Расчет переливных устройств

Важнейшим элементом гидравлического расчета тарелки является определение размеров переливного устройства. К переливному устройству предъявляются следующие основные требования :

- перетекание заданного количества жидкости с тарелки на тарелку без захлебывания колонны;

- малое гидравлическое сопротивление;

- достаточная величина гидравлического затвора, исключающая прорыв пара через переливное устройство;

- спокойный ввод жидкости на тарелку;

- возможно полная дегазация жидкости, перетекающей на нижележащую тарелку.

При расчете переливных устройств принимают, что через них течет полностью свободная от пара жидкость, а способность жидкости к вспениванию (газонасыщению) учитывают последующим введением в расчетные уравнения соответствующих поправочных коэффициентов.

Схема для гидравлического расчета переливного устройства дана на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1- Схема для гидравлического расчета переливного устройства

Для сплошной сливной перегородки

h₁=0,0029K₀ (7.1)

Для перегородки с треугольными вырезами

h₁=0,0322 (7.2)

Для трубы круглого сечения

h₁=0,0275 (7.3)

где h₁ - подпор жидкости над сливом, м; h, b - высота и ширина вырезов, м;

K₀ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние стенок колонны на работу сегментного переливного кармана и определяемый по графику, приведенному на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2-График для определения поправочного коэффициента при расчете подпора жидкости над сегментной сливной перегородкой

Для обеспечения стабильного слива жидкости через перегородку при небольших подпорах жидкости над сливом (менее 20…25 мм) применяют сливные перегородки с трапециевидными, прямоугольными, треугольными прорезями. Схема такой перегородки дана на рисунке 7.3. В первом приближении расчет может быть выполнен по уравнениям (7,1); (7,2); (7,3).

При больших расходах жидкости, когда h_ñϊ+ h₁>80 100 мм, часть жидкости может быть пропущена над сливной перегородкой, часть – через прорези в ней, что позволяет понизить общий уровень жидкости на тарелке и обеспечить стабильную работу слива.

Рисунок 7.3-Схема к расчету подпора жидкости

Обычно для сегментной сливной перегородки (сплошной) максимальная жидкостная нагрузка ограничивается величиной V_ж=70 80 м³/(м·ч). При большей жидкостной нагрузке, как правило, следует применять двухпоточные или многопоточные тарелки, а также сливные перегородки с прорезями.

Уровень жидкости в переливном устройстве Н_ж, отсчитываемый от плоскости тарелки(см. рисунок 7.1), можно определить по выражению

Н_ж = + + + Δ+ (7.4)

где - гидравлическое сопротивление тарелки, Па;

- высота затворной перегородки;

- высота подпора жидкости над затворной перегородкой;

- сопротивление переливного устройства потоку жидкости, м столба жидкости.

Сопротивление переливного устройства движению жидкостного потока определяют по формуле местных сопротивлений

= ξ_ж (7.5)

где ω_ж - скорость жидкости в зазоре между нижним обрезом переливного устройства и основанием тарелки (зазор на рисунке 7.1);

ξ_ж - коэффициент сопротивления переливного устройства, равный 2,1 при плавном закруглении нижней кромки и 3,2 для перегородок с острой нижней кромкой.

Для нормального перетока жидкости с тарелки на тарелку необходимо выполнить условие (7.6)

Н_Т К_n Н_ж-h_cn (7.6)

В этом выражении коэффициент запаса высоты переливного устройства К_n зависит от коэффициента вспениваемости жидкости. Рекомендуемые значения коэффициента запаса высоты приведены в таблице 7.1.

В верхней части переливного устройства происходит удаление основной массы пара из жидкости, стекающей на нижележащую тарелку (рисунок 7.1). Поэтому ширина переливного кармана в верхней части S должна быть достаточной, чтобы обеспечить необходимую площадь для дегазации, т.е. должно выполняться условие S> l_к (здесь l_к - длина вылета струи жидкости, стекающей с тарелки, м). В случае, когда S> l_к условия для дегазации жидкости в верхней части переливного кармана резко ухудшаются, что приводит к интенсивному вспениванию жидкости в переливном кармане и к захлёбыванию тарелки [2].

Для уменьшения захвата пара (газа) жидкостью, что сопровождается ростом газосодержания перетекающей жидкости и колебаниями уровня жидкости в переточном устройстве, должно соблюдаться условие

S (1,5 2,0) l_к (7.7)

Вылет струи жидкости можно определить по уравнению

l_к=0,8 (7.8)

где - расстояние от верха сливной перегородки до уровня жидкости в переливном устройстве.

Если переливной карман имеет двухсторонний слив жидкости, условие (7.7) должно выполняться для половины общей ширины переливного кармана.

При сегментном переливном кармане его ширина S связана с длиной сливной перегородки П и диаметром колонны D_ê соотношением

(7.9)

Поскольку относительная длина сливной перегородки П/D_к обычно находится в диапазоне от 0,6 до 0,8, то ширина сегментного переливного кармана S (0,1 0,2)Dк.

Основная масса пара (газа), увлеченного жидкостью, перетекающей с тарелки, отделяется в верхней части переливного устройства. В нижней части переливного кармана течет практически дегазированная жидкость. Чтобы исключить захват жидкостью всплывающих в ней пузырьков пара (газа), скорость жидкости в нижней (более узкой) части переливного устройства должна быть меньше, чем скорость всплывания пузырьков пара (газа).

Для расчета скорости движения жидкости в нижней части переливного кармана можно использовать уравнение для скорости всплывания пузырей грибообразной формы

(7.10)

ω^*=1,18·

Скорость жидкости в нижней части перелива определяют из выражения

(7.11)

Коэффициент зависит от коэффициента вспениваемости жидкости (численные значения приведены в таблице 7.1).

Минимально необходимую площадь и размеры нижнего сечения переливного кармана определяют из выражения

(7.12)

При значительной величине уноса жидкости действительная жидкостная нагрузка переливного устройства определяется с учётом величины уноса жидкости.

Размеры остальных сечений переливного устройства в первом приближении определяют из условия равенства скоростей движения жидкости в этих сечениях. При использовании нормализованных конструкций тарелок размеры переливного устройства проверяют на соответствие заданным нагрузкам по жидкости и пару. В случае необходимости размеры стандартных конструкций могут быть изменены с учетом изложенных выше рекомендаций.

В работе [15] приведена проверка надежности работы переливного устройства нормализованных конструкций тарелок по скорости жидкости в верхнем сечении перелива и в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой

Во избежание захлёбывания сливного устройства скорость жидкости в нем должна отвечать условию

(7.13) сливного стакана .

где площадь переливного устройства выбранной тарелки, ;

действительный расход жидкости в переливном устройстве,

Значения коэффициентов и показателя степени в зависимости от фактора вспениваемости жидкости приведены в таблице 7.1.

Скорость жидкости (м/с) в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана (зазор на рисунке 7.1) должна отвечать условию

(7.14)

Таблица 7.1-Дополнительные данные к уравнениям (7.6), (7.11) и (7.13)

Вспениваемость жидкости
Слабая (ректификация нефтяных фракций, углеводородных газов, кроме легких типа метана и этана, фтористых систем-фреонов)	1…0,9	1,25…1,50	0,90	0,250	0,65
Средняя (атмосферная перегонка нефти, абсорбция и десорбция углеводородов, регенерация аминов и гликолей)	0,9…0,7	2,0	0,80	0,225	0,80
Большая (вакуумная перегонка мазута, абсорбция аминами и гликолями, растворами глицерина, метилэтилкетонами)	0,7…0,6	2,5…3,0	0,65	0,118	1,30