Гідродинаміка та масообмін в диспергуючому контактному пристрої відцентрового масообмінного апарата

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Процеси масообміну займають значне місце в структурі технологічних процесів різних виробництв, їх інтенсифікація є важливим завданням для вдосконалення виробництва, поліпшення якості продукції, зменшення її собівартості, раціонального використання природних ресурсів та охорони навколишнього середовища.

Перспективним напрямком підвищення ефективності масообмінних процесів є накладання на взаємодіючі фази поля зовнішніх сил, у тому числі використання відцентрового поля. Конструктивно застосування відцентрових сил у масообмінних процесах реалізується у відцентрових масообмінних апаратах (ВМА).

На сьогодні є різні підходи до створення таких апаратів, відома велика кількість конструкцій. У той же час значна частка існуючих апаратів цього класу недостатньо повно вивчені, мають значний потенціал для подальшого вдосконалення і розширення сфер застосування. Одним із шляхів подальшої інтенсифікації є розроблення, дослідження та застосування нових високоефективних контактних пристроїв для відцентрових масообмінних апаратів.

Таким чином, створення та дослідження нової конструкції контактного пристрою відцентрового масообмінного апарата (ВМА) з метою підвищення ефективності роботи обладнання є актуальним завданням, яке потребує вирішення.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є дослідження закономірностей гідродинаміки та масопереносу в відцентровому масообмінному апараті з контактним пристроєм у вигляді набору сітчастих кільцевих контактних елементів, установлених коаксійно з кроком один від одного, що забезпечує організацію взаємодії фаз у режимі багатостадійного диспергування рідини.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

- отримання фізичної моделі взаємодії фаз в розробленому контактному пристрої;

- математичний опис гідродинамічних закономірностей взаємодії фаз у контактному пристрої ВМА;

- експериментальні дослідження гідродинаміки та масообміну в ВМА залежно від конструктивних параметрів контактного пристрою та режимних параметрів роботи апарата;

- перевірка й уточнення отриманих теоретичних залежностей експериментальним шляхом на модельних системах;

- створення інженерної методики розрахунку відцентрового масообмінного апарата та визначення основних вимог до ВМА під час його роботи;

- дослідно-промислова апробація та впровадження розробленого апарата в промисловість.

1. Літературний огляд існуючого стану питання інтенсифікації процесів масообміну із застосуванням поля відцентрових сил

Показані напрямки розвитку конструкцій відцентрових масообмінних апаратів (ВМА), проведено їх аналіз з виявленням основних недоліків та визначені можливі напрямки подальшого удосконалення. На підставі аналізу особливостей масопереносу в дисперсних системах відзначений ефект різкого зростання ефективності масовіддачі в момент утворення та відриву краплі (кінцевий ефект), а також факт зростання масопереносу в краплях у нестаціонарних гідродинамічних режимах. Установлено, що існує потенціал підвищення інтенсивності масопереносу за рахунок використання нестаціонарних гідродинамічних режимів у дисперсному потоці рідини. Це було обрано як напрям подальших досліджень і створення нової конструкції контактного пристрою.

Проаналізовані існуючі способи отримання дисперсного потоку із застосуванням відцентрового поля, режими розпилення та гідродинамічні характеристики дисперсної фази, що при цьому утворюється. В результаті визначено, що для отримання монодисперсного потоку рідини в полі відцентрових сил рекомендовано використовувати матеріали з регулярною структурою утворюючих елементів.

На підставі огляду літератури сформульовані завдання дослідження.

2. Загальна методика та основні методи досліджень

В якості предмета дослідження обрана розроблена нами конструкція контактного пристрою для ВМА, яка захищена патентом України. Пристрій являє собою набір вісесиметричних кільцевих контактних елементів. Елементи виготовлені з дрібночарункової металевої сітки та встановлені з кроком один від одного.

Вивчення гідродинамічних та масообмінних характеристик у розробленому контактному пристрої проводили на створеному лабораторному стенді.

Вал ротора приводиться в обертання через пасову передачу від електродвигуна постійного струму. Лабораторний стенд дозволяє регулювати витрату фаз та частоту обертання ротора, контролювати витрату і температуру фаз, тиск газу після вентилятора, перепад тиску на вході та виході з ВМА, напругу та струм на електродвигуні, а також здійснювати відбори проб рідини на вході в апарат та виході з апарата.

