ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 4, с. 384-395
УДК 532.62:533.6:66.01:66.02.93:66.071.7:662.933/94
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И МАССООБМЕНА В ТРЕХФАЗНОМ ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ © 2010 г. Е. В. Миронов, В. П. Миронов, В. Н. Блиничев
Ивановский государственный химико-технологический университет
mironov@isuct.ru blinich@isuct.ru Поступила в редакцию 19.03.2009 г.
На основе выражений полуэмпирической теории турбулентности и волновой теории движения пленок жидкости составлена инженерная методика расчета энергетических, амплитудно-частотных и кинетических характеристик и поверхности раздела фаз, используемая для расчета процессов абсорбции и хемосорбции.
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа посвящена расчету основных энергетических характеристик системы (турбулентная кинетическая энергия, скорость диссипации кинетической энергии, потенциальная энергия и потенциальная мощность газового потока), которые определяют амплитудно-частотные характеристики, величины коэффициентов турбулентной и эффективной диффузии и поверхность контакта фаз в трехфазной псевдоожиженной системе, необходимые для расчета процессов тепло- и массообмена.
Твердая дисперсная фаза в двух- и трехфазном слое работает как один агрегат при поршневом режиме или п малых агрегатов, совершающих попеременно восходящее (расширение) и нисходящее (сжатие) движения, в ходе которых на макроуровне возникают продольные (по высоте) и поперечные (по радиусу) колебания при пульсационном и циркуляционном режимах [1—4].
Для расчета процессов массообмена необходимо знать амплитудно-частотные характеристики и относительные скорости движения газовой и жидкой фаз и элементов насадки, значения коэффициентов турбулентной и эффективной диффузии в объеме пульсирующего агрегата по высоте и радиусу и локальную поверхность контакта фаз.
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ
В качестве объекта исследования для определения величин значений энергетических и кинетических характеристик и поверхности контакта фаз выбран абсорбер с трехфазным псевдоожиженным слоем (псевдоожиженные газовым потоком подвижные элементы шаровой насадки с движущейся по ним и стенке аппарата пленке жидкости и подвижные капли жидкости, сорванные с движущих-
ся пленок жидкости или образованные в результате дробления струй).
Экспериментальная установка состоит из двухсекционной абсорбционной колонны диаметром
= 190 мм (рис. 1). В исследованиях использовались щелевые решетки провального типа со свободным сечением 25, 50 и 75%. В качестве насадки применяли полые полиэтиленовые шары диаметром 27 мм, вспененные полипропиленовые шары диаметром 40 мм и винипластовые кольца диаметром 10 и 20 мм. Статическая высота слоя насадки в различных экспериментах составляла 100, 200 и 300 мм. Скорость ожижающего агента изменялась в пределах от 1 до 4 м/с, а плотность орошения П составляла 25, 50, 70 и 90 м3/(м2 ч).
Определены гидродинамические параметры и коэффициенты математических моделей при Яе газа от 2000 до 70000, Яе жидкости от 100 до 3000 и критерии Вебера от 1.7 до 821 для аппаратов диаметром 0.19 и 1.8 м с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки.
Формализация конструктивного оформления аппарата с псевдоожиженным слоем насадки с целью создания метода его расчета проводилась следующим образом. Аппарат разбивался на ступени (газораспределения А, контактная Б, сепарацион-ная В), каждая ступень, в свою очередь, разделялась на зоны. Газораспределительная ступень представлялась как: ядро (3), основной тангенциальный поток (2), пристенная зона (1). Контактная ступень подразделялась на прирешеточную зону (4), пристенную зону (1), зону псевдоожижения (6) и зону орошения (7) (рис. 1).
В каждой зоне выделялись элементы, обтекаемые газовым потоком (капли жидкости первичного и вторичного дробления, элементы шаровой насадки с пленкой жидкости, перемычки между отверстиями с пленкой жидкости в решетке) и
Рис. 1. Абсорбер с трехфазным псевдоожиженным слоем: I — абсорбер, II — сборник жидкости, III — циклон, IV — вакуумный насос, V — погружной насос, VI — брызгоотделитель.
© в атмосферу^*
-т^х
VI
III
А - А
V7
о В
В сборник
Отходящие газы
, «Л
2 1
V
II
каналы (между элементами насадки, каплями, стенкой и элементами насадки, в отверстиях решетки) (рис. 2а и 2б).
Для зон орошения и псевдоожижения определялись диаметры газовых ячеек и каналов между каплями и элементами насадки. Газовая ячейка (рис. 2в) представляет собой единичный элемент насадки с движущейся пленкой жидкости, обтекаемый газожидкостным (капельным) потоком или каплю жидкости, окруженную газовым потоком. Зоны (ороше-
ния, псевдоожижения, ядро и основной тангенциальный поток в газораспределителе) дополнительно по высоте зоны разбивались на "псевдотарелки". Исходя из расхода жидкости, удерживающей способности слоя и скоростей газового потока, в данных локальных областях по кривой дробления капель в потоке газа с учетом режимов критической деформации, распыления и числа определялись диаметры капель первичного дробления, их число и поверхность.
1 , / 1 К / /
А
бж
Рис. 2. Физическая модель трехфазного псевдоожиженного слоя и газовой ячейки: 1 — газораспределительная решетка, 2 — контуры циркуляции, 3 — элементы подвижной насадки, 4 — стенка аппарата, 5 — агрегаты с нисходящим движением, 6 — агрегаты с восходящим движением, 7 и 8 — "псевдотарелки".
