автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика массопередачи на провальных тарелках ректификационных колонн



Г-." Г

г ^ -'

На правах рукописи УДК 66.021.33 + 66.048.3

ФИЛИМОНОВ ИГОРЬ ВИКТОРОВИЧ

КИНЕТИКА МАССОПЕРЕДАЧИ НА ПРОВАЛЬНЫХ ТАРЕЛКАХ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

(05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ангарск 1998 г.

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории тепло- и массообмена кафедры технологии топлива Ангарского государственного технологического института

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Б. А. Ульянов; кандидат технических наук, доцент Б. И. Щелкунов.

Официальные оппоненты: •

доктор технических наук, профессор Л.В. Комарова; кандидат технических наук, доцент Н. Д. Губанов.

Ведущее предприятие - ОАО Ангарская нефтехимическая компания

Защита состоится декабря 1998 г на заседании

диссертационного совета К 064.51.01 при Ангарском государственном технологическом институте по адресу: 665835 Ангарск, ул. Чайковского 60, в ауд. 23 в 14. час.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Реферат разослан ^^ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидата технических наук, доцент А. А. Асламов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ректификация является одним из основных процессов химической технологии. С помощью ее осуществляют разделение больших количеств жидких смесей на отдельные компоненты или фракции. На долю ректификации приходится огромный объем капиталовложений и энергетических затрат.

Наиболее распространенными аппаратами для осуществления ректификации смесей являются тарельчатые колонны. Особенность их устройства позволяет применить ступенчатый метод расчета, известный в литературе как метод "от тарелки к тарелке". В качестве основного элемента в нем вступает одиночная контактная ступень, математическое описание которой включает систему балансовых термодинамических и кинетических уравнений. При этом имеются различные подходы к оценке кинетики массопередачи, отличающиеся разной степенью детализации описания процесса.

Известно, что процессы массообмена между паром и жидкостью протекают на поверхности контакта фаз, которая образована пузырьками и струями пара, каплями и пленками жидкости и трудно поддается определению. Тем не менее разработаны методы измерения межфазной поверхности и выполнены систематические исследования, позволившие установить зависимость поверхности от гидродинамических факторов, конструктивных параметров тарелок и физико-химических свойств систем. Сведения о величине межфазной поверхности и о ее состоянии позволили определить истинные коэффициенты массо-отдачи в паре и в жидкости и установить их зависимость от определяющих факторов. В то же время вопросы, массообмена в тарельчатых ректификационных колоннах с учетом действительной поверхности контакта фаз обсуждались недостаточно, а использование такого подхода при разработке программ для расчета промышленных колонн вообще отсутствует.

Учитывая громадные масштабы переработки жидких смесей с помощью ректификации, большую металлоемкость аппаратуры и высоки затраты энергии, разработка надежных методов расчета тарельчатых ректификационных колонн и создание соответствующего программного обеспечения следует считать актуальной задачей.

Цель работы состояла в исследовании кинетики массопередачи между паром и жидкостью на тарелках ректификационных колонн и ее адекватном описании; в разработке программы кинетического расчета тарельчатых ректификационных колонн, основанного на сведениях о величине межфазной поверхности и истинных коэффициентах массоотдачи; в анализе работы установки ректификации ксилолов и этилбензола на химическом заводе ОАО АНХК и оптимизации ее режимных параметров.

Научная новизна. На основе лабораторных испытаний и анализа работы промышленных ректификационных колонн выполнена сравнительная оценка зависимостей для расчета гидравлических и массообменных характеристик провальных тарелок и рекомендованы к использованию наиболее надежные уравнения.

Путем оценки фазовых сопротивлений массообмену установлена разная степень влияния величины межфазной поверхности на эффективность разделения смесей, что позволило сформулировать требования к формированию парожидкостных слоев на контактных тарелках.

Разработан метод расчета положения условных линий равновесия для каждого компонента многокомпонентной смеси, что позволило определить разделяющее действие колонны и эффективность тарелок по каждому компоненту смеси.

Установлено значительное взаимодействие компонентов многокомпонентной смеси в области перегиба линий ректификации. Показано, что взаимодействие имеет термодинамический характер. Предложены приемы его учета при расчете промышленных аппаратов.

Уточнены зависимости для расчета гидравлического сопротивления провальных тарелок при ректификации смесей, отличающихся большой плотностью пара.

Предложен способ регулирования режима работы провальных тарелок при переменных нагрузках по пару и жидкости, основанный на изменении давления в колонне.

Практическая значимость. Разработана программа кинетического расчета ректификации многокомпонентных смесей в тарельчатых колоннах, основанная на использовании зависимостей для поверхности контакта фаз и истинных коэффициентов массоотдачи. С помощью ее выполнен проектный расчет

установки ректификации бинарной смеси изопропанол-вода и серия поверочных расчетов установки ректификации изомеров ксилола и этилбензола. Программа кинетического расчета рекомендована к использованию при проектировании и оптимизации режимов работы тарельчатых ректификационных колонн.

Сформулированы требования к высоте парожидкостного слоя и величине межфазной поверхности в зависимости от распределения сопротивлений мас-сообмену между паром и жидкостью, которые реализованы при проектировании установки ректификации смеси изопропанол-вода..

Разработаны рекомендации по изменению технологической схемы и режима работы установки ректификации ксилолов и этилбензола при пониженных нагрузках в АО АНХК, которые позволили перейти от трехколонной схемы на более простую двухколонную, и обеспечили значительную экономию энергетических затрат. Ожидаемый экономический эффект от реализации разработок составляет 29,2 млн. рублей в год.

Материалы исследования вошли в учебное пособие "Ректификация бинарных и многокомпонентных смесей" (издательство Иркутского государственного технического университета, 1998 г.), которое рекомендовано Региональным учебно-методическим центром для студентов химико-технологических специальностей вузов.

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях. Они были доложены на Всероссийской научно-технической конференции "Теория и практика массообменных процессов химической технологии" г. Уфа (1996 г.); на конференциях Ангарского технологического института "Современные технологии и научно-технический прогресс" (1994 -1998 гг.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации изучены вопросы гидравлики и кинетики массопередачи на провальных тарелках при ректификации бинарных и многокомпонентных смесей; разработаны алгоритм и программа кинетического расчета тарельчатых ректификационных колонн, основанные на сведениях о межфазной поверхности и действительных коэффициентах массоотдачи, которые использованы при проектных и поверочных расчетах промышленных ректификационных колонн.

