Спросить
Войти
Г. Б. Минигалиев
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И КОЛИЧЕСТВА УДЕРЖИВАЕМОЙ
ЖИДКОСТИ НА ПОРИСТОМ КАТАЛИЗАТОРЕ
Исследован слой пористого катализатора в виде колец Рашига, который применяется в производстве бутил-каучука. Исследования проводили на полностью автоматизированной модельной установке при регламентных режимах движения газовой и жидкой фаз. Получены уравнения связи гидравлического сопротивления для сухого и смоченного катализаторного слоя, а также получены количественные показатели по задержке жидкости в пористом катализаторе.
Porous catalyst layer is investigated as Raschig rings, which is used in the production of butyl rubber. Studies were performed on a fully automated installation of the model for regulatory regimes of motion of the gas and liquid phases.
The equations for the flow resistance of dry and wet catalyst layer, as well as the quantitative indicators for the delay of the liquid in a porous catalyst.
Введение
При проектировании промышленного оборудования крупнотоннажных производств химии и нефтехимии основным показателем безошибочного проектирования является учет факторов масштабного перехода от экспериментальных и полупромышленных установок к средне- и крупнотоннажному технологическому оборудованию.
В этой связи изучение гидродинамических свойств аппаратов, и вспомогательных элементов является одним и важнейших факторов, адекватной математической модели, применяемой для моделирования вновь проектируемого технологического оборудования и расчета режимных параметров процесса.
В представленной работе с помощью методов теории подобия получены основные закономерности для гидравлического сопротивления слоя пористого катализатора КУ-2ФПП, применяющегося для процесса получения изобутилена в производстве бутилкаучука, при режимных параметрах [3].
В работе описана экспериментальная установка, работающая в автоматическом режиме. Показаны результаты измерения основных параметров требующихся для анализа и получения уравнений подобия. В заключении представлены полученные экспериментальные коэффициенты в уравнениях подобия.
Экспериментальная часть и методы обработки данных
Экспериментальные исследования проводились на полностью автоматизированной модельной установке, схема которой, представлена на рис. 1.
Установка представляет собой колонну 13, в куб которой компрессором 10 через запорный кран 9 и регулирующий орган 15 нагнетается сжатый воздух, расход воздуха измеряется турбинным преобразователем расхода 16. Воздух уходит с колонны по линии отдувки 14. На верх колонны по линии питания 1 через запорный кран 2 и регулирующий клапан 5 подается вода, расход воды измеряется
расходомером 6, далее вода стекает в куб колонны, с куба колонны вода насосом 8 подается на линию слива 12. Внутри колонны установлен катализатор-ный слой. Для измерения температуры по высоте колонны установлены термометры 7. Давление верха колонны измеряется датчиком давления 3. Разность давлений между верхом и кубом колонны измеряется дифференциальным манометром 4. Уровень в кубе колонны измеряется дифференциальным манометром 11.
Рис. 1 - Экспериментальная установка
Данная установка полностью автоматизирована и позволяет снимать показатели процесса в автоматическом режиме без участия персонала.
При исследовании использовались модельные вещества: воздух и вода.
Определение количества удерживаемой жидкости в слое катализатора
Задержка жидкости в слое пористого катализатора складывается из статической ест и динамической ежд составляющей. При этом
єж єст + єжд
Статическая составляющая ест представляет собой количество жидкости, удерживаемое на катализаторе капиллярными силами; эта величина не зависит от гидродинамических условий, она определяется формой и материалом катализатора, а
также свойствами орошающей жидкости. Динамическая составляющая представляет собой количество жидкости, движущейся по катализатору, и определяется гидродинамическими условиями. Количество удерживаемой жидкости определяется опытным путем. Статическая составляющая ест обычно определяется методом взвешивания после отсечки питания и стекания жидкости, соответствующей динамической составляющей £т.
Одним из способов определения динамической составляющей ежд является метод отсечки
орошения [1]. По этому методу прекращают подачу орошения и измеряют количество жидкости, вытекающей из колонны после прекращения орошения. Количество ест удерживается катализатором и после прекращения орошения.
В результате проведенного эксперимента определена динамическая составляющая задержки жидкости на катализаторе. Для исключения доли задержки жидкости на стенках колонны опыты проведены на пустой колонне и загруженной катализатором. Показано, что задержка жидкости ежд слабо
зависит от скорости газа. Так при скорости газа в диапазоне 0-2 м/с, среднее квадратичное отклонение
заДерЖКи ежд составляет 2 10 м жидкости/ м катализатора.
