автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Методы расчета гидродинамических и массообменных характеристик газожидкостных аппаратов с закрученными струями

На правах рукописи

Кислов Евгений Александрович

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОЖИДКОСТНЫХ АППАРАТОВ С ЗАКРУЧЕННЫМИ СТРУЯМИ

Специальность: 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль 2005

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Бытев Донат Олегович Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Гончаров Григорий Михайлович доктор технических наук, профессор Бобков Сергей Петрович ОАО "Славнефть-ЯНОС", г. Ярославль

Защита состоится _^гГв 10м часов на заседании

диссертационного совета Д212.308.01 при Ярославском государственном техническом университете по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр-т, 88, аудитория Г-219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЯГТУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор ХУ?- Т. Н. Антонова

ШЬ^ 22.64 S31 iqQzz. 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В химической, нефтехимической, микробиологической и других отраслях промышленности широко распространены массообменные аппараты для проведения процессов смешения, абсорбции, а также химических реакций в системах газ-жидкость.

Развитие технологии обработки жидкостей газами связано с разработкой новых типов газожидкостных аппаратов, превосходящих существующие по эффективности и надежности в эксплуатации. Поиск путей повышения технических характеристик газожидкостной аппаратуры привел к разработке статических устройств для инжектирования и диспергирования газа струями жидкости, вытекающими из насадков различной конфигурации. Аппараты такого типа обладают рядом преимуществ: высокая скорость растворения газа в жидкости, потребление меньшего количества энергии и простота конструкций.

В последнее время широкое применение для проведения процессов тепло- и массопереноса находят аппараты со струйными перемешивающими устройствами. Сдерживающим фактором в широком использовании аппаратов такого типа является отсутствие научно обоснованных методик расчета основных гидродинамических и массообменных характеристик. В связи с этим возникает необходимость теоретических и экспериментальных исследований процессов аэрации в этих аппаратах.

Цель работы. Разработка моделей, описывающих гидродинамические и массообменные характеристики аэрируемой области в аппарате со струйными аэрационными устройствами и создание методик расчета таких аппаратов.

Научная новизна.

1. Разработана конечно-элементная математическая модель распространения газожидкостной струи в ограниченном объеме жидкости на основе полной системы уравнений Навье-Стокса.

2. Установлены расчетные зависимости глубины и диаметра зоны аэрирования для различных типов газожидкостных струй в широком диапазоне их начальных скоростей с насадками различной конфигурации, газосодержания и степенью закрутки для системы вода-воздух, которые подтверждаются экспериментальными исследованиями методом компьютерного сканирования фотографий газо-жидкостного факела в объеме аппарата.

3. Численными расчетами установлен и подтвержден на опыте эффект приповерхностного тороидального вихря, который существенно интенсифицирует массообменные процессы.

4. Установлена корреляция кривых интенсивности массообмена и объема реакционной зоны в зависимости от степени закрутки струи.

5. Определена эффективная длина входящей струи, которая обеспечивает ее максимальное газосодержание, а таАШШЩШ ДШШЬи, тюи которой

БИБЛИОТЕКА I С.ПегеИтг Л

оэ

достигается наибольший объем зоны аэрации.

Практическая значимость. Предложены инженерные методики расчета струйных аппаратов с закрученными газо-жидкостными струями. Установлены технологические параметры работы многоструйных аппаратов, которые обеспечивают максимальный объем аэрационной зоны и наибольшую скорость массообмена. Предложена конструкция промышленного аэротенка для очистки сточных вод. Результаты работы приняты к использованию на предприятии ООО "НТЦ-Лакокраска" г. Ярославль. Автор защищает:

1. Конечно-элементную модель расчета гидродинамических характеристик проникания газо-жидкостной струи в ограниченный объем жидкости для различного типа струй.

2. Расчетные зависимости геометрических размеров аэрируемой зоны и результаты экспериментальных исследований по ее определению методом компьютерного сканирования фотографий газожидкостного факела

3. Эффект приповерхностного тороидального вихря и математическую модель расчета свободной поверхности в области его существования.

4. Инженерную методику расчета струйных аппаратов с закрученными газожвдкостными струями для очистки сточных вод промышленных предприятий.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: "Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-17" (Кострома, 2004), П научно-техническая конференция "Полимерные материалы и покрытия" (Ярославль, 2005), а также на ежегодных научных конференциях магистров, аспирантов и молодых ученых ЯГТУ (Ярославль 2003-2005).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, отражены в 6-ти печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 62 рисунка и 7 приложений. Библиография включает 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, определяются цели и задачи исследования, указана научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту, а также приводится общая характеристика диссертации.

