CC BY
8
УДК 536.248.2:536.46
МНОГОМАСШТАБНАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ТЕЧЕНИЙ 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, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Рассмотрена многомасштабная самоорганизация газожидкостных течений в современных микроструктурированных тепломассообменных аппаратах с большой производительностью. Обсуждены фундаментальные закономерности противоточных газожидкостных течений в сложных канальных системах микроструктурированных аппаратов, рассмотрено влияние конвективных течений и гравитационно-капиллярного захлебывания на эффективность разделения бинарной смеси газов.
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, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavren-tiev Prospect, Dr. Sc., The Head of Multiphase Systems Laboratory, tel. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
The multiscale gas-liquid flow self-organization in the modern microstructured heat and mass transfer apparatus with high capacity is considered. The fundamental peculiarities of counter-current gas-liquid flows in complex systems of the microstructured apparatus are discussed and the influence of the convective flows and capillary-gravity flooding on the efficiency of binary mixture separation are considered.
Key words: microstructured apparatus, gas-liquid flow, convective flows, capillary-gravity flooding.
Введение
Исследования многомасштабных процессов в двухфазных микроструктурированных аппаратах большой производительности, достигаемой при увеличении их поперечного размера, интенсивно развиваются в последнее время. Это обусловлено важными приложениями таких аппаратов в энергетике, химической и криогенной промышленности. Для регулярных структурных насадок изучаются физические процессы в сложных канальных системах, создаются методы расчета эффективности разделения бинарных смесей для насадок различного типа [1]. Процесс разделения бинарной смеси происходит вследствие создаваемой разности концентраций компонент в жидкости и паре, поэтому возникновение крупномасштабных неоднородностей потоков и концентраций
компонент вызывает ухудшение эффективности разделения [2]. В данной работе рассмотрены механизмы многомасштабных процессов самоорганизации проти-воточного газожидкостного течения в колонне, заполненной микроструктурированной насадкой, способствующие ухудшению эффективности разделения бинарных смесей. Обсуждены фундаментальные закономерности противоточных газожидкостных течений в сложных канальных системах микроструктурированных аппаратов, рассмотрено влияние конвективных течений и гравитационно-капиллярного захлебывания на эффективность разделения смеси газов.
Макромасштабные конвективные течения при разделении бинарной смеси
Рассмотрим противоточное газожидкостное течение в ректификационной колонне с микроструктурированной насадкой Koch 1Y при разделении бинарной смеси хладонов R21-R114. По физическим свойствам такая смесь при комнатной температуре, близка к свойствам компонент воздуха при криогенных температурах и была исследована в [2]. В ректификационной колонне жидкость стекает вниз под действием силы тяжести по поверхности насадки, и пар поднимается вверх в условиях интенсивного массообмена на межфазной поверхности. Для исследования особенностей течения газа в смежных каналах насадки применены лазерный доплеровский измеритель скорости и дымовая визуализация, которые показали, что на масштабе, существенно меньшем поперечного размера колонны, возникает вихревое течение газа в каналах насадки, обуславливающее интенсификацию процессов межфазного тепломассопереноса на микроуровне [3]. На масштабе порядка поперечного размера колонны основной причиной спонтанной самоорганизации противоточного газожидкостного течения с образованием крупномасштабных структур в процессе разделения являются конвективные течения, возникающие в колонне с отрицательным градиентом плотности пара вдоль силы тяжести из-за перехода легколетучего компонента из жидкости в пар. Численные расчеты разделения смеси хладонов R21-R114 в колонне, заполненной структурной насадкой Koch 1Y, выполненные на основе одномерной неравновесной модели неэквимолярного разделения [4] для условий, соответствующих экспериментам [2], показали, что наибольший градиент плотности пара расположен в верхней части колонны. Градиент плотности значительно возрастает при уменьшении отношения мольных расходов жидкости и пара от 1.7 до 1, что может служить причиной развития конвективных течений в поле силы тяжести.
Рассмотрим влияние отрицательного градиента плотности смеси газов вдоль вектора силы тяжести на устойчивость течения в колонне. Предположим малое изменение плотности смеси газов вдоль колонны и получим:
Р = Ро + p, Р = Р(У), Р = Ро + dpjdY • Y', (1)
где Y = Y0 + Y' - концентрация легколетучего компонента.
