CC BY
24
УДК ББ.021.3+ББ.048.3
Б. А. Серябряков ГІДРОДИНАМІКА ТА МАСОПЕРЕДАЧА
ПРОЦЕСУ РЕКТИФІКАЦІЇ У ВІДЦЕНТРОВОМУ АПАРАТІ
В статті описано та обґрунтовано теоретичне та експериментальне дослідження гідродинаміки і масообміну у системі «газ — рідина» під впливом відцентрових сил, моделювання процесів, розробка методики інженерного розрахунку високоефективного енерго- і ресурсозберігаючого обладнання.
Ключові слова: гідродинаміка, масоперенос, центробіжний апарат.
1. Вступ
Дослідження, про які йдеться мова у доповіді відносяться до галузі хімічного машинобудування. Масообміні процеси мають велике значення в більшості хімічних виробництв. Металоємність колонних апаратів на підприємствах хімічної галузі становить 28 % від всієї металоємності або 20—50 % вартості всього технологічного устаткування. У цих умовах визначальне значення набуває підвищення інтенсивності масообмінних процесів і створення апаратів великої одиничної потужності, що входять до складу компактних малогабаритних установок і технологічних ліній. Зниження металоємності та енергетичних витрат поряд із підвищенням ефективності роботи апаратів можливо за допомогою використання відцентрових сил. Це дозволяє зменшити час перебування речовин в апараті, покращити керування процесами за рахунок зміни гідродинамічних факторів, а також зменшити енергетичні витрати при багатотоннажному виробництві.
2. Постановка проблеми
Обґрунтовано теоретичне та експериментальне дослідження гідродинаміки і масообміну у системі «газ — рідина» під впливом відцентрових сил, моделювання процесів, розробка методики інженерного розрахунку високоефективного енерго- та ресурсозберігаючого обладнання. Предметом досліджень є кінетика і механізм процесів масообміну, вплив гідродинамічних і масообмінних параметрів на процес і керованість процесу.
3. Основна частина
3.1. Аналіз літературних джерел за темою дослідження. В роботах [1—2] проведений аналіз різних конструкцій роторних і відцентрових апаратів і дана їх класифікація. Показано, що найбільш перспективними для інтенсифікації тепломасооб-міну і створення малогабаритного устаткування
є високошвидкісні відцентрові апарати, що відносяться до групи апаратів з поверхню контакту у виді швидкісної постійно обновлюваної плівці рідини і з поверхнею, що розвивається у вільному обсязі, за рахунок інтенсивного краплеутворення. Розглянуто роботи, що висвітлюють гідродинаміку і кінетику масовіддачі в роторних апаратах.
3.2. Результати досліджень. В роботі [3] запропоновано модель руху двухфазного середовища, з урахуванням дії конструкції, яка визначена особливостями контактних пристроїв, що характеризує три зони контакту у відцентровому апараті.
Для контактного пристрою з радіальними лопатками запропонована розрахункова формула, що дозволяє визначити мінімальне число лопаток при якій запобігається віднесення рідкої фази
п = 38,2юс^іп(у/2) ...
р ^ -RB)(RH + Rв)• ( '
Теоретично визначені граничні режими роботи відцентрового апарата, що визначаються початком «захлинання» його контактного пристрою. «Захлинання» контактного пристрою відцентрового апарата визначається як навантаженням по фазах, так і швидкістю обертання ротора.
При роботі апарата в режимах близьких до граничних, збільшується товщина плівки рідини в шарі контактного пристрою за рахунок гальмування дії парового потоку. Це помітно позначається на ступені перекриття живого перетину каналів, що у свою чергу, обумовлюється збільшенням сил тертя між взаємодіючими фазами. «Захлинання» контактного пристрою відбувається у внутрішньому його перетині тобто при г = г0 . У режимах, близьких до захлинання, швидкість газу у внутрішньому перетині контактного пристрою значною мірою залежить від співвідношення навантаження по фазах і від швидкості обертання ротора.
Було експериментально визначене сумарне значення віднесення рідкої фази. Кількість віднесеної з контактного елемента рідини визначали сепараційним методом, що заснований на уловлюванні
TECHNOLOGY audit and PRODUCTION RESERVES — № 3/2(5), 2012, © B. Serebriakov
21
віднесених крапель рідини у винесеному сепараторі-краплевідбійнику. Це дозволяє відокремлювати не менш 99,3 % віднесеної з апарата рідини при максимальних швидкостях повітря, а зі зменшенням швидкості ефективність сепарації зростає до 99,8 %.
В роботі [4—6] представлені результати експериментального вивчення кінетики масовіддачі в рідкій і газовій фазах для перерахованих контактних пристроїв. Оскільки поверхня контакту фаз і її залежність від навантажень по фазах і швидкості обертання ротора залишалися невідомими, як характеристику швидкості масообміну використовувалася висота одиниці переносу в рідкій і газовій фазах.
