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

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 Николай 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 уУЛ^СОСШЛ 199^ года в 71»3' 3&1 асов на заседании спецй^ли-зированного совета Д 053.34.08 в МХТИ имени Д. И. Менделеева по адресу: 125190 ГСП, Москва А-190, Миусская пл., 9, в а уд. А/ДЗ е

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

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

БОБРОВ Д. А.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТН

Днту^ы'ооть ггробдотч. Одаюй из важиеШглх задач в области шгэнскЗгасации а развития ыассообмашшх процзссоа в различии* ограолях птгацамэшгосги является разрабагка тооротаческшс о с но и гидиаской гэнюлопш, что трзбуст фундаментальных исследований a otooïa гашд и хшшчеекай твгаологяа, создания иоашс vqxîiozo-глчоских процэссов, усозер^цствования сущеотвугадо: аппаратов rœmoci'.oU лрогшш'вкяоеги.

В послздк'з годи каблздаатся тендеэдия к увеличению габаритов колонной аппаратура, цугд.'.еп^цой а хкиячасной,. нефтоперера-батцваодэй п других отраслях прошлзлзшюста. Это. оборудование достаточно слогио в гзготовлвша а в граисцортаропкэ имаат васо-яуя иегаллоёл:сзть,. а протекала в ирэцоссы трос:ijmv больших затрат аегшичоской, тепловой л электрстеской апэрглй. (f другой оторопи, ата процесса отлпа^то.: сложностью теоретического опасайся, обусловленного зоагяагл влманеа гцщюданашчвехих.твшю-иассообавгаих л зешачвеких процессов, ивегообраэиеи перорабати-ааешх вещаете различна!' по свош: Саашсо-ззшачвск'ли спойствам и конструкций конгшмшшс устройств колонпчх аппаратов, раэличннын аробооашш к качеству получаемой дродукцаа. всё это в конечной атого ставят задачу пошяйквд эф^ектавшоти, надеаноот.» а точности расчета а прогнозирования основных технологических параметров работы такях аппаратов, создашш новых конструкций конт&ц-гыих устройств. Разработки методов расчета цассоойленшх процессов возможны Только на базе глубокого и всестороннего исследования этих процессов.

■ В работе на основе экспериментально* исследований, анализа и иостроа1шя модели процасоа, протекающего н барботакноы слое, а такае теоретического описания процессов трэнцеа на уротш

единичного включения дисперсной &азы в газоавдкостном сдое с ро-1удяриой структурой пррдоришиа соштда виявигь влэшпо Епсокой вязкости жвдкой фазы на б^убозаяном yctpofioiBe.

Настоящая диосертвццошхая работа цосшцэна теорогахо-эшю-ршвнтальному исследована лроцэссов образования яоворхпоотл контакта фаз и BucoKOBflsxofi аидкоств к разработке мзтодая расчета гедэдашмичооюл параметров r-азозэдкостЕого слоя с васоковязкой -щсивроиаппо'й £азой.

Fadoxa связана с шполгунаем координационного плана АН СССР по теоретическим освозаи xuOTtec'.-.oil технологии иа 1991-1995 х'.г., раздел 2.27.28.038.

Цель рабо.ты. I, Исследование вроцеесс.з, приводящие к образованию газонвдг.осхкого слоя в системе о високовявяой явдкостьез.

2. Создание катсштхиеской модели, позволяющей определять основные зарактерастша' газождкостного слоя в зазгс''.мости от па-рамвтров'процесса, конструкции тарелкл, свойств хаза в яшдкости.

-3. Расчет, осаовннх гэомотричооши параметров газозддкостяого слоя на контакишх устройствах иар-:".отатло:го тана,в дальнейшем ва-знваемшс барбетам'г ш, ii оптвм&л&зах размеров этах устройств.

, I

Научную новп.-р/ Т"^ота ооотсндяют результат теоретшсо-зкс-"перклснтальиыт асс,*:одоваийй движения оданкч;; ыигленшх пуаарь-ка гаэа(пара) в процесса ото образовался на оазероти/ барботано-го устройства в слое кидкоса'и,тте:^дтичоские ыодолв, учагнвавдие механизм переноса вещества в процэсйе образования 1г/зпрька а ври его дшгкэшш г слое надкости; методика р^чета барботажшх устройств с пуаарькочии гасожидкостшвг слоем.

ррактцчесу?.я денпос;/-, Faspiíoxaiv. нат^атг^еская модель и методика расчото,поБ'Ю".я?да; создашнхь васовоз^фвктивше барбо-тажкыв уотройстза а определит:. иагЗолее интенсивные репагы работа барбогаишх устройств 'при работе .с високовлзкой аидхостью.

Апробация работа. Основные положения и результаты работа докладывались и обсувдались на Ш Всесоюзной конференции "Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем" (г.Тамбов,1991) и на 71 Всесоюзной конференции по ректификации (г.Северодонецк, 1991). По результатам экспериментальных исследований поданн заявки на изобретение в БЕИ а Ш, получено положительное решение.

