CC BY
11
УДК 66.066:022.63
С. И. Поникаров, И. Н. Поникарова МАССОПЕРЕНОС В КАНАЛАХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-КОНТАКТНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЭКСТРАКТОРА РАБОТАЮЩЕГО С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТЬЮ
Ключевые слова: центробежный экстрактор, переменная угловая скорость, слой Экмана.
Представлены результаты экспериментального исследования массопереноса в каналах центробежного экстрактора вращающегося с изменяющейся во времени угловой скоростью. Установлено существенное увеличение концентрации целевого компонента для пленочной фазы течения, для различных разностей угловых скоростей вращения.
Keywords: centrifugal extractor, a variable angular velocity, Ekman layer.
An experimental study of mass transfer in the channels of a centrifugal rotary former tractor with time-varying angular velocity. A substantial increase in the con-centration of the target component to the film phase currents, for any angular velocity difference.
Одним из способов интенсификации массопереноса является проведение процесса в нестационарных условиях. Применительно к центробежной жидкостной экстракции такой способ осуществлен при контакте жидкостей в поле центробежных сил с циклическим изменением угловой скорости вращения [1]. При этом получено, что к.п.д. по Мерфри одной контактной зоны возрастает в 2,5-3 раза. Для определения источников и закономерностей этого увеличения была создана экспериментальная установка, подробно описанная в [2]. График изменения угловой скорости ротора центробежного экстрактора представлен на рисунке 1.
Рис. 1 - График изменения угловой скорости вращения ротора
Модель контактной зоны центробежного экстрактора (в дальнейшем ротор) представляет собой (рисунок 2) два коаксиальных цилиндра 1, ограниченных снизу и сверху дисками 2. Полученная в результате контактная зона - это кольцо прямоугольного сечения. Исследования проводились в роторах с контактными зонами следующих размеров: сечение 10х10 мм, 10х20 мм, 20х10 мм, 20х20 мм, 30х15 мм, наименьший внутренний радиус 0,065 м, 0,084 м, 0,102 м, 0,146 м. Ввод фаз осуществляется через патрубки 3 и 4, отверстия в цилиндрах 5 и нижнем днище 6. Для вывода легкой фазы служат отверстие 7 и патрубок 8, для вывода тяжелой фазы - отверстие 9, гидрозатвор 10 и патрубок 11. Данная конструкция позволяет проводить эксперименты по исследованию массопереноса как при диспергации фаз, так и без нее. При исследовании массопереноса с диспергацией фаз через патрубок 3 подается тяжелая фаза, через патрубок 4 легкая (показано на рисунке 2). Для изучения процесса без диспергации
фаз через патрубок 3 подается легкая фаза, через патрубок 4 - тяжелая.
Рис. 2 - Модель ротора центробежного экстрактора
Визуальным наблюдением (в стробоскопическом освещении) и исследованиями гидродинамики в каналах центробежного экстрактора была установлена следующая картина течения жидкостей. При диспергации фаз тяжелая фаза, проходя через отверстие 5, дробится на капли, которые в виде факела проходят через слой легкой фазы и на границе раздела коалисцируют. В дальнейшем тяжелая фаза в виде слоя течет на выход из контактной зоны. Аналогично движется и легкая фаза. В момент изменения угловой скорости вращения ротора, характер течения при послойном течении фаз изменяется [35]. Так, при увеличении угловой скорости вращения на дисках 2 образуются пограничные слои Экмана (Ектап У^.), которые кроме резкого изменения окружной составляющей скорости имеют сильное радиальное течение. Последнее связано с тем, что вне пограничного слоя сохраняется старое распределение давления, а в пограничном слое, за счет изменения угловой скорости стенки, жидкость приобретает новую окружную скорость. Это приводит к появлению несбалансированной силы Кориолиса, вызывающей радиальное течение. При увеличении угловой скорости вращения ротора радиальное течение направлено от центра к периферии, а при торможении - к центру. Это радиальное течение имеет еще одну особенность, так называемый «всасывающий» эффект. Другими словами, погранич-
ныи слои всасывает жидкость, лежащую вне слоя, разгоняет ее до скорости, соответствующей новоИ угловоИ скорости вращения, и выбрасывает в зону вне пограничного слоя, таким образом, разгоняя основную жидкость. Кроме того, радиальное течение вызывает искривление границы раздела фаз и появление зоны проникновения 13 (рис. 2) одной фазы в другую.
