CC BY
7
УДК 66.061.35
Р. Г. Галимуллин, Г. Н. Зиннатуллина, А. И. Бобров
ПРОФИЛИРОВАНИЕ РОТОРА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭКСТРАКТОВ
С КОАКСИАЛЬНЫМИ ПЕРФОРИРОВАННЫМИ ЦИЛИНДРАМИ
Ключевые слова: профилирование ротора, диспергирование, инверсия фаз, псевдоожиженный слой, режим подвисания,
режим затопления.
С использованием уравнения верхней границы режима двойной инверсии фаз(границы затопления) для заданных начальных условий(высоты первого от оси вращения цилиндра, радиусов цилиндров, числа оборотов ротора, плотностей фаз) рассчитаны высоты остальных цилиндров. Для принятого варианта расчёта получено уменьшение объёма рабочей зоны ротора в 2,5 раза по сравнению с объёмом ротора, снабженного цилиндрами одинаковой высоты.
Keywords: profilingofarotor, dispersion, phaseinversion, fluidizedbed, podvisaniyemode, floodingmode.
Wit huse of theequation of an upper bound of the mode of double phase inversion (flooding border) for the given starting conditions (height of the cylinder, the first from a spin axis, radiuses of cylinders, range of speeds of a rotor, density ofphases) heights of other cylinders are calculated. For the accepted option of calculation decrease of volume of a working zone of a rotor by 2,5 times in comparison with the volume of the rotor supplied with cylinders of identical height is received.
Для создания интенсивного относительного движения фаз при проведении тепло-массообменных процессов в системах жидкость-жидкость (ж-ж) применяют центробежные аппараты [1,2,3].
Причём наиболее эффективно проходят тепло-массообменные процессы в режимах с развитой поверхностью контакта фаз.
Как излагалось в работах [2,3,4,5], развитая поверхность контакта фаз достигается в центробежных экстракторах с перфорированными коаксиальными цилиндрами в режиме двойной инверсии фаз.
В данном режиме в межцилиндровых пространствах образуется два слоя - слой тяжелой жидкости (т.ж.), прилегающий к внутренней поверхности цилиндров и слой легкой жидкости (л.ж.), занимающий остальное межцилиндровое пространство.
Л.ж. и т.ж., истекая через одни и те же отверстия цилиндров противотоком (т.ж. в направлении к периферии, л.ж. - к центру) из сплошной превращаются в дисперсную в сплошном слое другой фазы. После чего происходит центробежное разделение и превращение из дисперсной в сплошную обеих дисперсных фаз в межцилиндровом пространстве.
В зависимости от расходов фаз наблюдается несколько режимов процесса диспергирования фаз -капельное, струйное с гладкой поверхностью, струйное с волнообразной поверхностью струи, а в дальнейшем интенсивное диспергирование струи около границы расслаивания фаз, напоминающее псевдоожиженный слой.
Как уже упоминалось в работах [5,6,7], при каком-то суммарном расходе фаз (или суммарной скорости л.ж. и т.ж. wл + wт) на внутренней поверхности цилиндра т.ж. начинает задерживаться в виде тонкого слоя (начало подвисания), а в дальнейшим увеличением расходов (например,
приувеличении расхода л.ж. \/л при фиксированном •
расходе т.ж. V т) слой т.ж. растёт.
При достижении какого-то критического суммарного расхода (суммарной скорости wл + wт) слой т.ж. продолжает расти без увеличения расхода и полностью заполнив межцилиндровое пространство, начинает уноситься с лёгкой фазой по каналу её отвода.
Режим, соответствующий такому расходу назван режимом затопления [4,5].
В результате обобщения опытных данных, проведенных с применением жидкостей с различными физическими свойствами на роторах, снабженных цилиндрами различных радиусов, с разным живым сечением (р) и размерами отверстий (диаметром do и длиной канала отверстия I), при различных частотах вращения ротора было получено [5] уравнение:
wл + wT wn
2
: 0,262-#)0'5 ^ , w2n Рл
(1)
описывающее нижнюю границу (подвисания) и уравнение:
wp + wT wn
2
0,6588 -21)0'5 ^Р, wp Рл
(2)
соответствующее верхней границе (затоплению) режима двойной инверсии фаз.
В этих уравнениях: wл, wт - фиктивная (в расчёте на полное сечение отверстий) скорость л.ж. и т.ж.; о - угловая скорость вращения ротора; г -внутренний радиус цилиндра; Ар - разность плотностей л.ж. и т.ж.; рл,рт - плотность л.ж. и т.ж.; I - длина канала отверстия(толщина цилиндра).
Необходимо проводить тепло-массообменные процессы в режиме, близком к границе затопления, так как в этом случае происходит интенсивное
диспергирование фаз с образованием развитой поверхности контакта фаз.
Большой теоретический и практический интерес представляет профилирование контактной (рабочей) зоны ротора центробежного экстрактора, определив предварительно изменение высот цилиндров (И) с изменением их радиуса (г). Очевидно, при одинаковом живом сечении высоты цилиндров будут уменьшаться с увеличением их радиуса.
С этой целью в настоящей работе изучается возможность профилирования ротора для отдельного варианта исходных данных: физических свойств жидких систем, радиусов цилиндров.
Число оборотов ротора принимаем п = 800 об/мин; I = 0,2 см; d0 = 0,3 см;
рл = 1000 кг/м3; рт = 1500 кг/м3; живое сечение Цилиндров р = 10%) (р = 0,1).
Суммарные скорости (соответственно • •
суммарные расходы V л + V ) принимаем на 20% меньше скорости затопления, то есть суммарная рабочая скорость для I - го цилиндра:
(Wл +wт)/ = 0,8Wл +wт)зт,/ , (3)
где+wx)зx,/ - суммарная скорость,
соответствующая границе затопления.
Дополнительные условия: г = 10 см; г = 12 см; Г3 = 14 см; Г4 = 16 см; г = 18 см;
Г = 20 см; г = 22 см; И = 7 см.
По уравнению (2) суммарная скорость затопления для первого цилиндра равна: (wл +wx)зxl = 0,39 м/с.
Суммарная рабочая скорость для первого цилиндра, определённая по уравнению (3):
(wл + wx)l = 0,8(wл + wx)зxд = 0,312 м/с .
Площадь внутренней поверхности первого цилиндра:
2
= 2гИ = 0,044 м , а живое
сечение(суммарная площадь отверстий) первого цилиндра:
£/ = рF1 = 0,0044 м 2.
Суммарная объёмная производительность: • •
Vл +Vт = £/0^мл + №т) = 0,001373 м3/с .
Соотношение = 0,5 и суммарные скорости Рл
для остальных цилиндров (/ > 1) определяются по уравнению (2) или по уравнению, полученному умножением его на :
+ к^р)^ = 0,658®л/Г 0,5 (4)
Полученные результаты умножим на 0,8 (то есть по уравнению(3) и получим суммарные рабочие скорости (/ > 1)):
{шл + wx)2 = 0,344 м/с ; {шл + wx)3 = 0,368 м/с ; {шл +wx)4 = 0,392 м/с ;(шл +wx)5 = 0,416 м/с ; {шл +wx)6 = 0,440 м/с ;(шл +wx)7 = 0,464 м/с .
Далее определяем площади живых сечений этих цилиндров по соотношению:
£/,/ =
В
Vл + Vт
результате
£/0,2 = 0,004 м
2 . 2 ,
2
(5)
получим: 2
£/0,3 = 0,00373 £/0,5 = 0,0033
2
£/0,4 = 0,0035 м £/0,6 = 0,00312 м2 ; £/0,7 = 0,00296 м2 .
Площади внутренней поверхности цилиндров определяем из соотношения:
£/0,/
///>1)
В
р
результате
2; 2
F2 = 0,04 м2 ; F3 = 0,0373 м2
(6)
получим: = 0,0352 м2 ;
= 0,0312 м2 ; F7 = 0,02963 м2
F5 = 0,033 м2 ;
По изначально принятому условию высота первого цилиндра И = 7 см, а высоты остальных
цилиндров (/ > 1) находим из соотношения:
И/
Fi
(7)
2жг/
В результате имеем:
И2 = 5,31 см; И3 = 4,24 см; И4 = 3,48 см; И5 = 2,92 см; И6 = 2,48 см; И7 = 2,14 см.
По полученным результатам на рис. 1 построен график изменения высот рабочей зоны цилиндров в зависимости от их радиусов(сплошная линия). За пределами сплошной линии штриховой линией обозначены участки, где должно происходить расслаивание фаз после их взаимодействия, небольшие участки для подачи и отвода фаз из ротора.
По рисунку определяем, что в результате профилирования объём рабочей зоны (от г = 8 см до г = 24 см) уменьшается в 2,5 раза по сравнению с объёмом рабочей зоны ротора, снабженного цилиндрами одинаковой высоты.
Рис. 1 - График изменения высот цилиндров в зависимости от их радиуса
В результате уменьшения объёма жидкостей внутри ротора, уменьшения габаритов ротора, веса цилиндров достигается уменьшение энергетических и капитальных затрат на изготовление и
эксплуатацию, повышается устойчивость и надёжность работы ротора, ликвидируются застойные зоны, имеющиеся в роторе, снабжённом цилиндрами одинаковой высоты.
Литература
1. А.В. Давыдов, В.В. Бронская, Н.Х. Зиннатуллин. Вестник Казан. технол. ун-та, т.15, № 23, С. 145-147. (2012).
2. В.Г. Бочкарев. Дисс. Канд. техн. наук. КХТИ, Казань, 1969,160 с.
3. А.И. Солодов. Автореф. дисс. канд. техн. нак. Москва, 1972, 16с.
4. Р.Г. Галимуллин, В.Г. Бочкарев. В сб. "Машины и аппараты хим. технологии", КХТИ, Казань, 1977, С 5657.
5. Р.Г. Галимуллин, Н.Х. Зиннатуллин, М.В. Астраханов. Вестник технол. ун-та, т.20, № 3, С. 125-127. (2017).
© Р. Г. Галимуллин - канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, liligalimullina@gmail.com; Г. Н. Зиннатуллина - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ, Zguln@yandex.ru; А. И. Бобров - студ. КНИТУ, andrewbob096@gmail.com.
© R. G. Galimiillin - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of processes and devices of the chemical technology of the KNRTU, liligalimullina@gmail.com; G. N. Zinnatullina - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of industrial security of the KNRTU, Zguln@yandex.ru; A. I. Bobrov - the student of the KNRTU, andrewbob096@gmail.com.
