Содержание к диссертации
Введение
1. Газощцкостные аппараты с колебательными режимами взаимодействия фаз
1.1. Массообмен на границе раздела фаз 8
1.2. Конструкции аппаратов 18
1.3. Классификация и совершенствование конструкций газожидкостных аппаратов с колебательными режимами взаимодействия фаз 33
. 1.4. Выводы 44
2. Разработка и исследование акустических излучателей
2.1. Создание высокочастотных колебаний в газовом потоке 46
2.2. Методика проведения исследований 56
2.3. Анализ результатов экспериментальных исследований и методика расчета акустических излучателей 62
2.4. Выводы 72
3. Исследование гидродинамики барботажных тарелок с автоколебаниями газового потока
3.1. Исследование барботажа газа методом лазерного сканирования . 73
3.2. Описание экспериментальной установки 80
3.3. Анализ результатов акустических и гидравлических. исследований 86
3.4. Исследование перемешивания жидкой фазы 95
3.5. Выводы 100
4. Исследование массоотдачи в жщкой фазе при абсорбация труднорастворимого газа на клапанных тарелках с автоколебаниями газового потока
4.1. Математическое описание процесса массоотдачи 102
4.2. Методика проведения исследований поглощения кислорода раствором сульфита натрия при барботаже 109
4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований 113
4.4. Выводы 122
5. Разработка и промышленное внедрение аппаратов с автоколебаниями газового потока
5.1. Конструкция,математическая модель и методика расчета хемосорбера для озонирования циансодержащих сточных вод 123
5.2. Разработка и внедрение контактных устройств с автоколебаниями газового потока для дырчатых тарелок бикарбонатной колонны содового производства 132
5.3. Разработка и промышленное внедрение сатуратора с акустическими контактными устройствами для насыщения углекислым газом безалкогольных напитков 135
5.4. Выводы 139
Заключение 141
Условные обозначения 143
Литература
- Классификация и совершенствование конструкций газожидкостных аппаратов с колебательными режимами взаимодействия фаз
- Анализ результатов экспериментальных исследований и методика расчета акустических излучателей
- Анализ результатов акустических и гидравлических. исследований
- Анализ результатов экспериментальных исследований
Введение к работе
Центральное место в наших планах, как отмечалось на майском (1982 г.) и ноябрьском (1982 г.) Пленумах ЦК КПСС, занимают меры, связанные с реализацией Продовольственной программы. В основе решения Продовольственной программы лежит, в первую очередь, дальнейший подъем и повышение эффективности промышленного производства высококачественных пищевых продуктов. Важнейшим направлением повышения эффективности производства /I/ является ускорение научно-технического прогресса, заключающееся в непрерывном совершенствований техники, замене морально устаревшего оборудования, в том числе для проведения абсорбционных и ректификационных газожидкостных процессов. На XI пятилетку намечен значительный рост розлива минеральных вод и производства безалкогольных напитков. Улучшение их качества непосредственно связано с достижением высокой степени насыщенности углекислым газом, что требует создания высокоэффективной и производительной массообменной аппаратуры.
Интенсивное развитие промышленности и быстрый рост городов обусловливают увеличение количества сточных вод и пылега-зовых выбросов. Значительная часть стоимости газоочистного оборудования и оборудования для очистки сточных вод приходится также на газожидкостную массообменную аппаратуру.
Общесоюзной целевой программой 0Ц.0І7 и региональной комплексно-целевой программой по охране водных ресурсов Приднепровья предусматривается разработка высокоэффективных газожидкостных аппаратов для очистки промышленных сточных вод. Очистка циансодержащих сточных вод обработкой озоно-воздушной смесью относится к процессам хемосорбции труднорастворимого газа. Основная трудность осуществления процесса заключается в том, что необходимо обеспечить полную очистку сточных вод от сложных цианидов при одновременной высокой степени использования озона. В связи с этим одним из основных путей решения этой задачи является использование барботажных аппаратов. Цротиво-точные газожидкостные колонные аппараты с клапанными тарелками обладают широким диапазоном устойчивой работы, высокой производительностью, сравнительно малым гидравлическим сопротивлением, низкой стоимостью, в них можно достичь высокую степень использования озона. Однако в связи с недостаточной эффективностью контакта фаз для этого приходится увеличивать их высоту, что во многих случаях чрезмерно увеличивает их гидравлическое сопротивление. В то же время гидравлическое сопротивление аппарата для озонирования сточных вод должно быть меньше давления озоно воздушной смеси на выходе из озонатора, которое не превышает 0,5 ати.
