода определения минимальной допустимой нагрузки по кривым зависимости провала от ФР оправдано, и полученное уравнение (13) может быть успешно использовано при гидравлическом расчете новых тарелок ПКС промышленных размеров.

По результатам сравнения максимальных нагрузок по газу (за максимальную допустимую скорость газа принималась скорость, при которой величина уноса составляет 10%) было установлено, что при расстоянии между тарелками 0,5 м допустимые скорости новой тарелки ПКС немного выше, чем у тарелки ПК. Максимальная разница наблюдается при Аи=0,04 м, ¿г= 11,4 м3/(м-ч) и составляет 15%.

С целью сопоставления массообменных характеристик тарелок ПКС и ПК в диссертационной работе построены совместные графики зависимостей «Еш ~ ФР», «Ежпкс/Ешпк - ФР» (рис. 4, 5).

По результатам анализа данных графиков было подтверждено, что эффективность тарелки ПКС практически во всем диапазоне изменения факторов выше эффективности тарелки ПК.

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

7

— ____________^-зГ —.......... |

ч

7 : \ Ч 2 ©_ 2

©

Фр, кг» 5/(М0,5.с)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Рис. 4. Сопоставление Еш на тарелках [Х,/=29,8 м7(м-ч); /г„=0,04 м]: 1 - тарелка ИКС; 2 - тарелка ПК. 2

Рис. 5. Сопоставление Еш. на тарелках [А1(у=0,08 м]: 1 -Ьу=29,» м3/(м-ч); 2 - ¿,=50,0 м3/(м-ч).

Максимальное преимущество тарелки ГЖС достигается в барботажном режиме работы исследуемых тарелок. Как и предполагалось, сочетание с ситчатыми тарелками, работающими в барботажном режиме, приводит к дополнительному увеличению эффективности. Для исследуемой системы и на данной установке эффективность тарелки ПКС в барботажном режиме в 1,2-1,6 раза выше, чем эффективность тарелки ПК.

Пятая глава посвящена применению полученных зависимостей на примере расчета ректификационной колонны К-2 установки первичной переработки нефти АВТ-2 ЗАО «РНПК». В данной главе рассмотрено практическое применение полученных уравнений гидравлического сопротивления, минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу при гидравлическом расчете промышленных тарелок ПКС новой конструкции.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа тенденций в разработке клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз выявлено, что конструирование комбинированных прямоточных клапанно-ситчатых тарелок является перспективным направлением, позволяющим существенно увеличить эффективность массопередачи.

2. Разработанная методика, основанная на анализе экспериментальных данных для новой тарелки ПКС, позволяет получать уравнения для расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на прямоточных клапанно-ситчатых тарелках.

3. По разработанной методике получены уравнения для расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелке.

4. По результатам сопоставления установлено, что прямоточная клапанно-ситчатая тарелка имеет больший диапазон устойчивой работы, чем прямоточная клапанная тарелка. Особенно эффективна, по мнению автора, замена прямоточных клапанных тарелок на новые прямоточные клапанно-ситчатые в аппаратах с невысокой производительностью по газу. Так доказано, что минимальные допустимые значения фактора скорости газа новой тарелки ПКС в 1,5-2,0 раза меньше по отношению к тарелке ПК.

5. Подтверждено, что эффективность тарелки ПКС практически во всем диапазоне изменения факторов выше эффективности тарелки ПК. Установлено, что новую тарелку ПКС наиболее рационально использовать в барботажном и переходном режимах работы при нагрузках по газу Фр<1,5-2,2 кг0,5/(м°'5-с), то есть там, где достигается максимальное преимущество в эффективности. Для исследуемой системы и на данном экспериментальном стенде Еж тарелки ПКС в барботажном режиме в 1,2-1,6 раза выше, чем ЕМ1, тарелки ПК.

6. На основе изучения эффективности тарелок предложено направление разработки новых конструкций тарелок ПКС, предназначенных для работы при повышенных нагрузках по газу. С тем чтобы сохранить положительное влияние ситчатых элементов на работу тарелки при высоких нагрузках по газу, нужно при разработке новых конструкций стремиться увеличивать долю поверхности выхода газа через эти элементы тарелки.

