CC BY
11
УДК 66.061.35
Р. Г. Галимуллин, Н. Х. Зиннатуллин, М. В. Астраханов
ДВОЙНАЯ ИНВЕРСИЯ ФАЗ В РОТОРАХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ АППАРАТОВ
Ключевые слова: двойная инверсия фаз, диспергирование, режим подвисания, режим затопления.
Изучен режим двойной инверсии фаз на коаксиальных перфорированных цилиндрах центробежных аппаратов для различных несмешивающихся жидких систем. Получены уравнения, описывающие нижнюю границу (подвисания) и верхнюю границу (затопления) данного режима.
Keywords: double phase inversion, dispersion, hanging mode, flooding mode.
The mode of double phase inversion on the coaxial punched cylinders of centrifugal devices for various immiscible fluid systems is studied. The equations describing the lower bound (hanging) and an upper bound (flooding) of this mode are received.
Для проведения тепломассообменных процессов в системах жидкость - жидкость (ж - ж), например жидкостной экстракции, наиболее эффективными являются центробежные аппараты [1].
Из-за малой разности плотностей в системах ж -ж интенсивное относительное движение фаз можно создать при больших числах фактора разделения
Особый интерес представляет использование режима инверсии фаз, впервые отмеченного для гравитационных тепломассообменных аппаратов [2], а впоследствии обнаруженного и изученного в центробежных экстракторах с перфорированными коаксиальными цилиндрами [3, 4] и названного режимом двойной инверсии фаз.
В данном режиме легкая и тяжелая жидкости (л.ж. и т.ж.), истекая через одни и те же отверстия цилиндров противотоком (тяжелая в направлении к периферии, а легкая - к центру) из сплошной превращаются в дисперсную в сплошном слое другой фазы. Затем происходит центробежное разделение и превращение из дисперсной в сплошную обеих дисперсных фаз в межцилиндровом пространстве. Поэтому данный режим назван режимом двойной инверсии (превращения) фаз.
В.Г. Бочкаревым [3] данный режим обобщен уравнением
ig
■ Wi
Ар • w2rd3 #
= 0,32
2.25||)*х
(1)
А.И. Солодовым [4] уравнением
ig
■wi
Ар • ш2гйЭ
= -0,14-1,45
е5
(2)
В этих уравнениях: wл, wт - фиктивная (в расчете на полное сечение отверстий) скорость л.ж. и т.ж.; ш -угловая скорость вращения ротора; г - внутренний радиус цилиндра; Ар - разность плотностей л.ж. и т.ж.; рл - плотность л.ж.; рт - плотность т.ж.; йЭ -эквивалентный диаметр щелей или диаметр отвер-
стий перфораций цилиндров; - объемная производительность л.ж. и т.ж..
Как было описано в работе [3] в зависимости от расходов фаз наблюдается несколько стадий процесса диспергирования фаз - капельное, струйное и интенсивное диспергирование, напоминающее псевдоожиженный слой в гравитационных аппаратах.
Уравнения (1) и (2) получены в работах [3, 4] в предположении существования режима двойной инверсии фаз лишь при однозначных соотношениях расходов фаз.
Результаты работ [5, 6] показали существование данного режима при заданном расходе одной фазы довольно широком диапазоне изменения расхода другой фазы .
1
Комплекс ( — Г, вошедший в уравнения (1), (2) \рх/
для любой системы ж - ж, исследованной ими, практически равен единице. Ввод его в эти уравнения является чисто условным.
Как было показано в работах [5] и [6], данный
Ух
режим определяется не соотношением — а суммар-
Кл
ным расходам фаз Ул + Ух или суммарной скоростью истечения их из отверстий цилиндра + й^.
Относительное движение л.ж. и т.ж. в центробежном поле происходит по длине канала отверстия I, равной толщине цилиндра.
В работах [5] и [6] была уточнена динамика возникновения и развития режима двойной инверсии фаз. Как отмечалось в них, по достижении определенного значения суммарного расхода фаз при фиксированных остальных параметрах (физических свойств фаз, скорости вращения ротора, снабженного перфорированными коаксиальными цилиндрами, геометрических размеров цилиндров и их перфораций) т.ж. начинает задерживаться на внутренней поверхности цилиндров в виде тонкого слоя, аналогично режиму подвисания в колонных аппаратах. При дальнейшем увеличении суммарного расхода фаз (например, с увеличением расхода л.ж. при фиксированном расходе т.ж.) слой т.ж. на тарелке растет. По достижении какого-то критического расхода, без дальнейшего его увеличения, слой т.ж. продолжает расти и полностью заполнив межцилиндровое пространство начинает уноситься с легкой жидкостью.
л
л
X
X
При приближении к границе затопления происходит интенсивное диспергирование фаз около границы их расслаивания (рис.1).
Рис. 1 - Картины диспергирования и расслаивания фаз в межцилиндровых пространствах коаксиальных цилиндров для состояний режимов, близких к затоплению.
Следовательно, границами режима двойной инверсии фаз являются режим (начало) подвисания и режим (начало) затопления.
Весь диапазон режима невозможно описать одним уравнением. Поэтому необходимо описать границы режима.
