автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Расчет динамики гидродинамических параметров газожидкостного слоя с высоковязкой дисперсионной фазой

%Ъ~\ 93

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт имени Д. И. Менделеева

На правах рукописи

ТАДЕВОС БОГАЛЕ ДЕГЕФУ

РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ГАЗОЖИДКОСТНОГО слоя с высоковязкой ДИСПЕРСИОННОЙ ФАЗОЙ

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Волгоградском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Тябин Николаи Васильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Холпанов Леонид Петрович; кандидат технических наук, доцент Борисов Геннадий Сергеевич.

Ведущая организация — Всесоюзный научно-исследовательский конструкторско-технологический институт нефтехимического оборудования.

Защита диссертации состоится 199^ года в на заседании специали-

зированного совета Д 053.34.08 в МХТИ имени Д. И. Менделеева по адресу: 125190 ГСП, Москва А-190, Миусская пл., 9, в ауд. А4//ЗР

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре МХТИ имени Д. И. Менделеева.

Автореферат

Ученый секретарь специализированного совета

БОБРОВ Д. А.

ГССУДАЬ.

I ¿Кл

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ!!

ОдеоН из вгжаы гадая а обиасгл з раззвхка :;:псооб:ло1пих яроцоссоз я различных оггаслтх :тг)сг.;!.,-.;^й1Г-1ос':л явдяегся разработка тсоротачесхах оеноь ххтггзеисЯ юзгюлокп, что жрзбуоа йу^копяаяьшх исагодошний в области хкяга г«, змкачозкой тэг.:одогд2, создания ноигх золюъо-гпчосизх процессов, усопзрг, ^огвовакул суцйствуглтих аппаратов глгптозскоП. яроииш'овксота.

В послоди" 1 года пабядается гвхщозда к уаз/отоида гайарз-гоз колонной аз2а;'.;гур;1, хг>':а.:ок.зкой в ташбек^.';,. иефгогерера-о'а^алал.-рк п других отрзолк прои.'ппдшшоста. Это. г.борудозаииэ • достаточно одо."яо в хчгэтозлзпиа л в трспзпортаропио ю.'звг в;юо~ гуа ио1алго&.глоохь,. а црсуэк^^ао г процесса требует болыгих затрат иэттлч'юко']:, тепловой п 8Л8Т«р?даохей энергий, с3другой стсрот.ш, прэцоссц о'л'згча^гс,; слоккостьи теоретического от-саилл, обуолоэлзшгого 38агшлл алцгпше* гдифоданамзпвских.хаило-уассообаатиг г» хкилчаст'лгг: цроцэооов, шогообразнеи лерорабатп-ваеццх веществ раапвчшиг по свопа Сзэякскядочс'зд»! опойстваа и конструкций конгак'лг'и: усгоойстз кояоялчх аппаратов, рааличишц яробовшшяаа к качеству подучасао" продукции. Всё это в конечной итоге с гаи л г задачу погашения эф^акт'-Шшсти, иадожцоат«. и точности расчета а прогнозирования основных технологических параметров работы таких аитратув, создания ношх конструкций коаган-ишх устройств. разработка методов расчета шшеооймешшх процессов возможны Только на базо глубокого а всестороннего исследования этих процэссов.

■ В работе на основе экспериментальных исследований, анализа ■а поотрозшш модели процесса, протекающего в барботакном слое, а также теоретического описания процессов цорэниса на уровни

единичного включения дисперсной фазы в газожядкостном слое с регулярной структурой предпринята сопатка выявить вдкяиав высокой вязкости редкой фазы на барботакном устройстве.

Настоящая дассертаздоипая работа посвящена тоорэтако-экспз-рамвнтальноау иосле;;оваяч» процессов образована! поверхности кок-такта фаз в шеошвязяой гшдкоста и разработке мотодигл расчета гадрэдпшличоске! трамэтров газогвдзоеткого слоя с еисог.оелзко!; дисперсионной фазой.

Работа связана с вшол;:знаеы коордпнагщошюго глава-АН СССР по теоретически» оснозаа х:»"*;ггэс:;о£ технологии яа 1991-1995 г.г., раздел 2.27.28,038.

Цель работы. I, Исследование процвсссэ.цраводвдвх к образовании газоявдкостпого слоя а сгстеаш о впеоковязкой жадкостыо.

2. Создание штеиаГЕческой иодедз, возводящей определять основные характеристики газогедкостного слоя в завасгаюсги от параметров 'процесса, конструкция таралки, свойств газа в явдкоста.

3. Расчет. осиованх геометрических параметров газояидкостного слоя на цонтактшх устройствах иарОотакаого типа,в дальнейшем называемых барботаашаи, п ойт&^а^гах размеров этах устройств.

Наташ) Н0В£5К7 р^отп ссотг-^чот результата хеорвмжо-экс-"периментадьшх исследований движешш едцшикэго вкллченш пузырька газа (пара) в процесса его обраасзания на отверстия барботаано-го усгроЛсгва в слое Евдкоста.матклатвчэскиэ шдела, учитывавшие механизм переноса вещества в процессе образования Еузнрька и при его движении г слое жадности; методика расчета барботажных устройств с вушрькочна гассжпдаостпш слоем.