Важливим конструктивним параметром, який впливає на характеристики роботи такого контактного пристрою, є крок (відстань) між кільцевими елементами. Для вивчення впливу кроку на гідродинаміку та масообмін була виготовлена серія контактних пристроїв з різним кроком. Для більш коректного врахування впливу кроку на характеристики роботи і зменшення впливу вхідної та вихідної зон апарата величина кроку варіювалася на ділянці, розташованій між радіусами r1=0,05 м та r2=0,07 м (Дr=0,02 м). Зміна кроку досягалася шляхом зміни кількості кільцевих елементів на досліджуваній ділянці. Гідродинаміку газової фази досліджували за величиною перепаду тиску. Дослідження проводили залежно від швидкості обертання ротора, щільності зрошення, швидкості газу та кроку між контактними елементами.

Для вивчення гідродинаміки рідини проводили дослідження характеристик дисперсного потоку методами візуального спостереження в стробоскопічному освітленні та швидкісної фотозйомки.

Дослідження масовіддачі в газовій фазі виконували на процесі десорбції аміаку з води в потік повітря, в рідині - на десорбції СО2 з води в повітря. Концентрації аміаку та вуглекислоти визначалися методами хімічного аналізу. Обробка та узагальнення даних експериментів виконувалися з застосуванням методів математичної статистики.

3. Результати теоретичних досліджень гідродинаміки фаз у контактному пристрої розробленої конструкції

Розроблена фізична модель взаємодії фаз, на підставі якої отримана математична модель руху газу та рідини в контактному пристрої ВМА.

В апарат газова фаза надходить по тангенційно встановленому патрубку. В об'ємі апарата газ рухається по спіралеподібній траєкторії в напрямку від периферії до центра через ряд послідовно встановлених сітчастих елементів. Сітки, при проходженні крізь них газового потоку, формують упорядковану мікровихрову турбулентну структуру, яка за своїм характером близька до ізотропної. При цьому інтенсивність цієї турбулентності зростає на відстані від сітки до певного максимуму, далі вироджується і загасає. Відстань, що відповідає максимальній інтенсивності турбулентності, залежить від геометрії сітки (розміру прутка, чарунки та коефіцієнта вільного перерізу сітки). В цілому гідродинаміка газу має два рівні - в масштабі апарата (макрорівень) та в масштабі контактних елементів (мікрорівень), які відрізняються за своїм описом та впливом на гідродинамічні та масообмінні показники роботи ВМА.

Диспергування рідини в контактному пристрої розробленої конструкції відбувається на поверхні кільцевих сітчастих елементів під дією відцентрової сили. При відносно малих значеннях відцентрової сили на поверхні контактних елементів утворюється суцільна плівка рідини. З плівки витягуються струмені, під дією зовнішніх та внутрішніх сил струмені розпадаються, утворюючи краплі. Зі збільшенням відцентрової сили зменшуються довжина і діаметр струменів та зменшується розмір утворених крапель. При збільшенні відцентрової сили суцільна плівка на поверхні кільцевих елементів руйнується і утворюється тонка плівка на поверхні прутків сітки. Формування та відрив крапель відбувається переважно в місцях перехресть прутків сітки. В цьому режимі диспергований потік за розміром крапель наближається до монодисперсного. Такий режим визначений як робочий режим диспергування рідини у ВМА.

У роботі розроблено математичний опис гідродинаміки газу в обертовому роторі без контактного пристрою. Для цього розглянута система рівнянь Нав'є-Стокса сумісно з рівнянням нерозривності, записаних у циліндричній системі координат. При цьому прийняті такі припущення:

- процес проходить у стаціонарному режимі ;

- течія газу в контактному пристрої відбувається у двовимірній площині (відсутність руху вздовж осі ) , = 0;

- рух потоку є вісесиметричним = 0.

З урахуванням припущень система рівнянь Нав'є-Стокса сумісно з рівнянням нерозривності запишеться у вигляді:

, (1)

де - тиск, Па; та - радіальна та колова швидкості, м/с; - коефіцієнт кінематичної в'язкості, м2/с; - поточний радіус, м.