Структура трехфазного псевдоожиженного слоя была формализована как ряд псевдотарелок. Высота тарелки принималась равной диаметру газовой ячейки в соответствии с порозностью локальной зоны и диаметром насадки dн. Количество элементов насадки Nш в аппарате, амплитуда пульсаций стохастически образующихся агрегатов из элементов насадки по высоте слоя и порозность псевдо-ожиженного слоя определяют расстояние между псевдотарелками по вертикали кТ, между элементами насадки по горизонтали dГ и количество элементов насадки на одной псевдотарелке 1Э. Число псевдотарелок N зависит от динамической высоты слоя и связано с порозностью. Число псевдотарелок соответствует количеству ячеек идеального пе-
ремешивания по высоте слоя, которое по экспериментальным данным изменяется от 3 до 9. В пределах одной псевдотарелки число ячеек идеального перемешивания изменяется от одной до двух.
Каждая тарелка в зависимости от режима псевдоожижения разбита по горизонтали на п агрегатов и к их элементов, совершающих на данной высоте слоя периодически расширение и сжатие с определенными частотами и амплитудами.
Измерение толщины пленки жидкости, на движущемся элементе насадки, осуществлялось методом емкостного зонда. Спектральный анализ осуществляли по осциллограммам мгновенных пульсаций толщины пленки жидкости на стенке аппарата и подвижном элементе шаровой или коль-
/, 1/с 100 ^э 1
50 -
^—О" ^ "У
200
400
600
800 И&, мм
Рис. 3. Изменение частоты пульсаций в трехфазном псевдоожиженном слое по динамической высоте слоя при различной плотности орошения (Аа = = 0.19 м, w = 3 м/с, Щ = 200 мм, ¿1 = 26 мм): 1 — П = = 25, 2 - 50, 3 - 70, 4 - 90 м3/(м2 ч).
И, м 0.9
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08 А], м
Рис. 4. Изменение диаметра газовой ячейки по высоте слоя (А = 0.19 м, ¿н = 27 мм, Щ = 0.2 м, П = = 70 м3/(м2 ч), wг = 3.2 м/с)
0
цевой насадки. Обработка данных выполнялась на базе быстрого преобразования Фурье. В результате получали спектры модуля и плотности мощности, характеризующие энергетический вклад от конструктивных элементов аппарата и агрегатов из элементов насадки.
Анализ экспериментальных данных по исследованию динамики слоя стереометрическим и емкостными методами показал, что с ростом высоты псевдоожиженного слоя частота его пульсаций уменьшается, а амплитуда увеличивается. Частота и амплитуда колебаний агрегатов при их восходящем или нисходящем движении в поперечном сечении слоя постоянны на данной высоте. Рост амплитуды пульсации, по-видимому, происходит как за счет увеличения объема газового пузыря, так и за счет роста диаметра каналов, в которых движутся агрегаты, что приводит к уменьшению частоты пульсаций. Наибольший энергетический вклад обеспечивают частоты, генерируемые конструктивными параметрами аппарата, размерами каналов в агрегатах насадок и каналов между насадками. Анализ амплитудно-частотных характеристик трехфазного псевдоожиженного слоя выявил наличие следующих классов частот: низких (от 0.5 (1.5) до 15 1/с), средних (от 15 до 75 1/с) и высоких (от 75 до 350 1/с и выше при обтекании капель). В трехфазном псевдоожиженном слое на расстоянии от решетки 200 мм появляются низкочастотные пульсации (рис. 3). С увеличением плотности орошения с 25 до 90 м3/(м2 ч) пульсационный режим движения в псевдоожиженном слое часто переходит в циркуляционный в локальных объемах или по всей высоте слоя.
В газовой фазе характерны следующие масштабы пульсаций: для низких частот — от 9.5 х 10—3 до 1.5 х 10—3 м, для средних — от 1.5 х 10—3 до 3 х 10-4 м, для высоких — от 3 х 10-4 до 3 х 10-5 м и меньше.
В жидкой фазе амплитуды пульсаций пленки жидкости имеют следующие значения: для низких частот — от 3.9 х 10—3 до 2.1 х 10-4 м, для средних — от 2.1 х 10—4 до 1 х 10—5 м, для высоких — от 1 х 10—5 м и менее.
Размер газовой ячейки определяется в зависимости от объема псевдоожиженного слоя, количества элементов насадки, общей и локальной порозности в слое (рис. 4) при размещении их по равностороннему треугольнику (/ = 1) или квадрату (/ = 2)
= I
ИЛ,
Ио(1 -8 р)
Диаметр канала между элементами равен
.. — й . + з/0и- лн
"к , —Чэкв I + '
0.52
Количество псевдотарелок определятся следую-
И
щим образом: = ——
Из анализа барботажных двух и трехфазных псевдоожиженных систем распределение порозно-сти в трехфазном псевдоожиженном слое принято линейным.
Динамическое расширение слоя Щ (рис. 5) и радиус контура циркуляции Я при циркуляционном режиме движения слоя по траектории, представляющей овал, рассчитывалось по уравнениям [1, 4]
Ий =
Р - А
Я =
0.5тю2ео8 ю? + 0.5к (1 - ео8 ю?)' Р - А
0.5тю28Ш ю? + к (1 + ю?)
НА, м 1.0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
П, м2/(м3ч)
Рис. 5. Зависим
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.