автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Закономерности движения и взаимодействия фаз в роторных массообменных аппаратах

нгв ид

2 8 НЮН 1993

»

БЕЛОРУССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С.М.КИРОВА \

На правах рукописи

ВОЛКОВ Владимир Константинович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ ' б РОТОРНЫХ МАССООБШШХ АППАРАТАХ

05.17.08 - процессы и аппараты химической технология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени , кандидата технических наук

Минск 1993 _

Работа выполнена в Белорусском технологическом институте им.С.М.Кирова.

I

Ндучиый руководитель доктор технических наук,

профессор А.И.ВН1ЮВ.

Научный коноультант кандидат технических наук,

доцент В.А.МАРКОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук«

профессор И, М.ПДЕХОВ,,

кандидат технических наук, доцент В.П.ИСАКОВ.

Ведущее предприятие - Гродненский институт азотной промышленности.

Защита состоится «Д^ 1998 г. в 14 час.

ни заседании специализированного совета К 056.01.06 при БГИ им.С. М.Кирова (220630, Республика Беларусь,, г.Минск, ул.Свердлова, 13а) в ауд. 240 (корп.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШИ иы.С.М.Кирова.

. Автореферат разослан ч^** ¿«¿¿-/Ре? 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совету ___, л

к.т.н., доцент С^С-КВ.ГШДОНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность .работы. В химической технологии для проведения тепло- и массообменных процессов в газожидкостных системах широко используют колонные аппараты с тарельчатыми и насадочными устройствами. Задача повшения их производительности решается в настоящее время, как правило, путем увеличения габаритных размеров, поскольку скорость газа(пара) на полное сечение ограничивается явлением уноса или захлебывания. При современных масштабах перерабатываемых продуктов такой путь практически исчерпал себя, т.к. народу с большими затратами металла на изготовление аппаратов создает трудности при их монтаже и транспортировке к месту назначения.

В этих условиях определяющее значение приобретает поиск рациональных способов интенсификации процессов и создание высокопроизводительных аппаратов, в том числе и роторных с подводом энергии извне.

Согласно имеющейся информации по результатам исследований взаимодействия фаз во вращающихся потоках достигаются высокие значения коэффициентов тепло- и массообмена, что позволяет уменьшить размеры аппаратов и сократить капитальные и эксплуатационные расходы. Однако из-за сложности мехаяизма явлений переноса в роторных аппаратах основы расчета их еще не разработаны. Поэтому исследование гидродинамических и массообменных характеристик роторных аппаратов является актуальной задачей..

Данная диссертация выполнена в Белорусском технологическом институте им.С.М.Кирова в рамках работы, проводимой согласно плану Министерства образования Республики Беларусь (тема Г6 * 9-91).

Цель^аабо^ы. Установление закономерностей движения и взаимодействия фаз в роторных аппаратах, разработка совершенных конструкций и методов расчета основных характеристик, выдача рекомендаций по их проектированию и применению.

Научная новизна работы. На основе исследования диспергирования жидкости при ее истечении из отверстий распределительного устройства в роторном аппарате пояучеао уравнение, позволяющее рассчитывать средний размер капель в зависимости от режимных и конструктивных параметров аппарата. С использованием метода статистического анализа установлены функции

распределения количества, поверхности ^'объема капель, а также характеристики этих распределений. В свою очередь известное распределение капель по размерам позволило описать траектории их движения с помощью дифференциальных уравнений. Их решение, проведенное численным методом, дало возможность получить упрощенную зависимость для определения допустимой скорости газа. Предложена форцула для вычисления поправочного коэффициента к теоретическим расчетам траектории движения капель.

Проведенные исследования аэрогидродинамических и массо-обменных характеристик позволили получить зависимости для определения брызгоуноса, гидравлического сопротивления, объемного коэффициента массоотдачи и эффективности массообменд^в зависимости от режимных и конструктивных параметров роторных аппаратов.

Практическая значимость. По результатам исследования созданы конструкции роторных аппаратов, отличающихся улучшенными технико-экономическими характеристиками. Разработанная методика расчета характеристик роторных аппаратов исполь-ауется в ВТИ им.С.М.Кирова при проектировании ректификационных установок для разделения спиртов. Выполнены расчеты и разработаны проекты дисперсионно-пленочных и насадочных роторных аппаратов.

Публикации. По основным результатам работы имеется девять публикаций, в том числе: одна статья, семь докладов, одно положительное решение по заявке на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, иллюстрирована 63 рисунками, библиография включает 120 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов. Названия глав в диссертации и автореферате совпадают.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Введение. Обоснована актуальность диссертационной работа, дана краткая характеристика состояния проблемы, изложены основные результаты, которые выносятся на защиту.

