![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Общая высота колонны рассчитывается как ⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2
где nТ – число тарелок в колонне; НТ – расстояние между тарелками; НСЕП – высота сепарационной части колонны; НКУБ – высота кубовой части колонны. НСЕП – это расстояние от верхней тарелки до поверхности крыши аппарата. НКУБ – это расстояние от нижней тарелки до поверхности днища аппарата.
Таблица 8.2.
8.3. Классификация тарелок. Оценочные показатели работы тарелок.
Основным элементом тарельчатых аппаратов является тарелка. По способу взаимного движения жидкости и газа (пара) на тарелке они подразделяются на: 1) Тарелки со сливным устройством. Они характеризуются тем, что слив жидкости осуществляется через сливные стаканы, а пар проходит через отверстия в тарелке. 2) Провальные (т.е. без сливных устройств). В этих тарелках пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия. По конструктивному устройству провальные тарелки можно классифицировать на: решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые, волнистые, провальные тарелки с направленным движением пара и жидкости (например, тарелка Киттеля). Тарелки со сливными устройствами можно классифицировать: а) по количеству направлений потока жидкости: однопоточные, двухпоточные, многопоточные; б) по конструктивному устройству тарелки различают: колпачковые, ситчатые, решетчатые (чаще без сливных устройств), клапанные, с S-образными элементами («Унифлюкс»), чещуйчатые, пластинчатые, инжекционные. Развитие конструкций тарелок идет по пути увеличения производительности. Можно выделить: Первое поколение тарелок – барботажные с перекрестным движением потоков. Второе поколение – барботажные с прямоточным движением потоков. Третье поколение – вихревые и инжекционные. Не смотря на разнообразие условий, в которых протекают массообменные процессы в системе газ-жидкость (пар-жидкость), можно найти ряд общих параметров, характеризующих работу контактных устройств, для оценки возможности использования контактных устройств в конкретных условиях. При оценке контактных устройств используют следующие параметры: 1) Производительность по жидкости L или по пару G (используют также величину F - фактор пара или скорости)
где w - скорость пара (газа), отнесенная к свободному сечению колонны, м/с; rП – плотность пара (газа), кг/м3. 2) Эффективность контактного устройства (для тарельчатых аппаратов оценивают через КПД по Мерфи)
где уН, уК, у* - начальная, конечная и равновесная концентрация легколетучего компонента на тарелке в паровой фазе (также и по жидкой фазе Х), %. 3) Гидравлическое сопротивление контактных устройств D р характеризует энергетические затраты на проведение процесса. Отношение D р к КПД контактного устройства D р / h характеризует гидравлическое сопротивление теоретической тарелки. 4) Диапазон устойчивой работы контактного устройства – отношение максимальной и минимальной производительности по пару (газу) GПmax/GПmin, при котором устройство работает без заметного снижения эффективности. Этот показатель весьма важен в условиях, когда изменение производительности по пару значительно по высоте аппарата. 5) Работоспособность в средах, склонных к полимеризации и образованию отложений. 6) Технологичность, простота конструкции, изготовления, монтажа и ремонта. 7) Металлоемкость и т.п. В большинстве случаев работу конструкции оценивают по первым четырем параметрам.
8.4. Гидравлика тарельчатых аппаратов. Конструкция колпачковой тарелки
Величина гидравлического сопротивления, которое оказывают тарелки при прохождении пара или газа, зависит от типа и конструктивных особенностей тарелки. Но не зависимо от типа тарелки гидродинамика явления барботажа на тарелках остается сходной.
8.4.1. Конструкция колпачковой тарелки.
Схема колпачка с прорезями.
1 – корпус аппарата; 2 – полотно тарелки; 3 – паровой патрубок; 4 – колпачок с прорезями; 5 – шпилька крепления колпачка с гайками; 6 – переливная перегородка; 7 – сегментный переливной карман; 8 – переливной патрубок; 9 – сливная перегородка (регулируемая); 10 – опора; 11 – уплотнение.