В первой главе диссертации критически рассмотрены имеющиеся в литературе сведения о режимах работы, гидравлических характеристиках и кинетике массопередачи между паром (газом) и жидкостью на провальных тарелках ректификационных и абсорбционных колонн. При этом отмечается, что зависимости для расчета гидравлического сопротивления, запаса жидкости, высоты двухфазных слоев получены, в основном, на холодных стендах сравнительно небольших размеров в процессах абсорбции и испарительного охлаждения жидкостей. Использование их для расчета промышленных колонн большого диаметра при ректификации смесей, сильно отличающихся физическими свойствами от модельных, требует дополнительной проверки и уточнений.

В литературе имеются обобщенные зависимости, которые позволяют рассчитать скорость массообмена в паре и в жидкости и на основе этого определить эффективность контактных тарелок. Все предложенные уравнения базируются на аддитивности фазовых сопротивлений массопередаче. В то же время большинство корреляций получено при исследовании абсорбции легко растворимых или при десорбции трудно растворимых газов. Условия протекания этих процессов существенно отличаются от ректификации, когда пар и жидкость находятся в состоянии насыщения, а переход вещества из одной фазы в другую сопровождается одновременно протекающими процессами теплообмена.

Некоторые уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи получены по результатам экспериментов на горячих стендах в колоннах диаметром от 80 до 420 мм. При этом особое внимание заслуживают исследования массообмена с одновременным измерением величины межфазной поверхности. В этом случае удается получить зависимость для истинных коэффициентов массоотдачи и объективно оценить влияние гидравлических факторов, конструктивных параметров, физико-химических свойств системы на скорость массообмена в каждой фазе. Действительно, все эти факторы по разному влияют на величину межфазной поверхности, которая является экстенсивным параметром процесса и коэффициенты массоотдачи, характеризующие интенсивность процесса массообмена. Раздельный учет этих величин открывает возможность уточнения описания и расчета процессов массообмена на контактных тарелках ректификационных колонн.

Отмечается, что все зависимости по расчету массообмена при ректификации получены на основе исследования бинарных смесей, которые редко встречаются на практике. В большинстве случаев ректификации подвергаются сложные многокомпонентные смеси веществ. Вопрос о возможности и путях использования корреляций для бинарных смесей при расчете многокомпонент- ; ной ректификации широко обсуждался в литературе. При этом высказываются две противоположные точки зрения. Одни из исследователей считают необхо- ; димым учитывать эффекты взаимодействия компонентов в многокомпонентных -смесях, другие - допускают независимую массопередачу, при которой потоки каждого компонента определяются собственной движущей силой и могут быть рассчитаны независимо друг от друга. В связи с большой важностью вопроса, необходимы дальнейшие исследования в этом направлении.

В заключении обзора рассмотрены алгоритмы расчета тарельчатых рек-, тификационных колонн на основе различной степени детализации описания процесса. При этом отмечается, что подход связанный с использованием истинных коэффициентов массоотдачи и учетом величины межфазной поверхности заслуживает большого внимания. Однако до сих пор он не реализован в проектной практике.

На основе обзора литературы формулируются задачи исследования:

- оценить точность имеющихся корреляций для расчета гидравлических и массообменных характеристик процесса ректификации бинарных смесей;

- исследовать межкомпонентное взаимодействие при ректификации многокомпонентных смесей и возможность описания процесса на основе независимой массопередачи;

- разработать программное обеспечение для кинетического расчета многокомпонентной ректификации, основанное на сведениях о межфазной поверхности и истинных коэффициентах массоотдачи;

- реализовать программы при проектных и поверочных расчетах промышленных ректификационных колонн.

Вторая глава диссертации посвящена описанию лабораторной ректификационной установки, которая включает в себя колонну диаметром 200 мм, снабженную восемью тарелками провального типа. Для визуального наблюдения за гидродинамическимрежимом третья снизу тарелка имела смотровые окна, выполненные из термостойкого стекла. Колонна, теплообменная аппарату-

ра и трубопроводы имели необходимую тепловую изоляцию, исключающую существенные потери тепла в окружающую среду. Это позволяло на основе тепловых балансов определить потоки пара и рассчитать скорости его в разных сечениях колонны. Установка бала оснащена приборами, позволяющими фиксировать параметры процесса и осуществлять отбор проб.

Определение состава проб жидкости проводилось на газо-жидкостном хроматографе "Хром-ЗК". При анализе спиртовых и водоспиртовых смесей использовался метод внутреннего стандарта. При анализе смеси изомеров ксилола и этилбензола расчет составов производился методом внутренней калибровки.

Физико-химические свойства жидкости и пара рассчитывались на ПЭВМ по специальной программе "Физхим", разработанной в лаборатории тепло- и массообмена АГТИ.

Располагая сведениями о гидравлическом сопротивлении, запасе жидкости на тарелке, паросодержании слоев, а также зная физические свойства системы, можно было рассчитать величину межфазной поверхности по уравнению (1 ) и кинетические параметры процесса по зависимостям 2-5 (табл. 1).

Л = 0,14-

<Рг

1,283 0,133 ( \ О" -0,6

1 ^кМа )

(1)

Сведения о составах пара и жидкости, а также данные по паро-жидкостному равновесию позволяли определить эффективность реальных тарелок^.

С целью оценки точности и надежности имеющихся зависимостей для расчета кинетики процесса массопередачи на провальных тарелках, было проведено сопоставление результатов расчета с данными экспериментов для 7 бинарных смесей: метанол-изопропанол; этанол-вода; изопропанол-вода; вода-уксусная кислота; метанол-вода; ацетон-бензол; ацетон-метанол. Так как уравнения позволяли рассчитать разные кинетические характеристики, сопоставление проводилось по эффективностям контакта Еос, которые для провальных тарелок отождествлялись, вследствие полного перемешивания жидкости, с. эффективностью по Мэрфри Емс. Видно, что зависимости ( 5 ) для истинных

коэффициентов массоотдачи наиболее точно описывают экспериментальные данные. Эти уравнения учитывают не только величину межфазной поверхности, но и ее состояние, обусловленное термической нестабильностью пограничных слоев. Исходя из этого^уравнения ( 5 ) были рекомендованы для практического использования и вошли в программу кинетического расчета ректификационных колонн.

