ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 2, с. 225-232
УДК 66.015.23
ГИДРОДИНАМИКА ВИХРЕВОИ СТУПЕНИ С ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ
© 2010 г. Н.А. Войнов, О.П. Жукова, Н.А. Николаев*
Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск *Казанский государственный технологический университет voynov@siberianet.ru Поступила в редакцию 06.07.2009 г.
Представлены результаты исследования гидродинамики вихревых контактных ступеней с тангенциальными завихрителями, определены режимы течения, получены зависимости для расчета угловой скорости газожидкостной смеси, гидравлического сопротивления, газосодержания, диаметра пузырьков газа.
ВВЕДЕНИЕ
Вихревые тепломассообменные контактные ступени не уступают по основным технологическим параметрам колоннам насадочного типа, однако, более производительны, менее металлоемки, масштабируемы, имеют сравнительно невысокое гидравлическое сопротивление, что позволяет использовать их для ведения процесса под вакуумом. Вместе с тем, данных по исследованию и конструированию вихревых контактных ступеней явно недостаточно, что затрудняет их расчет и масштабирование.
Основной концепцией при разработке контактных ступеней является обеспечение развитой межфазной поверхности, достижение высокой турбулентности потоков и удерживающей способности по жидкости при сравнительно низком гидравличе-
ском сопротивлении. В устройствах вихревого типа это достигается путем равномерного диспергирования газа в жидкость и создания условий для вращательного движения газожидкостной смеси на ступени с целью интенсивного дробления пузырьков газа и их перемешивания.
Из всего многообразия вихревых контактных ступеней [1—3], разработанных для ректификационных аппаратов, наиболее перспективными являются устройства с тангенциальными завихрителями (рис. 1), исследованию которых и посвящена настоящая работа.
Изучение контактных ступеней осуществлялось на системе воздух—жидкость. Расход газа варьировался от 1 до 50 м3/ч и измерялся нормальной диафрагмой. В качестве модельной смеси использова-
Рис. 1. Контактная ступень с тангенциальными завихрителями: (а) — схема контактной ступени; (б) — завихритель с параллельными каналами; (в) — завихритель с коническими каналами, выполненными из пластин с острыми кромками.
лись: вода; этиловый спирт 96 об. %; эмульсия глицерина в воде. Диапазон исследуемых температур жидкости и газа — 10—60°С. Плотность жидкости составляла 780—1000 кг/м3, коэффициент динамической вязкости жидкости — (0.7—1) х 10-3 Па с. Перепад давления на ступени измерялся дифференциальным манометром. Диаметр контактной ступени составлял 50—190 мм, диаметр завихрителей варьировался от 50 до 130 мм, ширина каналов для прохода газа 0.7—3 мм, высота 5—10 мм, количество каналов до 50 шт.
Среднеповерхностный диаметр пузырьков газа рассчитывался путем обработки фотоснимков газожидкостного слоя по формуле
й„ =
(1)
Доля газа в объеме жидкости определялась согласно [4]
Ф = (Г-ж - Кж)/Кг-
мере роста скорости газа в каналах происходит уменьшение толщины газожидкостного слоя и увеличение его высоты.
Из теоремы об изменении кинетического момента определим связь между угловой скоростью газожидкостного слоя на ступени и ее конструктивными параметрами:
= Мвр - Мтр.
(5)
Момент, обеспечивающий вращение газожидкостного слоя, равен
Мвр =
л 2
_ Лг-ж ргиг
8
/ + /стрВ С08 а. (6)
Момент сил трения о стенки и дно ступени составляет
М =
ЭД2 - - В).
(7)
(2) Тогда
Межфазная поверхность рассчитывалась из соотношения а = 6ф/^п.
Угловая скорость определялась путем фиксирования положения шаров-маркеров диаметром 1—2 мм на поверхности вращающегося газожидкостного слоя.
Касательные напряжения на межфазной поверхности т; и на стенке канала т рассчитывались по формулам
Т = (^,/8)ргМг2, (3)
т0 = (^0/8)рг-ж (4)
Величину коэффициента гидравлического сопротивления на стенке принимали равной ^0= 0.04, а на межфазной поверхности определяли через сопротивление Др, вызванное трением газа о жидкость.
СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОГО СЛОЯ
На ступени с тангенциальными завихрителями в зависимости от расхода газа наблюдается три режима течения газожидкостной смеси: барботажный, кольцевой и пленочный. Для получения развитой межфазной поверхности при низкой скорости газа в каналах и, следовательно, невысоком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения, который достигается при некоторой «критической» скорости газа на выходе из канала. При этом жидкость из центральной части ступени силой инерции перемещается к периферии, образуя вращающийся газожидкостный слой с начальной полостью (визуально фиксируемой при диаметре у основания 20 мм). По
= £&(/ + /стр)Вз ^ а-йт 8
> оРг
(8)
8
^(В2 - В12)(ВС - В]).
При переходе из барботажного режима в кольцевой иг = ик. Для закрытой системы уравнение (8) преобразуется к виду
1 2
/ + /сп)ео8 а =
л 2
= Л0рг;жИ° Пс(Вс2 - В]2)(Вс - В]). 8
(9)
(9)
Приняв, что скорость вращения газожидкостного слоя у стенки иг_ж = wRc, поверхность контакта струй газа выходящих из каналов завихрителя с жидкостью / = п1аН , получим
w =
к
(/ + /сп)ео8 а и
к° рг-ж п(Д2 - В]2)(Вс - В]) Д2
°.5
(10)
Экспериментальные и расчетные по уравнению (10) значения угловой скорости представлены на рис. 2.
Согласно экспериментальным данным (рис. 2а), величина угловой скорости газожидкостного слоя зависит от радиуса контактной ступени, что обусловлено, по-видимому, силами вязкого трения между вращающимися слоями и разной скоростью их движения.
Зависимости угловой скорости газожидкостного слоя от объема жидкости на ступени и скорости газа в каналах завихрителя представлены на рис. 2б и 3. Повышение скорости газа в каналах, увеличение их
2
8
2
^о^ с 10 8 6 4 2 0
20 30
(а)
40
50 60
Я, мм
^оп, С
200
(б)
300
400 ^ мл
Рис. 2. (а) Изменение угловой скорости газожидкостного слоя по радиусу контактной ступени при V = 100—600 мл, иг = ик. Пунктирная линия расчет по уравнению (10). (б) Изменение угловой скорости газожидкостного слоя от объема жидкости на ступени при Я = 67—70 мм ( Яс = 73.5 мм, Яз = 44 мм, п = 36 шт, 5о= 1 мм, к = 8 мм, и = ик): 1 — иг = 40 м/с; 2 — иг = ик.
1
0
числа, массы жидкости приводит к росту угловой скорости газожидкостного слоя на ступени.
Определив коэффициент проскальзывания как К = = 2.5—3 по уравнению (10), можно оценить величину угловой скорости газожидкостной смеси при переходе из барботажного режима течения в кольцевой.
Скорость газа в каналах завихрителя, обеспечивающая переход из барботажного режима течения в кольцевой, зависит как от конструктивных параметров завихрителя (радиуса, величины зазора, количества каналов для прохода газа и угла их размещения), так и от физических свойств (плотности и сил вязкого трения) [5].
Критериальное уравнение для расчета критической скорости газа принято на основе анализа уравнения (10):
ик = С1
^ 0 Рг-ж £К 1
г-ж р г /Яз ео8 а_
0.5
(11)
где поверхность контакта газожидкостного слоя о боковую поверхность ступени рассчитывалась как ¥ = пБСН.
Графическая обработка экспериментальных данных, представленная на рис. 4, дает величину входящего в уравнение (11) коэффициента С1 = 3.2, что позволяет рассчитывать значения скорости газа, при которой происходит смена режимов течения, с относительной погрешностью 15%.
Как установлено экспериментально (рис. 5б) и подтверждается расчетом по уравнению (11), с уменьшением угла наклона каналов переход из бар-ботажного режима в кольцевой происходит при меньшей скорости газа. Увеличение коэффициента динамической вязкости жидкости на ступени (рис.5а), по-видимому, приводит к росту касательных напряжений на межфазной поверхности и увеличению скорости газа в каналах завихрителя, что, в свою очередь, обеспечивает вращательное движение жидкости.
СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТНОЙ СТУПЕНИ
Примем, что общее сопротивление контактной ступени складывается из сопротивления сухой и орошаемой ступени:
10 8 6 4 2
♦ 1
□ 2
30
40
50 60 70 Я, мм
Рис. 3. Зависимость угловой скорости газожидкостного слоя от радиуса вращения и скорости газа в каналах завихрителя при Яс= 74 мм, Яз = 65 мм, 5С = 1 мм, к = 5 мм, V = 200 — 600 мл. Экспериментальные точки: 1 — п = = 50 шт; 2 — п = 20 шт. Сплошные линии — иг = ик, пунктирные линии — иг = 40—50 м/с.
ик, м/с
30 20 10
Рис. 4. Зависимость критической скорости газа от параметров тарелки при V = 100—600 мл, Яз = 44—65 мм, п = = 18—50 шт, 5о = 1—3 мм, к = 5—10 мм, Яс= 55—74 мм.
с
0
0
ик, м/с
12 - 3
10 - 2
8 - 1
6 -
20
25
(а)
ик, м/с
25
30
35 а,град
20
60
^п о
70
(б)
80
О 1 □ 2 _I_
Цж^г
Рис. 5. (а) — зависимость критической скорости газа от угла наклона каналов при t = 8°С, Лз= 44 мм, 50= 2 мм, п = 30 шт. Экспериментальные точки: 1 — V= 100 мл; 2 — 200; 3 — V= 400 мл. (б) — зависимость критической скорости газа от вязкости жидкости на ступени при 44 мм, п = 18 шт., а= 23°, V = 200 мм, к = 10 мм, 5о= 0,7 мм. Экспериментальные точки: 1 — вода при температуре 10—60°С; 2 — эмульсия глицерина.
%
(а)
= 1
ООО
-п-П-В-сг
5п = 0.7
-гг §0 = 0.5
20
40
иг, м/с
(б)
--^ п = 45
о-о-о—в—о п = 36
А
-й—т-*- п = 18
-и-в-в—в— п = 9
_I_I_
20
40
иг, м/с
0
0
Рис. 6. (а) — зависимость коэффициента сопротивления сухой ступени от скорости газа в каналах при Бс = 120 мм, Лз = 44 мм, к = 8 мм, а = 23°, п = 45 шт. (б) — зависимость коэффициента сопротивления сухой ступени от скорости газа в каналах при 5() =1 мм. Линии расчет по уравнению (16). Пунктирная линия — экспериментальные данные при Яз = 65 мм; п = 50 шт.
А Р = А Рсух + ДРМ, (12)
где сопротивление сухой ступени равно
2
АРсух = ^, (13)
а орошаемой
ДРМ = pgHn (1 -ф) + ДР,. (14)
Экспериментальные значения коэффициента сопротивления сухой ступени в зависимости от скорости газа в каналах и их конструктивных размеров представлены на рис. 6.
Для исследуемых ступеней коэффициент сопротивления £, возрастает с увеличением количества каналов завихрителя и их ширины и при Re > 1500 слабо изменяется с увеличением скорости газа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.