CC BY
37
УДК 536.242.001.5
Приведены результаты экспериментального исследования по интенсификации тепломассообмен-ных процессов в вязкой трехфазной системе «газ - твердое тело - жидкость» (Г - Т - Ж) при местной закрутке потока аксиальным лопаточным закручивателем. В качестве модельного процесса выбран процесс карбонизации раствора силиката натрия в производстве белой сажи
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ
ТЕПЛО -МАССООБМЕНА ПРИ МЕСТНОЙ ЗАКРУТКЕ ТРЕХФАЗНОГО ПОТОКА АКСИАЛЬНЫМ ЛОПАТОЧНЫМ ЗАКРУЧИВАТЕЛЕМ
М.И. Васильев
Ассистент*
Контактный тел.: (057) 707-62-57, (095) 133-38-36 Е-mail: zaba_l@yahoo.com
В. П. Шапоре в
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой*
Контактный тел.: (0572) 707-66-81 Е-mail: himeco@kpi.kharkov.ua
Т.Ю. Луценко
Магистр*
Контактный тел.: (0572) 707-66-81 Е-mail: himeco@kpi.kharkov.ua *Кафедра химической техники и промышленной экологии Национальный технический университет «ХПИ» ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002
Аксиальные лопаточные закручиватели (в дальнейшем сокращенно АЛЗ) потоков в реакторах трубчатого типа находят в современной технике достаточно широкое применение как средство интенсификации тепломассопереноса. В настоящее время исследователями накоплен обширный экспериментальный материал по интенсификации тепломассообмена в каналах различного профиля (труба; труба, имеющая зоны ускорения в виде конфузора; цилиндрический участок и диффузор, которые могут повторяться по длине трубы неоднократно)[1-3]. Однако все имеющиеся в литературе данные относятся к случаю турбулентного течения вязких жидкостей, а данные по трехфазным системам практически не освещены. При этом из анализа опытных данных [1-3]
видно, что АЛЗ в вязких средах интенсифицируют тепломассопередачу в два раза, причем наибольшие эффекты достигаются на начальном участке трубы ( 1 / D < 40). Причиной роста тепломассоотдачи в вязких жидкостях является возникновение и развитие за интенсификатором под действием центробежных сил вторичных течений и кавитационных зон [4]. К сожалению, в настоящее время совершенно отсутствуют опытные данные для вязких систем: жидкость - газ - твердое тело, находящих самое широкое применение в современной технологии.
Цель настоящей работы - определение эффективности и оптимального диапазона применения АЗЛ в длинных трубных реакторах по числу Рейнольдса и эффективной вязкости системы.
Опыты проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис.1. Суспензия из бака предварительного термостатирования 1 прокачивалась насосом 2 по замкнутому контуру: теплообменник окончательного термостатирования 4 (3-термостат), успокоительную камеру 5, закручиватель 6, рабочий участок 7 и камеру смешения 11. Расход жидкости регулировался изменением числа оборотов насоса 2 и вентилем 14. Газ подавался через штуцер 16, установленный перед закручивателем 6. Газ подавался от баллонов с СО2 и воздухом, расход газа измерялся диафрагмами (на схеме не показано). Опыты по мас-сопередаче проводились при постоянной температуре 65°С, опыты по теплопередаче - в условиях нагревания суспензии. Обогрев рабочего участка 7 проводился секционными нихромовыми электронагревателями 9. Температура стенки измерялась при помощи системы хромель-копелевых термопар 12 с диаметром проводов 0,12 мм и потенциометра 13. Температура суспензии на входе и выходе из рабочего участка измерялось образцовыми термометрами 10.
степени карбонизации (степени взаимодействия газа с жидкой и твердой фазами).
В качестве модельной системы был использован водный раствор силиката натрия (т №20 • п SiO2) с содержанием Si02 в растворе - 6% масс., №С1 - 0..3% масс. от массы раствора, силикатный модуль раствора 2,7. В качестве газа использовались углекислота с содержанием 99,8% СО2 и смеси воздуха и углекислоты с содержанием СО2 до 40%. Расход газа при 99,8% СО2 - 0,85 л/мин на 1 л. подаваемой суспензии, при 40% СО2 - 2,2 л/мин на 1 л. суспензии. Процесс, протекающий в реакторе, является гетерогенным коллоидно-химическим процессом, в течении которого происходит абсорбция диоксида углерода, его растворение и химическое взаимодействие с раствором силиката натрия, протекающие по уравнению:
№20 ^Ю2+ СО2+ х Н2О-
^№2^3+ п Si02 • х Н2О
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки и аксиальный лопаточный закручиватель.