Публикации. По теме диссертации опубликовано дво печатное работы.

Структура п объем работы. Диссертация изложена на 107 страницах, содержат 19 рисунков, 5 таблиц, включает введение, четыре главы, вывода и список литературы из 64 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В велении отражена актуальность работы,ей содержание и определено направление исследована'! процесса ыассопереноса на барбо-таишх устройствах при наличии внсокоеяэкой авдкой фазы.

В цервой главе а литературном обзоре рассмотрено состояние проблемы.выполнена разработка вопросов современной теории н гидродинамики массопереноса в барботаяном слое и поставлена задача исследования.

Эффективность работы налоншх аппаратов с барбомишш сдоем во многом определяется гидродинамической обстановкой на барботаа,-ных устройствах. Обида для.всех них является то,что наиболее аффективная работа достигается при условии образования на них упорядоченных структур, а которых ыассоой/.ен протешет в элементарном объеме с включением пузырька газа(пара). Поэтому методология исследования эффективности работы барботакного слоя дол:ша базироваться на изучении физичёских процессов,протекающих на поверхности пузырька газа(пара) с последующ®! распространением получен-

шх результатов на öapdoiaiuüai слой а колояяу в целш. очоандао, чго ыэпэдака процесса наследования должна основываться ка enexs:.;-ноы подходе в отлична оз? чисто пшгоаорпого подхода а теорла подобия, рассаатраващай барбозазннй слой itaa отдельный обшит. Б от-личко 02 этого шясшшК иодюд позвошя соадать яауп структуру в ойцей шгсыатпчосхой подола «асссо&лгша в барбохагш»! слов, которая одисшзаат ьаассооймвн козду сдлодноИ и дисперсной фаземл к вхакгсаот рспенке едэдуодах задач: исслодова;гав гвдодагаащщ и vaooooiüska на едаддчяои вклзлешш, которая, в своя очередь, раз-надаотся га адугрониаа я внеишю оадача; переноса лодучопннх уэ-з;\"ыатов ка барботагзшй слой.методой усрсджншя о учотои фушахш распределения пузирьков по разморил « вропенп цребшшвя в барбо-токнегл слое. •

В с виза с кзлоаэншм следует оплатить, что среди новостных подходов к исследоваявю гидродинамики газояидкоотных саотеа иаа-больший интерес продставлявт те, которые базируется да фундаментальных законах даакешя неоднородных гетерогонии» систом. Зги теории мокно разбить ка два класса. В одной из них использована закона маханшш сплошной сродн, сформулированные в работах Седова Л.И., Нигыатулина р.И., раглатулина Х.Л., Илышшна A.A., Буе-°вича ю.А., Годунова С.К., а в другой - законы статистической механики, разработанные Монднш A.C. и Боголюбовым H.H.

Больше возможности при исследовании движения гетерогенных потоков с дисперсными частицами открываются при использование метода..-! статистической механшш. В работа" Лйсникова В.П., Чес-нокова В.Т., Гудобашга С.П. приведены решения кинетического урав нения движения взвешенных частиц в кипящем слое, позволяющие ная тк тензор напряжений, Еекгора потоков энергии хаотического дапже шш дисперсию: частиц, а. также учесть влияние таких дополнительных факторов, как полидясперсность, вращение частиц,. тепло- к

кассоой'Лец и ххшкческно превращения.

В работах Богданова С.Р., Протодьяконоза И.О., Разаолоди-иа Л.П., Чеснокола Ю.Г., Рсианкоза Н.Г. гф:! использовании уравнения типа ФоккераЧШшка решена задача нахождения усредненных характеристик барботагшого слоя, однако в такой постановка результата являются весьма прпблюегашми. очевидно, что решение поставленной. задачи а настоящее время возмекгю тают на базе комплексного подхода с использованием мохамаш доикецця сштозь 1шх срод.

Разработанные ноше конструкции тараяок ц проведение иссло-дое&шШ касэагся методов увеличения поверхности контакта фаз, в там числе и путец сиикешш диаметров пузырьков и частот.1! их отрава. Следует отметить, что дало на маловязких жидкостях вопросы увеличения поверхности контакта фаз и стабилизации зущролит-■гической обстановки ¡га тарелках иизют весила важное. значение. При увеличении вязкости нвдкоЗ фазы проблемы стабилизации гидродинамической картины становятся оща более трудноразрешимыми. При отсм наиболее ответственным моаентоа является процесс образования пузырьков газа в высоковязкой жидкости.' Списанию механизма и теории процесса образования пузырьков посвящена монография Уолласа Г., в которой проводится модель процесса образования пузырьков в неподвижной нядкосги при вдува газа через отверстие. Отмечено, что газовые пузырьки, присутствующие в жидкостях,обычно стремятся слиться друг с другом, в результате чего пузырьковая структуру теряет свои "однородность", кроме того.размер пузырьков оказывает влияние на динамику пузырьковой смеси и поэтому должен быть определен из соотношений, отбывающих механизм образования иу&нрькоа.

