автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование гидродинамических процессов обработки пищевого сырья в кожухотрубном струйно-инжекционном аппарате

На правах рукописи

005013634

Агаев Кирилл Эдуардович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ В КОЖУХОТРУБНОМ СТРУЙНО-ИНЖЕКЦИОННОМ АППАРАТЕ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 мдр ті

/

Санкт-Петербург 2012

005013634

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий.

Научный руководитель - доктор технических наук

Новоселов Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Верболоз Елена Игоревна

кандидат технических наук Прохорчик Игорь Петрович

Ведущее предприятие - Всероссийский научно-исследовательский

институт жиров Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится "//" 2012 г.

в /// час на заседании диссертационного Совета Д 212.234.02 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, С-Петербург, ул. Ломоносова, 9, СПбГУНиПТ, тел./факс 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУНиПТ. Автореферат разослан " " ^¡ь^Уа?_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.т.н., профессор

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Многофазные потоки в каналах технологических аппаратов и трубопроводах находят всё большее применение в различных отраслях промышленности: в пищевой, микробиологической, фармацевтической промышленности, в атомной и теплоэнергетике, химической, при совместной добыче и транспорте нефти и газа.

В пищевой и микробиологической отраслях промышленности гидродинамика газожидкостных и трёхфазных потоков во многом определяет интенсивность сорбционных и теплообменных процессов, а именно: на пивоваренных предприятиях - процессы варки пивного сусла и его брожения, спиртовых заводов - процессы механико-ферментативной обработки зернового сырья, его осахаривания и сбраживания, на дрожжевых заводах - процессы культивирования микроорганизмов, на заводах производящих безалкогольную продукцию - процессы сатурации напитков на основе воды молочной сыворотки или фруктовых и овощных соков, на сахарных заводах - процессы сульфитации и сатурации при производстве сахара.

Производство многих безалкогольных напитков, пива, шипучих вин и т. п. связано с обязательным насыщением их диоксидом углерода. От качества газирования напитков зависят вкус, аромат, пенистость и игристость напитков. Газирование напитков протекает либо в изотермических условиях, когда в предварительно охлаждённый продукт подаётся С02, либо при переменной температуре в процессе охлаждения напитка. И в том и другом случае при гидравлическом расчёте аппарата необходимо учитывать наличие двух фаз.

Эффективность проведения перечисленных выше технологических процессов во многом определяет рентабельность промышленных предприятий, делает конкурентно способной выпускаемую ими продукцию.

С другой стороны, эффективность проведения технологических процессов определяется возможностью получения продукции в энергосберегающих и ресурсосберегающих режимах работы основного технологического оборудования, т.е. с меньшими потерями исходного сырья при получении готового продукта, с меньшими энергетическими затратами на проведение заданной технологической операции. Не менее важна и задача снижения габаритов аппарата и его металлоёмкость.

Всё выше перечисленное позволяет снизить капитальные и текущие затраты на организацию производства и текущие затраты на производство готовой продукции.

Таким образом, создание малогабаритных, высокоинтенсивных аппаратов для проведения этих технологических процессов в ресурсо- и энергосберегающих режимах их работы является актуальной задачей для пищевых отраслей промышленности.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является изучение гидродинамических процессов в рабочем объёме кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА) в энерго- и ресурсосберегающих режимах его работы и создание научно-обоснованной методики его расчёта

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

- собрать, проанализировать и обобщить данные, имеющиеся в научно-технической и патентной литературе, касающиеся изучения механизма уноса газа свободными струями жидкости и движения многофазной смеси по трубам КСИА в начальном установившемся режиме его работы;

- разработать физическую модель механизма уноса газа свободными струями жидкости в условиях низких скоростей истечения жидкости из сопел, дать её математическое описание и выполнить экспериментальную проверку полученных уравнений;

- разработать физическую модель механизма движения многофазной смеси по трубам КСИА, выполнить математическое её описание и экспериментальную проверку полученных уравнений;

- экспериментально проверить возможность движения трёхфазных потоков в трубах КСИА при различных концентрациях твёрдой фазы и выполнить количественную оценку значений уноса газа свободными струями из водно-зерновых суспензий;

- разработать инженерную методику гидравлических расчётов КСИА при его работе в ресурсо- и энергосберегающем режиме.

Научная новизна. Научная новизна данной работы заключается в следующем:

- выполнены комплексные исследования механизма образования и движения многофазных потоков в трубах КСИА в условиях начального установившегося режима;

- разработана модель механизма уноса газа и получено уравнение для расчёта уноса газа в опускную трубу в условиях начального установившегося режима работы КСИА;

- определены границы режимов работы КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы, получено уравнение для расчёта минимальной приведённой скорости жидкости в трубах;

- выполнено научное обоснование целесообразности проведения процессов физической абсорбции чистых газов в жидкости в начальном установившемся режиме работы КСИА;

- на основе представленной физической модели выполнено математическое описание движения газожидкостной смеси в опускной трубе в условиях начального установившегося режима;

- получены экспериментальные данные по уносу газа двухфазными жидкостными средами (система жидкость - твёрдые частицы).

Практическая значимость работы.

Технические решения КСИА в условиях начального установившегося режима его работы, конструкция экспериментальной установки и методика проведения эксперимента внедрена в учебный процесс в лекционном курсе дисциплины «Экспериментальные методы исследования гидромеханических процессов пищевых производств» при подготовки магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Процессы и аппараты пищевых производств» очной формы обучения, а также по дисциплине «Оборудование и процессы микробиологических производств» студентов обучающихся по специальности 260602 и 260101 «Пищевая инженерия малых предприятий по переработке сырья растительного происхождения» очной и заочной формы обучения.

