О поверхности контакта фаз в газожидкостном эжекционном аппарате Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

7. Куликов ДВ., Мекалова Н.В., Закирничная М.М.

Физическая природа разрушений. Уфа: Изд-во УГНТУ. 1999. 237 е.;

Kulikov D.V., Mekalova N.V., Zakirnichnaya M.M. Physical nature of destruction. Ufa: Izd-vo UGNTU. 1999. 237 p. 237. (in Russian).

8. Иванова B.C., Баланкин A.C., Бунин И.Ж., Оксогоев A.A. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука. 1994. 298 е.;

Ivanova V.S., Balankin A.S., Bunin I.Zh., Oksogoev A.A.

Synergy and fractals in materials science. M.: Nauka. 1994. 298 p. (in Russian).

9. Нагиев А.Г. // TOXT. 2003. Т. 37. N 1. С. 76 - 82; Nagiev A G. // TOKhT. 2003. V. 37. N 1. P. 76-82 (in Russian).

10. Mandelbrot B.B. The Fractal Geometry of Nature. N.Y.: Freeman. 1982. 470 p.

11. Кельцев H.B. Основы адсорбционной техники. М.: Химия. 1984. 592 е.;

Keltsev N.V. Bases of adsorption techniks. M.: Khimiya. 1984. 592 p. (in Russian).

12. Ибрагимов Ч.Ш. К методам проектирования и управления адсорбционными процессами. Баку: Элм. 1989. 236 е.; Ibragimov Ch.Sh. On methods of designing and control with adsorption processes. Baku: Elm. 1989. 236 p. (in Russian).

13. Саттерфилд Ч.Н. Массопередача в гетерогенном катализе. М.: Химия. 1978. 239 е.;

Satterfield C.N. Mass-transfer in heterogeneous catalysis. M.: Khimiya. 1978/ 239 p. (in Russian).

Кафедра технической кибернетики

УДК 66.023. 525.3

В.К. Леонтьев, О.Н. Кораблева О ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ В ГАЗОЖИДКОСТНОМ ЭЖЕКЦИОННОМ АППАРАТЕ

(Ярославский государственный технический университет) e-mail: leontevvk@ystu.ru; korablevaon@ystu.ru

Экспериментально определены «сульфитные числа» для газожидкостных эжек-ционных аппаратов. По предложенной методике рассчитана удельная межфазная поверхность. Проведена сравнительная оценка эффективности работы газожидкостных эжещионных аппаратов.

Ключевые слова: газожидкостной эжекционный аппарат, диспергирование, удельная межфазная поверхность, «сульфитное число», эффективность

В нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической, микробиологической и металлургической промышленности широко используются процессы, в которых осуществляется контакт газа с жидкостью.

При проведении гетерогенных реакций, а также процессов абсорбции, их скорость лимитируется массообменом и интенсификация процесса перемешивания приводит к повышению скорости этих процессов.

Известно, что газовые нагрузки в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами имеют предел, после которого наступает резкое снижение полезной мощности диспергирования. Эти недостатки отсутствуют в газожидкостных аппаратах с эжекционным диспергированием газа [1].

Для изучения массообмена в многосопловом эжекционном аппарате была разработана экспериментальная установка (рис. 1). Аппарат со-

стоит из форсуночной и эжекционной камер и представляет собой цилиндрическую емкость, внутри которой расположен диспергатор.

При этом число эжекторов 7 можно менять от одного до четырех. Применение многоэжек-торного диспергирования газа может решить проблему равномерного диспергирования энергии перемешивания во всем рабочем объеме, а также увеличить газовую нагрузку, приходящуюся на поперечное сечение аппарата. Совокупность эжекторов, расположенных в реакторе, будет интенсифицировать процесс перемешивания жидкости в реакционном объеме аппарата, что, несомненно, приведет к равномерному контакту жидкости с газом, увеличению удельной межфазной поверхности, увеличению времени контакта фаз и повышению коэффициента массопередачи.

Для сравнительной оценки эффективности работы любых используются различные критерии

эффективности, но во все критерии входит межфазная поверхность контакта фаз. Для определения поверхности контакта фаз используются физический (фотографический и светорассеяния) и химический методы.

riVJiSfc:

"ЦГ

>о

2

«

S о

чхь

—х—I

g-

о. «о

s = -

держание; т - коэффициент распределения, который определяется из выражения:

Не т = —, Р

Не — константа Генри, Па; Р — общее давление в аппарате, Па; К\ - константа скорости реакции псевдопервого порядка, с"1; I) - коэффициент диффузии кислорода в растворе сульфита, £>= =1,8510-8 м2/с; Р02 - парциальное давление кислорода, Па; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/кг-К; Т - температура, К.

С учетом того, что

Рис. 1. Схема газожидкостного эжекционного аппарата.