Несмотря на имеющиеся работы, посвш;ошше изучению процесса образования, и всплытия пузырьков, досгошрнно зависимости,' кото-

е

рыв можно било бы использовать для определения характеристик га-зожвдкостного слоя, в настоящее вреия отсутствуют. А в системах с высоковязкой жидкой фазой, вопросам влияния вязкости на структуру газоявдкостного слоя, режимам смесеобразования а тем более моделям процессов массопереноса уделяется слишком мало внимания.

В настоящей работе выполнено исследование процесоов образования газокидкоствого слоя в системе с высоковязкой жидкостью; разработана математическая модель создавая поверхности контакта фаз в барботакном слое,позволяющая определять основные характеристики газокидаосгного слоя в зависимости от параметров процесса; намечены пути конструирования эффективних барботаянцх устройств для системы газ-жидкости, .а также составлена методика расчета основных геометрических параметров.

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

Экспериментальная установка (рис.1) состояла из резервуара,

корпус которого был выполнен иа органического стеши. В центре резервуара I находится патрон Ларбошкиого устройства 3,изготовленный таким образом, чтоб» била возможность его заданы. Эксперимента проводились в широкой диапазоне изменения расходов но-.' ■ духа, вязкости жидкости, скорости течения ;шдкости с целью соа-дания пузырькового и пенного рекимоа работы на одиночном барбо-тааяом устройства. В качестве х-аза использовался воздух при различных температурах, с качестве модельной жидкости - хлицерии а водно-глицериновие растворы, что дозволило изменять плотность газовой смеси л работать в широком диапазона но вязкости жидкой' фазы. Барботажные устройства представляли собой диски с отверстиями различной Форш и размеров: круглые с диаметром отверстия от 2 до 7 ш, прямоугольной форш с разиераш сторон 2 х 10,

4x6, 5x5 ш, а также треугольной, овальной и звездообразной

о

форшх со сходными эквивалентными диаметрами. Эксперименты проводились при различных уровнях жидкости на тарелке от 25 до 120 ш, что соответствует рабочему диапазону высот жидкоотан на тарелках. Нидкость из еш\0оти 2 через вентили 6, 14 подавалась в резервуар с различной скоростью.

В эксперименте применялась кинофотосъемка в двух взаимно перпендикулярных направлениях через прозрачную стенку акспори-менталшчц установки.

Линейка 4 для измерения ьисоти жидкости была расположена по оси барботалхкл-о устройства, а искажения, воэиикаицие вследствие преломления света через границу раздела воздух - х'лицериа -оргахшческоа стекло,можно было учесть о помощью соответствующего козф1>ицаонта искажения. Кран ¡; и веятель 9 были предназначены для слива жидкости из шщмаа барботашого усгрийства. О погдоцью вентилей <\ и о создавалось движение хадесоЛ среда ,з экапорииоя-талыюй устанкйко.т.о. ш.с.ытироолдось перекреотнои дьиканио фаз

на тарелке.

Газ воздуходувкой 7 через ротаметр 5 подавался в патрон баро отажлого устройства. Скорость газа в-отверстии составляла от 0,1 до 20 и/о, что соответствует реальным скоростям в промшшш-нет установках.

Обработка полученных экспвршвктадьикх данных позволила установить гидродинамические реяимн работы барботаншх устройств, а тают получить зависимости для критических значений расходов по газовой фазе, при которых происходит пореход от одном режима к другому в зависимости от конструкции бурбомсзаго устройства, ак-соты слоя жидкости на тарелка и реофизическах параметров процесса. Киносъемка процесса образования пузырьков на тарелке позволила изучить механизм образования пузырька как на одиночном, так и на нескольких отверстиях, а также установить мехшшзм образована« поверхности контакта фаз в внсоковязкой яидкости и получить ряд графических зависимостей, таких как диаметра пузыря от расхода газа (ряо.2, 3); диаметра и количества яузнрькав от эквивалентного диаметра отверстия (рае.4) и ог расхода газа для различных режимов процесса образования поверхности контакта фаз. Кроме то-

¿е.

мм

20

16

{2

Н =

— 1 1 * X

1 с=п О □

X о д

0,96 2,)0 5,05

о.

го, аил найден автаио-дельный рохшл в процессе образования газовых хгу— зиреЗ, когда отсутствуй! зависимость от размера а Форш отверстия, обнаружено появление друтях рохашоа образования га-зожвдкостного слоя, отличных от пузырькового. Диаштр пузырьков определялся штодом кино-^о^о-съемки с учетом корреляционного коаЬрт^иента и

О 2 4 Рис.4

усреднялся методом наименьших квадратов.

Определенные размера пузырьков сопоставлялись с объемом пузырьков, рассчитанный на количество пузирькса,расход' воздуха и времени пребывания.

