Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние струйных газожидкостных аппаратов для проведения массообменных процессов 10
1.1 Анализ оборудования для струйного аэрирования жидкости 10
1.1.1 Классификация струйных аппаратов 10
1.1.2 Эжекционные струйные аппараты 12
1.1.3 Инжекционные струйные аппараты 15
1.1.4 Струйные аппараты с компрессионным вводом газа 24
1.2 Методы математического описания процесса струйной аэрации жидкости 26
1.2.1 Анализ литературных данных по инжектирующей способности струи 26
1.2.2 Анализ литературных данных основных гидродинамических характеристик газожидкостной зоны 33
1.2.3 Анализ литературных данных массообменных характеристик 45
1.3 Влияние формы насадка на эффективность аэрации жидкости 50
1.4 Выводы 51
1.5 Постановка задач исследования 52
Глава 2. Моделирование размеров активно аэрируемой области в струйных аппаратах 54
2. 1 Новые конструкции струйных аппаратов 54
2.2 Теоретическое решение задачи 56
2.3 Распределение скоростей в турбулентной затопленной струе .. 58
2.4 Уравнение движения газового пузыря 63
2.5 Численное решение уравнений движения газового пузыря 68
2.6 Выводы 72
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса струйной аэрации жидкости в новом аппарате 73
3.1 Гидродинамические характеристики газожидкостной области в аэрируемом объеме 73
3.1.1 Формулировка задачи экспериментального исследования 73
3.1.2 Описание экспериментальной установки 73
3.1.3 Методика проведения эксперимента 74
3.1.4 Размеры активно аэрируемой области 76
3.1.5 Газосодержание в активно аэрируемой области 91
3.1.6 Средний диаметр газовых пузырей 95
3.1.7 Удельная межфазная поверхность контакта фаз 97
3.2 Массоперенос при струйном аэрировании 98
3.2.1 Формулировка задачи экспериментального исследования 98
3.2.2 Описание установки и методика проведения эксперимента 99
3.2.3 Влияние конфигурации насадка на интенсивность мас-сопереноса 100
3.3 Обобщение результатов исследований 103
3.4 Выводы 106
Глава 4. Методика расчета струйного аппарата 108
4.1 Блок - схема методики расчета струйного аэротенка 111
4.2 Пример расчет аэротенка со струйной аэрацией 112
4.3 Интенсификация процесса смешения газожидкостных сред при струйном аэрировании жидкости 118
4.4 Выводы 120
Общие выводы и результаты работы 121
Список использованных источников 123
Приложение 136
- Методы математического описания процесса струйной аэрации жидкости
- Распределение скоростей в турбулентной затопленной струе
- Формулировка задачи экспериментального исследования
- Интенсификация процесса смешения газожидкостных сред при струйном аэрировании жидкости
Введение к работе
В химической, нефтехимической, микробиологической и других отраслях промышленности широко распространены массообменные аппараты для проведения процессов смешения, абсорбции, газожидкостных химических реакций.
Дальнейшее развитие технологий обработки жидкостей газами неразрывно связано с разработкой новых газожидкостных аппаратов, превосходящих существующие по эффективности и надежности в эксплуатации [1]. Обострение экологических проблем поставило ряд задач совершенствования аппаратурного оформления для процессов аэрации сточных вод [2, 3, 4].
На сегодняшний день научно-исследовательские и конструкторские работы, целью которых является создание эффективного оборудования для проведения процессов обработки жидкостей газами, ориентируются на уже известные аппараты основного производства. Однако использование традиционных способов обработки связано с рядом трудностей.
Так, например, аппараты с пневматическим перемешиванием требуют дорогостоящих, трудоемких в обслуживании компрессорных станций [5, 6]. А вследствие частого забивания распределительных отверстий колониями микроорганизмов требует проведения их периодической регенерации при полной остановки сооружений [7, 8].
При работе аппаратов с механическим перемешиванием требуется решить вопросы герметизации оборудования, обусловленные повышенной влажностью окружающего воздуха. Такие аппараты содержат внутренние подвижные устройства и сложный привод, что существенно понижает их эксплуатационную надежность и ремонтопригодность [3, 7].
Аппараты с комбинированным (пневмомеханическим) перемешиванием по эффективности растворения кислорода воздуха занимают промежуточное положение и имеют высокую степень перемешивания, но сложность конструкции сильно понижает их достоинства, так как комбинированные системы одновременно объединяют недостатки пневматических и механических аппаратов [9].
Поиск путей повышения технических характеристик газожидкостной аппаратуры привел к разработке статических устройств для инжектирования и диспергирования газа струями жидкости, создаваемые выносным насосом [1]. Аппараты с диспергированием газа струями жидкости находят в последнее время все более широкое применение благодаря ряду преимуществ: высокая скорость растворения газа в жидкости, потребление меньшего количества энергии, простота конструкции.
Аппараты со струйным перемешиванием используются для проведения эффективного тепло - и массопереноса в различных отраслях промышленности [10, 11, 12]. Так, например, они получили распространение в сооружениях биологической очистки сточных вод (аэротеиках, окислительных каналах, прудах, и др.) [13, 14, 15, 16, 17]. Такие аппараты нашли широкое применение в пищевой промышленности для проведения процессов сатурации воды в приготовлении газированных напитков [18, 19, 20, 21]. Также аппараты со струйным перемешиванием используются в микробиологической, пищевой и медицинской промышленности в виде ферментаторов, предназначенных для аэробного выращивания биомассы и получения ее метаболитов [22, 23].
Сдерживающим фактором в более широком использовании аппаратов струйного типа является несовершенство конструкций и отсутствие научно обоснованной методики расчета основных гидродинамических и массооб-менных характеристик. В связи с этим возникает необходимость теоретических и экспериментальных исследований процессов аэрации в этих аппаратах.
Целью настоящей работы является разработка новых конструкций струйных аппаратов и создание методики расчета на основе теоретических и экспериментальных исследований подобных систем.
Научную новизну работы составляют:
- математическая модель размеров активно аэрируемой области;
- результаты экспериментальных исследований основных гидродинамических и массообменных характеристик;
- уравнения для расчета газосодержания в активно аэрируемой области, диаметра газовых пузырей, диаметра струи, поверхностного коэффициента массопереноса;
- инженерный метод расчета промышленного аппарата со струйной системой аэрации.
На защиту выносятся следующие положения работы:
- математическая модель размеров активно аэрируемой области;
- результаты экспериментальных исследований основных гидродинамических и массообменных характеристик;
- уравнения для расчета газосодержания в активно аэрируемой области, диаметра газовых пузырей, диаметра струи, поверхностного коэффициента массопереноса;
- инженерный метод расчета промышленного аппарата со струйной системой аэрации.
Методы математического описания процесса струйной аэрации жидкости
Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день отсутствует какое-либо строгое теоретическое описание механизма явлений, происходящих при движении турбулентных струй жидкости в газовой среде. Тем не менее, рядом авторов [49, 50, 51, 52, 53, 54, 55] отмечалось, что именно размеры "шероховатостей" на поверхности струи оказывают существенное влияние на расход инжектируемого газа Vr.
Образование "шероховатостей" и разрывов на поверхности падающей струи авторы [32] объясняют следующим образом. При течении в насадке струя жидкости приобретает определенный профиль скорости, скорость жидкости на стенке насадка равна нулю. После того, как струя выходит из насадка, происходит перестройка профиля скорости ввиду отсутствия ограничивающей стенки. По мере удаления струи от насадка скорость жидкости в ядре струи не претерпевает существенных изменений в отличие от кольцевого слоя, где происходит существенное изменение профиля скорости. Вследствие этого нарушается сплошность течения с образованием разрывов на поверхности струи, которая утрачивает цилиндрическую форму. Отсюда следует, что образование "шероховатостей" происходит в результате разрывов струи при уменьшении площади поперечного сечения ее наружного слоя.
Инжектирующая способность струи является важным гидродинамическим фактором, определяющим эффективность конструкции струйного аппарата, так как она характеризует количество газа, вносимого в реакционный объем, и, следовательно, газосодержание и поверхность контакта фаз газ-жидкость в нем. Здесь следует отметить следующее. На некоторой длине LKp величина Vr достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться [32, 49]. Такую закономерность можно объяснить тем, что на этой .длине наступает частичный распад струи на капли, которые, падая на поверхность аэрируемого объема, вовлекают в него меньшее количество газа, чем сплошная струя.
Известные теоретические исследования распада свободной струи в газовой среде основываются на модели Релея [56, 57], по которой распад струи объясняется наличием колебаний на поверхности струи и их развитием во времени. В этом случае принимается, что профиль скорости в струе, как правило, равномерный и постоянный по длине.
Тем не менее, исследования авторов [58] показали, что процесс распада струи связан с изменением профиля скорости. Авторы [59] считают, что распределение скорости в струе в основном определяется первоначальным ее расположением, то есть профилем скорости в струе, вытекающей из насадка, и определяется условием течения жидкости в самом насадке ("шероховатостью" стенок, длиной канала, режимом течения и др.).
По мнению авторов [60], при движении жидкости в цилиндрическом канале с твердыми стенками, в пристеночной области будет формироваться пограничный слой, который и определяет профиль скорости жидкости на выходе из отверстия.
Распределение скоростей в турбулентной затопленной струе
Как уже отмечалось в главе 1, в аппаратах со струйным аэрированием жидкости можно выделить так называемую активно аэрируемую зону, содержащую газовые пузыри, и окружающую ее гомогенную зону. Вопрос о размерах и структуре газожидкостного факела изучался в основном экспериментально [49, 61, 72, 101]. Это связано с тем, что теоретическое описание проблемы осложнено турбулентным характером движения газовой и жидкостной фаз внутри факела. Анализ литературных источников показал, что описание такого процесса с помощью единой газожидкостной среды приводит к потере части информации важной при струйном аэрировании. В частности, после того как найдена плотность нисходящей струи и распределение скоростей в такой среде, невозможно определить какое распределение скоростей имеет газовая и жидкостная фазы по отдельности. Кроме того, наши предварительные эксперименты показали явную зависимость размеров газожидкостного факела - конуса от (при одинаковом расходе жидкости): 1. Геометрических параметров насадка; 2. Длины струи, распространяемой в газовой среде.
Эти проблемы показывают необходимость более детального описания поведения газовой фазы в слое жидкости.
За основу теоретического решения задачи можно принять решение уравнения движения с использованием задачи о распределении скоростей в затопленной турбулентной осесимметричной струе.
Примем ряд упрощающих допущений: 1. Газовая фаза оказывает малое влияние на распределение скоростей в жидкой фазе. Такое допущение можно считать справедливым, так как доля газовой фазы в жидкости, внутри факела, является невысокой (30 - 40% [32, 79]), это подтвердили наши эксперименты. Тогда, распределение скоростей в жидкости можно считать заданным и совпадающим с распределением скоростей в затопленной турбулентной струе. Наличие газовой фазы будет учиты ваться с помощью параметра концентрации пузырей, имеющих распределение по размерам. 2. Газовые пузыри имеют некоторый устойчивый диаметр. Такое допущение справедливо в результате действия процессов сливания и распада отдельных, пузырей. Суммарный эффект этих процессов с учетом начального образования пузырей определяет их средний диаметр [1]. Согласно [72, 84], в момент входа струи в жидкость образуются очень маленькие пузыри с размерами от 20 до 100 микрон. Но именно на входе происходит быстрый рост пузырей, и основную часть времени при движении а жидкости они имеют диаметр около 3 мм. Как показали наши измерения, проведенные на системе "вода-воздух" в пределах изменяемых скоростей, этот диаметр очень слабо зависит от скорости струи.
Таким образом, задача сводится к рассмотрению движения усредненного по размеру пузыря в заданном потоке жидкости. На этот пузырек действует конвективная сила FK.0HB со стороны потока жидкости, выталкивающая сила Fapx и сила сопротивления Fconp, пропорциональная относительной скорости пузыря (по отношению к скорости жидкости) в данном месте пространства (рисунок 2.2). Под действием этих сил движение пузыря может быть однозначно описано соответствующими уравнениями движения, если заданы начальные условия известные нам лишь частично. Дело в том, что распределение скоростей в жидкости (затопленная струя) известно только на некотором, пусть небольшом, расстоянии от поверхности жидкости. Вход же турбулентной струи из газа в жидкость является нерешенной задачей, поэтому нам неизвестна точная скорость на поверхности жидкости, а значит неизвестной является начальная скорость пузыря. Ясно лишь, что по порядку величины она должна совпадать со скоростью вычисленной по расходу. Недостающую информацию необходимо извлекать из экспериментальных данных. Как будет показано ниже, для каждого насадка необходимо знать четыре параметра (Ьь Ь2 и сь с2), с помощью которых можно достаточно точно описать весь набор экспериментального материала.
Перейдем теперь к более детальному описанию движения пузыря газа в заданном потоке жидкости. Анализ литературных источников [104. 105, 106, 107, 108. 109, ПО] показывает, что задача о затопленной турбулентной струе рассмотрена достаточно подробно. Постановка задачи об осесимметричной затопленной струе заключается в следующем. Конец тонкой трубки, из которой бьет струя жидкости, помещен в безграничное пространство заполненное той же жидкостью. Заданным считается не расход жидкости, вытекающей из трубки, а полный импульс струи Jo вдоль ее оси в единицу времени [104]. Строго говоря, предполагается, что трубка бесконечно тонкого отверстия. Причина заключается в том, что поставленная таким образом задача не содержит параметров с размерностью длины (автомодельность) и сводится в результате к обыкновенным дифференциальным уравнениям. Позже мы обсудим связь между импульсом вдоль оси струи и расходом жидкости. Требуется определить распределение осредненных скоростей во всем пространстве.
Формулировка задачи экспериментального исследования
Формулировка задачи экспериментального исследования Для подтверждения сказанного в пункте 3.1.7 предположения в настоящем разделе проводятся сравнительные исследования процесса массопе-реноса в струйном аппарате с использованием насадков типа 1 и 2а. Для этого необходимо решение следующих задач: 1. Создание экспериментальной установки. 2. Разработка методики экспериментальных исследований. 3. Проведение экспериментальных исследований процесса массопере-носа в струйном аппарате. 4. Оценка сходимости теоретических и экспериментальных результатов. 3.2.2 Описание установки и методика проведения эксперимента При изучении массообмена в газожидкостных аппаратах исследователи часто прибегают к моделированию процесса переноса кислорода из газовой фазы в жидкую, при этом используется метод каталитического окисления водного раствора сульфита натрия (Na?SO:,) кислородом воздуха [7, 121]. По скорости изменения концентрации сульфита можно судить о скорости массопередачи кислорода от границы раздела фаз в жидкость. Достоинством такой модельной системы является возможность точного аналитического контроля скорости протекания реакции. Эксперименты проводились на установке, схема которой показана на рисунке 3.1. По известному объему воды в емкости 1, находилось необходимое количество сульфита натрия из расчета его концентрации в растворе 12,5 г/л [32].
После заполнения рабочей емкости 1 раствором и его перемешивания, запускали насос 2, устанавливая при этом нужный расход жидкости в насадке, и начинали отсчет времени окисления. Через определенные промежутки времени через патрубок 11, снабженным краном 12, отбирали пробы (5 мл), которые затем переносили в колбы, куда предварительно наливали 10 - 15 мл. 0,1 N раствора йода. Далее через некоторое время избыток йода не вступивший в реакцию оттитровывался 0,02N раствором тиосульфита натрия. Индикатором при титровании являлся раствор крахмала. Расчет концентрации сульфита натрия проводился по формуле [32]: a - объем 0,IN раствора йода, залитого в колбу; Ь- объем 0,02N раствора тиосульфита, пошедшего на титрование.
Объемный коэффициент массопередачи определялся по следующей зависимости [32]: где хь х2 - концентрации КагБОз в растворе в начале и конце опыта соответственно; т - время опыта; АС - движущая сила процесса массопереноса кислорода из газа в жидкость (ДС=0,0088 кг02/м3 [32]). Результаты эксперимента по описанной выше методике представлены в виде графических зависимостей (рисунок 3.19) объемного коэффициента массопереноса Р от расхода жидкости в насадке GH. Анализ графических зависимостей, представленных на рисунке 3.19 показывает, что наиболее высокие значения р\ наблюдаются в аппарате с насадком типа 2а. Используя линейную зависимость для аппроксимации данных по методу наименьших квадратов линию 1 (насадок типа 2а рисунок 3.19) можно описать выражением вида: р, = 0,0401-GH-0,0055. (3.30) Уравнение (3.30) получено на ЗВІМ с помощью программы Excel. Максимальное расхождение расчетных данных }% от экспериментальных не превышает 5 %. Как отмечалось в пункте 1.2.3 представление экспериментальных данных в виде ра допустимо лишь при ориентировочной оценке интенсивности процесса массопереноса, но не может быть применимо для теоретического анализа процесса аэрации в струйных аппаратах [96]. Такой анализ возможен только в случае, если известны значения истинного поверхностного коэффициента массопереноса 3t, связанного с объемным следующим выражением [32]
Интенсификация процесса смешения газожидкостных сред при струйном аэрировании жидкости
Интенсифицировать процесс смешения позволяет дополнительно установленное в реакционном объеме по оси падения струи перемешивающее устройство (рисунок 4.3), вращение которого передается за счет энергии падающей струи. Перемешивающее устройство состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец, внутренних наклонных лопаток 3, наружных радиально расположенных лопаток 4 (Патент РФ № 2140883 [124]).
С целью экспериментальной проверки преимуществ аэрации струями жидкости с дополнительным перемешивающим устройством была разработана экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 4.4. С целью изменения глубины погружения перемешивающего устройства hny шток 11 имеет резьбу и может перемещаться с помощью передачи винт - гайка. Гайка устанавливается на некотором расстоянии от сальникового уплотнения 13 и удерживается шпильками 14. Жидкость из емкости 1 насосом Рисунок 4.4 - Схема экспериментальной установки 2 по циркуляционному трубопроводу 3 подается к насадку 4. Под действием энергии струи перемешивающее устройство, находящееся в центре газожидкостного факела - конуса, начинает вращаться, что приводит к механическому перемешиванию дисперсии. Результаты экспериментальных исследований, представленные на рисунках 4.5 и 4.6, показали, что наличие перемешивающего устройства в реакционном объеме аппарата позволяет увеличить среднеобъемное газосодержание, размеры активно аэрируемой области [125]. Экспериментальные исследования, проведенные на системе вода - воздух при расходах жидкости через насадок от 0,68 до 1,36 кг/с (насадок типа 1), позволили hn.y=2,28dn.y., (4.27) где dn.y. - диаметр перемешивающего устройства 2. Угол наклона внутренних лопаток а=45. Установка подобного типа позволит интенсифицировать процесс насыщения жидкости газом в струйном аппарате и при использовании в промышленности турбулизовать придонные слои активного ила в процессе биологической очистки сточных вод. 1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета нового струйного аппарата применительно к процессу биологической очистки сточных вод. 2. С целью интенсификации процесса смешения газожидкостных сред при струйном аэрировании жидкости предложена конструкция перемешивающего устройства. Экспериментально определены оптимальные параметры перемешивающего устройства. Результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность эффективного использования таких устройств для проведения массообменных процессов. 1.
Проведен обзор существующих конструкций струйных аппаратов. Проанализированы методы расчета основных гидродинамических и мас-сообменных характеристик газожидкостной зоны. Обоснована актуальность создания математической модели размеров активно аэрируемой области. 2. Разработано математическое описание движения газового пузыря в реакционном объеме, позволяющее решить задачу по определению размеров активно аэрируемой области. 3. Экспериментальными исследованиями процесса аэрации в струйном аппарате подтверждена правомерность использования предложенной математической модели определяющая размеры активно аэрируемой области в струйном аппарате новой конструкции. 4. Исследованы геометрические и режимные параметры работы струйного аппарата, на основании которых определены основные гидро динамические характеристики активно аэрируемой области. 5. На основе теоретических и экспериментальных исследований раз работана инженерная методика расчета нового струйного аэротенка, по зволяющая определить конструктивные, гидродинамические и энергоси ловые характеристики аппарата. 6. С целью интенсификации процесса смешения газожидкостных сред при струйном аэрировании жидкости разработано перемешивающее устройство. Определены геометрические параметры перемешивающего устройства.
