CC BY
39
УДК 66.011
И. Н. Мадышев, Л. В. Круглов, О. С. Дмитриева, А. В. Дмитриев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОГО РАЗМЕРА ГАЗОВОГО ПУЗЫРЯ В СТРУЙНО-БАРБОТАЖНОМ КОНТАКТНОМ УСТРОЙСТВЕ
Ключевые слова: контактное устройство, барботаж, пузыри.
В статье представлена конструкция струйно-барботажного контактного устройства. Создана развитая постоянно обновляющаяся поверхность контакта фаз, которая определяется наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями с поверхности. Определен минимальный размер пузыря, необходимого для его всплытия. Показано влияние расхода жидкости, ее физические свойства, конструктивные параметры контактного устройства на размер пузыря.
Keywords: contact device, barbotage, bubbles.
The paper presents the design of stream-bubble contact device. Created developed constantly updated contact surface, which is determined by the presence of relatively small gas bubbles in the liquid layer, and departing from the surface of drops. Determine the minimum size of the bubble, necessary for its ascent. Shown the influence of the fluid flow, its physical properties, and the structural parameters of the contact device to bubble size.
На сегодняшний день по-прежнему остается одной из наиболее актуальных задач проблема повышения энергетической эффективности, способной обеспечить устойчивое инновационное развитие экономики нашей страны. По данным Международного экономического агентства 1ЕА, главным потребителем энергии в экономике РФ является промышленность [1]. Сравнение России с другими странами по показателю энергоемкости предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК) демонстрирует большие резервы повышения эффективности использования энергии. Энергоемкость химических, нефтехимических и нефтегазоперерабатывающих производств
существенно превосходит аналогичные показатели развитых стран (в основном на 20-60% [2]). В связи с этим снижение энергоемкости промышленных установок предприятий ТЭК является актуальной задачей, решение которой позволит увеличить энергобезопасность страны, обеспечить
конкурентоспособность отечественных предприятий и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду [3].
Одним из наиболее эффективных способов энергосбережения является модернизация
существующих тепломассообменных аппаратов, которая заключается в использовании современных высокоэффективных контактных устройств. В настоящее время в аппаратах колонного типа с парогазожидкостными средами применяются контактные устройства отечественных и зарубежных фирм [4-6]. Однако многие конструкции малоэффективны с точки зрения достижения высокой интенсификации тепломассообменных процессов при минимальных затратах энергии. В связи с этим необходима разработка новых контактных устройств, обеспечивающих наиболее эффективные и интенсивные гидродинамические режимы с минимальным гидравлическим сопротивлением.
Возможным решением проблемы является применение струйно-барботажного контактного устройства для тепломассообменных аппаратов [7], показанное на рис. 1. Устройство имеет сливные
стаканы с вертикальными стенками, необходимыми для поддержания уровня жидкости внутри них. Стержни соединяют в каждом ряду между собой стаканы. Последние, в свою очередь сверху открыты, а снизу, в днище имеется множество отверстий для слива жидкости на расположенный ниже сливной стакан. Схема взаимодействия потоков газа и жидкости в предлагаемом струйно-барботажном контактном устройстве представлена на рис. 2.
Рис. 1 - Вид спереди с косым срезом струйно-барботажного контактного устройства: 1 -сливной стакан, 2 - стержень, 3 - отверстия
Жидкость через большое число отверстий, выполненных в днище сливных стаканов, диспергируется в виде струй на расположенный ниже сливной стакан. За счет имеющихся вертикальных стенок у сливных стаканов в них поддерживается определенный уровень жидкости. Причем стаканы размещают в пространстве аппарата в шахматном порядке, как по горизонтали, так и по вертикали. Поэтому поступающий снизу под устройство газ движется зигзагообразно (рис. 2).
Во время своего движения струи жидкости распадаются с образованием множества капель. Последние, соударяясь о поверхность жидкости внутри стаканов разлетаются в разные стороны брызгами. Таким образом, создается развитая постоянно обновляющаяся поверхность контакта
фаз, которая определяется наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями с поверхности. Кроме того, восходящий поток газа контактирует с падающими струями или каплями жидкости, при этом образуется вторая зона контакта газа и жидкости.
6,5. 3. 1 .2 .4
^'^'Д'У.'ЛУ.У1^ I • • • • • • • • КЕЭЗдаЗВЯ • • «ч • • • •
^ ДрдпаВш /
.............. * • • ..................
I ч X I* «'<*■' • •
____________________________/ N
•»• . • • • • • 4
• !«•"* • ••••••••«•«•»• * • • • •
✓ Г'_****_*_* **»*«*»* I ч
V * * * НЙСЙ558?58Я <
Лл^ .•Г*«-«- * V ' • • • •
Рис. 2 - Схема взаимодействия потоков газа и жидкости в струйно-барботажном контактном устройстве: 1 - сливной стакан; 2 - газ или пар; 3 -днище сливного стакана; 4 - капли, образованные перфорированным устройством; 5 - капли, образованные соударением; 6 - пузыри газа или пара
Приняв расстояние на одном уровне между сливными стаканами, равными их ширине, обеспечивается равнопроточность для прохода газового потока, как следствие, снижается гидравлическое сопротивление разработанного контактного устройства. С целью достижения максимальной эффективности тепломассообменных процессов сливные стаканы в поперечном сечении выполнены в форме квадратов. Таким образом, организация оригинального взаимодействия между газом и жидкостью позволяет интенсифицировать тепло- и массообменные процессы как в жидкой, так и в газовой фазах при относительно простом аппаратурном оформлении.
Как показывают проведенные экспериментальные исследования гидродинамики барботажного слоя в контактных элементах [8], в подвижной жидкости имеются газовые пузыри, двигающиеся в противоположном направлении (рис. 3). В связи с этим, целью проводимых численных исследований является определение минимального размера пузыря, необходимого для его всплытия.
; ¿ Г' V/.
..¿Л'
¿К 1 :у.
гЦ * .:
Рис. 3 - Фотография барботажного предлагаемом контактном устройстве
слоя в
Скорость жидкости в контактном элементе определяется:
и = и
срк с р 4^2
(1)
где иср - среднерасходная скорость истечения жидкости из сливных отверстий, м/с; п0 -количество отверстий в одном контактном элементе; Ь - ширина контактного элемента, м; сС0 - диаметр отверстий, м.
Среднерасходную скорость истечения жидкости можно определить из уравнения расхода:
и = (2)
ср ,2 > ^ '
ПоПС2
где ^ - объемный расход жидкости, м3/с. С учетом (2), выражение (1) запишется:
и = (3)
срк Ь2 • У '
Установившаяся скорость всплытия газового пузыря может быть найдена из уравнения:
пав
6
Р19 = С
2
4 2
где Wa - установившаяся скорость всплытия, м/с; Р!_ - плотность жидкости, кг/м3; ад - диаметр газового пузыря, м; са - коэффициент сопротивления; 9 -ускорение свободного падения, м/с .
Минимальный диаметр пузыря можно определить из условия:
W > и
а срк ■>
после преобразования получим:
> исрк,
4 дав
тогда
3 са
а = 3 С±и 2
в min , срк •
У
(4)
Для стоксового режима движения пузыря выражение (4) можно записать:
9
(5)
где VI - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с.
С учетом (3) выражение (5) записывается:
1 ¡Ш ^
а
в тт Ьу 9
Исследования проводились для системы воздух-вода при температуре сред 20°С, при разных конструктивных размерах контактного устройства. Результаты исследований показали, что на минимальный диаметр газового пузыря оказывают влияние величина расхода жидкости, ее физические свойства, а также особенности конструкции предлагаемого контактного устройства.
На рис. 4 графически продемонстрировано, что увеличение ширины контактного элемента приводит к обратно пропорциональному уменьшению минимального диаметра газового пузыря, необходимого для всплытия. Следует отметить, что при увеличении расхода жидкости минимальный диаметр пузыря так же увеличивается.
а
в тт
Рис. 4 - Зависимость минимального диаметра газового пузыря от объемного расхода жидкости при Ь, м: 1 - 0,04; 2 - 0,06; 3 - 0,08; 4 - 0,1
Таким образом, проведенные оценочные расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными, т.е. большинство образующихся газовых пузырей (9599%) всплывают к поверхности раздела газ-жидкость.
Выполненные исследования показали, что применение струйно-барботажных контактных устройств позволит создавать высокоэффективные тепломассообменные аппараты при невысоких энергозатратах на проведение процесса.
Исследование выполнено при финансовой
поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1638-60081 мол_а_дк.
Литература
1. А.С. Яковлев, Г.А. Барышева, Известия Томского политехнического университета, 321, 6, 25-30. (2012).
2. Х.Н. Ясавеев, А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Модернизация установок переработки углеводородных смесей, ФЭН, Казань, 2004. 307 с.
3. А.Р. Галеева, О.В. Газизова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 8, 372-376 (2014).
4. А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов, Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов, Отечество, Казань, 2013. 454 с.
5. И.А. Повтарев, В.Н. Блиничев, О.В. Чагин, Я. Кравчик, Химическое и нефтегазовое машиностроение, 3, 12-13. (2008).
6. Р.Р. Усманова, Г.Е. Заиков, Вестник технологического университета, 18, 9, 98-101 (2015).
7. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, Г.С. Сагдеева, А.Н. Николаев, Патент 156379 РФ, МПК B01D 3/20. Струйно-барботажное контактное устройство для тепломассообменных процессов, № 2015119123/05; заявл. 30.04.2015; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. 2 с.
8. А.В. Дмитриев, И.Н. Мадышев, О.С. Дмитриева, Промышленная энергетика, 5, 26-31. (2016).
© И. Н. Мадышев - старший преподаватель каф. МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, ilnyr_91 @mail.ru, Л. В. Круглов - старший преподаватель каф. ТОТ КГЭУ, [email protected], О. С. Дмитриева -доцент кафедры ПАХТ НХТИ КНИТУ, [email protected], А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ КГЭУ, [email protected].
© 1 N. Madyshev - assistant professor of MAHP chair, NCHTI KNRTU, [email protected], L. V. Kruglov - assistant professor of TBT chair, KSPEU, [email protected], O. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, [email protected], A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical Bases of TBT chair, KSPEU, [email protected].