Процесс массообмеяа в газожидкостной среде интенсифицируют воздействием высокочастотных колебаний / 2,3 /. Однако данный прием не получил широкого распространения вследствии того, что высокочастотные колебания существенно затухают / 2,4/ в газожидкостной системе, поэтому создание колебаний на одной тарелке аппарата не будет оказывать существенного воздействия на процесс на последующих тарелках и на эффективность аппарата в целом. Кроме того высокочастотная аппаратура, с помощью которой создаются интенсивные колебания, сложна, недолговечна в работе, энергоемка и требует подвода внешней энергии, что вызывает дополнительные затруднения, С помощью известных акустических излучателей можно создать в потоках фаз автоколебания за счет использования части их энергии. Однако генераторы Гартмана, Гальтона, пластинчатые, стержневые, мембранные и клапанные излучатели работают при значительных перепадах давления. При меньшем перепаде давления газа работают "губные" и вихревые излучатели, с помощью которых возбуждаются низкоинтенсивные колебания в однофазном потоке. Однако, в настоящее время отсутствуют статические конструкции акустических контактных устройств, пригодные для работы в двухфазном потоке, а также отсутствуют исследования влияния автоколебаний газового потока на массоотдачу при барботажяом процессе.
Известно / 5,6 /, что по мере роста малых возмущений неустойчивого пограничного слоя, проявляются эффекты, которые приводят к усилению турбулентности пограничного слоя в процессе генерации волн. Поэтому представляется целесообразным изучение влияния низкоинтенсивных автоколебаний газового потока, создаваемых акустическими контактными устройствами, на барбо тажный массообменный процесс в случае, когда звуковое давление автоколебаний сравнимо с давлением, создаваемым силами поверхностного натяжения.
При расположении акустических контактных устройств у отверстий барботажных тарелок обеспечивается многочисленность центров генерации автоколебаний в объеме аппарата. Целесообразность такого расположения акустических контактных устройств вызвана также тем, что в месте входа газа в жидкость происходит, как показано в работах Чехова O.G. и других советских ученых / 7 /, основной массоперенос и формирование структуры газожидкостного слоя на тарелке. Кроме того, звуковые колебания распространяются в зону сепарационного подтарельчатого пространства. Так как в газе звуковые колебания затухают значительно меньше, то возможно их интенсифицирующее воздействие на процесс массообмена во всем сепарационном подтарельчатом пространстве.
Задачей представленной работы является разработка эффективных конструкций акустических барботажных контактных устройств и исследование их акустических и гидравлических параметров, а также влияние автоколебаний газового потока на некоторые гидродинамические и массообменные характеристики барботажного процесса. В основу промышленных аппаратов положены новые конструкции акустических контактных устройств. Разработаны математическая модель, методика расчета и конструкция промышленного хе-мосорбера для обработки сточных вод озоно-воздушной смесью. За разработку и внедрение промышленного хемосорбера на ВДНХ СССР присуждена бронзовая медаль. Для повышения качества безалкогольных напитков усовершенствована конструкция сатуратора, что позволило увеличить степень насыщенности напитков углекислым газом, а также производительность аппарата.