I. Обзор конструкций роторных тепло-массообмднньк аппаратов и.постановка задачи исследований

В данной главе предложена классификация роторных тепло-

массообменных аппаратов с учетом вида образуемой поперхни.;..; контакта фаз, направления их взаимного движения и конструктивных особенностей. Приведен кратний анализ особенностей ц.ч боты этик аппаратов. Согласно анализу конструкций с различными типами контактных устройств и оценки их гидродинамич^ : ких и массообменных характеристик следует, что весьма перспективными, с точки зрения создания промышленных образцов, являются аппараты с ротором, выполненным в виде набора ри.р сиальних отбортованных перфорированных цилиндров при цере-кретсном движении жидкости и газа, а также насадочным ротором с противотоком фаз. Показано, что без проведения комплексных исследований в настоящее время невозможна ра-раоотка основ расчета и проектирования нового массообменного оборудования.

В заключительной части главы сформулирована постановка задачи настоящей диссертационной работы.

2, _Исследрваци$ дисперсного состава и траекторий движения капель.в роторном аппарате под действием массовых .сил

2.1. Исследование механизма диспергирования жидкой фягш в роторном аппарате

Из апробированных методов замера дисперсного состар < капель в газожидкостных потоках для роторных аппаратов цяи.| принят метод фотографирования, являющийся одним из наиболее

Рис.1. Схема экспериментам, ной установки:

1 - горизонтальная плита;

2 - электродвигатель; 3 -вал; 4-ступица; 5-цилиндр; 6-жидкостная пленка; 7-~~ верстие;_8- выпрямитель; ^ тахометр; ТО-фотоэлектрический датчик; II-диск датчик?: 12 - измеритель гнзосодержа-ния; 13-датчик; 14-осцилп" граф; 15- механизм перемещения датчика: 16-штатив; 17-микрометр; 18 - цилиндрическая обечайка; 1У-матовое стекло; 20-зеркало; 21-стробоскоп; 22 штатив; 23-фотоаппарат; 24-емкость; 25-вентиль; 26-капли дис пергироранной жидкости.

доступных в настоящее время.

Методика проведения эксперимента на специально созданной лабораторной установке (рисЛ) заключалась в следующем. В зависимости от толщины жидкостной пленки в распределительном цилиндре 5, датчик 13 устанавливался на соответствующем расстоянии от внутренней поверхности цилиндра. С внешней стороны на уровне отверстия 7 в стенке цилиндра крепился металлический шарик и производилась фокусировка фотоаппарата 23. С помощью выпрямителя 8 и тахометра 9 устанавливалась требуемая частота вращения, после чего открывался вентиль 25 и жидкость поступала, внутрь циливдра. Подача жидкости устанавливалась равной расходу через отверстие в цилиндре при заданной толщине жидкостной пленки. Включался стробоскоп 21 и путем изменения частоты вспышек достигался эффект остановки вращающегося цилиндра. Цилиндр "останавливался" таким образом, чтобы капли диспергированной жидкости находились в поле зрения через объектив фотоаппарата. Импульсный свет стробоскопа, проходя через прозрачную обечайку 18, отражался от наклонного зеркала 20 и проходил через матовое стекло 19. При этом на светлом фоне матового стекла были отчетливо видны тешые капли диспергированной жидкости 26. Производилась фо-,¿съемка капель и одновременно масштабной сетки при том же фокусном расстоянии. По полученным фотографиям'определялся истинный размер капель диспергированной жидкости с помощью масштабной сетки.

Частоту вращения цилиндра изменяли от 700 до 2300 мин ^, диаметр отверстия от 0,0013 до 0,003 м.

На рис.2 изображена зависимость среднего диаметра капель жедкости от диаметра отверстия в стенке цилиндра для различных чисел оборотов. Как следует из рис.2 диаметр капель диспергированной жадности укрупняется с увеличением размера отверстия и становится меньше с повышением частоты вра-

Рис.2. Зависимость сС,о I-п = ЮООмин-1; 2-1300; 3 -1600; 4-2000; 5 - 2300.

щения цилиндра.

Согласно результатам обработки экспериментальных данных зависимость среднего диаметра капель от размера отверстия и числа оборотов (окружной скорости) хорошо аппроксимируется выражением:

а»-(1)

где (¿/о - средний диаметр капель диспергированной жидкости,м; Пц - частота вращения диспергирующего цилиндра, мин"^; йот-диаметр отверстия в цилиндре, м; Вц - наружный диаметр диспергирующего цилиндра, м.

Погрешность аппроксимации составляет не более 7,4 %, При статистической обработке опытных данных получены функции распределения и плотности приведенного размера

Iх-5'*^-*-") ах. (2)

= (3)

которые описывают с достаточной.степенью точности распределения количества (< = I; I), поверхности {К = 2; ^ = = 0,9126) и объема (*= 3; у = 0,8857).капель жидкости, распыленной в роторном аппарате.