В первой главе проведен обзор конструкций струйных аппаратов для аэрирования объемов жидкостей. Рассмотрены основные характерные особенности для каждого типа конструкций, указаны их основные достоинства и недостатки. На основе анализа литературных источников была составлена классификация газожидкостных аппаратов, представленная на рис. 1 и 2:

Рис. 1. Классификация струйных аппаратов по агрегатному состоянию смешиваемых сред

Рис. 2. Классификация газо-жидкостных струйных аппаратов

В диссертационной работе исследуются струйные газо-жидкостные аппараты со свободной вертикальной струей. Указанный тип аппарата обладает рядом преимуществ перед аппаратами других типов, связанных с удобством эксплуатации, надежностью конструкции и экономичностью.

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день отсутствует какое-либо строгое теоретическое описание механизма явлений, происходящих при движении турбулентных струй жидкости в газовой среде. Однако ряд авторов отмечает существенное влияние на расход инжектируемого газа наличие "шероховатостей" или разрывов на поверхности струи. На образование разрывов в струе существенное влияние оказывают длина струи и профиль скорости жидкости в ней

Инжектирующая способность струи является важным фактором, определяющим эффективность конструкции струйного аппарата, так как она

определяет количество газа, вносимого в реакционный объем, и, следовательно, газосодержание и межфазную поверхность, которые зависят от скорости истечения жидкости, длины струи и ее формы.

Другим существенным фактором, влияющим на инжектирующую способность струи, является форма насадка. При истечении струи через цилиндрический канал начальная турбулизация струи равняется 1-2%. При установке специальных турбулизующих вставок начальная турбулентность потока может оказаться весьма значительной и достигать 20-30%. В этом случае происходит полная перестройка структуры потока на начальном и переходном участках струи, которая сильно сказывается на инжектирующей способности струи.

Инжектированный струей газ не занимает весь реакционный объем, а распространяется в пределах некоторой зоны аэрирования. В случае струйного процесса с вертикально-падающей струей зону аэрирования можно представить цилиндрической. Пример струйного процесса с зоной аэрирования

Газ в зоне аэрирования диспергирован в виде пузырей. По опытным наблюдениям, в системе "вода - воздух" диаметр первичных пузырей, образовавшихся в зоне входа струи в реакционный объем, составляет 2-5-10-Ю-5 м. При дальнейшем движении газожидкостной смеси, вследствие коа-лесценции, размер пузырей увеличивается до величин порядка 2 + 3-10~3 м.

Различными авторами предложен целый ряд формул для расчета среднего диаметра газового пузыря, в основе которых лежит теоретически обоснованная пропор-

,, о0"6

циональность: а„ —^—гг.

Рж ,е«

В струйных системах массоперенос происходит в трех зонах контакта газа с жидкостью: на поверхности струи при ее прохождении через слой газа, на поверхности аэрируемого объема и в самом реакционном объеме в результате диспергирования газа Однако ввиду малых значений поверхности контакта фаз, вклад первых двух зон в общий коэффициент массопереноса весьма незначителен, и им можно пренебречь. Интенсивность массопереноса в реакционном объеме определяется развитостью межфазной поверхности, образуемой при диспергировании газа в жидкости.

Аналитическое решение задачи определения характеристик массопереноса между газом и жидкостью сопряжено со значительными трудностями вследствие невозможности непосредственного измерения профиля скорости

представлен на рис. 3.

1 1

\ 1 1 1

• .1 V. .

.IV * • • 3 /• • • • » / . • * 1 . / • . ч _ ■ в 1

Рис. 3. Схема струйного течения

и концентрации вблизи поверхности раздела фаз. Поэтому в большинстве случаев указанная задача решается эмпирическими методами.

Во второй главе предлагается конструкция струйного аппарата, главное отличие которой от подобных состоит в использовании закручивающей вставки. Для исследования процесса аэрирования с закрученной струей жидкости с целью определения рациональных конструктивных и режимных параметров аппарата в работе использовался конечно-элементный метод численного моделирования.

Моделирование проводилось в цилиндрической системе координат, на двумерной полуплоскости (рис. 4а). Для описания реологии среды использовалась система дифференциальных уравнений, содержащая уравнение На-вье-Стокса, дополненное уравнениями неразрывности потока и сохранения объема газа:

Для численного моделирования система уравнений (1) преобразовывалась к матричному виду (general form), позволяющему вести итеративный расчет нелинейных численных моделей:

(и • 7)и = F - grad(p)/p„ + Vfv^Vu),

div(u) = О, div(<p • и) = 0.

(1)

УГ = Ф,

(2)

где V - оператор Лапласа, который в матрице "Г" действует по

столбцам.

