CC BY
23
УДК 532.5.013
Ф. А. Галеев, Р. З. Хайруллин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ЭКСТРАКТОРЕ С ВСТРЕЧНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ПОТОКОВ
Ключевые слова: гидродинамика, взаимодействие встречных потоков, экстрактор.
Изучен процесс дробления струй на капли в центробежном поле. Установлена, что данный процесс наиболее точно может быть описан у-распределением.
Keywords: hydrodynamics, the interaction of counter-flows, extractor.
Studied the process of crushing jets into droplets in a centrifugal field. It is established that this process is most accurately can be described by a y-distribution.
Процесс экстракционного разделения жидких смесей используется в случаях, когда система состоит из компонентов, разделение которых методами абсорбции и ректификации невозможно. В этом случае в систему вводят дополнительный компонент (экстрагент), который избирательно растворяет один из компонентов смеси. Полученная смесь разделяется механическим путем [1].
Достоинствами экстракции по сравнению с другими методами разделения является более низкие температуры процесса. Однако для эффективного протекания процесса экстракции необходим подвод к взаимодействующим потокам дополнительной механической энергии для создания большой поверхности межфазного взаимодействия. Кроме того для отделения целевых компонентов от растворителя используется процесс ректификации, что в свою очередь требует дополнительных затрат энергоносителей [2].
Определение гидродинамической
характеристики аппарата-поверхности контакта фаз, является одной из важнейших задач, связанных с изучением и описанием кинетики процесса массообмена. В виду отсутствия теоретических методов расчета, ее определяют экспериментальным путем, используя при этом различные методы. Как правило, для увеличения поверхности контакта фаз и интенсификации массобмена в экстракторах, работающих на системе жидкость-жидкость, одна из жидкостей диспергируется в другую в виде капель. В этом случае поверхность контакта фаз (поверхность полидисперсного потока)
определяется законом распределения капель по размерам и законом скорости капель в стесненном полидисперсном потоке [3].
Исследование процесса каплеобразования при истечении из сопел модифицированной Х-образной насадки центробежного экстрактора проводилось на экспериментальной установке (рис.1). Экспериментальная установка представляет собой металлический шкаф с зонтом вытяжной вентиляции, внутри которого установлена прозрачная модель центробежного аппарата 1, изготовленная из органического стекла.
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки: 1-модель центробежного аппарата; 2-подшипниковый узел; 3-кожух; 4-узел подачи жидкостей; 5-электродвигатель; 6-строботахометр; 7-импульсная лампа; 8, 9-напорный бак; 10, 11-ротаметр; 12, 13-приёмный бак, 14, 15-насос
Ротор аппарата установлен на вертикальном валу подшипникового узла 2 и защищен стальным кожухом 3. Кожух имеет две камеры для отвода жидкостей по фазам, а также отверстие для отсоса вредных газов в вентиляцию. В крышке кожуха имеется центральное отверстие для узла подачи жидкостей 4 в аппарат, а также сегментный вырез для наблюдения процесса движения жидкостей и фотосъемок при стробоскопическом освещении. Вал подшипникового узла приводится во вращение электродвигателем 5 через клиноременную передачу со сменным многоступенчатыми шкивами для изменения скорости вращения ротора. Скорость вращения ротора контролировалась и замерялась строботахометром 6, импульсная лампа 7 которого использовалась как для визуального наблюдения, так и для фотосъемок. Подача жидкостей осуществлялась из напорных баков (8 и 9) и контролировалась тремя парами ротаметров РС-3, РС-5 и РС-7 (10 и 11) соответственно для подачи
тяжелой и легкой фаз. Проконтактировавшие жидкости сливались в приемные баки 12 и 13, откуда с помощью насосов 14 и 15 перекачивались в напорные баки 8 и 9. Также была использована прозрачная ячейка (рис. 2), которая устанавливалась на диск из оргстекла.
