автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамические процессы в аппаратах с вертикальным дисперсным потоком

СА-НКТ-ШТЕРБУРГСШ ТЕХИОЛОГИЧЁОСШ ЮТПУГ (ТЕХИЯЕСКЮ! УШНРСИГБТ)

На правах рукописи

Щеголев Виктор Владимирович

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АППАРАТАХ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ДИСПЕРСНЫМ ПОТОКОМ

Специальность 05-17.08 - Процессы и ашараты

•химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Российском научном центре "Прикладная химия" (РВД НПХ"), г. Санкт-Петербург:

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор •• Броунштейн Борис Исидорович.'

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор.

г Островский Георгий Максимович,. доктор технических наук Еихин Геннадий Владимирович. '

Ведущее предприятие: НПО ЛЕННЕФТЕХИМ г. Санкт-Петербург.

Защита состоится ¿¿7^ сентября 1994 г. в 15_ час на заседании специализированного совета Д 063.25.02 при Санкт-. Петербургском технологическом институте.. \ Адрес института:. 19301.3, Санкт-Петербург, Московский пр., 26. .

С диссертацией исжао ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы и замечания в . одном вкзешляре, заверенные гербовой. :. • печатью, просим направлять по адресу: 1980.13, •Санкт-Петербург, Московский пр.,26, СПбТИ, Ученый Совет.

Автореферат разослан " '!. шаля . 1994 г. .

Ученый секретарь ; .;; 2 -специализировнного Совета -кандидат технических.наук*, доцент'

В.П.Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Аппараты о вертикальными дисперсными подтоками широко используются в химических отраслях промышленности и теплоэнергетике. Существенное влияние на химические и массо-и теплообменные процессы, протекающие в. таких аппаратах, оказывают гидродинамические процессы движения и взаимодействия фаз. За последние годы в области фундаментальных исследований гидро-динамйки дисперсных систем достигнут значительный прогресс. Однако ряд ваяных для практических приложений вопросов остается не исследованным, вследствие чего сохраняется разрыв меаду результатами фундаментальных исследований' и its практическим использованием. В связи о етим-весьма актуальными являются в настоящее время работы, связанные с исследованием механизмов протекания гидродинамических процессов в аппаратах о дисперсными потоками и применением достижений механики дисперсных систем к разработке научно-обоснованных методов их расчета.

Работа проводилась в рамках научно-исследовательской темы: "Разработка новых методов интенсификации процессов в химических реакторах и тепломассообменных аппаратах".

Цель работы. Исследовать установившиеся рениш движения фаз и нестационарные гидродинамические процессы в аппаратах с вертикальными дисперсными потоками п разработать научно-обоснованные методы расчета''основных гидродинамических характеристик при стационарных и нестйдеонарных.рекиыах работы аппаратов (объемной доли дисперсной фазы, средних скоростей фаз, предельных нагрузок и переходных функций по основным гидродинамическим каналам)., "

Научная новизна. Теоретические исследования гидродинамических процессов, протекающих в аппаратах о вертикально двикущи-мися дисперсными системами- твердое - кидкость (Т-Ж), кидкость -кидкость (Ж-Ж) и газ - етдкостьэ(Г-Ж) проведены с использованием единого методического подхода, основанного на применении методов континуальной механики дисперсных систем. Для анализа установившихся режимов двиаения" фаз предложен иетод, заключающийся в исследовании поведения нелинейной динамической системы, моделирующей дисперсйый поФок, в пространстве параметров. Показано, что вертикальный дисперсный поток . мокет существовать в

виде двух различных гидродинамических режимов. Установлены отличительные признаки этих резохыов, пределы существования и способы образования. Раскрыт математический и физический смысл явления "захлебывания". Экспериментально показана возможность ус-, тойчивого существования дисперсного потока в виде двух различных режимов вплоть до точки "захлебывания" в системе Г-Ж.

Разработаны теоретические основы анализа нестационарных гидродинамических процессов в аппаратах с вертикальными дисперсными потоками. Предложена оригинальная методика измерения скорости распространения малых возмущений газосодержания и впервые получена вкспериментальная зависимость этой скорости от величины среднего газосодержания в пузырьковом потоке.. Впервые проведен анализ работы проточного аппарата с вертикальным дисперсным потоком в нестационарном режиме, получены выражения для переходных функций по основным гидродинамическим каналам..