2.2. Совершенствование узла диспергирования жидкости в роторном массообменном аппарате

При проектировании роторных аппаратов с диспергированием жвдкой фазы в приосевой зоне необходимо обеспечить равномерное истечение жидкости из всех отверстий по высоте диспергирующего цилиндра и отсутствие перелива через торцевую отбортовку. Исходя из данных условий, нами была предварительно выполнена оценка влияния режимных и конструктивных параметров роторного аппарата на распределение жидкостной пленки по высоте цилиндра и ее толщину. В результате чего получены зависимости для определения минимально допустимой частоты вращения диспергирующего цилиндра, необходимого числа отверстий перфорации щи. заданной нагрузке по жидк< ти, толщины _ жидкостной пленки. ~

Реальное распределение жидкостной пленки по высоте диспергирующего циливдра исследовалось на установке, изображенной на рис.1. Полый отбортованный перфорированный цилиндр со

.. а -

¡.пилой, нулевая отметка которой совпадала с началом зоны пер-■{оряции, установлен на вращающемся валу с регулируемой часто-нращения. Расход жидкости обеспечивался равным пропускной способности работающих отверстий перфорации. При определенной частоте вращения фиксировалась высота той части цилиндра, на отверстий которой наблюдалось истечение жидкости. На первоначальной стадии исследовались диспергирующие цилиндры с гладкими стенками внутри, а затем с установленными на валу попытками, служащими для перераспределения жидкости к стен-кнм сразу после поступления внутрь цилиндра.

Ь результате проведенного эксперимента установлено, что вольная высота подъема жидкой пленки в полых диспергирующих цилиндрах меньше теоретической из-за проскальзывания жидкости вдоль стенок и, как следствие, меньшей скорости вращения чем сам цилиндр. Для улучшения распределения жидкости по высота аппарата необходимо стремиться к выравниванию скоростей ьращения цилиндра и жидкости непосредственно у самой стенки цилиндра. С :>той целью предложено размещение внутри диспергирующего цилиндра перераспределительного элемента, выполнен-пго в виде рулона из гофрирсьышой сетки. Такое техническое решение приводит к значительному улучшению распределенияжид-кости по высоте, особенно при малых числах оборотов ротора.

2.3. Закономерности движения капель в роторном аппарате под действием массовых сил

Результаты исследований дисперсного состава капель позволили нам провести аналитический расчет траекторий их движения под действием массовых сил. в рот. ;люм дисперсионном аппарате, схема контактной ступени которого изображена на рис.3. Ротор выполнен в веде набора коаксиально расположенных отбортованных перфорированных цилиндров, жестко закрепленных на валу. При работе аппарата жидкость поступает во внутренний цилиндр и растекается в виде пленки по его внутренней поверхности. Под действием центробежной силы происходит струйное истечение жидкости из отверстий перфорации и ее диспергирование в пространстве между цилиндрами. Процесс диспергирования и перемещения жидкости с одного цилиндра на другой повторяется. Поток газа проходит в направлении оси аппарата, взаимодействуя с каплями дкиивргироь ~нной жидкости в перекрестном токе.

При исследовании траекторий движения капель конструктив-

г

б

ныв параметры были следующими. Диаметр аппарата

0,3 м, число диспергирующих цилиндров 3, расстояние между цилиндрами и между пос- , ледним цилиндром и корпусом аппарата 0,04 м. Высота диспергирующего цилиндра 0,15 м.

Для решения поставленной задачи нами использован метод Лагранжа. Бри этом допускалось, что капли диспергированной жидкости имеют шарообразную форму диаметром Ы. и на них действуют основные

I

I - ротор; й-вал; 3-корпус аппарата; 4-переливное устройство; 5 - перфорированные цилиндры; 6 - перераспределительный элемент.

Рис.3. Схема роторного дисперсионного аппарата.

активные силы - сила тяжести ( & ) и сила гидродинамического воздействия (/? ). Скорость газового потока направлена по оси ротора и равномерно распределена по кольцевому сечению меяду цилиндрами. Взаимным влиянием частиц при движении пренебрегали. За обобщенные координаты принимали подвижные координа-. ты п , з , £ , вращающиеся вместе с цилиндром. Начало неподвижных координат принимали на оси ротора. Тогда в проекциях на оси обобщенных координат уравнения Лагранжа запишутся в виде:

где Т - кинетическая энергия частицы; п , ^ - обобщенные скорости по п , Я , С ; £ £>п, , Тй^ - сумма проекций

обобщенных сил на оси п , <? .

Определив §?(ж)

и подставив получег ые значения в левую часть !4), а проекции обобщенных .сил в правые части и разделив на массу, подучим:

(4)

а = п шг- 2 $ ш - у-к • г/у/гг(

5 ~па)г-2а /{¿со*- ч>-к-гГх1&/

6 ~ ку -

где

к* £

¥ ß*c et

V - коэффициент сопротивления. Для случая, когда скорость газа по осям*3* можно принять равной 0, в выражения (5) следует подставлять значения абсолютной скорости частицы /¿r/= Vx* Vy + Ciw-y^)2

где IV - скорость газового потока относительно оси # ; Vy, - проекции абсолютной скорости на соответствующие

оси.

