CC BY
107
УДК 532.529
А.А. Абишев, В.Л. Долганов, С.Х. Загидуллин, В.В. Красоткин
Пермский государственный технический университет
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ И ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ В ДВУХФАЗНЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ
Представлен анализ современных методов измерения гидродинамических характеристик в двухфазных газожидкостных потоках. Дана их классификация, показаны преимущества и недостатки. Описаны теоретические основы электроконтактного метода, представлена принципиальная схема прибора и определены оптимальные характеристики измерительного комплекса. Показана целесообразность применения электроконтактного метода измерения газосодержания и поверхности контакта фаз при исследовании холодной модели окислительной колонны производства нефтебитумов.
Основными гидродинамическими характеристиками двухфазных газожидкостных структур являются газосодержание и удельная поверхность контакта фаз. Эти параметры во многом определяют эффективность работы аппаратов, работающих в системе газ-жидкость.
В настоящее время существуют самые различные методы измерения этих характеристик, которые могут быть классифицированы по нескольким признакам. В первую очередь различают так называемые инвазивные методы, когда чувствительный элемент непосредственно контактирует с газожидкостной средой, и неинвазивные. Основным преимуществом первых является отсутствие влияния стенок аппарата, например их непрозрачности, а также ограничений, связанных с его формой. К недостаткам можно отнести влияние чувствительного элемента на структуру потока и, как следствие, искажение результатов измерений. Основные преимущества и недостатки неинвазивных методов противоположны тем, что имеются у инвазивных.
Классификация современных методов измерения гидродинамических характеристик двухфазных газожидкостных систем представлена на рис. 1.
Рис. 1. Современные методы измерения гидродинамических характеристик двухфазных газожидкостных систем
Одним из наиболее ранних методов измерения локальных характеристик двухфазного газожидкостного потока является неинвазивный метод, основанный на анализе изображений, полученных фото- или видеосъемкой [1]. При помощи численного анализа фотографий можно определить газосодержание, поверхность контакта фаз и средние размеры газовых пузырьков [2]. Очевидны ограничения, присущие этому методу: возможность исследования лишь пристенной области при высоком газосодержании и необходимость использования аппарата с прозрачными стенками, а также прозрачной жидкости [3].
В настоящее время наиболее современным является метод получения изображения газожидкостного потока при помощи ядерного магнитного резонанса [4]. При таком способе имеется возможность анализа состояния гетерогенной системы в любой ее точке, вне зависимости от наличия в аппарате внутренних устройств или твердой фазы. Имеются сообщения об успешном использовании данного метода для анализа процессов, протекающих в реакторах с фиксированным слоем катализатора [5]. Однако применение ядерного магнитного резонанса ограничено высокой стоимостью необходимого оборудования.
Инновационной техникой измерения газосодержания и поверхности контакта фаз без контакта датчика со средой является анализ эффекта Допплера, который возникает при прохождении через газожидкостный поток луча лазера [6]. Суть метода заключается в определении смещения частоты волнового излучения, возникающего из-за относительного перемещения приемника - газового включения - и источника - лазерного луча. Метод отличается как высокой разрешающей способностью (позволяет фиксировать включения размером менее 1 мм), так и высокой скоростью измерения. Этим методом можно измерить локальные значения скоростей газа и жидкости, газосодержа-ние и межфазную поверхность, а также размеры пузырьков [7, 8]. Ограничениями для данного метода являются наличие прозрачной жидкости, низкие значения газосодержания и возможность проведения измерений лишь на незначительном отдалении от стенки.
В последнее время широкое распространение при определении локальных характеристик газожидкостного потока в аппаратах колонного типа получила томография. Принцип томографии заключается в бесконтактном сканировании газожидкостной структуры по всей высоте колонны под различными углами. Результатами измерения являются осредненные за время движения сенсора величины.
Один из принципов томографии основан на ослаблении потока фотонов у-излучений или рентгеновского излучения при прохождении их через газожидкостную структуру, причем величина ослабления энергии луча пропорционально плотности гетерогенной системы. Обработкой результатов получают карту осредненного распределения фаз, как по поперечному сечению, так и по высоте колонны.