Классификация и совершенствование конструкций газожидкостных аппаратов с колебательными режимами взаимодействия фаз
В данном разделе предпринята попытка систематизации газожидкостной аппаратуры с колебательными режимами взаимодействия фаз. В работе / 26 / колеблющиеся потоки классифицированы в зависимости от значения амплитуды, частоты и длины волны.Однако, подобная структурная схема классификации колеблющихся потоков относится к тепловым процессам и излишне детализирует тепловые характеристики потоков, не учитывая уровни воздействия объектов, автоколебательные процессы и т.д. Технологические приемы организации нестационарных режимов работы в массообмен-ных аппаратах и реакторах классифицированы / 28 / по способу организации колебаний, по расположению зон возбуждения колебательных режимов, по типу нестационарностй, по частоте циклического изменения нестационарного параметра и по амплитуде. Такая классификация не учитывает ряд колебательных процессов, происходящих на молекулярном уровне, импульсные колебания и т.д.
В основу предлагаемой классификации газожидкостных аппаратов с колебательными режимами взаимодействия фаз положен способ организации колебаний / 28/- вынужденные колебания и автоколебания. Вынужденные колебания, в основном, создаются при использовании внешней энергии и широко используются для интенсификации процессов в газожидкостных аппаратах, например, вибрационных /20 /. Автоколебательные процессы имеют место, например, в аппаратах с клапанными контактными устройствами / 7 /. Одним из основных недостатков при использовании вынужденных колебаний, по-видимому, является существенное усложнение конструкции аппарата, в то же время при создании автоко -лебаний такое усложнение конструкции может быть не столь су -щественным.
При соответствующем конструктивном оформлении колебательные процессы в газожидкостной среде характеризуются изменением следующих параметров: температуры / 93 /, давления / 26 /.концентрации, электрического / 28 / и магнитного полей, В зависимости от периода, как показано в разделе 1.2, частоты колебаний можно подразделить на циклические, низкочастотные, высо -кочастотные ( акустические,ультразвуковые ),импульсные. По масштабу уровня воздействия колебания возможно осуществить на молекулярном уровне, на контактном устройстве, на контактной ступени, в аппарате,в химико-технологической системе.При анализе колебательных процессов возможно выделить в качестве объектов воздействия газ,жидкость,наполнитель. В качестве наполнителя может быть вибрирующая насадка,т.е. твердое тело с помощью которого создаются колебания в газожидкостной среде.
Классификация газожидкостной аппаратуры с колебательными режимами взаимодействия фаз приведена в табл. I.I. Известно / 88 /, что колебательные режимы взаимодействия фаз более эффективны при резонансных колебаниях, когда частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных колебаний системы, В этом плане представляется целесообразным изучение акустических откликов данной системы. Например, в теоретических и экспериментальных работах по определению зависимости действия внешнего поля на величину свойств компонента / 94 / и в работах по выявлению гидромеханических автоколебательных систем / 95 / показано, что затраты энергии на поддержание резонансных колебательных режимов уменьшаются в несколько раз. При изучений закономерности / 96 / изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потоков при вынужденной конвекции выявлено, что при определенной конфигурации поверхности и соотношении размеров затраты энергии на турбулизацию стекающей пленки возрастают меньше, чем прирост теплового потока. Подобные работы / 94-96 / указывают на необходимость тщательного изучения создаваемых аппаратов с колебательными режимами взаимодействия фаз с целью определения оптимальных параметров их работы / 88,97,98 /.
Руководствуясь приведенной классификацией, возможно подобрать комбинацию изменяемых параметров для создания колебаний на определенном уровне воздействия с целью организации колебательных режимов взаимодействия фаз в газожидкостном аппарате. Вытекающим из анализа классификации выводам соответствуют разработанные автором самостоятельно / 99-108 /, а также совместно с Аяистратенко В.А. / 109 / и Задорским В.М. / 110,111 / новые конструкции контактных устройств и аппаратов, которые позволяют интенсифицировать массообменный процесс / II2-II4 / при создании колебательных режимов взаимодействия фаз.
Анализ результатов экспериментальных исследований и методика расчета акустических излучателей
Проведенные предварительно исследования показали, что максимальную интенсивность автоколебаний возможно получить при выполнении резонирующей полости в виде кольцевой камеры с центральным отверстием, как показано на рис.2.3. Интенсивность силы звука увеличивалась в 3 раза при наличии фасок на кромках отверстий. Наибольшая интенсивность колебаний достигнута при выполнении отверстий одинакового размера сін -ив . Отклонения размера отверстий от номинального на 0,001-0,002 м вызывало незначительные отклонения звукового давления. Измерениє гидравлического сопротивления акустических излучателей показало, что оно зависит от соотношения размеров.
