CC BY
25УДК 66.015.23
ГИДРОДИНАМИКА ВИХРЕВОЙ КОНТАКТНОЙ СТУПЕНИ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
А. В. Кустов, Я. С. Гончарова, А. А. Карелина, М. М. Литвинова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: alexkust@rambler.ru
Представлены результаты исследования гидродинамики вихревой контактной ректификационной ступени с тангенциальными и осевыми завихрителями потока. Определены режимы течения газо-жидкостной смеси, получены зависимости для расчета скорости газа.
Ключевые слова: ректификация, массообмен, гидродинамика, критическая скорость, режимы течения.
HYDRODYNAMICS OF THE VORTEX CONTACT STEP OF THE RECTIFICATION COLUMN
А. V. Kustov, Ya. S. Goncharova, A. A. Karelina, M. M. Litvinova
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: alexkust@rambler.ru
The results of a hydrodynamic study of a vortex contact rectification stage with tangential and axial flow sweepers are presented. The flow regimes of the gas-liquid mixture are determined, and the dependences for calculating the gas velocity are obtained.
Keywords: rectification, mass transfer, hydrodynamics, critical velocity, flow regimes
Анализ вихревых контактных ступеней для ведения процесса ректификации показывает, что использование винтовых вставок, а также лопастных завих-рителей в ректификационных колоннах не позволяет обеспечить интенсивное диспергирование газа и высокую удерживающую способность по жидкости по причине достаточно больших размеров каналов для прохода газа. Наибольший интерес для проведения процесса ректификации представляет контактные ступени, тарелки которых выполнены из тонких листов снабженных профилированными щелями, отогнутые кромки которых образуют каналы для прохода пара. А также устройства с тангенциальным вводом газа. В указанных конструкциях, газ, проходя через щели, приобретает высокую скорость, равномерно распределяется в слое жидкости на ступени, интенсивно дробится, образуя вращающуюся газожидкостную смесь [1].
Гидродинамика контактных ректификационных ступеней исследовалась на системе воздух - жидкость. Расход газа изменялся от 1 до 40 м3/час и измерялся нормальной диафрагмой. В качестве модельных жидкостей использовались: вода, 96 % об. этиловый спирт, вода с добавкой ПАВ, вода с добавкой глицерина. Температура жидкости и газа варьировалась в пределах 10-80 оС. Внутренний диаметр колонны составил равным 50-120 мм, величина зазора каналов для выхода газа варьировалась от 0,7 до 2 мм, ширина -от 5 до 36 мм, а их количество составило 4-36 шт.
Перепад давления на ступени измерялся дифференциальным манометром.
Режимы течения. В зависимости от расхода газа можно выделить три основных режима течения газожидкостной смеси (рис. 1): барботажный; кольцевой; пленочный. Для контактных ступеней ректификационных колонн с целью получения развитой межфазной поверхности и низкого гидравлического сопротивления наибольший интерес представляет кольцевой режим течения, который наблюдается при достижении определенной скорости газа ик на выходе из каналов [2; 3].
а б в
Рис. 1. Фотографии газожидкостной смеси на ступени при Б = 114 мм: а - барботажный режим; б - кольцевой; в - пленочный
При достижении скорости газа равной ип (которая также указывает на начало оголения каналов для прохода газа) наблюдается пленочный режим течения с раздельным течением газа и жидкости. При этом
Механика специальных систем
режиме происходит отток газовых пузырьков из жидкостного слоя и не реализуется их обновление. При допущениях о том, что вращающийся цилиндрический газожидкостный слой ведет себя как твердое тело, силы инерции и давления равномерно распределены по высоте потока условие равновесия сил в момент образования кольцевого режима можно представить в виде
m ro2R > рgH(1 - ф) S,
(1)
где т - масса жидкости; ю - угловая скорость вращения; Я - радиус вращения; Н - высота столба газожидкостной смеси; - внутренняя поверхность вращающегося газожидкостного слоя; g - ускорение свободного падения; р - плотность жидкости; ф - газосодержание.
Тогда из (1) несложно получить
gH (1 -ф)
SR ,
(2)
FT R ю = N,
(3)
где - сила, обусловленная трением газа о поверхность жидкости; N - мощность.
Выражение угловой скорости, при которой обеспечивается смена режимов примет вид
ю = -
N
ъ • f • R
(4)
Уравнение (5) справедливо при диаметре завихри-теля контактной ректификационной ступени (80-120) мм, угле наклона каналов 30-40° к касательной и величине коэффициента динамической вязкости жидкости цж = (0,6-1,6) ■ 10-3 Па •с. Переход в пленочный режим для ступени с осевыми завихрителями осуществляется при и/ип ~ 0,6 , а при тангенциальном при ик/ип ~ 0,5. Как видно, контактные ступени с тангенциальным вводом газа имеют больший рабочий диапазон устойчивого кольцевого течения и, поэтому, рекомендуется к использованию в инженерной практике.
где 5 - толщина газожидкостного слоя.
