Угловая скорость газо-жидкостного слоя на вихревой ректификационной ступени Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.015.23

УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ ГАЗО-ЖИДКОСТНОГО СЛОЯ НА ВИХРЕВОИ РЕКТИФИКАЦИОННОИ СТУПЕНИ

А. В. Кустов*, Н. А. Артищева, П. С. Шастовский, Е. В. Васильченко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Анализ путей интенсификации масоопередачи в системе газ-жидкость показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барботажных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности. В связи с этим применение центробежного ускорения является наиболее простым способом интенсификации массообмена.

Ключевые слова: угловая скорость, ректификация, контактная ступень, газо-жидкостный слой.

CORNER SPEED OF GAS-LIQUID LAYER ON THE VORTEX RECTIFICATION STAGE

A. V. Kustov*, N. A. Artischeva, P. S. Shastovsky, E. V. Vasilchenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The article analyses the ways to intensify mass transfer in a gas-liquid system; it shows that the use of bubbling apparatus to carry out these processes does not provide a significant increase in productivity and efficiency. In this connection, the application of centrifugal acceleration is the simplest method of intensifying mass transfer.

Keywords: angular velocity, rectification, contact stage, gas-liquid layer.

Схема стенда (рис. 1) для исследования гидродинамики включает в себя цилиндр, выполненный из оргстекла толщиной 1-2,5 мм, диаметр которого составляет до 250 мм, завихритель 4 и система возду-хообеспечения 1.

Жидкость

I

Рис. 1. Стенд для исследования гидродинамики:

1 - компрессор; 2 - вентиль; 3 - диафрагма; 4 - тангенциальный завихритель; 5 - гидрозатвор

В зависимости от нагрузки по газу наблюдается определенный режим течения газа и жидкости. Визуальное наблюдение за перемещением струй газа, вы-

ходящих из каналов, показывает их некоторое различие в траектории движения. Для тангенциальных контактных ступеней происходит движение газа от центра к периферии аппарата.

Для изученных контактных ступеней, при малых расходах газа наблюдается барботажный режим, характеризующийся перемещением одиночных пузырей в жидкости. При увеличении расхода наблюдается струйное течение газа.

При достижении определенной скорости газа в каналах (икр), наблюдается кольцевой режим, сопровождающийся вращением газо-жидкостного слоя. Для получения развитой межфазной поверхности при низкой скорости газа в каналах и невысоком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения [1-3].

Исходя из теоремы об изменении кинетического момента, определим связь между угловой скоростью газо-жидкостного слоя на ступени и ее конструктивными параметрами [4]:

где J - момент инерции, Н-м; w - угловая скорость, с-1; t - время, с; Мвр - момент, обеспечивающий вращение газо-жидкостного слоя, Н-м; Мтр - момент сил трения о стенки и дно ступени, Н-м.

Момент, обеспечивающий вращение газо-жидкостного слоя на ступени с тангенциальным завихрителем

Решетневскуе чтения. 2017

MBP =ТГ-ж • S • R =

Кг-ж Рг •u

Приняв, что скорость вращения газо-жидкостного

•(/ + /стр ) • cosa, (2) слоя у стенки иг-ж = wRc, поверхность контакта струй

где тг-ж - касательные напряжения между слоями вращающегося газо-жидкостного потока, Па; - площадь контакта газа с жидкостью, м2; Хг-ж - коэффициент трения на межфазной поверхности; и - скорость газа в канале завихрителя, м/с; / - площадь каналов завихрителя, м2; /стр - площадь струй газа, м2; а - угол наклона каналов завихрителя, град.

Момент сил трения о стенки и дно ступени

M тр =

Фг8ж •мГ-ж •*•(( -R2)( -R), (3)

где иг-ж - скорость газо-жидкостной смеси, м/с; Хо - коэффициент трения смеси о стенки аппарата; Я1 - расстояние от завихрителя до стенки царги, м. Тогда, согласно (3) имеем

Tdw Xг рг • и2 / _ _ ч J— ^-(/ + /стр IRcosa-

Jt о Г. \J JV^J 3

dt

Xo Фг-ж • иг-ж п Í Г>2 п2

(4)

-R2)) -R ).

газа, выходящих из каналов завихрителя, с жидкостью / = п [<1 И, получим

к

Рг (f + fcn )c0s a

Xo Рг-ж п(( - R2 )(( - R )RC

(6)

где п - количество каналов; ^ - ширина канала на выходе, равная дуге окружности, м; И - высота канала, м.

Согласно полученным данным, наблюдается равномерное движение газо-жидкостного слоя на стенке. Вместе с тем, величина угловой скорости газожидкостных слоев уменьшается с увеличением расстояния от завихрителя, что свидетельствует о наличии трения между газо-жидкостными слоями.

Экспериментальные значения угловой скорости, представлены на рис. 3.

Расчетные значения угловой скорости (пунктирная линия на рис. 3, а) не согласуются с опытными. Это вызвано тем, что при выводе уравнения (6) газожидкостный слой представляли как твердое тело, то есть не учитывались касательные напряжения между вращающимися слоями пены.

0,5

W =

а б в

Рис. 2. Режимы газо-жидкостной смеси на ступени: пенный режим (а); кольцевой режим (б); пленочный режим (в) Бс = 114 мм, Яз = 44 мм

Рис. 3. Зависимость угловой скорости газо-жидкостного слоя от радиуса вращения и скорости газа в каналах при и = ик: а) Яс = 74 мм, 50 = 1 мм, И = 5 мм, V = 400 мл. Экспериментальные точки (1; 2): 1 - Яз = 44 мм; 2 - Яз = = 65 мм. Пунктирная линия расчет по уравнению (6) Яс = 74 мм, Яз = 65 мм, 50 = б) 1 мм, И = 5 мм, V = 400 мл. Экспериментальные точки (1; 2): 1 - п = 50 шт; 2 - п = 20

Библиографические ссылки

1. Овчинников А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань : Новое знание. 2005. 288 с.

2. Войнов Н. А, Жукова О. П., Николаев Н. А. Гидродинамика вихревой ступени с тангенциальными завихрителями. Теоретические основы химической технологии. 2010. Т. 44, № 2. С. 1-8.

3. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработки растительного сырья : автореф. дис. ... канд. техн. наук; 05.21.03. Красноярск : Изд-во СибГТУ, 2010.

4. Яблонский А. А., Никифорова В. М. Курс теоретической механики. М. : Высш. шк., 1996. 440 с.

References

1. Ovchinnikov A. A. Dinamika dvukhfaznykh zakruchennykh turbulentnykh techeniy v vikhrevykh

separatorakh [Dynamics of two-phase swirling turbulent flows in vortex separators]. Kazan' : Novoe znanie. 2005. 288 p.

2. Voynov N. A, Zhukova O. P., Nikolaev N. A. Gidrodinamika vikhrevoy stupeni s tangentsial'nymi zavikhritelyami [Hydrodynamics of a vortex stage with tangential swirls]. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2010. Vol. 44, № 2. Pp. 1-8.

3. Kustov A. V. Gidrodinamika i massoobmen na vikhrevykh rektifikatsionnykh stupenyakh pri pererabotki rastitel'nogo syr'ya [Hydrodynamics and mass transfer on vortex rectification stages during processing of plant raw materials]. Avtoreferat dis. . kand. tekhn. nauk; 05.21.03. Krasnoyarsk : SibGTU, Publ.. 2010.

4. Yablonskiy A. A., Nikiforova V. M. Kurs teoreti-cheskoy mekhaniki [Course of Theoretical Mechanics]. M. : Vyssh. shk., 1996. 440 p.

© Кустов А. В., Артищева Н. А., Шастовский П. С., Васильченко Е. В., 2017