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы имеют достаточно общий характер и могут быть, использованы для моделирования, и проведения расчетов многих типов аппаратов, работающих с дисперсными системами Т-Ж, ¿-Ж и Г-Ж. Разработанные в диссертации инженерные методы расчета гидродинамических характеристик аппаратов нашли конкретные приложения для выбора, и расчета барбогажных реакторов получения гшохлорита натрия при разработке исходных данных на реконструкцию' производства гид-разингидрата и создание опытно-промышленной установки получения хлортршатрийфосфата на Куйбышевском химическом заводе, а также использованы НПО "Леннефтехки" при проведении расчетов жидкостных колонных реакторов и разработке исходных данных для . проектирования процесса получения изопрена и.при подготовке рекомендаций по усовершенствованию газогидкосткых реакторных узлов процесса оксосинтеза 2 производстве бутиловых спиртов и втилен-глаколя на ТПО "Перщ,н8фтеоргсинтез". , '

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 2-ой Веесоазной школе-семинаре по механике шюгофазши сред (1\ Рыбачье) в 1979 г-. на Ленинградском городском семинара по.процессам переноса в химической технологии в 1981, 1987, 1989 и 1990 годах, на Всесоюзной конференции "Состояние и перспективы ■ развития .техники ■дсевдоокижения"

(г.Ленинград, г.Луга) в 1988 г.

Структура и объем работы. Содержание даеоертащш изложено на 268 е.,включая 243 о. машинописного текста, 38 риоунков, 9 таблиц.Работа состоит из пяти разделов, заключения, списка использованной литературы из 148 наименований и прилояений. Аналитический обзор приводится в начале каздого основного раздела.

Публикации. По теме диссертация опубликовано 8 работ.

* • СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первом разделе (введении) характеризуется состояние проблемы, формулируется цель работы, новизна и актуальность, обос-довывается выбор направления и методов исследований.

Во втором раздела излагается метод анализа стационарных режимов движения фаз в аппаратах с вертикальными дисперсными потоками, исследуются границы существования втих режимов и условия их образования. Предлагаемый метод применим к достаточно распространенному в промышленности классу, дисперсных потоков, которые мозсно назвать идеальными (ЦДЛ). К тактов потокам применима континуальная модель механики дисперсных систем в двухско-роотном приближении о одинаковым давлением в фазах и отсутствием вязкого трения на стенках аппарата.

Гидродинамическое поведение ИДП о твердыми, жидкими и газо-образкшл частицеш в основном пбдчиняется общюл закономерностям, несмотря на Имеющиеся различия в реологических характеристиках. Вместе с тем, результаты экспериментальных работ показывают, что ряд гидродинамических процессов в систёмах К-Й и Г-Ж (явление "захлебывания", образование "плотного слоя" капель и пузырей И др.) протекает иначе, чем в потоках твердых частиц. Связь рекяма "плотного слоя" капель-и -пузырей о аналогичными реггимаш движения твердых частиц четко не установлена. Наблюдения этого рекяма в пузырьковом потоке о водной сплошной фазой вообще отсутствуют. Недостаток обобщающих исследований гидродинамических процессов, протекающих в системах Т-Ж, К-Ж и Г-Ж, не дают возмояности установить механизмы протекония втих процессов. Предлоаенный Уоллисом метод анализа регашов движения фаз з полых аппаратах с Щ1, использующий понятие' потока дрейфа, не облг.дает общностью, необходимой при исследовании процессов в аппаратах с более сложными типами течений (о изменякесшся раз-

мерой частиц, конических,пульсационных и т.д.).

Задача исследований стационарных режимов движения фаз заключалась в разработке универсального метода анализа, основанного на непосредственном исследовании системы дифференциальных уравнений ЩИ, установлении общих закономерностей поведения дисперсных систем Т-Ж, Ж-2 и Г-Ж в различных режимах движения фаз, вкспериментальнои изучении особенностей поведения систем Ж-Ж и Г-Ж при противотоке и определении для них границ применимости общих закономерностей.

В работе представлена система одномерных стационарных уравнений сохранения массы и импульсов фаз в аппарате постоянного сечения при отсутствии фазовых переходов и процессов дробления. и коагуляции частиц. Система учитываёт влияние градиента давления, силы тяжести и составляющих силы межфазного взаимодействия, связанных с вязким трением и воздействием присоединенных масс. При заданных на концах аппарата плотностях объемного расхода фаз, вта система может быть преобразована к виду:

(1)

+[исп«' - » - А (1-?)11-1; (2)

а о оо а о .о о

= А(р)(1-р)э V я + В(р)рэ 5».

АО ОО АО • ОО

Р.(Н»+рЕ(р) , ч Р [1-Р +5(Р)1 ; .'?(»„>

А(Р)=--2-; в * —5-; Е=р+р+р—

(1-?)Е (1-р)Е ■ л ° а 1-р ■

Ю

Здесь:

е ' »«й,- %„-Егрр- V«—]

0.5

о

СПД и у -известные вмпирические ковффяциенты,выбор которых определяется режимом движения твердых частиц, капель илй пузырей.