Большее влияние на величину динамической составляющей задержки оказывает изменение плотности орошения.
Плотность орошения (приведенная скорость жидкости) - объемный расход жидкости через единицу площади сечения аппарата:
L = VJ S, (2)
где S = ж R2 - площадь сечения колонны (м2); R -радиус колонны (м).
Аппроксимация результатов измерения динамической составляющей задержки жидкости осуществляется известным уравнением [1]:
^жд = A • Rem • Ga ^, (3)
где Re ж - критерий Рейнольдса, Ga - критерий Галелея.
Динамическая составляющая задержки жидкости зависит от Re ж и Ga, которые находятся по формулам:
^ ж = 4-/ (ж ^)
где L - плотность орошения (м3/м2с), уж - коэффициент кинематической вязкости (м2/с), av - удельная поверхность катализатора (м2/м3), д = 9,81 м/с2
- ускорение свободного падения.
Коэффициенты А,т и к эмпирического уравнения определяются в результате обработки экспериментальных данных известным методом наименьших квадратов [2].
Коэффициенты А,т и к данной аппроксимации рассчитываются в результате минимизации функции
Погрешность аппроксимации рассчитывается по формуле [2]:
^ = (^жд эксп _ ежд расч |/еждэксп )^ 100 % (6)
Среднее квадратическое отклонение рассчитывается по формуле [2]:
Для определения свойств катализатора используются следующие уравнения.
Объем слоя сухого катализатора:
Ч=ух =(*• Ъ214\\ ^ух , (8)
где Исух - высота слоя сухого катализатора (м), й диаметр колонны (м).
Объем слоя смоченного катализатора:
Vнабух = (ж • й I4)& ^набух (9)
где Инабух - высота слоя смоченного катализатора
(м), й - диаметр колонны (м).
Удельная поверхность сухого катализатора:
где Sсух - поверхность сухого катализатора (м2), Vсух - объем слоя сухого катализатора (м3).
Удельная поверхность смоченного катализатора:
а V ® набух / Vнабух
где Sнабух - поверхность смоченного катализатора (м2), Vнабух - объем слоя смоченного катализатора (м3).
Масса удерживаемой жидкости:
тудж = тнабух _ тсух (12)
где тнабух - масса набухшего катализатора (грамм), тсух - масса сухого катализатора (грамм).
Объем удерживаемой жидкости:
%ж = т удж •10 ~3/
■удж & "удж ■ - /Рж (13)
где тудж - масса удерживаемой воды (грамм), рж
- плотность жидкости (кг/м3), рж = 1000 кг/м3 -плотность воды.
Количество удерживаемой жидкости (статическая составляющая жидкости):
ест = ^дж/ Тнабух
где Vудж - объем удерживаемой воды (м ), V,
набух
объем слоя набухшего катализатора (м ).
Свойство жидкости определяется кинематической вязкостью (м2/с):
^ж = Мж/ рж (15)
где мж - динамическая вязкость жидкости (Па-с), рж - плотность воды (кг/м3), мж = 0,001005 Па • с
- динамическая вязкость воды.
Результаты наблюдений и расчеты приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Сравнение экспериментальных и расчетных данных по количеству задерживаемой жидкости
№ опыта Плотность орошения, Ь, м3/м2с Ре ж єжд • 103, эксперимент м3/м3 Єжд • 103 , расчет м3/м3 Погрешность расчета, А, %
В результате обработки экспериментальных данных получены коэффициенты эмпирического уравнения:
^жд = 0,376 • Ре0ж918 • Са
Среднее квадратичное отклонение расчетных и экспериментальных данных составляет ст = 2,074%.
Определение гидравлического сопротивления сухого катализатора
Экспериментальное исследование сопротивления катализаторного слоя проведено в зависимости от скорости воздуха а (м/с). Скорость воздуха изменяется до 0,282 м/с [1].
Расчет гидравлического сопротивления катализатора проводится по уравнению
ЛРсух =#0 •(Н^э )((Рг * а2 У2), (16)
где ЛРсух - гидравлическое сопротивление катализатора (Па), #0 - коэффициент сопротивления сухого катализатора, зависящий от скорости газа.