7. Рассмотрено практическое применение полученных результатов диссертационной работы при гидравлическом расчете промышленных тарелок

ПКС. Для выбранных сечений промышленной колонны показано применение уравнений минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу для проверки условия устойчивой работы тарелки, а также описано использование зависимостей сопротивления при расчете переливных устройств.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ларькин, A.B. Исследование гидравлического сопротивления орошаемой прямоточной клапанно-ситчатой тарелки / A.B. Ларькин, В.А. Щелкунов // Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов 8-й Всероссийской научно-технической конференции (1-3 февраля 2010 г.). Секция 5. Проектирование, изготовление и эксплуатация оборудования и сооружений нефтегазового комплекса. - М., 2010. - С. 22.

2. Ларькин, A.B. Исследование уноса жидкости на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке / A.B. Ларькин, В.А. Щелкунов // Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов 8-й Всероссийской научно-технической конференции (1-3 февраля 2010 г.). Секция 5. Проектирование, изготовление и эксплуатация оборудования и сооружений нефтегазового комплекса. — М., 2010. - С. 32-33.

3. Ларькин, A.B. Исследование гидравлического сопротивления сухой прямоточной клапанно-ситчатой тарелки новой конструкции / A.B. Ларькин /У Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. - 2010. - №3. - С. 107-115.

4. Ларькин, A.B. Исследование уноса жидкости на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке новой конструкции /' A.B. Ларькин, В.А. Щелкунов // Нефтепереработка и нефтехимия. -2011. - №10. - С. 38-41.

5. Ларькин, A.B. Исследование эффективности массопередачи по жидкости на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке / A.B. Ларькин // Новые технологии в газовой промышленности. Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (4-7 октября 2011 г.). Секция: Проблемы разработки, стандартизации, сертификации и обеспечения надежности оборудования газового комплекса. - М., 2011. - С. 18.

6. Ларькин, A.B. Сопоставление гидродинамических и массообменных характеристик новой прямоточной клапанно-ситчатой и прямоточной клапанной тарелок / A.B. Ларькин, В.А. Щелкунов // Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов 9-й Всероссийской научно-технической конференции (30 января-1 февраля 2012 г.). Секция 5. Проектирование, изготовление и эксплуатация оборудования и сооружений нефтегазового комплекса. - М., 2012. - С; 30.

; 7. Ларькин, A.B. Сопоставление эффективностей массопередачи на новой прямоточной клапанно-ситчатой и прямоточной клапанной тарелках / A.B. Ларькин, В.А. Щелкунов // Нефтепереработка и нефтехимия. -2012. - №8. - С. 44 - 47.

Подписано в печать 19.05.2014 Формат 90х60\16 усл. печ.л.1,25 Тираж 100 зкз Ззказ 1 ^ \ \

Отпечатано в типографии ООО «Литера М» 390035, г. Рязань, ул. Гоголя, д. 16, оф.212 Тел.(84912) 937-038

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи

04201458172

ЛАРЬКИН АРТЕМ ВАДИМОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И МАССОПЕРЕДАЧИ НА ПРЯМОТОЧНОЙ КЛАПАННО-СИТЧАТОЙ ТАРЕЛКЕ НОВОЙ

КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор В.А. ЩЕЛКУНОВ

Москва - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР............................................................................8

1.1. Обзор конструкций клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз..............................................................................................................8

1.2. Гидродинамические режимы работы клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз...................................................................................15

1.3. Гидравлическое сопротивление клапанных тарелок с переливными устройствами..............................................................................................................18

1.4. Провал жидкости. Минимальная допустимая скорость газа..........................29

1.5. Межтарельчатый унос жидкости.......................................................................32

1.6. Исследование массопередачи на тарельчатых контактных устройствах......36

ГЛАВА II. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ........................40

II. 1. Объект исследования.........................................................................................40

11.2. Описание экспериментальной установки........................................................45

11.3. Методика исследования провала жидкости.....................................................48

11.4. Методика исследования уноса жидкости с тарелки.......................................49

11.5. Методика исследования массопередачи..........................................................53

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЯМОТОЧНОЙ КЛАПАННО-СИТЧАТОЙ (ПКС) ТАРЕЛКИ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ...........................................................................................................58

III. 1. Исследование гидравлического сопротивления сухой тарелки...................59

111.2. Исследование гидродинамических режимов работы орошаемой тарелки. 63

111.3. Исследование гидравлического сопротивления орошаемой тарелки.........68

111.4. Исследование провала жидкости.....................................................................74

111.5. Исследование уноса жидкости с тарелки.......................................................79

111.6. Исследование массопередачи по жидкости на тарелке................................85

ГЛАВА IV. СОПОСТАВЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НОВОЙ ПРЯМОТОЧНОЙ КЛАПАННО-СИТЧАТОЙ И ПРЯМОТОЧНОЙ КЛАПАННОЙ (ПК) ТАРЕЛОК 92

IV. 1. Сопоставление гидравлического сопротивления сухих тарелок.................92

IV.2. Сопоставление гидродинамических режимов работы тарелок....................96

IV.3. Сопоставление сопротивления орошаемых тарелок.....................................99

IV.4. Сопоставление провала жидкости.................................................................103

IV.5. Сопоставление межтарельчатого уноса........................................................108

IV.6. Сопоставление эффективности массопередачи...........................................114

ГЛАВА V. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ НА

ПРАКТИКЕ ПРИ РАСЧЕТЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ АППАРАТОВ.......................119

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ...............................................................130

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................................................132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................149

Приложение А. Исследование гидравлического сопротивления сухой тарелки

ПКС............................................................................................................................150

Приложение Б. Исследование гидравлического сопротивления орошаемой

тарелки ПКС.............................................................................................................152

Приложение В. Исследование провала жидкости на тарелке ПКС....................156

Приложение Г. Исследование уноса жидкости на тарелке ПКС........................157

Приложение Д. Исследование эффективности массопередачи на тарелке ПКС

....................................................................................................................................159

Приложение Е. Сопоставление гидравлического сопротивления сухих тарелок

ПКС и ПК..................................................................................................................162

Приложение Ж. Сопоставление уноса жидкости на тарелках ПКС и ПК.........164

ВВЕДЕНИЕ

Развитие массообменных аппаратов по пути увеличения мощностей, напрямую связано с разработкой массообменных контактных устройств высокой производительности. Не последнюю роль в этом сыграли тарелки с перекрестно-прямоточным движением фаз. Данные тарелки имеют высокую производительность по обеим фазам и повышенную эффективность контакта фаз. Особого внимания заслуживают клапанные тарелки с перекрестно-прямоточным движением фаз. Благодаря подвижному элементу - клапану, создаются условия для расширения диапазона эффективной работы, что непосредственно делает данные тарелки предпочтительными по отношению к другим. Однако на перекрестно-прямоточных тарелках при высоких скоростях газа наступает интенсивный прямоток, вследствие чего уменьшается время пребывания жидкости на тарелке и тем самым снижается эффективность массопередачи [39]. Основным путем решения данной проблемы является увеличение компенсации прямоточного движения взаимодействующих фаз. В связи с этим представляют интерес комбинированные конструкции прямоточных клапанно-ситчатых (ПКС) тарелок, выгодно сочетающие повышенную производительность прямоточных клапанных и высокую эффективность ситчатых тарелок. Просечки, выполненные в клапане и (или) в полотне тарелки, будут способствовать не только компенсации прямоточного движения и увеличению запаса жидкости на тарелке, но также увеличению диапазона устойчивой работы, зоны саморегулирования клапанов, удельной поверхности контакта фаз. Использование таких конструкций в промышленности ограничивается в основном трудностью получения точных характеристик по гидродинамике и массопередаче для широкого класса процессов, требующих проведения дорогих технически сложных экспериментов. Решением данной проблемы является исследование гидродинамических и массообменных характеристик новых конструкций тарелок в лабораторных условиях на экспериментальных стендах с последующим сопоставлением с характеристиками промышленных тарелок, полученными на тех же стендах.

Преимущества клапанно-ситчатых тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз, по мнению соискателя, наиболее четко и выгодно реализованы в конструкции новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелки [78], разработанной на кафедре оборудования нефтегазопереработки РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина совместно с ЗАО «ПЕТРОХИМ ИНЖИНИРИНГ». Особенностью конструкции тарелки является наличие просечек в пластине клапана, оснащенными козырьками. Козырьки отогнуты навстречу потоку газа на угол, позволяющий козырькам при максимальном угле открытия пластины клапана располагаться вертикально. Высота козырьков увеличивается в направлении открытия пластины клапана. Благодаря этому в отверстия клапанов направляется максимально возможная доля общего потока газа, обеспечивается максимальная компенсация прямотока, развитая поверхность контакта фаз и ее интенсивное обновление.

