CC BY
11
УДК 66.061.35
Р. Г. Галимуллин, Н. Х. Зиннатуллин, Г. Н. Зиннатуллина, М. В. Астраханов
ДВОЙНАЯ ИНВЕРСИЯ ФАЗ В ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ЯЧЕЙКЕ
Ключевые слова: центробежный экстрактор, радиальные перегородки, центробежная ячейка.
Изучен режим двойной инверсии фаз в центробежной ячейке, моделирующей отсек рабочей зоны между радиальными перегородками и коаксиальными цилиндрами центробежного экстрактора. Получены уравнения, описывающие нижний и верхний пределы существования режима.
Keywords: centrifugal extractor, radial partitions, centrifugal cell.
The mode of double phase inversion in the centrifugal cell modeling a compartment of a working zone between radial partitions and coaxial cylinders of a centrifugal extractor is studied. The equations describing the lower and top limits of existence of the mode are received.
В центробежных экстракторах реализуется противоточное движение фаз. Интенсификация массопереноса достигается в основном за счет роста поверхности контакта фаз из-за уменьшения размера капель [1]. Для систем малой разностью плотностей они особенно эффективны.
В работе [2] авторов был изучен режим двойной инверсии в центробежных жидкостных экстракторах. На основе экспериментальных исследований были установлены зоны существования режима и получены соответствующие уравнения: для нижней границы (режим подвисания)
w„ + wT (ш2г1\0,5 Ар
—-1 = 0,262 ( —- ) • —,
^л V J Рл
(1)
для верхней границы (режим затопления)
^л
W л
= 0,656
Ш2г1
.АР
Рл'
расчете
(2)
полное легкой
"л V и/л
Здесь wл, wт - фиктивная (в расчете на сечение отверстий) скорость тяжелой и жидкостей, ш - угловая скорость вращения, г -внутренний радиус цилиндра, рл - плотность легкой фазы, Ар - разность плотностей тяжелой и легкой фаз, I - длина канала отверстия (толщина стенки цилиндра).
Экспериментально было отмечено наличие скорости отставания жидкостей относительно цилиндров, что приводит к уменьшению движущей силы процесса. Авторы изобретения [3] с целью интенсификации процесса экстракции предложили центробежный экстрактор снабжать радиальными перегородками, прикрепленными к
перфорированным цилиндрам и расположенными на равных расстояниях одна от другой и от отверстий соответствующего цилиндра. Установка перегородок существенно меняет гидродинамику межцилиндрового пространства и условия противоточного истечения жидкостей через отверстия.
Для проверки эффективности предлагаемого усовершенствования центробежного экстрактора была создана экспериментальная установка, основным рабочим элементом которой является центробежная ячейка (рис. 1).
Рис. 1 - Фотография ротора с центробежной ячейкой
Центробежная ячейка моделирует работу одного отсека рабочей ступени экстрактора.
Ячейка (рис. 2а) состоит из следующих узлов и деталей: выполненной из органического стекла кюветы 1, имеющей камеры 2 и 3, отделенные друг от друга цилиндрической коаксиальной перегородки 4, в центре которой выполнено отверстие 5; штуцеры 6 и 7, служащих соответственно для подачи в ячейку и отвода из нее тяжелой жидкости; штуцера 8 для подачи легкой жидкости и канала 9 для отвода легкой жидкости.
Для регулирования уровня отвода тяжелой жидкости служит гидрозатвор (рис. 2б), прикрепленный к ячейке в определенном положении винтами 10 и 11, опорных пластинок 12 и 13, шпильки 14, гаек 15 и 16. Уровень отвода тяжелой жидкости регулируется изменением положения гаек 15 и 16 на шпильке 14, фиксирующих гаек 17 и 18. Узел гидрозатвора состоит из трех деталей, выполненных из прозрачного органического стекла: корпуса 1, внутренней переливной трубки 2 и штуцера 3. Последний соединен со штуцером 7 с помощью гибкого шланга 20.