Коэффициент сопротивления катализатора
#0 записывается в виде
#0 = А *ReBг, (17)
коэффициент сопротивления сухого катализатора,
Рег = (а • йэ)|Уг , (18)
число Рейнольдса для газа, уг - коэффициент кинематической вязкости воздуха, А и В - эмпирические коэффициенты, полученные в результате обработки экспериментальных данных по катализатору. йэ = (4 • е)(а
Коэффициенты А и В аппроксимации рассчитываются в результате минимизации функции
К (АРэкс -АРрасч )
Исходные данные для расчета: є = 0,7 - свободный объем, м3 / м3
уг = 0,0000149 - коэффициент кинематической
вязкости воздуха, м2/е; Б = 0,031415 - площадь поперечного сечения аппарата, м2;
с1э = 0,00602894 - эквивалентный диаметр катализатора, м; Н = 0,3 - высота катализаторного слоя, м;
рг = 1,2047 - плотность воздуха, кг/м3.
В результате расчета получено:
А = 0,923 и В = 1,527 .
Тогда уравнение запишется в следующем
виде:
#0 = 0,923 * Рег
Определение гидравлического сопротивления смоченного катализатора
Экспериментальное исследование сопротивления орошаемого катализаторного слоя проведено в зависимости от скорости воздуха а (м/с) и плотности орошения воды - (м3/м2 ч). Скорость газа изменяется до 0,282 м/с, а плотность орошения
- = О/Б от 6,75 до 37,17 м3/м2 ч, где О - расход воды (м3/ч), Б - сечение аппарата (м2) [1].
Расчет гидравлического сопротивления орошаемого катализаторного слоя проводится по уравнению
ЛРор = #ор -(НйэМ(рг -О^тн V2), (19)
где ЛРор - гидравлическое сопротивление орошаемого катализатора (Па), #ор - коэффициент орошаемого катализаторного слоя, зависящий от скорости газа и плотности орошения, ог отн = а + аж - относительная скорость газа (м/с), ож - среднее значение скорости жидкости ож = - / Б (м/с).
Коэффициент сопротивления орошаемого катализатора #ор записывается в виде
#ор = #0 + с • Ре ж тРе
Ьор Ь0 ж , (20)
#0 = а • РеВ
коэффициент сопротивления сухого катализатора, Ре ж =(Ь • Сэ )/(3600 •уж) - число Рейнольдса для жидкости, уж - коэффициент кинематической вязкости жидкости (м2/с), Рег = (со • Сэ)/уг - число Рейнольдса для газа, уг - коэффициент кинематической вязкости воздуха, с и т - эмпирические коэффициенты, полученные в результате обработки экспериментальных данных по орошаемому катализатору. Коэффициенты с и т аппроксимации рассчитываются в результате минимизации функции
К (АРэкс -АРрасч )
Исходные данные для расчета:
А = 0,923 , В = 1,527 - коэффициенты уравнения (21); ^г = 0,0000149 - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; уж = 0,00000109 -коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с; Б = 0,031415 - площадь поперечного сечения аппарата, м2; Сэ = 0,00602894 - эквивалентный диаметр насадки, м; Н = 0,3 - высота катализаторного слоя, м; рг = 1,2047 - плотность воздуха, кг/м3
В результате расчета получено: с = 14107,1595 , m = -0,0222 .
^гда уравнение (20) запишется в следующем виде:
#op =#o +14107,15 ■ Re ж 0,023
Заключение
Получены следующие уравнения для определения характеристик пористого катализаторного слоя.
Динамическая задержка жидкости в пористом слое катализатора:
єжд = 0,376 ■ Re0;918 ■ Ga-0,405
Гидравлическое сопротивление сухого катализаторного слоя:
AРсyх =#o ■(Н dз )■ ((рг * а2)/2) где ^0 = 0,923 * Re^527 - коэффициент сопротивления сухого катализатора, зависящий от скорости газа.
Гидравлическое сопротивление орошаемого катализаторного слоя:
АРор = #ор • (Н/сэ )^ (рг • ^отн V2)
где #ор =#0 +14107,15 • Ре ж 0,023
Полученные уравнения можно применить для математического моделирования и проектирования аппаратов использующих пористый катализатор КУ-2ФПП [3].
реакции и массопереноса реакционноректификационного процесса при дегидратации триме-тилкарбинола / Д.В. Елизаров, А.В. Мущинин // Вестн. Казан. технолог. ун-та. - 2011. - Т.14. № 9. - С 104-108.
© Г. Б. Минигалиев - ст. препод. каф. АПШ - НХІИ (филиал) КНИГУ, mgriba@yandex.ru.