Как следует из уравнения (1) математической моделью стационарного ЦДП является автономная динамическая система первого порядка, описываемая нелинейным дифференциальным уравнением с правой частью, зависящей от параметров. При небольших значениях Хн система быстро приходит к равновесным состояниям, характеризуемым значениями Ненулевые значения <р° определяются кор-

няш уравнения:

Ы(5>,й ,й )=0. • (3) .

НО оо

Зависимость равновесных состояний системы от параметров a°=a°(UJ ,о ) можно исследовать с помощью бифуркационной диа-

ао о о

граммы, которая для У=1.78, 1 = 0, р >р. (твердые сферические

о d

частицы, осаздакщиеся в режиме Ньютона) представлена на рис.1. Для других систем (Ж-Ж и Г-Ж) и режимов обтекания частиц кача-ствешшй характер бифуркационной диаграммы не изменяется. При этом для твердых частиц диаграмма выполняется только при 0.6, а для жидких и газообразных частиц - при 0.8,-0.9.

Характер равновесных кривых на рис.1 показывает, что система (1) имеет два типа равновесных состояний, а дисперсный поток соответственно монет существовать в виде двух различных гидродинамических режимов. Ренину I на бифуркационной диаграмма соответствуют ветви кривых равновесия, лежащие справа от штриховой линии, для которых:

dp° ' d§>°

Sign(p -р )—— lu >0; Sign(p-p.)- lu <0. (4)

° d dtr "« ° d du Udo

da oo

Рекиму II отвечают ветви кривых, лекащие слева от штриховой линии, для которых наоборот:

dffle d<p° .

Sign(p -Р.)—|r I« *Slen(p -p.)- l„ >0. (5)

° d du; "о. ° d du . "da

do . oo

В соотношениях (4) iP(5) знаки 5 и 0 выбираются в соответс-

do оо

Фвии о принятым положительным направлением движения вертикально ёверх.

Режим I представляет собой обычный режим осаждения или всплытия частиц. Режим II следует назвать режимом движения во взвешенном состоянии или взвешенном слое.

При прямоточном течении в направлении гравитационных сил (U < О, 0J < 0) с |й I > |йкрй реализуется только первый ре-

оо do оо оо

жим, а при прямоточном движении .против гравитационных сил (D. >0, S > 0) - только второй реаим. Случай 0 = 0, и > О

do оо do оо

соответствует однородному псевдоожиженному слою, который является частным случаем режима II. При противоточном движении фаз (й <0,0 гО) могут существовать оба режима, так как система

do о о

(8) в втом случае может иметь два состояния равновесия. При фи-

0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 _ -0.3

и.

Рио.1. Бифуркационная диаграмма.

I - оифуркационняя кривая (8).. 1 - б «1.0; 2 -0.1; 3 - О; 4 -(-0.02); 5 - б1,р»-й.0487? Г- (-0.5).

ксированном значении й и увеличении 0 -обе состояния равнове-

Св ' _ ее

сия сближаются, при сливаются и при дальнейшем увеличе-

нии 04о исчезают. Аналогичная ситуация имеет место при фиксиро- -ванной значении 0., и увеличений 0 . ¡качения параметров Л* и

_ 4о • во .*. • во

О , при которых происходит изменение числа равновесных состояний системы, являются бифуркационными. Она могут быть определены из условия йр'/ЛУ^», ще 1 * <1ро. Шскольку

<ц> "1 ал

■ - « ---:-- * ,-■■.-.;■ (6)

■ то параметры Ъ* и ор являются корнями уравнений:

СО ОО . ''

Совместное решение уравнений (7) с учетом выражения (2) дает: 0^о=Б1еп(ро-р41)С1+Ь:)*го2С1-9о>ь! ^НЙг' (8)

и^в=51еп(ра-рс1) С 1-( 1+к) ] (

Анализ полученных результатов и сравнение их с имеющимися экспериментальными данными по "захлебыванию" колокшх аппара-

тов, работающих на системах Т-Ж и Ж-Ж, а также по зависимостям р° от о, и о для Колонн, работающих в режиме "плотного

da оо

слоя", позволяют сделать следующие выводы:

- явление "захлебывания" связано о исчезновением (бифуркацией) равновесных состояний системы (1), анализ протекающих при етом физических процессов представлен в работе.

- наблюдаемый в экстракционных и барботакных колоннах режим "плохого слоя" является режимом движения капель и ■ пузырей во взвешенном состоянии и аналогичен движению твердых частиц в псевдоокиженном состоянии.

Анализ интегральных кривых уравнения (1) позволяет сделать вывод о том, что для организации движения частиц в режиме взвешенного слоя при противотоке необходимо обеспечить условия, при которых скорость движения частиц на выходе из рабочей зоны аппарата будет меньше скорости их движения в режиме обычного осаждения (всплытия). На практике условия торможения частиц обеспечиваются путем использования искусственных или естественных ограничителей потока: для систем Т-Ж и Т-Г - сопел, диафрагм, решеток, для систем Ж-Ж и Г-Ж поверхности раздела фаз.