Рис. 8.1. Колпачковая тарелка.
До недавнего времени колпачковые тарелки с круглыми (капсульными) колпачками, которые устанавливаются в колоннах D > 400 мм и НТ ³ 200 мм, считали лучшими контактными устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов благодаря простоте эксплуатации и универсальности. Однако все колпачковые тарелки считаются конструктивно сложными и металлоемкими (60¸ 90 кг/м 2). Основной частью колпачковой тарелки является металлический диск или полотно тарелки, изготовляемые из меди, стали, чугуна, керамики, пластмасса, (D < 1000 мм – сплошной, D > 1000 мм – из секций) 2 с отверстиями для паровых патрубков 3. Патрубки приварены к диску. Над патрубками установлены колпачки 4, закрепленные с помощью гаек и шпильки 5 с возможностью регулировки по высоте. Для создания необходимого уровня жидкости на тарелке установлена регулируемая по высоте сливная перегородка 9. Переливная перегородка 6 образует переливной карман 7, в который погружается переливной патрубок 8 тарелки, расположенной выше, образуя гидравлический затвор. Колпачки нормализованных тарелок (ГОСТ 9634-81) изготавливаются диаметром 60, 80, 100, 150 мм и имеют прорези различной формы –
b a Основные размеры колпачковых тарелок представлены в ОСТ 26-01-282-71(или 82), ОСТ 26-808-73 (или 82). Наибольшая эффективность тарелки достигается тогда, кода пар проходит через все сечения прорези, т.е. прорезь полностью открыта.
Рис. 8.2. Фрагмент тарелки с туннельными колпачками
8.4.2. Гидродинамика тарельчатых аппаратов.
Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой. Жидкость течет по тарелке в диаметральном направлении, образуя гидравлический уклон и сливается через сливную перегородку. Поток пара поступает в паровые патрубки и барботируя через прорези колпачков проходит в сепарационное пространство между тарелками, где освобождается от увлеченной им жидкости. С увеличением скорости газа на тарелке последовательно возникают следующие гидродинамические режимы: 1) При малой скорости имеет место пузырьковый режим, когда газ через слой жидкости проходит в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз невелика, работа не равномерная, массопередача происходит за счет молекулярной диффузии. Работают колпачки, находящиеся ближе к сливной планке. 2) При дальнейшем увеличении скорости пара (газа) последовательно возникают: а) струйный режим – образуются струйки пара, выделяющиеся из прорезей колпачков, от них отделяются пузырьки, образуется пена. Работа равномерная. Выделяются 3 зоны (рис. 8.1.): I – зона барботажа, II – зона пены, III – зона брызг. Массообмен идет на поверхности контакта фаз молекулярной и турбулентной диффузией. б) пенный режим – барботажная зона исчезает. Слой пены очень подвижен и сильно турбулизирован. Массопередача в основном идет за счет турбулентной диффузии. Струйный и пенный режим - рабочие режимы. в) инжекционный (брызговой) режим – резко увеличивается количество брызг и унос жидкости на вышележащую тарелку. Работа тарелки становится неравномерной и малоэффективной. 3) При дальнейшем увеличении скорости пара (газа) наступает «захлебывание». Все межтарельчатое пространство заполняется пеной и брызгами, проходящими через горловани патрубков на вышестоящие тарелки – происходит срыв работы колонны.
8.4.3. Анализ гидравлического режима тарелки
Рис. 8.3 G = f (L)
1 – малая нагрузка тарелки по жидкости (для колпачковой тарелки это значит, что колпачки погружены в жидкости или малая высота сливной планки). 2 – малая нагрузка по пару, пульсация по пару, только отдельные пузырьки прорываются через слой жидкости. 3 – неравномерное парораспределение по колпачкам, тарелка работает не равномерно (бывает наиболее часто). 4 – плохое парораспределение для тарелки. Жидкость попадает в паровые патрубки или нарушено направленное движение потоков пара и жидкости. 5 – режим захлебывания или унос жидкости с тарелки на тарелку. 6 – полное захлебывание и интенсивный унос жидкости. 7 – перегрузка по пару (пар сдувает всю жидкость). 8 – область нормальной работы. 9 – область оптимальной работы.