Методика проведения экспериментов и экспериментальная установка внедрены в лабораторный практикум научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов СПбГУНиПТ 2008-2011 гг.; «Проблемы техники и технологии пищевых производств». Санкт-Петербург 2008 г.; научно-практическая конференция, посвящённая 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ имени Глинки «Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания». Воронеж 2008 г.; журнал «Известия вузов. Пищевая технология». Краснодар 2010 г.; международная научно-техническая интернет -конференция «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах». Воронеж 2011г.; журнал «Новые технологии». Майкоп 2011 г. А также издавались в электронном научном журнале «Процессы и аппараты пищевых производств. Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011 г.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Научное обоснование целесообразности проведения процессов абсорбции чистых газов в начальном установившемся режиме работы КСИА.

2. Эмпирические зависимости для определения границ области работы КСИА в начальном установившемся режиме

3. Теоретические и эмпирические зависимости для расчёта диаметра струи при работе КСИА в тупиковом режиме по газовой фазе и проточном по жидкостной (начальном установившемся режиме).

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, касающиеся изучения, уноса газа в опускную трубу, определения коэффициентов местных сопротивлений циркуляционного контура при работе КСИА в начальном стационарном режиме.

5. Полуэмпирические зависимости для определения коэффициентов сопротивления циркуляционного контура при работе КСИА в начальном установившемся режиме и в проточном с рециркуляцией газа из подъёмной трубы в опускную.

6. Экспериментальные результаты по оценке уноса газа струями, образованными водно-зерновой суспензией, в трубы КСИА.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы и 2 приложений.

Содержание работы изложено на 97 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 7 таблиц. В списке литературы 95 источников, в том числе 45 иностранных.

Основное содержание работы

Создание малогабаритных, высокоинтенсивных аппаратов для проведения тепло и массообменных процессов является перспективной задачей для многих отраслей промышленности. Ранее были проведены исследования гидродинамики и тепло- массообменных характеристик КСИА, соответствующие интенсивным режимам его работы. Это обуславливалось необходимостью подачи большого количества газа в аппарат, создания в нём высокой поверхности контакта фаз и высоких скоростей переноса растворённого газа. Однако, работа аппарата в таких интенсивных режимах требует повышенных энергозатрат. При физической абсорбции чистых газов, проведение процесса массообмена в таких интенсивных режимах не эффективно с точки зрения затрат энергии. Поэтому дальнейшие наши исследования были направлены на поиск и изучение более экономичных режимов работы КСИА.

Повысить экономичность процесса массопереноса между газовой фазой и жидкой фазой можно достигнуть путём увеличения времени пребывания газожидкостной смеси в трубах КСИА, с целью более полного растворения, подаваемого газа. Это может быть достигнуто 2-мя способами: 1. Создание тупикового режима движения по газовой фазе и проточного по жидкостной в опускной трубе.

Рис. 1. Изменение гидродинамической обстановки в трубах КСИА с изменением расхода жидкости через основное сопло.а - начальный устойчивый режим; б, - нестационарный (пульсационный) режим; г - стационарный пузырьковый режим.

На наш взгляд более перспективным представляется 1-ый вариант режима эксплуатации аппарата. В ранее проведённых исследованиях были выявлены три характерных режима работы КСИА:

начальный устойчивый режим (тупиковый режим по газовой фазе и проточный по жидкостной)(рис.1а);

неустойчивый (пульсационный) режим (рис. 16,в); стационарный (рабочий) режим (рис.1 г).

Исследования гидродинамических характеристик течения двухфазного потока в 1-м режиме ранее не проводились, что значительно сужает область применения КСИА, при проведение процесса абсорбции.

Первый режим характеризуется постепенным заполнением опускной трубы газожидкостной смесью при увеличении расхода жидкости через основное сопло. При этом в верхней части опускной трубы наблюдается пузырьковая структура потока, которая расширяется к низу по мере увеличения расхода жидкости через сопло.

Область работы КСИА в 1-м режиме к настоящему времени была определена только верхней границей, соответствующей переходу от 1-го ко 2-му режиму. Существование нижней границы предполагалось только гипотетически, но не было определено числено. Логично предположить, что нижняя граница будет зависеть от начальной скорости истечения струи, при которой начинается унос газа струёй итіп.

Экспериментальные исследования гидродинамических характеристик были выполнены на установке, которая схематично представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для исследования начального установившегося режима работы в КСИА:

1 - трехтрубной модель КСИА;

2 - емкость - накопитель;

3 - центробежного насоса;

4 - ротаметр;

5 - регулирующий вентиль;

6 - жидкостное сопло;

7 - перегородка;

8,9 - дифференциальные жидкостные манометры;

10 - счётчик расхода газа;

11 - основная верхняя газовая камера;

12 - сливной кран для замены жидкости;

13 - вспомогательная верхняя газовая камера;

В результате проведённой серии экспериментов нами была установлена граница начала уноса газовой фазы свободными жидкостными струями в КСИА в зависимости от геометрических размеров труб и сопел

0,219

Н„

\ 0,15

Ч0,7

0,5

V тр у

V ТР7

(1)