Гидравлическое сопротивление акустических излучателей определялось при выполнении диаметра отверстий, равным dH = de = 0,032 м и 1 ,= 0,098 и 0,119 м. В каждой серии было поставлено по 5 опытов, в которых отклонения интенсивности колебаний и гидравлического сопротивления находились в пределах расчетных интервальных оценок математического ожидания при доверительной вероятности 0,95. В таблице In и 2п приведены экспериментальные данные по определению характеристик акустических излучателей, в которых изменялась высота устья резонирующей полости. На рис. 2.7 приведена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от высоты устья hu . Изучение зависимости гидравлического сопротивления акустических излучателей с диаметром отверстия 0,032 м при изменении высоты устья от 0 до 0,087 м, диаметра кольцевой резонирующей полости от 0,098 до 0,119 м и числа Рейнольдса от 2,0.10 до 6,1.10 позволило представить экспериментальные данные по коэффициенту гидравлического сопротивления излучателей с точностью ±20$ в виде следующей зависимости 2Л и-10н -2ЛІМі) (2Л2)
Для некоторых значений VJ0 и hu наблюдалось более существенное отклонение экспериментальных данных 45 от расчетных, что,по-видимому, связано с возбуждением резонансных колебаний. Наличие автоколебаний давления в кольцевой резонирующей полости способствует уменьшению гидравлического сопротивления. Уменьшение коэффициента гидравлического сопротивления при прохождении газа через акустический излучатель, по-видимому можно объяснить существенным изменением давления в направлении нормальном оси течения потока газа. Периодическое изменение нормального давления в пограничном осциллирующем сдвиговом слое вызывает локальное изменение вектора скорости. В результате направление движения пограничного слоя не совпадает с направлением движения пространственной цепочки вихрей. В работах Кармана и Рубаха / 116 / показано, что шахматное расположение вихрей устойчиво для широкого класса возмущений. Локальное изменение вектора скорости потока нарушает порядок расположения вихрей по отношению к направлению движения основного потока, что, по-видимому, нарушает их устойчивость и способствует прекращению их роста и, соответственно, уменьшает затраты энергии на вихреобразование. Последнее приводит к уменьшению коэффициента гидравлического сопротивления.
Для подтверждения положения о влиянии колебаний давления, направленных нормально движению потока газа, на величину коэффициента гидравлического сопротивления, был проделан следующий опыт. Исследовалось гидравлическое сопротивление акустического устройства без боковой стенки псевдокамеры, образованной между (рис.2.8) диском и торцом колонны. При постоянной скорости W0 и изменении Ну от 0,005 до 0,095 м гидравлическое сопротивление акустического устройства не изменялось. В то же время при Цу = 0,01-0,08 м были обнаружены автоколебания в потоке газа при W0 14,25 м/с. Основная часть газового потока проходила через отверстие в диске, а меньшая - между диском и торцом колонны. В псевдокамере отсутствовало периодическое изменение давления подобное изменению давления в резонирующей камере (рис.2.3).
Анализ результатов акустических и гидравлических. исследований
В данном разделе приведены результаты исследования влияния автоколебаний газового потока на гидравлическое сопротивление клапанных тарелок и газосодержание. Изучены акустические характеристики тарелок.
Зависимость гидравлического сопротивления неорошаемых тарелок от скорости газа, высоты подъема клапанов, их массы и конструктивных особенностей подробно изучены в работах / 7, 147,148 /. Известно, что при подъеме клапана и зависании его в верхнем положении гидравлическое сопротивление неорошаемой тарелки А Рн может быть рассчитано по формуле / 148 / ,2 о С
Изученные тарелки описывались зависимостью (3.1). На рис. 3.6 показана зависимость А Рн от скорости газа Wo для тарелок Т-8, Т-9, Т-10, T-II. Численные значения коэффициентов Лк и Ло Е уравнении (3.1) и отклонения расчетного значения А Рн,т от экспериментального А Рн приведены в таблице 3.2. Опытные и расчетные данные гидравлического сопротивления неорошаемых тарелок приведены в таблице 8п.
Гидравлическое сопротивление клапанных барботажных неорошаемых тарелок, как видно из рис.3.6 и таблиц 3.2 и 8п,незначительно отличается от гидравлического сопротивления тарелок, в которых дополнительно укреплены кольцевые резонирующие полости. Из рис. 3.6 можно сделать вывод,,» о том, что бар-ботажные клапанные контактные устройства в период подъема клапана характеризуются некоторым постоянством их гидравлического сопротивления при изменении расхода газа. С уменьшением массы клапана становится заметным уменьшение гидравлического сопротивления тарелки с автоколебаниями газового потока.
Полное гидравлическое сопротивление орошаемой клапанной тарелки является величиной переменной вследствйи / 145, 150-154 / пульсирующего расхода газа через отверстия. Среднее гидравлическое сопротивление тарелки Агт возможно выразить через алгебраическую сумму его составляющих АРТ = АР +4 +АР„.КА+АРтучРнчРи- , (3.2) где Аг - /б - гидравлическое сопротивление сил поверхностного натяжения, н/м2; Аг% - местное гидравлическое сопротивление н/м ; Агт.ил =At nig/F0 - гидравлическое сопротивление от веса клапана, н/м2; А ггу - гидравлическое сопротивление турбулентных вихрей, н/м ; Ar -J H (1" ) гидростатическое давление столба жидкости, н/м2; А и - гидравлическое сопротивление, вызванное инерцией присоединенной массы жидкости, н/м2; A /. - динамический напор циркуляционных токов, н/м2.
Для определения гидравлических сопротивлений A П , Afy» Л /и (4 принимаем допущение о пульсирующем расходе газа через отверстие клапана по следующей зависимости r "&oU COSOOf) , (3.3) где СО - круговая частота отрыва пузырьков, рад/с. Среднее значение А Р за время одного цикла пульсаций Т0 = i/f составит „ fosAoPrWndt АР =-« І- , (3.4) где U/ f - мгновенная скорость газа в отверстии, м/с, которая определяется из уравнения (3.3) Wot = K (I COSUn) (3.5) Подставляя значение W0r в уравнение (3.4) и решая его находим А Рв = О, 15Аф IV/ , (з.б) т.е. среднее значение Аг% орошаемой тарелки в 1,5 раза больше, чем местное гидравлическое сопротивление неорошаемой тарелки, определяемое в уравнении (3.1).
Анализ результатов экспериментальных исследований
Нормальность раствора йода определяли по известному нормальному раствору тиосульфата / 169 /. Для этого в колбу наливали 20-25 мл раствора иода и добавляли из бюретки стандартный (известный) раствор тиосульфата. Когда раствор приобретал бледно-желтую окраску прибавляли 1-2 мл раотвора крахмала и титровали до исчезновения синей окраски, появляющейся в результате прибавления крахмала.
При определении нормальности раствора тиосульфата по бихромату калия применяли метод замещения / 169 /. К определенному количеству бихромата прибавляют избыток иодида калия и кислоты Сгг 0{ " + 6J-+ МН+ 37г+2Сг+++ 7Нг0
Выделившийся иод оттитровывалй раствором тиосульфата, титр которого устанавливали. Так как титр стандартного раствора тиосульфата изменялся со временем, то его периодически проверяли по бихромату калия / 169 /.
Равновесную концентрацию кислорода определяли по формуле / 170 / норм где С-г - растворимость газа в чистой воде при 760 мм.рт.ст. и содержании кислорода в воздухе 20,9$ кг/м3; га - атмосферное давление, Па; Рати - избыточное давление под испытуемой тарелкой, Па; - перепад давления на тарелке, Па; ?щм - нормальное атмосферное давление, Па; оС - коэффициент показывающий уменьшение растворимости кислорода от присутствия в растворе солей.