Радіальна складова швидкості газу визначається з рівняння нерозривності при граничних умовах , :

, (2)

де - зовнішній радіус ротора, м.

Колова складова швидкості визначається розв'язанням другого рівняння системи (1) відносно . З урахуванням припущення та залежності (2) після інтегрування отримаємо рівняння для . Константи інтегрування і відповідні розв'язання рівняння знаходимо, припустивши, що на вході в обертовий ротор газова фаза повністю захоплюється в обертальний рух. Відповідно колова швидкість руху газу на вході в ротор дорівнює швидкості обертання зовнішньої поверхні ротора. При граничних умовах , , отримаємо розв'язання у вигляді

, (3)

де безрозмірний коефіцієнт .

Проведений аналіз рівняння (3) показав, що при нехтуванні складовими надто малого порядку рівняння стає близьким до закону збереження моменту імпульсу, тобто:

. (4)

Зіставлення результатів розрахунків за (3) та (4) показує, що розбіжність результатів у робочому діапазоні ВМА не перебільшує 1%. Тобто для практичних розрахунків можна з достатньою точністю використовувати залежність (4).

Підставляючи (4) до першого рівняння системи (1) після інтегрування отримаємо залежність для визначення гідравлічного опору між і-м та (і+1)-м контактним елементом сухого апарата у вигляді:

. (6)

Комплекс , по суті, є коефіцієнтом гідравлічного опору і за своєю формою близький до відомого рівняння Карно-Борда, яке визначає коефіцієнт гідравлічного опору для конфузорів. Але залежність (6) отримана з рядом наближень і припущень, приведених по ходу розв'язання системи Навьє-Стокса. Для урахування впливу цих наближень на величину в (6) уведений коефіцієнт л. Крім того, вплив вхідної ділянки ротора на швидкість газу враховано введенням у (6) коефіцієнта . Таким чином, отримане рівняння для у вигляді:

. (7)

Рівняння (7) визначає гідравлічний опір порожнього ротора або ділянки контактного пристрою між кільцевими елементами.

Контактний пристрій включає ряд ділянок, загальний гідравлічний опір яких визначається як адитивність відповідних опорів. За залежністю (7) можна визначити опір першої (від периферії) ділянки. Для розрахунку гідравлічного опору наступних ділянок необхідно задавання граничних умов, а саме колової швидкості wц, яка змінюється внаслідок обтікання газом перешкоди (сітки). Корегування колової швидкості wц виконуємо за допомогою коефіцієнта kц. Причому kц визначається у відносних швидкостях (відносно швидкості обертання контактного елемента) як:

kц= (w'ц - щr) / (wц - щr), (8)

де w'ц - колова складова швидкості газу до проходження крізь сітку, м/с; wц - колова складова швидкості газу після проходження крізь сітку, м/с.

Гідравлічний опір контактних елементів визначається за стандартними залежностями для опору металевих сіток, наведеними в довідковій літературі.

Рівняння (7), по суті, виражає суму двох складових гідравлічного опору: опір нерухомого апарата , та опір, викликаний дією відцентрової сили . Таким чином, гідравлічний опір сухого апарата запишеться у вигляді:

. (9)

Коефіцієнти kвх, л та kц потребують експериментального визначення.

Вплив рідини на гідравлічний опір враховано через введення в рівняння (9) величини фактора зрошення . Повний гідравлічний опір запишеться так:

. (10)

Величина визначається експериментальним шляхом.

, (11)

де - відцентрова сила, Н; - сила поверхневого натягу, Н; - сила опору газу, Н;

Із залежності (11) отримане рівняння для визначення розміру краплі. При наближеному аналізі його складових виявлено, що максимальний опір газу становить не більше 10% від мінімальної відцентрової сили. Враховуючи відносно незначний вплив газу на розмір краплі, в подальшому цим впливом нехтуємо. З урахуванням цього з (11) отримана залежність для розміру краплі у вигляді:

, (12)

де kV - коефіцієнт, що враховує вплив локальних умов утворення краплі; у - коефіцієнт поверхневого натягу, Н/м; , - густина рідини та газу відповідно, кг/м3.