Экспериментально исследовалась эффективность работы барбиы ашх устройств с отверстиями различной Форш. На рпс.Ь приведены шэсть основных вариантов отверстий, для которых эквивалентный ды аметр подбирался одинаковым. Установлено, что влияние формы отверстия на диаметр пузырьков невошко.

О

Рис.5

В числе паяных результатов экспериментальных исследований следует отметить установление того, что наиболее аффективным режимом процесса образования поверхности контакта фаз в высоковпз-кой кадкой фазе является пузырьковый. В этом режиме параметрами, характеризующими процесс,являются объемный расход .диаметр отверстия с)0 .лозерхносзное нагялкшио Ь в свойства жидкости а газа.

При малых расходах газа независимо от вязкости жидкости на-блвдается пузырьковый реким, и диаметр пузырьков увеличивается с ростом расхода газа. Для внсоковязкоЛ жидкости такой релим наблюдается при диаметре пузырьков яе более определенной величины.

При дальнейшем увеличении расхода газа в высоковязкой жидкости форма пузырей становится неустойчивой и наступает режим, который называется вали "каналообразованием". При этом реяяаэ в слое жидкости образуется газовый канал практически постоянного поперечною сочеиия по высоте', а над каналом создается непрерывно разрушаицаяся пленка газовых пузырей большого диаметра. Газ практически свободно сплошным потоком проходиг по образованным каналам, поверхность которых меньше чем поверхность контакта фаз прл пузырьковом режиме, время пребывания газа в жидкости существенно сокращается. Результаты экспериментальных исследований

о

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

■ Д третьей глава приводятся результата теоретического описания процесса образования пузырька в слое высоковязкой жидкой фазы .Идя анализа роста и отрыва одиночного пузырька газа в жид-.кости необходимо учесть различные силы, действующие на пузырок. •Цри отрыве на пузырек следует выделить следупдие силы: силу тяжести Т, подъемную (Архимедову) силу А , силу воздействия на пу-

зирок поворхиостниго натяжения 3 и силу воздействия среда на пузырек Г .

Условием отрыва пузырька от отиаротия является равенство или приБШяанкв сил а сторону подъема над оилаш, удерживаицими пузырек, т.е.

Т > А * 8 + Р Ш

Иод силой воздейотвия среда на пузырек Р следует понимать сумау всех сил, действующа на иуэырек при его росте со сторона жидкости. Бели на учитывать движение жидкости и силу инерции газового потока, то сила Р Оудэт пропорциональна скорости роста пузыря. Когда пузырек или поверхность при его росте перемещается внутри жидкеец ти, то со стороны жидкости на него действует сила Р . Связь иевду силой сопротивления и диаметром пузыря, плотностьв а скоростью цо-жет быть выражена уравнением Ньютона

ardí. и£

с . и>ь

Если рассматривать образующийся пуаирек как частицу, шло отличающуюся от сферической, го шзшо ввести понятие эквивалентного радиуса частицы из выражения для объема

V*

<з)

'Гак как обье;д пуаыря изменяется во времена,то справедливо услопие

= = (4)

Из последнего выражения в качества характерной ыожю определить скорость изменения линейных размеров пузырька

В атом случае заьио.шгос'«» силы сопротивления срадк. от си^росчи Не aauucuhdbvcíi э виде аналогично варпгтенин (и)

• ■ Г А I

Для определения зависимости силы сопротивления от скорости игли иония шшойшх размеров ив от диаметра нузирд в карокоы ачааоне номэнения парядатров необходимо знать величину коэ!/л,6п: инта сопротивления Л^.-,. Предполагается, что как и дня доихонл частица -в ¡¿ндкостн величина коэффициента ооиротипиония Др завк от числа Роннольдса Яе. Такая занисшооть била получала на ос во обработки оксперимонталыии 'дашшх, ошюашшх в глав о 2.

В качество характерной скорости была использована скороот и в , и тогда число Рейнодьдса определится вцракшшвм

При заданном расхода воздуха иэвесишх диаметра отворотил с! 0 , плотности Оц , вязкости сред;/^^ л поверхностного натяксишя С нл границе раздела фазы определялоь сила Р = Т - Л - 5

Далее до величине Р определялся коэффициент сопротивления А

1 . Г'игс

° ' В соответствии с описанной методикой обработки эксперше! талышх данных на рис.6 представлена зависимость коэффициента противления от числа Гейнольдса Яе . Я^« - ^ (Я е ) , пос: енная в логарифмически координатах. (Сравнение эксперименталы и теоретических дашшх позволяло сделать вуод о том, что коз; циент сопротивления уменьшается с увеличением числа Гейно, са. каа следует из рис.О эта зависимость в рассматриваемом да зоне числа Гбдиольдса удовлетворительно описывается уравнение