Пространственное разрешение метода при использовании рентгеновского луча довольно высокое и составляет порядка 1 мм2, однако это достигается лишь для колонн малого диаметра и жидкости с низкой поглощающей способностью.
Использование высокоэнергетического у-излучения расширяет диапазон измерения, однако при этом разрешающая способность метода снижается до 1 см2.
Основными минусами рентгеновской и у-томографии остаются высокие материальные затраты на проведение измерения и опасность излучения для человека [9].
Более безопасным и гораздо менее затратным является метод электрической томографии [10,11]. В этом случае производится измерение электрической емкости или сопротивления между чувствитель-
ными элементами, находящимися у стенок аппарата. Метод отличается быстрым откликом и пригоден для измерения любых соотношений газовой и жидкой фаз. Однако в связи с тем, что данный метод разработан относительно недавно, до сих пор отсутствуют надежные алгоритмы обработки результатов, кроме того, остается низким его пространственное разрешение.
В некоторых работах для изучения двухфазной газожидкостной структуры применяли ультразвуковые волны [12,13]. Распространение и поглощение ультразвуковых волн зависит от характеристик газожидкостного потока: формы и размеров газовых включений, гидродинамического режима, газосодержания и поверхности контакта фаз. Метод характеризуется высокой точностью и безопасностью, однако ввиду быстрого затухания ультразвуковых колебаний при отражении от межфазной поверхности может применяться при газосодержании не более 20 %.
Несмотря на стремительное развитие оптической техники и томографии, наиболее значительную роль при исследовании процессов, протекающих в системе газ-жидкость, играют все же инвазивные методы измерения по следующим причинам:
1. В условиях опыта, приближенного к промышленным условиям: непрозрачные стенки аппарата, высокое газосодержание, наличие большого количества мелких пузырьков в газожидкостном потоке и непрозрачность жидкости, - неинвазивные методы становятся неэффективными либо совсем непригодными.
2. При высокой турбулентности и нестационарности потока усложняется обработка и статистический анализ получаемых изображений.
3. Сложность применения и высокая стоимость многих методов.
Инвазивные методы были разработаны значительно раньше неинвазивных - в 1960-70-х годах, но благодаря постоянному совершенствованию сохраняют свою актуальность по настоящее время.
К наиболее ранним из них относятся методы, в которых применяются датчики в виде очень тонких и острых игл. Одновременно могут использоваться одна или две иглы. Известны два принципа измерения: оптический и электрорезистивный. Оптические датчики изготавливаются из кварца или сапфира и, за исключением конца длиной порядка 1 см, покрыты защитным слоем. Диаметр иглы составляет от 50 до 200 мкм. По чувствительному электроду направляется луч инфракрасного света, который в случае нахождения датчиков в жидкости
проходит, а при нахождении одного из датчиков в газе отражается обратно. Оптико-электронное устройство, принимающее отраженный свет, преобразует его в аналоговый выходной сигнал, пропорциональный интенсивности луча.
Электрорезистивные датчики изготавливают из металлической проволоки, устойчивой к окислению (нержавеющая сталь, никель, золото, платина), диаметром от 2,5 до 12 мкм. Такой датчик ведет себя как электрод. В этом случае измеряется напряжение между иглой и заземленным опорным электродом и на выходе получается аналоговый электрический сигнал. Использование данного метода позволяет с высокой точностью измерять частоту следования пузырьков газа, газосо-держание, удельную поверхность контакта фаз и локальную скорость движения газа. Применение метода ограничено лишь для неэлектропроводных жидкостей: в случае с оптической техникой - из-за слишком малой разницы в коэффициентах преломления газа и органических жидкостей, а для электрорезистивного метода - ввиду диэлектрических свойств последних.