Таблица 1

Результаты статистической обработки опытных данных по эффективности тарелок

№ 2 Кинетические зависимости Отклонения (%): Доля результантов (%) в интервале отклонения

стандарт относит. ±10% ±20%

, Рс-А'Х , Г^РсУ'' ( Ис А, \ Ие ) \PCDgj ( о" Т" Г О,. ' {/'1р,е) 1 Щ ) 1/ 0,25 ) 40,! Л ] у 16,3 32,5 0,333 0,516

3 12,0 19,9 0,323 0,667

4 1>С 1 <РгРо ,) {РаОс) / ^0I7 / \0,5 / . ч 0.5 ЛЧ, •/>,.) (-л. ] { Л. у О,. "1 ; 10,004,! 13,1 37,1 0,197 0,226

5 . . , . ....., ч 0,75 / \0,5 °а " ' 1 ."с ; V л.) UíDJ 1 Л) ' 9,6 13,7 0,559 0,871

' Анализ уравнений ( 5 ) показывает, что величена межфазной поверхности по-разному влияет на интенсивность массообмена в паре и в жидкости.

С уменьшением диаметра пузырьков коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе уменьшаются в степени 0,5, (Рь ~ ¿„°'5), а удельная объемная поверхность контакта фаз увеличивается в первой степени (а~с!'1). В результате объемные коэффициенты массоотдачи в жидкости возрастают с уменьшением с!п.

Качественно иначе меняются коэффициенты массоотдачи в паровой фазе. Они зависят не только от размера пузырьков, но и от высоты парожидкост-ного слоя. С укрупнением пузырьков и уменьшением высоты слоя истинные коэффициенты массоотдачи на стороне пара увеличиваются. Это может быть объяснено двумя причинами - улучшением циркуляции пара и резким изменением его скорости при выходе из отверстий. Изменение скорости пара происходит в сравнительно невысоком слое, прилегающем к тарелке. В этой зоне наблюдается интенсивный массообмен, а остальная поверхность контакта работает менее активно.

На рис. 1 для примера показано изменение удельной поверхности и кинетических параметров массообмена при ректификации изомеров ксилола. Видно, что для данной смеси величина поверхности сильно влияет на массообмен в жидкой фазе и посредством этого на эффективность тарелки.

Установленные закономерности использованы при проектировании колонны ректификации бинарной смеси изопропанол-вода, образующейся в процессе осушки ацетилена и винилхлорида на ОАО Усолье ХИМЛРОМ. Для этой смеси наблюдается перераспределение сопротивлений между фазами в зависимо-

60

40

20

0 2 1.5 1

0,5 0

А, и31м2

—

Ng —*--

ML

го 40 бо во hi. мм сти от концентрации смеси. При кон-

Рис. 1. Изменение поверхности контак- центрациях смеси, близких к азео-та и чисел единиц переноса, в зависимости от высоты двухфазного слоя тройному составу, сопротивление, в

Смесь изомеров ксилола и этилбензола. основном, сосредоточено в паровой Колонна 0 3,2 м.

фазе и небольшая межфазная поверхность обеспечивает достаточно высокую эффективность тарелок. При низ-

ких концентрациях изопропанола основное сопротивление массообмену приходится на жидкую фазу. Обеспечить высокую эффективность тарелок здесь удается лишь за счет формирования двухфазных слоев с большой поверхностью

контакта фаз. -..........■ • ••• ••

Возможность использования кинетических зависимостей для ректификат ции бинарных смесей при описании многокомпонентной ректификации экспе- -риментально проверена в лабораторных условиях на смеси метанол-изопропанол-вода, а также при расчете промышленных колонн ректификации,, изомеров ксилола и этилбензола.

Водоспиртовая смесь метанол-изопропанол-вода существенно неидеальна. Для описания равновесия между паром и жидкостью была использована двухпараметрическая модель Вильсона. При этом коэффициенты активности любого компонента смеси определялись как:

у,.

А

Ьа,

\J• 1 )

(6)

На рис. 2 показано изменение концентрации компонентов по высоте колонны для одного из режимов. Видно, что концентрация легколетучего и высо-кокипящего компонентов изменяются монотонно, а линия концентрации средне-кипящего компонента (изопропанола) имеет точку перегиба в районе 6— тарелки. Нами был выполнен расчет ректификации этой смеси для условий эксперимента по уравнениям ( 5 ), исходя из независимости массопередачи каждого

Рис. 2. Изменение концентрации и тангенса угла наклона условных линий равновесия по высоте колонны'для смеси метанол (м)-изопропанол (и)-вода (в). Колонна 0 200мм. Я?=со

компонента. При этом необходимо было знать положение условных линий равновесия каждого компонента. Для расчета тангенса угла наклона условных линий равновесия был использован метод, суть которого легко понять из работы теоретической провальной тарелки в условиях полного орошения. Для этих условий концентрация жидкости на вышележащей тарелке равна равновесной

концентрации пара x2i = у'и, т.е. изменение концентрации каждого компонента в жидкости происходит в направлении равновесного состава пара. Приняв небольшое приращение концентраций в этом направлении (0,01 Ах, ), получали новый состав жидкости и, определив для него равновесные концентрации, находили тангенсы угла наклона т, условных линий равновесия. Значения их для рассматриваемого режима представлено на рис. 2. Видно, что в области перегиба линии ректификации функция т1 для среднекипящего компонента претерпевает разрыв. Это обуславливает значения эффективности (меньше 0 или больше 1), соответствующие понятиям реверсивной или осмотической диффузии. В этой области изменение концентрации среднекипящего компонента происходит, в основном, за счет переноса других компонентов смеси.

Так как область перегиба условных линий равновесия невелика, преодолеть ее можно путем искусственного приема, а именно, полагая:

Ема = 0 при Ема < 0 и EMCi = 1 при Ема > 1 (7)

Аналогичную картину можно было наблюдать и при ректификации смеси изомеров ксилола, в которой среднекипящий компонент мета-ксилол имеет максимум концентрации в одном из сечений колонны (рис. 3). Эффективность тарелок по этому компоненту в указанной области принимает аномальные значения. Используя в расчетах соотношения ( 7 ), можно было и в этом случае получить хорошее соответствие действительных и рассчитанных составов смеси.

Таким образом, отмеченное взаимодействие компонентов имеет термодинамический характер, проявляется лишь в узких ограниченных областях концентраций и может быть преодолено в расчетах с помощью указанных приемов.

1,3

т

1.1

0,9 -

0,7 -

0,5 -0

Рис. 3. Изменение тангенса угла наклона условных линий равновесия для изомеров ксилола (ок, пк, мк), этилбензола (эб), пропилбензола (пб).

В третьей главе диссертации приводятся результаты обследования промышленной установки ректификации ксилолов и сопоставление показателей ее работы с расчетом по имеющимся зависимостям.

