автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамика и массообмен в нисходящих двухфазных пленочно-дисперсных потоках

Введение.

Основные обозначения.

Часть I. Гидродинамика и массообмен при слабом взаимодействии потока газа со стекающей пленкой жидкости

1.0. Введение.

Глава 1. Свободное отекание пленки жидкости

1.1. Теоретические модели гладкой пленки.

1.1.1. Ламинарное течение

1.1.2. Турбулентное течение

1.2. Средняя толщина пленки.

1.2.1. Влияние входного участка.

1.2.2. Влияние кривизны трубы

1.2.3. Измерение и расчет средней толщины пленки

1.3. Эффективная екорость поверхностного слоя при течении пленок в вертикальных трубах

1.3.1. Влияние ПАВ.

1.3.2. Влияние малых добавок полимера.

1.4. Профили скорости и интенсивности турбулентности в стекающих пленках.

Глава 2. Волновые характеристики стекающих пленок жидкости

2.1. Введение. Краткий обзор теоретических работ

2.1.1. Возникновение волн.

2.1.2. Регулярный волновой режим.

2.2. Волновая структура свободной поверхности стекающих пленок жидкости

2.2.1. Гладкий входной участок

2.3. Волновые характеристики крупных и мелких волн.

2.3.1. Влияние длины трубы

2.3.2. Частота волн.

2.3.3. Скорость перемещения волн.

2.3.4. Длина волн.

3.2. Расчет ламинарного течения газа во входном участке трубы орошаемой безволновой пленкой жидкости.£27

3.2.1. Установившееся нисходящее течение газа .127

3.2.2. Нисходящее течение газа во входном участке колонны . . . .£28

3.2.3. Увлечение газа пленкой жидкости .136

3.2.4. Численный расчет поля скоростей газа при нисходящем прямоточном и противоточном движении фаз.£45

3.3. Коэффициенты гидравлического сопротивления при нисходящем прямоточном и противоточном движении фаз.£59

3.3.£. Гладкая поверхность пленки .162

3.3.2. Течение в закрытой трубе { Ug. = 0).£66

3.3.3. Влияние относительной скорости и критическое число Рейнольдса.£69

3.3.4. Эмпирические зависимости для расчета . £70

3.3.5. Механизм влияния волновой структуры поверхности.£82

3.4. Профили скорости газа.190

3.4.1. Ламинарный поток газа .19£

3.4.2. Турбулентный поток газа .£97

Глава 4. Массообмен в стекающих пленках

4.1. Введение.203

4.2. Эмпирические зависимости .205

4.2.£. Сопоставление с опубликованными данными .2£4

4.3. Массоотдача в гладкой пленке.2£6

4.4. Влияние волнообразования.223

- 3

4.5. Модель массообмена во втором ламинарноволновом режше. . 225

4.6. Механизм массообмена при турбулентном течении пленки жидкости.230

Часть П. Гидродинамика и массообмен при сильном взаимодействии потока газа и пленки жидкости

И.О. Введение.242

Трехпараметрическое соотношение .243

Касательное напряжение на поверхности

раздела фаз.245

Выбор определяющих параметров.250

Глава 5. Средняя толщина плешш

5.1. Методика и область измерений.254

5.2. Начало сильного гидродинамического взаимодействия фаз . . 254

5.3. Расчетные соотношения .265

5.3.1. Предшествующие исследования.265

5.3.2. Расчетные соотношения.268

Глава 6. Волновые характеристики

6.1. Характер волнообразования при взаимодействии

Ешенки жидкости с потоком газа.277

6.1.1. Предшествующие работы.277

6.1.2. Условия экспериментов .281

6.1.3. Структура волновой поверхности.282

6.2. Частота, скорость распространения и длина крупных волн. . 285

6.2.1. Частота .285

6.2.2. Скорость волн. .287

6.2.3. Длина волн.293

6.3. Толщина непрерывного слоя и амплитуда волн . 293 Глава 7. Брызгоунос

7.1. Введение.299

7.2. Методика и область измерений.302

7.3. Расчетные соотношения

7.3.Я. Влияние длины трубы.303

7.3.2. Режимы.306

7.3.3. Корреляционные формулы.308

7.4. Профили дисперсной фазы но сечению трубы.312

Глава 8. Потери напора

8.1. Введение. Обзор методов расчета .316

8.2. Измерения потерь напора.323

8.3. Корреляционный график и расчетные соотношения.324

8.4. Профили скорости газа .330

Глава 9. Массообмен при сильном взаимодействии газа и пленки жидкости 9.£. Введение.334