В качестве рабочего участка установки была использована труба из нержавеющей стали 1Х18Н10Т с 1 / D = 70. Чистота внутренней поверхности трубы соответствовала 8 классу чистоты. АЛЗ, устанавливаемый на входе в рабочий участок, был изготовлен из листовой латуни толщиной 0,3 мм. Диаметр центрального стержня d=4 мм, наружный диаметр лопаток D=40мм. Угол закрутки а измеряли от 15 до 75°. Перепад давления измерялся при помощи диф-манометра 8 и гребенки 15 в нескольких сечениях по длине трубы в целях опытного ориентировочного определения длины участка затухания крутки потока. Полный перепад давления измеряли между сечением потока у камеры смешения и сечением, находящимся за пределами АЛЗ. Данная система позволяет при определении коэффициентов гидравлического сопротивления учитывать потери на вход и на придание потоку вращательного движения. Под углом закрутки потока понимается угол наклона лопаток к касательной, проведенной к окружности, образуемой в одной из любых плоскостей сечения, проведенного перпендикулярно к оси цилиндрического канала между передним и задним торцами закручивателя. Через гребенку 15 в нескольких сечениях отбирали также пробы трехфазной системы с целью определения газосодержания и
с образованием гидратированной кремниевой кислоты (п Si02• х Н2О).
Можно полагать что в карбонизуемом растворе силиката натрия наряду с коллоидными образованиями полимерных кремневых кислот содержится химическое соединение №20 ■ п SiO2 подвергающееся гидролизу. По мере повышения степени карбонизации раствора происходит уменьшение концентрации ионов ОН- вследствие реакции ОН- + НСО3- = Н2О + СО3- . Уменьшение концентрации гидроксильных ионов способствует гидролизу силиката натрия (в результате чего образуется золь кремневой кислоты) и, по-видимому, сопровождается увеличением скорости полимеризации кремневой кислоты, что, в свою очередь, способствует росту первичных частиц до размера коллоидных. Изучение механизма образования низкомолекулярных поликремневых кислот показало, что гель кремневой кислоты является продуктом конденсации ортокремневой кислоты. Поэтому с полной достоверностью можно считать, что образованию гетерогенной системы в процессе карбонизации предшествует полимеризация и конденсация частиц кремниевой кислоты. В результате этих процессов увеличивается вязкость золя, появляется структурная сетка и в течение непродолжительного времени весь карбонизуемый раствор превращается в студень или же происходит образование геля. Таким образом, формирование структуры кремневой кислоты следует рассматривать как постепенный переход от низкомолекулярного золя к высокомолекулярному, в течение которого, как было нами установлено, в зависимости от условий карбонизации может происходить образование полимеров кремневой кислоты различной структуры и степени гидратации. Следовательно, свойства осажденной кремнекислоты определяются не только степенью ее дисперсности, которая характеризуется величиной удельной поверхности, но и физической структурой, видоизменяющейся в зависимости от условий карбонизации.
Структурные изменения, претерпеваемые системой, предварительно были исследованы в реакторе с турбинной мешалкой (емкостью 600 мл при оборотах 0,6 об/с и 3 об/с), которые наглядно отражают кинетику изменения вязкости, величины рН и величины частиц исследуемой системы (рис. 2).
Рисунок 2. Изменение физико-химических показателей процесса карбонизации растворов силиката натрия (без NaCl) и с добавкой NaCl:
1 — скорость абсорбции СО2; 2 — вязкость; 3 — рН.
В процессе карбонизации раствора силиката натрия без добавки №С1 наблюдается непрерывный рост вязкости системы, как это следует из рис. 2, что указывает на развитие процессов полимеризации. Надо полагать, что при этом в результате химической реакции между силанольными группами мицелл кремневой кислоты дальнейшая полимеризация приводит к образованию разветвленных пространственных структур.