Другим инвазивным методом измерения является тепловая проба. Метод основан на измерении тока, протекающего через датчик, помещенный в газожидкостный поток. Из-за разных условий теплообмена его сопротивление, а следовательно, и протекающий через него ток, изменяется в зависимости от фазы, где находится электрод. Чувствительный элемент изготавливается в виде пластины из платины или никеля толщиной 25-100 мкм, защищенной слоем кварца. С помощью такого метода имеется возможность измерения осредненного по времени локального газосодержания, а также скорости жидкости. Ограничения метода связаны с малой механической прочностью датчиков и необходимостью поддержания постоянной температуры жидкости [14].
Достаточно широко распространены ультразвуковые датчики, с помощью которых реализуются две разновидности данного метода, основанные на поглощении и отражении ультразвуковых волн. Метод поглощения ультразвуковых колебаний позволяет получить значение газосодержания или осредненную по времени величину удельной поверхности контакта фаз. Анализ частоты и амплитуды отраженных ультразвуковых волн дает возможность получить данные о размерах пузырьков и скорости их всплывания. Чувствительный зонд представляет собой керамический диск толщиной около 1 мм, помещенный в металлическую трубку. За счет пьезоэлектрического эффекта датчик
преобразует механические колебания в электрический сигнал. Такой датчик может работать при высоких давлениях - до 20 МПа, в вязких непрозрачных средах - при температуре до 140 °С, однако метод теряет свою эффективность при газосодержании свыше 20 %.
В некоторых работах встречается использование гидроакустического метода [15, 16]. В этом случае при помощи гидрофона производится регистрация звуковых колебаний, генерируемых всплывающими осциллирующими пузырьками газа. После фильтрации и статистической обработки сигнала можно получить распределение пузырьков газа по размерам и среднее газосодержание. Однако метод характеризуется высокой чувствительностью к внешним помехам и недостаточно высокой разрешающей способностью.
Для исследования локальных характеристик газосодержания и межфазной поверхности на модели окислительной колонны производства битума нами был использован электроконтактный метод, являющийся разновидностью электрорезистивного.
Суть метода заключается в следующем. При стационарном течении двухфазного потока появление и изменение величины газосодер-жания и поверхности контакта фаз (ПКФ) в элементарном объеме можно считать стационарным случайным процессом, подчиняющимся законам теории вероятностей. Таким образом, в качестве оценки вероятности появления ПКФ можно принять осредненное во времени значение функции Р , наблюдавшееся в интервале времени [t1;t2] [17]:
1 г
P =------f p* dt,
t — t J
'2 1 í1
*
причем P——М^ [p ] при t2 - t— œ, если дисперсия математического ожидания D{M[p ]}—0.
С учетом вероятности появления ПКФ в элементарном объеме выражение для а принимает вид
*
а = М[а ]p,
*
где М[а ] - математическое ожидание величины удельной ПКФ в элементарном объеме за время осреднения t2 - t1— œ.
Используя теорему о среднем значении функции [18], приходим к известному интегралу:
2 ^2
а = , f p*dt. (1)
t I )
Однако при проведении измерений время наблюдения конечно
и, если величина ¿2 - Ь при определении а относительно велика, то можно воспользоваться оценкой интегральной функции на конечном интервале [19]:
1 Г * 2тi —\рЛ =— (2)
2 М ?1 2 М
Выражение (1) с учетом (2) может быть применено в процессе экспериментального определения величины а с использованием элек-троконтактного метода.
Газосодержание двухфазного потока, так же как и величина межфазной поверхности, является вероятностной характеристикой и может быть вычислено как
2т
¿2 ¿1
(3)
где Етг- - суммарное время нахождения электрода в газовой фазе; ¿2 - ¿1 -интервал измерения.
Данная методика была реализована с помощью прибора, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.
Измерение локальных гидродинамических характеристик осуществляется следующим образом. В выбранную точку газожидкостного потока вводится зонд с датчиком, включающим в себя два точечных электрода в виде двух жестких никелевых проволочек диаметром 0,09-
0,15 мм, электрически изолированных и оголенных только на торцах, и опорный неизолированный электрод. При подаче напряжения на точечные электроды датчика между ними и опорным электродом протекает ток, если электроды находятся в жидкости, и ток прерывается, если один из электродов попадает в газ.
