Ознакомление с методикой расчета и экспериментальным определением гидравлического сопротивления струйной тарелки и переливного устройства подвесного типа

Цель лабораторной работы - ознакомление с устройством и принципом работы струйной тарелки, методикой расчета гидравлического сопротивления тарелки, изучение устройства и работы переливного устройства подвесного типа.

 

2 Содержание работы

 

Ознакомление с принципом работы струйной прямоточной тарелки.

2. Изучение работы автономного переливного устройства подвесного типа.

Ознакомление с методикой расчета и экспериментальным определением гидравлического сопротивления струйной тарелки и переливного устройства подвесного типа.

 

3 Описание экспериментальной установки

 

Выполнение лабораторной работы осуществляется на экспериментальной установке (рисунок 3.1) с использованием новой конструкции прямоточной массообменной тарелки, на системе «воздух-вода».

Экспериментальная установка состоит из прозрачного корпуса, в котором установлены две струйные тарелки 2 с переливными устройствами подвесного типа 3, также выполненные из оргстекла. 

Жидкость подается в колонну через ротаметр 4, а воздух – в нижнюю часть колонны с помощью вентиляторов 5. Расход воздуха измеряется с помощью диафрагмы 11 дифманометром 6₃ ( P₃). Количество подаваемого воздуха изменяется за счет регулируемой заслонки 10 на входном штуцере вентилятора 5. Перепад давления на нижней тарелке измеряется дифманометром 6₂ ( P_общ), а перепад давления на верхней тарелке определяется как P_общ – P.

 

1 – колонна; 2 – струйная тарелка; 3 – подвесное переливное устройство; 4 – ротаметр;

5 – вентиляторы; 6_{1, 2, 3} – дифманометры; 7 – воздуховод; 8 –опора воздуховода;

9 – опора колонны; 10 – заслонка; 11 – диафрагма; 12 – гидрозатвор; 13 – форпланка.

Рисунок 3.1 - Схема экспериментальной установки

 

Некоторые конструкции переливных устройств определяют величину градиента жидкости на тарелке, что влияет на равномерность потоков по сечению колонны. В ряде случаев способ создания гидрозатвора влияет на производительность тарелки, диапазон ее устойчивой работы, а также на размеры всего аппарата.

 

3.1 Описание прямоточной массообменной тарелки.

 

На рисунке 3.2 изображена конструкция прямоточной массообменной тарелки. Тарелка состоит из горизонтального полотна 1 с барботажными элементами 2. Перед сливом жидкости с тарелки установлена форпланка 3, выступающей части 6, с отверстиями слива 5, переливной планки 7. Автономное переливное устройство 4 включает – приемный карман 9 с передней наклонной гранью 10, отбойник 11, дно переливного кармана 12, сливную планку 13. Боковые стенки 14 переливного кармана 9 закрывают выход жидкости из внутренней полости переливного устройства, создавая проход жидкости через нижний зазор между отбойником 11 и дном 12, а также через зазор между верхним краем сливной планки 13 и отбойником 11. Такая конструкция приемного кармана 9 переливного устройства 4 в совокупности с описанными конструктивными элементами 10, 12, 11, 13 обеспечивают увеличение производительности массообменной тарелки.

1 – полотно тарелки; 2 – контактные элементы; 3 – форпланка; 4 – переливное устройство;

5 – сливные щели; 6 – выступающая часть; 7 – переливная планка; 8 – передняя стенка выступающей части; 9 – переливной карман; 10 – передняя грань переливного кармана;

11 – отбойник; 12 – дно; 13 – сливная планка; 14 – боковая грань переливного кармана;

15 – боковые стенки выступающей части.

Рисунок 3.2 - Струйная тарелка с переливным устройством подвесного типа

Массообменная тарелка работает следующим образом: жидкая фаза поступает с вышерасположенной тарелки по сливной планке на горизонтальное полотно 1 ниже расположенной тарелки и движется вдоль полотна к переливной планке 7. Часть осветленной жидкости через сливные отверстия 5 поступает в приемный карман 9, основная часть жидкости перетекает в приемный карман 9 через верх переливной планки 7 выступающей части 6 переливного устройства 4.

 

3.2 Описание конструкции переливного устройства

 

Общий вид переливного устройства подвесного типа изображено на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема автономного переливного устройства подвесного типа

4 Методика проведения исследования и обработка

экспериментальных данных

 

4.1 Экспериментальная часть

 

Экспериментальные исследования проводятся на сухой и орошаемой тарелках.

1. Проводится тарировка ротаметра 4 для воды. Устанавливается по шкале ротаметра деление 10 и засекается по секундомеру время, за которое наполнится емкость объемом 5 литров и рассчитывается расход воды. Для заданных преподавателем делений шкалы ротаметра рассчитывается расход воды. По полученным данным строим тарировочный график (рисунок 4.1).

