Химия и химическая технология/теоретическая химия

Орымбетова Г.Э., Сабырханов Д.С., Орымбетов Э.М., Есиркепова М.М., Искаков Ж.Б., Мамаков Н., Есиркепов Н.

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова

г.Шымкент, Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ АППАРАТА С ВРАЩАЮЩИМИСЯ ПОТОКАМИ

Исследование гидродинамических характеристик потоков необходимо для получения данных, на основании которых можно обоснованно определять основные размеры тепло- и массообменных аппаратов. Такое исследование позволяет также установить в каждом конкретном случае области оптимальные нагрузки по газу и жидкости, определить гидравлическое сопротивление, время пребывания фаз и ряд других параметров аппаратов [1].

Одним из перспективных путей создания компактных тепло- массообменных аппаратов является интенсификация массообмена в каналах за счет закрутки потока. К таким устройствам относится аппарат, внутри корпуса, которого установлена центральная труба с укрепленной на ней спиральной лентой с отверстиями в виде шнека с подъемом к периферии [2]. Отверстия спиральной ленты расположены на одной вертикали и через них пропущены завихрители, выполненные в виде скрученных проволок со щетинами из гибкого материала. Газ, проходя снизу по винтовому каналу, приобретает вращательное движение и разбрызгивает часть закрученной жидкостной пленки со скрученных проволок и щетин на мелкие капли и вовлекает их в совместное вращательно-поступательное движение. Остальная часть жидкости перетекает на тыльную сторону скрученных проволок, обеспечивая приток жидкости для диспергирования на следующем шаге витка скрученных проволок и щетин. Под действием центробежной силы диспергированная жидкость сепарируется при ударе о стенке аппарата или скрученных проволок по ходу движения, стекает к центру по наклонной поверхности спиральной ленты и через отверстия снова подается на скрученные проволоки.

Вышеописанный аппарат исследовали в лабораторных условиях на системе воздух-вода. Аппарат выполнен из стекла для визуального наблюдения за его работой. Воздух в аппарат подавали вентилятором, расход воздуха определяли по перепаду давления на диафрагме. Вода поступала из напорного бака, расход воды измеряли ротаметром. Гидравлическое сопротивление измеряли стеклянным дифференциальным манометром.

Исследования проведены в аппарате диаметром 0,14 м. Конструктивные параметры аппарата: 1) высота между ступенями спиральной ленты 0,08 м, количество витков спиральной ленты 7 штук, диаметр центральной трубы 0,032 м, диаметр отверстий 0,005 м; 2) высота между ступенями спиральной ленты 0,12 м, количество витков спиральной ленты 4 штуки, диаметр центральной трубы 0,032 м, диаметр отверстий 0,008 м. Проведено изучение режимов работы аппаратов при различных нагрузках (L =от 5 до 20 м³/(м²·ч); w до 5 м/с).

Опытные данные по гидравлическому сопротивлению витков, полученные на системе воздух-вода представлены на рисунке 1. При такой обработке гидравлическое сопротивление зависит от диаметра отверстий и свободного сечения винтового канала. Гидравлическое сопротивление для 1-го варианта в 2 раза выше сопротивления 2-го варианта, что объясняется различием условий движения потока между ступенями.

Визуальные наблюдения и результаты фотосъемки показывают, что при наличии орошения на поверхности витков образуется пленка жидкости, которая при стекании через отверстия по скрученным проволокам разбрызгивается на капли.

В зависимости от нагрузки по газу наблюдаются 4 режима движения двухфазного потока: пленочный, струйный, капельный и унос.

При малых нагрузках по газу (w до 2 м/с) движение газового потока не нарушает характера течения жидкости, которая растекается в виде пленки на элементах аппарата (I-пленочный режим).

Увеличение скорости воздуха от 2 до 3,1 м/с приводит к тому, что стекающая жидкость срывается с поверхности закрученной проволоки в виде струи и капель. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении двухфазного потока, струи и капли жидкости отбрасываются к периферии и оседают на стенке аппарата, образуя вращательное жидкостное кольцо (II-струйный режим).

В диапазоне скоростей газа 3,1 - 5 м/с, наблюдается капельный режим – III. Струи и капли отбрасываются на значительное расстояние от скрученной проволоки, что приводит к росту толщины пленки жидкости на поверхности спиральной ленты. При этом стекающие с поверхности закрученных проволок струи жидкости вновь подхватываются вихрями и дробятся на капли.

Для аппарата режим уноса достигается при высоких скоростях газа w = 5 м/с.

Таким образом, в аппарате с вращающимися потоками наблюдается более тонкое дробление жидкости и равномерное распределение капель в объеме контактной зоны и быстрая подача обработанной жидкости на следующую ступень контакта фаз аппарата. Отсутствуют застойные зоны газа и жидкости. Вращательно-поступательное движение двухфазного потока позволяет значительно увеличить относительные скорости взаимодействия потоков газа и жидкости в контактной зоне и, соответственно, интенсифицировать процессы тепло- и массообмена в аппарате.

Литература

1. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах,-Л.:Химия, 1988,-336 с.

2. Авторское свидетельство СССР № 1764664 Орымбетов Э.М., Кирасиров О.М., Голубев В.Г.