/

2du_r/dr ди_т/дг + ди_г/дг да r/йг + Зи z/dr 2ди zldz

л

Г = -гц,

дие/Зг 0

5u_e/5z 0

^ -Гф-и_Г -Гф-UZ ,

(3)

r(-pM(u_r-5u_r/5r + u_z-3u_r/3z-u_e2/r)-dp/dr)-2n„ /г-r(Fz-pm(u_rdu_z/dr + u_zdu_z/dz)-3p/3z)

и е

и г

Ф = r(-p„(u_r-5u_e/5r + u_z-5u_e/5z+u_ru_e/r))-n11>/r-u_e -r(du_r/3r + 3u_z/dz)-u_r

Для регуляризации численных решений системы (3) модель (I) в

уравнении Нявье-Стокса дополнялась слагаемым втас^у^ • сНу(и)). Сила тяжести с учетом газосодержания представлялась в виде:

р2 = (р«-(1-ф)+Рг-ф)-Е-Вязкость газожидкостной смеси определялась выражением:

(4)

(5)

Г раничные условия определяются условиями проведения эксперимента, геометрическими размерами аппарата и характеристиками струи (рис. 46). Начальные условия: газосодержание <ро и осевая скорость Щ в случае закрученной струи окружная скорость и_е = и_ат при 0^г<гн. Расчетная плоскость, представленная на рис. 46, разбивается сеткой (рис. 4в) на треугольные области (конечные элементы), внутри которых скалярные величины (и г, и /, и_с) - аппроксимируются параболическим, а (р, ф) - линейным образом. Генерация сетки осуществлялась методом Ое1ашк1о и, в среднем, состояла из 2574 узлов. Сетка подбиралась для каждого случая отдельно, исходя из приблизительного расположения зоны вихревого течения и границы газожидкостной зоны.

Рис. 4. Схема выбора расчетной плоскости, а - сечение области аэрирования;

б - граничные условия (1 - ось симметрии, 2 - область выхода газожидкостной смеси, 3 - вход сгруи, 4, 5 - стенки аппарата); в - пример расчетной сетки

г

Начальное решение выбиралось на основе ранее сосчитанного решения при близких начальных параметрах. При отсутствии близкого решения

начальное приближение выбиралось по правилу и_гО, и / 0, и_е~0, ф О, Т>=Рж'ё'г- Расчет проводился последовательным итеративным приближением заданного начального решения на всей сетке с соответствующими начальными условиями модифицированным методом невязок Иыотона. Итерационный расчет завершается при достижении совокупной ошибки ¿К)"6 Численный итерационный расчет производился программой с открытым кодом Ыа$12П, специально разработанной для моделирования динамики ньютоновской жидкости.

а) б) в)

Рис. 5. Результаты расчета по модели, а - линии тока и границы области аэрирования (и<г=1 м/с, фо=0,1); б - форма свободной поверхности; в - фотография вихревой области входа струи

В результате расчетов для заданных начальных условий - скорости истечения жидкости и газосодсржания струи - были получены поля радиальной, осевой и окружной скорости, поле давления и газосодержания. Па основании рассчитанных полей методом интегрирования Рунге-Кугга были опре делены линии тока среды и границы газожидкостной области. 11ример полученного решения представлен на рис. 5а.

При изучении распространения газожидкостной смеси исследовалась зависимость геометрических размеров области аэрирования 01 скорости истечения струи и ее газосодержания. Для теоретического описания процесса распространения газожидкостной смеси в объеме аппарата проведены расчеты:

- цилиндрической незакрученной струи;

- цилиндрической закрученной струи;

конической струи.

В случае цилиндрической незакрученной струи получены линейные

зависимости геометрических размеров области аэрирования от скорости и газосодержания: глубина области аэрирования прямо пропорционально зависит от скорости истечения при постоянном газосодержании: Ь0 = 0,086 ио (ио е[0,2-П0м/с]). Зависимость глубины области аэрирования от газосодержания, при фиксированной скорости истечения струи, определяется выражением: Ь = Ь0 (1-ф0). Диаметр области аэрирования, в случае незакрученной струи, прямо пропорционален ее глубине: (I = 0,45 • Ь.

При моделировании цилиндрической закрученной струи было отмечено, что степень закрутки практически не влияет на геометрические размеры области аэрирования.

При изучении конической струи было выявлено, что увеличение угла конуса струи - £ приводит к уменьшению глубины области аэрирования и увеличению ее диаметра. Установлено, что при увеличении конусности струи увеличивается объем области аэрирования.

Установлены расчетные зависимости для конусных струй: глубина, диаметр и объем зоны аэрирования:

®е в Ь* • ^Г5". ** = 2,370, к* = 2,95.