2. Работа экспериментальной установки начинается с подачи воздуха в нижнюю часть установки с помощью двух последовательно установленных вентиляторов 5. Воздух выходит с верхней части колонны 1. Расход воздуха для различных режимов работы установки можно регулировать при помощи заслонки, установленной на одном из вентиляторов 5.

Рисунок 4.1. -Тарировочный график ротаметра 4 (для воды)

Для заданных расходов воздуха по дифманометрам 6₁ и 6₂ снимаются показания сопротивления тарелок (значения записываются в таблицу 4.1).

При экспериментальном определении гидравлического сопротивления сухой тарелки устанавливается определенный расход воздуха и по показаниям дифманометров 6₁ и 6₂  фиксируется перепад давления. Результаты записываем в таблицу 4.1 в графу расход жидкости равен 0.

3. При исследовании гидравлического сопротивления орошаемой тарелки для заданного по ротаметру 4 расхода жидкости также измеряем перепад давления дифманометрами 6₁ и 6₂ .

Для каждого значения расхода жидкости снимаем показания дифманометров 6₁ и 6₂ при минимальной скорости (начало работы всех отверстий контактного элемента), предельной скорости (захлебывание колонны). Сопротивления орошаемой тарелки заносим в таблицу 4.1.

 

Таблица 4.1 – Гидравлическое сопротивление нижней и верхней тарелок  в зависимости от расходов воды и воздуха

Расход воздуха Gv,м3/ч	Показания дифманометров, мм. вод. ст.	Расход воды, дел.
		0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
710	Диафрагма Pдиаф,дел	80	60	65	70	75	70	70	65	60	65	60
	Общее давление Pобщ, дел	25	45	40	45	45	45	50	45	50	50	55
	Давление на 2 тарелке P2, дел	10	20	23	25	26	27	29	30	30	31	32
695	Диафрагма Pдиаф,дел	80	60	60	60	60	60	60	60	60	65	65
	Общее давление Pобщ, дел	23	40	40	45	45	50	50	50	50	50	50
	Давление на 2 тарелке P2, дел	8	25	27	27	28	28	29	31	32	33	34
675	Диафрагма Pдиаф,дел	78	70	70	70	70	70	70	70	70	70	70
	Общее давление Pобщ, дел	20	45	45	45	48	50	50	50	51	55	55
	Давление на 2 тарелке P2, дел	6	26	28	28	30	31	32	34	34	36	37
600	Диафрагма Pдиаф,дел	60	50	50	50	50	50	50	50	50	50	50
	Общее давление Pобщ, дел	18	30	30	36	40	40	45	50	51	50	55
	Давление на 2 тарелке P2, дел	6	29	30	31	31	32	32	34	35	37	38

 

Жидкость в колонну подается на верхнюю тарелку и через переливное устройство подвесного типа попадает на нижнюю тарелку, далее, так же как и на первой тарелке через переливное устройство, удаляется из нижней части установки. Расход жидкости регулируется с помощью ротаметра 4.

4. При исследовании работы переливного устройства необходимо зафиксировать уровень жидкости в переливном устройстве, а данные записаем в таблицу 4.2.

После снятия показаний меняется расход по газовой среде с помощью заслонки или по жидкостной среде при помощи вентиля, способом описанным выше.

Проводится необходимое количество опытов при различных расходах газа и жидкости.

Таблица 4.2 – Зависимость уровня жидкости в переливном устройстве   от расхода воды и воздуха

Расход воды, дел	Расход воздуха м3 / ч
	Gv =710				Gv = 695				Gv = 675				Gv = 600
	Уровень жидкости в переливном устройстве, мм. вод. ст.
	Верхнее перелив-ное устрой-ство		Нижнее пере-ливное устрой-ство		Верхнее перелив- ное устрой-ство		Нижнее пере-ливное устрой-ство		Верхнее перелив-ное устрой-ство		Нижнее пере-ливное устрой-ство		Верхнее перелив-ное устрой-ство		Нижнее пере-ливное устрой-ство
10	63	51	78	51	63	51	78	51	64	51	78	51	66	51	80	51
20	68	52	80	52	68	52	81	52	69	52	83	52	69	52	84	52
30	69	53	81	53	69	53	82	53	70	53	84	53	70	53	85	53
40	70	53	84	53	70	53	90	53	70	53	91	53	72	53	91	53
50	71	53	90	54	71	53	92	54	74	53	93	54	75	53	94	54
60	75	54	93	55	76	54	94	55	75	54	95	55	76	54	96	55
70	76	54	94	55	77	54	95	55	79	54	96	55	80	54	97	55
80	78	55	96	56	79	55	97	56	80	55	98	56	81	55	98	56
90	80	56	98	57	81	56	99	57	82	56	100	57	83	56	101	57
100	92	57	100	58	84	57	102	58	86	57	104	58	88	57	106	58

 

Разность уровня жидкости в зависимости от расхода воды и воздуха  записываем в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 – Разность уровня жидкости в зависимости от расхода воды и воздуха записать в таблицу

Расход воды, дел	Расход воздуха м3 / ч
	Gv =710		Gv = 695		Gv = 675		Gv = 600
	Разность уровней жидкости в переливном устройстве, мм. вод. ст.
	Верхнее перелив-ное устрой-ство	Нижнее пере-ливное устрой-ство	Верхнее перелив-ное устрой-ство	Нижнее пере-ливное устрой-ство	Верхнее перелив-ное устрой-ство	Нижнее пере-ливное устрой-ство	Верхнее перелив-ное устрой-ство	Нижнее пере-ливное устрой-ство
10	12	27	12	27	13	27	15	29
20	16	28	16	29	17	31	17	32
30	16	28	16	29	17	31	17	32
40	17	31	17	37	17	38	19	38
50	18	36	19	38	21	39	22	40
60	21	38	22	39	21	40	22	41
70	22	39	23	40	25	41	26	42
80	23	40	24	41	25	42	26	42
90	24	41	25	42	26	43	27	44
100	25	42	27	44	29	46	31	48

 

5. Угол факела движения газожидкостного потока _разбр по тарелке фиксируется угломером, данные заносим в таблицу 4.4.

6. Рассчитываем скорость в колонне при различных расходах воздуха.

7. Рассчитываем скорость воздуха в отверстиях контактных элементов для верхней и нижней тарелки.

8. Рассчитываем сопротивление сухой тарелки (для верхней и нижней тарелки).

Таблица 4.4– Угол факела разбрызгивания жидкости _разбр в зависимости от расхода воды и воздуха

Расход воды, дел	Расход воздуха м3 / ч
	Gv =710		Gv = 695		Gv = 675		Gv = 600
	Угол разбрызгивания жидкости, град
	Верхняя тарелка	Нижняя тарелка	Верхняя тарелка	Нижняя тарелка	Верхняя тарелка	Нижняя тарелка	Верхняя тарелка	Нижняя тарелка
10	2	2	5	10	7	13	10	15
20	5	10	8	13	10	15	12	17
30	7	11	10	14	15	17	16	20
40	10	13	13	15	17	20	20	24
50	11	15	14	18	18	22	21	25
60	13	17	15	19	19	24	23	2
70	15	18	17	20	20	25	24	30
80	16	19	19	21	23	26	25	31
90	20	21	22	24	24	28	28	34
100	25	30	28	35	32	38	35	40

 

8. Рассчитываем сопротивление сухой тарелки (для верхней и нижней тарелки).

9. Гидравлическое сопротивление от слоя жидкости на тарелке определям по (для верхней и нижней тарелки).

10. Рассчитываем сопротивление от поверхностного натяжения.

11. Рассчитываем общее гидравлическое сопротивление тарелок

12. По показаниям дифманометра 6₃ строим тарировочный график по воздуху (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2- Тарировочный график

13. Строим графики зависимостей при четырех расходах воздуха Р₃= f(q_v), h_пер = f(q_v), h_пер = f(G_v), _разбр = f(q_v) и _разбр = f(G_v).

 

 

1-при расходе воздуха 710 м³/ч; 2- при расходе воздуха 695 м³/ч; 3- при расходе

воздуха 675 м³/ч; 4- при расходе воздуха 600 м³/ч

Рисунок 4.3-График зависимости сопротивления колонны в зависимости от расхода жидкости.

1 - при расходе воздуха 710 м³/ч; 2 - при расходе воздуха 695 м³/ч; 3 - при расходе

воздуха 675 м³/ч; 4- при расходе воздуха 600 м³/ч

Рисунок 4.4 - График зафисимости разности уровня жидкости в переливном устройстве на верхней тарелке в зависимости от расхода жидкости

1 - при расходе воздуха 710 м³/ч; 2 - при расходе воздуха 695 м³/ч; 3- при расходе воздуха 675 м³/ч; 4- при расходе воздуха 600 м³/ч

Рисунок 4.5 - График зафисимости разности уровня жидкости в переливном устройстве на нижней тарелке в зависимости от расхода жидкости.

1-при расходе воздуха 710 м³/ч; 2- при расходе воздуха 695 м³/ч; 3- при расходе

воздуха 675 м³/ч; 4 - при расходе воздуха 600 м³/ч

Рисунок 4.6 - График зависимости угла разбрызгивания жидкости  на верхней

тарелке в зависимости от расхода жидкости

1 - при расходе воздуха 710 м³/ч; 2 - при расходе воздуха 69 м³/ч 5; 3 - при расходе

воздуха 675 м³/ч; 4- при расходе воздуха 600 м³/ч

Рисунок 4.7-График зафисимости угла разбрызгивания жидкости на нижней тарелке в зависимости от расхода жидкости

4.2 Расчет гидравлического сопротивления тарелок

 

Гидравлическое сопротивление является одной из важнейших характеристик тарелок.

Общее сопротивление орошаемой тарелки равно сумме двух сопротивлений и рассчитывается по формуле (4.1):

ΔР = ΔР_сух + ΔР_г-ж ,                                      (4.1)

где ΔР_сух - сопротивление сухой тарелки, Па;

ΔР_г-ж - сопротивление столба жидкости на тарелке, Па.

Сопротивление сухой тарелки рассчитывается по формуле (4.2):

Δр_сух =  ,                                            (4.2)

где,  - коэффициент сопротивления тарелки(справочная величина);

 - плотность газа, кг/м³;

V_отв - скорость в отверстиях контактного элемента, м/с.

Относительное свободное сечение верхней тарелки в процентах от рабочего сечения тарелки составляет F_{св. верх} =9%, а нижней – F_{св. верх} =6%. С учетом доли свободного сечения скорость газа в отверстиях тарелки v_отв будет рассчитываться по формуле (4.3):

                                   v_отв = V_ап ,                                  (4.3)

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв в1} при V_ап1

.

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв в2} при V_ап2

.

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв в3} при V_ап3

.

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв в 4} при V_ап4

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв н1} при V_ап1

.

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв н 2} при V_ап2

.

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв н 3} при V_ап3

.

Скорость в отверстиях контактного элемента V_{отв н 4} при V_ап4

.

Тогда сопротивление сухой тарелки Δр_{сух в1} при V_ап1

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух в2} при V_ап2

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух в3} при V_ап3

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух в4} при V_ап4

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух н1} при V_ап1 

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух н2} при V_ап2

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух н3} при V_ап3

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух н4} при V_ап4

Скорость газа в колонне рассчитываем по формуле (4.4):

V_ап =   ,                                                 (4.4)

где q_v- объемный расход газа, поступающего в колонну, м³/с;

   - диаметр аппарата, м.

Скорость газа в колонне V_ап1, при расходе воздуха q_v1 = 720 м³/ч

.

Скорость газа в колонне V_ап2, при расходе воздуха q_v2 = 700 м³/ч

.

Скорость газа в колонне V_ап3, при расходе воздуха q_v3 = 690 м³/ч

.

Скорость газа в колонне V_ап4, при расходе воздуха q_v4 = 650 м³/ч

.

Сопротивление столба жидкости на тарелке (4.5):

Δр_г-ж =1,3 ∙  ,                                 (4.5)

где _ж - плотность жидкости, кг/м³;

  h_n - высота сливной планки, м;

  k - коэффициент отношение плотностей газожидкостного слоя жидкости, принимаем k = 0,5.

Сопротивление столба жидкости на тарелке будет равно:

Δр_г-ж = 1,3 ∙  = 191,1 Па.

Тогда общее сопротивление ΔР₁ при ΔР_сух1

ΔР₁ = 277 + 191,1 = 468,1 Па.

Общее сопротивление ΔР₂ при ΔР_сух2

ΔР₂ = 267,2 + 191,1 = 458,3 Па.

Общее сопротивление ΔР₃ при ΔР_сух3

ΔР₃ = 257,7 + 191,1 = 448,8 Па.

Общее сопротивление ΔР₄ при ΔР_сух4

ΔР₄ = 225,7 + 191,1 = 416,8 Па.

      Сопротивление сухой тарелки (с данных эксперимента) рассчитывается по формуле (4.6):

,                                            (4.6)

    где  давление на тарелке, дел.

    Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп в1}

    Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп в2}

    Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп в3}

    Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп в4}

    Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп н1}

     Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп н2}

     Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп н3}

Сопротивление сухой тарелки Δр_{сух эксп н4}

Расчет   коэффициента сопротивления тарелки(экспериментальная)по формуле (4.7):

                                                                (4.7)

Коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления

.

 

  Выводы:

1) Изучено устройство и работа тарелки с переливным устройством подвесного типа.

2) Изучена методика определения гидравлического сопротивления на экспериментальной установке.

3) Построены графики зависимостей при четырех расходах воздуха Р₃= f(q_v), h_пер = f(q_v), h_пер = f(G_v), _разбр = f(q_v) и _разбр = f(G_v).