Решение уравнений (5) выполнено численным методом Рунге-Кутта-Фельберга для различных режимных и конструктивных параметров. При этом принимались следующие начальные условия:' начальные скорости частиц относительно подвижных координатных осей а , s , <f равны 0, начальные координаты /z = s = £~ 0.

Чтобы оценить влияние указанного распределения скоростей W(r) на траекторию движения расчеты проведены при un/)~Q, W(r)« cur , а также при ter(r) согласно выражению

(6)

-О, №5

Рис,4. Траектории движения частиц жвдкости в плоскости 35—л , г

\-wt =3м/с, i -А = 0м/с. /г = 960мин~х, гепг) = 0, сс = 0,3'Ю-^ м; Z-Щ- 5 м/с, ^=й = 0 м/с, п = 960 мин-1. Wr)= 0,, 0Г = 0,5'Х0-Зм; = 5м/с, £ = 2ы/с„,

л = 0, и = 960 мин-1, wo = 0. а"=0,5 • КЫ м; —j> = 1000 кг/м; *-J>t = 1400 кг/м; 4--гк5 = 5 м/с, i =л = 0м/с, я = ОбОмин-!, а = 0,7 IQ-3 и; о - -a?(rj, л-wcrj =

d. =■ 1,0 10-Зм.

На: рис.4 показаны траектории движения частиц в плоскости, откуда следует, ••то плотность частиц не оказывает существенного влияния на их траекторию, также как и наличие неравномерности скоростей газового потока по радиусу. С увеличением составляющей скорости £ по оси 5 и частоты вращения высота подъема уменьшается. Повышение газовых нагрузок приво-

дит к увеличению высоты подъема частиц.

Решение уравнений (5) дало возможность связать скорость газового потока, при которой отклонение траекторий движущихся частиц между цилиндрами от горизонтальной плоскости не превышает 0,5*10"^ м, с влияющими на движение факторами в виде зависимости:

Ш~ 3,96 Ю*О.*-'(7) где Ь - расстояние между цилиндрами, м.

С целью проверки правильности теоретических расчетов нами экспериментально изучено влияние конструктивных параметров и режима работы аппарата на траекторию движения капель в роторном аппарате под действием массовых сил. О траектории движения приближенно можно судить, фиксируя отдельные ее точки. При проведении эксперимента известна была точка вылета капель и фиксировалось место их попадания на неподвижную стенку корпуса при известном расстоянии между точкой вылета и корпусом.

Согласно' полученным результатам разница между расчетным и фактическим отклонениями от горизонтали оказалась существенной. В связи с чем потребовалось проведение дополнительной серии опытов, чтобы приблизить условия проведения эксперимента к принятым при расчетах допущениям, основным из которых является допущение о шарообразности частиц и которое не выполняется при диспергировании жидкости в роторном аппарате. С этой царью кашп л'идкости были заменены твердыми шарообразными частицами, плотность которых близка к плотности воды и обеспечивались условия выброса частиц под действием центробежных сил близкими к условиям истечения жидкости через отверстие в стенка вращающегося цилиндра посредством специального питателя. Конструкция питателя и сама методика подробно изложены в диссертации.

В результате проведенных исследований установлено, что отклонение опытных данных от расчетных незначительно и объясняется погрешностью эксперимента. Это подтверждает правильность проведенного теоретического расчета движения дисперсной фазы. Но при использовании уравнений (5) для расчета реальных аппаратов потребовалось введение поправочного коэффициента:

Среднее относительное отклонение расчетных величин по (5) с учетом (8) и экспериментальных значений не превшает 14%.

3. Исследование ^рызгоуноса и гидравлического сопротивления в роторных аппаратах

Экспериментальные исследования проводились на установке, изображенной на рис.5. При этом изучались конструкции дисперсионного и насадочного роторов. Устройство первого из них было описано вше. Ротор насадочного типа (рис.б) выполнен в веде кольцевой вращающейся насадки, располагающейся между двумя непроницаемыми дисками и жестко закрепленной на валу. Ширина верхнего диска равнялась толщине насадочного слоя. Мвязду валом и насадкой установлен полый отбортованный цилицдр, диаметр которого меньше внутреннего диаметра кольцевой «а-садки, то есть предусмотрено кольцевое свободное пространство для выхода газа. Между верхним кольцевым диском и переливным устройством установлено лабиринтное уплотнение. В качестве насадки использовалась гофрированная сетка из коррози-онностойкого металла.