Установка включает в себя три последовательно соединенных колонны, две из которых снабжены решетчатыми провальными тарелками. Первая колонна имеет диаметр 3,2 м и насчитывает 147 тарелок, другая - диаметр 1,4 м и 50 тарелок. Крупный масштаб колонн позволял оценить применимость зависимостей для расчета гидравлических и массообменных характеристик промышленных контактных тарелок.

При обследовании колонн отбирались и анализировались пробы питания и продуктов разделения в определенные моменты времени. Одновременно фиксировались расходы потоков, температуры и давления. Зная давление в верхней и нижней частях колонны, можно было определить общее гидравлическое сопротивление колонны, а разделив его на число тарелок, найти среднее гидравлическое сопротивление тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки можно было рассчитать и по имеющимся в литературе эмпирическим зависимостям.

Было установлено, что все имеющиеся уравнения для расчета гидравлического сопротивления тарелок дают заниженное значение АРТ . Это можно объяснить тем, что при выводе их использовались, в основном, данные полученные на системах воздух-жидкость. Исследованная нами смесь изомеров ксилола и этилбензола обладала большой молекулярной массой.

При этом плотность пара изменялась в пределах от 3,3 до 4,1 кг/м3, что в несколько раз превосходит плотность воздуха. По-видимому, не вполне корректный учет влияния плотности пара на гидродинамику провальных тарелок и обуславливает наблюдаемые расхождения измеренных и рассчитанных значений АРт. Введение в расчетные зависимости поправочного сомножителя

(РвIРе)"* представляющего собой соотношение плотностей пара и воздуха, позволило получить согласующиеся результаты. Показатель степени п был

найден путем статистической обработки многочисленных измерений и оказался равным 0,4.

Для оценки эффективности массообмена на тарелках промышленных колонн были рассчитаны коэффициенты массоотдачи в паре и в жидкости по уравнениям ( 5 ), а на основе их числа единиц переноса и эффективность контакта по каждому компоненту. На рис. 4 показано изменение этих величин по высоте колонны для одного из режимов. Видно, что числа единиц переноса в паре значительно превосходят число единиц пе-:

_ реноса в жидкости. Большое сопро-

Рис. 4. Изменение удельной поверхности (А) чисел единиц переноса (Ыв , Лу и тивление в жидкой фазе обуславли-

эффоктивцость тарелок Ема по высоте вает низкое значение эффективности колонны.

Смесь изомеров ксилола и этилбензола. контакта. которое изменяется в пре-Колонна 03,2 м. делах от 0,3 до 0,22.

Для того чтобы оценить адекватность математического описания процесса мы сравнили число рассчитанных тарелок, необходимых для заданного разделения с числом действительных тарелок, установленных в колонне. В табл. 2 приведены результаты сравнения для обеих колонн. Видно, что имеет место хорошее , совпадение рассчитанного числа тарелок с фактическим. Это свиде-

12г

тельствует об адекватности модели, основанной на использовании данных по поверхности контакта фаз и истинным коэффициентам массоотдачи.

Таблица 2

Сравнение рассчитанных и действительных тарелок в колоннах К-1 и К-2

Колонна К-1 диаметром 3,2 м Колонна К-2 диаметром 1,4 м

Режим Число тарелок Погрешность, % Режим Число тарелок Погрешность, %

действ. расч. дейст. расч.

1 147 146 -0,7 1 50 53 6,0

2 147 143 -2,7 2 50 59 18,0

3 147 132 -10,2 3 50 50 0,0

4 147 156 6,0 4 50 52 4,0

5 147 145 1,4 5 50 52 4,0

6 147 166 12,9 6 50 55 10,0

7 50 46 -8,0

| Среднее: ± 5,7 Среднее: ± 7,1

Четвертая глава диссертации посвящена разработке программы кинетического расчета тарельчатых ректификационных колонн и оптимизации с помощью ее режимов работы установки ректификации ксилолов в условиях ОАО АНХК.

В настоящее время имеется целый ряд программ для ЭВМ, позволяющих выполнять термодинамический расчет процесса ректификации многокомпонентных смесей и определять число теоретических тарелок, необходимых для заданного разделения. Они, как правило, содержат большие базы данных о физико-химических свойствах веществ, имеют блоки расчета паро-жидкостного равновесия смесей, реализуют современные итерационные методы сходимости расчетов и т.д. Это представляет большую ценность при моделировании процессов. Однако в них отсутствуют алгоритмы кинетического расчета процессов, протекающих на тарелке, что в значительной мере снижает их достоинство. Наиболее рациональным решением, с нашей точки зрения, является модификация имеющихся программных продуктов путем включения в них блока рас-

чета кинетики массопередачи и эффективности контакта на каждой тарелке (рис. 5). Объекты 1,0+1,3 и объект 3,0 соответствуют алгоритмам, заложенных в программах, термодинамического расчета. Объекты 2,0+2,6 представляют разработанные нами блоки расчета кинетики процесса. Первостепенное значение при этом имеет точность и надежность зависимостей для расчета гидравлических и массообменных характеристик тарелок. Этому вопросу посвящена значительная часть настоящей работы, которая позволила выбрать соответствующие зависимости. Разработанная программа кинетического расчета была использована при оптимизации режимов работы установки ректификации ксилолов.

Рис. 5. Блок-схема программы кинетического расчета ректификационных'колонн.

Установка ректификации ксилолов В ОАО АНХК была рассчитана на переработку 10 м3/час исходного сырья - изомеров ксилола и этилбензола с выделением в качестве продукта ортоксилола концентрацией не ниже 98,2% масс. В настоящее время, вследствие уменьшения объема перерабатываемой нефти, нагрузки резко снижены и составляют ~ 6,5 м3/час. Известно, что провальные тарелки имеют узкий диапазон устойчивой работы и уменьшение подачи сырья отрицательно сказалось на формировании двухфазных слоев с развитой поверхностью контакта фаз. Это в свою очередь привело к уменьшению эффективности тарелок и ухудшению разделения смеси, которое характеризуется

не только концентрацией ортоксилолаа в продукте, но и величиной его отбора от потенциала. Существующий вариант организации процесса позволяет получить продукт с концентрацией ~ 98,2%, но отличается низким отбором ортокси-лола (~ 23%). Остальная часть ортоксилола оказывается невыделенной и уходит в компоненты низкосортного бензина. Это отрицательно сказывается на экономических показателях производства. Кроме того существующий вариант отличается большим энергопотреблением, составляющим ~ 25000 МДж/час.