Введем следующие обозначения: р7 = -(др/дУ)р-\ Р = Ро(1 -РУ)■ Тогда уравнение движения для приведенной безразмерной скорости газа йс в колонне принимает вид:
(~в v)иG =
в
Ро
N У
СОПУ
§ 1 Л
— +—Аи Я
в
(2)
Обезразмеривание проведено по характерному поперечному размеру I, скорости газа Щ и концентрации 10 = I■ ¿У/dz . Здесь введен параметр, определяющий соотношение гравитационных и инерционных сил при конвективном течении (число конвекции):
=
12Яа ■ Рг
и
Ре1
(3)
Параметр ЫсОПу определяет соотношение гравитационных и инерционных сил при восходящем течении пара, и неустойчивые режимы течения пара соответствуют числу конвекции Ысот существенно больше единицы. На рисунке показано изменение числа конвекции Ысот вдоль вектора силы тяжести для отношения мольных расходов жидкости и пара L/V=1. При расчете рассматривались возмущения, характерный размер которых I равен диаметру колонны В. Как видно, число конвекции значительно превышает единицу для колонн с диаметром, превышающим 0.2 метра. В таких условиях, можно ожидать возникновение конвективного течения и значительную неоднородность концентрации компонент по сечению колонны, что и наблюдалось в [2].
Рис. Изменение числа конвекции в колонне вдоль вектора силы тяжести
при L/V = 1
Капиллярно-гравитационная неустойчивость в колонне с микроструктурированной насадкой
Другой причиной образования крупномасштабных структур при противо-точном течении жидкости и газа является капиллярно-гравитационное захлебывание в слоях насадки. Условия возникновения капиллярно-гравитационного захлебывания были определены для многослойной насадки МеПараск 500Y в практически реализуемом при дистилляции диапазоне параметров течения. Эксперименты проводились, используя прямоугольную колонну с поперечными размерами 800 и 100 мм. Колонна заполнена девятью последовательно расположенными слоями с девятью листами насадки в каждом слое. Слои упаковки отодвинуты стенок колонны и крепятся через систему вайперов для предотвращения стекания жидкости по стенкам.
При проведении экспериментов, дистиллированная вода насосом прокачивается через нагреватель и подается в верхнюю часть колонны, где расположен распределитель жидкости. В качестве рабочей жидкости используется вода с добавкой поверхностно-активного вещества и антивспенивателя, подогретая до температуры 25-27 градусов. Воздух из системы высокого давления поступает в нижнюю часть колонны, где расположен распределитель газа, включающий в себя беспровальную решетку, которая имеет 1650 отверстий диаметром 2.2 мм. Для измерения расходов воздуха используется вихревой расходомер. Расход жидкости измеряется турбинным датчиком расхода, температуры жидкости и газа измеряются в нижней части колонны термопарами.
Для определения критической скорости газа, при которой возникает образование крупномасштабных капиллярно-гравитационных структур, проведены измерения перепадов давления в условиях равномерного орошения верхней части колонны при различных отношениях мольных расходов жидкости и газа. Установлено, что для скоростей газа, соответствующих Ку>0,066, где
Ку = (рщ - ра), происходит расслоение данных по перепаду давле-
ния в зависимости от отношения расходов жидкости и газа, и наблюдается увеличение темпа роста перепада давления при увеличении расхода газа. Его причиной, как показали результаты скоростной видеосъемки и лазерного сканирования, является перестройка режима течения и затопление нижнего слоя насадки, которое распространяется на всю колонну. Обработка экспериментальных данных показала, что критическая скорость газа, при которой возникает капиллярно-гравитационное захлебывание, определяется следующим уравнением:
Л
КУсг д = 0.0812 -8(008 Л )125
4
О?
(Р% - Pgas )
ч-0.174
4 В01рц,
Сь , (4)
Vй
где 0 - угол между направлением каналов в листах насадки; а - коэффициент поверхностного натяжения; Он - гидравлический диаметр насадки; 8 - пористость насадки.
Заключение
Представленные результаты позволяют количественно охарактеризовать сложную картину многомасштабной самоорганизации газожидкостного течения в микроструктурированных аппаратах большой производительности, что необходимо для разработки высокоэффективных компактных тепломассооб-менных аппаратов. Установлено, что отношение мольных расходов жидкости и пара в ректификационной колонне с регулярной насадкой близкое к единице, является наиболее опасным и может привести к развитию конвективных течений в колонне большого диаметра при отрицательном градиенте плотности пара вдоль направления вектора силы тяжести. Выявлен механизм, и определены условия образования крупномасштабных структур вследствие капиллярно -гравитационного захлебывания в слоях насадки в практически реализуемом при ректификации диапазоне параметров течения, что также может привести к снижению эффективности разделения бинарных смесей.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Hanley B., Chen C. C. New Mass-Transfer Correlations for Packed Towers // AIChE. -2012. - V. 58. - P. 132-152.
2. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing / A. Pavlenko, V. Zhukov, N. Pecherkin, V. Chekhovich, O. Volodin, A. Shilkin, C. Grossmann // AIChE. - 2014. - V. 60. - P. 690-705.
3. Кузнецов В. В. Теплофизические проблемы создания компактных микроструктурных аппаратов // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 101-109.
4. Taylor R., Krishna R. Multicomponent Mass Transfer // Wiley - IEEE, 1993.
© В. В. Кузнецов, 2017
