Химия и химические технолдогии/5. Фундаментальные проблемы создание новых материалов и технологий

Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова, Республика Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТИ В АППАРАТЕ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ПОТОКОВ

Для определения параметров продольного перемешивания широкое распространение получили методы нанесения возмущения в определенном сечении потока и фиксирования, вызванных им последствий в другом сечении. Возмущающий сигнал может быть различным по форме и по физической природе. Наибольшее распространение получили импульсная и ступенчатые формы возмущений, значительно реже применяют возмущающий сигнал циклического вида. В качестве сигнала в поток вводят трассер (индикатор: краситель, солевой раствор и т.п.), химический не взаимодействующий со средой и не участвующий в массообмене.

При отсутствии обратного перемешивания до сечения ввода возмущения и после сечения регистрации отклика системы (потока в данном аппарате) последний характеризует распределение времени пребывания частиц потока в аппарате. Функции отклика на сигнал, записанные в безразмерных переменных (концентрация и время), при указанных условиях являются функциями распределения времени пребывания потока в объеме, ограниченном сечениями ввода трассера и замера отклика (реакции) системы.

Функцию, описывающую изменение концентрации в потоке при импульсном вводе трассера, называют С-кривой, или внешней функцией распределения [1]. Если концентрация трассера во входящем потоке изменяется ступенчато от нуля до некоторого постоянного значения с_ср, то безразмерную функцию отклика называют F- кривой.

Наиболее удобен импульсный метод исследования распределения времени пребывания потока в аппарате. По этому методу на входе потока в исследуемый аппарат в него очень быстро (практический мгновенно) вводят порцию трассера. Одновременно начинают регистрировать концентрацию трассера во времени в выходящем из аппарата потоке.

Можно также подавать трассер в любое сечение аппарата и регистрировать изменение его концентрации в другом промежуточном сечении. Получаемая при этом функция отклика не будет описывать распределение времени пребывания частиц потока в исследуемой части аппарата, однако по полученной кривой отклика можно определить параметры продольного перемешивания, а по их значениям рассчитать распределение времени пребывания частиц потока в аппарате. Заметим, что, как правило, для расчета массообменного аппарата с учетом структуры потоков не требуется функция распределения времени пребывания, достаточно лишь знать модель продольного перемешивания, лучше всего подходящую к рассматриваемому аппарату, и численные значения параметров модели.

Для описания структуры потока жидкости использована однопараметрическая диффузионная модель [2,3 ].

Для экспериментального определения коэффициента продольного перемешивания жидкости Е_ж был выбран импульсивный метод, как наиболее простой по реализации на экспериментальной установке.

Индикатор, в качестве которой применялся 3-нормальный раствор NaCl мгновенно распределялся на поверхности газожидкостного слоя с помощью устройства мгновенного действия. В зависимости от изменения динамической высоты слоя точка ввода индикатора перемещалась по вертикали. Отбор проб жидкости осуществлялся с помощью восьми наклонных «желобов», расположенных под опорно-расперделительной решеткой.

t_в /b=3,5, t_p/b=2,

1 – аппарат с регулярно пластинчатой насадкой [2,3 ] , 2 – аппарат регулярно уголкообразной насадкой [2,3 ], 3 – аппарат РКУ, при L=20 м³/м²∙ч, соответственно.

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента продольного перемешивания жидкости Е_ж от скорости газа W_г

t_в /b=3,5, t_p/b=2,

1 – аппарат с регулярно пластинчатой насадкой [2,3 ] , 2 – аппарат регулярно уголкообразной насадкой [2,3 ], 3 – аппарат РКУ, при W_г =4 м/с, соответственно.

Рисунок 2 - Зависимость продольного перемешивания жидкости Е_ж

от плотности орошения L

Отобранная жидкость непрерывно протекала через датчик – кондуктометрическую ячейку с платиновыми электродами. Изменение концентрации индикатора во времени на выходе жидкости из слоя,т.е. С-кривая записывалась на ленточную программу прибора типа ЭПП.

Обработка экспериментальных С-кривых с целью оценки параметров диффузионной модели проводилось по методике, предложенной в работе [2],где предлагается определение моментов для С-кривых по методу трапеций, что позволяет снизить погрешность обработки.

Аналогично исследованным аппаратам [2,3] и в аппарате с РКУ коэффициент продольного перемешивания Е_ж с увеличением скорости газа W_г возрастает (рис.1). Скорость роста Е_ж в различных гидродинамических режимах в зависимости от W_г различная. При скорости газа м/с наблюдается незначительный рост Е_ж , это поясняется тем, что в перемешивании участвует лишь часть жидкости удерживаемой непосредственно на самих контактных устройствах, а основная ее часть стекает по периферийной зоне без существенного перемешивания.

В режиме развитой турбулентности, при скорости газа W_г от 3 до 4,5 м/с, расширяется зона перемешивания, который сопровождается увеличением количества жидкости из периферийной зоны. Это способствует увеличению скорости движения жидкости в периферийной зоне, что обуславливает повышение её скорости циркуляции. Стремительный рост Е_ж в режиме турбулентности вызван также увеличением масштаба перемешивания. Отсюда следует, что перемешивание жидкой фазы в аппарате с РКУ определяется характером циркуляции. Поэтому аппарат с РКУ, в котором заложен принцип вращающегося взаимодействия фаз, обладает относительно высокими значениями коэффициента продольного перемешивания.

С другой стороны регулярное расположения контактных устройств несколько снижает движение жидкости в обратном направлении, тем самым, регулируя чрезмерное повышение продольного перемешивания жидкой фазы. Контактное устройство служит носителем жидкой фазы и перемешивающим устройством её в продольном направлении.

Таким образом, продольное перемешивание жидкости определяется структурным состоянием и турбулентностью всего газожидкостного слоя. Это подтверждается расчетными уравнениями для коэффициента продольного перемешивания [2,3].

Сравнение расчетных значении с экспериментальными, показывают хорошую сходимость, а также согласуются с результатами исследований других авторов.

Литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химических технологии. –М.: Химия.1973.-783с.

2. Балабеков О.С. Гидродинамика, массообмен и пылеулавливание при противоточных и прямоточных двухфазных капельных и пленочных течений в слое подвижной насадки. Дис. …док. техн. наук. –М.: 1985.-430с.

3. Сабырханов Д.С. Разработка, расчет и внедрение массообменных и пылеулавливающих аппаратов с подвижной и регулярной насадкой. Дис. …док. техн. наук.- Шымкент. 1996.-343с.

4. Предварительный патент РК №29167. Аппарат с РКУ 17.04.2004.