CC BY
5
УДК 536.248.2:536.46
КАПИЛЛЯРНО-ГРАВИТАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ АППАРАТАХ C БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Алишер Сезгирович Шамирзаев
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)316-5731, e-mail: alisham@ngs.ru
Обсуждены основные закономерности развития капиллярно-гравитационной неустойчивости при противоточном газожидкостном течении в сложных канальных системах микроструктурированных аппаратов. Определены критические скорости газа, при которых нарушается равномерность течения жидкости, и возникают крупномасштабные структуры.
Ключевые слова: микроструктурированный аппарат, газожидкостное течение, конвективные течения, капиллярно-гравитационное захлебывание.
MULTISCALE GAS-LIQUID FLOW SELF-ORGANIZATION IN MICROSTRUCTURED APPARATUS WITH HIGH CAPACITY
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Professor, Head of Laboratory of Multiphase Systems, phone: (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Alisher S. Shamirzaev
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)316-57-31, e-mail: alisham@ngs.ru
The main regularities of the development of capillary-gravity instability in the counter-current gas-liquid flow in complex channel systems of microstructured apparatuses are discussed. Critical gas velocities are determined at which the uniformity of the fluid flow is disturbed and large-scale structures appear.
Key words: microstructured apparatus, gas-liquid flow, convective flows, capillary-gravity flooding.
Одной из важнейших причин, снижающих эффективность разделения смеси газов в двухфазных микроструктурированных аппаратах большой производительности является возникновение неоднородности концентраций компонент [1]. В данной работе рассмотрены закономерности локального распределения фаз в поперечном сечении элемента ректификационной колонны, заполненной структурной насадкой, при противоточном газожидкостном течении, изучено влия-
ние конвективных течений и гравитационно-капиллярного захлебывания на эффективность разделения смеси газов.
Экспериментальные исследования капиллярно-гравитационного захлебывания были проведены для многослойной насадки Mellapak 500Y в практически реализуемом при дистилляции диапазоне параметров течения. Эксперименты проводились, используя прямоугольную колонну с поперечными размерами 800 и 400 мм. Колонна заполнена девятью слоями насадки с девятью листами в каждом слое. При проведении экспериментов, рабочая жидкость подогревается до нужной температуры и закачивается насосом в верхнюю часть колонны, где расположен распределитель жидкости. В качестве рабочей жидкости используется дистиллированная вода с добавкой поверхностно-активного вещества и антивспенивателя, подогретая до температуры 24-26 градусов. Воздух поступает в нижнюю часть колонны, где расположен распределитель газа - безпро-вальная решетка, имеющая 1650 отверстий диаметром 2.2 мм. Суммарный расход жидкости измеряется турбинным датчиком расхода, температуры жидкости и газа измеряются в термопарами, расположенными в нижней части колонны. Коэффициент поверхностного натяжения измеряется методом взвешивания капли для пробы жидкости, отобранной в нижней части колонны, и равен примерно 0.03 H/м (коэффициент поверхностного натяжения а зависит от концентрации ПАВ и температуры жидкости). Измерения локальных расходов жидкости в нижней части колонны производились измерительными кюветами.
На основе проведенных экспериментов выявлены закономерности течения жидкости по поверхности структурной насадке при различных расходных характеристиках жидкости. На рис. 1 приведено изменение локального расхода жидкости по ширине колонны после 9-ти слоёв насадки Mellapak 500Y, отнесённое к среднему расходу, для различных массовых расходов жидкости. Как видно, течение жидкости в колонне сопровождается повышенным расходом в области насадки вблизи стенки колонны, способствующим накоплению жидкости в этой области.
Для установления критической скорости газа, при которой возникает капиллярно-гравитационное захлебывание, проведены измерения перепадов давления для равномерного орошения жидкостью верхнего слоя насадки при различных отношениях мольных расходов жидкости и газа. Установлено, что при
kv > 0,066, где kv ~ Ugas д/Рgas /(p/iq Рgas), происходит расслоение данных по перепадам давления для различного отношения расходов жидкости и газа, и наблюдается увеличение темпа роста перепада давления при увеличении расхода газа. Скоростная видеосъемка и лазерное сканирование показали, что причиной роста перепада давления является последовательное затопление слоев насадки, которое начинается в нижней части колонны и распространяется на всю колонну. Накопление жидкости в слоях насадки вызывает ее неравномерное стекание и макроскопические неоднородности в потоках жидкости и газа. При увеличении скорости газа, капиллярно-гравитационное захлебывание возникает в нижней части вышележащих слоев насадки и распространяется на всю колонну,
приводя к росту фактора трения после его минимума, что было использовано для определения условий захлебывания. Скоростная видеосъемка процесса захлебывания при подсветке лазерным ножом показала, что при скоростях газа, соответствующих перегибу в факторе трения, происходит накопление жидкости над верхним срезом слоя насадки и стекание жидкости вниз становится нерегулярным. Развитие капиллярно-гравитационной неустойчивости наблюдается при ку > 0,07 и зависит от отношения мольных расходов жидкости и газа Ь/У.
Рис. 1. Изменение локального расхода жидкости по ширине колонны с насадкой
Для обобщения полученных данных развита физическая модель захлебывания при противоточном течении газа и жидкости в колонне со структурированной насадкой, основанная на механизме капиллярно-гравитационной неустойчивости слоя жидкости в поле силы тяжести. Модель основана на подходе С. С. Кутателадзе и Ю.Л. Сорокина [2] в котором использованы уравнения, определяющие наступление критических режимов захлебывания в трубах при встречном течении жидкости и газа. Учитывая геометрические особенности течения газа в каналах структурной насадки, предложено обобщающее уравнение в координатах Кутателадзе-Сорокина К и N для нахождения параметров потока, при которых наступает взвешивание слоя жидкости при восходящем потоке газа в виде:
к =-К125 у— (1)
N =
сЬ8с
4 Б^Ш сов2 в/2
\(Рщ -Рду ) ( Рь
1 +
Оа 055(со8в/2)
0.55
(2)
где 0 угол между направлением каналов в листах насадки, 5С = ^2а/%(рщ - ра) -
капиллярная постоянная жидкости, - гидравлический диаметр насадки, Оа - число Галилея, г - пористость насадки.
Для N > 610-4, критическое значение К, при котором возникает капиллярно-гравитационное захлёбывание, было определено при обработке экспериментальных данных следующим образом:
в
КУсг д = 0.0812 -г(сов^)1'25
, -0.174
(рИа ~ Ряая )
а
сЬ
-0.347
(3)
кГПд у
На рис. 2 приведено сравнение экспериментальных данных по началу накопления жидкости в колонне при противоточном течении жидкости и газа, определённому по точке перегиба фактора трения, с расчётной зависимостью (3), показанной сплошной линией. На рис. 2 представлены также экспериментальные данные [3] по началу накопления жидкости в колонне с упаковкой Ме11арак 500 и Ме11арак 250 для течения воды и воздуха, полученные ёмкостным методом. Как видно, наблюдается достаточно хорошее согласие экспериментальных данных с расчетом по уравнению (3), которое учитывает также физические свойства газа и жидкости.
1.5
0.5
0
0.0000
-Ксг и М500
□ ¡3 □ □ оо\ <Х ■■■ □ с и М^ди о К а(г \wate
о О о □ ——_. _ _
0.0010
0.0020
0.0030
Рис. 2. Сравнение экспериментальных данных по критическому значению параметра К с расчетом по уравнению (3)
Представленные результаты количественно характеризуют сложную картину развития капиллярно-гравитационной неустойчивости в аппаратах, заполненных структурной насадкой, для практически реализуемого в ректификации диапазоне параметров течения. Определены условия и последовательность развития крупномасштабных структур вследствие капиллярно-гравитационного захлебывания в слоях насадки, что приводит к снижению эффективности разделения бинарных смесей. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке высокоэффективных компактных тепломассообменных аппаратов большой производительности, заполненных структурными насадками.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Pavlenko A., Zhukov V., Pecherkin N., Chekhovich V., Volodin O., Shilkin A., Grossmann C. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing // AIChE. - 2014. - V. 60. - P. 690-705.
2. Кутателадзе С. С., Сорокин Ю.Л. Вопросы теплоотдачи и гидравлики двухфазных сред, Л.: Госэнергоиздат, 1961, С. 315-324.
3. Brunazzi E., Paglianty A., Pintus S., A capacitance probe and a new model to identify and predict the capacity of columns equipped with structured packings // Ind. Eng. Chem. Res. 2001, V.40, P. 1205-1212.
REFERENCES
1. Pavlenko, А., Zhukov, V., Pecherkin, N., Chekhovich, V., Volodin, O., Shilkin, A., & Grossmann, C. (2014). Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing. AIChE Journal, 60(2), 690-705.
2. Kutateladze, S. S., & Sorokin, Y. L. (1961). O gidrodinamicheskoy ustoychivosti nekotoryh gazojidkostyh sistem. Voprosy teplootdachi i gidravliki dvuhphaznyh sred. M-. L: Gosenergoizdat, 315-324. [in Russian].
3. Brunazzi, E., Paglianti, A., & Pintus, S. (2001). A capacitance probe and a new model to identify and predict the capacity of columns equipped with structured packings. Industrial & engineering chemistry research, 40(4), 1205-1212.
© В. В. Кузнецов, А. С. Шамирзаев, 2018