Введение в исходный раствор №С1 (см.рис.2) способствует значительному понижению вязкости системы, свидетельствующему о наличии процесса дегидратации осадка и об отсутствии образования сложных полимерных структур.
Введение в карбонизуемую систему №С1 способствует не только образованию бесструктурного осадка, но также и увеличению скорости поглощения углекислого газа в завершающем периоде карбонизации.
Установленная зависимость скорости абсорбции СО2 от интенсивности перемешивания реакционной смеси свидетельствует о том, что суммарная скорость процесса определяется как скоростью химической реакции, так и гидродинамическими условиями перемешивания.
Турбулизация раствора способствует ускорению диффузионных процессов на границе раздела твердой и жидкой фаз, т.е. приводит к увеличению скорости реакций ионного обмена и скорости дегидратации. При сокращении количества газа, подаваемого на карбонизацию, происходит уменьшение поверхности контакта фаз и, кроме того, согласно представлениям, в резуль-
тате снижения турбулентности системы уменьшается влияние парциального давления СО2 в газе, что приводит к замедлению процесса абсорбции.
Поддержание достаточно высокой скорости подачи газа в условиях интенсивного перемешивания реакционной смеси, ускоряя процесс нейтрализации раствора силиката натрия (уменьшение рН в минуту составляет 0,06 для скорости подачи газа 0,4 л/мин и 0,13 для скорости подачи газа 0,8 л/мин) ускоряет также и процесс коагуляции кремневой кислоты.
В процессе карбонизации растворов силиката натрия осаждение кремневой кислоты протекает не в истинном растворе, а коллоидном, ввиду чего равновесие между твердой и жидкой фазами не имеет места. Абсорбция углекислоты опережает процесс кристаллизации твердой фазы.
Представленные выше закономерности кинетики карбонизации растворов силиката натрия не противоречит известным данным [5, 6], дают представление о динамике исследуемой системы и лимитирующей стадии процесса карбонизации. В общем случае условно процесс можно разделить на три этапа: 1) - до образования твердой фазы (степень карбонизации раствора Кр - 27-29%, рН - 10,8); 2) - образование твердой фазы и ее трансформация (Кр - 65-70%, рН - 10); 3) - стабилизация системы (Кр - 90-98%, рН - 9,2).
Для определения величины относительного увеличения коэффициентов тепломассоотдачи в исследуемом реакторе с АЛЗ по отношению к коэффициентам, полученным в реакторе с мешалкой и для выявления той области по числу Рейнольдса, где это увеличение будет наибольшим, результаты опытов в исследуемой системе были обработаны в виде зависимости №/Ыи0=^К.е), где № - диффузионный и тепловой критерий Нуссельта в реакторе с АЛЗ, №0 - соответственно в реакторе с мешалкой.
При обработке экспериментальных данных значения средних коэффициентов теплоотдачи определялись через среднелогарифмический температурный напор:
а
а = -
F-А-Тл,
(1)
Температура стенки трубы подсчитывалась как средневзвешенная по длине 1:
11, ■ (Т+тм)
ДТст = -И-к-
2 Ц
(2)
Расчет чисел Яе проводился через среднерасхо-дную скорость течения суспензии. Эффективная вязкость суспензии определялась при средних по сечению потока температуре и напряжениях сдвига. Расчет скорости карбонизации проводился по уравнению:
W = -
1000
V
, кг/м3-мин
(3)
где: тСо - масса поглощенного СО2, г; V - объем карбонизуемой суспензии, мл. Среднее газосодержание фср по длине реактора 1 рассчитываем по формуле:
'ф,+Ф,+1
Фор =
= 1=_2
(4)
На рисунке 3 представлены данные по относительному увеличению теплоотдачи и массоотдачи от числа Рейнольдса и угла закрутки потока, отнесенного к числу п.
Как видно из рис.3, с увеличением числа Яе интенсивность процессов возрастает. Анализ возникающих эффектов показывает, что при использовании АЛЗ движение суспензии сопровождается возникновением центробежных сил, приводящих к возмущению потока во всем поперечном сечении начального участка канала. Возмущение потока приводит к резкому относительному росту коэффициентов тепломассоотда-чи. Другой причиной роста коэффициентов, которая отражает специфику трехфазных сред, является сама аномальная зависимость эффективной вязкости от интенсивности напряжений сдвига.
J
А'и/Ш {теплой/ i
3
2
2 I 6 8 10 12*10' № 016 0.33 05 а/л
Рисунок 3. Зависимость относительного увеличения коэффициентов тепломассоотдачи от числа Re и угла закрутки потока.
х-а = 15°; 0-а = 30°; Д-а = 45°; □-« = 60°;
1 - Яе- 8 102; 2 - Яе- 2 102; 3 - Яе-1102
Для большинства аномально вязких сред характерна псевдопластичность, т.е. уменьшение эффективной вязкости с ростом интенсивности напряжений сдвига. Возникающие при закрутке потока центробежные силы приводят к увеличению интенсивности касательных напряжений, что в свою очередь влечет уменьшение эффективной вязкости и увеличение осевой и окружной составляющих скорости движения. Как показали опыты, при достижении эффективной вязкостью величины порядка 0,25 - 0,35 Па с (2,5 - 3,5 П) она начинает оказывать консервативное воздействие на длину участка крутки потока. Начиная с этого диапазона эффективной вязкости, применение АЛЗ уже не дает практически заметного выигрыша.
Как видно из рис.3, наибольший рост коэффициентов тепломассоотдачи наблюдается при углах закрутки потока а = 15 - 30° , причем наибольшую эффективность показал АЛЗ с углом а = 15° . Таким образом, уменьшение угла а приводит к росту интенсификации процессов за счет увеличения истинной скорости течения на начальном участке канала и возмущения потока на нем. На этом участке канала газосодержание суспензии достигает значений 65 - 75% в то время как в реакторе с мешалкой эта величина не превышает 40 - 45%.
В то же время появление и рост окружающей составляющей скорости в трубчатом реакторе с АЛЗ приводит к росту гидравлического сопротивления и затрат мощности на прокачку суспензии через канал. В связи с этим появляется необходимость в оценке эффективности данного метода интенсификации. Одним из показателей эффективности является оценка эффективности [7] с помощью соотношения:
(№,/М)д/(Р/Р0) = ^е)
(5)
где Р0 и Р соответственно мощности которые необходимо затратить на достижение определенного газосодержания в исследуемых реакторах карбонизации, соответственно в реакторе с мешалкой и в реакторе с АЛЗ.
Анализ полученных зависимостей показал, что с увеличением вязкости системы общая эффективность АЛЗ уменьшается в связи с резким затуханием крутки потока за интенсификатором. Максимальное превышение интенсивности процессов над энергетическими затратами для создания соответствующей гидродинамической обстановки, приходится на область эффективной вязкости менее 0,35 Пас (3,5 П). Это соответствует концу второго этапа процесса карбонизации (Кр - 60-70%, РЬ - 10). Рассматривая влияние угла закрутки потока на гидродинамическую обстановку (соотношение 1 ^ при котором крутка затухает) было установлено, что при углах а = 15 - 40° соотношение 1 ^ для эффективной вязкости менее 0,35 Пас (среднее 0,2 Па с) соотношение 1 ^ соответствует значениям -30 - 35, при достижении эффективной вязкости - 0,35 Пас это значение уменьшается до 15 - 20. При более высоких углах закрутки значение уменьшается до 5..10. Значение эффективной вязкости 0,2..0,35 Па с в реакторе достигается за 4 цикла прокачки по замкнутому контуру, что составляло по времени 3.. 4 мин. при вышеотмеченных расходах суспензии и газа. В реакторе с мешалкой это значение было 15..20 мин., при этом в обоих случаях степень карбонизации составляла Кр = 70%, РЬ - 10,2. Это свидетельствует о том, что процесс сорбции СО2 и образования п SiO2 ■ х Н20 в реакторе с АЛЗ протекает в 5 раз более эффективно. Для последующей третьей стадии карбонизации, по-видимому, использование АЛЗ нецелесообразно.
