CC BY
28
УДК 66.069.82
А. М. Закиров, В. В. Алексеев, В. А. Булкин
ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООБМЕНА В ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВОМ ГАЗОЖИДКОСТНОМ ПОТОКЕ
Ключевые слова: прямоточно-вихревой поток, коэффициент массопередачи, анализ гидравлическое сопротивление
прямоточно-вихревого потока.
Проведено исследование по определению наиболее эффективного вида (прямоточно-вихревого восходящего или нисходящего) взаимодействия газа и жидкости в контактном элементе экспериментальным методом. Сравнение полученных экспериментальных данных при одинаковых гидродинамических и кинетических (массообменных) условиях взаимодействия.
Keywords: Straight-through vortex flow, Mass transfer coefficient, analysis of hydraulic resistance of straight-through vortex flow.
A study was carried out definition of the most effective type (direct-vortex upward or downward) of gas-liquid interaction by using experimental method. The obtained experimental data are compared for identical hydrodynamic and kinetic (mass-exchange) interaction conditions. Comparison the obtained of experimental data for identical hydrodynamic and kinetic (mass-exchange) interaction conditions.
Стремление совершенствовать процессы в газожидкостных системах, а также оборудования для проведения этих процессов привело к созданию многочисленных аппаратов с различными способами подачи и организации движения фаз: распыление жидкости в газовую среду, барботирование газа через слой жидкости, пленочное течение жидкости.
Наиболее перспективным является пленочное движение, в том случае, если сопротивление массопереносу сосредоточено в жидкой фазе. Это связано с тем, что при высоких скоростях, в толще жидкости возникают турбулентные завихрения, увеличивающие скорость массопереноса. Интенсивность процесса массообмена между газом и жидкостью, текущей в виде пленки, можно увеличить приданием газожидкостному потоку винтового движения, при котором увеличается ско-
Рис. 1 - Зависимость коэффициента массопередачи от плотности орошения, при скоростях газа: 1 - 15,0 м/с; 2 - 20,0 м/с; 3 - 25,4 м/с; 4 - 30,0 м/с; 5 - 36,2 м/с
рость контактирования и время пребывания жидкости в зоне контакта.
Авторы статьи [1] приводят экспериментальные данные, подтверждающие увеличение
коэффициента массопередачи в 1,5-2 раза при закручивании газового потока с помощью винтовых вставок в цилиндрическом канале, где протекает взаимодействие газа и жидкости при прямоточно-винтовом движении. Они также отмечают улучшение сепарации после взаимодействия газожидкостного потока, по сравнению с осевым прямотоком.
Целью данной статьи являлось определение наиболее эффективного вида (прямоточно-винтового восходящего или нисходящего) взаимодействия газа и жидкости в контактном элементе [2] для конкретных условий технологического процесса.
Рис. 2 - Зависимость коэффициента массопередачи от плотности орошения, при скоростях газа: 1 - 15,0 м/с; 2 - 20,0 м/с; 3 - 25,1 м/с; 4 - 29,9 м/с; 5 - 34,95 м/с
В качестве контактного элемента использовалась трубка диаметром d=16,8±0,1мм и
длиной 1=150 мм с двухзаходными винтовыми лопастями (угол закрутки I = 48°,7).
Полученные экспериментальные данные взаимодействий газа и жидкости представлены на
рис.1 для нисходящего и на рис.2 для восходящего прямоточно-винтового движения потоков.
По полученным экспериментальным данным можно сделать вывод, что рост коэффициентов массопередачи Кож-а, ч-1, как для восходящего, так и для нисходящего потока, в основном определяется увеличением линейной плотности орошения q, м3/(мч). При низких скоростях газа изменение скорости w, м/с незначительно сказывается на росте коэффициентов массопередачи.
В результате проведения эксперимента были выявлены следующие изменения
гидродинамической обстановки в контактной трубке. На графике они делятся пунктирными линиями на соответствующие режимы:
а) для нисходящего закрученного потока: III-режим распада пленки; У-эмульсионный режим; VI-режим срыва капель;
б) для восходящего закрученого потока: Е-турбулентный режим; Н-режим срыва капель.
В результате обработки опытных данных на ЭВМ по коэффициенту массопередачи были получены следующие зависимости:
а) для нисходящего закрученного потока при w=25,4 м/с:
- для III режима
Кожа= -169,72^2 + 753,07^ + 418,21
- для VI режима
Кожа= -59,41 + 830,37^ + 340,93
- для V режима
Кожа= 162,6^2 + 204,85^ + 947,55
б) для восходящего закрученного потока при w=25,1 м/с:
- для Е режима
Кожа= -253,56^2 + 1934,1^ + 242,75
- для Н режима
Кожа= -62,95^2 + 1449,5^ + 500,85
Рис. 3 - Зависимость коэффициента массопередачи от скорости газовой фазы, при постоянном значении плотности орошения q=0,66 м3/(м-ч): 1- восходящий, 2 - нисходящий закрученные потоки
необходимых для движения, было больше 27 м/с у восходящего в отличие от
гидравлического
Из анализа этих данных можно сделать следующие выводы:
- наибольшие значения коэффициентов массопередачи могут быть достигнуты при проведении процессов в винтовом восходящем потоке газа и жидкости (рис.3);
- при сравнении энергозатрат, создания прямоточно-винтового выявлено, что при скоростях гидравлическое сопротивление потока становится меньше нисходящего (рис.4).
В ходе исследования сопротивления прямоточно-вихревого движения газа и жидкости в интервале скоростей от 10 до 40 м/с при линейной плотности орошения q=0,66 м3/(мч) было выявлено, что при м/=18 м/с у нисходящего потока изменяется гидродинамический режим, для которого характерен срыв капель жидкости с поверхности текущей Аналогичный режим при восходящем возникает только при достижении w=27 следствии большего гидравлического
сопротивления при срыве капель и разницы между скоростями его возникновения для исследуемых потоков - разница гидравлических сопротивлений между ними уменьшается (рис.4). При скоростях w>25 м/с сопротивление закрученного восходящего прямоточного потока становится не значительно, но меньше чем нисходящего. Гидродинамика восходящего потока требует дальнейших анализов и экспериментальной проверки.
Анализ проведенных исследований показывает, что при w>25 м/с потеря напора одинакова как при нисходящем, так и при восходящем потоке. Однако, с точки зрения сепарации фаз после их взаимодействия конструирование контактных устройств с восходящим потоком предпочтительнее
пленки. потоке м/с. В
На рис. 3-4 приводятся сравнения эффективности массопередачи при нисходящем и восходящем прямоточно-винтовом движении потоков в трубке.
Рис. 4 - Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газовой фазы, при постоянном значении плотности орошения q=0,66 м3/(м-ч):1- восходящий, 2 - нисходящий закрученные потоки
Литература 2. А.М. Закиров, В.В. Алексеев, В.А. Булкин, Вестник
технологического университета - 2017, №4, с. 88-90.
1. В.В. Харьков, А.Н. Николаев, Вестник технологического университета - 2016, Т.19 №13, с. 149-152.
© А. М. Закиров - магистрант кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ; В. В. Алексеев - к.т.н., доцент кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ; В. А. Булкин - д.т.н., профессор кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ, alklin@kstu.ru.
© A. M. Zakirov - Magister, Department of machines and devices of chemical manufactures KNRTU; V. V. Alekseev - Ph.D., Associate Professor, Department of machines and devices of chemical manufactures KNRTU, valexeevtt@mail.ru; V. A. Biilkin -Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of machines and devices of chemical manufactures KNRTU, alklin@kstu.ru.