Предложенный метод позволяет, проанализировать более сложные течения.. В работе рассмотрено стационарное течение в аппарате, в котором.в результате фазовых переходов медленно изменяется размер частиц. В этом случае уравнение квазиравновесного.движения фаз (3) кроме ü®o и Öoe содержит еще два параметра: безразмерный эквивалентный диаметр частиц на входе' в аппарат и R. Поскольку параметры в точках бифуркации определяются из уравнений (7) вне зависимости от числа параметров, входящих в выражение для функции N, можно аналогичным путем определить расхода фаз при "захлебывании" в аппарате, в котором квазиравновесное состояние характеризуется четырьмя параметрами.

В конце раздела проанализировано стационарное течение дисперсного потока в аппарата! о небольшой конусностью. Сделаны оценки применимости принятого приближения, выведено уравнение квазиравновесного движения, включающее три параметра. Получены соотношения для приведенных скоростей фаз при "захлебывании".

Третий раздел посвящен'разработке инженерных методов расчета объемной концентрации дисперсной фазы и предельных нагрузок

• ю,

проточных аппаратов, Существующие метода расчета базируется в основном на эмпирических корреляциях, полученных критериальной обработкой ограниченного числа вкспериментальных данных. Для разработки методов расчета, работающих в широком диапазоне, физических свойств и режимных параметров,, необходим анализ существующих теоретических методов определения реологических характеристик дисперсных систем и критический отбор наиболее обоснованных полуешшрических и еширических корреляций. Результаты такой работы представлены в начале раздела. При разработке методов расчета концентрации дисперсной фаэыв различных режимах движения фаз и предельных нагрузок при противотоке использован предложенный Уолласом способ гра^ического решения уравнения _ равновесного движения фаз, заданногов ййдй! (1-р) - 0 ?= = фиш:. св-ра). фздакцюг У для вотоков тцер^цк чаотиц в жидкостях найден о использованием обобщенной корреляции Барни и Мизрахн. Номограша для ойределедая р' в и^ , иГ в интервале чисел А1» от 1 до б. 10 представлена в приложениях. Проведено сравнение значений в и£о, наеденных по предложенному методу о имеющимися в литературе экспериментальными данными. Получено хорошее совпадение расчетных в экспериментальных значений.

В работе предотавлен твкжеряд'функцийУ и построенных ва их основе номограмм, которыепозволяют проводитьраочеты распылительных и барботакшх колонн со сферическими и сфероидальными каплями и с деформированными каплями ипузырями.Показано, что предлагаемые в работе методы обеспечивают значительно более высокую точность расчетов, чем существующие. Сравнение расчетной кривой "захлебывания" с имеющимися експериыентальными данными для распылительных и бврботакных колонн представлено ,на рис.2.

Четвертый раздел поовящен экспериментальным исследованиям режимов движения и отационарных гидродинамических характеристик дисперсных потоков в противоточных распылительных й барботажных колоннах. '-•.'"7:. "-.у ,.;'.» 'г : "

В начале раздела описаны експе^ншентальзые установки, системы измерений и мето^тки проведения экспериментов для исследования систем К-Ж. На пяти системах Ж-Е получены зависимости скоростей витания.одиночных капель от эквивалентного диаметра,

ао

m

■■ N ■ s Система m de ш

1 ▲ Ксилол-вода 0.70 1.6

2 А Вода-ксилол 0.75 3.2

3 0 Вода-ксилол 0.75 0.685 4-8

4 а ШБК-вода 1.6

5 □ ШЕК-вода 0.635 3.2

6 д МИЕК-вода 0.85 3.6

7 о Вода-ИИЕК 0.85 1.2

а в Вода-ЫИЕК 0.85 3.2

9 о ИШ'о»-

-вода 0.69 5.7

10 X Вода-СС1, 0.73 2.2-

11 * 4 Воздух- -3-1

. -вода 1.0 4.0

Рис.2. Сравнение кривой "захлебывания", расчит-анпой о использование« функции

где

№5-

2.14Ц*,в

эл+nïв

J ÎV

для сферических и сфероидальных капель в m = 1 для деформированных пузырей, о литературными (1-9) и собст-: венными (10,11) экспериментальными данными.