(6)

Траектории линий тока газожидкостной смеси, показанные на рис. 5а, указывают на существование приповерхностного вихревого движения, которое формирует свободную поверхность жидкости в области входа струи и интенсифицирует массообменные процессы. На рис. 5в показана форма свободной поверхности: Ь(х)= а(х2 - Ьх^е""*', для условий: Я./г.Ю.б; 2»/Я,=0,5; Ь=0,565; с=1,65; а=6Кв; ^=0.511,; ^=-0.4261*,; Кв=0,04 м.

Заключительный раздел главы содержит описание методик проведения эксперимента и обработки получаемых результатов. Для исследования геометрических размеров области аэрирования используется метод сканирования фотографий газожидкостного факела (рис. 5в).

Для замера скорости массообмена в аппарате проводилась химическая реакция каталитического окисления сульфита натрия кислородом воздуха на основе следующий реакции:

2Ыа2803 + 02 Со8°' >2Иа28 04. (7)

Для определения количества сульфита натрия в объеме аппарата используется метод йодометрии. На основании сделанных замеров определяется количество поглощаемого кислорода воздуха в единицу времени.

В третьей главе экспериментально исследуются закономерности, по-

лученные в предыдущей главе и уточняются коэффициенты установленных расчетных зависимостей (6) для глубины, диаметра и объема зоны аэрирования Для проведения исследований была создана экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 6.

Основными параметрами, измеряемыми при проведении экспериментов на установке, являлись геометрические размеры области аэрирования и скорость массообмена.

Для оценки зависимости газосодержания от скорости струи использовалась зависимость, которая, в исследуемом диапазоне скоростей ио е[4-И0]м/с, хорошо аппроксимируется прямой линией:

Ф0 = 7,5 • 10"3 • ио + 0,58.

На основе установленной закономерности были получены выражения для зависимости глубины и диаметра области аэрирования.

В результате исследований была определена длина струи - Ьс=0,22 м, при которой достигается ее максимальное газосодержание, г также получены зависимости геометрических размеров области аэрирования от скорости истечения незакрученной струи:

Ь = -6,393М0"' + 0,1002 и0, <1 = 0,41-11. (8)

г~г

й

К

\2

Рисунок 6. Экспериментальная установка

0.24

г

73

к он «

2 0 10 со

5 ОМ---Л

012--** -

--М^Д

¿Г

038 0«

Глубина И, м

а)

Гп/бина, м

Стапам> зафутии. об/к. »0 44.17 «6.25 »8.3 о 12,1 б)

Рис. 7. Сопоставление отношения диаметра к глубине а - незакрученная струя; б - закрученная струя (различные степени закрутки)

На рис. 7а показано сопоставление расчетной зависимости (8) и опытных данных.

Установлено, что закрученная струя в зоне малых степеней закрутки до 12 об/м подчиняется следующим зависимостям для геометрических размеров области аэрирования:

h - 6,3931-10 и^ + 0,1002 U0

/(0,1099 • о)2 +1 da = (- 2,6212 • 10"3 • U2 + 4,1082 • 10 2 • U0)- V(0,1203-af+l

IIa рис. 76 показано сопоставление расчетных зависимостей (9) с опытными данными.

Получена обобщенная зависимость для объема аэрированной области при большой степени закрутки струи:

»=*■(- 2,6212 • 10 3 • U02 + 4,1082 • 10~2 • uj • 4

• (- 0,0125 • а2 + 0,4962 • а - 2,4043^ • (9)

- 6,3931 • 10* • U2 + 0,1002 • U0 7(0,1099 • а)2 +1

которая подтверждена экспериментально, представлена на рис. 8, и определяет максимальный объем области аэрирования для степени закрутки 17,65 об/м.

Массообмен в исследуемой системе газ-жидкость зависит от множества факторов. Однако, при условии проведения струйного процесса установлено, что при изменении параметров процесса 'в области рабочих режимов, размер пузырьков практически неизменен, что приводит к сохранению удельной поверхности единицы объема газа. При условии постоянства степени инжекции струи (U0~const) количество газа в объеме жидкости будет определяться, в основном, объемом области аэрирования. Вследствие этого была изучена взаимосвязь массообменных характеристик струйного процесса и объема области аэрирования. Для подтверждения указанной закономерности был проведен ряд экспериментов по замеру скорости массообмена на реальной установке для различных скоростей истечения и степени закрутки. Выло установлено, что скорость массообмена хорошо коррелирует с зависимостями, полученными для объема области аэрирования. На рис. 8 приведены зависимости объема области аэрирования и скорости массообмена при U0~7 м/с.

Как показало исследование, использование степени закрутки 17,65 об/м позволяет увеличить скорость массообмена на 80%.