В настоящей диссертационной работе исследованы гидродинамика и массопередача новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелки. Данные исследования были проведены с целью разработки для прямоточных клапанно-ситчатых тарелок методики расчета гидравлического сопротивления, минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, эффективности массопередачи по жидкости.

Поставленная цель определяет задачи исследования:

1. анализ тенденций в разработке клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз, обзор специальной литературы, посвященной проблемам исследования гидравлического сопротивления сухих и орошаемых тарелок, провала жидкости, межтарельчатого уноса и массопередачи на тарелках;

2. разработка экспериментального стенда и планирование экспериментов по исследованию гидродинамических и массообменных характеристик тарелок.

3. исследование гидравлического сопротивления, гидродинамических режимов работы, провала и уноса жидкости, эффективности массопередачи на прямоточной клапанно-ситчатой тарелке новой конструкции;

4. сопоставление массообменных и гидродинамических характеристик новой тарелки с характеристиками прямоточной клапанной (ПК) тарелки;

5. описание применения полученных результатов работы на практике.

Для получения количественных значений указанных характеристик

использовался активный эксперимент, при котором набор значений факторов (точек исследования) определялся задачами дальнейшей обработки данных и выбирался из условий производительности экспериментальной установки, диапазона промышленных нагрузок. Для обработки экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению, минимальной и максимальной допустимым нагрузкам по газу, эффективности тарелки по жидкости использовались статистические методы, теоретические положения и результаты, полученные другими авторами по данной тематике.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что, во-первых, получены расчетные уравнения гидравлического сопротивления, минимальной допустимой и максимальной допустимой нагрузок по газу, рекомендуемые для гидравлического расчета промышленных тарелок ПКС. Во-вторых, подтверждено на основе исследования эффективности массопередачи при десорбции углекислого газа из воды воздухом дополнительное увеличение эффективности новой тарелки за счет наличия просечек в клапане. В аспекте конкретизации заявленной научной новизны на защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Разработанная методика, основанная на анализе экспериментальных данных для новой тарелки ПКС, позволяет получать уравнения для расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на прямоточных клапанно-ситчатых тарелках.

2. По разработанной методике получены уравнения для расчета минимальной и максимальной допустимых нагрузок по газу, гидравлического сопротивления и эффективности массопередачи по жидкости на новой прямоточной клапанно-ситчатой тарелке.

3. По результатам сопоставления установлено, что прямоточная клапанно-ситчатая тарелка имеет больший диапазон устойчивой работы, чем прямоточная клапанная тарелка. Особенно эффективна, по мнению автора, замена прямоточных клапанных тарелок на новые прямоточные клапанно-ситчатые в аппаратах с невысокой производительностью по газу. Так доказано, что минимальные допустимые значения фактора скорости газа на тарелке ПКС в 1,52,0 раза меньше по отношению к тарелке ПК.

4. Подтверждено, что эффективность тарелки ПКС практически во всем диапазоне изменения факторов выше эффективности тарелки ПК. Установлено, что новую тарелку ПКС наиболее рационально использовать в барботажном и переходном режимах работы при нагрузках по газу ФР<\,5-2,2 кг°'5/(м°'5-с), то есть там, где достигается максимальное преимущество в эффективности. Для исследуемой системы и на данном экспериментальном стенде эффективность тарелки ПКС в барботажном режиме в 1,2-1,6 раза выше, чем эффективность тарелки ПК.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в том, что, во-первых, полученные уравнения могут быть использованы для гидравлического расчета промышленных прямоточных клапанно-ситчатых тарелок. Во-вторых, предложено направление в разработке новых конструкций прямоточных клапанно-ситчатых тарелок.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Обзор конструкций клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз

Клапанные тарелки с перекрестно-прямоточным движением фаз получили широкое распространение в промышленности в связи с разработкой колонных массообменных аппаратов большой единичной мощности [99, с. 2] благодаря сочетанию высоких нагрузок по обеим фазам, взаимодействие которых осуществляется путем увлечения жидкой фазы быстродвижущимися газовыми струями с большой межфазной поверхностью, и повышенной эффективности контакта [51, с. 8]. Первые конструкции клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз появились в середине прошлого столетия [108, 109]. В СССР патенты на первые прямоточные клапанные тарелки были получены в 1960-х годах [7, 8]. Конструкция тарелки [8] представлена на рис. 1.1.1. Клапан тарелки 1 представляет круглый диск, который имеет две длинные ножки 4, расположенные ближе к сливу жидкости 2, и одну короткую ножку 3, вследствие чего центр тяжести смещен в сторону слива жидкости. При малых нагрузках по газу поднимается короткая ножка навстречу жидкости, при средних и умеренных нагрузках клапан принимает горизонтальное положение, а при больших нагрузках по газу поднимаются длинные ножки в направлении движения жидкости. Такая последовательность открытия клапанов позволяет поддерживать достаточно высокую эффективность контакта при любых нагрузках по газу.

Типичные конструкции клапанных тарелок с перекрестно-прямоточным движением фаз, подвижный элемент которых представляет пластину, открывающуюся в сторону слива жидкости с тарелки, представлены патентами [9, 75, 76, 110, 113]. Одна из таких конструкций [110] показана на рис. 1.1.2. Каждый жалюзийно-клапанный элемент состоит из пластинчатых клапанов 1, установленных в металлической рамке 2, имеющей в боковых «щеках» 3 отверстия, в которые входят цапфы клапанов. Максимальный угол поворота

клапанов (около 30°) ограничивается планкой 4. В каждом клапане

Энергия газового потока, проходящего через каналы между клапанами, используется для создания направленного движения газожидкостного потока по полотну тарелки. Двигаясь по тарелке, жидкость на жалюзийно-клапанных элементах вступает во взаимодействие с газом, поступающим с нижележащей тарелки. Особенностью конструкции является установка жалюзийно-клапанных элементов в углублениях полотна тарелки. В крайнем верхнем положении кромки

клапанов расположены на одном уровне с полотном тарелки. Это позволяет исключить дополнительное сопротивление движению жидкостного потока.

Существенной проблемой данных перекрестно-прямоточных тарелок является то, что при высоких скоростях наступает интенсивный прямоток, вследствие чего уменьшается время пребывания жидкости на тарелке и тем самым снижается эффективность массопередачи [39]. Решить данную проблему можно за счет организации контакта фаз в режиме задержанного прямотока [19, 29, 31]. Основным же способом сохранения высокой эффективности массопередачи при повышенных нагрузках по газу является компенсация прямоточного движения. Контактные устройства с компенсированным прямотоком по принципу компенсации прямотока можно разделить на три группы [94, с. 13-14]:

1. Устройства с компенсацией прямоточного движения фаз за счет установки на полотне (над полотном) компенсирующих элементов.

Данные тарелки имеют установленные непосредственно на полотне или над ним секционирующие перегородки, отбойники, интенсификаторы, которые перекрывают движение газожидкостного потока или его части к сливному устройству.

2. Устройства с компенсацией прямоточного движения фаз за счет энергии газового потока.

Контактные устройства, отнесенные к данной группе, имеют конструкцию контактных элементов, которая позволяет организовать ввод газа на полотно тарелки, таким образом, что часть потока газа выходит в прямотоке с жидкостью, а другая - под некоторым углом к направлению движения жидкости.

3. Устройства, использующие для компенсации прямоточного движения фаз оба указанных выше приема: компенсация осуществляется как за счет энергии газового потока, так и за счет компенсирующих элементов.

Использование перегородок приводит к заметному увеличению гидравлического сопротивления тарелки [99, с. 27]. Во избежание увеличения гидравлического сопротивления при использовании перегородок, жестко

и

соединенных с полотном тарелки, были разработаны конструкции балластных клапанных тарелок с динамическим секционированием [99, с. 27], [18].

Тарелки, компенсирующие прямоток за счет определенной ориентации клапанов на полотне представлены патентами [11, 14, 24, 25, 116].

Рис. 1.1.3. Конструкция прямоточной тарелки с различной ориентацией клапанов [116].

На тарелке [116] установлены прямоточные клапаны различной формы. За счет правильного расположения клапанов на пол