Рис.5. Схема экспериментальной установки. I-емкость; 2-роторный аппарат; 3-ротор; 4-электродвигатель; 5-выпрямитель: б-тахомэтр; 7-датчик; 8-газодувка; У-эадвижка; Ю-диафрагма; 11-дифманометр; 12-насос: 13-емкость; 14- ротаметры; 15-краны; 16 - микроманометр; 17-дифманометр; 18,19-центробежный и объемный сепараторы; 20-мерный стакан; 21-гигрометр; 22-датчик; 23- трехходовой кран; 24-термометр

Конструктивные параметры насадочного роторного аппарата бьши следующими. Диаметр аппарата 0,3 м, диаметр расположенного внутри диспергирующего цилиндра 0,05Г м, внутренний диаметр вращающейся наседки 0,1 м, наружный диаметр 0,26 м. Высота насадочного слоя 0,15 ы.

Изучалось влияние на брыэ-гоунос основных рабочих параметров в пределах юс изменений: плотности орошения 0,5-й скорости газа на полное сечение аппарата 0,5-3,5 м/с, числа оборотов ротора 500-2000 мин""*. В качестве жидкой фазы использовалась вода,газообразной - воздух.

Величина относительного

Рис.б. Схема роторного на-садочного аппарата

брызгоуноса определялась по формуле ' *

е

где - объем уносимой жидкости, м°/ч; Ьлсд- объем поступающей в аппарат жидкости, м3/ч.

На рис.7 изображены зависимости величины относительного брызгоуноса от скорости газа в дисперсионном аппарате для различных чисел оборотов, а на рис.8 - зависимости брызгоуноса от плотности орошения.

с г 4 С В 40 12

(, И/.Л,

Рис.8. Зависимость величины относительного брызгоуноса от плотности орошения. 9- 5,5е м'Ум^'Ч. иь = 3 м/с. „

1-я = 700 мин-1; 2- 1000; 1-я = 700 мин-*; 2-1000;

3-1300; 4- 1600; 5-1300.

Как следует из рис.? величина брызгоуноса растет с увеличением скорости газа и числа оборотов ротора, что объясняется увеличением силы гидродинамического воздействия на капли со стороны газового потока и "меньшением размеров капель при диспергировании с повышением частоты вращения.

о о.» 1,0 1,6 г, о г, б з,а ¿/^ , »л>

Рис.7. Зависимость величины относительного брызгоуноса ог скорости газа.^в аппарате. != Ъ,ЪЧ м Лг«ч« - п. = 700 мин-*; 2- 1000; 3-1300; 4- 1600; 5-1800.

Согласно рис.8 при увеличении плотности орошения величина относительного брыгоуноса снижается. Это можно объяснить тем, что с увеличением плотности орошения увеличиваются толщины жидкостной пленки на внутренних поверхностях перфорированных цилиндров и стенке корпуса аппарата. Последнее приводит к снижению количества брызг, образующихся при ударе летящих с большой скоростью капьяь о поверхности пленок. Как показали расчеты, снижение брызгоуноса происходит до достижения жидкостной пленкой толщины ~ 3 мм. При дальнейшем увеличений ее толщины (плотности орошения) такого явления не наблюдается.

Результаты эксперимента обобщены в виде эмпирической зависимости, связывающей величину относительного брызгоуноса с указанными параметрами

е-г.ззго^6"?^39 о)

Среднее относительное отклонение рассчитанных по (9) и опытных значений не превышает 15

При проведении химико-технологических процессов в системах газ-жидкость возникает необходимость расчета допустимой скорости газа в аппарате, исходя из величины допустимого относительного брыгоуноса. В связи с чем нами для дисперсионно-пленочных аппаратов получена расчетная зависимость веда

(Ю)

В роторном насадочном аппарате наиболее "опасной" зоной для уноса »едкости является; кольцевое пространство между диспергирующим цилиндром и внутренней поверхностью насадки. Скорость газа здесь максимальная, а капли жидкости еще не достигли насадки, где им сообщается дополнительное вращательное движение и тем самым увеличивается действующая на них центробежная сила, препятствующая уносу жедкости из аппарата га- ' зовым потоком.

Как показали исследования (рис.9), структура потоков жидкой и газообразной фаз в данном случае близка к характеру движения фаз в роторном дисперсионном аппарате. Следовательно, допустимую скорость в аппарате можно определить с помощью уравнений (5),(7) и учетом величины поправочного коэффициента, вычисленного по формуле (8). При этом в уравнения нужно подставлять величину средней скорости-потока газа в кольцевом пространстве между диспергирующим щ-пшдром и глутренней поверхностью кольцевой насадки.

ПГп Г1

Л/ у

—4-: \

I 1.3 г гь з , з.в

2Уг «М/С

Рис.9. Зависимость величины относительного брызгоуноса от скорости газа (насадочный аппарат).

д- = 11,03 м3/м2.ч. I - /г = 700 мин-Ь 2 - 1000; 3 - 1300; 4 - 160£>.