В случае малых расходов жидкости поверхность струи может быть гладкой, а течение её будет проходить в ламинарном режиме (ламинарные струи) и здесь будет наблюдаться механизм ламинарного режима уноса газа, то есть развитие вокруг струи области ламинарного движения газовой фазы. Учитывая, что пограничный слой газа на входе струи в жидкость имеет очень малые размеры, было принято, что локальные скорости газа в этом слое примерно равны, т.е. иг=г>0. В этом случае можно допустить:

<18 0 ^

Решением уравнения (2) будет зависимость:

0г = Ыл46+52) (3)

В уравнении (3) неизвестными параметрами являются @г, с1с, 5. Первые два параметра можно определить экспериментально. Для расчёта диаметра ламинарной струи нами были выполнены исследования свободных жидкостных струй фотографическим путём на малых расходах. Струя представляет собой однофазный жидкостной поток, который движется со скоростью Vo. Скорость на поверхности струи будет незначительно отличаться от среднего его значения vo. При выходе жидкости из сопла происходит увеличение скорости её движения за счёт гравитационных сил, что приводит к изменению скорости в точке входа струи в жидкость в опускной трубе.

В работе показано, что пренебрежение этим фактом в условиях работы аппарата при малых скоростях истечения приводит к неточной оценке и. Для того чтобы определить скорость струи в точке входа в рабочий объём нами была предложена следующая зависимость:

и = (4)

Проверка уравнения (4) показала, что на длинах струи, используемых в КСИА, уточнение скорости необходимо проводить при и0 < 2 м/с. С увеличением скорости это расхождение будет вырождаться, т. е. стремиться к 0. Изменение скорости струи по длине будет приводить к изменению диаметра струи на малых скоростях:

= 0 ,785-в-^2 (5)

Таким образом, диаметр струи можно рассчитать по следующему уравнению

0,785-^0+2^

хмдоиостггсль

Сравнение результатов проведённых исследований с расчётными данными по уравнению (6), среднее отклонение от данных, полученных опытным путём, составляет 0,6%, максимальное отклонение составляет ± 3,9%. Непосредственные измерения £>г на экспериментальной установке, представленной на рис. 1 невозможно, ввиду того, что весь, поступающий газ возвращается обратно в верхнюю камеру. Поэтому для оценки £>г, уносимого струёй жидкости, соответствующих начальному установившемуся режиму, была создана специальная установка, представленная на рис. 3.

Рисунок 3. Схема экспериментальной установки исследования уноса газа свободными струями жидкости:

1 - ёмкость с аэрируемой жидкостью;

2 - ёмкость-накопитель;

3 - центробежный насос;

4 - жидкостной ротаметр; 5,10-регулирующая арматура;

6 - жидкостное сопло;

7 - газовый счётчик;

8 - погружная труба;

9 - отражающая перегородка; 11, 12 - верхняя и нижняя крышка;

13 - сливной кран для замены жидкости;

14 - теплообменник.

В результате, проведённых серий экспериментов, было установлено истинные значения уноса газа струёй, в частности для расходов жидкости характерных начальному установившемуся режиму работы КСИА, что позволило определить значения 6 из уравнения (3). Полученные расчётные значения 5, были обобщены зависимостью (7), при использовании метода наименьших квадратов.

5 = (9,9 • 10° ■ Яе + 1,7) • Ю-5 - (0,828 • 10"5 ■ Яе + 1,416 • 10"3) • (7)

где Де =с/0и/уж ■

Данное уравнение достаточно точно описывает значения 8. Среднее отклонение значений 8, полученных из уравнения (4) с значениями рассчитанными по уравнению (7) составляет ± 10,3 %.

Полученные данные по уносу газа для начального установившегося режима работы, с учётом известных из литературы данных для стационарного рабочего режима, позволили построить график зависимости расхода газа от расхода жидкости для всех 3-х режимов работы КСИА, который представлен на рис. 4. Участки графиков, показанные на рис. 4 штриховыми линиями, проведены гипотетически, т.к. соответствуют работе аппарата в нестационарном режиме.

Проведенные исследования начального установившегося режима позволили определить оптимальные условия работы аппарата в этом режиме, под которыми понималось полное заполнение опускной трубы газожидкостной смесью.

<5Г-10', м%

--шг J X

/ / А 11

/ */ ' /

/ ,

1 у

/ / / л

У ,

---*"—

Sifes

з 13 23 33 43 53 63 73

• а=10мм >М>м »а=7,5ш х(1=6мм Ш=5ым С^-Ш'.м'/с

Рисунок 4. Зависимость расхода газа от расхода жидкости ()ж для 3-х режимов работы

КСИА.

Основные параметры, характеризующие оптимальный режим, представлены в таблице 1 для проведения этого процесса в КСИА с трубами 36 мм.

