CC BY
11В.К. Леонтьев, М.А. Барашева
УДК 66.023.2
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ЭЖЕКЦИОННОГО АППАРАТА С ПОДВИЖНОЙ НАСАДКОЙ
(Ярославский государственный технический университет) e-mail: leontievvk@ystu.ru; barashevama@ystu.ru
Экспериментально исследована работа газожидкостного эжекционного аппарата с подвижной насадкой. Установлено влияние расхода газовой фазы, размера и объема насадки на эффективность проведения процесса.
Ключевые слова: газожидкостной эжекционный аппарат с подвижной насадкой, удельный свободный объем насадки, удельная поверхность насадки, относительный объем подвижной насадки
Газожидкостные реакторы нашли широкое применение не только в химической промышленности, но и во многих других отраслях промышленного производства. Дисперсные системы газа в жидкости широко используются для контакта между фазами и обеспечения эффективной передачи количества массы, движения и энергии.
Газожидкостные эжекционные аппараты используются для проведения процессов смешения жидкости с газом, а также их химического взаимодействия. Они могут применяться в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической промышленности. Столь широкое распространение газожидкостных эжекционных аппаратов в технике обусловлено их конструктивной простотой, отсутствием подвижных частей, возможностью размещения в труднодоступных местах.
С целью интенсификации процесса массо-обмена между фазами используют попеременное изменение формы потока, удар потока о твердые преграды - отбойники, закручивание, взаимную эжекцию отдельных фаз, наложение пульсаций. Ранее были проведены экспериментальные исследования по оценке влияния магнитного поля на эффективность работы газожидкостного реактора с использованием сульфитной методики, которые показали, что скорость процесса окисления сульфита натрия кислородом воздуха («сульфитное число») возрастает в 3.. .7 раз [1].
Ранее было показано, что по критерию эффективности газожидкостные эжекционные аппараты имеют значительные преимущества по сравнению с традиционными газожидкостными аппаратами [2].
Особый интерес представляют газожидкостные аппараты, в рабочий объем которых помещена подвижная насадка. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование эффективности работы газожидкостного эжекцион-ного аппарата с подвижной насадкой.
Конструкция газожидкостного эжекцион-ного аппарата представлена на рис. 1.
камера; 3 - распылитель жидкости; 4 - смеситель; 5 - диспер-гатор; 6 - центробежный насос; 7 - подвижная насадка;
8 - манометр; 9 - ротаметр, 10 - регулятор расхода воздуха Fig. 1. Scheme of gas-liquid ejection device with mobile nozzle: 1
- device body; 2 - ejection chamber; 3 - liquid sprayer; 4 - mixer; 5 - dispersant; 6 - centrifugal pump; 7 - movable nozzle; 8 - manometer; 9 - rotameter; 10 - air flow regulator
Жидкость насосом 6 под давлением подается в распылитель жидкости 3, распыляется и засасывает газ, поступающий в эжекционную камеру 2. Образовавшаяся газожидкостная смесь проходит через смеситель 4 и с большой скоростью ударяется в диспергатор 5. При ударе газожидкостного потока о диспергатор газовые пузырьки дробятся, и затем смесь распределяется по реакционному объему аппарата, куда помещена подвижная насадка 7. Плотность материала насадки должна быть на 10-30 % больше плотности жидкости. При меньших значениях плотности насадка, в основном, всплывает на поверхность реакционного объема, при больших - находится
внизу реакционного объема, т. к. кинетической энергии вытекающей газожидкостной смеси недостаточно для подъема насадки. В ходе работы в качестве насадки были использованы пористые тонкостенные кольца Рашига.
Помещенная в рабочий объем насадка значительно интенсифицирует процесс массоперено-са, увеличивая поверхность контакта фаз за счет обновления межфазной поверхности в результате соударения насадки с газовыми пузырьками.
Свойства насадки представлены в табл. 1.
Таблица 1
Свойства насадки, используемой в процессе исследования эффективности работы газожидкостного
аппарата с подвижной насадкой Table 1. The properties of the nozzle used in the study of the operating efficiency of the gas-liquid apparatus with a movable nozzle
Размер насадки мм Плотность насадки рн, кг/м3 Удельный свободный объем ¥св, м3/м3 Удельная поверхность а, м2/м3 Объем 1 штуки, 3 см3
8x8x1 1220 0,66 583 0,176
12x12x2 1240 0,68 410 0,754
16x16x2 1250 0,71 300 1,407
После пуска насоса и выхода на заданный режим, за время которого жидкость тщательно перемешивалась и выравнивались концентрационные поля в объеме дисперсии, с помощью шприца отбирались пробы раствора в стеклянные герметично закрывающиеся колбы емкостью 100 мл. Отбор проб производился через различные промежутки времени, величина которых колебалась от 1 до 12 минут в зависимости от ожидаемой скорости протекания реакции. В течение всего времени проведения эксперимента поддерживался неизменный расход газа. По окончании опыта емкость промывалась горячей водой, затем проводились последующие эксперименты с запланированными значениями режимных параметров.
Таблица 2
Результаты эксперимента по изучению влияния размера насадки на скорость процесса абсорбции Table 2. The experimental results on the influence of nozzle size on the absorption rate
Оценка эффективности газожидкостного эжекционного аппарата с подвижной насадкой проводилась экспериментальным способом с использованием сульфитной методики. Порядок проведения экспериментов был следующий: готовился водный раствор №2803 с концентрацией 0,4 кмоль/м3 объемом 7 л, затем раствор заливался в аппарат. Перед началом экспериментов в раствор добавлялся водный раствор катализатора - раствор CuSO4.
Все экспериментальные исследования проводились при давлении на форсунке рф = 0,4 МПа. Диаметр сопла форсунки йф = 3 мм. Расход жидкости через форсунку определяется по формуле:
где цр - коэффициент расхода через форсунку, цр = 0,73; йф - диаметр форсунки, м; рф - давление на форсунке, Па.
Таким образом, расход жидкости через форсунку при проведении эксперимента составлял:
& = 0,733,14• °,°°3\Ё4^ = 0,00015 мз/с .
4 \ 1000
Абсорбированный кислород реагирует с сульфитом согласно стехиометрическому соотношению:
Размер насадки d*h*d, мм Относительный объем подвижной насадки Время отбора проб t, мин Концентрация Na2SO3 в пробе, кмоль/м3 Сульфитное число Кс, кмоль/м3-ч
0 0,400
1 0,390
8x8x1 0,06 3 0,365 0,6270
5 0,350
9 0,295
12 0,280
0 0,400
1 0,360
12x12x2 0,06 3 0,310 1,8000
5 0,240
9 0,120
12 0,040
0 0,400
1 0,380
16x16x2 0,06 3 0,340 1,4784
5 0,270
9 0,180
12 0,110
0 0,400
1 0,395
Без 3 0,385 0,3410
насадки 5 0,370
9 0,325
12 0,310
Концентрация С [кмоль/м3] каждой пробы раствора определялась йодометрическим методом (обратным титрованием) и вычислялась по формуле [3]:
[Ж(12) V(12)общ - N(№28203) V(№28203)]
XO2 + SO3
SO,
С (Na2SO3) = J
V (Na2SO3)
где М(Ка^203), - соответственно нормаль-
ности приготовленных стандартных растворов йода и тиосульфата натрия, моль/дм3; Щ2)общ -объем избытка йода, см3; К(Ка^203) - объем тиосульфата натрия, пошедший на титрование остатка йода, см3; К(Ка^03) - объем взятой на анализ пробы сульфита натрия, см3; С(№^03) - искомая концентрация сульфита натрия, моль/дм3.
Значения концентраций наносились на график в координатах концентрация - время, затем определялась скорость окисления в виде «сульфитного числа» Кс:
Кс = — = — [кмоль №^03/(м3^час)].
Ат dт
Экспериментальная зависимость изменения концентрации сульфитного раствора имеет вид прямой, расположенной под углом а к оси абсцисс, и является геометрическим местом точек, отвечающих определенному соотношению режимных параметров.
При найденном оптимальном относительном объеме насадки (0,06) проводились экспериментальные исследования по изучению влияния размера насадки на скорость процесса абсорбции. Результаты приведены в табл. 2. График этой зависимости представлен на рис. 2.
2,00
1,80
1,60
1,40
•Т
m 1,20
JS
н 1,00
о 0,80
,о 0,60
0,40
0,20
0,00
0
5
15
20
10
d, мм
Рис. 2. Зависимость скорости процесса абсорбции от размера насадки
Fig. 2. The dependence of absorption process rate on the size of nozzle
Аналогичным образом с использованием сульфитной методики было проведено экспериментальное исследование по изучению влияния расхода воздуха на скорость процесса. Результаты, полученные в ходе эксперимента, представлены в табл. 3, а график зависимости скорости процесса от расхода газа - на рис. 3.
Таким образом, экспериментально установлено, что присутствие подвижной насадки в реакционном объеме значительно интенсифици-
рует процесс окисления сульфита натрия кислородом воздуха. «Сульфитное число» возрастает в 2-5 раз.
Таблица 3
Результаты эксперимента по изучению влияния расхода газа на скорость процесса абсорбции Table 3. The experimental results on the influence of air flow on the absorption rate
Относительный объем подвижной насадки Расход газа Qг, л/с Время отбора проб t, мин Концентрация Na2SO3 в пробе, кмоль/м3 Сульфитное число, KC, кмоль/м3-ч
0 0,400
1 0,380
0,06 0,20 3 0,340 1,5384
5 0,270
9 0,170
12 0,100
0 0,400
1 0,360
0,06 0,37 3 0,310 1,8000
5 0,240
9 0,120
12 0,040
0 0,40
1 0,360
0,06 0,55 3 0,305 1,8054
5 0,230
9 0,115
12 0,040
0 0,400
1 0,355
0,06 0,76 3 0,305 1,8270
5 0,230
9 0,100
12 0,040
£
2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
0,0
~r
0,2
V
0,6
-I
0,8
~r
0,4 Q г, л/с
Рис. 3. Зависимость скорости процесса абсорбции от расхода газа Fig. 3. The dependence of absorption process rate on air flow
Показано, что существуют предельные максимальные значения расхода газа, размера и оптимального объема насадки. Эти значения составляют:
- расход газа от 0,37 до 0,40 л/с, то есть относительный расход газа - объемный коэффициент инжекции - составляет 2,5.. .2,7;
- размер насадки - 12^12^2 мм;
- относительный объем насадки - 0,06 (6%).
Проведение процесса при величинах, превышающих указанные значения, не приводит к значительной интенсификации процесса.
К преимуществу использования подвижной насадки (по сравнению с применением магнитного поля) можно отнести:
- незначительный нагрев реакционного объема (для магнитного поля температура повышается на 15-20°С);
- очень низкие значения удельной потребляемой мощности 0,5-1 кВт/м3 (для магнитного поля 100300 кВт/м3).
ЛИТЕРАТУРА
1. Леонтьев В.К., Сугак А.В., Москвичев Ю.А., Шалы-гин Е.В., Никифоров П.А. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. Вып. 11. С. 14-16; Leontyev V.K., Sugak A.V., Moskvichyov Yu.A., Shaly-gin E.V., Nikiforov P.A // Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. 2008. N 11. P. 14-16 (in Russian).
2. Леонтьев В.К., Гирба Е.А., Леонтьев А.В., Рябков И.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2003. Т. 46. Вып. 9. С. 123-125;
Leontyev V.K., Girba E.A., Leontyev A.V., Ryabkova I.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2003. V. 46. N 9. P. 123-125 (in Russian).
3. Золотов Ю.А., Дорохова Е.Н. Фадеева В.И. Основы аналитической химии. Методы химического анализа. Изд. третье. М.: Высшая школа. 1999. 494 с.;
Zolotov Yu.A., Dorokhov E.N., Fadeeva V.I. Basics of analytical chemistry. Methods of chemical analysis. M.: Vyssh. Shkola. 1999. 494 p. (in Russian).
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
УДК 532.529
А.П. Семерня, Г.И. Лепехин, П.В. Мишта, Е.А. Беднарская
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ ИСПАРЕНИИ ТОПЛИВНОЙ ПЛЕНКИ С ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ
(Волгоградский государственный технический университет) e-mail: mapt@vstu.ru
Получены критериальные уравнения при экспериментальном изучении темпа испарения пленок чистых углеводородных жидкостей с постоянной поверхности в зависимости от скорости и температуры воздушного потока, температуры поверхности испарения и теплофизических свойств жидкости.
Ключевые слова: топливная пленка, испарение, массобмен, пленочный аппарат
Исследование испарения жидкости слож-номолекулярного состава, каким является нефтяное топливо, требует строгого математического решения уравнений переноса импульса, энергии и массы при анализе проблем тепломассопереноса в турбулентном пограничном слое. При решении такой системы уравнений возникает ряд трудностей, которые можно преодолеть методами подобия [1-4], исходя из критериев подобия, пользуясь которыми можно описать процесс.
Для исследования процессов тепло- и мас-сообмена часто применяется экспериментальный метод моделирования, позволяющий получить
достоверные данные об изучаемом явлении при равенстве определяющих критериев для объекта и модели.
Количественная оценка процессов испарения в быстродействующих тепловых машинах в настоящее время встречает ряд трудностей, которые преодолеваются изучением испарения топливной пленки в идеализированных условиях на чистых углеводородных жидкостях.
Экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена при испарении пленки жидкости проводилось на экспериментальной установке [5] и заключалось в следующем.