Отримана залежність для визначення швидкості руху краплі у вільному проміжку між кільцевими елементами:

, (13)

де ; .

На підставі отриманих рівнянь для розміру краплі та швидкості її руху побудована модель для розрахунку кількості утримуваної в апараті рідини (КУР) та відповідної поверхні контакту фаз (ПКФ). При цьому врахована ймовірність захоплення крапель поверхнею сітки контактного елемента залежно від співвідношення розміру краплі та геометричних параметрів сітки (розміру чарунки та прутка).

У результаті розрахунків отримані залежності величин КУР та ПКФ від кроку між контактними елементами.

4. Результати експериментальних досліджень гідродинамічних та масообмінних характеристик відцентрового масообмінного апарата із запропонованою конструкцією контактного пристрою

У результаті досліджень перепаду тиску в ВМА виявлена певна особливість. При швидкостях обертання більше 150 рад/с величина ДР для зрошуваного апарата дещо менша, ніж для сухого. Такий факт відмічається в роботах інших авторів, така гідродинамічна особливість потребує окремого розгляду та дослідження, що не було завданням даної роботи і в подальшому не розглядається.

Втрати тиску сухого апарата зростають зі зростанням швидкості обертання, що є наслідком збільшення діючої на газ відцентрової сили.

В умовах зрошення при збільшенні швидкості обертання на першому етапі величина ДР зменшується, потім зростає.

Зі зростанням відцентрової сили зростає швидкість руху рідини, зменшуються товщина плівки і розміри крапель, зменшується кількість утримуваної в контактному пристрої рідини. Відповідно зменшується перекриття вільного перерізу рідиною. При цьому зростає відцентрова сила. Але вплив першого фактора більш вагомий і в результаті перепад тиску на першому етапі знижується.

У подальшому, при зростанні відцентрової сили (як буде показано нижче), розмір краплі залишається практично сталим, відповідно не змінюється вільний переріз. У цьому діапазоні переважний вплив на величину ДР відіграє зростаюча відцентрова сила, збільшення якої призводить до росту перепаду тиску.

Максимум у діапазоні (0 - 5) · 10-3 м обумовлений виникненням та виродженням власної турбулентності сітки. В діапазоні Дr = (10 - 20) ·10-3 м величина ДР залишається практично незмінною при більших швидкостях обертання (точки «в» та «г»), а при менших (точки «а» та «б») - дещо зменшується, що є наслідком дії відцентрової сили.

Експериментально отримані коефіцієнти рівняння (7) , л та :

при , (14)

при , (15)

при , (16)

при , (17)

при , (18)

при , (19)

. (20)

За результатами обробки експериментальних даних отримана залежність для визначення фактора зрошення :

, (21)

де - відцентровий критерій Фруда.

Швидкість газу в критерії Re визначається як середньоінтегральна від r0 до R за формулою:

. (22)

Результати розрахунків перепаду тиску за отриманою моделлю достатньо точно збігаються з даними експерименту, відхилення не перевищує ±10%.

Гідродинаміка рідкої фази експериментально досліджувалася методами візуального спостереження та швидкісної фотозйомки. При цьому визначалися механізми утворення крапель у контактному пристрої ВМА. При обробці отриманих даних визначений розподіл дисперсної фази за розмірами в кожному з режимів. В результаті визначено, що мінімальні відхилення параметрів потоку від середніх значень (мінімальний ступінь полідисперсності) спостерігається в режимі утворення крапель при відриві від прутка сітки. Розмір крапель у цьому режимі також є мінімальним. Суттєва перевага утворення крапель при відриві від поверхні прутків (перехресть прутків) на усіх досліджених типах сітки починається за межею відцентрового прискорення більше 1000 м/с2.

Результати обробки даних дисперсних характеристик виконані за моделями усереднення через величину модального () та об'ємно- поверхневого діаметрів ().

Залежність та від відцентрового прискорення показує, що при значеннях більше 1000 м/с2 розмір крапель у потоці практично не змінюється. Для робочого режиму величина = 0,35·10-3 м, = 0,4·10-3 м.

У результаті обробки експериментальних даних отримані залежності, що пов'язують усереднені параметри дисперсного потоку з режимними величинами та властивостями рідини:

, (23) , (24)

де - характерний геометричний розмір сітки (діаметр прутка), м.