1!сакщт;еск?я пеннос-'Г.. ГазрзЗохаки матеатг^еская модель и методика ра с ч э г а, п о з ■: о.чгьщг^; создавать высокоэффективные барбо-тажнда уогроДотва а определите гжЗолеэ интенсивные реяимы работы барботакгшх устройств 'при работе .с высоком экой жидкостью.

Аппобашя тебога. Основные пологеная а результат работы докладывались и обсундались на И Всесоюзной конференции "Гидроцеха-нические процессы разделения гетерогенньсс систем" (г.Тамбов,1991) а на У1 Всесоюзной конференции по ректификации (г.Северодонецк, 1991). По результатам экспериментальных исследований поданы заявка на изобретение в ВКИ я ГП, подучено положительное решение.

Публпкатш. По теглэ диссертацан опубликовано дао печатана работы.

дтру^тура и объем паботц. Диссертация изложена на 107 страницах, содержит 19 рисунков, 5 таблиц, вкдшаот введение, четыре главы, выводы и список литературы из 64 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведена отражена актуальность работы,её содержание и определено направление исследований процесса массопореноса на барбо-тажшх устройствах пра наличия шооковяэкой ¡шдкой фазы.

В цэрвой одара в литературном обзоре рассмотрено состояние проблемы,выполнена разработка вопросов современной теории н гидродинамики массопереноса в барбота'сном слое и поставлена задача исследования.

Эффективность работы колонных аппаратов с барбот&лснш елоеы во многом определяется гидродинамической обстановкой на барботаи-ных устройствах, общшд для.всех них является то,что наиболее оЛ-фективная работа достигается при условии образования на них упорядоченных структур, а которых массообыен протекает б элементарном объеме с включением пузырька газа(пара). Поэтому методология исследования эффективности работы барботажног.о слоя долина базироваться на изучении физических процессов,протеканцих на поверхности пузырька га за (пара) с последущш расарострачешюм получен-

ннх розультаюв иа барбот&шШ слой и полошу в цолом. Очэсгущо, что ы&юдака цродзсоа нсслодозанш! долзна осиоьааагьоя на саотеи-коа подходе в отлипло ох чисто хшяонориого подхода a теор;щ додо-6zst, рассмацхагавдзЯ барбогалзый ело£ как огдзлышй обмоет. В от~ лачьо от этого caosciMUii ио;р»д иозголчот создать такул структуру и обцси катеьишиоской подола цасссобмена а барбогазлом слое, которая oaacuaaoï шссооййеи uox,;jу сшшиоЗ и дисперсной фоожа i; ш~язчаот ресешк» слэдуедах аздач: ксслэдосаглэ гидродакалии ы каооообыокй па едакачном шунлскип, которая, в своп очередь, раз-падаогся m впухрокгкр л вшашэ задача; Еорокоса иолучошшх рз-ар.-'ылхоа на барботагнай слой мотодоы уерсдоошм о учотсм фушащИ рссарододонш пузорысоз но размерам к ирз.'.:ена цребшзашгя в барбо-тагшса слов. •

В сшаи с взлояэншм следуог оплатить, что срода Езосетшгх подходов к цсследоЕЗ-шю гидродинамики газожвдаостмах систем наа-бояг-шяй интерес представляют те, которы;; базируется из фундаментальных законах дзакошя неоднородных гетерогенных систем. Зга теории можно рагбагь m два класса. В одной из них использованы захоьл ыэ^адики сплошной среди, сформулированные в работах Сэдо-ва Л. П., ЭДтеатуляна р. И., Рожатулина I.A., йльшана A.A., Е/о-°вича Ю.А., Годунова O.K., а в другой - законы статистической механики, разрабоишше Моншшм A.C. и Боголазбовш H.H.

Большие возможности при исследовании движения гетерогенных иотокоз с дисперсными частицами открывается ври использовании методов статистической механики. В работа:- Иясникова В.П., Чис-нокова Ю.Г., Гудобаата С.П. приведены решения кинетического урав-, нения движения: чзвешенша частиц в кипящем слое, позволяющие найти тензор напряжений, вектора потоков энергии хаотического двияешш дисперсных частиц, а, такие учесть влияние таких дополнительных факторов, как полидисперсность, вращение частиц,. тепло- к

о

шссооблвн и лирические превра:цютл.

В работах Богданова С.?., Вротодышсноза И.О., Размолоди-иа л.П., Чесиоксва 10.Г., ромашсоза Н.Г. пра использовании уравнения тпаа ^ккера-Плашса реш-зка задача нахождения усредненных гаргкгераотк барботажаого слоя, однако в такой посгаиовко результата является весьма прпйлнзоштиа. Очевидно, что рещоиве ноотаплонной задача а каотсящво время возиехпа такло на базе ксгшлоксиого подхода с попользованном механики движения сало:*:— шх сред.

Разработанные новые конструкции таролок и ггроведекдо цссле-дсе&шШ хсасазгся методов увеличения поверхности контакта фаз, в тс?.! числа н путец сшшэния дишетроз пузырьков и частоты их отрыва. Следует откатить, что дятл на каловязких яадаостях вопросы увеличения поверхности контакта фаз и стабилизации ^дродана-■•.ической обстановки на тарелках илоаг восыла важное значение. При увеличении вязкости гэздкой фазы проблемы стабилизации гпдро-дипаггаческой картины становятся оп;э более трудноразрвппащии. При этом наиболее ответственный моментом является процесс образова-шш пузырьков газа в высоковязкоЗ гнидаосга.' Описании механизма и теории процесса образования пузырьков посвящена монох'раЛ.ия Уолласа Г., в которой проводится модель процесса образования пузырьков в неподьллной гедкосга пра вдуве газа через отверстие. Отмечено, что газовые пузырька, присутствующие в жидкостях,обыч-но стремятся слиться друг с другом, в результате чего пузырьковая струкгур| 1еРи®5 свои "однородность", кроме того,размер пузырьков оказывает влияние на динамику пузырьковой смеси и поэтому долзеен быть определен из соотношений, описывающих механизм образования пуэнрьков.

Несмотря на имеющиеся работы, посвященные изучению процесса образования и всплытия пузырьков, достепепнна зависимости, кото-

рыв можно было би использовать для определения характеристик газожидкостного слоя, в настоящее время отсутствуют. А в системах с высоковязкой жидкой фазой, воцросам ¡влияния вязкости на структуру газояцдкостного слоя, режимам смесеобразования и тем более моделям процессов тссопереноса уделяется слитном мало внимания.

В настоящей работе выполнено исследование процессов образования газонвдкостного слоя в системе с внсоковязкой жидкостью; разработана математическая модель создания поверхности контакта фаз в барботашгаи слое,позволяющая определять основные характеристики газошдкосгного слоя в зависимости от параметров процесса; • намечены пути конструирования эффективных барботаыных устройств для система хвз-хцдкости, .а также составлена методика расчета основных геометрических параметров.

. Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса образования пузырьков в системе газ-нидкость.

Экспериментальная установка (рмс.1) состояла из резервуара.

КОрП/С КОТОРОГО оил ВШШЛЛеН из органического стекла. II Центре резервуара I находится патрон барботакного устройства З.изготоа-лош£):1г таким образом, чтобы бит возможность его замани. Окспа-рилапти проводились в широком диапазоне изменения расходов -духа, вязкости лидкости, скорости течения жидкости с целью созданий пузырькового и ионного режимов работы на одиночном барбо-хажлои устройства. В качестве газа использовался воздух при различай* температурах, в качество модельной ялдкости - хлидериа и водно-глицершюаие раствора, что позволило йач.ъть плотность газовой смеси л работать в широком диапазона по вязкооул тпдкой' фазн. Барбот&-шне устройства представляли собой диски с отверстиями различной Форш и размеров: круглне с диаметром отверстия от 2 до 7 ш, прямоугольной форш с размерами сторон 2 х 10, •1x6, 5x5 ш, а также треугольной, овальной и звездообразной

о

форш со сходнши эквивалентными диаметрами. Эксперимента проводились прц различит уровнях задкости на тарелке от 25 до 120 ш, что соответствует рабочему диапазону высот яадкоотеи па тарелках. Жидкость из ешшета 2 через вентили 6, 14 подавалась в резервуар с различной скоростью.

В эксперименте приценялась кинофотосъемка в двух взаимно перпендикулярных направлениях через прозрачную стенку экспериментально а установки.

Линейка 4 длл измерения шеоты жидкости Сила расположена по оса барботадшкго устройства, и ис^шхенш, возшшащио вследсхвив преломлении света через х'раницу раздела воздух - глицерин -органическое стекло,¡локно было учесть с помощью соответствующего коэффициента иекажзшш. Кран В л вентиль 9 били предназначены для слива жидкости из патрона барботагаого устройства. О помощи) ьонтнлей и 0 создавалось движение дг.дкол срода ¡3 зкзпоримои-т--.имчо;1 у{:т£,ц(,„(;о,¥.о. шилгарои-деод перекрестно« льикоьио фаз

на тарелка.

Газ воздуходувко-1 7 -хороз ротаыегр 5 «сдавался в цатрок dapd отажного устройства. Скорость газа в-отверстая сотаяляла от 0,1 до Й0 .'У0-, что соответствует реальным скоростям в вромаишш-ных устац-и'ка';.

Обработка полученных экспериментальных данных иовводила установить >-ддродлчуцчеокпе раками работы <%?ч1эташцх устройств, а тают подучит t> s»v$ -.гссгоого для критических значений расходов по газовой у.-аза, vy.¡ которых нроисходиг переход от одного режима к другому в зависимости от конструкции бцрбошraro устройства, высоты слоя адцкосхи на таролкэ и реофизичвеких параметров процесса. Киносъемка процесса образования пузырьков на тарелке позволила изучить механизм образования пузнрькд как на одиночном, так и на нескольких отверстиях, а также установить механизм образования поверхности контакта $>аз в выооконязкой зидкости и получить ряд графических зависимостей, таких кшс диаметра пузыря от расхода газа (рис.2, 3); диаметра и количества пузырьков от эквивалентного диамэтра отверстия (рие.4) а от расхода газа для различных режимов процесса образовали поверхности контакта фаз. Кроме то-

го, Сил 1-:а.вдии аычш>-дьйы-ЫЙ PCK:I;Î а проциоио образования газовых пу~ siipdii, когда oïoyiCïBye-i гависпмооть от pa'ouepa ц Форш отверстия, обнаружено появление jyjyx;ix • реаииов образования ra-зсжвдаостнаго слоя, us-

ДЦЧКШС ОТ liyaiiptKCjBOI'O.

Диаиотр пузырьков определялся методой кино-фотосъемки с учетом коррьдл ционного коз&рнциента и усреднялся методам наименьших квадратов.

Определенные размеры пузырьков сопоставлялись с объецом пузырьков, рассчитаншы на количество пузырьков,расход воздуха и времени пребывания,

Г&снориыеитздьно исследовалась эффективность работы барбота-жных устройств с отверстиями различной формы, lia рис. 5 приведены тесть основных, вариантов отверстий, для которых зквибэшнтши диаметр подбирался одинаковым. Установлено, что влияние формы отверстия на диаметр пузырьков невелико.

Рис. 4

Рис.5

В числе ваашх результатов экспериментальных исследований следует ошетигь установление того, что наиболее эффективным режимом процесса образования повышает контакта фаз в высоковязкой кадкой фаза является иг-гирькот'Л. В этом режиме параметрами, характеризующими процесс,являются объемная расход!^ .диаметр отверстия 60 .цозерхносгное натлжегшо <Ь и свойства жидкости и газа.

При малых расходах газа независимо от вязкости жидкости наблюдается пузырьковый режим, и диаметр пузырьков увеличивается с ростом расхода газа, доя высоковязкой жидкости такой режим наблюдается яри дяадагре пузырьков не более определенной величины.

При дальяейием увеличении расхода газа в высоковязкой жидкости форма пузырей становится неустойчивой и наступает реаим, который называется нами "каналообразованием". При этом резшме в слое жидкости образуется газовый канал практически постоянного поперечного сечения по высоте, а над каналом создается непрерывно разрушащаяся пленка газовых пузырей большего диаметра, раз практически свободно сплошным потоком проходит по образованным каналам, поверхность которых меньше чем поверхность контакта фаз при пузырьковом режше, время пребывшая газа в людности существенно сокращается. Результаты экспериментальных исследований о

легли в основу теоретического описания процесса образования поверхности контакта в высоковязкой жидкой фазе и построения математической модели и методики расчета гидродинамических параметров газо-жидкостного слоя.

В третьей главе приводятся результата теоретического описания процесса образования пузырька в слое высоковязкой жидкой фазы,

Для анализа роста и отрыва одиночного пузнрька газа в жид-,кости необходимо учесть различные силы, действующие на пузырек. ■Дри отрыве на пузырек следует выделить следутацие силы: с.илу тяжести Т, подъемную (Архимедову) силу А , силу воздействия на пу-

зырэк лоаврхиостного натяжешш в и силу воздействия среди на пузырек Г .

Условием отрыва цуаирька от отворотия является равенство или превышение сил в сторону подъема над силами, удвржинагадпми пузырек, т.е.

Т ? А V 5 + Р (I)

Под силой воздействия среда на пуэнрок Р следит понижать сумму всех сил,действующих на иузырек при ег.о росте со оторопи яидкостн, Если не учитывать движение жидкости и силу инорции газового потока, то сила Р будет пропорциональна скорости роста пузыря. Когда пузырек иди поверхность при его роста перемещается внутри жидкости, то со стороны жидкости на наго деЛотвуат сала (- . Связь на аду силой сопротивления и диаметром пузыря, плотностью и скоростью ыо жат быть выражена уравнением Ньютона

К

иь

Г /1 «» л

р -с . (2)

Если рассматривать образующийся пузырек как частицу, мало отличающуюся от сферической, то можно ввести нонятие эквивалентного радиуса частицы из выражения для объема

(те4»? <»

Так как объем пузЫ1)Я изменяется во времена,то справедливо условна

= = (4)

Из последнего шражшил в качество характерной ыошю определить скорость изменения линейных размеров пузырька

м _ .

й атом случао злицишоел'ь силы сопротивления срчдь\ ог скорости 11ц ааивсиьаь'хся а виде аналогично ьнрпжешш (У)

и - У.!! - * _ ,кч

F = Л

OTdl „ u|

r — > T

Для определения зависимости сил« сопротивления от скорости иамэ-лоиия линейных рагмуроа 1)8 от диаметра ну;шр;1 á % ti отроком ди-аиазояе кэызцеиия параметров необходимо знать величину жооффица-ента сопротивления jn. Предполагается, что как и для дпмшшя частицы в ¿евдкостн величина коо-кэдиеята сопротивления завися от числа репнольдса Re. Такая зависимость была получена на оспо по обработка экспериментальных данных, описанных в глав о 2.

Б качество характерной скорости была использсьпна скорость U в , ¡i тогда число Рейнольдса определится вкракошем

R е = С?

