Определение диаметра газовых (паровых) пузырьков на вихревой ступени при ректификации Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.015.23

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА ГАЗОВЫХ (ПАРОВЫХ) ПУЗЫРЬКОВ НА ВИХРЕВОЙ СТУПЕНИ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ

А.В. Кустов, Ю.Д. Алашкевич, С.Н. Мартыновская, И.И. Букельманов, А.Р. Шакуро

ФБГОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: [email protected]

В статье рассматривается вопрос определения диаметра парового пузыря образующегося на вихревой ректификационной ступени. В известной формуле для определения диаметра пузырей учтено влияние силы инерции, возникающей при работе ректификационной колонны при вращении газожидкостного слоя на контактной ступени.

Анализ возможных путей интенсификации масоопередачи в системе газ-жидкость показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барботажных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности. В связи с этим, применение центробежного ускорения является наиболее простым способом интенсификации массообмена. Вращение потока способствует дроблению пузырьков пара на ступени и предотвращает капельный унос, за счет действия инерции.

Ключевые слова: этанол, ректификация, газосодержание, удельная межфазная поверхность.

This article is deals with the question of determining the diameter of the steam bubble formed on Vortex distillation stages . The famous formula is determining the diameter of bubbles taken into account influence of inertial forces generated by the work of rectifying column by spinning the gas-liquid contact layer on the stage.

An analysis of possible ways of intensification of mass exchange in gas-liquid system shows that the use of these processe s bubbling apparatus designs did not significantly improve performance and efficiency. In this regard, the application of centrifugal acceleration is the easiest way to intensification of mass transfer. Rotating flow contributes to fragmentation of steam bubbles on the steps and prevents drip loss, due to the inertia.

Keywords: ethanol, rectifying, gas content, specific surface.

ВВЕДЕНИЕ

Этанол, получаемый на основе гидролизата растительной массы, как нельзя лучше подходит для организации технологии получения топлив из возобновляемых источников сырья. Использование спиртов в составе бензинов, помимо чисто технических задач, связанных с получением композиций, имеющих соответствующие октановые числа, позволяет существенно улучшить и экологические показатели топлива за счет уменьшения содержания бензола и ароматических углеводородов, что приводит к снижению содержания токсичных веществ в продуктах сгорания. Установлено, что добавление абсолютного этилового спирта к бензину повышает антидетонационные свойства моторного топлива, что позволяет применять более высокие степени его сжатия. Кроме того, реализуется более полное сгорание спиртовых топлив, что не только повышает к. п. д., но и ослабляет такие вредные явления, как разжижение смазки и образование нагаров, и этим самым значительно удлиняет срок работы мотора (Войнов, 2012).

Основной технической проблемой, связанной с использованием этанола в бензине, является присутствие в нем воды, которая способна приводить к разрушению гомогенности раствора с образованием двух равновесных фаз водно-спиртовой и углеводородно-спиртовой. Практика потребления автомобильных бензинов показывает, что при использовании топливного этанола

содержащего 4-5% воды при температуре окружающей среды ниже +200С наблюдается разрушение гомогенности раствора. В этой связи для обеспечения агрегатной устойчивости товарного бензина требуется использование этанола концентрацией не менее 99,5% об. основного вещества, тогда как промышленный этиловый спирт, содержит 96,4 - 96,7 % об. этанола. Так как это содержание этилового спирта отвечает его содержанию в азеотропе, образуемом спиртом с водой при нормальном давлении (Войнов, 2012).

В настоящее время наметилась тенденция использования вихревых контактных тепло массообменных ступеней для проведения процессов абсорбции и ректификации в технологических линиях, в частности по переработке растительного сырья. Вихревые колонны не уступают по своим массообменным параметрам самым эффективным аппаратам насадочного типа, однако более производительны, менее металлоемки и масштабируемы. А также имеют сравнительно не высокое гидравлическое сопротивление, что позволяет использовать их для ведения процесса под вакуумом.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Основными требованиями, предъявляемыми при конструировании вихревой контактной ступени, при ректификации являются: обеспечение развитой межфазной поверхности, достижение высокой турбу-

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, №2 3 - 4, 2015

лентности потоков и удерживающей способности по жидкости при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении и большой нагрузке по газу. Что может быть достигнуто путем равномерного диспергирования газа в жидкость и создания условий для вращательного движения газо-жидкостной смеси на ступени.