отличающиеся от рассчитанных по наиболее обоснованным корреляционным соотношениям не более чем яа 15 %. При ' диспергировании воды в тетрахлорыетане в распылительной колонне диаметром 62 ми определены зависимость среднего эквивалентного диаметра капель от расхода дисперсной:, фазы п приведенные скорости фаз при "захлебывании" (см.ряс.2). Проведенные наблюдения "захлебывания" и процесса образования "плотного слоя" капель в колонне на системах вода-001л и С01*-вдда показали, что . етп •. ябления / не связаны мезду.собой* Образование "плотного слоя" капель в галоше происходит тогда, когда объемный расход дисперсной фазы превышает объемную скорость коалвсценции капель на поверхности ракдела фаз. При отом создостоя условия для. накопления капель вблц?и поверхности и их торможения.

Далее в разделе описаны экспериментальная установка, системы измерений и методики експеримента для исследования гидродинамики пузырькового течения. Значительное внимание уделено способам организации и условиям существования идеального пузырькового потока. Показано, что срыв однородного пузырькового течения, наблюдаемый в вкспериментах о дистиллированной и водопроводной водой в непроточной колонне при значениях газосодеркания = 0.22-0.24 и Приведенной скорости газа 0 /и =0.041- 0.052,

а О СО

не связан, как вто принято считать, с "захлебыванием" колонны. Возможной причиной, вызывающей образование больших пузырей и крупномасштабных вихрей является, по-видимому, взаимодействие двух вЗДектов: инерционной неустойчивости, свойственной всем ИДП. (см.раздел 5) и спонтанной коалесценции пузырей. Замедляя процесс коалесценции путем введения небольшого количества ПАВ,

Символ

N Режим 1) о

I II м/с

1 X 0

2 ♦ 0.0134

3 □ ■ 0.0214

4 д А 0.0380

5 о « 0.0565

6 V V 0.0662

и (м/с)

а о

о 0:01 0:02 о;оз 0.04 0.05 о.об 0:07

Рис.З. Экспериментальная диаграмма режимов течения в противо-точной барботажной колонне.

можно задержать срыв однородного пузырькового течения вплоть до теоретической точки "захлебывания", которой в непроточном аппарате соответствуют значения аоГ« 0.5, /и = 0.25.

* ао Сд

Результаты исследования зависимости, среднего газосодержания от приведенных скоростей газа и аидкости для двух режимов. про-тивоточной колонны с идеальным пузырьковым потоком представлены на рис.З. Эксперименты проводились на системе воздух-вода с добавлением 0.2-0.3 г/л уксусной кислоты. Сплошной и штриховой ' лшшямя изображены зависимости, полученные из уравнения (3) о о учетом (2) для Ро>Р<! соответственно при X о, V я 0.5, и^® 0.23 и/о (зависимость йшг Я Зубера) и при X = 0, 0 = 1, и =

• О

0.25 м/с (зависимость Уоллиса). Экспёрииентальнде точки, соот-ветствущие "захлебыванию" .потока', отмечены стрелочками. Бифуркационная кривая или кривая "захлебывания" (8), при значениях Х,и а и^, еоотаетогвувдих зависимости Уолллеа и имеющая вид и! =»2и ёв(1-ов), представлена на рис.4 штрих-пунктирной линией.

ао * во. '

Из рис.З оледует, что для.идеального пузырькового потока в изученном диапазоне приведенных скоростей жидкой фазы в полном объеме примерши общие закономерности,описывающие поведение ИДП

Пятый раздел посвящен исследованию нестационарных гйдроди- . яашчеоких процессов в вертикальных дисперсных потоках.

Ряд задач проектирования аппаратов . с дисперсный потоке«, таких как определение границ существования стационарных однородных режимов, нахождение динамических характеристик аппаратов для разработки САР и др., может быть репен только о учетом не-отационарности протекенида гидродинамических процессов. Основой для решения указанных задач являются теория устойчивости и теория волновых процессов ВДШ, уровень разработки которых в настоящее время еще не достаточен, для практических приложений. Целью исследований, доведенных в настоящей работе, являлась разработка научных основ для решения задач определения нестационарных . гидродинамических характеристик аппаратов с ИДП. '

. В тем случае, когда инерция частиц и жидкости на оказывают существенного влияния на механизм распространения волн, необхо- , джое волновое уравнение мокно получить из известной системы уравнений ВД1, если учесть нестационарные;"члены в. уравнениях-ссхпппения массы к пренебречь инерционными членеш в уравнениях/

движения фаз. При этом для распространения малых возмущений концентрации дисперсной фазы « получим линеаризованное уравнение кинематической волны:

+ й°(р°)— = 0. (9 У

дЪ . " эй

где и° = - безразмерная скорость распространения малых

возмущений (скорость кинематической волны).

