Введение к работе
Актуальность теми. Двухфазное газояидкостцоо течение в релике Еосходящего пряштока( противотока) и возникдаиие гри эгчзм явления тепло-и мзссооСмена иирокс применяются з химической техяслогш как методы очисгчст сырья к реакционных смесей'от посторонних примесей,разделения смеси продуктов(целевых и побочных) и кереагирозавшйх реагентов.транспортировки жидких веществ и т.д.
Яркими примерами тепло-н' кассообмештах и гидромеханических процессов, в основе которых лєхит га&сжидкося-ное течение, являются абсорбция , десорбция, ректификация, охлаждение, фильтрование, пневмотранспорт, ис-паревие,БЫпаривачие,осаадейШ,конденсация и т.д.
Разработка надежных методов расчета вышеперечисленных процессов теско связана с теорией двухфазного взаимодействия я определяются ее закономерностями.
Поэтому экспериментально-теоретические исследования гидродинамики к массопередачи при газодидкостном восходящем прямотоке(противотоке) в аппарат . химической технологии и создание методики их расчета в любой области и особенно в области захлебывания,где процессы тепло-и массо-обмепа черезвычайно интенсифицкрутся,представляют собой актуальную задачу.
Данная диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой "теоретические основы химической технологии и новые принципы управления хімическими процессами":! включена в планы научно-исследовательских работ Московской Государственной академии химического машиностроения.
Дель работы. Экспериментальное изучение гидродинамики двухфазного газожидкостного взаимодействия в трубе при восходящем прянстоке(противотоке) ,путем комплексного исследования перепада давления и пульсаций давления в'широком диапазоне расходов газа и жидкости с учетом области неустойчивого течения вблизи точки захлебывания,где происходит интенсивное перемешивание потоков,конечной целью при этом является нахождение згкона гидравлического сопротивления.Целью дачной диссертационной работы являлось также теоретическое исследование массопередачи в режиме устойчивого пленочного двухфазного течения, путем разработки приближенного метода расчета концентрации распределяемого компонента на выходе из аппарата при любом параболическом пробое скоростей жидкой пленки. .-.''
.„., Научная иойиана. Экспериментально иссвёдована динамика газояид-костного ввакмодеёстаия в канале аппарата при-различных значеннях рас-. Ходов газа и жидкости.мсвючаа области неустойчивости течения пото-; ков.аутем измерения средник оішчений перепадай пульсаций давления. , ,; Впервые предложена математическая формула в виде ряд&.установли-. вающая связи между средний перепадом давления и расходами лидкости и газа. Во предлагаемой формуле, перепад давления при орошаемом канале представляет собой сумму трех разных сил: ;
.;:-.'' і ) Сиды.обусловленной взаимодействием сухого ґава со стенкаыи-канаиа аппарата при отсутствии яидкой фа8ы ДРа ' ;' ,' '
,-;'.. 2) Силы.отвечающей за гравитационное течение жидкости'в отсутст
твии;газа о аипарате ЛРь ' , V -. ...
-':'.' ;. 2) Силы. межфазаого. въаимодейстБия йР<х. В результате обработки
оксиорименігалї.ньк данных га гидродинамике двухфазного течения жидкости
й-;, гага аа ДЕЕМ получены эмпирические формул» устаяоздиващие взаимос
вязи«езду средним переездом давления и ігульсациям^.иежду средним пе
репадом : даалодая и расходом газа при различных значениях расхода,жид
кости;. '.'.-'.':;''..,."'.:":'.;'.*-.-;',-''''''.'.""-'-" ".'; ',"- ' ' '-'' ;'''
. ; 'J Вперше высказано и зксцериметалыю подтверждено существование не
толька минимума, ю также' и шксимука .гидравлического сопротивления при-
І'азояидкостнсм'течении; .'; ;;;; /".-''..'.'.- ' "''
;'..' На базе аиализа решений уравнения диффузии (решений Галиулли- , на) разработан; вриблихелвіаіа метод решения и предложена математическая формула'для расчета профиля концентрации распределяемого компонента на выходе из аппарата при любом параболическом профиле скоростей жидкой . квита.'/" ,/,:/.' у..--., ." ".''/;;.-:- '/':--.':- '-- ,-'.'" ''' - .; \- -'V Практическая ценноть. Пелученше на основе проведе: ~!ых исследовании: эмпирические формулы со гцдродикашгле к массоперэдачл при, двуфаз-ном. газожидкостном течении: могут выть использованы,как при проектирован лабораторных и промышленных тепло-и массообиенных ашшратур.так й при анализе эффектиеностй'их работы, пошшеншг их производительности.
';,' Автор защипает: результаты, экспериыентадького и теоретического исследований по гидродинамике й'шесспередаче при гагокидкостноы течении в аппарате пленочного типа?в режиме восходяцего прямогскаСпротизо-гока) ^экспериментальные 'результаты,позволявшие определить закон гкд-г ; раалического сопротивление при различных режимах течения и приближен-. ный. метод расчета массояередачи при любом параболической профиле ско-
рости ЖИДКОЙ ПЛЄККИі
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались и обсук-дались на.4гоймеждународной' научной KOH^pemara'*MOKWiU кибернетики химике- технологических процессов" в Российском химико-технологическом университете км. Д.И.Менделеева в 1S94 году.
Публикация. По теме диссертации опубликована одна работа и приня
та к публикации вторая в журнале "ТОХТ". v
Структура иг объем диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав.оснозшх выводов,условных ооо8наченкн,литературы(122 . наименования) и лршшкелия программ и рг-счетов исследованных парамої--ров на ПЭВМ.Ока изложена на 122 страницах машинописного текста,содер-хит 11 таблиц,25 рисунков.
: . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . ,-.";''
'Во введении.обоснована актуальность работа, ее цель и научная но-; визна, приведена общая характеристика диссертации в тезисном изложении основных положений и-результатов работа,в том числе.и вносимых на са-дату,
В. первой глазе проведен анализ наиболее представительных теоретических и экспериментальных работ по изучению гидродинамики двухфазного течения в каналах аппаратов пленочного типа. Рассмотрены основные методики,которыми руководствовались при проведении,данных работ. /
На Сазе анализа литературных источников сделан вывод о 1011,41 проведенные до сих пор экспериментальные работы по гидродинамике двухфазного газолощкостного взаимодействия касались лишь зоны устойчивого течения и соотвествуодие эмпирические формулы имеют огпаниченішй ; характер применимости. 8 ; связи с этим данные формулы не позволят* пелу-.чить полную информацию о протекающем процессе взаимодействия потоков.
Отмечено.что область неустойчивого течения(точка 8ахлебывания и вблизи ее) имеет больное значение для химической технологии - в; силу возникновения в этой области процесса интенсивного перемешивания вваи-модействуюдих потоков. Такое перемешивание является Слагопрятнш условием для повышения зіЗфектизности ряда технологических процессов.:,
Лсдчеркнуто.что применяемые для описания динайики двухфазного
взаимодействия матеметические модели,пригодны лшь для простых одно
фазных течений,' при которых отсутствуют силы мекфазкего взаимодейс-
.твия,отвечающие за появление пульсаций.давления,максимума и минимума
гидравлического сопротивления. : '.'
- t> -
Укаєаво,что первоначальным шагом к изучению течения двухфазных потокоь в каналах, пезасишищш получить достоверную информацию о нем является эксперимек'г. Только и результате эксперимента.основанного ка подходящей, четко разработанной методике проведения опытов и обработке опытных данных, маню описать протекавшие б аппарате процессы и давать - их точное объяснение ,
Отілечоно.что глазное значение при этом представляет экспериментальное исследование динамики двухфазного взаимодеисявия потоков в канале, путем измерения средни* вначений перепада и пульсаций давления 8 вироком диапазоне влияющих на них факторов с учетом области кеусто^ чивого течения.
В главе в?о{>ой дано списание экспериментальной установки,кетоди-ІИ проведения акетьриментов и обработки опытных данных, результатов, исследования к их обсуждения.
Исследование газовдкостного взаимодействия производилось меходац намерения перепада давления.Эксперимент осуществова-va в системо вода-воздух. Изучалась .вависямость . перепада давлений ^г расхода воздуха при Фиксированном расходе воды.