Движение двухфазного газожидкостного потока через датчик вызывает появление электрических импульсов, длительность которых при определенной обработке равна времени нахождения точечных электродов в газовой фазе. Компараторы напряжения (К1; К2) преобразуют сигналы постоянного тока, идущие с точечных электродов, в прямоугольные импульсы путем их дискриминации, причем длительность импульсов соответствует времени пребывания точечного электрода в газовой фазе. При этом передний фронт прямоугольного импульса по времени соответствует моменту входа точечного электрода в газовую фазу, а задний - моменту выхода.
к внешнему устройству
к осциллографу
-2204
Рис. 2. Структурная схема измерителя: ЗЭ - зонд электроконтактный; Д1, Д2 - точечные электроды; К1, К2 - компараторы; Кл1, Кл2 - ключи; СС - схема сравнения; М1, М2 - модуляторы; Ст1, Ст2, Ст3 - счетчики; И1, И2, ИЗ - цифровые индикаторы; БУ - блок управления; Г - генератор; БКУ - блок коммутации и усиления; ЗУК1, ЗУК2 - задатчик уровня компарации; БП - блок питания
В ходе измерения работа датчика компараторов может контролироваться с помощью двухлучевого осциллографа, подключенного через встроенные в измеритель аналоговые усилители.
Сигналы с компараторов подаются на электронные ключи (Кл1; Кл2), которые открываются сигналами от блока управления (БУ), содержащего таймер и задающего время измерения.
В схеме сравнения (СС), куда поступают сигналы с датчиков, вырабатывается результирующий сигнал, представляющий собой серию импульсов, длительность которых соответствует времени существования границы раздела фаз между точечными электродами.
Сигналы, соответствующие времени нахождения электрода в газовой фазе и времени существования границы раздела фаз, модифицируются опорной частотой 10 кГц и с генератора (Г) подаются на счетчики Ст2 и СтЗ, коэффициент пересчета которых выбран таким образом, что результаты измерения выдаются непосредственно в секундах с точностью 0,1 с. Счетчик Ст1 фиксирует число импульсов, соответствующее количеству газовых пузырей за время измерения.
В процессе измерения на цифровые индикаторы выводятся следующие характеристики двухфазного потока: 8 - величина газосодер-жания; р - вероятностная характеристика - факт пересечения границы раздела фаз; N - суммарное число импульсов.
В связи со сложным характером процесса взаимодействия газовых включений с электродами датчика для получения адекватных результатов эксперимента требуется проведение ряда методических экспериментов по выявлению уровня дискриминации, расстояния между точечными электродами и их ориентации в потоке [20].
После проведения таких экспериментов и обработки экспериментальных данных были получены выражения для расчета величины поверхности контакта фаз в неявном виде [21]:
0,384-а2’46-/1’62 - a + 2p/l = 0 при 0,4-10 3</< 1,0-10 3 м,
3,7-10-6-а2’52 + 1/l(2p - 0,197) = 0 при 1,0-10 3<l<2,0-103 м,
Хт ,
где 8 - величина, рассчитанная по уравнению (3); р = -----------—; l - рас-
¿2 — tx
стояние между электродами.
Были определены также оптимальные характеристики измерительного комплекса, а именно:
-3
- диаметр электродов датчика 0,09-0,15-10 м;
-3
- расстояние между электродами 0,8-1,2-10 м;
- время одного измерения 100 с.
Таким образом, с учетом преимуществ и недостатков перечисленных методов для измерения газосодержания и поверхности контакта фаз в аппарате колонного типа выбран электроконтактный метод, который достаточно прост, доступен и дает достоверные результаты.
Список литературы
1. Size of bubbles and liquid circulation in bubble column with a draught tube and a sieve plate / Miyahara T. [et al.] // Canadian Journal of Chemical Engineering. 1986. Vol. 64. Р. 718-725.
