ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ГАЗОЖИДКОСТНОГО СЛОЯ НА КРУПНОДЫРЧАТЫХ ПРОВАЛЬНЫХ ТАРЕЛКАХ

Аширбаев Х.А., Джумагалиева А.И.

Пульсация перепада давления и частота пульсаций.

Как известно [4,6,7], изменение перепада давления во времени отражает динамическое состояние газожидкостного слоя на тарелке.

Исследование пульсаций перепада давления проводилось с помощью измерительного комплекса (рис. 1):

Конструкция датчика пулсаций перепада давления.

1-мембрана; 2-пьезоэлемент; 3-корпус

Рисунок 1

Обработка результатов и записи пульсаций перепада давления проводилось следующим образом. На рисунок 2 представлена кардиограмма пульсаций перепада давления. Средняя линия пульсаций определялась делением на выбранный интервал площади кардиограммы. Среднеарифметическое значение апплитуды пульсаций перепада давления найдено по соотношению:

(1)

где N – количество амплитуды, отсчитываемое от средней линии на одной стороне.

С помощью градуировочного графика (рис. 3) найдено для соотвествующее среднеарифметическое значение пульсаций перепада давления . Для каждого режима среднее гидродинамическое сопротивление найдено с помощью однотрубного манометра. Тогда критерий динамического состояния и структура газожидкостного слоя, как известно, находится по соотношению [1-3]:

(2)

На рисунок 4 представлена зависимость критерия от скорости газа в колонке для различного диаметра отверстий и свободного сечения тарелки.

Во всех случаях повышение скорости газа в колонне приводило к плавному снижению, т.е. снижается доля общей энергии газа, которая превращается в флукбирующую кинетическую энергию единицы массы жидкости. Такое поведение можно объяснить тем, что с увелечением растет и общее среднее гидравлическое сопротивление и высота газожидкостного слоя. При этом незначительно повышаются амплитуды их колебания, т.е. .

С увелечением свободного сечения тарелки также усиливаются пульсации газожидкостного слоя (кривые 1,2,4 рис.4). Это означает, что при больших свободных сечениях усиливается неоднородность газожидкостного слоя, возникают колебания с большой амплитудой.

Запись пулсаций перепада давления

Рисунок 2

Градуировочный график пульсаций перепада давления: Н – соответствует высоте амплитуды пульсаций на диаграммной бумаге (мм)

Рисунок 3

Зависимость критерия от скорости в колонне

Рисунок 4

На рисунок 4 (кривая 3) приведена для сравнения пульсационных характеристик крупнодырчатых провальных тарелок с мелкодырчатыми. При одних и тех же геометрических и режимных параметрах на мелкодырчатых провальных тарелках образуется сравнительно небольшой газожидкостный слой со значительными пульсациями. Это объясняется тем, что газожидкостный поток проходит поочередно через отверстия мелкодырчатых провальных тарелок, а это приводит, в свою очередь, к раскачке всего слоя с большой амплитудой. А через отверстия крупнодырчатых провальных тарелок газожидкостный поток проходит одновременно, тем самым процесс стабилизируется и способствует накоплению высокого слоя на тарелке небольшими пульсациями.

На рисунок 5 представлены сравнительные кривые пульсации газожидкостного слоя на КДПТ и МДПТ в зависимости от плотности орошения при фиксированных других режимных параметрах.

На КДПТ с увелечением плотности орошения в начале пульсация несколько растет. Это означает, что слой образовался недостаточно, происходит прорывы газа, тарелка не вытупила на работу. С началом образования слоя пульсация начинает снижаться плавно (кривая 1, рис.5). Кривые 1 и 2 рисунок 5 показывает, как различно работает КДПТ и МДПТ. На мелкодырчатых провальных тарелках слой образуется значительно раньше, чем на КДПТ, но с большими пульсациями, т.е. в начале образуется сильно неоднородный газожидкостный слой. С дальнейшим увелечением плотности орошения пульсационные характеристики газожидкостного слоя на МДПТ мало меняются, т.е. не уменьшается, даже несколько увеливичиваются [5]. Это означает, что к пульсации газожидкостного слоя влияет в основном взаимодействие фаз в отверстиях тарелки.

Зависимость критерия от плотности орошения.

;

Рисунок 5

Обработка экспериментальных данных показала, что критерий динамического состояния газожидкостного слоя может быть определен по следующей эмпирической зависимости:

(2)

Где , - числа Рейнольдса.