Было показано, что низкая эффективность тарелок объясняется большим сопротивлением процессу массообмена на стороне жидкости. Уменьшить это сопротивление для данной смеси можно путем увеличения поверхности контакта фаз. Формирование двухфазных слоев с большой поверхностью контакта может быть достигнуто за счет уменьшения доли свободного сечения тарелок. В связи с этим был рассмотрен вариант изменения доли свободного сечения нижних тарелок с 18,1 до 14% за счет установки сплошного кольца, прилегающего к стенкам колонны. Расчеты гидравлики и массообмена в этих условиях показали, что при тех же самых энергозатратах и той же чистоте продукта можно увеличить отбор ортоксилола от потенциала до ~ 45%.

Нами предложен новый способ поддержания устойчивого гидродинамического режима работы провальных тарелок при колебании нагрузок - за счет изменения давления в колонне. Разный характер изменения скорости пара и его плотности обуславливает возрастание фактора паровой нагрузки при понижении давления в колонне, что в свою очередь влияет на режим работы провальных тарелок.

Расчет процессов ректификации по разработанной нами программе позволил определить рабочее давлении в колонне, обеспечивающее высокую эффективность тарелок. Повышение эффективности тарелок при работе колонны под пониженным давлением позволяет улучшить разделение смеси в основной колонне.

На рис. 6 показано изменение некоторых гидравлических и массообмен-ных параметров по высоте колонны при давлении в верхней части Ре =0,5 ата. Повышение эффективности тарелок обеспечивало получение продукта с концентрацией 98,2 - 98,5% при высоком отборе ортоксилола от потенциала (73,7ч-77,3%).

Рис. 6. Изменение гидравлических и массообменных характеристик тарелок по высоте колонны К-1. Давление вверху колонны 0,5 а та; внизу 0,81 ата.

Особо следует отметить значительное снижение энергетических затрат до ~ 18000 МДж/час и исключение из схемы промежуточной колонны, что ведет к сокращению затрат энергии на перекачку жидкости и амортизационных расходов на эксплуатацию оборудования. Экономический эффект .от внедрения разработки составляет 29,2 млн. рублей в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На лабораторной колонне, снабженной тарелками провального типа, проведено исследование ректификации бинарных и трехкомпонентной смесей. Путем обработки собственных результатов эксперимента и данных других исследователей выполнена оценка точности корреляций для расчета скорости массообмена между паром и жидкостью. Показано, что наиболее надежными являются зависимости, учитывающие величину поверхности контакта фаз.

2. Исследование ректификации тройной водоспиртовой смеси показало применимость уравнений для бинарных смесей при расчете многокомпонентной ректификации во всей области концентраций кроме участков, связанных с перегибом линии ректификации отдельных компонентов. Установлено, что наблюдаемые здесь эффекты взаимодействия имеют термодинамический

характер. Разработаны приемы преодоления этих областей при расчете ректификации многокомпонентных смесей.

3. Сформулированы требования к высоте парожидкостного слоя и величине межфазной поверхности в зависимости от распределение сопротивлений массообмену между паром и жидкостью в процессе ректификации бинарных и многокомпонентных смесей, которые могут служить руководством при выборе конструктивных параметров тарелок на стадии проектирования.

4. Разработана программа кинетического расчета ректификации многокомпонентных смесей с использованием зависимостей для определения величины межфазной поверхности и истинных коэффициентов массоотдачи. Сопоставление показателей работы промышленных колонн ректификации ксилолов с расчетом по кинетическому методу показало хорошую сходимость, что свидетельствует об адекватности заложенной модели и возможности использования ее при решении практических задач.

5. Выполнено обследование промышленной установки ректификации ксилолов и этилбензола в условиях АО АНХК. Сопоставление действительного перепада давления в колоннах с расчетом по различным уравнениям показало значительные расхождения, которые обусловлены большой плотностью пара рабочей смеси. Введение поправочного множителя в расчетные корреляции привело к согласованию гидравлических показателей работы промышленных колонн диаметром 3,2 м и 1,4 м, снабженных решетчатыми провальными тарелками.

6. С помощью разработанной программы кинетического расчета выполнен анализ различных вариантов работы установки ректификации ксилолов в условиях пониженной нагрузки по сырью. Наиболее выгодным оказался путь, связанный с изменением давления в системе. Он позволил исключить одну из колонн, повысив при этом качество продукта и снизив энергозатраты. Экономический эффект от внедрения составляет 29,2 млн. рублей в год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Филимонов И.В., Щелкунов Б.И., Середюк Ф.С., Ульянов Б.А. Сравнение схем выделения ортоксилола. В сб. Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах. - Иркутск 1996. - С. 78-80.

2. Щелкунов Б.И., Филимонов И.В., Ульянов Б.А., Асламов А.А. Массо-обмен в жидкой фазе на тарелках ректификационных колонн. В сб. Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах. - Иркутск 1996. -С. 105-109.

3. Ульянов Б.А., Щелкунов Б.И., Фереферов М.Ю., Филимонов И.В. Ректификация и очистка промышленных стоков. //Материалы региональной научно-технической конференции "Ректификация, сорбция и мембраны в защите окружающей среды ". - Ангарск: АГТИ, 1998. - С. 15-29.

4. Казачков А.И., Филимонов И.В., Войтик B.C. Опыт внедрения термического процесса извлечения из сточных вод солей аммония. //Материалы региональной научно-технической конференции "Ректификация, сорбция и мембраны в защите окружающей среды". - Ангарск: АГТИ, 1998. - С. 47-50.

5. Ульянов Б.А., Муссакаев О.П, Филимонов И.В. Совершенствование конструкции желобчатой тарелки. //Материалы Всероссийской научной конфе-рёнции Теория и практика массообменных процессов химической технологии" - Уфа:УГНТУ, 1996-С. 129-130.

6. Филимонов И.В., Ульянов Б.А., Щелкунов Б.И. Оценка адекватности модели и объекта при исследовании ректификации многокомпонентной смеси. // Тезисы доклада научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс" - Ангарск, АГТИ, 1994 - С. 38-39.

7. Филимонов И.В., Щелкунов Б.И., Смолянинова О.В., Ульянов БА Использование метода UNIFAC для расчета равновесия между паром и жидкостью в смеси насыщенных углеводородов с ацетонитрилом. II Тезисы доклада научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс" - Ангарск, АГТИ, 1995 - С. 18-19.