Поскольку режим существует в определенных диапазонах изменения суммарных расходов (или скоростей) фаз, то естественно выделить в качестве определяемого соотношения комплекс, куда входит суммарная скорость истечения фаз через перфора-
wп+wт
ции wл + wт, например-.
Центробежная сила и разность плотностей фаз являются основными причинами, способствующими относительному движению.
Следовательно, необходимо выделить комплексы, в которые входят ш2г и Ар в качестве определяющих
тт ы2г1 Ар
комплексов. Например, в виде —— и —.
Шл Рл
Следовательно, уравнения определяющие границ режима можно искать в виде зависимости
= А
Ш2г1
(3)
Для получения явного вида уравнения (3) были проведены обширные экспериментальные исследования. Физические свойства жидкостей и систем приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Физические свойства жидкостей (( = 20°С,р = 1 атм)
Жидкость р, кг/м; ^-103,Па-с
Керосин 798 1,497
20% глицерин + 80% 1049,8 1,755
вода
20% автол + 80% ке- 817 6,681
росин
50% глицерин + 50% 1124,4 6,628
вода
50% автол + 50% ке- 845,5 35,75
росин
Вода 1000 1,005
Четыреххлористый 1600 1,010
углерод
Таблица 2 - Физические свойства систем жидкостей (( = 20°С,р = 1 атм)
Система жидкостей Ар
рп
Керосин - вода 0,254
20% глицерин + 80% вода -керосин 0,316
50% глицерин + 50% вода - керосин 0,410
20% автол + 50% керосин - вода 0,224
50% автол + 30% керосин - вода 0,183
Четыреххлористый углерод - вода 0,6
Сначала серии опытов проводились на цилиндрах с одиночным отверстием для условий:
I = 0,5 см; I = 0,2 см; г = 6,2 см; г = 10 см;
рад рад рад
ш = 104,7 — ; ш = 157 — ; ш = 209,4—.
с с с
Затем несколько серий опытов проводились на цилиндрах с различным живым сечением отверстий
((р = 1,75%,^ = 7%,^ = 20%) для условий:
рад
г = 10 см; й = 0,3 см; I = 0,2 см; ш = 157-■
с
Схема ротора с одиночным отверстием цилиндров показана на рис. 2.
Рис. 2 - Схема ротора с одиночным отверстием цилиндров: 1 - прозрачный ротор из органического стекла; 2 - вал двигателя; 3 - цилиндры; 4 -канал подачи тяжелой жидкости; 5 - канал подачи легкой жидкости; 6 - канал отвода тяжелой жидкости; 7 - канал отвода легкой жидкости
В результате обобщения опытных данных получено уравнение
/ 2 7\
W„
= 0,262
^л
.Ар
Рл'
описывающее начало подвисания и уравнение
wл + wт
= 0,658
Ш2г1
wл
Рл'
(4)
(5)
описывающее начало затопления.
На рис. 3 приведены графики начала подвисания и затопления, соответствующие уравнениям (4) и (5).
По результатам проведенной работы можно сделать ряд выводов.
- Уравнения (1), (2), предложенные в работах [2], [3] расходятся друг от друга и могут соответствовать лишь выборочным опытам из широкого диапазона существования режима двойной инверсии фаз.
w + w
затопления. В этом случае возникает около границы расслаивания фаз между цилиндрами интенсивное диспергирование фаз, обеспечивая развитую поверхность контакта фаз.
Литература
1) А.В. Давыдов, В.В. Бронская, Н.Х. Зиннатуллин. Вестник КТУ, т. 15, № 23, 145-147 с.
2) Диплом № 141 об открытии "Открытия в СССР". № 30 с. 3. 1974. Изд. АН СССР. Москва.
3) В.Г. Бочкарев. Дисс. канд. техн. наук. КХТИ, Казань, 90- 160 с.
4) А.И. Солодов. Автореферат диссертации канд. техн. наук. Москва, 1972 г. 16 с.
5) Р.Г. Галимуллин, В.Г. Бочкарев. В сб. "Машины и аппараты хим. технологии", КХТИ, Казань, 1975, с 31-33.
6) Р.Г. Галимуллин, В.Г. Бочкарев. В сб. "Машины и аппараты хим. технологии", КХТИ, Казань, 1977, с 56-57.
Рис. 3 - К обобщению границ режима: 1 - для границы подвисания; 2 - для границы затопления; о - опытные точки для цилиндров с одиночным отверстием; • - опытные точки для цилиндров с различным живым сечением отверстий
- Уравнения (4) и (5) с достаточной точностью описывают границу подвисания и границу затопления.
- Рекомендуется проводить тепло- массооб-менные процессы в режимах, близких к границе
© Р. Г. Галимуллин - канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, [email protected]; Н. Х. Зиннатуллин - д-р техн. наук, проф. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, проф. каф. энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий КГЭУ, [email protected]; М. В. Астраханов - студ. КГЭУ, [email protected].
© R. G. Galimullin - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of processes and devices of the chemical technology of the KNITU, [email protected]; N. Kh. Zinnatullin - the Doctor of Engineering, professor of chair of processes and devices of chemical technology of the KNITU, professor of chair power supply of the enterprises and the power resource-saving technologies of the KSPEU, [email protected]; M. V. Astrakhanov- the student of the KSPEU, [email protected].