8.5. Методика комплексного расчета колонных аппаратов. Основные расчетные параметры тарельчатых колонн.
1) Технологический расчет. (см. ПиАХП) – материальный и тепловой балансы; расчет параметров, определяющие интенсивность массопереноса; расчет числа теоретических ступеней; числа тарелок и т.д. 2) Гидравлический расчет аппарата. Все данные технологического расчета служат исходными для гидравлического. Определяются D рС, D рЖ, uП, uЖ, НКУБ,
D = hMAX –hMIN.
3) Конструктивный расчет. Определяются все основные размеры тарелок и основных узлов аппарата DАП, НАП, НТ, НСЕП, НКУБ. эти размеры должны обеспечивать заданную производительность по пару и жидкости, необходимый диапазон устойчивой работы (GMAX/GMIN) и эффективность работы тарелки. 4) Прочностной расчет. Определяются все прочностные характеристики аппарата и отдельных узлов (кроме типовых), расчет опорных конструкций, фундаментов, ветровая нагрузка и т.д. Правильно организованная в гидравлическом отношении работа тарелки обеспечивает высокую эффективность и производительность колонны в целом.
8.6. Расчет колпачковой тарелки.
Оптимальные условия работы контактного устройства, а следовательно и всей колонны в целом, определяются допустимой скоростью в колонне. Для колпачковых тарелок допустимая скорость определяется по формуле Саудерса-Брауна:
где rЖ, rП – плотности жидкости и пара, кг/м 3; с – коэффициент, который является функцией расстояния между тарелками и поверхностным натяжением жидкости.
Рис. 8.4. с = f (HТ, s)
Уравнение (8.4.) имеет тот недостаток, что не учитывает конструктивных особенностей тарелки. Этот недостаток в некоторой степени устраняет уравнение Киршбаума, учитывающее некоторые особенности конструкции:
где dК – диаметр колпачка; D Н – расстояние от зеркала жидкости до вышележащей тарелки (на практике расстояние между тарелками). Определив скорость пара, находят диаметр колонны (или тарелки), D:
где u - объемный расход пара в колонне, м3/с. Дальнейшей задачей при проектировании тарелки является выбор живого сечения, т.е. доли площади горловин для прохода пара. Живое сечение из практических данных выбирают в пределах j =10÷ 20% (для ректификации). Обычно j =14% (j =0, 14). Для абсорбционных колонн j =6¸ 12%. Тогда общая площадь горловин:
Задаваясь диаметром патрубков dП определяют их количество:
Найденное количество горловин распределяется по площади тарелки равномерно и переходят к конструктивному расчету тарелки. Выбирают расстояние между колпачками l 2 = 40¸ 60 мм (проверяют l 2³ 12.5+0.25× d), расстояние до сливной перегородки l 1 = 75 мм. Диаметр колпачка вычисляют из условия равенства скоростей пара в сечении патрубка и в кольцевом зазоре между патрубком и колпачком:
где d - толщина стенки парового патрубка. Высоту h 2 части колпачка над паровым патрубком также определяют из условия равенства площадей сечения над патрубком и самого патрубка: Расстояние от края колпачка до полотна тарелки S =0¸ 25 мм (обычно S =5¸ 10 мм).
Далее определяют высоту прорези l колпачка:
где X – доля, которую составляет открытая часть прорези l 0 от общей её высоты l; w’ - скорость пара в прорези (для чистых жидкостей w ’=6-8 м/с); l 0 - 25¸ 30 мм k 1, k 2 – коэффициенты, зависящие от формы прорезей, приводятся в справочной литературе |9| (Стабников, таблица 4).
8.6.1. Гидравлический расчет.
