К вопросу гидравлических расчетов газожидкостных аппаратов с вертикальными трубами и струйным диспергированием газовой фазы

Размещено на http://www.allbest.ru

К вопросу гидравлических расчетов газожидкостных аппаратов с вертикальными трубами и струйным диспергированием газовой фазы

А.В. Дугнист, А.В. Сивенков, А.Г. Новоселов

Проведение тепло-массообменных процессов в газожидкостных средах нашло широкое применение во многих отраслях промышленности. В первую очередь это касается пищевой, микробиологической и химической отраслей, в которых эффективное проведение абсорбционных, хемосорбционных и биосорбционных процессов играет определяющую роль в деле снижения себестоимости готовой продукции.

Увеличение эффективности проведения вышеупомянутых процессов тесно связано с интенсификацией процессов переноса импульса, тепловой энергии и массы в рабочем объеме аппарата и, в первую очередь с гидродинамикой газожидкостных потоков. Это позволяет переводить технологические схемы производства на непрерывные и полунепрерывные режимы работы всего предприятия в целом.

Несмотря на то, что предложено очень большое количество конструкций аппаратов, лишь единичные конструкции находят промышленную реализацию. Связано это, с отсутствием возможности осуществлять комплексные исследования проводимых процессов для каждого изобретения и, вследствие этого, отсутствием научно-обоснованных методик расчетов предложенных конструкций аппаратов.

Сложность гидродинамической обстановки в газожидкостных потоках обусловлена отсутствием надежных теоретических уравнений связывающих движущую силу, кинетическую энергию движущейся массы и диссипацию энергии в рабочем объеме аппарата. В большинстве случаев для каждой отдельно взятой конструкции аппарата предлагается эмпирическая зависимость, которая может быть использована только в узком диапазоне изменения определяющих геометрических размеров функциональных устройств, расходных параметров фаз и физико-химических свойств, контактирующих между собой газа и жидкости. Это не позволяет создавать типовой ряд оборудования с широким диапазоном по производительности готовой продукции.

Первостепенной задачей при исследовании новых конструкций газожидкостных аппаратов является: изучение структуры потока газожидкостной смеси и ее изменения, связанные с изменением расходных характеристик фаз и геометрии рабочего объема; оценка гидравлических сопротивлений при движении газожидкостной смеси по каналам рабочего объема в зависимости от их геометрических размеров и формы, а также расходных параметров фаз, условий диспергирования газовой фазы в жидкости, а, следовательно, в зависимости от геометрических размеров функциональных элементов диспергатора и подводимой, к фазам, энергии.

В данной работе представлены новые данные исследований, касающихся разработки методики расчета кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА) с дополнительным соплом (патент РФ №2305464). Конструкция данного аппарата позволяет осуществлять его элементное моделирование, что дает возможность использовать эмпирические зависимости, полученные на лабораторных установках при расчете промышленных образцов практически любой производительности.

На данном этапе рассматривается вопрос оценки гидравлических сопротивлений движению газожидкостного потока в циркуляционном контуре КСИА проточного типа с дополнительным соплом, установленным над сливной трубой.

Как и в случае выполнения конструкции КСИА проточного типа без дополнительного сопла, для сильно коалесцирующих систем типа воздух - вода, наблюдались три характерных режима работы: начальный устойчивый режим; неустойчивый режим и стационарный (рабочий) режим.

Первый режим (рисунок 1, а) характеризовался постепенным заполнением опускной трубы газожидкостной смесью при увеличении расхода жидкости через основное сопло. При этом в верхней части опускной трубы наблюдалась пузырьковая структура потока, которая расширялась к низу по мере увеличения расхода жидкости через сопло. При достижении некоторого значения расхода жидкости через основное сопло, которое мы назвали первым критическим расходом жидкости Qкр1, наступал неустойчивый (пульсационный) режим работы аппарата (рисунок 1, б, в). Это выражалось в периодическом образовании крупных газовых пузырей (снарядов) в опускной трубе, которые стремились прорваться вверх к газовой камере, что приводило к полному или частичному заполнению камеры. При дальнейшем увеличении Qж1 до некоторого значения, которое было названо нами вторым критическим расходом Qкр.2, наступал стационарный (рабочий) режим работы аппарата (рисунок 1, г). Работа аппарата в этом режиме характеризовалась постоянным уносом газа Qг1 в опускную трубу, постоянными значениями давлений Р1 и Р2 в газовых камерах , а также постоянными уровнями газожидкостной смеси в опускной, Нсм1 , и подъемных Нсм2 трубах. Перечисленные выше параметры определяют гидродинамическую обстановку в трубах КСИА и, как следствие, гидравлические сопротивления при движении газожидкостной смеси в них. В результате экспериментов были получены уравнения для расчета критических скоростей:

приведенная первая критическая скорость (нижняя граница области неустойчивого режима)

(1)

приведенная вторая критическая скорость (верхняя граница области неустойчивого режима)

(2)

инжекционный аппарат гидравлический газожидкостный

Влияние разности давлений в камерах на уровень газожидкостной смеси в опускной трубе, и, как следствие, на начало устойчивой работы аппарата, которое возникает при работе дополнительной струи, можно учесть поправкой

(3)

где _ вторая критическая приведенная скорость с учетом перепада давления в камерах 1 и 2, м/с; Wкр.2 - значение второй критической скорости, рассчитанное по уравнению (2), м/с; ДР _ разность давлений в камерах 1 и 2, мм. вод.ст.

Обработка результатов наших экспериментов и известных литературных данных позволила получить более общее уравнение для определения Wкр.2 в виде

(4)

где к - коэффициент, зависящий от диаметра трубы, в которую поступает струя.

Рисунок 1 ? Изменение гидродинамической обстановки в трубах КСИА

с изменением расхода жидкости через основное сопло

к = 1,35 - 18,7dтр (5)

Эмпирические зависимости (2ч5) применимы в диапазоне изменения диаметров труб dтр=(18ч36)?10-3м ,а также диаметров основного сопла d1 =(5ч10)?10-3м. Отклонение расчетных и экспериментальных значений Wкр.2 не превышает ±10 %.

Размещено на Allbest.ru