Экспе риментальными исследованиями установлено, что гидравлическое сопротивление роторного дисперсионного аппарата невелико, зависит в основном от скорости газа в аппарате и в меньшей степени от плотности орошения и числа оборотов ротора. Так,например, при скорости газа по сечению аппарата игг = = 3,5 м/с и плотности

о р

орошения ^ = 13,5 м /м .ч, величина гидравлического сопротивления не превышает 40 Па.

Результаты исследований гидродинамики роторных насадоч-ных аппаратов показали, что закономерности движения фаз в поле центробежных: сил сильно отличаются от стационарных на-садочных аппаратов.

На рис.10 в логарифмических координатах изображена зависимость гидравлического сопротивления роторного аппарата от скорости газа при отсутствии орошения ("сухой" ротор), а рис,IIпри орошении 0 = 7,68 м^/м^.ч. При подаче орошения на Рис ДО. ^ав^симость ь Р<{/Х={(М-Ч) насадку и дальнейшем, его

I - я 2 2 - 1000; увеличении гидравличес-

3 - 1300; 4 - 1600. кое сопротивление внача-

ле возрастает более резко, а затем стабилизируется и зависит

от плотности орошения в значительно меньшей степени. Начальный участок определяет работу аппарата с момента подачи орошения на сухой контактный элемент до его полного смачивания.

Результаты исследований аппроксимированы следугощими завис имостями:

-----}- 4 ; - \ I -

г

| :

0,8

2.0 !сГг («/с)

- для "сухого" ротора

для орошаемого ротора

Разница рассчитанных по уравнениям (II), (12) и определенных экспериментальных значений не превышает 7

4, .Исследование массообменннх характеристик роторных аппаратов

Сравнительную оценку массообменных характеристик различных контактных устройств некоторые исследователи производят по величина коэффициентов массоотдачи в одной из фаз jg2 или J3*c , отнесенных к поверхности контакта. Однако, из-за отсутствия методов, 'позволяющих замерить концентрации на границе раздела фаз и точное определение поверхности контакта фаз весьма затруднительно, при проведении исследований пользуются условными величинами - коэффициентами массоотдачи отнесенными к единице рабочего объема J3y , или поперечному сечению jBs аппарата.

Для определения J3ri нами использована методика, основанная на адиабатическом испарении воды в воздушный поток. Она сейчас принята как стандартная для сравнительной оценки эффективности контактных устройств массообменных аппаратов, отличается низкой стоимостью реагентов и их экологич-ностью. При этом возможен переход к конкретной

3. \

: Ч1

м

г,о

1000;

(к/с)

■ Рис.И. Зависимость ьРор-/(Щ) 0 = 7,68 м3/м2.ч. I - а = 700 мин-*; 2 -3 - 1300; 4 - 1600..

системе массообменного процесса цутем пересчета по форвдле:

где ¿¡а , Лог-, коэффициенты.массоотдачи и диффузии для стандартной системы; £ , Л - то же самое для конкретного процесса; Л - показатель.

Значения л . для случая определения коэффициентов массоотдачи в газовой фаз® колеблются в пределах о» 0,33 до

0,5, что практически не сказывается на результатах расчетов.

Исследования по массообмену проводились на установке, изображенной на рис.5. Подвод воздуха и воды и регулирование их расходов осуществлялось также, как и при проведении гидродинамических испытаний. Относительная влажность воздуха измерялась гигрометром "Волна IM", к датчику которого попеременно подавался воздух до поступления в аппарат и после аппарата. Температура фиксировалась термометром* установленным на линии подачи воздуха. По экспериментальным значениям % , tua рассчитывались величины влагосодержания , d* , d" по формуле

d~0,6z3-f0 3 г -,

а также эффективность массопередачи d«-1ÏH

и величина объемного коэффициента массоотдачи в газовой фазе

Л - а* /п

где &г - количество переданной массы, кг/с; Уа„~ объем аппарата, м3.

При исследовании роторного дисперсионного аппарата установлено, что объемный коэффициент массоотдачи растет с увеличением скорости газа и плотности орошения, т.к. при этомпро-исходит турбулизацяя потоков взаимодействующих фаз и интенсификация массообменного процесса. Эффективность массообмена с увеличением скорости газа снижается за счет сокращения времени пребывания гада в аппарате. Вместе с тем, каждое последующее увеличение скорости газа на одинаковый промежуток приводит к ыеншевд снижению эфЛективности по сравнению с предыдущим. Это можно объяснить тем, что снижение эффективности за счет уменьшения времени пребывания газа в аппарате компенсируется за счет дополнительной турбулизации взаимодействующих потоков. Частота вращения яьяяется одним из важнейших параметров работы роторного аппарата, оказывающих влияние на дисперсной состав жидкой фазы. Увеличение числа оборотов ротора приводит,с одной стороны, к уменьшению размеров капель, образующихся т. процессе диспергирования жидкости, а с другой к рооту окружных скоростей вращения диспергирующих цэтиндров и, следовательно, возрастай!® скорости движения капель жидкости. Названные факторы способствуют интенсификации массообмена. Также следует отметить, что прнращенио числа оборотов

ротора при высоких скоростях газа в аппарате приводит к увеличению объемного коэффициента массоотдачи на большую величину, чем при низких. ^

Результаты исследований по массообмену в дисперсионном роторном аппарате аппроксимированы следующими зависимостями:

- эффективность массообмена

г =5, ¥?• (13)

- коэффициент массоотдачи

- ¿зя/О'«^6*- > (14)

Разница между рассчитанным» по уравнениям (13), (14) и экспериментальными значениями не превышает 10 %.

