Исследование диаметра парового пузыря при ректификации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.015.23

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАМЕТРА ПАРОВОГО ПУЗЫРЯ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ

А. В. Кустов*, Я. С. Гончарова, И. И. Букельманов, С. А. Козин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

*E-mail: alexkust@rambler.ru

Рассматривается вопрос определения диаметра парового пузыря, образующегося на вихревой ректификационной ступени при переработке растительного сырья.

Ключевые слова: ректификация, газосодержание, удельная межфазная поверхность.

STUDY OF INFLUENCE OF FORCES IN THE DIAMETER STEAM (GAS) BUBBLES ON VORTEX STAGE AT RECTIFICATION

A. V. Kustov*, Ya. S. Goncharova, I. I. Bukelmanov, S. A. Kozin

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: alexkust@rambler.ru

This article is deals with the question of determining the diameter of the steam bubble formed on Vortex distillation stages. The famous formula is determining the diameter of bubbles taken into account influence of inertial forces generated by the work of rectifying column by spinning the gas-liquid contact layer on the stage.

Keywords: rectifying, gas content, specific surface.

Введение. Анализ возможных путей интенсификации масоопередачи в системе газ-жидкость показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барботаж-ных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности. В связи с этим, применение центробежного ускорения является наиболее простым способом интенсификации массообмена. Вращение потока способствует дроблению пузырьков пара на ступени и предотвращает капельный унос, за счет действия инерции.

В виду вышесказанного для определения диаметра пузыря был использован известный процесс диспергирования, который рассматривают также с позиций гидродинамической неустойчивости, исходя из которой получено [1; 2]

d. = 3,48

Г а3 V5

,3 3 2

Vст ' Р ' s0 у

(1)

где во - диссипация энергии в единице массы сплошной среды, Вт/кг; р - плотность жидкости, кг/м3; ст - коэффициент сопротивления.

Диссипация энергии, входящая в уравнение (1), рассчитывалась по формуле в = Евн / т. В предположении, что диссипация энергии происходит за счет внешнего трения о стенки и дно ступени (Евнеш) и внутреннего трения слоев жидкости и пузырьков газа (Евн), можно записать [1; 4]

2 2 Евн = еРг^+ежр^жш -ейрг-жнг_жш - -^-ж(2)

где е еж ег-ж - расходы газа (пара), жидкости и газо-жидкостной смеси, соответственно, м3/с; рг, р, рг-ж - плотность газа (пара), жидкости и газо-жидкостной смеси, соответственно, кг/м3; иг - скорость газа, м/с; Н0 - высота столба жидкости, м; Н - высота газо-жидкостного столба, м; Ш - ускорение свободного падения, м/с2; ^ - угловая скорость вращения газо-жидкостной смеси,

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

с-1; тг-ж - касательные напряжения на границе контакта жидкости и газа, Па; /- площадь контакта, м2; Яз - радиус завихрителя, м.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений диаметра газового пузыря представлено на рис. 1. Сплошная линия на рисунке - значение диаметра пузыря с учетом мощности, создаваемой силой инерции.

йп,

мм

О

0

10

20

30 и, м/с

Рис. 1. Зависимость среднеповерхностного диаметра пузыря от скорости газа в каналах тангенциального завихрителя. Экспериментальные точки: Б = 330 мм; 50= 15 мм; I = 15 мм; п = 8 шт.; V = 2 л. Сплошная линия - расчет по уравнению (2)

Расчетные значения диаметра пузырьков газа, проведенные по изложенной методике, имеют большую величину (рис. 1, пунктирная линия) в сравнении с опытными. Это позволяет предположить, что дробление пузырьков газа на ступени обеспечивается не только силами внутреннего трения между вращающимися газо-жидкостными слоями, но и за счет давления, вызванного силами инерции. Исходя из общей зависимости для мощности:

N = Е • V,

где Е - действующая сила, Н; V - скорость, м/с.

Можно определить величину энергии, создаваемой силой инерции:

N = т •та3 Я2,

(3)

(4)

где т - масса жидкости на контактной ступени, кг; Я - радиус завихрителя, м; ю - угловая скорость газо-жидкостного слоя, с-1.

Как видно, учет мощности, создаваемой силой инерции (зависимость (4)) в выражении (2) позволяет приблизить расчетные значения диаметра пузыря к экспериментальным (рис. 2).

ф

0,8

ф

0,8

]

\ •

0,2 0,4 °,6 и, м3/(м2-с) б

Рис. 2. Зависимости газосодержания от скорости газа в каналах (а) и параметра/7Еи (б) при Яз = 44 мм; Бс = 110 мм; V = 200 мл на системе этиловый спирт-вода: О - /7Е = 0,089; □ - 0,04; Д - 0,032; О - 0,022

5

4

3

2

1

0

0,7

0,6

0,5

0,4

а

Заключение.

Полученная зависимость для определения диаметра парового пузыря, предложенная в данной статье, позволяет приблизить расчетные значения к экспериментальным. Это, в свою очередь, дает возможность более точно подходить к расчету ректификационных колонн, применяемых при получении и очистки этапола, получаемого на основе гидролизата растительного сырья.

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. 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.

3. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработки растительного сырья : автореф. дис. ... канд. техн. наук; 05.21.03 / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2010.

4. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column [text] // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Т. 82. № 4. С. 730-735.

© Кустов А. В., Гончарова Я. С., Букельманов И. И., Козин С. А., 2017