Л

Г

,58

.<34

>35

1.76

Р(0"э,м

А 1, ОС

а 1,57

<> 1, а в

X в, а в

о о. с. э

а

V Я-О

о 25,2

4.5

-0,6 Ре

Расхождение расчепшх зпачонш! козффшдаонта сопротивления в соответствии с уравнением (9) о иконе-рш.юнтальнш.ш данными на прешиикцев. 30 следует при й1 ют ь удовле твори те дь-шш, \'ак как на образованно пуеирьков н определение ;цЕметра и сил,, действующих на нуаирак,оказывают влияние случайные факторы трудно исключаемые в экспериментах. К ним ыояно

-0,9 рис. 6

отнести; измерение размеров по фотоизображении; да'рормаадю пузырьков; влияние циркуляции жидкости на отрыв пузырей и т.д. а экспериментах число Рейнальдса не превышало 2, и режим образования пузырьков воздуха следует считать ламинарным. Косвенно ламинарный характер образования пузырей подгворэд-аатся линейной зависимостью коэффициента сопротивления А ^ от числа рейнольдса Яе (см.рис.6).

1'акшл образец для ламинарного рааяш образования пузырьков гааа связь мевду силами сопротивления среда Р будет ошюииатьон следующей зависимость»

Б Гд/о . це 4 Г^г

э

Не

и о)

нз которой получается уравнение для сиределенчя диштра пузырька, образующегося при вдуво газа через небольшое отворотив .4 Бдра«

и!)

Каноническое выражение для расчета диаметра пузирька в момент от-ршза имеет вид

Уравнение но ыокат бить решено в общей виде. Однако в частном случае при сЗ Р = 0 , Ад = 0 уравнение (12) имоот следуидсе решение

а описывает ав^'омодольныи рекпм образования пузырьков, когда диаметр пузырька но зависит от диаметра отверстия. Диаметры пузырька рассчитан;по уравнению (II) дают удовлетворительное совпаденло с экспериментальными данными а шроком диапазоне изменения расходов газа и смоченного параметра отверстия бари/маш устройств. Полученное вцранэндо (13) иокот быть рекомендовано .кля описания процесса образования пузырьков при даышарном характера движения жидкости при значительном влиянии поверхности натянения.

При рабочих скоростях газа в огворотии 0,1-20 м/с составляющая в уравнении (II), зависящая от поверхностного натяжения, но превышает 15 % от общей величины силы отрыва. Поэтому, используя разложение в ряд мояно рекомендовать следующее выражение для определения диаметра пузырьков

При незначительном влиянии поверхностного натяжения на процесс образования пузырей в соответствии с „равнениями (13) и (7) число рейиольдса может быть модифицирована. Это число подобия, названное нами эквивалентным числом Рейнояьдса, выражается в вил

Это выражение числа РоЛшльдеа содержит только определяющие парг

с!с - - Б, = 0 .

(12)

(13)

метры процесса образования пузырьков,в том число свойства жидкости и расход газа через отверстие. Данное число может быть использовано для описания процесса образования пузнрьков и построения зависимости ~ Iее) в более широком диапазоне изменения параметров. ,

Четвертая глава посвящоиа разработке методики расчета гидродинамических параметров газо.тадаостного слоя л определению конструктивных величин барботажшх устройств при рэбото с высоковязкой жидкостью.

Рокопио этой задача позволит определить оптпмалышо ренины работы барботазике устройств с наиболызей эффективностью массооб-моиного процесса. Теория образования слоя газ - шеоковязкая жад-> . оть строится на идеи Аэрова о рассмотроппи массопереноса в единичном объеме, включающем пузмрок газа(пара) и распространения получшшх результатов на барботаишй слон с регулярной структурой. Зта идея наиболее эффективна при массопероносо на тарелках с высоковязкой аедкосхыЬ. С другой сторонн,регулярная структура бар-ботазшого слоя позволяет примонлть позуи г.:отодологию в изучении :/лссооб;лешшх процессов п получить более простые выражения для описания процесса. При реализации этой идеи в практических применениях очень вакао определить размер пузирька,необходимый для расчета скорости его подъема и опроделенип геометрических и гидродинамических параметров газонидкостного слоя.

Однш из основных результатов исследований,описанных в главе 2, является утверждение,что оптимальней режим движения потока газа в высоковязкой, жидкости наблюдается при пузырьковом характере пенообразования. Диаметр пузирьков зависит от параметров процесса и свойств газа и нидкости и определяется по уравнению (II).

К основным гидродинамическим параметрам процесса массопереноса в системе газ-кздкость, определяющим его интенсивность, отно-

оитоя газооодерлшша У£/ а поверхность контакта фаз в оиотеие Ри Для описания гидродинамической структуры систеш газ - висо-ковазкая жидкость предлагается следующая модель (рис.7).

-V

О о о

о ЖШ о

о о о

Т77777\-—Т7777Г-У77Т7Г~ГПГ777

Над кавдыа отверстием в тарелке образуется ряд пузырьков с постоянным расстоянием друг от друга,раз-пер пузырьков и расстояние медцу нша определяются как среднестатистические величины. Весь оОъеи газожидкостного слоя иокот бить

рааОлт па единичше объемы, внутри каадого объег^а содержится единственный газовый пузырек.

расстояние ыеаду пузырысши определяется как

Е = и5.1ог (16)

Дойная Ыидель положена в основу определения газосодеркания и поверхности контакта фаз в слое. тзосодержашв слоя определится из

выражения

%^

где

'« ve

=

(I?) (1В) (19)

Првобхлзовалво а соигвегсдош с уравнением (12) для опредвлваия расхода газа Од позволит спредолк1Ь зависимость г&зосодержаиш

от ¡¡¿рацзчроь нрошоса и веда ¿а

г

34по6с10

(20)

,-> «о ГЛ. Чо „ ,. , „т,

—1г.--- члоло ройггсшдоя , (21)

¡и и I

Ланное уравнение кошт бить использовано для определения плотности газожедкостцого слоя н величины поверхности контакта $?.з.

Следует отметить,что определепино трудности при использования этого уравнения в практическом цршэнзнпа связаны с зрагадодент-ньм характерам уравнения (И) для вычисления диаметра пуяырьков.

Цродставднот оцродэлошшИ интерес преобразование уравнения (<¡0) к боярам,¡эрлсЯ форлз л определение чкеал подобия, оппс.чэайеупс процесс образования системы газ - жидкость. Введем числа подобия

о}о рс Ыо

""IV J

[\'10~- _ ,шово АРИ1МЙЛД , (22)

Л

I 11 2

_ число Бебера . (23)

&

Дашшо числа подобия содержат определяющие параметры: диаметр отворотил, расход газа через отверстие'и слоства газа н т: деости. Если обозначать симплекс геометрического подобия, ■ определяешь отноыением диаметра пузырьков к диаметру отвэретта, воличшюИ

, (24)

а о

которая, в своя очеродь, может быть вычислена в соответствии с уравнением (II), то уравнение (20) молно представить в пвдо

I

\*/е0 /\г0 й

(25)

для хдльиетах рассуждений удобно вести понятие относительного

/V

газосодеряанвя , тогда получим

Обозначим комплексными параметрами соответствующие отнояешм

ГГ = Аг • <28)

Окончательная форма зависимости относительного гааосодержашя от величин 5 , Р4 н имеет вид

в!срответотвиа о физической моделью газожидаостного слон удельная

поверхность фазового контакта мевду газом п жидкостью в единице

, I

объема гаа-жидкосгь определяется как отношение поверхности гваових пузырей к объему слоя

п (30)

ГЛ V* 1)кгН '

где Н = Ик2 , (31)

г-и^-и. (32)

Щш подстановка ашчиння расстояния ыеаду пуаырькши Т. и высота газо-вдцостшго слад И из уравнений (31) и (32) £ уравнение (30) колучш

(33)

Подставим значение Qg аа уравнения (II), находим

- »»<1ос1б ¿¿о (.,,ч

вга: " »г ¿ад^-р*)

Шдучишюе уравнение (34) позволяет определить среднеотатисгичес--ку» величину удельной поверхности системы Раз - шсоксшяэкая жидкость в зависимости от рлзичооних свойоиз жидкости и Х'аза, пара-

метров процесса, определяющие диаметр образующихся пузырьков и конструкции барботаляых устройств. Уравнения (26) п (34) итют ограничения п могут применяться при следущих условиях: форма пу~ вчрьков пало отличаются от сферической и пузнрькд по коалисцпруют. Как отмечалось еыпш эта требования работают при диаметре пузырьков не более 5-6 мм, рогата образования пузырьков и их движения в яидкостп ламинарные, т.о. справедливы уравнения (II) п Стокса.

Используя числа подобия в уравнениях (21)., (22), (23) и симплекс геометрического подобия (24), выражение мо?<зт быть представлено в виде

п - Zíb«-(r с Reo i I I ,or%

aYA = —— £-(5 -—_-------(35)

do * Аг0 V/ec Gz l

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

» j (зб)

1,0. "Р,

Как видно из этого выражения целесообразно ввести понятие безразмерной удельной поверхности

выражения для определения относительного газоссдррланяя и безразмерной удельной поверхности содержат только два числа подобия Р1 п Рг и симплекс геометрического подобия В . В то же время на ос-ном (II) определяется зависимость симплекса геометрического подобия от чисел подобия Р( и Ра следущим образом

|Р1&4-|Рг& =1 , (38)

Таким образом величина & как и относительное газосодеряаняе и безразмерная поверхность зависит от двух чисел подобия Р^ и Р2

Эти числа подобия содержат определяйте параметры для задачи вычисления газосодеркания ы поверхности контакта фаз в система rau-высоковязкая эдкость в являются шудафицироваинша числами подобая Лагранжа и Вебера.

Следует отметить, что вызывает определенную трудность ращение' уравнения 138) в оодеи виде. Поэтому применение уравнений (27) и (37) для расчета ö а р б о т а к в"ы х. устройств, работа-

щах с васоковязкой зидкостьа, затруднено. Представляет интерес

t

определение отношения скоростей образования пузырей (5 ) и ско-

!

рбсти всплытия из уравнения Стокса к скорости газа в отверстии, которая может быть представлена в виде 1 IU t do

U. " к 'elf ила ^

Ewut учесть, что дааыагр пузырей с целью снижения интенсивности ах коадисценцди на должен превышать 5-6 ш, то уравнение (40) позволяет определить диаметр отверстия бч?а>таынаго устройства. В то ке время отношение скоростей равно

У»= gdiliiifgi UL

u0 1ÖWLU0

um '

i - JL о rs

Сопоставляя расчеты, приведенные по уравнениям (40) и (42), следует отметить, что скорость пузыря UB меньше чем скориоть. ьешш тия Uf , и при'образовании пузырей в пузырьковом режшз газокид-kocthoI'O слоя всегда существует расстояние между пузырьками

? > с} &

. г«-» ™

На основе результатов расчета зависимости ьоличин G , Ур- и »VÄ

от Р} при постоянных числах Рд, для системы газ - внсоковяакая жидкость приведена на рис.8-10 в логарифмических координатах.

Рис.8

Н,2 -0,6

Рис.10

верхяости от чисел и Рг зависывавтся в виде

Даншо зависимости носят- практически линейный характер я могут быть аппроксимированы степенным уравнением. Цря определения константы X я показателей степеней Ь^ск и , применялся катод наименьших квадратов, и результаты округлялись. Полученные выражения для определения зависимостей симплекса геометрического по~ Р1 добия, относительного газосодер-яания и безразмерной удельной по-

(ЛЗ)

(АД)

_ „ „-0 25 0 033

= 35r? Р, ' Ps' (45)

Выражения (43), (44) и (45) имеют более простой характер чем Ш), (37) и (38) и могут da ль использованы для определения гаэосодер-кания и удельной поверхности при заданных исходах параметрах процесса. Бра этом,естественно,следует учитывать оговоренные вшье урловик приложимости полученных зависимостей. Эти условия основа-h|i на учете лшинашого характера образования и движения пузырьков в васоковяэкой ашдкооти и оговорены выше, i •*

Для определения диаметра и количества отверстии барботамш! устройств следует задаться величиной скорости газа в отверстии, которая левит в пределах от 0,1 до 20 м/с и параметрами процесса с учьтш свойств газа и цидкоати. Уравнение (43) может быть прообразовано,и рекомендуемый диаметр отверстия барботахного устройства определяется из выражения

. -пг cié >?¿,[g(ft-P¿)10'587 U6)

' (jиЛГ"

lipa конструировании тарелки определение числа отверстий проводи г--ся с учетом свободного сечения барботашого устройства,т.е. доли длощадкя отверстий для прохода гааа (пара) во всей площадки óapoo-тарного устройства

Величина определяется в соответствии с уравнением (44), на-

Х0А" -|c^.nQnip ni [д(п-Р8)Г"

Поверхность контакта фаз на гараже находится иь выражены

НЧ* (49)

Если подставить выраяэние удельной поверхности контакта фаз ив (37) в (49), то получим

^ 2 3 ЬйТУА.. . Ц (50)

гч с1<, Ц

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

с _я очш Л095 а

(51)

Подученное выражение для поверхности контакта фаз с учетом известных критериальных уравнений, описыващах массоперенос в аидаости, на единичном пузырьке,может быть исподы-эвано при расчете интенсивности процесса массопереноса в газожидкостном слое или определении коэффициентов иассопередачд как поверхностного,т.е. отнесенного к поверхности тарелки,так и объемного, т.е. отнесенного ж объему газожидкоствого слоя.

Расчеты, проведенные по полученным уравнениям на только показывает, что для высоковязких аидкостей следует уменьшать свободное сечение барбохажного устройства и увеличивать высоту светлой алдкоста, но и позволяют определить эти величины.

ОСНОВНЫЕ вывода И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОИ .

I. Проведены экспериментальные исследования образования и движения пузырьков в система хаз - васоковлзкая жидкость на отверстиях барботажного устройства различной формы. Полученные данные положены в основу математической модели газонидкостного слоя,образующегося на барботажных устройствах.

2. Зкспэршеиташю усгаяовлеко.чго доаиегрн пузырей из зашсяг ст форма отверстий, и в шсоковязкой шдаойти наибольшая поверхность контакта £из наблюдается при пузырьковом розшмз газо--ецдхостеого слоя, а струйш:й резшы в високоеязкой зшдаостп ив каблодаехся: пра високах скоростях отмечается неэффективна реши, названной нами ,'кaпaдoaбpaзoiзшщeм,,. 3,, Построена математическая модель процесса образования цузарькоь | в высоковдзкоц вдкосва, получена уравнения для определения | диаметра цузирьков в зависимости от размера отверстия, кара-1 'исисров процаоса а свойств газа н падкости для лаиаяарного : рактера движения «здкостн при образовали! пуснрысов, 4-: На основе предлагаемой модели процесса образования поверхности . коатакта фаз в високовязкой квдкости с регулярной структурой разработай методика для расчета параметров газо-зшдкостного сдоя, его гааоеодоряатш и удельной поворхности. Введена понятия об относительном газосодержаяда и безразмерен удельной поверхности контакта фаз, установлено, что эта величина зависят от двух безразмерна* комплексов а получены простые зависимости для их определения. 6. Описана методика расчета основных геометрических параметров