Исследование массообменных характеристик роторного на-садочного аппарата показало, что с увеличением скорости газа и числа оборотов ротора объемный коэффициент массоотдачи также возрастает вследствие повышения относительной скорости движения и дополнительной турбулизации фаз. Эффективность массообмена с увеличением скорости газа вначале плавно снижается за счет уменьшения времени пребывания газа в аппарате, а затем происходит ее резкое падение вследствие интенсивного уноса жадности из аппарата, особенно при повышенных числах оборотов. Следовательно, чтобы обеспечить поваленную пропускную способность по газу при хорошей эффективности массообмена, необходимо уменьшать числа оборотов ротора. Когда же требуется высокая эффективность массообмена при низкой пропускной способности по газу, следует эксплуатировать аппарат при максимально допустимых частотах вращения.

К росту объемного коэффициента массоотдачи приводит также увеличение плотности орошения. Причем вначале до приращение объешого коэффициента массоотдачи заметнее, чем ' при £ > 6 м^/м^.ч. ¿Данный эффект можно объяснить тем, что ори малых плотностях орошения жидкости внутри насадочного слоя недостаточно для полного смачивания поверхности насадки.

; Результаты исследований по массообмену в насадочном аппарате аппроксимированы следующими эмпирическими уравнениями: ' - эффективность «ассообшна

(15)

- коэффициент массоотдачи

= ф'>'" (16)

Разница между рассчитанными по уравнениям Л5),(16) и определенными экспериментально величинами не превышает 10 %.

В итого сравнительны!« исследованиями установлено, что конструкция контактного элемента существенно влияет на мас-сообменный процесс, происходящий в роторном.аппарате.

На рис.12 изображена зависимость объемного коэффициента ^ массоотдачи от плотно-

сти орошения для дисперсионного и насадоч-ного аппаратов при различных числах оборотов ротора, согласно которой его значений в на-садочном аппарате возрастает в большей степени, чем в дисперсионном. Это связано как с более равномерным смачиванием поверхности насадки,так и дополнительным срывом капель с поверхности

1 1.... , !.....

ъ. ••••• 1 \ ! •/

Сг

--ГГЗ-г—ГХ.

Г1Х-1—1—ь^1

1 • 1 1 1

9,

Рис.12. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от плотности орошения.

-дисперсионный аппарат;

----- насадочаый аппарат.

п =. 1600 мин-1.. I - Щ » 0,5 м/с; 2 - = 2,0 м/с.

жвдкостной пленки, приводящим к дополнительному обновлению поверхности контакта. В дисперсионном аппарате с повышением плотности орошения происходит увеличение числа капель, находящихся в объеме массообмзняой ступени, па счет чего также достигается интенсификация кассообшта, но в меньшой степени по сравнению с насадочным. ГЬ .тем же самым причинам увеличение числа оборотов ротора вызывает больший рост в наса-дочном аппарате.

Отличительные особенности явлений массопереноса в роторных аппаратах диктуют и насколько различные области юс применения. Роторные дисперсионно массообменные аппараты целесообразно применять в процессах абсорбции, десорбции, хемо-сорбциисРцелыо очистки газов от вредных примесей или извлечения ценных компонентов при ограниченном числе контактных ступеней. Малые габариты аппаратов и низкое гидравлическое сопротивление позеоляют использовать их в локальных системах газоочистки, где извлекаемые компоненты имеют достаточно высокую концентрацию. Ьозмотао использование этих аппаратов* для очистки газов от пыли. Перспб.,ги1:ность этих аппаратов определяется возможностью перерабатывать большие потоки газов

при переменных (в том числе очень малых) плотностях орошения.

Применение насадочных роторных массооб пенных аппаратов целесообразно в процессах^абсорбции, десорбции и ректификации с большим числом ступеней контакта.

ОСНОЕШЙ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

1. Развитие химической и смежных с ней отраслей промышленности неразрывно связано с применением совершенного оборудования, включая и роторные шссообшнные аппаратная проведения процессов абсорбции и ректификации, широкое внедрение которых сдерживается недостаточной изученностью их характеристик.