Лра задшшом расходе воздуха известных дламотра отоорспш с!0 , плотности jíL , вязкости средиJHL и повертостиого натяжения Cj на границе раздела ц^азы определялась сила F г Т -А - S

Далче но величине F определялся коэффициент сопротивления Лjvi :А - (

ЛГ "srdg^ui

° • В соответствии с описанной методикой обработки экспериментальных данных на рис.G представлена зависимость коэффициента с противления от числа рейнольдса Re > Лр Г J(Re) , постр ешюя в логарифмических координатах. Сравнение экспериментальна и теоретических дашшх позволило сделать вы*од о тогд, что коэф] циент сопротивления J\jvt уменьшается с увеличением числа Геияол! са. Как следует из рис.О зтя зависимость в рассматриваемом два! зоне числа Г01'Ш)Л.ьдса удовлетворительно описывается уравнением

е

и

3,5 Й

М4

135

1.76

"А 9 РЮ"г,м. ~1,0 <3

(,57

0 |,а 6

а

0 9. 3

а в>

V 2.0

сэ аз.а

45

-0,6 Р^Ке

Раохоадониа расчетных значений козффшдоента сопротивления в соответствии с уравнением (9) с экепе-римаитошшыи данными не ярвшдшйюцее 30 % следует прнйнать удослетворитодь-1шм, ч'£ис как на образованно нуьырькон и определенно длшатра и сил,, денег-вувдих на пузырек,оказывает влияние случайные факторы трудно исключаемые в экспериментах. К.нии цояно

Рис. 6

отнести; измерение размеров по фотоизображении; деформацию пузырьков; влияние циркуляции ¡¿вдкости на отряв пузырей и т.д. В екс-першентах число РоШюльдса Яе не превышало 2» а режим образования пузырьков иоздуха следует считать ламинарным. Косвенно ламинарный характер образовании пузырей подтйор'ддаатся лншншой зависимостью коаф^ициента сопротивления Аул от числа рейнольдса Яе (см.рио.б).

Таким образом для ламииарного ралнш образования пузырьков гаьа связь между силаыи сопротивления среда ? будет описшштьсн следущон зависимостью

аз которой получается уравнение для ыредел&нчл диаизгра пузырька, образующегося щзц вдуво газа через небольшое отверстие

.4 64Рс4«

р о о кие__0у __ п

ил

Каноническое внражншо для расчета диаметра пузырька в момент отрыва имеет вид

efe ~ А,оь - В, = 0 . (12)

Уравнение во мояаг бить реионо н общем виде. Однако в частном случае при ó Р - 0 t Гц = О уравнение (12) влюот слэдущсе рвшвшю

a, —р из)

FSCfV-fg) ''

и описывает автомодельный реяли образования пуэьгрьков, когда дяа~ í.iorp пугцрыл уо зависит от диаметра отверстия. Дглмйтри пузырька, рассчитанные по уравнению (11) даюх удовлетворительное совпадение с Э1сспори,;онгальншя! данными в ьшроком диапазоне изменения расходов газа и смоченного периметра отйорсткя барб яичных устройств. Полученное вцраяонзо (13) пожог бить рекомендовано дяя описания процесса образования лузирьков при даьешарним характере движения кидкостн при значительном влиянии поверхности натяжения.

При рабочих скоростях rasa a отверстии 0,1-20 'У с ссстов-лящая в уравногшп (II), заввсяцая от поверхностного натяжения, но превышает 15 # or ctícjoü величины сила отрыва. Поэтому, используя разложение в рад /.юяю рекомендовать следующее выражение для определения диаметра пузырьков

3ji»LQg i

При незначительном влиянии поверхностного натяжения на процесс'образования пузырей в соответствии с „равнениями (13) и (V) число решюльдса может быть модифицировано. Это число подобия, названное нами эквивалентным числом Ройнольдса, выражается в виде

. Re gdÜKJVjM' M^Qj? f (I5)

Е <6jHL Wgifrfe)'

Sto вираяазняо числа Ройнольдса содоржит только определяющие пара-

J <gjMtQg W, ¿Pdc

A^g^-fg)/ V

мэтры процесса образования нузырьков.в том число свойства гадкое-ти и расход газа через отверстие. Дашюе число RcE может бить использовано для описания процесса образования пузырьков и построения зависимости sj(flc6) в более широком диапазоне измо-пення параметров.

Четвертая глава лосвящона разработке методики расчета гидродинамических параметров газотадкосшого слоя п определению конструктивных величин барбогажных устройств при работа с высоковязкой жидкостью.

Рокопко otoíí задачи позволит определить опткмальшо pesáis работы барботази'щ: устройств с наибольшей зффзктивностъю шссооб-монаого процесса. Теория образования слоя газ - высоковязкая ялд-

1. оть строится на пдои Аэрова о рассмотрщши массоиереноса в единичном объеме, включащом пузнрек газа(пра) и распространонии полученных результатов на бзрботалный слой с регулярной структурой. Эта идея наиболее эффективна при массопереносе на тарелках с едсоковлзкой явдкосхьи. С другой стороны,регулярная структура бар-ботажного слоя позволяет применить новую методологию в изучении массообмешшх процессов и получить более простые выражения для описания процесса. При реализации этой идеи в практических применениях очень вакно определить размер пузырыса, необходимый для расчета скорости его подъема и определении геометрических и гидродинамических параметров газоглдкостного слоя.

Одним из основных результатов исследований,описанных в главе

2, является утверждение,что оптималышй реним движения потока газа в высоковязкой лщдкосги наблюдается при пузырьковом характере пенообразования. Диаметр пузырьков зависит от параметров процесса и свойств газа и жидкости и определяется по уравнению (II).

1С основным гидродинамическим параметрам процесса массоиерепо-са в системе газ-кидкость, определящям его интенсивность, ото-

оикш шзсмодаржшше У^ и поверхность контакта фаз и сцотеш Ри Для оиисаши гидродинамической структуры систеш газ - висо-ковяысая жидкость предлагается слодувдап модель (рис.?).

-V

О о о

0 ЖШ о

о о о

77777Л Р777/1 Р777/1 Р77777

Над кавдиа огверстиеи в тарелке образуется ряд пузырьков с постоянный расстоянием друг от друга,раз-' аер пузырьков и расстояний ивзду ними определяются как среднестатистические величина. Весь обьеи газо-авдкосгного слоя мокат быть

I | Рис.7 |

разоит на единичные объемы, ваутра каждого объема содержатся единственный газовый пувирек.

расстоянии ыезду пузырьками определяется как

Е = и^1от. (16)

Драная модель полонена в основу определения газосодержаная и поверхности контакта фаз в слое, ¡азссодеркаше слоя определится из выражения

ц.Ог^

(17)

(18) (19)

8 Ve

где '

^ .

Првобх&зсаааве в ¿оогавхсхши с уравиониш (12) для определения расхода газа 0 § позволит опредоличь зависимость газосодвраавия

от пьрацетров процесса и вщ;а

. . е. Й4По6с10

i 7

Данное уравшшо 1док«т быть попользовало для определения плотности газожицкостного слоя а вэличтш поверхности контакта фаз.

Следует отметить,что определенна трудности при использовании этого уравнения а практическом пршеноипп связаны с трапсцоданг-шм характере;-,! уравнения (П) для вычисления диаметра иупарьксп.

Цродставляст оиродэдешаай интерес преобразование урзэнел&ч (<0) к безракцзрясл форме я определение чисел подобия,опглнвам^х процесс образовался спсто:зы газ - .-глдкосхь. Г^.эдем числа подобия

- число Гойнольдса , (21.) • ■ j'.fL 7

- ЧИСЛО Лряи.!п;:д , (22)

I ||2

Wce= - число Вебэра . (23)

&

Дашшо числа подобая содержат определяющие параметры: диаметр отверстия, расход газа черва отверстие' и слостпа х-ааа и ну. цсости. Если обозначить симплекс геометрического подобия, • определяемой отноаендем диаметра пузырьков к диаметру отверстия, величиной

G = т-8 , (24)

do

которая, в свою очередь, может бить вычислена в соответствии с уравнение;,: (ц), то уравнение (20) ыояно представить в ввде

k тг]

Для дальнейших рассуждений удобно вести понятие относительного газосодерлаНЕЯ , тогда получим

° ice 4 We0 «г. Ir-

Обозначим комплексными параметрами соотр^тствукщае отншэнм

О

= ГГ = Лг • ta)

Окончательная форма зависимости относительного газосодержапия от величин G , Pt и P<¿ имеет вид

! V4(e*-6^). ш>

в!соответствии о физической моделью газоандкостного слоя удельная

поверхность фазового контакта мекду газом и жидкостью в единице

, !

объема гав-жидкость •' о ирода ля а гея как отношение поверхности гавових пузырей к объему слоя

a -£ía=iü»4l , (зо)

\ít d=H '

где Н = , (31)

Н.= Uji0T. (32)

При подстановка акачания расстояния между пузырышш Z и высоты газо-ладкостаого слоя И из уравнений (31) и (32) в уравнение (30) иодучш

Шдожавад значение Qg из уравнения (II), находим п - ^ »"dodU K4noao ódo

ЫА1 ' Di gd£d»(Pb-fí)

Получение«! уравнении (34) позволяет определись среднестатистическую величину удельной поверхности системы газ - ьысоковязкая жидкость в зависимости от физических свойств жидкости и газа, пара-

метров процесса, определявших диаметр образующихся пузырьков и конструкции барботажшх устройств. Уравнения (26) и (3-1) имеют ограничения и могут применяться при следующих условиях: формы пу-яырьков шло отличаются от сферической и пузырысп не коалисцирувт. Как отмечалось вше эти требования работают при диаметре пузырьков не более 5-6 мм, режимы образования пузырьков и их движения в жидкости ламинарные, т.е. справедливы уравнения (II) и Стокса.

Используя числа подобия в уравнениях (21)., (22), (23) и симплекс геометрического подобия (24), выражение может быть предста-олено в виде

л - 24^/г с 1?е0 1 | I

С учетом комплексных параметров, описываемых уравнениями (27) ц (28) и входящих в уравнение (35), последнее в окончательной форме записывается следувдш образом

1 Р» Ъ 1

Как видно из этого выражения целесообразно ввести понятие безразмерной удельной поверхности

Выражения для определения относительного газосодрржания и безразмерной удельной поверхности содержат только два числа подобия Р( п Р2 и симплекс геометрического подобия & . В то же время на основе (ц) определяется зависимость симплекса геометрического подобия от чисел подобия Р( и Р2 следувдим образом

, (38)

Такш образом величина & как а относительное газосодержание и безразмерная поверхность зависит от двух чисел подобия Р? я Ра

iri.i цвела подобия еодаргат оародедвшцао кареамры для задачи ш-«¿acjauai хазосодериания u поверяносии itoasaKsa Фаз в системе газ-высоноызкаа гшдкосгь я явдтшгоя иодафаццровашшш числаиа подо-dis jiaipaiiza и Бебора.,

