CC BY
31
УДК 66.023.23
А.А. Абишев, С.Х. Загидуллин, В.Л. Долганов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ГАЗОЖИДКОСТНОГО СЛОЯ В БАРБОТАЖНОЙ КОЛОННЕ С ПЕРФОРИРОВАННОЙ ПЕРЕГОРОДКОЙ
На укрупненной модельной установке барботажной колонны с секционирующей перфорированной перегородкой исследованы ло-кальныге и осредненные характеристики газожидкостного слоя. Исследованы условия образования зоны с повышенным газосодер-жанием и определеныг ее основныге параметрыг.
Секционированные барботажные колонны являются эффективными аппаратами для осуществления газожидкостных реакций и находят широкое применение в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Их основным преимуществом перед полыми колоннами является более высокое газосодержание и, как следствие, развитая поверхность контакта фаз при одинаковых расходах газа и жидкости.
Ранее было установлено, что наиболее развитая поверхность контакта фаз (ПКФ) в аппаратах данного типа образуется непосредственно под перфорированной перегородкой [1-3]. Показано также, что величина ПКФ в значительной мере зависит от расходов газа и жидкости [1, 2, 4]. Так, например, при высоких приведенных скоростях жидкости под перегородкой образуется зона затопленной пены, обладающая развитой поверхностью контакта фаз. При низких скоростях жидкости под перегородкой образуется зона с высоким газосодержанием - своего рода газовая «подушка», поверхность контакта фаз в которой резко уменьшается.
Результаты ранее проведенных нами исследований [2] хорошо согласуются с работами по исследованию газлифтных реакторов [5], а также течения газожидкостных потоков в вертикальных трубах [6, 7]. В них показано, что значительное снижение удельной поверхности контакта фаз происходит после достижения критического газосодержания
3 3
(вс), которое составляет 0,5-0,55 м /м .
По мнению Ван Батена и Кришны [8], именно эти значения вс соответствуют образованию неэффективного слоя с чрезмерно высоким газосодержанием под секционирующей перфорированной перегородкой.
Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению характеристик газожидкостного слоя под перфорированной перегородкой в секционированной барботажной колонне.
Опыты проводили на укрупненной стендовой установке (рис. 1), основным элементом которой являлась стеклянная колонна внутренним диаметром D = 0,2 м и высотой Н = 2,3 м, разделенная на две секции одинаковой высоты. Между секциями устанавливали съемные перфорированные перегородки с долей свободного сечения Б, равной 0,03;
0,05 и 0,12, и круглыми отверстиями диаметром й, равным 5 и 10 мм. В качестве модельных веществ использовали воду и сжатый воздух, расход которых контролировали ротаметрами, погрешность измерений не превышала ± 2,5 %. Приведенную скорость газа в пересчете на свободное
Воздух
Вода
Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - компрессор; 2, 4 - ротаметры; 3 - насос; 5 - напорный бак; 6 - перфорированная перегородка; 7 - персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем; 8 - измерительный зонд; 9 - корпус колонны; 10 - диспергатор
-2 -2
сечение колонны (ус) изменяли в диапазоне от 5 [10 до 9 [10 м/с, приве-
-2
денную скорость жидкости (уь) варьировали от 0 до 3 [10 м/с. Газ в колонну вводили при помощи точечного барботера в виде патрубка со щелевидными отверстиями на боковой поверхности.
Локальные характеристики газожидкостного слоя определяли электроконтактным стереометрическим методом с использованием двух резистивных датчиков [9]. Измерения производили под перфорированной перегородкой в сечениях, отстоящих от нее на расстояния от 10 до 200 мм.
Полученные значения осредняли двойным интегрированием в полярных координатах [10]:
1 с R с 2 к .
8 =----- Г йг Г Г8 (г , 0 )й0,
кК 2.!о .!о V /
3 3 _
где 8 - локальное газосодержание, м /м ; 8 - газосодержание, осред-
33
ненное по сечению, м /м ; 0 - азимутальный угол положения измерительного датчика, рад; г - полярный радиус положения измерительного датчика, м; Я - радиус аппарата, м.
Осредненные результаты измерений для перфорированной перегородки с диаметром отверстий 5 мм и свободным сечением 3 % при ус = 0,06 м/с представлены на рис. 2. Из этого рисунка следует, что с удалением точек измерений от перегородки газосодержание уменьшается до величин, соответствующих полой барботажной колонне. Экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о размерах зоны с повышенным газосодержанием. На рис. 2 видно, что размеры этой зоны не превышают диаметра колонны. Подача жидкости прямотоком с газом способствует снижению газосодержания.
Визуальные наблюдения показывают, что зона с высоким газосодержанием при этом значительно уменьшается или совсем исчезает,
-3
а при скоростях жидкости 8-10 м/с и более критическое значение газосодержания не достигается.
Расстояние от сечения, в котором 8 = 8с, до секционирующей перегородки, в соответствии с работой [8], нами было принято за высоту слоя с высоким газосодержанием Нс. Как и следовало ожидать, с увеличением приведенной скорости газа величина Нс монотонно возрастает (рис. 3) независимо от диаметра отверстий решетки. Причем для перегородок с меньшим свободным сечением этот эффект выражен сильнее. Полученные нами результаты хорошо согласуются с данными авторов [11].
Рис. 2. Зависимость величины осредненного газосодержания от расстояния до перегородки для ус = 0,06 м/с (доля свободного сечения перегородки 0,03; диаметр отверстий 5 мм)
0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12
Приведенная скорость газа, м/с
Рис. 3. Зависимость высоты слоя газа под перфорированной перегородкой от приведенной скорости газа при отсутствии подачи жидкости в колонну
При подаче жидкости в низ колонны происходит заметное уменьшение зоны с высоким газосодержанием под перфорированной перегородкой. Опытные данные зависимости высоты этой зоны от приведенной скорости жидкости для ус = 0,09 м/с показаны на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость высоты газового слоя под перфорированной перегородкой от приведенной скорости жидкости для Ус = 0,09 м/с
Уменьшение высоты зоны с высоким газосодержанием обусловлено снижением доли газа в общем объеме газожидкостного слоя под перегородкой.
Таким образом, проведенные исследования показали, что структура барботажного слоя под перфорированной перегородкой в секционированном колонном аппарате зависит от свободного сечения перегородки, скоростей движения газа и жидкости и не зависит от диаметра отверстий перегородки. Размеры зоны с чрезмерно высоким газосодержанием могут быть сведены практически к нулю либо за счет постоянной подачи в низ колонны жидкости, либо за счет увеличения свободного сечения перегородки.
В первом случае мы получаем дополнительное преимущество за счет устранения обратного тока жидкости [3], однако второй вариант предполагает значительное снижение энергетических затрат благодаря уменьшению гидравлического сопротивления аппарата.
Полученные результаты могут быть полезными при разработке и проектировании секционированных барботажных колонн.
Список литературы
1. Винтер А.А., Дорожкина Л.Н., Городецкий И.Я. Определение поверхности контакта фаз в прямоточных барботажных реакторах, секционированных ситчатыми тарелками // Химическая промышленность. -1971. - № 8. - С. 57-60.
2. Абишев А.А., Долганов В.Л., Загидуллин С.Х. Влияние секционирования на структуру барботажного слоя в аппаратах с высоким слоем жидкости // Вестник ПГТУ. Химическая технология и биотехнология. - Пермь, 2011. - № 12. - С. 103-112.
3. Загидуллин С.Х., Абишев А.А., Долганов В.Л. Изучение газосо-держания и перепада давления в секционированной барботажной колонне непрерывного действия // Изв. Самар. науч. центра РАН. - 2011. -№ 4 (4). - С. 1160-1163.
4. Gas absorption in a multistage gas-liquid spouted vessel / M. Nishi-kawa, K. Shiino, T. Kayama [et al.] // Journal of chemical engineering of Japan. - 1985. - Vol. 18, № 6. - Р. 496-501.
5. Долганов В.Л., Шенфельд Б.Е. Исследование поверхности контакта фаз и газосодержания в газлифтном аппарате // Современные машины и аппараты химических производств: тез. докл. III Всесоюз. науч. конф. - Ташкент, 1983. - Ч. IV. - С. 123-124.
6. Taitel Y., Bornea D., Dukler A.E. Modeling flow pattern transitions for steady upward gas-liquid flow in vertical tubes // AIChE Journal. -1980. - Vol. 26. - Р. 345-354.
7. Brauner N., Barnea D. Slug/churn transition in upward gas-liquid flow // Chemical Engineering Science. - 1986. - Vol. 41. - Р. 159-163.
8. Van Baten J.M., Krishna R. Scale up studies on partitioned bubble column reactors with the aid of CFD simulations // Catalysis Today. -2003. - Vol. 79-80. - Р. 219-227.
9. Современные методы определения газосодержания и поверхности контакта фаз в двухфазных газожидкостных системах / А.А. Абишев, В.Л. Долганов, С.Х. Загидуллин, В.В. Красоткин // Вестник ПГТУ. Химическая технология и биотехнология. - Пермь, 2009. - № 9. - Р. 243-253.
10. Gas holdup in bubble columns at elevated pressure via computed tomography / A. Kemoun, C.O. Boon, P. Gupta [et al.] // International journal of multiphase flow. - 2001. - Vol. 27. - Р. 929-946.
11. Effect of Sieve Plate Structure on Gas Cap Height and Local Gas Holdup in a Multistage Bubble Column Reactor / Q. Ling, J. Hai-bo, Y. Suo-he [et al.] // The Chinese Journal of Process Engineering. - 2011. - Vol. 11, № 1. - Р. 9-14.
Получено 20.06.2012