Таблица1. Оптимальные условия работы КСИА в начальном устойчивом режиме и основные параметры структуры газожидкостного потока._

do • 10J, м . 5 6 7,5 9 10 Оценка параметра

Qx • 103, MJ/C 13 13,3 14 15,8 16 w.-s»

Ic'103, м 16 17 25 10 12 Экспериментальная, визуально

gr • 105, м3/с 0,24 0,15 0,08 0,05 0,03 Расчётная, по уравнению (3)

DO, М/С 6,63 4,71 3,18 2,49 2,04 бж/So

v, м/с 6,66 4,75 3,26 2,53 2,1 Расчётная, по уравнению (4)

W„, м/с 0,128 0,131 0,138 0,156 0,158 Расчётная, по уравнению (1)

Wr, м/с 0,236 0,148 0,079 0,05 0,03 QJ STO

fr 0,31 0,22 0,13 0,09 0,06 W¡y( Wr + WK+0,4)

Nc, Вт 2,9 1,52 0,77 0,52 0,37 7фж DJ dtf/8

a, M"' 573,5 301,3 155,5 101,2 73,4 0,215 N JV„

«?„■ 10j,M 3,25 4,39 5,02 5,34 4,91 6 0r/a

Для расчёта циркуляционного контура, образованного опускной и подъёмной трубами в случае работы КСИА в начальном установившемся режиме, была использована методика, ранее разработанная и апробированная при работе аппарата в стационарном рабочем режиме. Вывод расчетного уравнения проводился по следующему алгоритму. Были составлены уравнения энергетического баланса (8) и аддитивности гидравлических сопротивлений (9)

2 2

+ Рж£Нпк(1" Рт) + Ак£Нжн " Лк£Нм

-Ак£Нгж<ргн =

(8)

(1

-Л)2 ^ а-^г„)1,75 ^ ^ ^ вых ^

В силу того, что в опускной трубе мы рассматриваем 2 зоны: газожидкостную и зону чистой жидкости в уравнениях (8) и (9) появляются дополнительные слагаемые, учитывающие наличие однофазного жидкостного потока Х^(НЖ.С /й^); Нж.

Полученные зависимости (8-^9) применимы в диапазоне изменения диаметров сопел с10 = (5+10)- 10"3м, а также диаметров опускной и подъёмной труб йтр =36-10" м. Среднее отклонение расчетных и экспериментальных значений не превышает ±9,5%, что можно считать вполне удовлетворительным результатом.

В случае выполнения конструкции КСИА с частичной рециркуляцией газа из подъёмной трубы в опускную (рис. 56), также наблюдались три характерных режима работы.

Рис. 5. Варианты организации потоков фаз в КСИА: а - КСИА проточного типа; б - КСИА с частичной рециркуляцией газа из подъёмной трубы в опускную. 1 - камера 1; 2 - камера 2; 3 - основное сопло; 4 - дополнительное сопло; 5-опускная труба;6 - подъемная трубач-сливная труба;8-переливная камера;9-сливной патрубок.

а б

В процессе проведения экспериментов были определены границы режимов работы для случая КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы.

В результате экспериментов были получены уравнения для расчета критических скоростей:

приведенная первая критическая скорость (нижняя граница области неустойчивого режима)

=0,517

0,15 |Ч1

^ тр у

0,6

•(^тр)

0,5

(10)

приведенная вторая критическая скорость (верхняя граница области неустойчивого режима)

^кР2 ~ 0>62

\0,15 / ч 0,4

Ч

)

0.5

(П)

Эмпирические зависимости (10-11) применимы в диапазоне изменения диаметров сопел «/, =(5-10)'10-3м, а также диаметра опускной и подъёмной труб б/рр-36-10" м. Отклонение расчетных и экспериментальных значений "№крл и WKp.2 не превышает ±11,2%, что можно считать вполне удовлетворительным результатом. Нижняя граница области первого режима определяется уравнением (1)

Обработка полученных результатов показала, что примененный комплекс параметров для оценки значений приведенных критических скоростей жидкости вполне удовлетворительно описывает сходимость получаемых данных для аппаратов подобного типа.

Для расчёта циркуляционного контура КСИА, работающего в условиях частичной рециркуляции газовой фазы из подъёмной трубы в опускную уравнения (8) и (9) необходимо скорректировать в соответствие с наблюдаемой гидродинамической обстановкой в опускной и подъёмной трубах. В результате анализа наблюдаемой гидродинамической обстановки были получены следующие зависимости для расчёта £к /

Рук» о2 Рж^ж2

+ ЯвЯНгжіСІ - <рт) - Нгж2(1 - <ргв) - р.^Нгж](ргн +

5вых

^ (1-Я,)1'75 ^ (1-^н)1'75 (1-/?г)2 (1-^гв)2

(12)

Расхождение между результатами, рассчитанами по уравнениям (12, 13) составило ±16%.

Как показал литературный обзор, подавляющее большинство экспериментов выполнено на системе воздух-вода, и в связи с этим какие-либо теоретические данные об уносе газа двухфазными средами (жидкость -твёрдая фаза) в трубы КСИА отсутствуют. Необходимость таких исследований возникает ввиду проблемы определения объёмного и расходного газосодержания в трубах кожухотрубного струйно-инжекционного бродильного аппарата (КСИБА), без которых оценить гидравлические сопротивления циркуляционного контура становится невозможно. Поэтому изучение уноса газа многофазным потоком в новых конструкциях тепло-массообменных аппаратов и, в частности, в (КСИБА), актуально как с точки зрения перспективы научных исследований, так и в практическом аспекте для создания инженерной методики расчета новых аппаратов.

В качестве исходной суспензии для проведения опытов была выбрана смесь воды с предварительно размолотым зерном ячменя.

Исследования проводились для трёх гидромодулей 1:4; 1:3,5; 1:3. В ходе исследований каждого гидромодуля изменялись диаметры <з?0 сопел в пределах от 5 до 10 мм. В процессе эксперимента изменялся расход жидкости через сопло. Диаметр опускной и подъёмной трубы был одинаковым во всех опытах ¿гр ~ 36 мм.

Высота установки среза сопла до верхней трубной решётки было постоянным и равнялось 100 мм.

В результате, проведённых серий экспериментов, были получены зависимости расхода газа ()г от расхода воднозерновой суспензии £>ж рис. 6.

Рис. 6. Зависимость расхода газа 0г от расхода жидкости (2Ж для среды воздух-вода и воздух-воднозерновая суспензия при (¡а = 8 мм.

Из графиков можно увидеть, что с увеличением гидромодуля унос газа уменьшается. Кроме того при одном и том же значение расхода жидкости расход газовой фазы для воды в значительной степени больше расхода газа при течении двухфазной среды. Это можно объяснить тем, что при течении воднозерновой суспензии по трубам КСИА возникает большое сопротивление. В результате происходит частичное заполнение верхней газовой камеры, и как следствие уменьшение длины свободной струи.

После проведения обработки, экспериментальных данных, нами была получена регрессионная зависимость для расчёта уноса газа свободной двухфазной средой (жидкость - твёрдая фаза) у - 16,33 • 1(Г + 7,925 • Ю-5 xi - 14,7 • 10"5 х2 - 11,28 • 10"5 х3 - 7,4 • Ю"5 х х х,х2- 5,48 • 10"5 х,х3 + 9,9 • 10"5 х2х3 + 5 • 10"5 х,х2х3 (14)

гпех -бж-32,5-10-5. _ С-0,1665 rfp-7,5-Ю-3

1ДС Л1--;-, Ло--, Хо =---

7,5-Ю"5 2 0,1665 3 2,5-Ю"3

У = бг

Регрессионная зависимость (14) применима в диапазоне изменения диаметров сопел do =(5+10)-10'3м, и концентраций воднозерновой суспензии С = 0 - 0,333 кг/кг. Отклонение расчетных и экспериментальных значений Qr не превышает 10,1± %, что можно считать вполне удовлетворительным результатом.

Таким образом, впервые был исследован унос газа двухфазной средой (жидкость - твёрдая фаза). Получены графические зависимости расхода газа от расхода воднозерновой суспензией. Установлены значения уноса газа двухфазным потоком в трубы аппарата. Выполнено сравнение расходных характеристик среды вода и среды воднозерновая суспензия.

При обработке экспериментальных данных, получении эмпирических зависимостей и графическом оформлении работы были использованы следующие программы: Curve Expert, Excel, MathCad, AutoCad.

Выводы

1. Выполнено научное обоснование целесообразности проведения массообменных процессов между газом и жидкостью в КСИА в условиях начального режима его работы.

2. Определена нижняя граница начального устойчивого режима работы КСИА. Получено уравнение для оценки начала уноса газа свободными струями жидкости, (уравнение 1).

3. Разработана и экспериментально проверена модель уноса газа свободными струями жидкости, учитывающая влияние силы тяжести на скорость струи в точке её входа в объём жидкости. Дано её математическое описание (уравнения (3)).

4. Выполнены комплексные исследования по изучению геометрической формы и размеров свободных струй аналитическим и фотографическим

методами. Показано, что уравнение (6) достаточно точно описывает экспериментальные данные по оценке с/с (расхождение 6,3%).

5. Впервые представлена графическая зависимость уноса газа в трубы КСИА для всех трёх режимов его работы (рис. 4)

6. Основываясь на уравнениях баланса сил в двух сечениях циркуляционного контура КСИА и аддитивности гидравлических сопротивлений движению двухфазного потока в нём получена зависимость для оценки коэффициента сопротивления контура ^ пери работе КСИА в начальном установившемся режиме. Экспериментальная проверка расчётных значений с^ по этим уравнениям показала удовлетворительное расхождение (± 9,5%).

7. Выполнены комплексные исследования работы КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы из подъёмной трубы в опускную, получены уравнения для расчёта критических скоростей (ур. 10, 11) и расчёта сопротивлений циркуляционного контура (ур. 12, 13).

8. Впервые проведены экспериментальные исследования по определению уноса газа в опускные трубы КСИА свободными струями водно-зерновой суспензии при различных содержаниях твёрдой фазы в жидкости. Представлено регрессионное уравнение (14) для расчёта 0Г.

9. На основе полученных зависимостей разработана инженерная методика гидродинамических и конструкционных расчётов КСИА.

Условные обозначения и индексы:

й- диаметр, м; Н - высота, м; Ь - длина, м; Р - давление, Па; <2 - объёмный расход, м /с; и - средняя по сечению скорость, м/с; - приведённая скорость к живому сечению, м/с; и - локальная скорость, м/с; р - плотность, кг/м*; (рг -объёмное газосодержание; /?г - расходное газосодержание; % - коэффициент сопротивления; А - коэффициент гидравлического трения; 5 - толщина ламинарного слоя газа, увлекаемого струёй в объём жидкости, м; Яе -критерий Рейнольдса; С - концентрация воднозерновой суспензии, кг/кг; у -расстояние от поверхности струи до произвольно взятой точки в ламинарном подслое в направлении перпендикулярном к вектору скорости струи и0, м; Б -площадь поперечного сечения, м2.

Индексы: в - восходящий поток; н - нисходящий поток; г - газ; ж -жидкость; гж - газожидкостной поток; о - относящийся к соплу; с -относящийся к струе; кр - критические значения; 1 - относящийся к опускной трубе; 2 - относящийся к подъёмной трубе.

Список литературы.

1. Сивенков А.В., Агаев К.Э., Лебедева Т.Я. Гидродинамический расчёт движения двухфазных потоков в вертикальных трубах кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА) с рециркуляцией жидкости и дополнительным соплом над сливной трубой.// Тезисы доклада в сборнике материалов научно-практической конференции «Актуальные проблемы

развития технологии продуктов питания»// Воронеж, Истоки, 2008. - С. 134137.

2. Сивенков A.B., Новосёлов А.Г., Агаев К.Э., Лебедева Т.Я. Начало устойчивой работы кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата.// Сборник работ студентов и аспирантов «Проблемы техники и технологии пищевых производств», СПб, СПбГУНиПТ, 2008. - С.50-57.

3. Сивенков A.B., Агаев К.Э., Дугнист A.B. Гидравлические сопротивления движению двухфазных потоков в вертикальных трубах кожухотрубных струйно-инжекционных аппаратов (КСИА). Известия Вузов. Пищевая технология, Краснодар, 2010, №1. - С.118-120.

4. Агаев К.Э., Ильичёв В.А. Лебедева Т.Я. «Изучение зависимости диаметра свободных струй жидкости от геометрических размеров сопел и расхода жидкости». Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, - Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011. - №2 - сентябрь 2011».

5. Агаев К.Э., Девяткин Ю.В., Лебедева Т.Я. Гидродинамика КСИА при начальном, установившемся режиме работы. Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах [Текст]: материалы международной научно-технической интернет - конференции («ЭПАХПП-2011»)/Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж : ВГТА, 2011.-С. 12- 14.

6. Агаев К.Э., Девяткин Ю.В., Лебедева Т.Я. Исследование уноса газа в кожухотрубном струйно-инжекционном аппарате при частичной рециркуляции газовой фазы из опускной трубы. Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах [Текст]: материалы международной научно-технической интернет - конференции («ЭПАХПП-2011») / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж : ВГТА, 2011. -С. 292-295.

7. Агаев К.Э., Новосёлов А.Г., Девяткин Ю.В., Дугнист A.B. Исследование уноса газа двухфазным потоком в трубы кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА). - Новые технологии, 2011, №4. -С. 11-14.

Подписано к печати 29,02.12 Формат 60x80 1/16. Бумага писчая.

Печать офсетная. Печ.л. 1,0- Тираж 50. экз- Заказ К» СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

61 12-5/2114

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи УДК 673.1.02.001.5

АГАЕВ

Кирилл Эдуардович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ В КОЖУХОТРУБНОМ СТРУЙНО-ИНЖЕКЦИОННОМ АППАРАТЕ

Специальность 05.18.12 - процессы и аппараты

пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор А.Г. Новосёлов

Санкт-Петербург 2012

Содержание.

Основные условные обозначения.........................................................5

Введение.........................................................................................7

Глава 1. Анализ литературных данных по исследованию гидродинамики в кожухотрубном струйно-инжекционном аппарате....................................12

1.1. Классификация и принцип действия струйно-инжекционных аппаратов........................................................................................12

1.2. Анализ научных работ посвящённых изучению механизма уноса газа свободными струями жидкости..........................................................28

1.3. Анализ литературных данных по определению диаметра свободной струи жидкости.......................................................................................42

1.4. Режимы движения газожидкостной смеси в трубах............................47

1.5. Объёмное и расходное газосодержание при восходящем и нисходящем движении газожидкостной смеси в трубах КСИА...................................48

1.6.Гидравлические сопротивления при восходящем и нисходящем движении газожидкостных потоков в трубах КСИА..............................................50

1.7. Начало устойчивой работы КСИА.................................................57

1.8.Возможность применения кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата в других отраслях промышленности........................................61

1.9. Постановка задачи исследований...................................................63

Глава 2. Теоретические подходы к исследованию уноса газа в КСИА..........64

2.1. Модели механизма уноса газа струями жидкости..............................64

2.2. Теоретические подходы к определению диаметра свободной струи в условиях начального установившегося режима работы КСИА...................73

2.3. Гидравлические сопротивления в трубах КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы...................................................................................76

2.4. Гидравлические сопротивления в трубах КСИА при начальном установившемся режиме движения газожидкостной смеси.......................77

Глава 3. Экспериментальные исследования гидродинамической обстановки в трубах КСИА при начальном устойчивом режиме работы.........................82

3.1. Схема экспериментальной установки исследования гидродинамических характеристик в КСИА в условиях начального установившегося режима работы..........................................................................................82

3.2. Результаты исследования уноса газа свободными струями жидкости в условиях начального устойчивого режима работы.................................86

3.3. Результаты исследования диаметра свободных струй жидкости при начальном устойчивом режиме работы...............................................93

3.4. Результаты исследования гидродинамической обстановки в трубах КСИА при начальном устойчивом режиме работы..........................................95

3.5. Описание схемы экспериментальной установки исследования частичного возврата газовой фазы из опускной трубы КСИА...................................97

3.6. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных......100

3.7. Результаты исследования возврата газовой фазы из опускной трубы кожу-хотрубного струйно-инжекционного аппарата......................................101

3.8. Описание схемы экспериментальной установки исследования уноса газа в КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы....................................106

3.9. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных в КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы...................................107

3.10. Результаты исследования гидравлических сопротивлений в трубах КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы. Границы режимов работы.........109

3.11. Методика инженерного расчёта циркуляционного контура КСИА в

условиях начального установившегося режима работы........................114

Глава 4. Исследование уноса газа двухфазным жидкостным потоком в трубы

кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата................................115

4.1 .Описание схемы экспериментальной установки.................................115

4.2. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных......117

4.3. Результаты исследования уноса газа в трубы КСИА при движение

двухфазного потока.........................................................................118

Основные выводы............................................................................121

Литература.....................................................................................123

Приложение...................................................................................134

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - удельная поверхность контакта фаз, м"1; ¿/ - диаметр, м;

Т7 - поверхность контакта фаз, м3;

ускорение свободного падения, м/с ; £ = 9,81; Н - высота, м;

г - инжектирующая способность струи; Ь - длина, м; И- мощность, Вт; Р - давление, Па;

о

Q - объёмный расход, м/с;

9

8 - площадь живого сечения, м ; 1 - температура, С°;

V - объём, м3;

и - средняя по сечению скорость, м/с;

- приведённая скорость к живому сечению, м/с; и - локальная скорость, м/с; О - массовая скорость, кг/м2 с; у - удельный вес, н/м3; р - плотность, кг/м3;

р. - коэффициент динамической вязкости, Пах; т - время, с; касательные напряжения, Н/м ; срт - объёмное газосодержание; о - поверхностное натяжение, Н/м; Д- - расходное газосодержание;

V - коэффициент кинематической вязкости, м /с; ^ - коэффициент сопротивления;

X - коэффициент гидравлического трения; а - коэффициент кинетической энергии;

к - потери на трение, м;

5 - толщина ламинарного слоя газа, увлекаемого струёй в объём жидкости в опускной трубе, м; Яе - критерий Рейнольдса; Же - критерий Вебера; Рг - критерий Фруда; Z- критерий Огнезорге; ъ - удельная энергия положения.

Индексы

а - аппарат; в - восходящий поток; н - нисходящий поток; г-газ;

ж - жидкость;

гж - газожидкостной поток;

0 - относящийся к соплу; с - относящийся к струе; тр - относящийся к трубе;

ц - относящийся к циркуляционному потоку жидкости; кр - критические значения;

р - относящийся к рабочему объёму или рабочим условиям проведения процесса;

1 - относящийся к опускной трубе;

2 - относящийся к подъёмной трубе.

Сокращения

СИА - струйно-инжекционный аппарат;

КСИА - кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат;

КСИФ - кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор;

КСИБА - кожухотрубный струйно-инжекционный бродильный аппарат.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Многофазные потоки в каналах технологических аппаратов и трубопроводах находят всё большее применение в различных отраслях промышленности: в пищевой, микробиологической, фармацевтической промышленности, в атомной и теплоэнергетике, химической, при совместной добыче и транспорте нефти и газа.

В пищевой и микробиологической отраслях промышленности гидродинамика газожидкостных и трёхфазных потоков во многом определяет интенсивность сорбционных и теплообменник процессов, а именно: на пивоваренных предприятиях - процессы варки пивного сусла и его брожения, спиртовых заводов - процессы механико-ферментативной обработки зернового сырья, его осахаривания и сбраживания, на дрожжевых заводах - процессы культивирования микроорганизмов, на заводах производящих безалкогольную продукцию - процессы сатурации напитков на основе воды молочной сыворотки или фруктовых и овощных соков, на сахарных заводах - процессы сульфитации и сатурации при производстве сахара.

Производство многих безалкогольных напитков, пива, шипучих вин и т. п. связано с обязательным насыщением их диоксидом углерода. От качества газирования напитков зависят вкус, аромат, пенистость и игристость напитков. Газирование напитков протекает либо в изотермических условиях, когда в предварительно охлаждённый продукт подаётся С02, либо при переменной температуре в процессе охлаждения напитка. И в том и другом случае при гидравлическом расчёте необходимо учитывать наличие двух фаз.

Эффективность проведения перечисленных выше технологических процессов во многом определяет рентабельность промышленных предприятий, делает конкурентно способной выпускаемую ими продукцию.

С другой стороны, эффективность проведения технологических процессов определяется возможностью получения продукции в

энергосберегающих и ресурсосберегающих режимах работы основного технологического оборудования, т.е. с меньшими потерями исходного сырья при получении готового продукта, с меньшими энергетическими затратами на проведение заданной технологической операции. Не менее важна и задача снижения габаритов аппарата и его металлоёмкость.

Всё выше перечисленное позволяет снизить капитальные и текущие затраты на организацию производства и текущие затраты на производство готовой продукции.

Таким образом, создание малогабаритных, высокоинтенсивных аппаратов для проведения этих технологических процессов в ресурсо- и энергосберегающих режимах их работы является актуальной задачей для пищевых отраслей промышленности.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является изучение гидродинамических процессов в рабочем объёме кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА) в энерго- и ресурсосберегающих режимах его работы и создание научно-обоснованной методики его расчёта.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

- собрать, проанализировать и обобщить данные, имеющиеся в научно-технической и патентной литературе, касающиеся изучения механизма уноса газа свободными струями жидкости и движения многофазной смеси по трубам КСИА в начальном установившемся режиме его работы;

- разработать физическую модель механизма уноса газа свободными струями жидкости в условиях низких скоростей истечения жидкости из сопел, дать её математическое описание и выполнить экспериментальную проверку полученных уравнений;

- разработать физическую модель механизма движения многофазной смеси по трубам КСИА, выполнить математическое её описание и экспериментальную проверку полученных уравнений;

- экспериментально проверить возможность движения трёхфазных потоков в трубах КСИА при различных концентрациях твёрдой фазы и выполнить количественную оценку значений уноса газа свободными струями из водно-зерновых суспензий;

- разработать инженерную методику гидравлических расчётов КСИА при его работе в ресурсо- и энергосберегающем режиме.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

- выполнены комплексные исследования механизма образования и движения многофазных потоков в трубах КСИА в условиях начального установившегося режима;

- разработана модель механизма уноса газа и получено уравнение для расчёта уноса газа в опускную трубу в условиях начального установившегося режима работы КСИА;

- определены границы режимов работы КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы, получено уравнение для расчёта минимальной приведённой скорости жидкости в трубах;

- выполнено научное обоснование целесообразности проведения процессов физической абсорбции чистых газов в жидкости в начальном установившемся режиме работы КСИА;

на основе представленной физической модели выполнено математическое описание движения газожидкостной смеси в опускной трубе в условиях начального установившегося режима;

- получены экспериментальные данные по уносу газа двухфазными жидкостными средами (система жидкость - твёрдые частицы).

Практическая значимость работы.

Технические решения КСИА в условиях начального установившегося режима его работы, конструкция экспериментальной установки и методика проведения эксперимента внедрена в учебный процесс в лекционном курсе дисциплины «Экспериментальные методы исследования гидромеханических

процессов пищевых производств» при подготовки магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Процессы и аппараты пищевых производств» очной формы обучения, а также по дисциплине «Оборудование и процессы микробиологических производств» студентов обучающихся по специальности 260602 и 260101 «Пищевая инженерия малых предприятий по переработке сырья растительного происхождения» очной и заочной формы обучения.

Методика проведения экспериментов и экспериментальная установка внедрены в лабораторный практикум научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов СПбГУНиПТ 2008-2011 гг.; «Проблемы техники и технологии пищевых производств». Санкт-Петербург 2008 г.; научно-практическая конференция, посвященная 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ имени Глинки «Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания». Воронеж 2008 г.; журнал «Известия вузов. Пищевая технология». Краснодар 2010 г.; международная научно-техническая интернет - конференция «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах». Воронеж 2011г.; журнал «Новые технологии». Майкоп 2011 г. А также издавались в электронном научном журнале «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011 г.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Научное обоснование целесообразности проведения процессов абсорбции чистых газов в начальном установившемся режиме работы КСИА.

2. Эмпирические зависимости для определения границ области работы КСИА в начальном установившемся режиме.

3. Теоретические и эмпирические зависимости для расчёта диаметра струи при работе КСИА в тупиковом режиме по газовой фазе и проточном по жидкостной (начальном установившемся режиме).

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, касающиеся изучения, уноса газа в опускную трубу, определения коэффициентов местных сопротивлений циркуляционного контура при работе КСИА в начальном стационарном режиме.

5. Полуэмпирические зависимости для определения коэффициентов сопротивления циркуляционного контура при работе КСИА в начальном установившемся режиме и в проточном с рециркуляцией газа из подъёмной трубы в опускную.

6. Экспериментальные результаты по оценке уноса газа струями, образованными водно-зерновой суспензией, в трубы КСИА.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы и 2 приложений.

Содержание работы изложено на 97 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 7 таблиц. В списке литературы 96 источников, в том числе 45 иностранных.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ГИДРОДИНАМИКИ СТРУЙНО-ИНЖЕКЦИОННЫХ АППАРАТОВ

1.1.Классификация и принцип действия струйно-инжекционных

аппаратов

К настоящему времени разработан ряд конструкций СИА для проведения тепло-массообменных процессов в системах газ-жидкость. В силу недостаточной изученности происходивших в них процессов, применение нашла лишь небольшая часть из множества сорбционных аппаратов. Для удобства анализа необходимо провести их классификацию по наиболее существенным признакам. Классификация этих конструкций выполнена в работах [7,9,40,45]. Нами были внесены некоторые дополнения, сделанные с целью расширить принятую классификация СИА. В результате внесения ряда дополнительных изменений, схема классификации аппаратов со струйным диспергированием газа приведена на рис. 1.1.

Все струйные газожидкостные реакторы, входящие в первую подгруппу, можно отнести к аппаратам, где жидкостные и газожидкостные струи, пройдя предварительно сквозь слой абсорбируемого газа, проникают в реакционный объём. Кроме того все аппараты, входящие в эту группу представляют наибольший интерес по ряду причин. Во-первых, они обладают высокими тепло-массообменными характеристиками, а во-вторых, позволяют избежать установку дополнительных устройств, принудительной подачи газовой фазы в аппарат.

Реакторы, относящиеся ко второй группе, имеют принципиальное отличие - а именно наличие лишь одного диспергирующего устройства, эжектора.

Рис. 1.1 Классификация струйных аппаратов.

К третьей группе можно отнести конструкции с выносными устройствами принудительной подачи газа, например, компрессор.

Теперь подробно рассмотрим конкретные конструкции аппаратов различных типов, принципы их работы, достоинства и недостатки.

Аппараты первой подгруппы (рис. 1.2а) являются простыми по конструктивному исполнению и наиболее исследованными. Их работа основана на уносе газовой фазы падающими жидкостными или газожидкостными струями на свободную поверхность жидкости. Так как жидкость соприкасается с твёрдой неподвижной стенкой внутри сопла, на его внут