8. Фереферов М.Ю., Филимонов И.В.ГЩелкунов Б.И., Ульянов Б.А. Положение тарелки питания колонны при различных отборах продуктов. // Тезисы доклада научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс" - Ангарск, АГТИ, 1996 - С. 35.

9. Фереферов М.Ю., Филимонов И.В., Ульянов Б.А., Щелкунов Б.И. Разделение кубовых остатков производства трихлорэтилена. // Тезисы доклада научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс"-Ангарск, АГТИ, 1998-С. 46.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с1п - диаметр пузырьков, м. Х- капиллярная постоянная, х - -^с/рьЗ • м-\ - высота слоя жидкости на тарелке, м. кг - высота пены, м.

А - поверхность контакта, отнесенная к единице площади тарелки, м2/м2.

Рт - активная площадь тарелки, м2.

IVк - скорость пара в колонне, м/с.

IV, - скорость жидкости на тарелке, м/с.

Уь- объемный расход жидкости, м3/с.

<рг - газосодержание двухфазного слоя.

р0 - плотность газа, кг/м3.

рь - плотность жидкости, кг/м3.

рс- вязкость газа, Па с.

ц, - вязкость жидкости, Па с.

с1 - теплоемкость жидкости, «Дж/кг К.

г - скрытая теплота испарения, кДж/кг.

а- поверхностное натяжение, Н/м.

О0- коэффициент молекулярной диффузии в паре, м2/с.

- коэффициент молекулярной диффузии в жидкости, м2/с. АР^- сопротивление двухфазного слоя, Па. g - ускорение свободного падения, м/с2. т - константа фазового равновесия, х - мольная доля компонента в жидкости. у - мольная доля компонента в паре. ра - коэффициент массоотдачи в паре, м/с. Р, - коэффициент массоотдачи в жидкости, м/с. Л/д- число единиц переноса в паре. Л^ - число единиц переноса в жидкости. Еоа - локальная эффективность контакта. Еиа- эффективность тарелки по Мэрфри.

Формат 60x84 1/16. Бумага типографская. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд.л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 193

ЛР №020263 от 30.12.96 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

(

\

/ ,

/ / /

ее**1' / /

Ангарский .Государственный технологический институт

На правах рукописи УДК 66.021.33 + 66.048.3

ФИЛИМОНОВ ИГОРЬ ВИКТОРОВИЧ

КИНЕТИКА МАССОПЕРЕДАЧИ НА ПРОВАЛЬНЫХ ТАРЕЛКАХ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

(05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор техн. наук, профессор Б.А.Ульянов, кандидат техн. наук, доцент Б.И.Щелкунов.

Ангарск 1998 г.

Стр.

Введение.......................................4

Основные условные обозначения........................5

1. Литературный обзор...............................8

1.1. Основные гидродинамические характеристики провальных тарелок ... 8

1.2. Массообмен между паром (газом) и жидкостью на провальных тарелках ректификационных и абсорбционных колонн................16

1.3. Кинетика массопередачи в многокомпонентных смесях..........23

1.4. Расчет процессов ректификации многокомпонентных смесей.......29

1.5. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования . . 32

2. Кинетика массопередачи в колоннах с провальными тарелками.....35

2.1. Лабораторная ректификационная установка, методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных...........35

2.2. Оценка кинетических зависимостей для расчета массопередачи на провальных тарелках при ректификации бинарных смесей.........41

2.3. Влияние величины межфазной поверхности на эффективность провальных тарелок..............................50

2.4. Массообмен при ректификации многокомпонентных смесей и оценка межкомпонентного взаимодействия.....................56

3. Обследование промышленной установки ректификации ксилолов в

условиях ОАО АНХК..............................67

3.1. Схема выделения товарного орто-ксилола и анализ работы колонн . . . 67

3.2. Сравнение гидравлического сопротивления тарелок промышленных колонн с расчетом его по имеющимся зависимостям............71

3.3. Эффективность провальных тарелок промышленных колонн ректификации ксилолов............................78

4. Разработка программы кинетического расчета тарельчатых

ректификационных колонн и оптимизация установки ректификации ксилолов......................................87

4.1. Блок-схема программы кинетического расчета тарелок ректификационных колонн...........................88

4.2. Расчет установки ректификации ксилолов и этилбензола при снижении нагрузок по сырью...............................94

4.2.1. Изменение конструкции решетчатых провальных тарелок......97

4.2.2. Изменение схемы синтеза колонн...................98

4.2.3. Изменение давления в колонне....................99

Основные результаты и выводы.........................108

Литература ......................................110

Приложения.....................................121

Ректификация является одним из основных процессов химической технологии. С помощью ее осуществляют разделение больших количеств жидких смесей на отдельные компоненты или фракции. На долю ректификации приходится огромный объем капиталовложений и энергетических затрат.

Наиболее распространенными аппаратами для осуществления ректификации смесей являются тарельчатые колонны. Особенность их устройства позволяет применить ступенчатый метод расчета, известный в литературе как метод "от тарелки к тарелке". В качестве основного элемента в нем вступает одиночная контактная ступень, математическое описание которой включает систему балансовых термодинамических и кинетических уравнений. При этом имеются различные подходы к оценке кинетики массопередачи, отличающиеся разной степенью детализации описания процесса.

Известно, что процессы массообмена между паром и жидкостью протекают на поверхности контакта фаз, которая образована пузырьками и струями пара, каплями и пленками жидкости и трудно поддается определению. Тем не менее разработаны методы измерения межфазной поверхности и выполнены систематические исследования, позволившие установить зависимость поверхности от гидродинамических факторов, конструктивных параметров тарелок и физико-химических свойств систем. Сведения о величине межфазной поверхности и о ее состоянии позволили определить истинные коэффициенты массоотдачи в паре и в жидкости и установить их зависимость от определяющих факторов. В то же время вопросы массообмена в тарельчатых ректификационных колоннах с учетом действительной поверхности контакта фаз обсуждались недостаточно, а использование такого подхода при разработке программ для расчета промышленных колонн вообще отсутствует.

Учитывая громадные масштабы переработки жидких смесей с помощью ректификации, большую металлоемкость аппаратуры и высоки затраты энергии, разработка надежных методов расчета тарельчатых ректификационных колонн и создание соответствующего программного обеспечения следует считать актуальной задачей.

2) - диаметр тарелки, м.

й9 - диаметр отверстий, м.

¿п - диаметр пузырьков, м.

йэ - эквивалентный диаметр, м,

Нмт - расстояние между тарелками, м.

Нс - высота сепарационного пространства, м.

I - характерный линейный размер, м.

