В работах [1, 2] были рассмотрены вопросы выделения 1,3-бутадиена из бутен-дивинильной фракции (БДФ) АО «Ангарский завод полимеров» (АО «АЗП»). Был выполнен расчет основной колонны, разделяющей БДФ на два обогащенных сырьевых потока. Колонну предлагается оснастить двухпоточными клапанными тарелками, характеристика которых представлена в таблице 1.
Необходимо было определить диапазон устойчивой работы тарелок, т.е. минимально и максимально допустимые скорости пара в отверстиях тарелок, соответственно, W0 MIN и W0 MAX. С этой целью были использованы две методики расчета [3, 4].
Первая из них базируется на использовании номограммы, построенной путем обобщения экспериментальных данных (рисунок 1). Вторая также имеет эмпирический характер. Она требует сведения о размерах клапанов и отверстий (таблица 2).
Таблица 1 – Основные параметры двухпоточных клапанных тарелок
|
№ п/п |
Наименование параметра, его обозначение и размерность |
Шаг размещения клапанов, t, мм |
|
|
50 |
75 |
||
|
1 |
Диаметр тарелки, D, мм |
1800 |
|
|
2 |
Масса тарелки, m, кг |
270 |
|
|
3 |
Свободное сечение колонны SK, м2 |
2,55 |
|
|
4 |
Рабочее сечение тарелки, SP, м2 |
1,72 |
|
|
5 |
Периметр слива, lW, мм |
2×1200 |
|
|
6 |
Сечение перелива, SПР, м2 |
0,38 |
|
|
7 |
Расстояние между тарелками, НМТ, мм |
400 |
|
|
8 |
Диапазон устойчивой работы тарелки, W0 MAX/W0 MIN |
3,5 |
|
|
9 |
Относительное свободное сечение, fC |
0,0809 |
0,0514 |
|
10 |
Количество клапанов, nКЛ, шт. |
164 |
104 |
|
11 |
Количество рядов клапанов, nР |
6 |
4 |
Таблица 2 – Дополнительные данные, необходимые для использования методик расчета
|
№ п/п |
Наименование параметра, его обозначение и размерность |
Значение |
|
1 |
Плотность пара, ρП, кг/м3 |
9,8 |
|
2 |
Плотность жидкости, ρЖ, кг/м3 |
692 |
|
3 |
Относительная плотность жидкость, ρЖ/ = ρЖ/1000 |
0,692 |
|
4 |
Диаметр отверстия, dО, м |
0,04 |
|
5 |
Диаметр клапана, dКЛ, м |
0,048 |
|
6 |
Масса клапана mКЛ, кг |
0,035 |
|
7 |
Ширина щели под клапаном, δЩ, м |
0,0025 |
|
8 |
Расход жидкости, VЖ, м3/с |
0,036 |
|
9 |
Нагрузка жидкости на сливную перегородку, LW, м3/(м∙ч) |
54 |
При работе клапанных тарелок можно выделить три характерных области (рисунок 2).
При малых скоростях пара клапан неподвижен и прикрывает собой отверстия, оставляя узкую щель для прохода пара (область I).
Рисунок 1 – Номограмма для определения фактора пара
Рисунок 2 – Типичное изменение гидравлического сопротивления сухой (1) и орошаемой (2) клапанных тарелок
Гидравлическое сопротивление тарелки в этой области резко возрастает с увеличением скорости пара. В то же время рост сопротивления орошаемой тарелки менее интенсивен.
При достижении некоторой скорости (точка А) клапан приподнимается, увеличивая проход пара. Темпы роста гидравлического сопротивления заметно снижаются как для сухой, так и для орошаемой тарелок.
Повышение скорости пара в области II приводит к большему подъему клапанов и, как следствие, к увеличению сечения для прохода пара.
В точке В степень открытия клапана достигает максимального значения и дальнейшее увеличение скорости пара приводит к более интенсивному росту гидравлического сопротивления.
При проектировании колонн важно определить критические скорости пара в отверстиях тарелки: минимальную W0MIN, соответствующую началу подъема клапана (пункт А) и максимальную W0MAX, соответствующую полному подъему клапана (пункт В).
В работе [3] с помощью номограммы определяли фактор пара Ф в зависимости от размеров клапана, нагрузки жидкости на сливную перегородку LW, м3/(м∙ч) и длины сливной перегородки lW. В нашем случае Ф = 7,5. Минимальная скорость пара в отверстиях находится по уравнению:
, м/с (1)
Максимальная скорость пара в отверстиях определяется, исходя из диапазона устойчивой работы тарелки:
(2)
В работе [4] эта задача была решена с помощью корреляций, включающих геометрические характеристики клапанов и отверстий.
При этом рассчитываются:
– площадь сеч. клапана: fКЛ = 0,785∙d2КЛ; (3)
– площадь сеч. отверстия: f0 = 0,785∙d2О; (4)
– площадь сеч. щели: fЩ = π∙dКЛ ∙δЩ (5)
– максимальное сечение для прохода пара:
fКЛMAX = 1,025∙f0 (6)
На основе этих данных формируются комплексы:
(7)
(8)
(9)
(10)
Минимальная скорость пара в отверстиях (пункт А) рассчитывается по уравнению:
(11)
Максимальная скорость пара в отверстиях (пункт В) рассчитывается по уравнению:
(12)
Как следует из таблицы 3, максимальные скорости пара в отверстиях тарелки, при которой наступает полное открытие клапана оказались практически одинаковыми при расчете по обеим методикам. Расхождение минимальных скоростей пара в отверстиях тарелки не слишком велики и могли быть связаны с погрешностью выбора значения фактора пара Ф по диаграмме.
Результаты расчета представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Результаты расчета
|
№ п/п |
Наименование параметра, его обозначение и размерность |
Значение |
|
|
Расчет по методике [3] |
|
|
1 |
Значение фактора пара Ф (диаграмма, рис. 1) |
7,5 |
|
2 |
Минимальная скорость пара W0 MIN, м/с (ур. 1) |
2,0 |
|
3 |
Максимальная скорость пара W0 MAX, м/с (ур. 2) |
7,0 |
|
|
Расчет по методике [4] |
|
|
1 |
Площадь сечения клапана, fКЛ, м2 (ур. 3) |
18,09∙10-4 |
|
2 |
Площадь сечения отверстия f0, м2 (ур. 4) |
12,56∙10-4 |
|
3 |
Площадь сечения щели fЩ, м2 (ур. 5) |
3,77∙10-4 |
|
4 |
Максимальное сечение fКЛMAX, м2 (ур. 6) |
12,81∙10-4 |
|
5 |
Значение комплекса K1 (ур. 7) |
14834 |
|
6 |
Значение комплекса K2 (ур. 8) |
4185 |
|
7 |
Значение комплекса K3 (ур. 9) |
313,6 |
|
8 |
Значение комплекса K4 (ур. 10) |
2126 |
|
9 |
Минимальная скорость пара W0 MIN (ур. 11) |
2,52 |
|
10 |
Максимальная скорость пара W0 MAX (ур. 12) |
7,22 |