Следуех* «мшшгь, чю> шзававт опрвдал&ицув г-рудиосгь расовое уравнения !ЗБ) в ооцш вццз. Поэтому нрылекаиие уравнении (2?) и (3?) для расчета б а р б о т а к н"ы х . устройств, работащил с ьысоковязкоа гэдкоогьа, затруднено. Представляет ыитерес определение огношакая скоростей образования пузырен ( 5 ) и еко-

I

рбста всплытия из уравнения Стокса к скорости газа в отверстии, которая moïûï быть представлена в виде

i Us l do

иГГЗ*

или

ru

ue = a85i ('10}

Uo G

Если учесть, что диаметр пузырей с цель» снижения интенсивности и* коалисценцци не додаен превышать 5 - 6 ш, то уравнение (40) позволяв® определить дишетр отверстия берожишого устройства. В то же вреда отношение скоростей равно

Ци Bdilfkzpd ut)

U0 iôj<LUo

или ' л- '

Dr2 i,/

ïû " LS 1

Соноставляя расчеты, приведенные по уравнениям (40) и (12), следует отметить, что скорость пузыря Ue меньше чем скорость ыли.и• тая U^ , и при ' образовании пузырей в пузырьковом режима гаиокид-костного слоя всегда существует расстояние между пузирькашч

? ? с}а

lia основе результатов расчета зависимости величин G , " ЬуА

■уг Р| при постоянных числах Р0 длл спохс-ш газ - виооковяягэя глдкость приведена на рлс.в-Ш в логари.,'»даческпх координатах.

(!, Ст"

Рис. 8

-1.2

-0 6

Рис.9

Лд1Шыо зависимости носят- практически линейны!! характер и могут быть аппроксимировали степенным уравнением. Дри определений константы X и показателей степеней и р , применялся катод наименьших квадратов, и результаты округлялись. Полученные выражения для определения зависимостей симплекса геометрического по-6| Р\ добия, относительного газосодэр-яания и безразмерной удельной по-

Рис.ю

верхности от чисел р! и Рг записываются в виде

_ -0,27 „ о,оза

0,5« г\°<077

(43)

(АЛ)

ы -0 25 0 09s

F/a.= 35,7 Р, Ра' Itó)

Выражения (43), (44) и (45) имеют более простой характер чем (¿и), (3?) и (38) и могут бить использованы для определения газооодер-жания и удельной поверхности при заданных исходных параметрах процесса. При этом,естественно,следует учитывать оговоренные выш^ условия прилошшости полученных зависимостей. Эти условия основа-h|i на учете лаышшшого характера образования и движения пуэырь-крв в высоковязкой аидкости и оговорены выше.

I'

Для определения диаметра и количества отверстии барботашшх устройств следует задаться величиной скорости газа в отверстий, которая лежит в пределах от 0,1 до 20 м/с и параметрами процесса с учетом свойств газа и шдкости. Уравнение (43) иокет быть прообразовано,к рекомендуемый диаметр отверстия барботакного устройства определяется из выражения

Г / .10 537

,.nrde IgVfc-PgH (46)

IjuA) c¡>

При конструировании тарелки определение числа отверстий проводит ся с учетом свободного сечения барботажного устройства,т.е. доли площадки отверстий для прохода газа(пара) во всей площадки барбо-тсшюго устройства

£ "о^о

= Da " (4?)

Величина ítfc. определяется в соответствии с уравнением (44), находим

И .ия? .пПпl(> DL

¿z ' ^rV^r66^'077' иь)

Поверхность контакта }аз на таре-юсе находится us» РыралА-.ны

Рду = Н'Ф (49)

Если подставить выражение удельной поверхности контакта фаз иэ (37) в (49), то получим

= . ^ГРк ц (50)

Значение Руд. определяется аз (45) я с учетом (50) л для расчета величины поверхности контакта фаз па тарелке предполагается уравнение

ы-б'уз4 Т&П-ТТЛ? 6 н (51)

Полученное выражение для поверхности контакта фаз с учетом известных критериальных уравнений,описавапцах массоперенос в яадксоти, на единичном пузырьке,пожег быть исподы-эвано при расчете интенсивности процесса массопереноса в газояадкосгном слое или определении коэшфшдаентов массопередачп как поверхкостного,т'.е. отнесенного к поверхности тарелки,так и объемного, т.е. отнесенного к объему газоадкостного слоя.

Расчеты, проведенные по полученным уравнениям не только показывают, что для высоковязких яидкосгэй следует уменьшать свободное сечение барботажного устройства г увеличивать высоту светлой яидкости, но и позволяют определить эти величины.

основные вывода и результаты работы

I. Проведены экспериментальные исследования образования и движения пузырьков в системе газ - высоковязкая жидкость на отверстиях барботаявого устройства различной формы. Полученные данные положены в основу математической модели газояидкостного слоя, образующегося на барботаяшх устройствах.

