ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ КОЛПАЧКОВОЙ ТАРЕЛКИ

 

Ц е л ь р а б о т ы - определение экспериментального значения коэффициента гидравлического сопротивления сухой тарелки; экспериментальной и расчетной зависимостей гидравлического сопротивления орошаемой тарелки Δ Р от скорости газа в колонне; ознакомление с работой колпачковой тарелки в различных режимах на основе визуальных наблюдений.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Для проведения массообменных процессов, в которых взаимодействуют жидкость и газ (абсорбция) или жидкость и пар (ректификация), широкое распространение нашли колонные аппараты с колпачковыми тарелками.

Колпачковая тарелка (рис.1.5) представляет собой горизонтальную перегородку, снабженную переливным устройством. Колпачки служат для равномерного распределения газа в жидкости. Переливное устройство состоит из сливного порога (перегородки), сливной трубы и служит для поддержания уровня жидкости на тарелке и перелива ее на нижерасположенную тарелку (бак). Для создания гидравлического затвора, препятствующего проходу газа (пара) через сливное устройство, нижний конец сливной трубы опущен в приемный карман нижней тарелки.

Газ вводится в жидкость, находящуюся на тарелке, через прорези колпачков; поток газа дробится на ряд отдельных струек и пузырьков, перемещающихся в слое жидкости снизу вверх. Жидкость на тарелке течет поперек газового потока от приемного кармана к сливному (" перекрестный поток"). Движение пузырьков и струек газа через слой жидкости получило название " барботаж". В результате барботажа на тарелке образуется динамический двухфазный слой.

Изменение расхода газа через тарелку меняет характер барботажа: при малых расходах тарелка работает неравномерно, прорези колпачков открыты не полностью и не все колпачки вступают в работу. Увеличение расхода газа постепенно переводит в равномерный режим работы тарелки, характеризующийся полным открытием прорезей всех колпачков. Дальнейшее увеличение расхода газа через тарелку приводит к образованию все большего количества капель жидкости различного размера, подбрасываемых на все большую высоту, и все большее количество капель уносится газовым потоком на вышерасположенную тарелку (унос жидкости). Очевидно, что унос жидкости снижает эффективность работы тарелки, а чрезмерный унос может привести к срыву работы тарелки. На практике рабочий режим выбирается так, чтобы обеспечить равномерную работу тарелки и не превысить допустимый унос жидкости. В литературе приводятся уравнения, которые позволяют рассчитать предельно допустимую скорость газа в колонне и скорость, при которой происходит полное открытие прорезей.

Перемещение газа через аппарат требует энергетических затрат, величина которых пропорциональна гидравлическому сопротивлению колонны. Полное гидравлическое сопротивление тарельчатой колонны равно сумме сопротивлений тарелок, поэтому гидравлическое сопротивление тарелки является показателем её работы.

Полное гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки Δ Р_т представляет собой сумму трех величин: сопротивления сухой тарелки Δ Р_с.т, сопротивления газожидкостного слоя на тарелке Δ Р_г.ж и сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости Δ Р_{σ ,} Па

 

. (1.16)

 

Сопротивление сухой тарелки

 

, (1.17)

 

где ζ – коэффициент сопротивления тарелки, измеряемый экспериментально; ρ – плотность газа, кг/м³; ω _пр – скорость газа в прорезях колпачков тарелки, м/с.

 

 

Рис. 1.5. Колпачковая тарелка

 

Сопротивление газожидкостного слоя на тарелке принимают равным статическому давлению слоя

 

, (1.18)

 

где ρ _ж – плотность жидкости на тарелке, кг/м³; h – высота слоя жидкости на тарелке, м; g – ускорение свободного падения, g = 9, 81 м/с².

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

, (1.19)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

d_экв – эквивалентный диаметр прорези колпачка, м.