(9)

2.1Е-02 1.9Е-02

I ,<с-\ль

5

1.5Е02

г %

<д 1.3Е-02 1.1Е-02

9.0Е-03

7,ОЕ-ОЗТ О

Закрутка, об/м [" Объем - - Скорость мaccooбмeнaJ

Рис. 8. Сравнительные зависимости объема и скорости массообмена от степени закрут ки

В четвертой главе на основе полученных результатов разработана инженерная методика расчета струйных аппаратов. Такие аппараты находят широкое применение в сооружениях биологической очистки сточных вод (аэротенки, окислительные каналы, пруды и др.). В диссертации приводится пример расчета многоступенчатого струйного аэротенка непрерывног о действия. Общая блок схема расчета струйных аппаратов приведена на рис. 9.

Исходные данные: Уж=90 м3/сутки; п^-З; ХГЖ-0,70 кгСОгУм3; рж=1000 кг/м3; Цж=10"э н-сек/м2; (Ц,=0,04 м; 002=21 кг/сут; параметры струи: Ц=0,22 м; ^==0,012 м; а=17,65 об/м; и0"7 м/с; массообмен: 8о2=4,71 10"2 моль/с; пЩ1С=4; размеры аэрированной области: Ь=0,18 м; (1=0,39 м; ^секции5^,48 м2; Лр=43,3 кПа; монщость на проведение струйного процесса: N=0,247 кВт; удельные затраты: А=0,282 кВт/кг(02).

В приложении приведена справка об использовании результатов работы и инженерной методики расчета струйных аппаратов на ООО "Ш'Ц-Лакокраска" (г. Ярославль).

0,0237 °

10 15 20 25

С

Начало

3

/ Ввод исходных данных / Размеры секции

1 1

Производительность по кислороду Гидравлические потери

1

Параметры струи Перепад давления

1

Расход жидкости через насадок Требуемая мощность

1

Массообмен по кислороду Мощность насоса и двигателя

1

Производительность насадка Удельные затраты энергии

1

Количество насадков

Размеры газо-жидкостного факела

Вывод расчетных параметров: мощность насоса, размеры установки, количество насадков, удельные затраты энергии

С

Коней

)

Рисунок 9. Блок-схема расчета струйного аппарата с закрученными струями

Выводы н основные результаты:

1. Разработана конечно-элементная математическая модель проникания га^о-жидкостной струи в конечный объем жидкости.

2. Методами численного моделирования установлены расчетные зависимости глубины, диаметра и объема области аэрирования для неза-крученных и закрученных цилиндрических и конических струй для системы вода-воздух, которые подтверждаются экспериментальными исследованиями методом компьютерного сканирования фотографий газожидкостного факела в объеме аппарата.

3. Численными расчетами впервые установлен эффект приповерхностного вихря, который существенно интенсифицирует массообменные процессы. Предложено математическое описание формы свободной поверхности в зоне входа струи в аппарат.

4. Определены эффективные значения длины свободной струи и степени

закрутки, которые позволяют увеличить интенсивность массообмен-ных процессов поглощения кислорода воздуха раствором сульфита натрия в аппаратах с закрученными струями на 80%. 5. Разработана инженерная методика расчета струйных аппаратов для биологической очистки сточных вод промышленных предприятий, которая принята к использованию на ООО "НТЦ-Лакокраска" (г. Ярославль).

Список условны» обозначений, принятых в работе:

а - степень закрутки, об/м; а, Ь, с - коэффициенты уравнения свободной поверхности; d - диаметр области аэрирования, м; d„ - диаметр газового пузыря, м; djp - внутренний диаметр трубопровода, м; £<* - удельная диссипация энергии, Вт/м ; ^ - угол конуса струи, рад; F - вектор объемной сила; Fz - осевая объемная сила, Н; G02 - массовый расход кислорода, кг/с; g - ускорение свободного падения; h - глубина, м; Lc - длина струи, м; - коэффициент динамической вязкости газожидкостной смеси, Па • с; ц* - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па • с; п,« - количество насадков; п^ - количество ступеней; vn - коэффициент кинематической вязкости газожидкостной смеси, м*/с; 9 - объем, м; р- давление, Па; рг- плотность газа, кг/м3; рж-плотность жидкости, кг/м3; о - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; R, - радиус вихря, м; г - радиальная координата, м; т. - радиус центра вихря, м; гн - радиус канала в насадке, м; S - площадь, м2; s - скорость поглощения газа (массообмена), моль/с; U0 - начальная скорость истечения, м/с; и - вектор скорости; и_а - угловая скорость, рад/с; и_е - угловая скорость, м/с; и_г - радиальная скорость, м/с; u_z - осевая скорость, м/с; V. - объемный расход жидкости, м3/с; ф - объемное газосодержание; фо - начальное газосодержание струи; Z, - глубина центра вихря, м; z - осевая координата, м; V - оператор Лапласа; Г, Ф - координатные матрицы; ХПК - химическое поглощение кислорода. Индексы: а - степень закрутки, об/м; £ - угол конуса струи, рад.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кислов Е. А., Сугак А. В., Бытев Д. О. Тороидальный приповерхностный вихрь в струйных газожидкостных аппаратах // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-17: Сб. трудов ХУЛ Международ, науч. конф. в 10 т., т. 1. секция 1. -Кострома: изд-во Костромского гос. техно л. унта, 2004,-С. 61-63.

2. Кислов Е. А., Сугак А. В., Бытев Д. О., Лобов В. Ю., Кашенков Ю. С. Оптимизация процесса струйного перемешивания в газожидкостных аппаратах //"Изв. ВУЗов", серия "Химия и химическая технология", 2003 г., т. 46, №9,-С. 98-99.

3. Кислов Е. А., Бытев Д. О., Сугак А. В., Кашенков Ю. С. Кавитационная модель образования эмульсии в струйном аппарате //"Изв. ВУЗов", серия "Химия и химическая технология", 2004 г., т. 47, №6,- С. 125-127.

4. Кислов Е. А., Лобов В. Ю., Сугак А. В., Бытев Д. О. Исследование зависи-

мости размеров газожидкостной области процесса струйного перемешивания от скорости закрутки струи //Вестник Ярославского государственного технического университета, Сб. науч. тр., Вып. 4.-Ярославль; Изд-во ЯГТУ, 2004 г., -С. 139-143.

5. Кислов Е. А., Сугак А. В., Бытев Д. О., Грибанов А. С. Оптимизация процесса массообмена в струйном аппарате //"Изв. ВУЗов" серия "Химия и химическая технология", 2005 г., т. 48, №2,-С. 91-93.

6. Кислов Е. А., Сугак А. В., Бытев Д. О., Леонтьев А. В. Интенсивность мас-сопереноса в биореакторах со струйными аэрационными системами //Материалы II Международной научно-технической конференции "Полимерные материалы и покрытия". - Ярославль: ЯГТУ, 2005,- С. 92-95.

Автор выражает глубокую признательность и блшодарность к.т.н. доценту Сугаку А. В., проявившему большую заинтересованность в формировании работы, обсуждении результатов и научном консультировании.

Лицензия ПД 00661 от 30.06.2002 г. Печ. л. 1. Заказ 1681. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

(

I

I

I

I

f f

/

!

í \

4

4

í ;

!

/

i

к.

í

»2497 6

РНБ Русский фонд

2006-4 29922

г

ч

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор конструкций и расчетных моделей струйных аппаратов

1.1 Классификация струйных аппаратов

1.1.1 Аппараты с затопленной струей

1.1.2 Аппараты со свободной струей

1.2 Методы математического описания струйной аэрации жидкости

1.2.1 Инжектирующая способность струи

1.2.2 Геометрия газожидкостной зоны

1.2.3 Газосодержание в аэрируемой области

1.2.4 Размер газовых пузырей

1.2.5 Поверхность контакта фаз

1.2.6 Скорость массообмена

1.2.7 Влияние формы насадка на аэрацию жидкости

1.3 Выводы по главе

1.4 Постановка задач исследования

2 Теоретическое исследование струйного процесса

2.1 Новая конструкция струйного аппарата

2.2 Теоретическое решение задачи распространения газо-жидкостной струи

2.2.1 Моделирование процесса

2.2.2 Распространение незакрученной струи

2.2.3 Распространение цилиндрической закрученной струи

2.2.4 Распространение конической струи

2.2.5 Приповерхностный тороидальный вихрь

2.3 Методика проведения экспериментальных исследований

2.3.1 Исследовательская установка

2.3.2 Геометрические размеры области аэрирования

2.3.3 Скорость массообмена

2.4 Выводы по главе

3 Экспериментальное исследование газо-жидкостных струйных аппаратов

3.1 Глубина области аэрирования незакрученной струи

3.2 Диаметр области аэрирования незакрученной струи

3.3 Влияние закрутки на геометрические размеры области аэрирования

3.4 Фаза распада струи

3.5 Массообменные характеристики процесса с закрученными струями 125 3.7 Выводы по главе

4 Инженерная методика расчета струйных аппаратов

4.1 Примеры аппаратурного оформления

4.2 Методика расчета струйного аппарата

4.3 Пример расчета струйного аппарата

4.4 Использование методики в других приложениях

4.5 Выводы по главе

Актуальность темы

В химической, нефтехимической, микробиологической и других отраслях промышленности широко распространены массообменные аппараты для проведения процессов смешения, абсорбции и газожидкостных химических реакций.