X - капиллярная постоянная, х - Рь8 - м-

Ъь - высота слоя жидкости на тарелке, м.

- высота пены, м.

5 - толщина тарелки, м.

/с - доля относительного свободного сечения тарелки, м2/м2.

а - удельная объемная поверхность контакта фаз, м2/м3.

А - удельная поверхность контакта фаз, отнесенная к единице площади

тарелки, м2/м2

Т7 - общая поверхность контакта фаз на тарелке, м2.

- скорость пара в колонне, м/с.

Ш0 - скорость пара в отверстиях тарелки, м/с.

- скорость жидкости на тарелке, м/с. С - массовый расход пара, кг/с.

Ь - массовый расход жидкости, кг/с.

¥с - объемный расход пара, м3/с.

¥ь - объемный расход жидкости, м3/с.

и - плотность орошения, и=¥ь/8к, м3/м2с.

Рф - фактор паровой нагрузки, Рф , кг0,5/м°'5с.

е - межтарельчатый брызгоунос, кг/кг.

(рг - паросодержание двухфазного слоя.

р - давление, Па.

I - температура, °С.

рв - плотность газа, кг/м3.

рь - плотность жидкости, кг/м3.

/лв - вязкость газа, Па с.

/ль - вязкость жидкости, Па с.

сь - теплоемкость жидкости, кДж / кг К.

г - скрытая теплота испарения, кДж / кг.

сг - поверхностное натяжение, Н / м.

- коэффициент молекулярной диффузии в паре, м2 / с.

- коэффициент молекулярной диффузии в жидкости, м2 / с. АРТ - общее гидравлическое сопротивление тарелки, Па.

АРС - гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па.

АРГЖ - гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя, Па.

АРа - гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного

сопротивления, Па. С, - коэффициент сопротивления. g - ускорение свободного падания, м2 / с. птг - число теоретических тарелок. пдт - число действительных тарелок. т - тангенс угла наклона линии равновесия. Л - фактор диффузионного потенциала, Х=тО/Ь. С - концентрация компонента в смеси, х - мольная доля компонента в жидкости. у - мольная доля компонента в паре. у - коэффициент активности. рс - коэффициент массоотдачи в паре, м / с.

- коэффициент массоотдачи в жидкости, м / с. Кв - коэффициент массопередачи, м/с.

N<3 - число единиц переноса в паре.

- число единиц переноса в жидкости. Ыос - общее число единиц переноса.

Еос - локальная эффективность контакта. Ема - эффективность тарелки по Мерфри.

Гг - критерии Фруда, Гг =

Яе - критерий Рейнольдса, 11е = Бс - критерий Шмидта, 5с =

Бк - критерий Шервуда, 57г = Же - критерий Вебера, Же =

М

И Р'В

рл

2)

(7

1'Р-е

Индексы: - равновесный; о - отверстие; п - пузырек; ь - жидкость; с? -пар;

гж - парожидкостный;

к - колонна;

т - тарелка;

мт- межтарельчатый;

тт - теоретическая тарелка;

дт - действительная тарелка.

При работе контактных тарелок возникает подвижный газо(паро)-жидкостный слой, в котором одновременно протекают процессы дробления пузырьков и их коалесценция, образование капель и пленок жидкости, возникают различного рода неоднородности.

В области устойчивой работы все пространство между тарелками можно разбить на зону вспененной жидкости где, в основном, и происходит массооб-мен, зону интенсивных выбросов жидкости и крупных капель и зону мелких витающих капель. В последней зоне от газа обычно отделяются крупные и даже достаточно мелкие капли жидкости. Поэтому эту зону принято называть сепарационным пространством. На провальных тарелках жидкость и газ (пар) проходят через одни и те же отверстия в полотне тарелки. При нормальной работе места стока жидкости и барботажа пара меняются в плоскости тарелки и распределяются достаточно равномерно по сечению колонны. Верхняя предельная нагрузка определяется расходом одной из фаз, при котором происходит интенсивное накопление жидкости на тарелке и захлебывание аппарата. Нижняя предельная нагрузка соответствует началу формирования вспененного слоя на тарелке. При скорости пара меньше допустимой наблюдается прорыв струй газа и снижение эффективности тарелки.

1.1. Основные гидродинамические характеристики провальных тарелок

На провальных тарелках массообменных аппаратов в зависимости от скорости газа и жидкости, а также от физических свойств взаимодействующих фаз, возникают различные гидродинамические режимы, подробно описанные в ряде литературных источников [1 - 12]. При изменении скоростей потоков газа (пара) и жидкости на тарелке возникают следующие режимы:

1) режим смоченной тарелки;

2) барботажный режим;

3) режим аэрации или эмульгирования;

4) волновой или факельный режим.

Режим смоченной тарелки наблюдается при малых скоростях взаимодействующих потоков и характеризуется небольшим количеством жидкости, которая смачивает поверхность тарелки и свободно стекает через отверстия. Этот режим существует до такой скорости газа, при которой силы трения его о стекающую жидкость становятся настолько велики, что происходит задержка жидкости.

Увеличение запаса жидкости на тарелке приводит к резкому росту общего гидравлического сопротивления тарелки. При этом вблизи плоскости тарелки образуется зона относительно чистой жидкости с проходящими через нее цепочками пузырьков газа, которые при больших скоростях объединяются в газовые струи.

В результате коалесценции газовых пузырьков и струй над зоной относительно чистой жидкости образуется ячеистая пена. Тарелка начинает работать в барботажном режиме.

С увеличением скорости газа зона относительно чистой жидкости постепенно уменьшается, а пенный слой увеличивается. Места прохождения газа и жидкости через отверстия непрерывно меняются. С увеличением скорости газа возрастает гидравлическое сопротивление тарелки и газосодержание пенного слоя. Увеличение газосодержания приводит к уменьшению доли сечения для стекания жидкости на тарелке.

В точке инверсии фаз барботажный режим переходит в режим аэрации или эмульгирования. При этом высота двухфазного слоя и гидравлическое сопротивление тарелки возрастают незначительно.

В конце режима эмульгирования струи газа, проходя то в одном, то в другом месте тарелки, приводят слой аэрированной жидкости в колебательное движение. При этом резко возрастает запас жидкости на тарелке и высота пенного слоя. Режим эмульгирования переходит в факельный или волновой режим, который характеризуется интенсивным перемешиванием и уносом капель жидкости на вышележащую тарелку.