2. Influence of coalescence behavior of the of the liquid and of gas sparing on hydrodynamics and bubble characteristics in bubble column / Camarasa E. [et al.] // Chem. Eng. And Proc. 1999. Vol. 38. Р. 329-344.
3. X-ray imaging of slurry bubble column reactors: The effects of systems pressure and scale / Smith G.B., Gamblin B.R., Newton D. // Chem. Eng. Res. and Des. 1995. Vol.73. P. 32-636.
4. Nuclear magnetic resonance in chemical engineering: Principles and applications / Gladden L.F. // Chem. Eng. Sci. 1994. Vol. 49. C. 33393408.
5. Determination of void age using water substitution and 3D magnetic resonance imaging, bed density and pressure drop in packed-bed reactors / Sharma S. [et al.] // Chem. Eng. Sci. 2001. Vol. 56. P. 587-593.
6. Noninvasive tomographic and velocimetric monitoring of multiphase flows / Chaouki J., Larachi F., Dudukovic M.P. // Ind. And Eng. Chem. Res. 1997. Vol. 36. P. 4476-4503.
7. Application of multiresolution analysis for simultaneous measurement of gas and liquid velocities and fractional gas hold-up in bubble column using LDA / Kulkarni A.A. [et al.] // Chem. Eng. Sci. 2001. Vol. 56. P.5025-5037.
8. Simultaneous measurement of hold-up profiles and interfacial area using LDA in bubble column: predictions by time series analysis and comparison with experiments / Kulkarni A.A. [et al.] // Chem. Eng. Sci. 2001. Vol. 56. P. 6430-6437.
9. X-ray computed tomography in large bubble columns / Hubersa J.L. [et al.] // Chem. Eng. Sci. 2005. Vol. 60. P. 6124-6133.
10. Application of electrical resistance tomography to interrogate mixing processes at plant scale / Mann R. [et al.] // Chem. Eng. Sci. 1997. Vol. 52. P. 2087-2097.
11. Analysis of bubble behaviors in bubble columns using electrical resistance tomography / Jin H., Wang M., Williams R.A. // Chem. Eng. J. 2007. Vol. 130. P. 179-185.
12. Ohkavwa N., Kawata S. & Uchuda S. Cross-sectional distribution of gas and solid holdups in slurry bubble column investigated by ultrasonic computed tomography // Chem. Eng. Sci. 1999. Vol. 54. P. 47114728.
13. The investigation of gas holdup distribution in two-phase bubble column using ultrasonic computed tomography / Supardan M.D. [et al.] // Chem. Eng. J. 2007. Vol. 130. P. 125-133.
14. Measuring techniques in gas-liquid and gas-liquid-solid reactors / Boyera C., Duquenne A. M., Wild G. // Chem. Eng. Sci. 2002. Vol. 57. P. 3185-3215.
15. Determination of bubble characteristics in columns using statistical analysis of acoustic sound measurements / Al-Masry W.A., Ali E.M.Ageel Y.M. // Chem. Eng. Res. and Des. 2005. Vol. 83. P. 1196-1207.
16. Identification of hydrodynamics characteristics in bubble columns through analysis of acoustic sound measurements: Influence of the liquid phase properties / Al-Masry W.A., Ali E.M. // Chem. Eng. and Proc. 2007. Vol. 46. P. 127-138.
17. Гмурман Б.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977. 480 с.
18. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 374 с.
19. Костюк А.Ф., Ольшевский В.В., Цветков Э.А. Методы и аппаратура для анализа характеристик случайных процессов. М.: Энергия, 1967. 240 с.
20. Шендеров Л.З., Квашнин А.Г., Дильман В.В. О локальном измерении газосодержания // Инж. физ. журн. 1980. Т. 38. № 6. С.1005-1010.
21. Измерительный комплекс на базе прибора ИГС-2: Техническое описание. Минск: Изд-во Белорус. технол. ин-та, 1991. 37 с.
Получено 6.07.2009