Гидрозатвор работает следующим образом. Тяжелая жидкость с периферии ячейки через гибкий шланг поступает сначала в кольцевой канал 4, образованный внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью трубки 2; далее, достигнув кромки трубки 2, переливается в нее.
Рис. 2 - Схема центробежной ячейки: а - узел кюветы; б - узел гидрозатвора
Физические свойства жидкостей и систем ж-ж приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Физические свойства жидкостей
(( = 20°С, р = 1 атм)
Жидкость р, кг/м3 ц. • 103, Па • с
Керосин 798 1,497
20% глицерин + 80% 1049,8 1,755
вода
20% автол + 80% керосин 817 6,681
50% глицерин + 50% 1124,4 6,628
вода
50% автол + 50% керосин 845,5 35,75
Вода 1000 1,005
Четыреххлористый 1600 1,010
углерод
Таблица 2 - Физические свойства систем
жидкостей (( = 20°С, р = 1 атм)
Система жидкостей Ар Рл
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
Для выявления границ режима двойной инверсии фаз в центробежной ячейке проводились обширные экспериментальные исследования с использованием систем жидкостей, приведенных в таблице 2.
Опыты проводились при следующих условиях: диаметр отверстия равнялся й = 0,3 см; 0,4 см; 0,5 см; длина канала отверстия (толщина цилиндрической перегородки) составляла I = 0,25 см; 0,2 см; 0,3 см; радиус расположения внутренней (со стороны оси вращения) поверхности цилиндрической перегородки равнялся г = 8,6 см;
11,81 см; 14,0 см; 16,45 см; 21 см; 25 см; угловая скорость вращения ротора
ш = 104,7-;112-;125-;157-;
сссс рад рад
188,4 — ;209,3 —. сс
На рис. 3 представлены результаты экспериментальных исследований.
В результате обобщения опытных данных получено уравнение
wл + wт /ш2г1\0,5 Ар
= 0,365 [ — ) •А (3)
'л V Рл
W„
описывающее начало подвисания и уравнение
,2^,4 0.5
wл + wт
W„
= 0,850
Wí
.Ар
Рл'
(4)
описывающее начало затопления.
Сравнение уравнения (1), полученное для режима подвисания на коаксиальных перфорированных цилиндрах с уравнением (3) для подвисания в ячейке, имитирующей отсек коаксиальных перфорированных цилиндров, снабженных радиальными перегородками, что в последнем случае происходит увеличение производительности аппарата в 1,35 раза.
б
а
этих аппаратах центробежная сила используется наиболее полно.
Литература
1. Ю.И. Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии. Химия. Москва. 1995. 368 с.
2. Р.Г. Галимуллин, Н.Х. Зиннатуллин, М.В. Астраханов. Вестник КТУ, т. 20, № 3, 125-127 с (2017).
3. Авт. свид. СССР. 691149 (1977).
0 10 20 30
40
(ro2rl/w/)0'5Ap/p
л
Рис. 3 - Экспериментальные данные для границы подвисания (1) и затопления (2)
Аналогичный результат дает сравнения уравнений (2) и (4) для границы затопления -получено увеличение производительности в 1,30 раза.
Таким образом, центробежные экстракторы с коаксиальными цилиндрами, снабженными радиальными перегородками более эффективны по сравнению с существующими конструкциями. В
© Р. Г. Галимуллин - канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, liliagalimullina@gmail.com; Н. Х. Зиннатуллин - д-р техн. наук, проф. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, проф. каф. энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий КГЭУ, znazif@yandex.ru; Г. Н. Зиннатуллина - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ; М. В. Астраханов - студ. КГЭУ, BASAY55555 @yandex.ru.
© R. G. Galimullin - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of processes and devices of the chemical technology of the KNITU, liliagalimullina@gmail.com; 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, znazif@yandex.ru; G. N. Zinnatullina - Candidate of Technical Sciences, associate professor of industrial safety of the KNITU; M. V. Astrakhanov - the student of the KSPEU, BASAY55555@yandex.ru.