Режим смоченной тарелки в промышленных массообменных аппаратах может существовать лишь при грубом нарушении работы установки. Волновой или факельный режим тоже нежелателен, и вероятность возникновения его уменьшается с ростом диаметра аппарата. С точки зрения эффективности массообмена, рабочей областью следует считать интервал скоростей потоков,

включающий два режима: барботажный и режим эмульгирования.

Переход от одного режима к другому зависит от гидродинамических факторов, а именно: от скорости газа (пара) и жидкости, от физических свойств взаимодействующих фаз, а также от определяющих конструктивных размеров тарелок. Для нахождения точек перехода можно воспользоваться эмпирическим уравнением, полученным А.Г. Касаткиным и сотрудниками [11]:

У = Ве~4Х (1.1)

яг=4

\ 0.25 ( \ 0.125

Ро

^Рь)

Для устойчивого равномерного режима работы тарелок коэффициент В = 2,95 + 10, а для режима газовых струй и брызг В > 10.

Несмотря на широкое использование, уравнение (1.1) следует рассматривать как весьма приближенное. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что эксперименты по определению устойчивого режима работы тарелок были выполнены на системах "жидкость - воздух" и возможность использования этой зависимости для расчета процессов ректификации является проблематичной.

Одной из основных характеристик тарелки является гидравлическое сопротивление. Изучению факторов, влияющих на изменение гидравлического сопротивления провальных тарелок посвящен ряд работ [11 - 23]. Основываясь на том, что общее сопротивление состоит из частных сопротивлений, общее гидравлическое сопротивление тарелки выражается [17] как сумма сопротивлений сухой тарелки, столба жидкости на тарелке и сопротивления, затраченного на преодоление сил поверхностного натяжения:

АРт=АРс+АРгж+АРа (1.2)

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитывается по обычной формуле для местных сопротивлений:

\У} рг

АРс=С~~- (1-3)

Значение коэффициента гидравлического сопротивления предлагается принимать равным 2,1 [18, 19]. По данным [13] величина коэффициента сопротивления находится в пределах 1,8-1,9. Мюле получил значение коэффициента

гидравлического сопротивления сухой провальной тарелки С, = 1,59. В ряде работ [3, 8] коэффициент сопротивления сухой тарелки представляется как функция толщины тарелки 8, эквивалентного диаметра отверстия ёэ и доли свободного сечения отверстия /с. Вычисленные при этом величины Доказывается близким к значениям, указанным выше.

Энергия, затрачиваемая на преодоление сил поверхностного натяжения, прямо пропорциональна величине поверхностного натяжения и обратно пропорциональна гидравлическому радиусу отверстий. Для отверстий диаметром менее 1 мм потерю напора можно рассчитать по формуле [17]:

4(7

ЛРет=— (1.4)

4)

С увеличением размера отверстий потеря давления на преодоление сил поверхностного натяжения изменяется не линейно, а по параболе. Поэтому расчетное уравнение приобретает вид:

4сг

АР =-5- (1.5)

Сопротивление столба жидкости на тарелке зависит от запаса жидкости и ее плотности и является основным составляющим общего гидравлического сопротивления тарелки. Хоблер и Чайка [17] для расчета сопротивления газожидкостного слоя на тарелке предложили эмпирическое уравнение:

^ = 5,29-КГ3 -КРо

\0,5

С t л

1

\d,

+

э

1 + 0,00002

f V \!ла)

(1.6)

Оно справедливо при [/q)> 0,35 и хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными на системе вода-воздух.

Изучая влияние гидравлических факторов, физических свойств газа и жидкости, а также конструктивных особенностей дырчатых и решетчатых провальных тарелок, на их гидравлическое сопротивление в колоннах диаметром 80, 120, 400 и 1200 мм при скорости газа в колонне до 2,8 м/с. Касаткин А.Г., Дытнерский Ю.И. и Попов Д.М. [13] обработали полученные данные в виде уравнения:

1,2

3,25 pLhj

&РгЖ = /-0,1 (1-7)

К J с

Уравнение описывает опытные данные многих исследователей с достаточно хорошей точностью. Однако существенным недостатком его является то, что в правую часть входит высота двухфазного слоя /г7, которая трудно поддается определению.

Исходя из предположения, что на провальной тарелке возникают градиенты статического давления газо-жидкостного слоя и жидкость проваливается в точках максимального статического давления авторы [21] вывели уравнение для расчета общего гидравлического сопротивления провальной тарелки:

АРТ =

1

\-р

2(1 - т)

(1.8)

Коэффициент Д представляющий собой отношение статических давлений в зоне прохода пара и в зоне стекания жидкости, зависит от целого ряда факторов и для не пенящихся жидкостей может быть рассчитан по уравнению:

/ Л 0,118

/V

Р = Щ

ЧАУ

Доля сечения отверстий занятых стекающей жидкостью:

(1.9)

т = -

Ь

в)

\ 1

РаР

0,33

1 +

РоР

4-10,33

(1.10)

Сум-Шик, Аэров и Быстрова [22] уточнили уравнение (1.8) путем введения дополнительных сомножителей:

£ рЖ Г. Л „м 4а

АРГ =

-Р 2• (1 -т) [ у ип аэ(\-/з)

При использовании этого уравнения величина т находится по соотношению (1.10), но при значении /3= 1

Одновременно, Молоканов [23] предложил видоизмененную форму уравнения (1.8), в которую не входит р.

2.(1-,)3

(1.12)

причем

т - ■

1 + Х

0,33

(1.13)

л

где

Я =

а" р^ (в Ра ^

(1.14)

Коэффициент расхода при истечении жидкости из отверстия а в уравнениях (1.10) и (1.14) может быть принят равным 0,62.

В работе [3] приводятся зависимости для расчета гидравлического сопротивления провальных тарелок, которые базируются на тех же идеях о неоднородности поля статических давлений в газожидкостном слое и доле отверстий, занятых стекающей жидкостью.

1-7]

1

1-Д

-77

1 ф

+ь(\~в9)

2<т

А-РГЖ ~

Ва

1 -Вс

+ Г]

ОХ

{ -п л2

\~V\fs

5 '

1а_

Ъ

(1.15)

где

С =

7 =

1 + м

и

(1У/5)(Ро/Рь)

0,25

/

Г

-1 +

л 2

\Аа

-/с

1 + (0,3844Срь/рсГ(0/ьГ 0,043

А. = 0,57 +

1-/с

0,14

А4=0,Ю(8/Ь) /5=/С-(1"7)

Эти уравнения рекомендованы именно для решетчатых провальных тарелок со стандартными щелями 6x60 мм. Они включены в расчетно-техн