ЛФ
СО
—та
\
ЛФ
Рис. 2 - Прозрачная ячейка
Ячейка спроектирована и изготовлена специально для данных исследований и позволяет проводить исследования при минимальной затрате жидкостей и времени для замены одних сопел другими или изменения геометрических размеров зоны контакта(камеры смешения).
При проведении эксперимента
производилось фотографирование капель, образующихся в контактной зоне, при стробоскопическом освещении. Для определения масштаба в контактной зоне устанавливалась калибровочная шкала
Измеренные на экране размеры капель группировались в равноинтервальный
вариационный ряд с шириной интервала 50 мкм по шкале размера капель. В проведенных исследованиях диаметр капель не превышал
Сх = (1,0-1,2)-10"3.
При двадцатикратном увеличении изображения шаг интервала равен 1 мм, что удобно для счета. Количество интервалов составляло 20-24, в каждой выборке содержалось от 200 до 2000 измеренных капель.
Сравнение адекватности различных моделей экспериментальным данным при помощи критерия согласия X2 показал, что наилучшим образом экспериментальные данные описываются у-распределением.
Плотность у-распределения имеет вид:
/ (х,т, Л) = X т-1 • е-Лх (1)
Г(т) при Х>0, Х>0, п>0 где Г(п)- гамма функция
Г(т) = | X т-1
• ёх
(2)
Если п- положительное целое число, то Г(п)= (п-1)! Гамма распределение описывает случайные величины, ограниченные с одной стороны, т.е. от 0 до
Для оценки параметров экспериментального распределения (п-параметр формы; Х-параметр масштаба) с достаточной точностью можно использовать метод моментов, согласно которому
Л = х и т = Л • х б2
(3)
IX
где X = ^-
п
-- математическое ожидание;
п
об
Б2 =
^п • (X - X )2
- - дисперсия выборки.
п
об
Известно, что отношение третьего момента ко второму дает величину ^-средний объемно)) +1
поверхностный диаметр:
: ^30 - '
л
На основании зависимости можно сделать вывод, что параметры распределения п и Х оказывают влияние те же величины, что и на средний диаметр капли, образующейся при струйном истечении жидкости из сопла в поле действия центробежных сил.
( лх
т) — А •
Р < • ёо (
л^Ак = к
У
(4)
(5)
ёоу
где - толщина слоя жидкости в сопле, вводится для обезразмеривания левой части зависимости, так как Х имеет размерность 1/м.
После обработки экспериментальных данных были получены значения величин, которые в зависимостях они обрели следующий вид:
/- ч-0,037
Т) = 3,07 • -^^ (6)
Ре-и;< (
У
Л^ АК = 88,1
Г
(7)
кРЛ- ¿о У
Сравнение опытных и расчетных значений п и Х показало, что их расхождение не превышает ±15%.
Заключение
Экспериментальным путем установлено, что капли в исследуемом аппарате наилучшим образом описываются у-распределением. Получены зависимости для расчета параметров распределения, которые коррелируют с теоретическими зависимостями.
Литература
1. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Щелкунов А.И., Владимиров В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. М.: ООО Недра-Бизнесцентр, 2000. 627с.
2. Калимуллин, И.Р. Трубчатый реактор с закрученным движением потоков/ И.Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев// Вестник Казанского
технологического университета. -2012. -Т.15. -№11. -С.153-155.
3. Салин, А. А. Особенности движения радиальных потоков в центробежных экстракторах безнапорного типа/ А.А. Салин, Н.С. Гришин, С.И. Поникаров // Вестник Казанского технологического университета. -2014. -Т. 17. -№4. -С. 231-234.
© Ф. А. Галеев - к.т.н., доц. каф. пром. безопасности КНИТУ; Р. З. Хайруллин - к.б.н., ст. преп. той же кафедры, KhayrullinRZ@gmail.com.
© F. A. Galeev - Cand.Tech.Sci., associate professor, Industrial Safety Department, KNRTU; R. Z. Khayrullin - Cand.Biol.Sci., Senior Lecturer, Industrial Safety Department, KNRTU, KhayrullinRZ@gmail.com.
