Исследование гидродинамических характеристик струйно-барботажного контактного устройства Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 66.048.37

О. С. Попкова, О. С. Дмитриева

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

СТРУЙНО-БАРБОТАЖНОГО КОНТАКТНОГО УСТРОЙСТВА

Ключевые слова: контактное устройство, барботаж, гидравлическое сопротивление.

Предложено струйно-барботажное контактное устройство для массообменных аппаратов, исследована его гидродинамика с целью определения оптимальных параметров конструкции. Струйно-барботажное контактное устройство состоит из множества сливных стаканов, имеющих вертикальные стенки для поддержания уровня жидкости внутри них, расположенных горизонтально в шахматном порядке, образуя тарелку. В контактном устройстве достигается высокая интенсивность взаимодействия между фазами, а также низкое гидравлическое сопротивление, что ведет к увеличению эффективности процесса.

Keywords: contact device, barbotage, hydraulic resistance.

Proposed stream-bubble contact device for mass-transfer apparatuses, and study its fluid dynamics to determine optimal design parameters. Chip contact bubbling device consists of a plurality of downcomers having vertical walls to maintain the level of liquid inside them, arranged horizontally staggered forming plate. In the relay device, a high intensity of interaction between the phases, as well as low flow resistance, thereby increasing process efficiency.

Одним из наиболее эффективных способов энергосбережения в промышленности является модернизация существующих тепломассообменных аппаратов за счет применения современных контактных устройств высокой производительности взамен устаревших. В последние годы появились разные их конструкции для ректификационных и абсорбционных колонных аппаратов, которые отличаются достаточно высокой массообменной эффективностью. Однако зачастую предлагаемые конструкции обладают либо повышенным гидравлическим сопротивлением, либо сложны в изготовлении и ремонте [1-4]. Конструкция, предложенная авторами в работе [5, 6], не обладает указанными выше недостатками. Струйно-барботажное контактное устройство [5] (рис. 1) состоит из множества сливных стаканов, имеющих вертикальные стенки для поддержания уровня жидкости внутри них, расположенных горизонтально в шахматном порядке, образуя тарелку. В каждом ряду стаканы соединены между собой с помощью стержней.

Рис. 1 - Струйно-барботажное контактное устройство (вид спереди с косым срезом): 1 -сливной стакан, 2 - стержень, 3 - отверстия

В днище выполнены отверстия для слива жидкости на расположенный ниже сливной стакан. Контактное устройство обладают низким гидравлическим сопротивлением, по причине постоянства сечения для прохода газа/пара через слой жидкости. Газ

барботирует в виде отдельных пузырей, которые, выходя на поверхность слоя жидкости, разрываются, происходит выброс жидкости с образованием брызг.Цель исследований -определение оптимальных параметров конструкции устройства, т.к. наличие слоя жидкости в сливных стаканах оказывает существенное влияние на работу тарелки. В процессе истечения жидкости через отверстия запас потенциальной энергии, которым обладает среда, превращается в кинетическую энергию свободной струи [7]. Для упрощения расчетов будем считать, что напор одинаков по всему поперечному сечению. Местные потери напора происходят обусловлены гидравлическим сопротивлением. Эти потери можно определить по формуле Вейсбаха АН = /2д, где -

коэффициент местного сопротивления, Ш -скорость за местом, где происходит потеря напора, /с, - ускорение свободного падения, /с .

Численное значение £т определяется видом сопротивления и при небольших числах Рейнольдса можно представить АН = £1МСр2/2с/д, где £ -коэффициент гидравлического сопротивления, I -эквивалентная длина (принимается высота сливного стакана Ь), м, Шср - средняя скорость потока жидкости, м/с, с/ - диаметр отверстия (принимается сторона основания сливного стакана Ь), м. Тогда имеем, что местное гидравлическое сопротивление можно определить по формуле

л ДН сЬРв^Ор

Ар = АНрвд = ,

Ь 2

где ре - плотность газа, кг/м . Приняв, что высота

сливного стакана равна половине стороны основания сливного стакана Ь = Ь/2, получим

Ap = ?

