автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация массопереноса в центробежных экстракторах дифференциально-контактного типа

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПОНИКАРОВ СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

УДК 532.5.013:66.066.4

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МАССОПЕРЕНОСА В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭКСТРАКТОРАХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО - КОНТАКТНОГО ТИНА

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант В .В Кафаров |

академик

Казань, 1998

О Г Л А В Л Е IIИ Е

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................6

Глава 1.

РАЗВИТИЕ ТЕЧЕНИЯ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ КАНАЛАХ, ЗАПОЛНЕННЫХ ДВУМЯ ЖИДКОСТЯМИ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ...............................................10

1.1. Описание движения жидкости в каналах центробежных экстракторов..................................................................................................................... 10

1.2. Описание движения жидкостей во вращающихся сосудах при изменении угловой скорости вращения (литературный обзор)........................................15

1.3. Развитие течения в пограничном слое Экмана при изменении угловой скорости вращения для двухслойной жидкости.............................................29

1.3.1. Математическая модель развития течения в пограничном слое....................................................................................................................29

1.3.2. Численная процедура решения задачи о развитии течения в пограничном слое при наличии двухслойной жидкости...............................................37

1.4. Экспериментальное исследование по определению скорости деформации границы раздела фаз в пограничном слое Экмана..................................42

1.4.1. Описание экспериментальной установки..............................................42

1.4.2. Описание экспериментального сосуда для исследования взаимного проникновения фаз...........................................................................................46

1.5. Сравнение результатов расчета и эксперимента. Поверхность раздела фаз в пограничном слое Экмана......................................................................50

Глава 2.

ПРОДОЛЬНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В КОНТАКТНОЙ ЗОНЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ.......................................................................... 55

2.1. Продольное перемешивание в экстракторах. Методика проведения и результаты исследования.....................................................................................55

2.1.1. Основные математические модели структуры потоков........................56

2.1.2. Основные методы определения структуры потоков в аппаратах......................................................................................................................59

2.2. Исследование продольного перемешивания по сплошной тяжелой фазе в канале центробежного экстрактора, работающего с изменяющейся во времени угловой скоростью вращения.....................................................................65

2.2.1. Описание экспериментальной установки..............................................66

2.2.2. Методика проведения и обработки эксперимента по продольному перемешиванию по сплошной тяжелой фазе. Результаты экспериментального исследования по продольному перемешиванию.............................................69

2.3. Исследование продольного перемешивания в экстракторе по сплошной легкой фазе.......................................................................................................78

2.4. Обратный заброс фаз в центробежном экстракторе................................81

2.5. Продольное перемешивание в каналах центробежного экстрактора при

равномерном вращении.....................................................................................88

Глава 3.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ...............93

3.1. Истечение из отверстий и сопел в центробежном поле (литературный обзор).................................................................................................................93

3.2. Математическая модель истечения идеальной жидкости.......................97

3.3. Экспериментальное исследование истечения жидкости из сопел при вращении экстрактора с переменной угловой скоростью.............................105

3.3.1. Вывод зависимости коэффициента истечения от параметров процесса.......................................................................................................................105

3.3.2. Экспериментальная установка для исследования истечения жидкости из сопел. Методика проведения и обработки эксперимента.......................................................................................................................106

3.3.3. Коэффициент истечения жидкости из сопел в центробежных экстракторах ................................................................................................................1 И

»

Глава 4.

МАССОПЕРЕНОС В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭКСТРАКТОРАХ.......................114

4.1. Методы описания массопереноса в процессах экстракции (литературный обзор)...............................................................................................................114

4.1.1. Массоперенос в каплю при сопротивлении массопереносу в дисперсной фазе...........................................................................................................115

4.1.2. Массоперенос при пленочном течении...............................................118

4.1.3. Массоперенос в капле и при пленочном движении жидкости в центробежном поле....................................................................................................120

4.2. Экспериментальное исследование массопереноса в каналах центробежного экстрактора, вращающегося с переменной угловой скоростью................................................................................................................. 123

4.2.1. Методика проведения эксперимента...................................................123

4.2.2. Анализ экспериментальных данных по массопереносу в каналах центробежного экстрактора.................................................................................127

4.3. Массоперенос в пограничном слое Экмана...........................................131

4.3.1. Экспериментальный сосуд для исследования массопередачи в пограничном слое Экмана...................................................................................... 131

4.3.2. Методика проведения эксперимента..................................................134

4.3.3. Методика обработки экспериментальных данных и степень извлечения при массопереносе в пленке жидкости в пограничном слое Экмана....................................................................................................................138

4.4. Модель массопереноса в каналах центробежных экстракторов................................................................................................................... 146

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ................152

t

5.1. Экономическая обоснованность применения центробежного экстрактора, работающего с переменной угловой скоростью.....................................152

5.2. Разработки установки по безотходной очистке сточных вод гальваниче ских производств от ионов тяжелых металлов и реализация результатов ра

боты................................................................................................................154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 160

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................................................................... 164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................................183

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим направлением развития химической технологии является поиск путей интенсификации процессов массопереноса в аппаратах. Один из таких путей - применение подвода внешней энергии, что часто позволяет изменить характер протекания процессов. К такого типа воздействиям относится применение центробежного поля, позволяющее увеличить скорости относительного движения фаз. Это ведет к улучшению как условий массообмена, так и сепарации проконтактировавших фаз.

Наиболее эффективны центробежные аппараты при обработке систем, где сплошной средой является жидкость. Это связано с тем, что жидкость за счет вязкости и адгезии хорошо передает угловой момент от корпуса вращающегося аппарата к обрабатываемой системе. Наиболее широкое распространение они получили для обработки систем жидкость - жидкость (сепарация, экстракция). Центробежные экстракторы по сравнению с колонными обладают рядом преимуществ, среди которых: меньшая металлоемкость, малые габариты, возможность обрабатывать системы с малой разностью плотностей фаз и большой вязкостью, меньшая пожаро-опасность. В таких аппаратах при небольшом внутреннем объеме можно получить достаточную производительность и степень разделения (например при объеме 0,4 м3 производительность до 75 м3/час и до 5 теоретических ступеней контакта).

Среди экстракторов, использующих центробежное поле можно выделить две основные группы: смесительно-отстойные и дифференциально-контактные. Последние можно разделить на два основных вида - напорные, в которых процесс проводится при избыточном давлении, создавав-

мым дополнительными насосами, и безнапорные. Мы рассматриваем центробежные дифференциально-контактные безнапорные экстракторы. Отсутствие дополнительных устройств приводит к упрощению конструкции, однако возрастают требования к надежности описания протекающих в них гидродинамических и массообменных процессов.

Несмотря на продолжительное изучение процессов, протекающих в каналах центробежных экстракторов, встречаются определенные противоречия и неточности. Так, например, при исследовании истечения жидкостей из сопел [1] было установлено, что коэффициент истечения при оп-

с

ределенных условиях больше 1. Была сделана неудачная попытка получить новую теоретическую скорость истечения с учетом сил Кориолиса. В этой же работе получено, что продольное перемешивание вне дисперсного потока удовлетворяет модели идеального перемешивания. Однако при наличии большой зоны сепарации такая модель не удовлетворяет результатам эксперимента по массопереносу [2,3]. Все это позволяет говорить о недостаточной изученности протекающих процессов.

Сдерживающим фактором в развитии центробежных аппаратов являются так же ограничения на их применение. Одним из них является невозможность регулирования в широких пределах времени контакта фаз в зоне интенсивного массопереноса. Это связано с тем, что основной массо-перенос осуществляется в дисперсной фазе, скорость которой велика ( ~ 1 м/с), а размеры контактных зон по радиусу малы, от 0,01 м до 0,005 м. Задержка фаз в аппарате возможна только в зоне послойного течения, где массоперенос малоэффективен. Поэтому к.п.д. по Мерфри одной ступени контакта не превышает, как правило 0,3 - 0,33.

Другим способом интенсификации массопереноса является применение нестационарного режима. Применительно к центробежным экстракторам он осуществлен нами в способе проведения экстракции при циклическом изменении угловой скорости вращения ротора. Уже предварительные эксперименты показали существенное ( к.п.д. по Мерфри в одной контактной зоне возросло в 2,5-3 раза) увеличение эффективности массопереноса. При этом с ростом величины Дсо/оо эффективность разделения растет. Однако переменная угловая скорость вращения существенно изменяет картину течения жидкостей во вращающихся каналах, что требует «

повых специальных исследований.

Анализ конструкций, принципов работы и результаты более ранних исследований дифференциално-контактных экстракторов приводит к заключению, что предельная производительность может быть рассчитана по зависимостям скоростей истечения из сопел, а массопередача - на основе знания поверхности контакта фаз, структуры потоков в центробежных экстракторах, коэффициентов массопереноса или степени извлечения отдельных стадий массообмена.

Все вышеизложенное определило изучение следующих вопросов, с получением зависимостей для расчетов:

1) Развитие течения во вращающихся каналах, заполненных двумя жидкостями различной плотности при изменении угловой скорости вращения, с целью выявления источников интенсификации массообмена и определения поверхности раздела фаз;

2) Истечение из сопел в среду близкой плотности, с целью определения производительности центробежных экстракторов;

3)Продольное перемешивание в каналах центробежных экстракторов;

4) Массопередача в каналах центробежных экстракторов.

5) Поиск направления для практического применения исследуемых экстракторов и экономическое обоснование их использования.

10 Глава 1

Развитие течения во вращающихся каналах, заполненных двумя жидкостями различной плотности при изменении угловой скорости вращения.