Развитие технологий насыщения жидкостей газами неразрывно связано с разработкой новых конструкций газожидкостных аппаратов [1]. В настоящее время научно-исследовательские и конструкторские работы, целью которых является создание эффективного оборудования для проведения процессов обработки жидкостей газами, в основном ориентируются на уже известные аппараты основного производства. Однако использование традиционных газожидкостных технологий и их аппаратурного оформления приводит к определенным трудностям.

Так, например, аппараты с пневматическим перемешиванием требуют дорогостоящих и трудоемких в обслуживании компрессорных станций [2, 3], т. к. частое забивание распределительных отверстий колониями микроорганизмов требует проведения периодической регенерации при полной остановке сооружений [4, 5].

При работе аппаратов с механическим перемешиванием требуется решать вопросы герметизации оборудования в условиях повышенной влажности окружающего воздуха. Такие аппараты содержат внутренние подвижные устройства и сложный привод, что существенно снижает их эксплуатационную надежность и ремонтопригодность [4, 6].

Аппараты с комбинированным (пневмомеханическим) перемешиванием по эффективности растворения кислорода воздуха занимают промежуточное положение и имеют высокую степень перемешивания, но сложность конструкции сильно снижает их достоинства, так как комбинированные системы одновременно объединяют недостатки пневматических и механических аппаратов [7].

Поиск путей повышения технических характеристик газожидкостной аппаратуры привел к разработке статических устройств для инжектирования и диспергирования газа струями жидкости, создаваемых выносным насосом [1]. Аппараты с диспергированием газа струями жидкости находят в последнее время все более широкое применение благодаря ряду преимуществ: высокая скорость растворения газа в жидкости и потребление меньшего количества энергии. Кроме того, этот способ отличает простота конструкций аппаратов, надежность и удобство их эксплуатации.

Аппараты со струйным перемешиванием используются для проведения эффективного тепло- и массопереноса в различных отраслях промышленности [8, 9, 10]. Так, например, они получили распространение в сооружениях биологической очистки сточных вод (аэротенки, окислительные каналы и др.) [11, 12, 13, 14, 15]. Также аппараты нашли применение в пищевой промышленности для проведения процессов сатурации воды для приготовления газированных напитков [16, 17, 18, 19]. Аппараты со струйным перемешиванием используются в микробиологической, пищевой и медицинской промышленности в виде ферментаторов, предназначенных для аэробного выращивания биомассы и получения метаболитов [20, 21].

Сдерживающим фактором более широкого использовании аппаратов струйного типа является несовершенство их конструкций и отсутствие научно обоснованных методик расчета их основных гидродинамических и массо-обменных характеристик. В связи с этим возникает необходимость теоретических и экспериментальных исследований процессов аэрации в этих аппаратах.

Цель настоящей диссертационной работы: разработка моделей, описывающих гидродинамические и массообменные характеристики аэрируемой области в аппарате со струйными аэрационными устройствами и создание методик расчета таких аппаратов.

Объектом исследований в диссертации является аппарат струйного перемешивания с вертикально-падающей струей. В качестве двух сред газожидкостного взаимодействия использовались воздух и вода. В процессе исследования определялись наиболее важные технологические параметры процесса: геометрические размеры области аэрирования жидкости газом и мас-сообменные характеристики.

Методы исследований. Для теоретического исследования процесса использовалось численное моделирование методом конечных элементов течения вязкой жидкости на базе полных уравнений Навье-Стокса.

Экспериментальные исследования включали в себя определение геометрических размеров газожидкостной области методом сканирования фотографий. Массообменные характеристики процесса струйного перемешивания исследовались посредством проведения реакции поглощения кислорода воздуха водным раствором сульфита натрия при различных скоростях истечения струи жидкости.

Автор защищает:

1. Конечно-элементную модель расчета гидродинамических характеристик проникания газо-жидкостной струи в ограниченный объем жидкости для различного типа струй.

2. Расчетные зависимости геометрических размеров аэрируемой зоны и результаты экспериментальных исследований по ее определению методом компьютерного сканирования фотографий газожидкостного факела.

3. Эффект приповерхностного тороидального вихря и математическую модель расчета свободной поверхности в области его существования.

4. Инженерную методику расчета струйных аппаратов с закрученными газожидкостными струями для очистки сточных вод промышленных предприятий.

Научная новизна

1. Разработана конечно-элементная математическая модель распространения газожидкостной струи в ограниченном объеме жидкости на основе полной системы уравнений Навье-Стокса. нове полной системы уравнений Навье-Стокса.