й° = й° +'£И.еп(й -й)в°(1-в)0)к(1+к); (10)

* а с а

Выражение (10) совместно с-соотношением для равновесной скорости частиц о

ао „ _оо_ _ а (й - )(1 ,)к {11)

0,1

позволяют проанализировать поведение волн, переносящих малые возмущения объемной концентрации частиц, в различных режимах движения фаз. Так в режиме однонаправленного движения фаз против сил тяжести возмущения распространяются в том же направлении, что и частицы и обгоняют их. При противотоке в режиме I возмущения также распространяются в направлении движения частиц, но отстают от них. При увеличении скорость распространения возмущений убывает, обращаясь в ноль в точке "захлебывания". Скорость движения частиц остается при втом конечной величиной. В режиме II при противотоке возмущения распространяются в направлении движения сплошной фазы, для твердых частиц от решетки или диафрагмы, а при движении капель и пузырей от поверхности раздела фаз. В режиме однонаправленного движения в направлении сил тяжести для I и I>IикрI возмущения распространяются

оо оо

в направлении движения частиц, .но с меньшей скоростью.

В том случае, когда влияние инерции частиц и. жидкости на процесс распространения волн существенно, важное значение приобретает вопрос об устойчивости течения ИДП. В диссертационной работе показано, что причиной возникновения неустойчивости является инерция частиц, а основное стабилизирующее воздействие оказывает псевдотурбулентная диффузия частиц. Влияние псевдотурбулентной диффузии в уравнениях взаимопроникающего движения фаз учтено в работе путем введения пульсационных составляющих гидродинамических переменных и осреднения по времени уравнений, записанных в дивергентной форме. Полученная система уравнений при некоторых значениях параметров имеет вещественные характе-

ристики и следовательно является гиперболичной. Для описания распространения малых возмущений объемной концентрации выведено следующее волновое уравнение:

а. э1

+ с.

а

эй

Эа

а1

+ о.

ал

зй

Эа 31

+ = о; (12)

" ЭЙ

с

2-Х .

(1-Р°Г

1,2

(1-д>°)А°+фвв°

Ей

; х =

_ . т _ _

- ТГ' 1Г~ дрё»

А°й°(1-р0)+В°й0р°±

а о

. ----^

/ С° 1

±у -?0(1-?0и°В0(й°-йра+ [(1-р0)А°+ф0В°] I

Уравнение (1?) показывает* что в дисперсном потоке могут существовать и взаимодействовать волны различных порядков: второго порядка со скоростями С и С2 и первого порядка со скоростью кинематической волны й°. Аналитические исследования показы-

вают, что волны со скоростями С,

С2 в устойчивом потоке быст-кинематической

ро затухают. Основное возмущение переносится волной, при втом имеет место дисперсия волнового фронта за счет комбинированного воздействия псевдотурбулентной диффузии и инерции. Приближенное уравнение волны имеет вид:

за

+ й°

да

В.

Эаа

где

■ а% зй зй2

(13)

(14)

Условие В„„> 0 является условием устойчивости дисперсного потока. При этом из соотношения (14) хорошо видна стабилизирующая роль псевдотурбулентной диффузии и дестабилизирующее влияние инерции. Проведенные в работе оценки показывают, что в устойчивых потоках относительная величина дисперсий волнового фронта невелика. Поэтому для инженерных расчетов переходных характеристик аппаратов с достаточной степень» точности можно использовать приближение кинематических волн х « 1. Ре^1« 1.

Для пузырькового потока (р^/р-р-0; \ - О, V - 1) . условие

ас

устойчивости с .учетом выражения (14) имеет вид:

Оценки показывают, что это условие при некотором значении {¡"Ср01' может быть наруиено, в особенности, для достаточно крупных эллиптических пузырей с большими значениями коэффициента присоединенной массы Этот факт дает возможность качественно объяснить срыв однородного пузырькового течения при скоростях газа ниже точки "захлебывания", наблюдаемый в експериментах с .чистой водой (см. раздел 4).

В работе получен также критерий устойчивости псевдоожижен-ного.слоя сферических частиц, ожижаемых жидкостями. Обработка 16 експериментов из трех различных источников по переходу однородного режима псевдоожижения в неоднородный показала, что пог-репность предсказания верхней границы устойчивости не превышает 2б£, если выполняется условие Аг(рУр )1,77> 1.86-Ю5.

' о о

Экспериментальное исследование зависимости и°=и°(р°) проводилось в непроточной цузырьковой колонне путем измерения скорости распространения первого возмущения центрированной волны увеличения газосодержания в колонне при ступенчатом увеличении расхода газа. Изменения локального газосодержания во времени фиксировались с помощью кондуктометрических датчиков.Опыты проводились на системе воздух-вода о добавлением в качестве ПАВ 0.2 г/л уксусной кислоты.Результаты експериментов, представленные на рис.4, подтверждают ранее сделанные выводы о том, что 'малые возмущения объемной концентрации частиц в ИДП переносятся со скоростью кинематической волны и ета скорость падает при возрастании Значительное отклонение ёксперименталышх значе-

Рис.4. Экспериментальная зависимость скорости распространения малых возмущений газосодержания от величины среднего газосодер-•кания в пузырьковой колонне.