Общие потери напора на тарелке складываются из сопротивления сухой тарелки D рС, сопротивления слоя жидкости на тарелке D рЖ, сопротивления поверхностного натяжения D рs:
Сопротивление сухой тарелки определяется экспериментально путем пропускания пара или газа через тарелку или расчетным путем:
где x 1, x 2, ¼, xn – коэффициенты местных потерь при прохождении пара через патрубок (горловину), кольцевое пространство и прорези колпачка. Так как скорость пара во всех сечениях примерно одинаковая, то
Экспериментально определено: å xi = 4, 5¸ 7, 5 – тарелки с капсульными колпачками. å xi = 1, 4¸ 2 – ситчатые тарелки. å xi = 3, 63 – клапанные (при полном открытии). å xi = 20 – S-образные тарелки (для wПАРА в паровых патрубках). å xi = 4, 18 – S-образные тарелки (для wПАРА в прорезях S-образных элементов). Сопротивление слоя жидкости D рЖ:
где kТ – коэффициент аэрации жидкости на тарелке; hЖ – высота слоя жидкости определяется в зависимости от типа тарелки и свойств паро-жидкостной системы (глубина барботажа).
где (см. рис. 8.1) l – высота прорези; l* - расстояние от верхнего края прорези до верха сливной перегородки; D - градиент уровня жидкости; h 1- высота перелива. Сопротивление поверхностного натяжения:
где dЭКВ – эквивалентный диаметр прорези
S – площадь поперечного сечения; П – смоченный периметр. D рs мало, при расчетах можно пренебречь.
где lЖ – длина пути жидкости на тарелке; lП – длина сливного порога. Градиент уровня жидкости D на тарелке оказывает наибольшее влияние на сопротивление и работу тарелок, в которых осуществляется перекрестное движение пара и жидкости (колпачковые, ситчатые и т.п.). Для S-образных, клапанных, струйных и других градиентом уровня жидкости можно пренебречь. D в основном зависит от нагрузки тарелки по жидкости и конструктивных особенностей контактных элементов. Градиент D влияет на распределение гидравлического сопротивления при прохождении жидкости через тарелку, особенно при больших диаметрах колонны. Наличие D обуславливает неравномерность работы тарелки. Там, где жидкость поступает на тарелку сопротивление будет больше на величину D по сравнению со сливной стороной. Средний градиент равен:
Степень неравномерности потока пара SН через тарелку определяется отношением скоростей пара в колпачках, соответствующей максимальной и средней величине сопротивления:
Расчетная величина SН находится как
Допустимая величина степени не равномерности работы тарелки:
Это условие необходимое, но недостаточное. Необходимо еще выполнение условия устойчивости работы тарелки RV, которое определяется по соотношению Боллеса:
8.6.2. Конструкции и расчет сливных устройств колпачковых тарелок
Рис. 8.5. Схема конструкций сливных устройств.
а) слив с радиальным движением жидкости (однопоточная тарелка); б) слив с круговым движением; в) слив с движением жидкости по диаметру; г) слив с раздельными потоками жидкости (двухпоточная тарелка); д) слив с цилиндрическими стаканами; е) разрез конструкции «д». Наиболее целесообразными признаны трубчатые сливные устройства по сравнению с плоскими сливными перегородками. В сливных трубах внизу находится осветленная жидкость, а вверху слой пены. По нормалям живое сечение сливного устройства составляет 10% от сечения колонны j 1=10%. Отсюда a = 90° – 93°. Исходя из величины a выбирается длина сливной планки lП. При расчете сливного устройства большую роль играют высота сливной планки, слой жидкости над планкой, слой жидкости в сливном стакане. Высоту слоя жидкости над сливной перегородкой (см. рис. 8.1.) h 1 определяют по формуле водослива:
где L – расход жидкости; lП – длина сливной перегородки. Если сливная перегородка расположена над сливным патрубком, имеющим форму сегмента, поток будет сжиматься и в уравнение (8.21) необходимо вводить поправочный коэффициент КL = 1 ¸ 1, 24 (в практических расчетах КL = 1, 12), тогда
Чтобы обеспечить равномерное распределение жидкости должно быть h 1³ 6 мм. Глубина слоя жидкости на тарелке hСЛОЯ:
где hП – конструктивная высота сливной перегородки.
где S – расстояние от края колпачка до полотна тарелки; l – высота прорезей колпачка;
h 3 – расстояние от верхнего торца парового патрубка до поверхности максимального уровня жидкости на тарелке hMAX.
h 3 выбирается таким образом:
Высота жидкости в переливном патрубке определяется:
где D рП-Ж – сопротивление парожидкостной фазы движению жидкости (пены).
где К 1 – коэффициент, зависящий от вида перелива (К 1=190 если нет затворной планки; К 1=250 если есть затворная планка). а – наиболее узкое сечение переливного устройства, принимается не менее 40 мм. В действительности в сливном патрубке будет находиться не чистая жидкость, а жидкость со взвешенными в ней пузырьками пара, её высота Н 1 будет больше h:
Необходимым условием работы тарелки является:
Т.е. чтобы не было перелива пены.
8.7. Ситчатые тарелки.
Рис. 8.6. а) ситчатая тарелка; б) решетчатая тарелка.
Газ проходит снизу через все отверстия и барботирует через слой жидкости. Ситчатые тарелки просты в изготавлении. Однако они обладают узким диапазоном устойчивости (до двух) и очень чувствительны к загрязнению. Унос жидкости с тарелок не велик, т.к. при работе колонны на них образуется ячеистая пена. Рабочим режимом тарелки является струйный и пенный. Минимальная скорость газа, при которой не происходит провала жидкости определяется из соотношения.
где D рСТ – статическое давление столба жидкости на тарелке.
Рабочая скорость w ³ wMIN (скорость пара между тарелками)
Гидравлическое сопротивление тарелки определяется.
Сопротивление сухой тарелки D рСУХ:
Сопротивление поверхностного натяжения для диаметра отверстия d 0< 1 мм
для d 0> 1 мм.
Конструктивные размеры тарелки выбираются следующие: Живое сечение: 2¸ 30 % (обычно j = 8¸ 15 %). Шаг расположения отверстий: t = (2, 5¸ 5) d 0 Высота сливной перегородки: hП = 20¸ 40 мм. Успокоительная зона (неперфорированная часть тарелки у сливного порога b: при D < 1.5 м, b =75 мм; D > 1.5 м, b =100 мм. Толщина тарелки: (0.5¸ 0.8) d 0 при d 0 = 5 мм. Для тарелок большего диаметра толщина 4¸ 5 мм.
8.8. Клапанные тарелки.
Клапанные тарелки широко применяются в нефтехимической промышленности. Основные преимущества этих тарелок – способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, несложность конструкции, низкая металлоемкость и не высокая стоимость. Клапанные тарелки изготавливают с дисковыми и прямоугольными клапанами, работают тарелки в режиме прямоточного и перекрестного движения фаз. В нашей стране наиболее распространены клапанные прямоточные тарелки с дисковыми клапанами. На клапанной тарелке в шахматном порядке расположены отверстия, в которых расположены саморегулирующиеся дисковые клапаны, способные подниматься при движении пара (газа).
Рис. 8.7. Клапанная прямоточная тарелка. а) тарелка; б) клапан с нижним ограничителем; в) с верхним ограничителем.
Дисковый клапан (рис. 8.7.б) снабжен тремя направляющими, две из которых имеют большую длину. Кроме того на диске штамповкой выполнены специальные упоры, обеспечивающие начальный зазор между диском и тарелкой, исключает возможность «прилипания» клапана к тарелке. При небольшой производительности по пару поднимается легкая часть клапана (с короткой направляющей) и пар выходит в щель в направлении, противоположном движению жидкости (). С увеличением скорости пара клапан поднимается и зависает: пар выходит через кольцевую щель под клапаном. При дальнейшем увеличении производительности по пару клапан занимает положение, при котором пар выходит в направлении движения жидкости (®), что уменьшает разность уровней жидкости (D) на тарелке. Клапанные тарелки способны к саморегулированию. В промышленности используются колонны с D до 12 м (в основном 2, 3¸ 3, 5 м). Для определения скорости пара, при которой тарелка начинает работать равномерно, предложена формула (Кочергин)
где G - вес клапана; F – площадь отверстия под клапаном. Гидравлическое сопротивление клапанной тарелки меньше чем колпачковой (при одинаковой стоимости). Сопротивление сухой тарелки изменяется по мере поднятия клапана. При максимальном поднятии клапана D рСУХ находится по уравнению:
где w 0 скорость пара в щелях; xСУХ =3.5. Величина гидравлического сопротивления поверхностного натяжения D рs мала и её можно не учитывать. Величина гидравлического сопротивления парожидкостного столба определяется по формуле.