Коэффициент оС определили по формуле / 8 / аС= /- (Ko + K- + +K + Z-)C 7S, (4.16) где Ко-0,08 - поправочный коэффициент для кислорода; К =0,2 - поправочный коэффициент, зависящий от присутствия ИОНОВ S0W ; Y\+-0J6 - поправочный коэффициент, зависящий от присутствия ионов А/а ; і -4 - валентность натрия; Ъ -2 - валентность SOt, ; С - концентрация ионов S 0i, в кмоль/м3. Концентрацию ионов SO определяли по формуле C-_CHZXCP (4Л7) 126 где Сн - начальная концентрация сульфита натрия в растворе, кмоль/м3; Хср - средняя концентрация сульфита натрия в растворе в течение определяемого промежутка времени окисления между отборами проб, кмоль/м3; 126 - молекулярный вес сульфита натрия.
Анализ результатов экспериментальных исследований Экспериментальные исследования по определению объемного коэффициента массоотдачи на непроточной тарелке с барботаж-ными клапанными контактными устройствами проводились по методике, описанной в разделе 4.2. Целью экспериментов являлось определение влияния автоколебаний газового потока на объемный коэффициент массоотдачи, а также подтверждение зависимостей (4.6, 4.10, 4.II), выведенных в разделе 4.1. В эксперименте изменялись Wti 9 h0, Fc , ты , dM, d9, h0/d0 , Пнл а также материал из которого изготавливалась резонирующая полость. Характеристика исследуемых тарелок приведена в таблице 7п.
Экспериментальные данные по абсорбции кислорода из воздуха раствором сульфита натрия приведены в таблице 15п. Отклонения экспериментальных значений &Q в каждой серии опытов находились в пределах расчетных интервальных оценок математического ожидания, определяемых / I7i / по критерию Стьюдента при доверительной вероятности 0,95. Расчетные значения объемного коэффициента массоотдачи (BQ)T приведены в таблице 16п.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при изменении высоты светлого слоя жидкости h0 от 0,066 до 0,132 м для тарелок TI6 и Т8-Т9 величина экспериментально определяемого коэффициента / в формуле (4.5) определяется следующей зависимостью
По имеющимся опытным данным для А о были построены гра фические зависимости объемного коэффициента массоотдачи от скорости газа по колонне. Указанные экспериментальные зависи мости приведены на рис. 4.2-4.3. Расчетный объемный коэффициент массоотдачи определялся по формулам (4.6) и (4.10) при подстановке вместо коэффициента I его значения взятого по формуле (4.18), кроме тарелки Л для которой цри
Приведенные на рис.4.2-4.3 зависимости позволяют утверждать, что объемный коэффициент массоотдачи, рассчитанный по формулам (4.6) и (4.10), соответствует экспериментальным данным. С увеличением скорости газа по колонне с 0,2 до 1,6 м/с объемный коэффициент массоотдачи непрерывно возрастает, а отношение (Ва)ъ/М незначительно уменьшается, что подтверждает выводы, сделанные в разделе 4.2. При малых скоростях газа по колонне ( WK 0,3 м/с) отношение уь/ц несколько увеличивается, поэтому отношение (pct /fiCI возрастает. Для всех типов изученных тарелок отношение ( &а)ъ/р& при увеличении скорости газа по колонне от 0,2 до 1,6 м/с составляло 1,6-1,2. Т.е. автоколебания газового потока, по-видимому,уокоряют обновление поверхности контакта фаз в зоне входа газа в жидкость и соответственно способствуют увеличению объемного коэффициента массоотдачи барботажного слоя ( h0 =0,06-0,132 м) более чем на 20 %.
Проведенные исследования подтвердили известное положение / 9 / о том, что с увеличением высоты барботажного слоя возрастает объемный коэффициент массоотдачи. На рис. 4.2 и 4.3 показано, что с увеличением h0 от 0,066 до 0,132 м объемный коэффициент массоотдачи возрастает на 20-50$.