и = 0.25 м/с.

00

-- уравнение (10) с учетом

• соотношения (11) при 0со= 0;

-й )=-1, X = 0, У * 1. с

'1.0 и /и

0.5

ч

л ч X

о

0.25 ' 0.5

ний от теоретической кривой при $°=§)оР= 0.5 объясняется изменением реима пузырькового течения вблизи точки "захлебывания".

Дале< приближение кинематических волн используется для на-хоздения динамических характеристик колонных аппаратов с ИДП по гидродинамическим каналам. Задача сводится к отысканию кривых "отклика основных гидродинамических переменных потока а = р-гр°, у =и -V и у -и -о на небольшие возмущения расходов фаз на

а с1 ¿о оаоа

концах аппарата. Система уравнений для нахождения кривых отклика включает волновое уравнение (9), линеаризованное уравнение сохранения объема дисперсной фазы

За эу

d = О*

эЪ эК

и линеаризованное уравнение квазиравновесного двипения

Для определенности переходные процессы рассматриваются в аппарате, в котором подача диспергируемой фазы производится снизу, а регулирование уровня поверхности раздела фаз осуществляется путем изменения расхода сплошной (тяжелой) фазы на стоке.-Аппарат работает реаиме обычного всплытия частиц, рассмотрены два предельных случая: 1 - постоянная, времени системы автоматического регулирования уровня поверхности, раздела фаз t ■ много больше времени тн, за которое концентрационная волна пробегает рабочую зону аппарата; 2 - tL« тн.-

В первом случае задачи нахождения кривых отклика на возмущения расхода диспергируемой фазы на входе з аппарат и расхода сплошной фазы на стоке решались при начальном условии: í=0, Е>0, а=0 -и граничных условиях соответственно Е=0, Т>0, 7,=7. (í)» 7 =0.и.Е=0, i>0, 7 =0, 7 -1 (t). В работе представ-

d do о d. о со

лены выражения для переходных' функций процессов и законы изме-■ нения уровня поверхности раздела фаз.

Во втором случае переходные функций найдены для возмущения ■ расхода дисперсной фазы при неизменном притоке, сплошной фазы и для возмущения расхода сплошной фазы при.неизменном притоке дисперсной фазы. При втом показано, что переходные процессы в аппарате носят колебательный характер.

В приложениях представлены примеры применения полученных в

диссертации результатов к расчету конкретных процессов и аппаратов, приведены номограммы и графики для определения стацио--нарных гидродинамических характеристик аппаратов и акты, подтверждающие реализацию научных положений ц выводов диссертации в промышленности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ '1. Для анализа установившихся режимов движения фаз в аппаратах о вертикальным дисперсным потоком предложен подход, основанный на качественном исследовании моделирующей поток нелинейной динамической системы. Дано теоретическое обоснование существованию двух различных гадродинамических режимов дисперсного потока.'Предложен универсальный метод определения нагрузок при "захлебывании" аппаратов.

2: Проанализирован противоточный режим движения фаз в аппаратах с медленно изменяющимся размером частиц и аппаратах, имеющих коническую форму, получены формулы, для расчета удерживающей способности по дисперсной фазе и расходов фаз щи "захлебывании" .

. 3. Для систем Т-Ж, Ж-Ж и Г-Ж предложены инженерные методы расчета удерживающей способности по дисперсной .фазе в различных режимах движения фаз и предельных нагрузок полых аппаратов, применимые в широком диапазоне изменения безразмерных параметров, характеризующих движение частиц.

4. На системах Ж-Ж в распылительной колонне проведена вкс-периментальная проверка предложенных методов расчета расходов фаз при "захлебывании", показано хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений. Проведено наблюдение режима "плотного слоя" капель.

На системе воздух-вода в барботажной колонне получена диаграмма двух противоточшх режимов движения фаз, определены расхода фаз при "захлебывании". Экспериментально доказано, что идеальный поток может устойчиво существовать вплоть до точки "захлебывания".

5. Проведен анализ направлений н скоростей распространения волн концентрации дисперсной фазы в различных режимах безынерционного движения фаз. Объяснен механизм возникновения неустойчивости в потоках частиц. Получена система уравнений дисперсно-

го потока, учитывапцая влияние инерции и псевдотурбулентной диффузии частиц и имеющая устойчивые решения. Проанализирован механизм распространения и взаимодействия волн в таких потоках, в которых влияние инерции частиц и кидкости существенно. Проведено обоснование применимости приближения кинематических волн для решения инженерных. задач- нахождения переходных характеристик аппаратов.