1 -корпус аппарата, 2 - центробежный насос, 3 - форсуночная камера, 4 -распылители жидкости, 5 - эжекционная камера,

6 -смесители, 7 -диспергатор, 8 - манометр, 9 - ротаметр Fig. 1. Scheme of gas-liquid ejection device. 1 - device body; 2 - centrifugal pump; 3 - nozzle chamber, 4 - liquid sprayers;

5 - ejection chamber; 6 - mixers, 7 - dispersant, 8 - manometer, 9 - rotameter

Сущность химического метода состоит в том, что при гетерогенных химических реакциях, удовлетворяющих определенным требованиям и с известной кинетикой, коэффициент массопереда-чи и движущая сила могут быть заданы теоретической зависимостью, а поверхность контакта можно вычислить из данных измерения скорости абсорбции. При проведении экспериментов использовалась известная «сульфитная методика» [21, при которой в качестве рабочих сред были выбраны водный раствор сульфита натрия и кислород воздуха, в качестве катализатора служили ионы меди. В ходе работы измерялись объемная скорость рециркуляции, давление в форсуночной камере, расход газа, газосодержание. По скорости изменения концентрации сульфита натрия определялось сульфитное число Ас-

Удельная поверхность контакта фаз (S, м /м ) зависит от многих факторов и может быть определена по выражению [1]:

Кс Ф j/n

концентрация кислорода в газе на входе в аппарат составила:

Щ = 8,46 ■ 1СГ3 (кмоль/м3), КГ

'вх

Если пренебречь уменьшением потока воздуха вследствие абсорбции части кислорода, то

Ж

Qr

кс,

'вых у У6Х

где Уж - объем жидкости в аппарате, м3; ^ - объемный расход газа, м3/с.

В работе [1] получено:

- = 1,44-10 4 (м/с).

т

После экспериментального определения «сульфитного числа» легко рассчитать величину 5" по уравнению (1).

Для оценки эффективности работы газожидкостных аппаратов рассчитывался критерий эффективности, т.е. отношение количества продукта, получаемого с единицы рабочего объема в единицу времени («сульфитного числа»), к удельной энергии, диссипируемой в аппарате.

Кс

кэ-

N/V

где Кэ - критерий эффективности,

кмоль

ТУТ*

/ кВт .,3

Кс - «сульфитное число» (объемный коэффициент массопередачи), кмоль/(м3-ч); N

ность, диссипируемая в аппарате.

полезная мощ-кВт; V - объем

(1)

где Кс - «сульфитное число» (объемный коэффициент массопередачи), кмоль/(м3-ч); (р - газосо-

аппарата, м .

Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.

В работе установлено, что при одинаковых значениях удельной энергии, диссипируемой в реакционном объеме и одинаковых расходах газа,

8

4

6

9

1

7

I

объемный коэффициент массопередачи («сульфитное число») значительно выше для трех- и четырех- соплового реактора по сравнению с одно-сопловым. Соответственно при этом пропорционально возросли удельная межфазная поверхность и критерий эффективности.

Таблица

Результаты экспериментов по сравнительной оценке эффективности работы одно- и многосопловых реакторов с эжекционным диспергированием газа

(N/V=3,2 кВт/м3, Qг = 8,510-3 м3/с) Table. Experimental results on the comparative evaluation of operation efficiency of single and multi-nozzle reactors with dispersing gas ejection (N/V=3.2 kW/m3, O, = 8.5 10 3 m3/s)

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что по сравнению с односо-пловым эжекционным диспергированием. К , для трехсоплового реактора выше в 1,5 раза, а для 4-х соплового в 2 раза (рис. 2).

Таким образом, для равномерного распределения энергии и перемешивания газожидкостной дисперсии во всем рабочем объеме аппарата необходимо использовать многосопловой эжекци-онный аппарат. При этом наблюдается повышение

эффективности работы аппарата в 1,5 - 2 раза при одинаковых значениях диссипируемой энергии.

О 2 4 6 8 10 12

О, мУс

Рис. 2. Зависимость критерия эффективности от расхода газа (7V T -3.2 кВт/м3): 1 - односопловой реактор, 2 - трехсопловой реактор, 3 - четырехсопловой реактор Fig. 2. Dependence of the efficiency criterion on gas How (N/V=3,2 kW/m3):1 - with a nozzle reactor, 2 - reactor with three nozzles, 3 - reactor with four nozzles

ЛИТЕРАТУРА

1. Галицкий И. В. Исследование гидродинамики и массо-обмена в реакторах с эжекционным диспергированием газа. Дис. к. т.н. М.: 1978. 202 е.;

Galitskiy I.V. The study of hydrodynamics and mass transfer in reactors with ejection dispersing gas. Dissertation for candidate degree on technical sciences. M.: 1978. 202 c. (in Russian).

2. Леонтьев B.K., Барашева MA. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. Вып. 2. С. 111-114; Leontiev V. K., Barasheva M.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 2. P. 111 - 114 (in Russian).

z Кс, кмоль/(м3-ч); J. К МОЛЬ / Кэ, з / м -ч/ /кВт / Ф S10-3, м2/м3

1 0,361 0,111 0,1405 0,847

3 0,789 0,244 0,1650 1,808

4 1,000 0,323 0,1780 2,256

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии