Введение к работе
Актуальность темы. Трехфазные потоки (газ-жидкость-твердые частицы) широко используются в энергетике, в трубопроводном транспорте угольных суспензий и газоконденсата в химических и биологических реакторах. Механизм процессов переноса на межфазных границах таких систем достаточно сложен, а множественность существенных факторов (в частности, многообразие конфигураций поверхностей раздела) не позволяет даже для двухфазных систем предложить какую-то единую модель.
При снарядном режиме, который вынужденно возникает не только в основной части технологических аппаратов, но и в разного рода вспомогательных устройствах (в опускных и дренажных трубах и т.п.). происходит определенное упорядочение течения. Тем самым изучение гидродинамики и массообмена в снарядном режиме оказывается важным не только для технических приложений, но и позволяет исследовать наиболее общие свойства процессов, протекающих на межфазных границах, т.к. в этом случае можно отвлечься от ряда второстепенных, а порой - и случайных факторов.
І Іель работы. Экспериментальное изучение гидродинамики и массообмена при снарядном режиме течения трехфазных (газ-жидкость-твердые частицы) сред. Применение отрывном модели обтекания газовых пузырей в приближениях теории невязкой жидкости и одномерной модели массообмена к двухфазному течению. Оценка возможности ее использования для объяснения механизма воздействия твердых частиц на процессы переноса. Получение обобщенных зависимостей для безразмерной скорости всплытия газового пузыря и интенсивности массоотдачи на межфазной границе с учетом влияния твердой фазы.
Методика экспериментального исследования. Длина и скорость всплытия снарядного пузыря определялись с помощью оптического метода. Индикация; запись и обработка измерений осуществлялись с помощью персонального компьютера, связанного с измерительным прибором, который аналогичен по функциям многоканальному запоминающему осциллографу.
Научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные по гидродинамике и межфазному массообмепу при снарядном режиме течения в трубах сравнительно малою диаметра ігри встречном движении твердых частиц различных размеров. Обнаружен существенный рост скорости движения всплывающих газовых пузырей и интенсивности массообмена на границе газ-жидкость с увеличением расхода твердой фазы. На основе полученных теоретических и численных решений объяснен механизм отрыва, а также характер влияния поверхностного натяжения и вязкости на скорость движения и конфигурацию крупных газовых пузырей, всплывающих в неограниченном обьеме жидкости и в трубах.
Показано, что эти опенки справедливы и для трехфазных сред, что позволяет некоторые из них использовать при анализе воздействия твердых частиц на характеристики процессов переноса. Предложена модифицированная модель эквивалентной плотности, которая удовлетворительно согласуется с опытными данными по скорости всплытия снаряда в трехфазной среде и позволяет оценить вклад эффектов увеличения скорости пузыря и возмущения диффузионного подслоя в интенсификацию массообмена.
На защиту выносятся:
методика и результаты экспериментального исследования гидродинамики и маесообмена при снарядном режиме течения в трубах трехфазных сред;
результаты теоретических и численных решений, отвечающих отрывной модели обтекания всплывающих пузырей и одномерной модели межфазного маесообмена в двухфазных средах, с их последующим использованием для оценки влияния твердой фазы на интенсивность процессов переноса;
модифицированная модель эквивалентной плотности;
обобщенные зависимости для безразмерной скорости и интенсивности масео-отдачи при снарядном режиме течения и присутствии твердых частиц.
Идея использования «закона Гонора» принадлежит соавторам статей [10, 11]. Этот закон может быть применен к значительно более широкому классу задач, чем это сделано автором настоящей работы, который ограничился рассмотрением движения крупных газовых пузырей в маловязких жидкостях. Тем самым эта идея не защищается, как результат диссертации.
Практическая ценность. Получен значительный объем экспериментальных данных, позволяющих создать реальную физическую картину межфазного маесообмена при обтекании снарядных пузырей. Предложенные критериальные зависимости для безразмерных коэффициентов переноса могут быть использованы для расчета технологических аппаратов, в которых происходит диффузия слаборастворимых газов из снарядных пузырей в присутствии частиц катализатора. Обобщенная зависимое іь для безразмерной скорости всплытия пузырей применима также для оценки работоспособности вспомогательных устройств (например, дренажных труб).
Достоверность экспериментальных результатов и расчетных зависимостей подтверждается их удовлетворительным соответствием известным данным по двухфазным потокам.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на 47 научно-технической конференции МГЛХМ (Москва. 1997); Международной конференции «Математические методы химии и химической технологии» (Новомосковск. 1997); Научно-технической конференции МГОУ (Москва. 1998); 3 Международной конференции но многофазному потоку (Лион. Франция. 1998): 12 Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Вел. Новгород, 1999); XII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руконодст вом академика А.И. Леонтьева (Москва, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ.
Объем работы. Работа состоит из четырех глав, включающих двенадцать разделов, заключения, списка литературы и приложений, содержит 39 рисунков; библиография - 91 наименование. Общий объем диссертации - 132 страницы.