Согласно (2), скорость газа, при которой наступает кольцевой режим течения, зависит от объема жидкости на ступени и газосодержания и величины радиуса окружности, на которой размещены каналы для прохода газа. Увеличение Я и ф приводит к снижению критической скорости газа ик, а рост объема жидкости на ступени к ее повышению [4; 5; 6]. При допущении, что начальное вращение жидкости обеспечивается касательными напряжениями газа о жидкость соприкасающейся с поверхностью каналов для прохода газа можно записать
иК , м/с
30
20
10
А >
X
\ \ о 1;
V о Д - 2; — -г
А
\<
д
0
0,02 0,04 0,06 0,08 f / F
где т,- - касательные напряжения; R - радиус размещения каналов для прохода газа на тарелке; f = 50 • l • n -площадь каналов; 50 - зазор канала; l - длина канала; n - количество каналов.
Согласно (4) с увеличением площади сечения каналов для прохода газа (или коэффициента крутки А = f/F) переход в кольцевой режим течения осуществляется при меньшей скорости газа. Экспериментальные значения критической скорости газа от фактора крутки для разных типов завихрителей и объема жидкости на ступени, показаны на рис. 2. На основе полученного экспериментального материала зависимость для расчета критической скорости газа имеет следующий вид
щ = С (f/F)-0,8 (H/D)0,7 (рж (1 - ф)/рг), (5)
где коэффициент С = 0,007 для осевого завихрителя и С = 0,006 для тангенциального завихрителя; F - площадь сечения контактной ступени; H - уровень газожидкостной смеси на ступени; D - диаметр ступени; рж и рг - плотность газа и жидкости.
Рис. 2. Зависимость критической скорости газа от коэффициента крутки на системе воздух-вода при Б = 100 мм, V = 200 мл; г = 15 °С.
Экспериментальные точки (1-3): 1 - многолопастной осевой завихритель при п = 18, 5о = 1 мм, I = 10 мм; 2 - тангенциальный завихритель при п = 18, 50 = 1 мм, I = 10 мм; 3 - многолопастной осевой конический завихритель при п = 16, 50 = 1 мм, I = 26 мм
Библиографические ссылки
1. Войнов Н. А., Кустов А. В., Николаев Н. А. Получение безводного этанола при ректификации под вакуумом // Хвойные бореальной зоны. 2012. № 3-4. С. 373-378.
2. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработки растительного сырья : автореф. дис. ... канд. техн. наук ; 05.21.03 ; СибГТУ. Красноярск, 2010.
3. Войнов Н. А., Николаев Н. А., Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне // Химическая промышленность. 2008. Т. 85, № 8. С. 413-419.
4. Вихревые ректификационные ступени с низким гидравлическим сопротивлением / А. В. Кустов, П. С. Щастовский, Я. С. Гончарова и др. // Химическая промышленность сегодня. 2017. № 1. С. 34-41.
5. Исследование вихревых ректификационных ступеней / А. В. Кустов, Н. А. Артищева, В. Г. Межов и др. // Химия растительного сырья. 2016. № 3. С. 125-134.
6. Вихревые контактные ступени для ректификации / Н. А. Войнов, Н. А. Николаев, А. В. Кустов и др. // Химия растительного сырья. 2008. № 3. С. 173-184.
0
References
1. Voynov N. A., Kustov A. V., Nikolaev N. A. Po-luchenie bezvodnogo etanola pri rektifikatsii pod vakuu-mom [Preparation of anhydrous ethanol during rectification under vacuum] // Khvoynye boreal'noy zony. 2012. № 3-4. P. 373-378.
2. Kustov A. V. Gidrodinamika i massoobmen na vikhrevykh rektifikatsionnykh stupenyakh pri pererabotki rastitel'nogo syr'ya [Hydrodynamics and mass transfer on vortex rectification stages during processing of plant raw materials.]. Avtoreferat dis... kand.tekhn.nauk; 05.21.03. Krasnoyarsk: SibGTU, 2010.
3. Voynov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Gidrodinamika i massoobmen v vikhrevoy rektifikatsion-noy kolonne [Hydrodynamics and mass transfer in a vortex distillation column] // Khimicheskaya promyshlen-nost'. 2008. T. 85, № 8. P. 413-419.
4. Vikhrevye rektifikatsionnye stupeni s nizkim gidravlicheskim soprotivleniem [Vortex rectification stages with low hydraulic resistance] / A. V. Kustov, P. S. Shchastovskiy, Ya. S. Goncharova et al. // Khimicheskaya promyshlennost' segodnya. 2017. № 1. Р. 34-41.
5. Issledovanie vikhrevykh rektifikatsionnykh stu-peney. [Investigation of vortex rectification stages] / A. V. Kustov, N. A. Artishcheva, V. G. Mezhov et al. // Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2016. № 3. Р. 125-134.
6. Vikhrevye kontaktnye stupeni dlya rektifikatsii. [Vortex contact stages for rectification.] / N. A. Voynov, N. A. Nikolaev, A. V. Kustov et al. // Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2008. № 3. Р. 173-184.
© Кустов А. В., Гончарова Я. С., Карелина А. А., Литвинова М. М., 2018