Виявилося, що висота одиниці переносу, у рідкій фазі, у всіх випадках росте, а ефективність масовіддачі знижується з підвищенням навантаження по газу. При цьому щільність зрошення практично не впливає на інтенсивність масовіддачі в досліджуваному діапазоні її зміни. При зміні частоти обертання ротора від n = 2000 об/хв до 9000 об/хв, величина hL зменшується в 2,5—4 рази для усіх вивчених типів контактних елементів.
Масообмін, контрольований газовою фазою в апараті з указаними контактними пристроями вивчали на прикладі десорбції аміаку з водяного розчину в потік повітря. Встановлено, що висота одиниці переносу hG в газовій фазі росте зі збільшенням швидкості газу. Було встановлено, що для усіх вивчених конструкцій контактних елементів висота одиниці переносу знижується з ростом щільності зрошення і зі збільшенням частоти обертання ротора, тобто інтенсивність масовіддача росте і висота одиниці переносу досягає величини приблизно 25—30 мм при частоті обертання ротора 5000 об/хв, що на порядок нижче значень hG одержуваних при десорбції аміаку з водяного розчину в повітря в звичайних насадочних колонах.
Експериментально знайдені значення DPGL послужили основою для одержання кореляційних залежностей, що дозволяють розрахувати гідравлічний опір апарату для вивчених контактних пристроїв.
Для діапазону навантажень по рідині від 0,7 до 15 кг/(м2с) для всіх досліджених типів контактних пристроїв справедливе рівняння загального виду
-^Ц- = Eu = ARe-aFrb. (2)
Р GWg
Показники ступеня a і b, та коефіцієнт А визначаються для кожного типу контактного пристроїв.
У випадку, коли навантаження по рідині перевищує межу усталеної роботи апарата, тобто 15 < Ql < 55,5 кг/(м2с) для досліджених контактних пристроїв після обробки експериментальних даних, отримані наступні рівняння:
тип 1 — ÁPGL/pGWG = 3,114ReG°’72 • Re°2Fr°-3;
тип 2 — ÁPGL¡pGW2 = 48,1- ReG0'85 ■ Re0°'2Fr°-3;
тип 3 — APgl/pGW2 = 1,88 • Re-'5i ■ Re°L'2Fr°-3.
Середнє відносне відхилення розрахункових та експериментальних значень не перевищує 15 %.
Література
1. Машини та апарати у хімічних, харчових в переробних виробництвах [Текст] : підручник / Л. Л. Товажнян-ський, В. П. Шапорев, В. Ф. Моісеєв та ін. — Х. : Колегіум, 2011. — 606 с.
2. Машини та апарати у хімічних, харчових в переробних виробництвах [Текст] : навч.-метод. посібник / В. Ф. Моісеєв, І. В. Пітак та ін. — Х. : НТМТ, 2011. — 220 с.
3. Бубликова Є. В. Закономірності гідродинаміки та масо-передачі процесу ректифікації у відцентровому апараті [Текст] : дис. канд. техн. наук / Є. В. Бубликова. — Х., 2008. — 182 с.
4. Бубликова Є. В. Технология озонирования при очистке сточных вод [Текст] / Є. В. Бубликова, Ю. В. Сіренко, В. Ф. Моісеєв // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». — 2004. — № 37 — С. 88—93.
5. Бубликова Є. В. Закономерности уноса жидкой фазы в центробежном тепло- массообменном аппарате [Текст] / Є. В. Бубликова, В. Ф. Моісеєв // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2006, — № 6/3. — С. 34—38.
6. Бубликова Е. В. Исследование массообмена в центробежном тепломассообменном аппарате [Текст] / Е. В. Бубликова, В. Ф. Моисеев // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2007, — № 1/3. — С. 33—37.
ГИДРОДИНАМИКА И МАССОПЕРЕДАНА ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ АППАРАТЕ
Б. А. Серебряков
В статье описано и обосновано теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамики и массообмена в системе «газ — жидкость» под действием центробежных сил, моделирование процессов, разработка методики инженерного расчета высокоэффективного энерго- и ресурсосберегающего оборудования.
Ключевые слова: гидродинамика, массоперенос, центробежный аппарат.
Богдан Андреевич Серебряков, студент кафедры химической техники и промышленной экологии Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», тел.: (093) 7124890, e-mail: bserebriakov@ mail.ru.
HYDRODYNAMICS AND MASSTRANSFER PROCESS OF RECTIFICATION IN A CENTRIFUGAL VEHICLE
B. Serebriakov
The article described and justified by theoretical and experimental study of hydrodynamics and mass transfer in a «gas — liquid» by centrifugal force, process modeling, development of methods of engineering calculation of highly energy-and resource-saving equipment.
Keywords: hydrodynamics, mass transfer, centrifugal machine.
Bogdan Serebriakov, student, Department of Chemical Technology and Industrial Ecology, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», tel.: (093) 7124890, e-mail: bserebriakov@mail.ru.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/2(5), 2012