9.2. Карта режимов массообмена .336

9.3. Эмпирические зависимости.338

9.4. Модель массоотдачи в пленке жидкости.342

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Содержанием исследования явилась разработка нового направления, заключающегося в описании основных закономерностей гидродинамики и массообмена в нисходящих пленочных и пленочно-диспврсных потоках на основе анализа особенностей течения пленки в условиях слабого и сильного гидродинамического взаимодействия фаз. В работе вскрыты общие закономерности переноса количества движения и массы в нисходящих пленочных потоках, установлена количественная связь между гидродинамическими параметрами и кинетикой массообмена.

2. Экспериментально установлено, что предложенная для случая свободного отекания теоретическая модель гладкой турбулентной пленки жидкости позволяет удовлетворительно описать осредненные характеристики потока. Однако, как показывают измерения, мгновенные значения скоростей при ламинарно-волновом течении имеют пульсационный характер, а распр,«деление интенсивности турбулентности по сечению потока отличается от обычно постулируемого в теориях.

3. Разработан метод определения и измерена скорость поверхностного слоя пленки жидкости, стекающей по стенке вертикальной трубы; показано, что волнообразование приводит к снижению и,^ по сравнению с гладкой пленкой.

4. Измерены волновые параметры ( частота, скорость и длина) крупных и мелких волн при гравитационном отекании жидкости и показано, что эти параметры существенно отличаются от соответствующих значений для регулярного волнового режима.

5. Теоретически решена задача о ламинарном течении газа во входном участке орошаемой трубы; измерены профили скорости при установившемся ламинарном и турбулентном течениях газа и найдена связь между коэффициентами неоднородности поля скоростей и коэффивдежтами гидравлического сопротивления.

6. Найдена количественная связь между измеренными значениями коэффициентов гидравлического сопротивления и волновыми параметрами стекающей пленки жидкости; показано, что гидравлическое сопротивление орошаемых труб определяется наличием мелких волн на поверхности пленки при слабом гидродинамическом взаимодействии фаз.

7. В области сильного гидродинамического взаимодействия фаз на основе экспериментального исследования предложены корреляционные соотношения для независимого расчета средней толщины пленки и коэффициентов гидравлического сопротивления; получена карта режимов брызгоуноса и количественно установлена закономерность измене

V, ния брызгоуноса по длине трубы; измерены распределения газа и дисперсной жидкости по сечению газового потока.

8. Получена карта режимов массоотдачи в жидкой фазе, охватывающая области слабого и сильного взаимодействия фаз; раскрыт механизм влияния волн, турбулентных пульсаций и капель жидкости на скорость массообмена и предложены модели массоотдачи в пленке жидкости, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

9. Результаты теоретического и экспериментального исследования позволили получить расчетные соотношения для определения основных характеристик пленочных аппаратов ( средней толщины пленки, средней и поверхностной скорости ее течения, потерь напора, брызгоуноса, коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе, критических скоростей, характеризующих границы режимов) во всем диапазоне нагрузок, который может быть реализован на практике.

10. Полученные соотношения вошли в руководящие технические материалы Минхиммаша и используются при расчете пленочных испарителей ( УкрНИИхиммаш). Результаты диссертационной работы нашли применение при проектировании высокоэффективных пленочных масс©обменных аппаратов ( ГИАП Минудобрений). Пленочные аппараты с нис

- 371 ходящим прямотоком фаз на ступени реализованы на Гродненском ПО "Азот" в установке очистки сточных вод производства аммиака, на Новочеркасском заводе синтетических проектов при регенерации абсорбентов, проектируются для крупных агрегатов производства аммиака на стадии отдувки водорода и других летучих примесей из раст воров моноэтаноламина. Опыт промышленной эксплуатации и результаты полупромышленных испытаний свидетельствуют о перспективности широкого использования пленочных аппаратов с нисходящим прямотоком фаз для проведения процессов испарения, абсорбции и регенерации абсорбентов.

1. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидравлика газожидкостных систем. M.-1.: Гос.энергетич. изд-во, 1958. 232 с.

2. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440 с.

3. Хьюитт Дж.,Холл-Тэйлор Н. Кольцевые двухфазные течения. М.: Энергия, 1974. 407 с.

4. Hewitt G. F. Meas^ement of Two Phase Plow Parameters» London-New York: Academic Press. 1978. 287 p.

5. Тананайко 10.M., Воронцов Е.Г. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Киев: Техника, 1975. 311 с.

6. Соколов В.Н., Д оманский И. В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976. 214 с.

7. Олевский В.М., Ручинский В.Р. Ректификация термически нестойких продуктов. М.: Химия, 1972. 200 с.

8. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. Изд. 2-е. М.: Физ-матгиз, 1959. 699 с.9. 'Хоблер Т. Массопередача и абсорбция. М.: Химия, 1964. 479 с.

9. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия, 1974. 687 с.

10. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 655 с.

11. Кафаров В.В. Основы массопередачи. Изд. 3-е. М.: Высшая школа, 1979. 439 с.

12. Романков П.Г., Курочкина ГЛ.И. Гидромеханические процессы химической технологии. Изд. 3-е. Л.: Химия, 1982. 287 с.

13. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.: Химия, 1982. 695 с.

14. Husselt Wm Die Oberflachenkondensation des Wasserdampfes, -Z.Ver.Deut•Ingr,, 1916, Bd.60, N 27, 8. 541-546.

15. Карман Т. Механическое подобие и.турбулентность. В кн.: Проблемы турбулентности. М.-Л.: 0НТИ, 1936. 332 с.

16. Dukler A*E,, Bergelin O.P. Caracteristics of flow in falling liquid films.- Chem. Engng Progress,1952,v. 48,N 11,p.557-563.

17. Dueler A,E. Dynamics of vertical falling film systems, -Chem. Engng Progress, 1959, v. 55, Ж 10, pp. 62-67.

18. Lee J. Turbulent velocity profile of a vertical film flow. -Chem. Engng Sci., 1965, v. 20, pp. 533-536.

19. Limberd H. Uber die turbulent stromungineinen Rieselfilm. -Monatsber. Dtsch.Akad.Wiss.Berlin, 1970, Bd.12,U5, s.333-341.

20. Миллионщиков М.Д. Основные закономерности турбулентного течения в пристеночных слоях. Атомная энергия, 1970, т. 28, №4, с. 317-320.

21. Миллионщиков М.Д.Турбулентные течения в пристеночном слое и в трубах. Атомная энергия, 1970, т. 28, вып. 2, с. 207.

22. Миллионщиков М.Д. Некоторые проблемы турбулентности и турбулентного тепломассообмена. В сб.: Турбулентные течения, М.: Наука, 1974, с. 5-18.

23. Трошенькин Б.А., Головченко О.А., Соловьева Г.И. Циркуляционные и пленочные испарители. ЩНЖШЖЕФТЕМАШ, Экспресс информация о работах НИИ и КБ отрасли, 1975, Сер. XM-I, $ 6,с. I-I6.

24. Brulеу D.F. Predicting vertial film flow characteristics in the entrance region.-A.I.Gh.E. Journal,1965,v,11,N5,p.945-950.

25. Hassan N.A. Laminar flow along a vertical wall. Journal of Appl.Mechanics, 1967,v. 34, N 3, pp.535-537 .

26. Haugen R. Laminar flow along a vertical wall. Journal of Appl.Mechanics, 1968, v. 35, К 4, p. 631-633.

27. Cerro R.L., Witaker S. Stability of falling liquid films. -Chem.Engng Sci., 1971, v. 26, p. 742-745.

28. Воронцов Е.Г., Яхно O.M. Локальная толщина орошающей пленки на входном участке. ПМТФ, 1974, & 4, с. 64-69.