Согласно технологической схемы производства п SiO2 ■ х Н20 (белой сажи) [8] процесс осуществляют в трех последовательно соединенных реакторах с мешалками, в которые независимо друг от друга подается углекислый газ. Предполагается, что в каждом реакторе реализуется определенная стадия процесса отмеченная выше. Как отмечалось при проведении
процесса карбонизации в трубчатом реакторе с АЛЗ на экспериментальной установке рис. 1 за 4 цикла прокачки суспензии через трубчатый реактор были достигнуты результаты аналогичные результатам на выходе из 2-го реактора [8]. Невозможность достигнуть аналогичного результата за 1 цикл прокачки, по-видимому, связана с интенсивным затуханием крутки потока за интенсификатором. Полученные результаты в трубчатом реакторе с АЛЗ свидетельствуют о целесообразности создания многомодульной установки. Однако, как показано выше, оценка эффективности по уравнению (5) показывает, что максимальная интенсификация процесса при наименьших энергетических затратах достигается при достижении вязкости системы менее 0,35 Пас (3,5 П), то есть на втором этапе процесса карбонизации. Установка модулей АЛЗ в одном трубчатом реакторе приведет к резкому повышению гидравлического сопротивления реактора. Поэтому, целесообразно создать такую конструкцию трубчатого реактора с АЛЗ, который имел бы несколько последовательно соединенных модулей с АЛЗ с независимой подачей газа в каждый модуль и соответствующую геометрию канала реактора, позволяющую избежать затухания крутки потока и соответствующих параметров интенсификации процесса. Одним из таких решений может быть установка за прямым участком трубы после интенсификатора, где прогнозируется начало затухания крутки, участков трубы в виде змеевика или полутора. Это, как отмечается в работах [9, 10], может уменьшить затухание крутки потока и еще больше интенсифицировать процесс.
Литература
1. Schluder D.C., Whitelaw P.L., Carlson R.W. Gaseons suspensions - a new reactor coolant// Nucleonics, 1961 vol. 19, №8, p. 67 - 68.
2. Ю.Г. Назлиев Интенсификация конвективного теплооб-
мена при местной закрутке пока аномально вязкой жидкости аксиальным лопаточным закручивателем//Инж. физ. журнал - 1983, 8.4 с. 386-392.
3. Ткач Г.А., Шапорев В.П., Маслов Д.В. Перспективные
пути интенсификации теплообменных процессов//Эко-логия химической техники и биотехнологии. Сб. тр. под ред. Ткача Г.А. Харьков, ХГПУ 1996 т.1 с. 96-99.
4. Н.Е. Немчина, Ф.Д. Овчаренко, Н.И. Марцин. Примене-
ние суперкавитирующих статических смесителей для интенсификации технологических процессов//Химиче-ская технология, 1986 №4. с. 3-35.
5. Е.И.Далматская. Кинетика и статика карбонизации рас-
творов силиката натрия//Работы по технологии производства наполнителей и адсорбентов минерального происхождения. Труды НИОХИМ. Х^Л:Госхимиздат - 1963 с. 83-96.
6. Е.И.Далматская. Карбонизация растворов силиката на-
трия//Журн. приклад. химии 1966 с. 1236-1240.
7. Вакаб Ф.А., Новожилова Т.Б. Шапорев В.П. Инженерные
аспекты очистки сточных вод//Вест. НТУ «ХПИ» -Харьков: НТУ «ХПИ» - 2004 вып. 13 с. 57-70.
8. А.С. 167493.СССР кл. Ш; 33/12 МПКС 01 в Заяв. 27.12.1962 (№810.642/23-26) авт. Е.И.Далматская, М.Б. Зеликин НИОХИМ опубл. 1.01.65 Б №2.
9. А.А. Свириденко, В.В. Третьяков. Экспериментальное ис-
следование смешения турбулентных противоположно закрученных струй на начальном участке в кольцевом канале//Инж. физ. журнал, 1983 т. XL IV №2 с. 205-210. 10 Шапорев В.П., Ткач Г.А., Хитрова И.В., Минёк С.А. Экспериментальное исследование торроидального реактора с закруткой потоков// Весн. ХПИ «Химическая техника» - 1989, в.2 №269 с.37-44.
