Гидродинамический расчет тарелок с переливными устройствами

Равномерная работа барботажных тарелок с переливными устройствами наблюдается при скорости пара (газа) в свободном сечении колонны от 0,5 м/с до 1 м/с . Для колпачковых тарелок этот режим характеризуется полным раскрытием прорезй всех колпачков и струйным движением пара (газа) через жидкость; в ситчатых тарелках истечение пара (газа) в жидкость происходит через все отверстия.

Максимально допустимая скорость пара должна быть несколько ниже предельной скорости, лимитирующей повышение производительности колонны. Опыт промышленной эксплуатации колонн и многочисленные исследования показали, что величина предельной нагрузки зависит от большого числа факторов – типа и конструкции тарелки, расстояния между тарелками, расхода жидкости и физических свойств системы. Сложное влияние указанных факторов затрудняет достаточно надежное обобщение экспериментальных данных по предельным нагрузкам тарелок различных конструкций едиными зависимостями, справедливыми в широком диапазоне изменения влияющих параметров. В связи с этм при расчете аппаратов колонного типа пользуются разными уравнениями или расчетными графиками, справедливыми только в ограниченных условиях разделения.

Допустимая оптимальная скорость пара (газа) может быть определена по одному из ниже приведенных вариантов.

I Допустимую линейную скорость пара (газа) в свободном сечении колонны можно определить по уравнению Саудерса-Брауна

(7.15)

где С – скоростной коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелки, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости .

Величину коэффициента С при Н/м определяют по графику, приведенному на рисунке 7.4 (кривые 1 и 2); при

1-кривая максимальных нагрузок для колпачковых тарелок и нормальных рабочих нагрузок для ситчатых, каскадных, клапанных и других аналогичных конструкций при Н/м; 2- кривая нормальных рабочих нагрузок для колпачковых тарелок при Н/м. Зависимости: 3- для вакуумных колонн, работающих без ввода водяного пара и имеющих сетчатые отбойники, стриппингсекций атмосферных колонн; 4- для десорберов абсорбционных установок, вакуумных колонн, работающих с вводом водяного пара; 5- для абсорберов; 6- для колонн, в которых при высоких температурах может иметь место вспенивание продукта в следствии его разложения под вакуумом, для колонн, разделяющих вязкие жидкости под вакуумом или высококипящие ароматические фракции, используемые в качестве абсорберов

Рисунок 7.4 – График для определения коэффициента С при расчете скорости паров в колонне

более низких значений( Н/м) величину коэффициента С определяют по уравнению

(7.16)

в котором коэффициент определяется по кривой 1 или 2 на рисунке 7.4. На этом же рисунке приведены также другие кривые, полученные при обработке опытных данных для конкретных условий эксплуатации колонн.

Расстояние между тарелками обычно составляет от 0,3 до 0,8 м, а для колонны диаметром 1 м и более при монтаже тарелок через люки – не менее 0,45 м.

Расчет для сечений колонн, работающих с большими значениями плотности жидкого орошения (U > 35 ) изложен в .

I I Максимально допустимая скорость для тарельчатых колонн может быть определена по формулам

- для колонн с колпачковыми тарелками по уравнениям вида

(7.17)

где d_k– диаметр колпачка, см;

H_Т- расстояние между тарелками, см;

h_k- высота колпачка, см;

(7.18)

где d_k– диаметр колпачка, м;

h_k– высота колпачка, м;

- для колонн с ситчатыми тарелками

(7.19)

- для колонн с правальными тарелками

(7.20)

Величины А и С находятся по следующим зависимостям

(7.21)

(7.21,а)

Здесь W_ж, W_г - массовые скорости жидкости и газа, кг/(м² с); d_э - эквивалентный диаметр отверстия или щели в тарелке, м; ∫_с - относительное свободное сечение тарелки; µ_ж , µ_В , - вязкости жидкости и воды при 20⁰С, Па с; В – коэффициент (для колонн с решетчатыми, трубчатыми и дырчатыми провальными тарелками В=3÷16).

III Допустимую скорость пара (газа) (ω_р) в рабочем сечении колонны, равном площади основания тарелки за вычетом площади сливных устройств (см. технические характеристики тарелки, пункт 3) можно определить по уравнению

(7.22)

где φ – фактор вспениваемости жидкости ( см. таблицу 7.1);

С – скоростной коэффициент, численное значение которого зависит от величины комплекса (G_ж/G_п)·(ρ_п/ρ_ж)^0.5 и расстояния между тарелками (определяется по рисунку 7.5 )

1-Нт=0,7 м; 2-0,6 м; 3-0,5 м; 4-0,4 м; 5-0,3

Рисунок 7.5- Значениекоэффициента С в зависимости от расстояния между тарелками

При работе с рисунком 7.5 расстояние между тарелками вначале принимается H_T=0,3…0,4м, а затем устанавливается методом подбора по величине диаметра колонны D_kс учетом рекомендаций: H_T=0,3м при D_k≤0.8м; H_T=0,34D_k^0.57 м при D_k˃0,8м.

Если колонна требует частой чистки или ремонта, то при D_k˃1,5м следует принимать H_T≥0,6м. Окончательная величина H_Tустанавливается после проверки допустимого брызгоуноса и надежности работы сливного устройства тарелки.

Диаметр колонны определяется по максимально допустимой скорости пара ( варианты I и II) и обьему паров V_п (м³/с) по уравнению

(7.23)

По расчетной величине D_kи нормальному ряду диаметров колонн выбирается ближайшее значение, которое и используются в дальнейших расчетах.

Ниже приведен принятый в нефтяной промышленности нормальнй ряд диаметров колонн (в м), предусматривающий равномерное увеличение площади поперечного сечения колонны при переходе от одного диаметра к другому: 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,4; 7,0; 8,0; 9.0.

В химической промышленности принят другой нормальный ряд диаметров колонн (в м): 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,2; 2,6; 3,0.

При расчете диаметра колонны по варианту III сначала определяется величина рабочей площади тарелки по уравнению

(7.24)

затем по техническим характеристикам тарелки (таблицы 3.1….3.8) выбирается D_k.

Максимальная скорость движения паров лимитируются также величиной уноса жидкости потоком паров. При данной скорости паров величина уноса зависит от конструкции тарелки, характеризуемой долей зеркала барботажа Ψ в общем сечении колонны, от глубины барботажа, плотностей паров и жидкости, а также вязкости паров и поверхностного натяжения жидкости. Вынос жидкости в межтарелчатое пространство зависит от скорости пара при выходе из слоя жидкости на тарелке, которая определяется величиной зеркала барботажа. Чем меньше доля зеркала барботажа Ψ, тем с болшей скоростью пары выходят из слоя жидкости; в связи с этим возрастает вынос жидкости из слоя.

Значения коэффициента Ψ в зависимости от типа тарелок и вида колпачков приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 – Значения коэффициента Ψ

Для определения величины межтарельчатого уноса жидкости в настоящее время используют различные эмпирические корреляции, полученные при обработке опытных данных по испытанию тарелок главным образом на холодных стендах [8].

Ниже приводится несколько методик расчета, применение которых позволяет более надежно определять величину межтарельчатого уноса жидкости.

Для различных тарелок величину уноса жидкости можно определить по обобщенному уравнению [8] (в кг/кг)

(7.25)

где ε_эф – относительная эффективная рабочая площадь тарелки (рисунок 7.6);

h_б– высота барботажного слоя, мм.

В этом выражении расстояние мужду тарелками (Н_т) подставляется в мм.

Коэффициент mопределяется из уравнения

(7.26)

при H_т<400 мм А=9,48∙10⁷; β=4,36;

H_т≥400 мм А=0,159; β=0,95.

Относительный унос жидкости (кг/кг) можно рассчитать по уравнению

(7.27)

где Н_п – высота пены (газожидкостной смеси), образующейся на тарелке, м.

Численные значения коэффициента k1 и показатели степени n1приведены в таблице 7.3

Высоту пены можно ориентировочно оценить по формуле

(7.28)

где h₁– высота подпора жидкости над сливным порогом, м;

h_сп– высота сливного порога на тарелке, м (см. рисунок 7.6).

Значение коэффициентов k₁, k₂, k₃, и k₄, а также показателя степени n₁приведенены в таблица 7.3.

Таблица 7.3 - Значение коэффициентов k₁, k₂, k₃, и k₄, а также показателя степени n₁ (уравнения 7.27, 7.28)

Высота подпора жидкости над сливным порогом (м)

h₁=0,68(V_жд/Π)^0,67, (7,29)

где V_жд– действительный расход жидкости, протекающей через переливное устройство, м³/с;

П – периметр слива (длина сливного порога), м.

С учетом жидкости, переносимой паром (газом) на вышележащую тарелку, действительный расход жидкости в переливном устройстве

(7.30)

где G_п– массовый расход пара (газа) в колонне, кг/с;

Высота сливного порога на колпачковых тарелках (см. рисунок 7.6):

(7.31)

где h_г.б.– высота глубины барботажа;

h_пр – высота прорези в колпачке;

h_у –высота установки колпачка (расстояние от тарелки до нижнего торца колпачка принимается от 0 до 10 мм).

При расчетном значении h_сп< 45 мм следует принимать h_сп=45 мм.

Глубину барботажа (м) можно рассчитать по формуле

(7.32)

где p– абсолютное давление в колонне, Па.

Высота сливного порога на ситчатых и клапанных тарелках

(7.33)

.

h_сп– высота сливного порога (переливной планки);

h₁ – высота подпора жидкости над сливным порогом;

h_пр- высота открытия прорези (при полном открытии равная высоте прорези);

h_y- высота установки колпачка (расстояние от тарелки до нижнего торца колпачка); h_y=0…10 мм

h_г.б. – глубина барботажа

Рисунок 7.6 - Расположение колпачка и сливного порога

Колпачки нормализованных тарелок (ГОСТ 9634-75) имеет прорези различной высоты и формы (см. таблицу 7.4). Наибольшая эффективность тарелки достигается тогда, когда пар проходит через все сечения прорези, т.е. прорезь полностью открыта( рисунок 7.2).

Высоту открытия прорези можно рассчитать по уравнению

(7.34)

где m- количество колпачков на тарелке (см. таблицу 3.1);

z– количество прорезей в одном колпачке;

b– расчетная ширина прорези (см. таблицу 7.5)

В стальных капсульных (круглых) колпачках количество прорезей следующее:

диаметр колпачка d_k, мм 60 80 100 150

количество прорезей z 16 20 26 40

В желобчатых колпачках z=130l_кп, в S–образных элементах z=40l_кп , где l_кп- длина колпачка,

Расчетная ширина прорезей при их нормализованной высоте приведена в таблице 7.4.

Таблица 7.4 – Расчетная ширина bпрорезей в колпачках