CC BY
9УДК 624.072.33-52
Е.А. КИСЛОЕ, А.В. СУГАК, Д. О. БЫТЕВ, А. С. ГРИБАНОВ
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МАССООБМЕНА В СТРУЙНОМ АППАРАТЕ
(Ярославский государственный технический университет)
В статье рассмотрен способ интенсификации процесса массообмена в аппарате со струйным аэрированием, в котором взаимодействие фаз достигается за счет распространения в рабочем объеме газожидкостного факела. Форма струи создается специальным насадком с закручивающими вставками. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих факт увеличения эффективности массообмена за счет закручивания струи, установлен оптимальный угол закручивающей вставки.
В промышленности широко известны процессы, протекающие в газожидкостных средах. Их эффективность во многом зависит от степени тур-булизации газожидкостной смеси [1]. Наряду с традиционными методами аэрирования жидкости в последнее время все более широкое применение находит способ, при котором развитая двухфазная система образуется в результате распространения в реакционном объеме падающей струи жидкости. Схема такого процесса представлена на рисунке 1.
и степени диспергированности в реакционном объеме [2]. На эти параметры влияют геометрические характеристики насадка и струи: длина и диаметр струи, форма и внутренняя конфигурация насадка.
Ранее подробно был изучен процесс аэрирования жидкости с помощью насадка круглого сечения [3]. Можно предположить, что изменение конфигурации струи, а именно придание ей закрученной формы, будет способствовать увеличению количества инжектируемого газа. Изменение формы струи достигалось с помощью специальной закручивающей вставки, укрепляемой во внутреннем пространстве насадка (рис. 2).
Рис. 1. Схема струйного процесса. 1 - насадок; 2 - струя жидкости; 3 - каверна; 4 - газожидкостная область; 5 - емкость с жидкостью.
Принцип работы состоит в следующем: жидкость, нагнетаемая насосом, движется по циркуляционному контуру и вытекает из насадка 1, образуя струю 2. Свободная поверхность струи при падении захватывает окружающий газ. В месте входа струи в слой жидкости 5 образуется каверна 3. Инжектируемый газ, проникая в слой жидкости, интенсивно диспергируется и создает газожидкостную смесь 4. Газовые пузыри под действием сил трения увлекаются вглубь рабочего объема и затем всплывают к поверхности.
Эффективность процесса во многом зависит от количества газа, инжектированного струей,
Рис. 2. Закручивающая вставка.
При прохождении жидкости через насадок со вставкой частицы жидкости приобретают окружную скорость и на выходе из насадка образуется закрученная струя. Для исследования массо-обменных характеристик использовались вставки, создающие различную закрутку струи, причем величина закрутки - а оценивалась по отношению количества оборотов, на которое вставка закручивает жидкость, к длине вставки (единицы измерения «оборот/метр»).
Исследование эффективности процесса мас-сообмена при струйном аэрировании проводилось по методике определения скорости поглощения кислорода водным раствором сульфита натрия [4]:
СО804
2Ш^О3 + О
2
Концентрация сульфита натрия в фиксированные моменты времени определялась методом йодометрического титрования:
Исследования проводились на установке со следующими параметрами:
объем жидкости в аппарате - 0,35 м 3; диаметр струи на выходе из насадка - 0,012 м; расход жидкости через насадок изменялся в диапазоне от 0,2 до 0,62 кг/с;
степень закрутки принимала значения: 0,0;4,2; 12,1; 24,9 об/м;
длина свободной падающей струи не изменялась и составила 0,22 м.
Результаты экспериментальных исследований по определению зависимости скорости поглощения кислорода от расхода жидкости при различной закрутке струи представлены на рисунке 3.
3.0Е-02 и
0.35 0.4 0.45 Расход, кг/с
-Закр. 0 -ш- Закр. 4.2 Зшф. 12.1 -*- Закр. 24.9
Рис. 3. Зависимость скорости поглощения кислорода от расхода воды.
Для сравнения эффективности различных закручивающих вставок использовался сравнительный коэффициент 0 , показывающий на сколько увеличилась скорость поглощения кислорода относительно характеристик незакрученной струи. Коэффициент 0 рассчитывается по формуле:
0 = Kа - K0
100%,
где 0 - коэффициент интенсификации, %; Ка - скорость поглощения кислорода раствором сульфита натрия при аэрировании струей с величиной закрутки а, моль/с;
К0 - скорость поглощения кислорода раствором сульфита натрия при аэрировании струей без закрутки, моль/с.
Значения коэффициента 0 для исследуемых вставок при различных расходах жидкости приведены в таблице. Значение 0 для незакру-ченной струи равно 0.
Анализ данных таблицы показывает, что коэффициент интенсификации 0 не зависит от расхода жидкости, а зависит только от величины закрутки струи - а (об/м).
Таблица.
Коэффициенты интенсификации струйного процесса
Расход жидкости через насадок, кг/с
0,24
0,30
0,36
0,42
0,48
0,54
0,60
Значения коэффициента интенсификации 0
а = 4,2
23,2
19,1
19,9
23,0
26,3
29,1
31,3
а = 12,1
82,5
82,9
83,7
84,3
84,9
84,0
84,4
а = 24.
25,0
25,4
25,1
24,2
24,8
26,0
25,3
Обработкой опытных данных, представленных в таблице, методом наименьших квадратов в среде Microsoft Excel, получено полиномиальное представление зависимости коэффициента интенсификации струйного процесса от величины закрутки струи а:
0 = -0,0285 • а3 + 0,589 • а2 + 3,9796 • а .
Графическое представление зависимости представлено на рисунке 4.
Из графика видно, что коэффициент интенсификации имеет максимум при закрутке а = 16,5 об/м. Указанному значению соответствует значение коэффициента 0 = 98%. Увеличение величины закрутки выше оптимального значения приводит к частичному распаду струи, при этом количество воздуха, инжектируемого вглубь реакционного объема, уменьшается и, как следствие, происходит резкое снижение скорости поглощения кислорода.
100 И
-20 -
а (закрутка, об/м)
Рис. 4. Зависимость коэффициента интенсификации струйного процесса от величины закрутки струи
Проведенные исследования доказывают факт значительной интенсификации процесса
аэрирования жидкости струями, вытекающими из насадков с закрученными вставками. Полученные уравнения позволят более обоснованно подойти к вопросам создания методики расчета промышленных аппаратов со струйными аэрационными системами. Исследованный способ повышения эффективности струйного процесса при помощи закручивающих вставок позволяет подобрать наиболее оптимальную закручивающую вставку для достижения максимальной интенсивности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахметов В. К., Волошаник В. В. // Гидротехническое строительство .1994. № 10. С. 24-26
2. Войцехович И. К., Сычев А. Т. Охрана окружающей среды. Минск. 1984. №3. 80 с.
3. Сугак А. В. Гидродинамика и массоперенос при струйном аэрировании жидкости. Дис. на соиск. уч. степ. к.т.н., Л., ЛТИ им. Ленсовета. 1986. 145 с.
4. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. Пер. с англ. М.: Химия. 1982. 696 с., ил.
Кафедра технологических машин и оборудования
УДК 678.032.8 : 678.01 : 543.336
В.И. КОРЧАГИН
УСТРАНЕНИЕ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ БУТАДИЕН-СТИРОЛЬНЫХ КАУЧУКОВ
(Воронежская государственная технологическая академия, г. Воронеж)
Исследования термостабильности высоконаполненного керогеном - 70 бутадиен-стирольного каучука проводили методами динамического и статистического термического анализа. Введение в состав высоконаполненного каучука в качестве мягчителя остатка дистилляции сланцевых смол (ОДСС) сопровождается дополнительными эффектами - устранением термоокислительных процессов и повышением стойкости к термическому воздействию в условиях переработки.
В процессе механического, механотерми-ческого обезвоживания и сушки высоконаполнен-ного каучука протекают различного рода структурные изменения, которые зависят от режимов и условий переработки, а также от его состава [1].
Влияние примесей в полибутадиеновых каучуках, в том числе в бутадиенсодержащих сополимерах на термоокислительные процессы, были изучены в работах [2,3], однако для наполненных каучуков количество исследований недостаточно.
Целью работы является изучение процесса термоокисления высоконаполненных бутадиен-стирольных каучуков в зависимости от их состава и выявление лимитирующих факторов по стабилизации процесса термической переработки.
Высоконаполненные каучуки были получены при использовании опытно-промышленных карбоксилатных бутадиен-стирольных латексов БСК - 15/2, БСК - 30/2 и БСК - 45/2, а также латекса товарного каучука СКС - 30 АРКП.
В качестве наполнителя использовали орга-номинеральное соединение кероген - 70 с содержанием условного органического вещества сланца, в пересчете на сухой продукт, 68 - 72 мас. д., %.
В состав высоконаполненных систем вводили в качестве мягчителя ОДСС (остаток дистилляции сланцевых смол), состав и свойства которого представлены в таблице.
Таблица.
Состав и свойства ОДСС.
Наименование показателя Значение
Содержание парафиновых и олефиновых углеводородов, мас. д., %. 10 - 12
Алкилароматические углеводороды (одно - и многоядерные), мас. д., %. 30 - 35
Кислородные соединения, в том числе представленные на половину фенольными соединениями, мас. д., %. 55 - 63
плотность, кг/дм3 0,89
бромное число 57
динамическая вязкость при 20 оС, пуаз 783