Как следует из изложенного, процесс массопере-носа можно разбить на две основные стадии: капельную, включающую образование капель, их движение через слой противоположной фазы, коа-лесценцию на границе раздела и стадию послойного течения. Деление на две стадии позволяет оценить вклад каждой из них на массообмен. Оценка проводилась через к.п.д. по Мерфри. Для второй стадии к.п.д. находится из эксперимента, проводимого без диспергации фаз. Вклад первой стадии определялся расчетным путем. Для определения к. п. д. капельной стадии приняты следующие допущения. Возмущениями, которые вносит факел распыла в гидродинамику послойного течения, пренебрегалось, так как зона этих возмущений более чем на порядок меньше длины окружности, составляющей стадию послойного течения. Процесс массопереноса рассматривается как квазистационарный, так как концентрация на выходе из аппарата через некоторое время после пуска становится постоянной. Тогда для к.п.д. 1-й и 2-й стадии получим
Общий к.п.д. канала определится
_ _ за^Зц+Зшаи = п, +
определения концентрации отбирались из патрубков 8, 11 (рис. 2). Концентрации определялись методом титрования. Опыты повторялись 7 раз. Погрешность эксперимента не превышает 10%. Отмечено, что при уменьшении времени переключения электродвигателей эффективность массопереноса растет, вплоть до времени переключения 1,2 с, при значении времени переключения 0,6 с эффективность падает. Это связано с тем, что для исследуемых моделей время разгона жидкости в каналах не менее 1 с и жидкости в канале не успевают изменить свои угловые скорости.
Результаты опытов (система вода - керосин - уксусная кислота, Т = 3,6 с) обработанные по уравнению (1), приведены на рис. 3, из которого видно, что изменение приращения угловой скорости несущественно сказывается на массопереносе в первой стадии (к.п.д. первой стадии определялось при наибольшей угловой скорости вращения ротора, т. е. ю+Дю).
Рис. 3 - К.п.д. по Мерфри различных стадий мас-сообмена в зависимости от числа Россби
В работе [4] доказано, что в каждом из слоев присутствует режим идеального смешения тогда х^ и Хк2 и
Окончательно получим для расчета к.п.д. первой стадии
(1)
Эксперименты проведены на системах: вода -керосин - уксусная кислота, вода - керосин - бензойная кислота, вода - СС14 - уксусная кислота, 70% вода + 30% глицерин - керосин - уксусная кислота. Суммарный расход изменялся в диапазоне 1-10-612-10-6 м3/с, соотношение расхода тяжелой жидкости к расходу легкой 1/5, 1/3, 1/1, 3/1, 5/1. Числа оборотов двигателей, попеременно вращающих ротор, составляли 715-1020 об/мин, 825-1020 об/мин, 9301020 об/мин, 1020-1500 об/мин. Электродвигатели включались через равные промежутки времени, которые былины, 0,6 с, 1,2 с, 1,8 с, 3,6 с. Пробы для
Аналогичные результаты получены и в других случаях. Слабое воздействие числа Россби е связано, по-видимому, с тем, что при контакте капель со средой, 70-90% массопереноса происходит при их образовании [6,7]. Одновременно наблюдается существенное увеличение к.п.д. по Мэрфри второй стадии. Этот рост вызван увеличением относительных скоростей фаз в канале и с указанным выше эффектом проникновения одной жидкости в другую. Следовательно, для получения зависимостей по расчету массопереноса в каналах центробежного экстрактора, работающего с изменяющейся во времени угловой скоростью, необходимо изучение процесса, протекающего в пленках одной жидкости, втекающих в другую.
Трудность исследования массопереноса в слоях Экмана связана с тем, что эти слои обладают малой толщиной [3], для нашего случая 0,3 - 0,4 мм, которая, кроме того, изменяется с течением времени. Поэтому определялась средняя поперек слоя концентрация. Так как последняя зависит от времени, то применяли электродиффузионный метод, основанный на изменении сопротивления жидкости в зависимости от концентрации электролита. В канале располагалась группа датчиков 12 (рисунок 2), каждый из которых представляет собой два электрода
из платиновой проволоки 0 0,2 мм, удаленных друг от друга в окружном направлении на расстояние 1 мм. Электроды выступали в жидкость на высоту 1 мм над днищем. Датчики располагались с шагом по радиусу около 2 мм и смещением по окружности, чтобы один датчик не оказался в гидродинамическом следе другого. Чтобы исключить электролиз, на датчики подавался переменный ток. Сигнал с датчика выпрямлялся диодным мостом и шел на светолучевой осциллограф, где записывался. Опыты проводили на каждом датчике отдельно, для исключения наведенных токов через жидкость от одного датчика к другому. Для учета изменения толщины пленки во времени проводили тарировку датчика. В отдельной емкости легкую и тяжелую фазу с распределенным компонентом доводили до равновесного состояния, концентрации которых определяли. Установку выводили на рабочий режим, подавали жидкости и переменное напряжение на датчик. На осциллографе записывалась кривая изменения сопротивления жидкости от времени, на которой фиксировали 7 участков, отражающих втекание одной фазы в другую. Всю процедуру повторяли для различных значений равновесной концентрации.