(

В главе изложена математическая модель течения вращающейся двухслойной жидкости, расположенной над плоскостью, которая в заданный момент времени изменяет угловую скорость вращения. Приведена численная процедура и результаты расчетов. Описана методика проведения

эксперимента по исследованию скорости деформации границы раздела

б

двух жидкостей. При сравнении экспериментальных результатов с расчетными получено удовлетворительное соответствие.

1.1 Описание движения жидкости в каналах центробежных экстракторов.

Конструкция рассматриваемых в данной работе центробежных экстракторов представлена на рис. 1.1. Контакт жидкостей в экстракторе происходит при противоточном движении. Для обеспечения этого легкая жидкость подается на периферию контактной зоны, а тяжелая - от центра вращения. Под действием центробежной силы тяжелая жидкость перемещается к периферии контактной зоны, как бы "тонет", а легкая движется к центру вращения - "всплывает". Контактная зона представляет собой набор кольцевых каналов прямоугольного сечения, ось симметрии которых совпадает с осью вращения. Для прохода фаз в стенках цилиндрических колец выполнены отверстия, с сопловыми устройствами. Схема движения жидкости в каналах следующая (рис. 1.2). Тяжелая жидкость подается через сопловое устройство в слой легкой фазы. При обычно применяемых расходах фаз, тяжелая жидкость, на срезе сопла, разрушается на капли и виде факела

распыла, движется через слой легкой фазы до границы раздела, здесь капли коалисцируют и далее жидкость движется в виде слоя на выход из канала. Аналогично должна двигаться и легкая фаза. Однако, как правило, для безнапорных центробежных экстракторов выгоднее не диспергировать легкую фазу, а осуществлять ее переток с канала на канал. Это связано с тем, что потери напора при диспергировании тяжелой фазы существенно уменьшают количество каналов, которые удается разместить в центробежном канале заданного размера. Тогда легкая фаза попадает по перетоку в канал и в

виде слоя течет к перетоку на следующий канал. »

При вращении экстрактора с изменяющейся во времени угловой скоростью вращения картина течения несколько меняется. Как показали наши исследования, угловую скорость вращения следует менять по закону, график которого изображен на рис.1.3, то есть вращение экстрактора с угловой скорость сом, ускорение до угловой скорости ©б, вращение с этой постоянной угловой скоростью, торможение до сом, после чего цикл повторяется. Изменения незначительны на стадии диспергации капель, их движения через слой противоположной фазы и коалисценции. Уменьшение или увеличение угловой скорости вращения приводит к небольшому изменению траектории полета капель. Если в канале отсутствуют перегородки, то зона послойного течения претерпевает существенные изменения.

Так, например, при разгоне экстрактора вдоль поверхностей ортогональных оси вращения происходит проникновение пленки легкой жидкости за границу раздела фаз, то есть легкая жидкость "тонет" в тяжелой. При торможении - наоборот тяжелая жидкость в виде пленки проникает в слой

Рис. 1.2. Схема движения жидкостей по каналам центробежного экстрактора Т>К - тяжелая жидкость, ЛЖ - легкая жидкость.

200

150

100

со, (1/с)

0

2.4

4.8

7.2 Цс)

Рис. 1.3. Изменение угловой скорости вращения экстрактора во времени. 1 -участок разгона, 2 - участок равномерного вращения с со б, 3 - участок торможения, 4 - участок равномерного вращения с со м.

легкой жидкости, то есть как бы "всплывает". Через некоторое время пленки разрушаются, и граница раздела восстанавливается.

1.2 Описание движения жидкостей во вращающихся сосудах при изменении угловой скорости вращения ( литературный обзор).

. т

Аналогия между процессами, протекающими в океанах и атмосфере Земли, и явлениями, происходящими во вращающихся жидкостях, заключенных в сосудах, вызвала обширные исследования по изучению взаимодействия жидкости и стенок сосудов. Для наглядности рассмотрим процесс *

разгона однородной жидкости в замкнутом прямом круговом цилиндре. Пусть в начальный момент времени жидкость и сосуд находились в состоянии покоя, в заданный момент времени сосуд мгновенно приобретает некоторую постоянную угловую скорость ш. Описание такого опыта дано в [4]. Для визуального наблюдения в жидкость введен алюминиевый порошок. Через несколько оборотов сосуда на горизонтальных поверхностях образуются пограничные слои, в которые всасывается неподвижная жидкость. В этих слоях она приобретает угловой момент, транспортируется к боковым стенкам, где выбрасывается во внутреннюю жидкость. В течении некоторого времени в центре сосуда сохраняется неподвижная жидкость. Вращающаяся и неподвижная жидкость разделены вертикальным фронтом, перемещающимся от периферии к центру. Таким образом, разгон жидкости происходит за счет всасывания пограничного слоя. Такой пограничный слой называется - "слой Экмана". Примером существования таких слоев при торможении жидкости является известный опыт с остановкой чая в стакане, когда чаинки собираются в центре. Из этих экспериментов можно сделать важный в дальнейшем вы