Оказалась величина В сложным образом зависит от доли свободного сечения тарелки

(3)

Частоту пульсаций определяем подсчетом числа пересечений кардиограммной средней линии. Скорость протяжки кардиограммной ленты равнялась . Тогда за выбранный интервал , если число пересечений равно N, то

(4)

На рисунок 6 представлена зависимоть чfстоты пульсаций перепада давления от скорости газа в колонне для различных диаметров отверстий и свободных сечений тарелки. В данном случае, в первую очередь, можно отметить, что при массовом барботаже частота пульсаций перепада давления не характеризует частоту образования отдельных пузырьков от отверстий, а частоту пульсаций всего газожидкостного слоя. Так как при единичном акте барботажа частота образования пузырей в зависимости от скорости газа возрастает, а при массовом барботаже частота пульсаций перепада давления во всех изменениях геометрических и режимных параметров с увелечением снижалось. С увелечением скорсти газа в колонне на тарелке накапливается более высокий газожидкостный слой пульсирующей меньшей частотой и меньшей амплитудой. На мелкодырчатых провальных тарелках уменьшение частоты пульсаций газожидкостного слоя более плавно (кривая 4, рис.6), чем на КДПТ (кривая 3, рис.6).

Зависимость частоты пульсаций перепада давления от скорости газа в колонне

Рисунок 6

Это объясняется тем, что на КДПТ газожидкостный слой с увелечением скорости газа в колонне быстрее растет, чем на МДПТ. Сравнительное характеристика частоты пульсаций давления на КДПТ и МДПТ представлена на рисунок 7.

Зависимость частоты пульсации перепада давления от плотности орошения

;

Рисунок 7

Как видно, при более высоких плотностях орошения частота пульсаций для обеих случаев не обличаются качественно и мало обличается количественно. При небольших плотностых орошения на крупнодырчатой провальной тарелке образован еще невысокий газо жидкостный слой и его неоднородность значительная, что показывает на расхождение кривых 1 и 2 (рис.7).

Выводы

1) Рост скорости газа в колонне приводит к снижению критерия , так как падает средняя доля общей энергии газа, превращающаяся в флуктирующую кинетическую энергию единицы массы газожидкостного слоя.

2) При одних и тех же режимных параметрах на МДПТ образуется газожидкостной слой небольшой высоты со значительными пульсациями из-за по очередности истечения газа и жидкости через отверстия. А через отверстия КДПТ они проходят одновременно и тем самым процесс стабилизируется, который способствует накоплению высокого слоя на тарелке при небольших пульсациях.

3) При массовом барботаже частота пульсаций перепада давления не характеризует частоту образоваия отдельных пузырковь от отверстий, а пульсаций всего газожидкостного слоя.

Литература

1. Richardson J. F., Harker J. H. Chemical Engineering. V2. Fifth edition. Linacre House, Jordan Hill, Oxford: Butterworth –Heinemann, 2002. – 1183 p.

2. Левш И.П., Ниязов М.И., Убайдуллаев А.К. Пульсация давления на тарелке с псевдоожиженном слоем кальцевой насадки // Хим.технол., 2/3хим. Журнал. -1970. №4, с. 70-71.

3. Peube J. L. Fundamentals of fluid mechanics and transport phenomena. – London: ISTE Ltd., Inc SW19 4EU. UK, 2009. – 502 p.

4. Прокопененко А.Н., Мухеленов И.П., Бортов А.Т. Связь структурных характеристик кипящего слоя с пульсациями перепада давления и скорости газа // ЖПХ. – 1977. -№3, с. 584-587.

5. Basmadjian, Diran. Mass transfer : principles and applications. – Boca Raton, Florida: CRC Press LLC, 2004. – 390 p.

6. Айтбаев Е., Сабырханов Д.С., Аширбаев Х.А. Пульсация перепада давления и газожидкостного слоя на крупнодырчатой провальной тарелке // Наука и образования Южного Казахстана // Республ. научный журнал// Тр. межвуз. рег. Научно-метод. конф. «Проблемы Науки и образования» - Шымент, 1997.-№1(8), с. 45-47.

7. Cheremisinoff, Nicholas P. Handbook of chemical processing equipment. – Boston: Butterworth-Heinemann, 2000. – 558 p.