При тарировке установлено, что изменение расходов фаз не влияет на тарировочные кривые. Момент переключения электродвигателей соответствует характерному кратковременному пику на осциллограмме. Для обработки экспериментальных данных по тарировочным кривым важным является сохранение положения границы раздела фаз. Неподвижность границы раздела обеспечивалась постоянным положением гидрозатвора 10 (рисунок 2). Для контроля проводили фотографирование в стробоскопическом освещении. Тарировочные кривые для каждой равновесной концентрации разбивали на участки с шагом 0,1 с. Для каждого времени измеряли отклонения луча осциллографа, которые статистически обрабатывали и сводили в таблицу. Погрешность измерения не превышает 12%.
Опыты по изучению массопереноса в слое Экма-на проводили на системах, указанных выше, по следующей методике. Ротор приводили во вращение с изменяющейся угловой скоростью и в нее подавали легкую и тяжелую фазы с заданными концентрациями и расходами. Измеряли концентрации на выходе из аппарата, а после выхода на установившийся режим проводили запись сигнала с датчика на осциллограф с повторением семь раз участков, соответствующих втеканию одной фазы в другую. Эксперименты повторяли для других значений входящих параметров.
Полученные экспериментальные кривые разбивали на равные интервалы с шагом по времени 0,1 с. Отклонения луча осциллографа пересчитывали по тарировочной таблице с получением величины фиксируемой концентрации. Погрешность не превышает 15%. Анализом установлено, что изменение во времени безОразмерной концентрации О^-^УА для каждого датчика не зависит от исходных концентраций фаз, расходов и интервала переключения. Пример изменения концентрации в канале 30х20 с радиусом 0,102 мм, где датчики удалены от границы
раздела на 0,7 мм, 2,6 мм, 4,7 мм, а угловая скорость вращения изменяется от 1020 до 1500 об/мин, приведены на рисунке 4.
х„ - х
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 ад
Рис. 4 - Изменение безразмерной концентрации во времени для различных датчиков
Из рисунка видно, что концентрация, фиксируемая датчиками 1 и 2, в начальный момент времени принимает наибольшее значение, затем уменьшается. Такое распределение концентрации соответствует картине течения в пограничном слое Экмана, изложенной выше. При этом отсутствует перемешивание в пределах пленки проникающей жидкости. Уменьшение концентраций на первых датчиках во время проникновения пленки связано с подсосом свежей жидкости из основного слоя. Наибольшая концентрация в проникающей пленке находится в наиболее глубоко проникшей части пленки.
Таким образом, основной вклад в интенсификацию массообмена, в дифференциальном контактном экстракторе, работающем с переменной угловой скоростью оказывает пленочная зона, деформируемая при переключении угловых скоростей с счет течений в слое Экмана, которое приводит к образованию новых поверхностей раздела фаз.
Обозначения:
х, у - концентрации целевого компонента в тяжелой и легкой фазах соответственно, кг/м3; Т - период изменения угловой скорости вращения, с; П - к.п.д. по Мерфри; ш - меньшая угловая скорость, 1/с;
Индексы:
1,2 - номер стадии массообмена,
н, к - начальная и конечная концентрации, соответственно,
* - равновесная,
т, л - тяжелая и легкая фаза, соответственно, I - номер ячейки по ходу тяжелой фазы.
Литература
1. А.с. № 1324674 СССР, МКИ В01Д 11/04, Поникаров И.И., Поникаров С.И., Шаплыко В.И. и др. Способ экстракции в системе жидкость - жидкость в поле центробежных сил. //Б.И. 1987, № 27. С. 12.
2. Поникаров С.И., Кафаров В.В. Истечение из сопел во вращающуюся жидкость другой плотности //Теор. основы хим. технол. 1997. Т. 31, № 5. С. 453.
3. Weidman P.D. On the spin-up and spin-down of a rotating fluid //J.Fluid Mech. 1976. V. 77, № 4. Р. 685.
4. Салин А.А., Гришин Н.С., Поникаров С.И. Действие сил Кориолиса на радиальные потоки в центробежных экстракторах. Вестник Казанского технологического университета. Т. 17. №8, 216 (2014)
5. Поникаров С.И., Гасилов В.С. Продольное перемешивание в каналах центробежного экстрактора //Теор. основы хим. технол., 1998. Т. 32, № 1.
6. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.: Химия, 1982.
7. Салин А. А., Гришин Н.С., Поникаров С.И. Особенности движения радиальных потоков в центробежных экстракторах безнапорного типа. потоки в центробежных экстракторах. Вестник Казанского технологического университета. Т. 17. №4, 216 (2014)
© С. И. Поникаров - д.т.н., проф., зав. кафедрой МАХП КНИТУ, [email protected]; И. Н. Поникарова - к.т.н., доцент кафедры Инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ.
© S. I. Ponikarov - Doctor tehnichskih Sciences , Professor, Head of Department of MACP, KNRTU, [email protected]; I. N. Ponikarova - Candidate of Technical Sciences., associate professor , assistant professor of the Engineering computer graphics and aided design KNRTU.