2. Посредством фотографирования проведено исследование процесса диспергирования жидкости при ее истечении из отверстий полого цилиндра в роторном аппарате. Установлено, что дисперсный состав капель зависит от диаметра отверстий перфорации и окружной скорости. Определены с использованием метода статистического анализа функции распределения количества, поверхности и объема капель и характеристики этих распределений. Получено уравнение для расчета среднего размера капель диспергируемой жидкости в зависимости от режимных: и конструктивных параметров.

3. С помощью метода Лагранжа составлены и решены дифференциальные уравнения, описывающие траектории движения капель жидкости во вращающемся роторе. Экспериментальные исследования траектории движения частиц во вращающемся роторе под действием массовых сил показали, что из-за принятых при аналитических расчетах допущений истинная траектория может отличаться от расчетной. В связи с этим получена формула для

. вычисления поправочного коэффициента к теоретическим расчетам траектории движения капель.

4. На основе результатов исследования явления брызго-уноса в роторных дисперсионных и насадочных аппаратах предложена зависимость для нахождения предельной скорости потока газа при заданной величине допустимого уноса жидкой фазы.

5. Получены расчетные зависимости для определения гидравлического сопротивления роторных дисперсионных и насадочных аппаратов с учетом скорости потока газа, частоты вращения, плотности орошения.

6. Изучены массообыеннае характеристики и установлено,

что роторно-дисперсионные аппараты, уступая насадочным по эффективности массообыена, обладздт болшей пропускной способностью по газу.

7, На основе анализа результатов исследований созданы новые конструкции роторных аппаратов, отличающихся улучшенными характеристиками, одна из которых признана изобретением.

8. Составлены рекомендации по рациональному использованию роторно-дисперсионных и роторно-насадочных массообменных аппаратов в промдаленном производстве.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исследование процесса диспергирования жидкости в роторном аппарате / В.А.Марков, В.К.Волков, А.И.Ершов, А.М.Валк // Энергетика (Изв.высш.учебн.заведений). - 1991. - Х> 6. -С. 94-98.

2. Роторные дисперсионно-пленочные аппараты для мокрой очистки газа и процессов тепломассообмена / В.К.Волков, А.И.Ершов, В.А.Марков, А.Е.Рабко // Тез.докл.научно-технического семинара "Современные способы очистки промышленных вентиляционных выбросов". - Новополоцк: 1990. - C.3I.

3. Волков В.К. Исследование дисперсного состава жидкой фазы в роторном тепломассообменном аппарате // Тез.докл.юбилейной научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ. - Минск: 1990. - C.2I0.

4. Закономерности распределения и взаимодействия фаз в роторных дисперсионно-плечочных массообкенных аппаратах /

, А.Е.Рабко, В.К.Волков, В,А,Марков, А.И.Ершов // Тез.докл. всесоюзного совещания "Погашение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии'.' - Суш: 1989. - С. 13-14.

5. Роторно-дисперсионг.уз аппараты для мокрой очистки газа / А.И.Ершов, Б.А.Мархол, В.К.Волков, А.Е.Рабко // Тез. докл. 3 Всесоюзной' научной конференции "Гидромеханические процессы®разделения гетерогенных систем". - Тамбов: 1991. -С. 13.

6. Марков В.А., Волков В.К., Волк A.M. Экспериментальные и теоретические исследования процесса диспергирования жидкости в роторных ректификационных аппаратах // Тез.докл. 6 Всесоюзной конференции по теории и практике ректификации. - Северодонецк: 1991. - С. 176-Г/о.

7. Марков В.А., Волков В.К. К расчету допустимых нагрузок по газовой фазе в роторной шссооСиенном аппарате // Тез. докл. 6 Всесоюзной конференции по теории и практике ректификации. - Северодонецк: I9SI. - С. 179-180.

8. Волков В.К., Марков В.А., Ершов А.И. Экспериментальные исследования брызгоуноса в роторных дисперсионно-пленочных аппаратах // Теэ.докл. конференции "Очистка воздуха и обезвреживание отходящих газов". - Пенза: 1991.

9. Роторный тепломассообменный аппарат / А.Е.Рабко, А.И.Ершов, В.А.Марков, В.К.Волков // Заявка на изобретение № 4917104/26, положительное решение Госпатента СССР от 30.10.91.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ В РОТОРНЫХ MACCOOÉMBHHÜX АППАРАТАХ

Волков Владимир Константинович

Подписано в печать 21.05.93. Формат 60x84*/jg. Печать офсетная. Усл'.пвч.л. 1,4. Уся.кр.-отт. 1,4. Уч.-изд.л.1,2. Тираж 100 экз. Заказ ^56в Бесплатно.

белорусский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт им.С.М.Кирова. 220630, Минск, Свердлова, 13а.

Отпечатано на ротапринте Белорусского ордена Трудового Красного Знамени технологического института им.С.М.Кирова.

220630, Минск, Свердлова, 13 '