29. Whitaker S., Cerro R.L. Some comments on the hydrodynamics ofthin liquid films.-Chem.Engng Sci.,1974,v.29,p.963-965. 3I.Stucheli A., Ozisik М.Ж. Hydrodynamics entrance length of laminar falling films.-Chem.Engng Sci.,1976,v. 31,p.369-372.

30. Холпанов Л.П., Шкадов В.Я., Малюсов В.А., Жаворонков Н.М. Исследование гидродинамики и массообмена в пленке жидкости с учетом входного участка. Теор.основы хим.технол., 1976, т. 10, № 5, с. 659-669.

31. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. М.-Л.: Гостехиздат, 1951.

32. Jackson M.L. Liquid films in viscous flow. A.I.Ch.E. Journal, 1955, v. 1, H 2, p. 231-240.

33. Peind K, Stromungsuntersuchungen bei Gegenstrom von Rieselfiliaen und Gas in lotrechten Rohren.-Ver.Deut.Ingr.-Porschungsh, Ш 481, Busseldorfi 1960, S. 1-35.

34. Kamei S.§ Oishi J. Hold-up in wetted wall tower. Mem. Рас*

35. Engng Kyoto Univ.,1956, v. 18, HI, p. 1-12.

36. Pulford G.D. The flow of liquids in thin films. in:Advances in Chemical Engineering, New York-London: Academic Press,1964, v. 5, p. 151-236.

37. Cooper C.M., Drew T.B., McAdams W.H. The isothermal flow of liquid layers.-Trans.Amer.Inst.Chep, Engrs., 1934, v. 30,p.158-169; Ind. Engng Chem., 1934, v. 26, Ж 4, p. 428-431.

38. Priedman S.J., Miller C.O. Liquid films in the viscous flow region.- Ind.Engng Chem., 1941, v. 33, U 7, p. 885-891.

39. Belkin H.H., Macleod A.A., Monrad С.C., Rothfus R.R. Turbulent liquid flow down vertical walls.-AIChE Jour.,1959,v.5,12,p.245-241

40. Black R.H. Capacitance method of measuring water film thickness. -Trans.Am.Soc.Civil Engng,1961,v.126,pt.1,p.88-94.

41. Hewitt G.P., Lovegrove P.C. Comparative film thickness and hold-up measurement in vertical annular flow. VKAEA Res. Croupmemorandum, AERE-M 1203, 1963.

42. Portalski S.studies of falling film flow. Film thickness on a smooth vertical plate,-Ghem.Engng Sci.,1963,v.18,И2,p.787-804,

43. Немет Й., Шер В. Гидродинамика тонких пленок жидкости, текущих по вертикальной поверхности. Acta Chemica Academie Scientiarum Hungarical, 1969, v. 60, H 1-2, p. 103-121.

44. Ганчев Б.Г., Козлов В.М., Лозовецкий В.В. Отекание пленки жидкости в вертикальном канале. Тр. МВТУ, 1975, № 207, вып. 2, с. 40.

45. Козлов В.М., Гусев В.В., Месропов М.Г. Исследование гравитационного течения пленки жидкости методом нейтронной диагностики. Теор.основы хим.технол., 1976, т.10, № I, с. 69-73.

46. Живайкин Л.Я., Волгин Б.В.Течение пленок жидкости по вертикальной поверхности. Ж.прикп.химии, 1961, т. 34, № 6, с.1236-1242.

47. Капица И.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости. I. Свободное течение. ЖЭТФ, 1948, т. 18, В I, с. 3-18.

48. Zenker A, nomogram N.150 for liquid film thickness estimation in turbulent flow regime (falling films). -Brit, CShem.Engng, 1970, v. 15, N 12, p. 1585.

49. Brauer H, Stromung und Warmeubergang bei Rieselfilmen, -Ver, Deut.Ing.-Forschungshelf, 1956, N 457, s, 1-40.

50. Grimley S.S, Liquid flow conditions in packed towers.-Trans, Inst.Chem.Eng^s(London),1945,v,23,p.228-235.

51. Jackson M.L,, Johnson R.T., Ceaglske Ы.Н. Surface velocitiesof liquid films in the streamline flow region.-Proc, of the Midwestern Conf, on Fluid Dynamics, 1st Conf,,May 12-13,1950» University of Illinois,1951, p. 226-236.

52. Asb^rsen O.A.The distribution of residence times in a falling water film.-Chem.Engng Sci.,1961,v.14,p.211-227.

53. Portalski S. Velocities in film flow of liquids on vertical plates.-Chem.Engng Sci.,1964,v.19,p.575-582.

54. Braun D., Eckstein H. ,Hiby J.W. Messung der Oberflachengesch-windigket von Rieselfilmen.-Chem.-Ing.-Techn.,1971,Bd.43,N6,s.324-329.

55. Великанов M.A. Динамика русловых потоков. M.: ШТТЛ, 1954. т. I, 323 с.

56. Holley E.R. Turbulence measurements near the free surface of anopen channel flow.-Water resurces research,1970,v.6,N3,p.960963.

57. Wilkes J.O.,Nedderman R.M.The measurement of velocites in thin films of liquid.-Chem.Engng Sci.,1962,v.17,p.177-187.

58. Перссон. Метод определения распределения скорости в тонкой жидкой пленке. Ракетная техника и космонавтика, 1964, № 2, с. 192-193.

59. Goodridge .?., Gartside G. Mass transfer into near horizontal liquid films.Pt,I:Hydrodynamics Studies.- Trans.Inst.Chem. Eng®s.,1965,v.43,p.62-67.

60. Томас, Райе. Измерения скорости в тонких пленках жидкости с помощью пузырьков водорода. Прикладная механика, 1973, № 2, с. X—5•

61. Ho F. C.K., Hummel R.L, Average velocity distributions within falling liquid films,-Chem.Engng Sci.,1970,v.7,p.1225-1237»

62. Ганчев Б.Г., Козлов В.М. Применение метода визуализации при исследовании стекающей пленки жидкости. Тр. МВТУ, 1971,144, с. 47-56.

63. Ганчев Б.Г., Козлов В.М. Экспериментальное исследование гидродинамической структуры пленки жидкости при свободном отекании по вертикальной поверхности. Теор.основы хим.технол., 1973, т. 7, № 5, с. 727-733.

64. Ганчев Б.Г., Козлов В.М. Исследование скоростей в стекающих пленках жидкости в условиях развивающегося волнового движения. Тр. МВТУ, 1975, № 207, I 2, с. 52-60.

65. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Алексеенко С.В., Орлов В.В. Мгновенный профиль скорости в волновой пленке жидкости. -Инж.-физ.ж., 1977, т. 33, № 3, с. 399-404.

66. Аменицкий А.Н., Ринкевичус Б.С., Фабрикант В.А. Измерение распределения скоростей с помощью 0КГ. Техника высоких температур, 1969, т. 7, .15, с. 1039-1041.

67. Cornish V. Waves of the sea and other water waves.-London, England: To Fisher Univ., 19Ю.

68. Jeffreys H. The flow of water in an inclined channel of rectangular section.-Phil.Mag. S.6 , 1925,v.49,N293,p.793-807.

69. Dressier R.F. Mathematical solution of the problem of roll-waves in inclived open channels.- Connnun. on Pure and Appl.

70. Mathematics,1949, v.11,N2-3,p. 149-194.7g, Ishihara Т., Iwagaki Y., Ishihara Y. On the rollwavetrains appearing in the water flow on a steep slope surface.-Mem. Faculty of Engng,Kyoto Univ,,1952,v.14,N2,p.83-91.

71. Ishihara Т., Iwagaki Y., Iwasa Y. On open channel flow.-Trans.Amer.Soc.Civil Engng,1961,v.126,pt.1,p.548-564.78.