2. Установлены расчетные зависимости глубины и диаметра зоны аэрирования для различных типов газожидкостных струй в широком диапазоне их начальных скоростей с насадками различной конфигурации, газосодержания и степенью закрутки для системы вода-воздух, которые подтверждаются экспериментальными исследованиями методом компьютерного сканирования фотографий газо-жидкостного факела в объеме аппарата.

3. Численными расчетами установлен и подтвержден на опыте эффект приповерхностного тороидального вихря, который существенно интенсифицирует массообменные процессы.

4. Установлена корреляция кривых интенсивности массообмена и объема реакционной зоны в зависимости от степени закрутки струи.

5. Определена эффективная длина входящей струи, которая обеспечивает ее максимальное газосодержание, а также степень закрутки, при которой достигается наибольший объем зоны аэрации. Практическая значимость работы. Предложены инженерные методики расчета струйных аппаратов с закрученными газо-жидкостными струями. Установлены технологические параметры работы многоструйных аппаратов, которые обеспечивают максимальный объем аэрационной зоны и наибольшую скорость массообмена. Предложена конструкция промышленного аэротенка для очистки сточных вод. Результаты работы приняты к использованию на предприятии ООО "НТЦ-Лакокраска" г. Ярославль.

Реализация результатов. Полученные результаты были рекомендованы для использования при расчете струйных аппаратов предприятия ООО "НТЦ-Лакокраска", г. Ярославль.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: "Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-17" (Кострома, 2004), II научно-техническая конференция "Полимерные материалы и покрытия" (Ярославль, и

2005), а также на ежегодных научных конференциях магистров, аспирантов и молодых ученых ЯГТУ (Ярославль 2003-2005).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ (4 статьи и 2 доклада на международных научных конференциях).

Структура диссертации состоит из введения, 4-х глав, выводов по работе, списка литературы и приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана конечно-элементная математическая модель проникания газо-жидкостной струи в конечный объем жидкости.

2. Методами численного моделирования установлены расчетные зависимости глубины, диаметра и объема области аэрирования для неза-крученных и закрученных цилиндрических и конических струй для системы вода-воздух, которые подтверждаются экспериментальными исследованиями методом компьютерного сканирования фотографий газожидкостного факела в объеме аппарата.

3. Численными расчетами впервые установлен эффект приповерхностного вихря, который существенно интенсифицирует массообменные процессы. Предложено математическое описание формы свободной поверхности в зоне входа струи в аппарат.

4. Определены эффективные значения длины свободной струи и степени закрутки, которые позволяют увеличить интенсивность массообмен-ных процессов поглощения кислорода воздуха раствором сульфита натрия в аппаратах с закрученными струями на 80%.

5. Разработана инженерная методика расчета струйных аппаратов для биологической очистки сточных вод промышленных предприятий, которая принята к использованию на ООО "НТЦ-Лакокраска" (г. Ярославль).

1. Яблокова М.А. Аппараты с инжектированием и диспергированием газа турбулентными струями жидкости. Автореф. на соиск. уч. степ, д.т.н. Санкт Петербург: С - П.ГТИ, 1995, 40 с.

2. Воловик П.Н. Выбор систем пневматической аэрации. Водоснабжение и санитарная техника, 1985, № 6, С. 22 23.

3. Лапшин A.A. Гидродинамика и массоперенос при инжекционном аэрировании жидкости. Автореф. на соиск. уч. степ, к.т.н. Санкт -Петербург: С П.ГТИ, 1994, 20 с.

4. Худенко Б.М., Шпирт Е.А. Аэраторы для очистки сточных вод. М.: Стройиздат, 1973, 112с.

5. Федосеев К.Г. физические основы и аппаратура микробного синтеза биологически активных соединений. М.: Медицина, 1977, 304 с.

6. Репин Б.Н., Русина О.Н., Афанасьев А.Ф. Биологические пруды для очистки сточных вод пищевой промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1984, 208 с.

7. Сысуев В.В., Галустов B.C., Чуфаровский А.И. Современные методы и оборудование для аэрации жидкостей при биологической очистке сточных вод. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990, 49 с.

8. Буканова В.И., Тарутина Т.И. Способы очистки сточных вод дрожжевого производства. М.: ЦПЯИТЭИпищепром, 1973, 41 с.

9. Быстров Г.А., Гальперин В.М., Титов Б.П. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л.: Химия, 1982, 264 с.

10. Яблокова М.А., Соколов В.Н., Петров С.И. Струйный аппарат как элемент гибкой химико-технологической системы. //Препр./Ленинградский институт информатики и автоматизации. -1990-№ 125-60 с.

11. Брагинский Л.Н., Евилевич М.А., Бегачев В.И. и др. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод. Л.: Химия, 1980,144 с.12,13,14,15,16,17,18,19