-ЦЦ

Рисунок 1 - Схемы вихревой контактной ступени

Из всего многообразия вихревых контактных ступеней (Овчинников, 2005; Войнов, 2008; Кустов 2010) для ректификационных аппаратов наиболее перспективными являются контактные ступени с тангенциальными и многолопастными осевыми завих-рителями, рисунок 1. В вихревых тарелках газ (пар) проходит через щели (каналы), приобретает высокую тангенциальную скорость, за счет чего интенсивно

Вид ступени сбоку

дробится на мелкие пузырьки, которые равномерно распределяется в слое жидкости, образуя вращающуюся газо-жидкостную смесь.

Режимы течения. В зависимости от расхода газа в вихревой контактной ступени наблюдается три основных режима течения газожидкостной смеси: бар-ботажный; кольцевой; пленочный.

Для контактных ступеней ректификационных колонн с целью получения развитой межфазной поверхности при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения, который наблюдается при достижении критической скорости газа ц на выходе из щели. При кольцевом режиме течения жидкость из центральной части тарелки за счет силы инерции выдавливается к периферии с образованием вращающегося газожидкостного слоя в виде цилиндра с начальным внутренним диаметром 15-20 мм. По мере роста скорости газа происходит уменьшение толщины слоя и увеличение его высоты. При достижении скорости газа равной ип (которая также характеризует начало оголения щелей для прохода газа) наблюдается пленочный режим течения с раздельным течением газа и жидкости. При этом режиме наблюдается отток газовых пузырьков из вращающегося жидкостного слоя и прекращается их обновление (Войнов, 2008; Кустов, 2010, Уото^ 2009).

а б в

Вс = 114 мм Кз = 44 мм. Режимы: а - пенный; б - кольцевой; в - пленочный. Рисунок 2 - Режимы газо-жидкостной смеси на ступени

Существует несколько подходов для определения диаметра пузыря. Для медленного процесса условия отрыва пузыря представляют как равновесие кости, Н/м сил поверхностного натяжения, удерживающих пузырь по периметру отверстия, и равнодействующей сил веса и Архимеда, отрывающей пузырь. Условие равновесия записано в виде (Войнов, 2012).

й - диаметр отверстия для выхода газа, м; а - коэффициент поверхностного натяжения жид-

дает следующее выражение <1=3

0,89-

б-^сг

8 ,\Р~Рг

(2)

Ж-<1

где й - диаметр пузыря, м;

(1) Известен процесс диспергирования, который рассматривают также с позиций гидродинамической неустойчивости, исходя из которой получено [2]

¿„=3,48-

N1/5

(3)

где е0 - диссипация энергии в единице массы сплошной среды, Вт/кг;

р - плотность жидкости, кг/м3; ст - коэффициент сопротивления. Диссипация энергии, входящая в уравнение (3), рассчитывалась по формуле е = Евн/т.

В предположении, что диссипация энергии происходит за счет внешнего трения о стенки и дно ступени (Евнеш) и внутреннего трения слоев жидкости и пузырьков газа (Е ), можно записать [Войнов, 2008; Кустов, 2010]

2

11

Е

и,

1 т

(4)

где Q, Qж, Q-_ж - расходы газа (пара), жидкости и газо-жидкостной смеси, соответственно, м3/с;

рг р, рг-ж - плотность газа (пара), жидкости и газожидкостной смеси, соответственно, кг/м3; иг - скорость газа, м/с; Нд - высота столба жидкости, м; И - высота газо-жидкостного столба, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; V - угловая скорость вращения газо-жидкостной смеси, с-1;

тгж - касательные напряжения на границе контакта жидкости и газа, Па; f - площадь контакта, м2; Rз - радиус завихрителя, м.

Расчетные значения диаметра пузырьков газа, проведенные по изложенной методике, имеют большую величину (рисунок 3, пунктирная линия) в сравнении с опытными. Это позволяет предположить, что дробление пузырьков газа на ступени обеспечивается не только силами внутреннего трения между вращающимися газо-жидкостными слоями, но и за счет давления, вызванного силами инерции. Исходя из общей зависимости для мощности:

где F - действующая сила, Н; V - скорость, м/с.

можно определить величину энергии, создаваемой силой инерции:

Ы = т-шъ -Я1, (6)

где т - масса жидкости на контактной ступени, кг; R - радиус завихрителя, м; ю - угловая скорость газо-жидкостного слоя, с-1. Исследование структуры газо-жидкостной смеси осуществлялась путем фотографирования вращающегося газо-жидкостного слоя. Диаметр пузыря определялся как средне поверхностный по известной формуле

(7)

где п. - количество пузырей определенного размера;

d. - диаметр пузыря, м.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений диаметра газового пузыря представлено на рисунке 3. Сплошная линия на рисунке - значение диаметра пузыря с учетом мощности, создаваемой силой инерции.

10

20

30 и, м/с

(5)

Рисунок 3 - Зависимость среднеповерхностного диаметра пузыря от скорости газа в каналах тангенциального завихрителя. Экспериментальные точки: D = 330 мм, 8о= 15 мм, 1 = 15 мм. п = 8 шт, V = 2 л. Пунктирная линия линия - расчет по уравнению (4) без учета выражения (6); сплошная линия - расчет по уравнению (4) с учетом выражения (6)

ф

0,8

ф

0,8

%

V, ]

\

15 20и, м/с 0,2 0,4 °,6 //р. и, м3/(м2-с)

а б

О - /Р = 0,089; □ - 0,04; Д - 0,032; О - 0,022.

Рисунок 4 - Зависимости газосодержания от скорости газа в каналах (а) и параметра//р и (б) при Rs = 44 мм, Бс = 110 мм, V = 200 мл на системе этиловый спирт-вода

0

0,4

0,4

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015

Как видно, учет мощности, создаваемой силой инерции (зависимость (6)) в выражении (4) позволяет приблизить расчетные значения диаметра пузыря к экспериментальным.

Газосодержание. В начале кольцевого режима величина газосодержания на ступени не зависит от фактора крутки f/F (рисунок 2). С ростом скорости газа в каналах наблюдается снижение газосодержания (рисунок 2а), что вызвано уменьшением диаметра пузырьков за счет их дробления и сжатия. Для оценки величины газосодержания получено соотношение:

<р = Си-0'Ца/ао)Р'25, (8)

где а - коэффициент поверхностного натяжения рабочей жидкости;

sо - коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре 20 0С..

Величина константы С определяется из начальных условий

Экспериментальные данные позволили рассчитать межфазную поверхность слоя жидкости на вихревой ступени (рисунок 5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученная зависимость для определения диаметра парового пузыря, предложенная в данной статье, позволяет приблизить расчетные значения к экспериментальным. Это, в свою очередь, дает возможность более точно подходить к расчету ректификационных колонн, применяемых при получении и очистки эта-пола, получаемого на основе гидролизата растительного сырья.

а, м-1

4000

3000 2000 1000

8о = 1 - 2 мм. ◊ - f/F = 0,045; □ - 0,03; А - 0,02. Линии из точек - начало кольцевого режима.

Рисунок 5 - Зависимость межфазной поверхности от скорости газа в канале завихрителя

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Войнов Н.А. Получение безводного этанола при ректификации под вакуумом [текст] / Н.А. Войнов, А.В. Кустов, Н.А. Николаев. - Хвойные бореальной зоны. - 2012. - № 3-4 - с. 373-378 Овчинников А.А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах [текст]/А.А. Овчинников. - Казань: ЗАО «Новое знание». - 2005. - 288 с. Войнов Н.А. гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне [текст]/ Н.А. Войнов, Н.А. Николаев, А.В. Кустов. - Химическая промышленность. -

2008. - т.85. - № 8. - с.413-419.

Кустов А.В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработки растительного сырья. [Текст] Автореферат дис... канд.техн.наук; 05.21.03/А.В. Кустов. Красноярск: СибГТУ - 2010. Voinov N.A. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column [text]/ N.A. Voinov, N.A. Nikolaev, A.V. Kustov. - Russian Journal of Applied Chemistry. -

2009. - т. 82. - № 4. - с. 730-735.

Поступила в редакцию 13.03.15 Принята к печати 21.09.15