Продольное перемешивание фаз в вертикальном шнековом экстракторе Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

002.5

В

торо-

45%

ЇОГО,

:льно И на юнов іботьі ухого .їй из шет (кри-1КИ в ;ской ы су-іб л годний I воз-іубки евид-зался оско-I, что пных ам, а

ІГЛЯД, ЮМ и ) про-

й вы-пока-впри

пери-

сепа-

вани-

анию

писы-

ылен-

иости запы-;оде в етров іьньїе юдук-в, что ни ям

ЛИТЕРАТУРА

1. Гордон Г.М. Испытание пылеулавливающих устройств / Безопасность труда на производстве. Исследования и испытания / Под ред. Б.М. Злобинского. — М.: Металлургия. — С. 358.

2. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. — М.: Химия. 1971. — 280 с.

3. Андрианов Е.И. Методы определения структурно-механических характеристик порошкообразных материалов. — М.: Химия, 1982. — 256 с.

Кафедра безопасности жизнедеятельности Поступила 26.07.93

644.061.002.5

ПРОДОЛЬНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ФАЗ В ВЕРТИКАЛЬНОМ ШНЕКОВОМ ЭКСТРАКТОРЕ

Е.П. КОШЕВОЙ, А.В. БОРОВСКИЙ,

Д.Г. КВАРАЦХЕЛИЯ

Кубанский государственный технологический университет

Вертикальные шнековые экстрактора остаются наиболее распространенными в отрасли (из 122 действующих экстракторов 84 являются верти-кально-шнековыми), что объясняется вполне приемлемыми показателями их работы. Однако это не снимает задачи повышения эффективности экстракторов за счет модернизации, базирующейся на достоверных данных о механизме работы аппарата. Продольное перемешивание фаз в вертикальном шнековом экстракторе составляет основу взаимодействия материала и экстрагента и определяет эффективность экстрактора.

Оценка параметров диффузионной модели структуры потоков по жидкои фазе в вертикальном шнековом экстракторе проводится на основе представлений о гидродинамике течений в аппарате как сочетании фильтрационного и байпасного потоков. «

На рис. 1 представлена схема фильтрационного

потока через слои материала на витке шнека со скоростью Го и байпасного потока со скоростью

й?б в сечении, не занятом материалом и образованным аппаратом, валом шнека, верхней поверхностью материала на витке шнека и нижней поверхностью следующего витка.

Длина участка, проходимого жидкой фазой по витку шнека (длина пути байпасного потока на витке), равна:

> / - л/лТ02'+52. (1)

Потеря напора на одном витке в зоне байпасного потока может быть определена по уравнению:

ДЯб = я-

I Р:

№

(2)

где X =

Не =

ІІ

Яе

Wбd.

■ коэффициент сопротивления при ламинарном движении їїе < 2300;

жярж

И ж

— число Рейнольдса;

^эке=4/? — эквивалентный диаметр прохода байпасного потока, м;

/? - Р/Я—гидравлический радиус прохода байпасного потока, м;

Р = ОЬ/2 — живое сечение (площадь), м ;

П -О + 2Ь — смоченный периметр, м.

С учетом приведенных соотношений

%{Р+2Ь]2цжШб

оЧ2

(3)

Если учесть размер вала, тогда О заменяется на (О - 6в), а размер Ь заменить на (5 - ИСЛ), то уравнение (3) окончательно принимает вид:

д Р6 =

8[(Р-</а)+2(5- НСЯ))2,1Ж1№6 (0-*в)2(5-Лсл)

(4)

Потеря напора в зоне фильтрационного потока (скорость фильтрации складывается со скоростью транспортирования) может быть определена по уравнению:

Д Р

и70+

60

Ф

где к — проницаемость, м2.

ж^сл

Из равенства потерь напора в зонах байпасного и фильтрационного потоков, а также материального баланса потоков и общего расхода по жидкой фазе

С?

60

жф2~й2)2 (В-<**)($-Ам)

(6)

4 “2

получены соотношения:

_____4 0р___ 2 — Исл) 5а<

л(£)2-^2)3600 ~ я(0-ёв) ~ 60’

4 С? А

(8)

. (9)

л{о2-й2в)кгслът'

где обозначено

2(5— ксл)ксл &[(Р — (Iв)+2(Э — ксл)] I

л(0-ёв)к [ф-4в)(8~ксл)\2

Объемные расходы байпасного и фильтрационного потоков соответственно определяются:

<?б= м3/с; (10)

<Эо= 0,25Шл(Д2- </2), м3/с. (11)

Доля байпасного потока тогда

(12)

Эквивалентная схема противоточного экстрактора при наличии байпасных потоков представлена на рис. 2.

гс.

"1

Ч.с* цс*

Г--Д

.<9 ш

у. Л., «<!»

л-/

л.

Рис. 2

Условие равновесия (статики) процесса экстрагирования, соответствующего схеме, описывается системой уравнений:

£с£2) = СР),где / = 14-л. (13)

В случае отсутствия байпасных потоков относительное остаточное содержание экстрагируемых веществ в твердой фазе на выходе из экстрактора (из я-й ступени) описывается формулой:

РпрО~Рпр)

Со

» дЛ + 1

* Рпр

(14)

и соответственно относительное содержание экстрагируемых веществ в отходящей мисцелле составит:

Ф Д(1 -ПР) С0

1 +Рпр

(15)

С учетом байпасного потока содержание экстрагируемых веществ в отходящей мисцелле будет:

С{^(фр-(?б)+

Об

= С^)(1-тб)+С^)/пб. (16)

Составим уравнение баланса по извлекаемому веществу для 1-й ступени:

1^2)+(Ср- <Эб)С^)= (17)

Концентрация мисцеллы ня входе находится из уравнения смеси

,т С^Об+С^Ор-Об)

Ор

= с^)тб+с^)(1-тб). (18)

Поделив уравнение (17) на 0Р и использовав равновесие (13), переходя к концентрациям по жидкой фазе, получим уравнение:

/ЗС^)2)+/лб(1 - тб)С^1)+(1-тб)2С^=

=рпрФ+(1-тб)С?\

(19)

которое перепишется в порядке нумерации ступеней

- \Рпр+ (1 - «I б)1С^+ ( 1 -т6)2Ф+

+ тб(1 - тб)С^)= -рС(). (20)

Выполним аналогичные преобразования для 2-й ступени:

^2)+ Фр- <Зб)С'^)= Уф+ {0р- Об)ф. (21)

По уравнению смеси определяется концентрация мисцеллы на входе

£>у)_ С^0б+ С^((?р- <3б)_

<3р

= с^т6+с^\1-тб). (22)

Переходя к концентрациям только по жидкой фазе (для этого используется соотношение равновесия (13)) и поделив уравнение на Ор, получим: РпрС{^— \Рпр+ (1 — тб)]С^+

+ (• ~ тб)2С^+ тб(1 - тб)С^^=0. (23)

Для любой, в том числе я-й ступени экстракции можно также составить уравнение баланса по извлекаемому веществу:

УС$1! + (0р- с? б)С1 VС £2>+ (0р- О б)С £*). (24)

Поделив на Ор, представим уравнение в виде: ^}{ + {\-т6)СХн^рС^)+{\-тб)ф. (25)

Перейдем в уравнении (25) только к концентрациям по жидкой фазе, используя равновесное соотношение (13):

Рпр(-

или

(1-л

В да

Сие каждо ным у\

где .

■Г/г

I

Зада< числа I чтобы ( таточне С*®. С зы по р

Посл1

получае

УСЛ0ВИ1

Знач«

цией

А

(15)

экстра-

'удет:

(16)

аемому

р. (17) ится из

(18)

льзовав иям по

(19) к ступе-

(20) для 2-й

(21)

щентра-

(22)

жидкой е равно-юлучим:

). (23)

ггракции анса по

:[11 (24) в виде:

:!?>. (25)

нцентра-

яовесное

РпрС№1+(1-тб)Схн= РПрФ+^~т6)ф, (26) или

(1 — т(£)С\н+$ПрС$1\— [^Лр+(1 —/яб)]С^= 0. (27)

В дальнейшем для упрощения примем С\н - 0.

Система уравнений баланса, записанных для каждой ступени, может быть представлена матричным уравнением:

И 1 №«>] - [5 ]. (28)

где . [Л Л— матрица коэффициентов;

[С ] — вектор-столбец содержания экстрагируемого вещества в жидкой фазе, кг/м ;

[В ] — вектор-столбец исходного потока экстрагируемого вещества в твердой фазе.

ХЛ

о о 0 0

О о О о М

-рСо

ф 0

[(Яь [В ]=

ф 0

Задача состоит в определении такого значения числа ступеней в каскаде с учетом байпаса М, чтобы оно обеспечивало получение заданного остаточного содержания экстрагируемого вещества С$2\ Соответствующая концентрация жидкой фазы по равновесию составит:

Ф = $ф. (29)

Последовательно решая систему для N - \, 2..., получаем два значения N и N , которые отвечают условию: (1Х (1)

Сдг > Сдг . \-

лч * г(!)

< Сдг .

Значение N определяется линейной интерполяцией

ЛГ= ЛГ +

- ЛГ

г(»)

См+

с(1)

илг

г(1)

Сы+

При полученном N каскад без байпаса позволил бы получить остаточную концентрацию в твердой фазе:

(30

* Рпр

и соответствующую концентрацию в жидкой фазе ,на Л^-й ступени

О1) = |С;( 2). (32)

Определение коэффициента продольного перемешивания по жидкой фазе возможно из уравнения:

^ж»т(б/2)2

(33)

Для противоточной схемы потоков справедлива формула:

Глест-

Ф - Ф

+ V,

(34)

С учетом разностного выражения для вычисления производной может быть получено уравнение для оценки параметра

Ф - СУ> С$- - сЛ,+_1

(35)

где

содержание экстрагируемых веществ в жидкой фазе на (ЛМ)-й ступени каскада с байпасом при N, обеспечивающем значение концентрации С#>.

Расходные характеристики по взаимодействующим фазам определяются соотношениями:

4У

ож = -----—----=■; (36)

ж 3600релО2

4У

°т = 3600(1 - с)я02уРт

Модель структуры потоков по твердой фазе принимается ячеечная.

Число ячеек может быть определено специальным экспериментом с вводом трассера Ст в различные моменты времени х от момента ввода (С— кривая).

Связь между распределением по С-кривой выхода трассера и числом ячеек ттв определяется соотношением:

/П/Яв-1

Сб1

ехр(-ттвв), (38)

(30) где в = Х/(У/УС) — безразмерное время;

Ус — объемная скорость потока;

V — объем системы.

Обработка известных экспериментальных данных [1] по С-кривым на экстракторах НД-1000 и

НД-1250 позволила определить, что для первого экстрактора число ячеек составляет 2,7, а для второго — 2,6.

В колонных аппаратах имеет место обратная зависимость между дисперсией и длиной (соответственно, прежняя зависимость между числом ячеек перемешивания и длиной). В нашем случае длина может быть заменена числом витков и тогда скорректированное значение числа ячеек определяется соотношением:

ттв = т

=

те к пвит

вит е. = т°

нп

тв пб Б'

(39)

где базовые значения т^в=2,6 и п6в11т= 34.

Число Пекле Ре™

те •‘•>и г* “вит связано с числом ячеек урав-

нением:

1

(40)

Штв 2 / Ретв- 2( 1 / Ретв)2 [ 1 - ехр(- Ретв)]' которое является трансцедентным, и для расчета Ретв нужно применять один из методов поиска корней нелинейного уравнения.

Коэффициент продольного перемешивания по твердой фазе определяется из соотношения:

Ут^ап ретв ■

(41)

ВЫВОДЫ

Продольное перемешивание взаимодействующих фаз в вертикальном шнековом экстракторе может быть определено по предлагаемой методике, Установлено, что коэффициент продольного перемешивания по жидкой фазе примерно на порядок меньше продольного перемешивания по твердой фазе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нешдлчм А.Г. О продолжительности экстракции в аппа-

?атах НД-1000 и НД-1250 / / Масло-жировая пром-сть. — 968. — № 7. — С. 10.

Кафедра оборудования и автоматизации пищевых производств

Поступила 02.11.93

66.074.513

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ ПО ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГАЗОВОГО ПОТОКА

Ю.Г. НЕЧАЕВ, Г.П. ЕСИПОВ

Кубанский государственный технологический университет

Одним из перспективных направлений создания высокоэффективной массообменной аппаратуры для десорбции из мисцеллы растворителя является реализация принципа спутного течения фаз в пакетах из плоских каналов с вертикальными стенками при общем противоточном движении фаз в аппарате.

В отличие от известных конструкций, где скорость газа не превышает в контактных элементах 3-3,5 м/с, предлагается конструкция десорбера, эффективно работающего при скорости газа в каналах иУ у 20-30 м/с [1]. Поскольку лабораторные испытания показали высокую эффективность работы этой конструкции, представляет интерес более глубокое изучение динамики течения жидкости и газа, позволяющее обоснованно выбирать основные геометрические размеры каналов и нагрузки по фазам.

Исследование образования и движения пленки жидкости проводили в одиночном канале из оргстекла (йх /гх / = 10х 140х 400 мм) для возможности визуального наблюдения. Wy в канале изменяли от 5 до 25 м/с, расход жидкости — от 10 до 20 дм /ч. Вода подавалась из вертикально установленной трубки диаметром 8 мм с тремя отверсти-

ями диаметром 1 мм, расположенными соответственно по высоте канала на расстоянии 40, 85 и 140 мм от его дна.

Из приведенных данных распределения пленки по вертикальной поверхности канала при различных режимах работы (рис. 1, 2) следует, что при иУ у менее 15 м/с жидкость из отверстий вытекает без дробления и образования пленки на стенке. С увеличением расхода воДы возрастает только траектория струи на стенке (пунктиром показаны отдельные струи).

При Шу = 15 м/с и выше в центральной части канала образуется сплошная пленка (заштрихованная часть рисунков).

В конечной части канала пленка опять дробится на отдельные струи. При максимальной УРу = = 25 м/с и расходе жидкости I, - 10 дм' пленка образовалась на 75%,поверхности стенок. С увеличением Ь до 20 дм / ч величина поверхности, покрытая пленкой, возрастает до 80-85%. Можно предположить, что с дальнейшим увеличением расхода жидкости и газа и улучшением конструкций питателя канал будет по всей длине смочен полностью.

Следует особо отметить, что распределение жидкости на входе в канал посредством вертикальных перфорированных трубок не является оптимальным, так как эта часть поверхности смачивается не полностью. Значительно лучше жидкость рас-

пред< мощь Од ниє ^ кана^ І,»* /Ів

1$

И

І.»*

/23

А

я/

а/-

и-

#-

А,м

&■

и-

4в-

і

Как измен Гу ДО значи’ стенк< Уст;

НИЙ П1

рассто

ХН0СТ1

наблю Дан ных у< чаев з] таний Исо размер менен: