4.7.3 Методика гидромеханического расчета колонных аппаратов

Определение гидравлического сопротивления колонн. Величина гидравлического сопротивления колонных аппаратов (ректификационных, абсорбционных, экстракционных) влияет на технологический режим работы аппарата.

При расчете колонн определяют гидравлическое сопротивление аппарата, для того чтобы выбрать оптимальные скорости фазовых потоков, обеспечивающих эффективный массообмен. По гидравлическому сопротивлению колонны подбирают вентилятор, компрессор или насос для подачи газов и жидкостей, обеспечивающих скорость движения фаз.

Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн зависит от конструкции тарелки, но независимо от типа тарелки оно складывается из следующих величин (Па):

, (4.19)

где P – общее гидравлическое сопротивление тарелки; – сопротивление сухой тарелки; P₁ – сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения; P₂ – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки (Па)

, (4.20)

где  – коэффициент сопротивления (для колпачковых тарелок ; для ситчатых тарелок ; для провальных тарелок решетчатых ); – плотность пара, кг/м³; – скорость пара или газа в прорези или отверстиях тарелки, м/с.

Скорость пара или газа в свободном сечении аппарата при равномерном режиме, полном открытии прорезей а атмосферном давлении рекомендуется принимать равной 0,4 - 0,5 м/с, а в отверстиях ситчатых тарелок – 6 - 20 м/с.

Сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения,

, (4.21)

где  – поверхностное натяжение жидкости, Н/м; – эквивалентный диаметр прорези, м; F – площадь сечения прорези, м²; П – периметр прорези, м.

Для ситчатых тарелок ; для провальных решетчатых тарелок (d – диаметр отверстий, b – ширина щели).

Статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке P₂ зависит от слоя жидкости на ней.

Сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке (Па)

, (4.22)

где g – ускорение свободного падения, м²/с; - относительная плотность пены; - плотность жидкости, кг/м; l – расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м; e –высота прорези, м; h – высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

Для ситчатой тарелки

, (4.23)

где - высота сливного порога, м.

Величина h определяется по формуле

, (4.24)

где – объемный расход жидкости, м³/с; П – периметр слива, м.

Сопротивление ситчатой тарелки можно рассчитать по обобщенному уравнению:

, (4.25)

где – гидравлическое сопротивление орошаемой ситчатой тарелки, Па; h – высота сливного порога, м; – отношение массовых расходов жидкости и пара; при - отношение диаметра отверстия к толщине тарелки.

После определения гидравлического сопротивления тарелки рекомендуется проверить достаточность принятого расстояния между тарелками но соотношению

, (4.26)

Общее сопротивление всех тарелок в колонне (Па)

, (4.27)

где Р – гидравлическое сопротивление тарелки колонны, Па; n – число тарелок.

Гидравлическое сопротивление насадочных колонн определяют гидравлическим сопротивлением смоченной насадки. Для заполнения колонны насадкой в виде колец Рашига диаметром до 30 мм гидравлическое сопротивление смоченной насадки можно определить по формуле:

, (4.28)

где Р– гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; - гидравлическое сопротивление смоченной насадки, Па; – уменьшение свободного объема насадки.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки (Па)

, (4.29)

где  – коэффициент сопротивления, зависящий от режима движения газа или пара (значение  некоторых насадок приводится в таблице); H – высота слоя насадки, м; – эквивалентный диаметр насадки, м; - свободный объем насадки, м³/м³; – удельная поверхность насадки, м²/м³; – скорость пара или газа, отнесенная к полному свечению колонны, м/с.

Уменьшение свободного объема насадки

, (4.30)

где – плотность орошения колонны, м³ /(м² с); L – количество стекающей по колонне жидкости, м³ /с; F – площадь сечения колонны; м³; постоянный коэффициент; – критерий Рейнольдса для жидкости; – массовая скорость жидкости, кг/(м² с).