Данная работа ььшолнялась иа эксприментальной установке, схема которой приведена иа рисі. Стальная труба 13,Длиной 0,71м и внутренним диаметром 0.013м вертикально помечена в емкости 15, и яестао присоединена к ней.Верхний конец труби также жестко присоединен к сепаратору 0, На середине трубы имелись два отверстия для подачи жидкости в аіпарат.На нижнем юнце установлен датчик 11,коней которого рэсполокэи параллельно- продольной оси трубы.Иэ трубопровода 14 ьода поступала в атаарат о лошадью рэгудирующего ведтлія 12, ',
Расход ьоды и воздуха измерялись предварительно тарированными ротаметрами 6 и 10. Величины перелада давления з виде механически^ импульсов регистрировались датчиком 11. В преобразователе разности давления (прибои"САШ1Р 2Z М") 4 эти импульсы усиливались и превращались в электрические сигналы, С помощью пргдвар'гггелько тарированного самопишущего зектровсльтметра(ііотеяциомі?тра) 3, присоединенного к блоку питания 2 производились йапкси давления. Бея измерительная система была подключена к источнику питания 1.
2.1. Схема гжеперимектплыгай> установки.
І-ясточник питання.Й-блок питания.3-погеншоыетр. 4-" САПФИР". 5-воздуходувка. б-воздуший ротаметр, ?- -образный манометр.8-слив,9-сепараторЛ0-хид-костной ротаметр,ІІ-датчик.12-вентили.ІЗ-труба.
14-трубопровод.15-емкость.
Тарировка потенциометра проводилась в широком диапазоне расхода воздуха, путем измерения перелада давления одновременно потенциометром" к U-обрааньм манометром 7,дополнительно присоединенным к измерительной системо.Использование сухого воздуха при тарировании визвано требованием обеспечить висок/».точность измерения перепада давденил.т&ч как. при атом отсутствовали вульсаяии,характерные для двухфазного гаэшащ-востиого течения.
При тарировании воздукного ротаметра-был і-сподь зовам Оарабанкый счетчик типа ГСБ.Полученные результате дорого совпадали с данными по имеющейся в лаборатории тарнроючнои кривой.
Водяной ротаметр тарировался с г.омоаьй градуированного сосуда и секукдсмера. Подученные тарировочние (флвые использовались при выполне-шш накеченньк зюзпершентся.
Исследовааие динамики газодидкостного взаимодействия в данной работе еакаочзлось в.эааисн перепада л пульсаций деглениа при изменения расхода воздуха в диапазона от 0.12 до 1.92 дм3/сек для различных значений расхода ккдкоези (2,17; 3.03; 3.75; 4.17; 4.67; В.34; $.75; 12см3/сек). Скорость и продолжительность записи сбавляла Б400 км/час и 30 сек.
Посредством ручной остановки самопишущего устройства периодически прерывались записи с целью слива или подачи воды или воздуха,В неустойчивой области течения и вблизи ее было произведено пятикратное повторение измерения,что в результате статистической обработки позволило получить' надежные дачные по перепаду и пульсациям давления.
При обработке записей бил выбран способ ручкой обработки,основанный на теории случайных велкчкн.Выбор такого способа обработки сделан ввиду его малой трудоемкости,тан как в этом случае рассматривают обычно только пики,«вбегая деление записи на промежутка по времени,количество которых долю быть большим,Обработка проводилась по пиковым вивченням записи внутри какого рабоиего цикла. После измерения пиковых значений циклов,основная, задача обработки заключалась в определении числовых характеристик случайной функции перепада давления (математического свидания М*.дисперсии рх.стандартного отклонения 6Л),которые выражаются следующим образов:
- Q -
Mx -ЕХіида.Рк ',' (1)
k-l
«
Dk - SCXrcp - Mx)2Plc (2)
K-l
6X - ]/ Dx (3)
Xk-i- Х'Л
Xkcp (4)
2 '
' Пк и
Pk . SE Pk - Ї -(5)
n M
пк - число значение X; попадахщкх' в к- fr рагртд
Xr.Xn - граяииы разрядов: .
для первого разряда Хо - Xmm. Xj-Xo+d!
для второго разряда Хг - Xj+ d
для к- ого разряда. Xk-l" Xo+(k-l)d, Ike Ук-г* d
для N-oro разряда X» - Хавх-Хн-1+d
Хтах- Xtnin
№ Полученные значеній- числовых характеристик М* и б>^в диапазоне расходов газа и жидкости с учетом коэффициента -тарирования представляли экспериментальые данные по исследовании динамики газояидкостного ьзаидадействия- в канале аппарата. В результате обработки этих данных на ПЭВМ-, методом наименьших квадратов,Оыли получены впервые следующие эмпирические формулы:
4ДР - 7,542.10"5Qg3-0.0197Qs2+1,33670^28,9356 (6).
при 0ь - 0,217 сл/сек
' 10 'ДР -7,794.40^^.^-0,01110^+1,46875^+10^:64 (7).
при Qu - 0,308 СЛ/сек.
ДР - М.537.1О~^э-О,Ш14в!^+г,г5160сгИО.0431(6).
при Ql - 0??5 сл/сек -
ДР - 7,045.10"^k3-0,019Q4QG2+l,3Q32Cb*32,OS (3),
при Ql ~ 0,417 са/сек
. ДР - 0,764.10~5«&3-0.022620е2+2.0714Єй;*10,Є42 (10).
' щт Qt - 0,467 сл/сек,
ДР ' «- 10,772. 10*5Qg3'0.02978Qg2+2.2299^24,33 (11).
при Ql, - С„634 сл/сек
ДР - 12368.10"^;3--0,C3545Qs2+2,95110^4.236 (18).
при Ql. - 0,975 ад/сек
. ДР - 6»2.10~5QG3-0,01765Ck;2+i,G47QG+33,?765 (13).
ири Qi. -1,2 СЛ/С8К
Из полученных графических представлений экспериментальных данных и соотвотстеутшх ш выше указанных эмпирических формул следует,что средний поропзд давления имеет трехстепенной подиномкнашшй характер еависикости " от расхода газа к'характеризуется даут экстремумами (максимумом и минимумом),значения которих меняются с изменением расхода лидкости.
На Оазе анализа результатов проведенных экспериментов впервые уиадось представить закон динамики гаеохидкостного взаимодейстпия в трубе в зиде обобщенной вависииссти состоящей иа трех сил(см."научная
ноЕиэна") а связываний средний иергпад давления с рагходкми гэзэ. и квдкости. Укааашая обоовенная формула сикскваэт процесс в целом и представляется в сведущем виде:
ЛР -&Рс<-ЛРса.+ДРи (14)
где &pG - A Qc2 (113)
N М
&Ъь- E(-i)HJ A|, Qg^-1 (16)
. s
ЛРи - E(-i)k+1E?iA.k (IV)
Индексы i.j.k - цзгие числа.
A.Aij ,Br .N.M.S- параметры.зависящие от ргщ фактороз, влиявши на изучаемый процесс.В данной работе N.M.S равнялись соответственно 3,4,7 а при этом уравнения (16)-(17) приобрели вад
ДРа-7,33.10-42 (Ш)
ДРь - 478341.г<ьЛі753діОив+2523360и^аС57йОіЛ
+ 62462.2^-14038,20^+1270,^, (їй)
uPq.- -1.64.1О~30сэ0,Лз,ЬЭ. 1O"3Q33Qi.3+O.6Qg20|j.'1-
+ 2.72.10-^^-0,004.3 -17.11.^
+ 7.94.10"4Qu3Cl.+0,13Q:-.2tJL?4 37,7GQaQL3-
+ 0, i70G2Qu-28.64QrA--1-11.07. (20)
Иа формул .(18)-(20) устаюзхкмались виач«иия ко-лЭДивде.чтоа А,
Аи.Вк V! ПОДучеННЫе ГО 8T1W фОрМУДЗН раГЛ&ТЫ ХОРОШО СОЗГіВД05ПТ с результатами эксперимента.
В этой ;ш главе проведено ісслсдолание пульсаций даплеаич в широ-ко« диапазоне расходов газа и ивдіюстм и внзедена матем.іткчеоїш»; фор-
мула,позволяющая установить свяои меаду сродним перепадом давления и
пульсациями. Данная математическая формула представлена в екдє -
Y - (ХехрЦ-Х))0-9144 ' (81)'
X - Qs /Qa«uc . Y -{ДР.- №с У {LP - flPC)«x
и тагаке хсроио согласуется с экспериментом. i
Глава_3.посдещена обзору лате-рзтурьих источников по массопередаче
при двухфазном пленочном течении. Иаложзны некоторые примеры техноло
гических процессов и режимов образования к подавления экологически и
технологически нежелательных неоднородных смесей таких, как аэро
золь, дш и тумак і! их гипотетические объяснения. .
Указано,что для научного объяснения и оценки этих эффектов необходимо обратиться к теоретическим работай по диффузии в пленке жидкости. Рассмотрены к проанализированы яакнейсше теоретические раОоты по иассопередаче- при ламинарной двухфазном пленочном течении газа J! ХОДКОСТИ.
Подчеркнуто, что* солее точные решения уравнения диффузии при лами
нарном устаковиваемся двухфазном течении дал ляаь Гадкуялин,которому
удалось получить уравнения профиля концентрации распределяемого кошю-
нента я виде ряда Фуръе-Еесселя при линейной к параболической скорости
лздкой пленки. Указано,что рекеяия других и лаже Галиуллина имеют не
достатки, связанные с тем, что сни получены лри частных случаях парабс-
лического профиля скоростей жидкой пленки,характерны* для ламинарного
пленочного течения,. поэтоыу эти решения имеют ограниченную- область
применимости. .''-'", , -.
В четвертой главе предложен приближенный метод репения двухмерного стационарного уразнения, диффузии при ламинарном двухфазном течении, с помощью которого била составлена математическая формула,установ- \ лнваюцая закон распределения копцонтрацик распределяемого коьгаонеята на выходе из аппарата.Подход к разработке данного метода исходил иа анализа полученных Галиуллиным решений. В результате этого был сделан вывод о том,что вблизи стенки аппарата не только первая производная безразмерной концентрации С по безразмерной коордияате п равна ну-
* - 13 -
лю(услогшэ но проницаемости оїєкки) iro таи^э ранни nyjro вторая И ТрОТЬЯ ироизводкне. Послоднео обстоятельство означает, что профиль концентра-ции"спрашяа?ся" вблизи стенки и ииее? вил ветви параболи вдали о? стенки.Такоз изменение концентрации по тоядае пленки,когда сяа резко меняется еблигк межфазшй поверхности и остается практически неизменной а глубин о слоя .прилегащего к стенке, позволив исг.'ольаобатъ идеи и метода пограничного слоя для аппроксимации иеттгаго профиля концентрации фиктивным,состоящий кз двух участков:
і) с - с«. о< у < уо <гг)
(У -У0>2
2) С - {Сп-Са} +Си. УО < У < h (23)
(h - уо)2
где Уо « f(x). м С - Сл при у -h (24)
Диффузия в жидкой фаза при ламинарной стационарном течении описывается уравнением двухмерной конвективной диіФуаии , которое ВНраяаеГСЯ сдедуодиы образом:
сХ) йгС
U 3 (25)
dx dys
гд» u(y) - y2(pg . ч»)/ги + у (tn-(№- fl)h )/м-
(23) /L -
Задача взішочаяась в том .чтоби определить,как меняется Уо с ив-менением х.
При следующих новых переменно:
Уі .- h - УО. У2~ h - У , (27)
профили концентрация и скорости жидкой пленки примял» РИД
С - (Сп- Си) О- У2 /Уі)2* Ои (28)'
и - ауг2* »У2<- ї
(Ь'9)
« - ( PS -^)/2(1
5 - -205П
у - «
6 - tn /(pg - Имея (28) и (28),проинтегрировал» (25) в интервале от нуля до у і; уі dC dc iva j u dyz _ ft 1 (30) 0 dx СУ2 |o После некоторые математических преобразований, уравнение (30) приобрело ввд (ЗауіЧ оВУі2+10туі)ауі- 605dx (Зі) Уравнение (Зі) представляє? собой дифференциальное уравнение первого порядка с разделяете; переменными. Интегрируя его,при граничных условиях х -о, уo-G(константа интегрирования к -0) окончательно получили следумцео соотяспэаие: . . х - (а(«гУо)*/2СЖ1(п-Уо)3/в**{п-Уо)2/3 )/45 (32) Область пріаеиамосги! assajiQ-'решения ограничена условием уо-0. Используя это условие', из (32) подучим* верхнее значение X - xs. хв - (ahV20+3hr3/S*T»r/3)/45 (33) Дм приведенного численного прииеоа( хв «-0.9245т) Профиль концентрация, опксываемьй уразнекнями (32) и (2В) сопоставим с профилями, данными Гаяну аипшм.