Зіставлення розрахункових даних з результатами експерименту показали, що відхилення не перевищує ±8%.

Залежність коефіцієнта масовіддачі в газі від швидкості обертання ротора показує його зростання до значення щ ? 100 рад/с, далі залишається практично сталими для контактних пристроїв з різним кроком між елементами. Збільшення швидкості обертання спричиняє додаткову турбулізацію газу. Одночасно з цим зростання швидкості обертання призводить до зменшення розміру крапель рідини, зростання монодисперсності потоку, збільшення швидкості та кінетичної енергії крапель. При швидкостях обертання ротору щ > 100 рад/с відбувається вихід на сталий режим масовіддачі, подальше збільшення швидкості обертання практично не впливає на вуv.

Збільшення швидкості, і відповідно витрати газу, призводить до практично лінійного зростання коефіцієнта масовіддачі. При цьому відбувається зростання об'єму фази, що проходить через об'єм апарата за одиницю часу. Як наслідок, збільшується кількість речовини, що передається між фазами.

При дослідженні впливу кроку між контактними елементами на коефіцієнт масовіддачі в газовій фазі виявлено наявність максимуму при значенні Дr = 3·10-3 м.

Збільшення кроку між контактними елементами до 3 · 10-3 м супроводжується розвитком до максимального значення мікромасштабної турбулентності та відповідно, зростанням коефіцієнта масовіддачі. При подальшому збільшенні кроку між елементами контактного пристрою відбувається загасання турбулентності, що супроводжується зниженням ефективності масовіддачі на ділянці (0 - 5) · 10-3 м. В діапазоні (10 - 20) · 10-3 м зростання ефективності масовіддачі обумовлене збільшенням загальної швидкості руху газу в об'ємі ротора (через зменшення кількості контактних елементів) і відповідно росту внутрішньофазової турбулізації. Залежність коефіцієнта масовіддачі в рідині від швидкості обертання (рис.10) показує поступове його зростання в діапазоні щ = 70 - 150 рад/с, далі ефективність масовіддачі залишається практично сталою. Зростання на першому етапі обумовлене зменшенням розміру краплі при збільшенні діючої відцентрової сили, відповідно збільшенням питомої поверхні контакту фаз. На другому етапі (щ>150 рад/с) залежність розміру крапель від щ2r менш виражена, і поверхня контакту фаз збільшується повільніше. Одночасно з цим при зменшенні діаметра краплі падає інтенсивність внутрішніх циркуляцій рідини в її середині. Таким чином, спільний вплив цих факторів призводить до практично сталого значення вхv при швидкостях обертання щ>150 рад/с.

При збільшенні швидкості газу ефективність масовіддачі в рідині зростає за характером, близьким до лінійного. Збільшення швидкості газу призводить до зростання міжфазного тертя і дотичних напруг, що діють на краплі в контактному пристрої. Це сприяє активізації внутрішньокраплинних циркуляцій і зростанню ефективності масовіддачі в рідині.

Збільшення витрати рідини призводить до росту ступеня масовіддачі через зростання кількості рідини в апараті й відповідно поверхні контакту фаз, що впливає на кількість перенесеної в одиниці об'єму маси.

Залежність коефіцієнту масовіддачі в рідині від кроку між елементами показує, що максимальна ефективність спостерігається при Дr=1,5 та 5·10-3 м, при значеннях кроку більше 5·10-3 м величина вхv падає. Падіння обумовлене виходом на стаціонарний режим масовіддачі, в якому ефективність процесів масопереносу нижча за нестаціонарні умови.

У результаті обробки експериментальних даних з масообміну в ВМА отримані залежності для розрахунку коефіцієнта масовіддачі в кожній з фаз. Для газової фази отримане рівняння:

. (25)

Для рідини залежність має вигляд:

. (26)

Розрахункові величини коефіцієнтів масовіддачі за отриманими залежностями збігаються з експериментальними значеннями з відхиленням не більше ніж ±10%.

5. Результати дослідно-промислової апробації ВМА із запропонованим контактним пристроєм

На базі дослідженої конструкції апарата побудована установка для ректифікації воднооцтової суміші у виробництві ацетату етилентгліколю. В результаті відбувається утилізація відходу виробництва з отриманням цільового продукту - концентрованої оцтової кислоти. Установка побудована на базі двох ВМА, кожен з яких виконує функцію відповідної частини ректифікаційної колони.

В результаті дослідно-промислової апробації визначені рекомендовані режимні параметри роботи установки (навантаження по фазах, парове та флегмове число). Застосування в даному випадку малогабаритних відцентрових масообмінних апаратів дозволяє значно знизити габаритні розміри обладнання (відповідно капітальні затрати та виробничі площі), а також досягається зниження експлуатаційних та енергетичних витрат на проведення процесу.

Висновки

масообмінний гідродинамічний відцентровий

1. На підставі аналізу інтенсифікації процесів масообміну із застосуванням поля відцентрових сил та існуючих конструкцій відцентрових апаратів обґрунтований перспективний напрямок досліджень - організація багатократного диспергування рідини всередині обертового перфорованого ротору в режимі протитечійної взаємодії фаз.

2. Розроблена конструкція контактного пристрою для відцентрового масообмінного апарата, яка забезпечує високі масообмінні показники за рахунок організації взаємодії фаз у нестаціонарних гідродинамічних режимах.

3. Розроблено фізичну та математичні моделі гідродинаміки фаз у контактному пристрої, що дозволяють отримувати розподіл полів швидкості газу, гідравлічний опір контактного пристрою та характеристики дисперсної фази.

4. Проведені експериментальні дослідження гідродинамічних характеристик ВМА підтвердили адекватність отриманих теоретичних результатів. У результаті обробки експериментальних даних отримані залежності і коефіцієнти теоретичних моделей.

5. Експериментально отримані залежності масообмінних характеристик ВМА від конструктивних розмірів контактного пристрою та режимних параметрів його роботи. Визначені рекомендовані діапазони роботи апарата та конструктивні характеристики контактного пристрою. В тому числі рекомендована швидкість обертання, яка забезпечує відцентрову силe у зоні взаємодії фаз на рівні 1000 м/с2, та рекомендований крок між контактними елементами 3·10-3 м.

6. Розроблено методику інженерного розрахунку ВМА з запропонованим типом контактного пристрою, визначені рекомендації до його проектування та експлуатації.

7. Результати досліджень були використані під час проектування ректифікаційної установки на базі двох відцентрових апаратів, яка пройшла успішні випробовування в промислових умовах.

Література

1. Пляцук Л.Д. Вплив конструктивних параметрів контактного пристрою на гідродинаміку в роторному ректифікаційному апараті / Л.Д. Пляцук, Д.О. Лазненко, С.В. Сидоренко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - 2006. - Вип. 5/2006(40). - С.106-109.

2. Сидоренко С.В. Визначення розміру крапель при диспергуванні рідини в малогабаритному роторному ректифікаційному апараті / С.В. Сидоренко // Вісник Сумського державного університету. - 2007. - №4.- C. 18 - 23.

3. Гідродинаміка плівкової взаємодії фаз в роторних ректифікаційних апаратах / Л.Д. Пляцук, Д.О. Лазненко, В.Я. Стороженко, С.В. Сидоренко // Вісник Сумського державного університету. - 2007. - №3. - С.70-83.

4. Пляцук Л.Д. Визначення гідравлічного опору відцентрового тепломасообмінного апарату / Л.Д. Пляцук, Д.О. Лазненко, С.В. Сидоренко // Вісник Сумського державного університету. - 2008. - №1. - С.31-38.

5. Лазненко Д.О. Створення установок рекуперації летких розчинників з використанням роторних тепломасообмінних апаратів / Д.О. Лазненко, С.В. Сидоренко // Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов : Междунар. науч.-техн. конф., 2-6 июня 2008 г.: сборник научных статей. - Х., 2008. - С.400-403.

6. Лазненко Д.О. Дослідження гідравлічного опору відцентрового масообмінного апарату / Д.О. Лазненко, С.В. Сидоренко // Наукові праці Одеської національної академії харчових технологій. - 2009. - Вип.35. - Т.2. - С.122-127.

Размещено на Allbest.ru