(диаметра и числа отверстий) барботажнах устройств. '?. Установлено,что для создания большей поверхности когдакта фай в високоьлакой. ьвдкосгн елвдуе® уменьшать свободное сочение бар-ботаааш устройств а увеличивать высоту газовдкостного сло.ч.

СПИСОК ИРИШТШХ 0Б0&МЧЫШИ

А - иодьешаа сила, кг м/с2; Аъ - число Архимеда; а - удоль-«ая ебьемная поверхность контакта ¿¡аз, м2Дг; С - коз&ищиент сопротивления ; -О - внутренний диаметр колонн», ы; с1 - диаметр, ц; Р - ойла сопротивления для срадц, 1С м/сЙ; - поверхность кин~

такта фаз, ft2; Г-гл,- бззраклорная удельная поверхность, BspxHoctb контакта, отнссояиаа к активной площзда таголш, к2/к-2; 0-~ оеяшяо гео-тетричесиого подобия; g - ускорояло сшк г.тазсти, ¡д/с'*; И - высота газо-годкосгаого слоя, м; h - ву.сота столба аяд-кос'гн, м; h0 - расстояние кокду охзэрогияи! таролет, л; К» -з:о-о&Т-туюнт .ncicarvoißvr; L - сила хяаесги, :сг г '/с2; М - тлело яузврб-коп,образукЕдхся в огворогаа за одашпцу вромопа; II - кодт-ество кадров; Пк - пузлрой по лисою; П.£ - количество пуисоП в слой; И0~ колячостзо «¡гворстяй; Р - с«очоешй порк'.отр, м; Pi н Р? -бозразысрныо ко-лиоксшо волачппа;0 - oöseMHUä расход, и3/о; Р. - радпус, и; ftü - число Гойлольдса; 3 - едла повархносшого аа-хягопня па гране до задаегд п гаса, н/г;;Т- сояроглвдооиа пупыря п ппорцая яццкосха а газа, кг г/с'*; t - время, с; U - скорость' . двпазнпя, v/o; V - объел, u3;V - скоро.гь киносъемка, 24 кадра в секунду; V/g - число Вобера;W - скорость, у/с;2 - среднестатистическое расстояние цозщу пузырьками по внеото, н; л - коэф}ица-саг сопротивлениями - коэффициент дпнакяческой вязкости аидкостя, Па-с; Р - плотность среди, кг/ыэ; ~ коэффициент; ó - поворх-HOCXHOG натяяенпо газ-япдкости, н/м; У - газосодерзанпе; У -безразмерная величина; X - коэффициент; VV - коэффициент для рабочего сечения тарелкп.

(

НИШЕ ИНДЕКСЫ

О -(ВиЬЫе) - пузырёк; £ (Equivalent) - эквивалент; e(Expmmenl)-паршетр время эксперимента; í (F loin lion) -параметр флотации пузыря; g (Gas) - параметр газа; к - колоша; L (liquid) - параметр жидкой фазы; í (layar) - слой; И -мас-сопередача; N - сопло; jvi - параметр связанный о вязкостью; О -отверстие; от. - отрыв; с - съемка; со, - свободный; ср. - средний; т - тарелка; уд..- удельный.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДКСЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВШ В РАБОТАХ:

1. Гидродднаизка контактах устройств маосообаеншис тарелок при работе о выооксаязкой вддкостю / Тябнн Н.В., Урусов С.А., Иагнацкаа U.A., Шабитов Н.С., Богале Т.Д. // ш Всесоюзная научная конференция "Гядроцэханичеокае процесса разделения гета-рогеншх систем", Тез. докл. Секция I. - Тамбов, 1991.

2. Исследование гидродинамики тарельчатих ректификациошшх аппаратов о BaooKOBAJKOü кадкой фазой / Тябин Н.В., Труоов с.А., Магницкая U.A., Шбагоа П.С., Богале Т.Д. // У1 Всесоюзная

; конференция по "Ректификации". Тез. докл. - Северодокэцк,1991. '' - G.206-207.

з! A.C. 17418844 СССР, МКИ B0I Д 3/22 Ыассообмеиная тарелка / 1 Головшгадкоз А.Б., Магницкая H.A., Тябин Н.В., Шбатов Н.С., Дахина Г.Д., Богалэ Т.Д. (СССР). - & 4793382/26; Заявл. 19.02.90; Опубл. 23.06.92, Ешд. й 23 // Открытия. Изобретения. - 1992. - J» 23. - С.З.