Получен критерий устойчивости, позволяющий находить границу существования одзородйого ре-лага псевдоожпжепия в системе Т-Ж.

6. Разработана оригинальная методика измерения скорости распространения волн слабых возмущений газосодержания в пузырьковой колонне. Получена экспериментальная зависимость скорости волны от величины газосодерпаотя."

7- Проведен анзлиз переходных гидродинамических процессов в проточных аппаратах, получены аналитические выражения для переходных функций по основным гидродинамическим каналам.

8. Разработанные методы расчета гидродинамических характеристик использованы дня выбора и расчета барботажных реакторов получения гнпохлорита " натрия' при реконструкции . производства гидразиншдрата л создании ошггно-промшпленной установки получения хлортринатрнйфосфзта на Куйбышевском химическом заводе; при подготовке рекомендаций по усовершенствованию реакторных узлов процесса получения изопрена п процесса оксосинтеза в производстве бутиловых .спиртов н втиленгликоля . на ТПО "Перлнефтеоргсинтез".

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ. '.■.-.'■.

Б°- коэффициент псевдотурбулентной диффузии (ма/с);й, <1-

V ■ в

диаметр и оквнвалеятный диаметр частиц (ы); g - ускорение . силы тяжести (м/с2); Ь - пространственная координата вдоль оси, направленной вертикально вверх (ы); Н -высота рабочей зоны аппарата (м); Тв~ постоянная времени возмущающего •сигнала (с); Тр-характерное вреш гидродЕнагшческой стабилизации частиц (о); и,- средаяя скорость. 1-сЗ фазы '(м/с); и - скорооть движения

1 СО

одиночной частицы в безграничной жидкости'(м/с); 0(- плотность объемного расхода 1-ой фазы, приведенная скорость (м/с); ковффациент динамической вязкости.1-ой фазы (кг/м*с); 5 - коэффициент - присоединенной массы, частицы в дисперсном потоке;

р.-истинная плотность 1-ой фазы (кг/м3); йр=!р -р I - разность

1 а о

плотностей фаз (кг/м ); ф - объемная концентрация дисперсной фазы, удерживающая способность по дисперсной фазе, газосодержание (м3/мэ); б - некоторое характерное значение р в потоке. £0

Безразм'рные комплексы (критерии)

ей3Дрр игТ

Аг =--—- - критерий Архимеда; Ре,= ю ° критерий Пекле,

к . р

характеризующий отношение потоков массы за счет конвекции и псевдотурбулентной диффузии.

• Индексы

Нижние: "1" и "с" - принадлежность параметра соответственно к дисперсной или сплошной фазе; "о" - значение параметра на входе в рабочую зону аппарата. Верхние: "о" - равновесное (стационарное, однородное) значение параметра; "Р" - значение параметра в точке "захлебывания". ■

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях: .

1. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. О предельных режимах колонных аппаратов химической технологии.-Ленинград, 1977.-15с.-Рукопись представлена ГИПХ.Деп.в НИИТЭХШ г.Черкассы 10.11.77, N 1387/77.

-2. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Удерживающая способность и предельные нагрузки распылительных и барботакных колонн.-В кн.: Массообменные процессы в химических реакторах и процессах разделения: Сб. науч. тр. ГИПХ.-Л.: ГИПХ, 1977, с.21. • 3. Щеголев В.В., Резник Я.А. Графический метод расчета гидродинамических характеристик вертикально движущихся суспензий. -В кн.: Теоретические основы хим. технологии: Сб. науч. тр. ГИПХ. - Л.:ГИПХ, .1980, с.62.

4. Щеголев В.В., Броунштейн Б.И. О распространении концентрационных волн в вертикальных дисперсных потоках несжимаемых жидкостей.-В кн.: Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках: Меквед. сб. науч. тр., Харьков, 1980, с.58.

5. Щеголев В.В. Распространение концентрационных волн и динамические характеристики вертикальных дисперсных потоков.- Реф. докл. Лен.- гор. семинара по проц. переноса в хим. технол. 19791981 гг.,ИФЖ, 1983, Т.Ш, Ы 3, с.507. '

6. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Гидродинамика и массо-тешюобмен в колонных аппаратах.- Л.: Химия, 1988.- 336 с.

7. Щеголев В.В. Переходные гидродинамические процессы в аппаратах с дисперсным потоком.-В кн.: Науч. основы созд. унифиц. блоков и модулей для аппарат, оформл. универс. химико-технол. схем. ч.П: Сб. науч. тр.НПО ГИПХ.- Л.: НПО ГИПХ, 1991,0.52.

8. Патент 2006241 С1.(РФ). Способ получения плотного слое капель и пузырейЖ.А.Колмогоров, В.В.Щеголев.-Опубл. в- Б.П., 1994. N 2.

З.С. Гир. уСС.