Общее гидравлическое сопротивление
Брызгоунос на клапанной тарелке меньше, чем на колпачковой, но больше чем на ситчатых. Поэтому расстояние между тарелками можно взять меньше, чем у колпачковых:
при w < 1 м/с НТ =200 мм w > 1 м/с НТ =300 мм.
Клапанные тарелки изготавливаются штамповкой из стали, меди, алюминия толщиной 2-3 мм. Диаметр колпачков 50-100 мм, диаметр под отверстия берется на 10 мм меньше. Максимальный подъем клапана 8-15 мм. Площадь живого сечения составляет j =10¸ 15 %. Клапаны на тарелке располагаются рядами перпендикулярно потоку жидкости. Шаг между клапанами t = (2¸ 4) d0. Остальные расстояния принимаются как у колпачковой тарелки. Максимальный КПД тарелки при w = 0.8 м/с.
8.9. S-образные тарелки («Унифлюкс»).
Рис. 8.8. S-образные тарелки.
Тарелки этого типа изготавливают в соответствии с ОСТ 26-536-78 с диаметром 1000-8000 м. Расстояние между тарелками ³ 450 мм. Однопоточные НТ = 450¸ 900 мм и двухпоточные НТ = 600¸ 900 мм. Полотно тарелки набирается из S-образных элементов, при сборке которых образуются каналы для пар. Чтобы закрыть каналы с торцов и увеличить жесткость тарелки, между S- образными элементами устанавливают пластины. В этих тарелках пар выходит из контактных элементов в направлении движения жидкости. Это способствует уменьшению градиента уровня жидкости (D) на тарелке. Тарелки большого диаметра могут быть двух и четырех поточными. КПД тарелки h =0.6¸ 0.8 hMAX при скорости пара w = 0.7¸ 0.9 м/с. Скорость пара определяется по формуле (8.4.) Саудерса-Брауна:
где
Гидравлическое сопротивление тарелки:
где hПОГР @ 27 мм – глубина погружения прорези в жидкость.
(высота жидкости над водосливом)
где wП – скорость пара в каналах.
8.10. Чешуйчатые тарелки.
Рис. 8.9. Чешуйчатые тарелки а) арочные; б) лепестковые.
В чешуйчатых тарелках пар выходит в направлении движения жидкости, тарелка работает как струйная прямоточная. Наиболее употребляемые размеры чешуек: ширина – 50 мм, длина – 50 мм, a =15¸ 20 %. Гидравлическое сопротивление рассчитывается по обычной схеме: а) xСУХ = 2, 5¸ 3 – для арочной; б) xСУХ = 1, 5¸ 2 – для лепестковой. D рП-Ж не зависит от вида чешуек и определяется величиной живого сечения, оптимальная величина j = 10%.
При малых скоростях пара на чешуйчатой тарелке наблюдается провал жидкости. При достижении критической скорости провал жидкости прекращается. С дальнейшим увеличением скорости наступает режим, характеризующийся барботажем с волнообразным движением жидкости от приемного к сливному стакану. При дальнейшем увеличении скорости возникает струйный режим, который является рабочим режимом тарелки. При нем наблюдается подъем жидкости по направлению к сливному стакану. Расчет первой и второй критических скоростей производится по эмпирическим формулам.
|