с><

2. ЗгЬпарис-лгалшо установлено,что диацетры пузироД но зависят ст йоггш отверстий, к в високошзкоё гвдкойяа табодшрал ео~ воххшосгь кокзжга .^аз цабллдаэгся при пузырьковой рекыао гаьь хздкосгцого схаи, а сгру&шй рехш в виссковязкоД аадоосиг не. кабдвдаотся: ира высоких скоросгях ошочаогся неэф^октввша ре^ны, названный нши "каналообразовапием". 3., Построена ь&гекатческая иодель процесса офазовапяя пузарькоь | в высокое,гзхсо;! щдаосги, получены уравнения дач опрадолаиил | диаметра пузырьков в зависимости от размера отверстия, кара; ийгров процесса п свойств газа и яидкосш для ¿шикарного ха-; ракгера, даншша жидаосга при образовании пузырьков. 4.! На основе продлагаеиой модели процесса образования повехжйсш , контакта фаз в выссковязкой нвдкости о регулярной структурой разработана цетодака для расчета параметров гаэо-квдкостного слоя, его газосодержания и удельной поверхности. Б. Введены понятия об относительно:,! газосодер:Еании и безразмерной удельной поверхности контакта фаз, установлено, что эти величины зависят от двух безразмерных комплексов и получены простые зависимости для их определения. 6. Описана методика ¡«счета основных геометрических параметров

(диаметра и числа 01-вв£ютвй) барбоуаааш устройств. '?. Установлено,ч?:о для создана« большей поверхности кооди-ла

в виооковлзкой. кидкости слбдуе« уменьшать свободное сечение бар-богажшх усгроЯзш и увеличивать высоту газокидкоотного слоя.

СПИСОК ПРИМНИ ОБОйШШЙ!

Л - подъемная сила, кг м/с2; кг - число Архимеда; а - удзль-¡¡ая сбш.шая поверхность контакта (¡аз, н^/ьр; С - коэффициент сопротивления; -О - внутренний диаметр колонии, ы; с1 - диаметр, ц; Р - си;» со1фо'шшиш1 для ссади, кг а/а''", вд - поверхность кан-

такта фаз, м2; FyA.- бозрагморпгл удельная поверхность, и2;] -по-яорхнооть контакта, отнзсспяая хс активной площади тарелки, м2/«3; О- - се.шлокс геометрического подобия; g - ускоршше силч кпзсги, И - рнсога газо-гздкоотпого слоя, м; h - вчсота столба кзд-кости, к; hc - расстсчяяэ кодру отворотпяиа таролга, К1( з$$ацхвкх -сяаяэггя; L - слла тягасхя, иг И - час до пузирь-коа,образук","хсл п отэзрсхкз за одкшзду врсчсна; »1 - количество кадров; П* пузирзй но висото; n.j - колдчоойо ir/i-ь'ро« л слот; П0~ кода¡честно -..¿пзорсгдit; Р - сиочокякЯ псрп:.;отр, л; i\ н Pgr -безразмзршш ко*яшксшо волачгаш; О - обьс:ишй расход, м'Уо; Il - гздтг/с, I;; Пе - члсло РеЗкольдса; S - спда поверхностного :та-хяаоиая па граикцо гэдсосгя и rasa, h/iî;T- сопроггЕлзннэ пугшря п цперцяп ксдкоси s rasa, itr г/с'*; t - вро:д7, с; U - скорость . движения, гд/с; V - объом, и3; If - скоро, гь киносъемки, 24 кадра з секунду; We - число В о бора; W - скорость к/с; 2 - средшстатя-стячоскоо расстояние иэгау иузцрькакд по высоте, ц; л - коэф$ица-еят сопротивления;jU - коэффициент динамической вязкости нндкости,

Па-с; р - плотность сред«, ет/м3; - коэффициент; à> - поверх-

i ***

ностное натяаенпо газ-адкостп, н/м; У - газосодерзшше; У -безразмерная в о личина; X - коэффициент; - коэффициент для рабочего сечения тарелки.

t

НИЖНИЕ ИНДЕКСЫ

О -(Bubble) - пузырёк; Б QEc}uiva<eirt) - эквивалент; experiment)- параметр врем эксперимента; J (Fiota lion) - параметр флотации пузыря; gj (Gas) - параметр газа; к - кологша; L (liquid) - параметр зшдкой фазн; £ ( I з у с г) - слой; M -мас-соперздача; N - сопло; jvi - параметр связанный с вязкостью; О -отверстие; от. - отрыв; С - съемка; со, - свободный; ср. - средний; т - тарелка; ул.- удельный.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИШДШ В РАБОТА!:

X. Гидроданаызка контактных устройств кассооб&еншх тарелок пра работе о щоокоэязкой яцдкостка / Тябин И.В., Трусов С.А., 'Уагипцк&а U.A., Шбитов Н.С., Богале Т.Д. // Ш Всесоюзная научная конференция "Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем". Тез. докл. Секция I. - Таабов, 1991. 2. Исследование гидродинамика тарельчатых ректификационных аппаратов о высоковяакой кадкой фазой / Тябин Н.В., Трусов С.А., .Магницкая U.A. I Шзбатоа Н.С., Богада Т.Д. // У1 Всесоюзная : конференция по "Ректификации". Тез. дохш. - Северодонацк,1991. '' - С.206-207.

з! A.C. I74I8844 СССР, ШЩ B0I Д 3/22 Иассообменная тарелка / ' Голованчикоз А.Б., Цагаицкая М.А., Тябсн 1I.B., Шдбатов Н.С., дшша Г.Л., Богалэ Т.Д. (СССР). - )з 4793382/26; Заязд. 19.02.30; Опубл. 23.06.92, Балл, й 23 // Оифытия. Изобретения. -1992. - № 23. - С.З.