PGWC?

(1)

Исследования показали, что коэффициент местного сопротивления, практически не влияет на значение числа Рейнольдса, следовательно, в инженерных расчетах его можно принять 9,6 (рис. 2).

Из уравнения гидростатики

Ар =

(2)

где pL - плотность жидкости, кг/м .

Если считать, что падение давления жидкости равно местному сопротивлению газа, то можно приравнять левые части выражений (1) и (2)

: Ро^ср р1дЬ

V-

10,2 109,8 9,6 9,4 9,2 9

■л-г-

4000 8000 12000 16000 20000

Рис. 2 - Зависимость местного сопротивления от критерия Рейнольдса при Ь, м: 1 - 0,04; 2 - 0,05; 3 -0,06; 4 - 0,075; 5 - 0,1

Следовательно, средняя скорость потока жидкости

W =

cp

2pLgb

PGç

Используя эту формулу, получим зависимость высоты столба жидкости от скорости газа

H =

fW2 Pg

4pLg

Рис. 3 - Зависимость высоты столба жидкости от скорости газа при ра, м3/кг: 1 - 0,5; 2 - 1; 3 - 1,5

На рис. 3 видно, что с увеличением скорости и

плотности газа увеличивается высота столба жидкости. Рабочей скоростей является диапазон от 1 до 6 м/с. Чем больше высота столба жидкости на тарелке, тем больше сопротивление слоя.

Таким образом, выполненные исследования дают возможность произвести подбор оптимальных конструктивных параметров контактного устройства, в частности высоты борта сливного стакана. Можно достичь максимальной площади поверхности пузырей при выполнении конструкций сливных стаканов с шириной равной 50-100 мм и при равенстве уровня жидкости в сливном стакане с высотой вертикальной стенки сливного стакана, при этом наблюдается перелив жидкости с верхней тарелки на нижнюю. Интенсивный перелив жидкости через борт сливного стакана свидетельствует о работе тарелки в режиме уноса. В контактном устройстве достигается высокая интенсивность взаимодействия между фазами, а также низкое гидравлическое сопротивление, что ведет к увеличению эффективности процесса.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1638-60081 мол_а_дк.

Литература

1. Z.J. Wei, Z.L. You, S.Q. Gui, Industrial & Engineering Chemistry Research, 49, 8, 3732-3740 (2010).

2. A.A. Shagivaleev, A.A. Ovchinnikov, N.A. Nikolaev, Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 39. 6, 590-593 (2005).

3. А.В. Дмитриев, И.Р. Калимуллин, А.Н. Николаев, Химическое и нефтегазовое машиностроение, 8, 11-13 (2010).

4. А.В. Дмитриев, К.В. Дмитриева, А.Н. Николаев, Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2, 3-5 (2011).

5. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, Г.С. Сагдеева, А.Н. Николаев, Патент 156379 РФ, МПК B01D 3/20. Струйно-барботажное контактное устройство для тепломассообменных процессов, № 2015119123/05; заявл. 30.04.2015; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. 2 с.

6. И.Р. Калимуллин, И.Н. Мадышев, А.В. Дмитриев, Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 7-8, 81-84 (2015).

7. Р.Р. Усманова, Г.Е. Заиков, Вестник технологического университета, 18, 9, 98-101 (2015).

8. Ф.Р. Хузина, М.С. Салиева, Н.В. Улитин, Вестник Казанского технологического университета, 17, 5, 198199 (2014).

9. Г.Х. Гумерова, А.А. Исаев, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 9, 8789 (2013).

© О. С. Попкова - доцент кафедры ТОТ ФГБОУ ВПО «КГЭУ», oksiniy@mail.ru, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», ja_deva@mail.ru.

© O. S. Popkova - the associate professor of TBT, KSPEU, oksiniy@mail.ru, O. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru.