CC BY
14
УДК 66.015.23
ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ГАЗО-ЖИДКОСТНОГО СЛОЯ НА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ СТЕПЕНИ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ РАСТИТЕЛЬНОГО
СЫРЬЯ
А. В. Кустов, Ю. Д. Алашкевич, А. И. Ларионова, И. С. Федорченко, С. Н. Мартыновская
ФБГОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: [email protected]
Анализ путей интенсификации масоопередачи в системе газ-жидкость показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барботажных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности. Поэтому, применение центробежного ускорения является наиболее простым способом интенсификации массообмена. Вращение потока способствует дроблению пузырьков газа на контактной ступени, главным образом, за счет действия силы инерции.
В статье рассматривается вопрос определение угловой скорости вращающегося газо-жидкостного слоя на вихревой контактной ступени при ректификации этанола, полученного на основе гидролизата растительного сырья.
Этанол, получаемый на основе гидролизата растительной массы, как нельзя лучше подходит для организации технологии получения топлив из возобновляемых источников сырья. Использование спиртов в составе бензинов, помимо чисто технических задач, связанных с получением композиций, имеющих соответствующие октановые числа, позволяет существенно улучшить и экологические показатели топлива за счет уменьшения содержания бензола и ароматических углеводородов, что приводит к снижению содержания токсичных веществ в продуктах сгорания. Установлено, что добавление абсолютного этилового спирта к бензину повышает антидетонационные свойства моторного топлива, что позволяет применять более высокие степени его сжатия. Кроме того, реализуется более полное сгорание спиртовых топлив, что не только повышает к. п. д., но и ослабляет такие вредные явления, как разжижение смазки и образование нагаров, и этим самым значительно удлиняет срок работы мотора.
Ключевые слова: этанол, ректификация, гидролизпт, растительное сырье, контактная ступень, массообмен, угловая скорость
Analysis of ways intensification of mass transfer in the gas-liquid shows that the use of these processes for the structures of bubbling devices did not significantly improve performance and efficiency. Therefore, the use of centrifugal acceleration is the easiest way to intensify the mass transfer. Rotating flow promotes fragmentation of gas bubbles on contact step mainly due to the force of inertia.
The article discusses the determination of the angular velocity of the rotating gas-liquid layer on the vortex at the contact stage distillation of ethanol, obtained on the basis of the hydrolyzate of vegetable raw materials.
Ethanol is produced on the basis of the hydrolyzate of plant matter, it is perfectly suited for the organization of technology of fuels from renewable raw materials. The use of alcohols in gasoline composition, in addition to purely technical problems associated with producing a composition having corresponding octane numbers, and allows to improve the environmental performance of the fuel due to reduction of the benzene content and aromatics, which leads to a reduction of the content of toxic substances in the products of combustion. It was found that the addition of absolute ethanol to gasoline increases the anti-knock properties of motor fuel, which allows for a higher compression ratio. Further, more complete combustion is realized alcohol fuels, which not only increases a. N. D., But also weakens the harmful phenomena such as lubrication and liquefaction of the formation of sludge, and thereby greatly extend the motor life.
Keywords: ethanol, distillation, hydrolyzate, vegetable raw materials, the contact stage, mass transfer, the angular velocity
ВВЕДЕНИЕ поверхностно-активных веществ, разрушается при
прекращении подачи газа в доли секунды. Режим
Схема стенда (рисунок 1) для исследования гидр°- динамической ячеистой пены наступает тогда, когда
диншики включает в себя цилиндр, вышлненный го скорость газа в отверстиях превышает скорость сво-
оргстекла толщиной 1-2,5 мм, дашетр которого со- бодного всплытия пузыря, верхняя граница суще-
ставляет до 250 мм, завихритеш, 4 и система юздухо- ствования данного режима определяется условием: обеспечения 1.
ип
При взаимодействии газа (пара) с жидкостью на Кб =---<18
ступени с вихревыми контактными устройствами об- Л, . „V
разуется газожидкостная смесь (пена). Обычно раз- и , (1)
деляют несколько физических состояний пены (Со- где u0 - скорость газа по сечению колонны, м/с; колов, 1988): динамическая ячеистая и динамическая vx - кинематический коэффициент вязкости жид-
неячеистая. Динамическая ячеистая пена, образую- юсти, м2/с;
щаяся при введении газа в жидкость, не содержащую g - ускорение свободного падения, м/с2.
и = С (НЮ/7 (р (Н)/рг) а°!
Известна зависимость (Борисов, 2008) для расчета линейной скорости вращения газо-жидкостного слоя и , полученная на основе уравнения сохранения момента количества движения
ш = ■
¿(1 + В) + ^2(1 + в)2 + 4 В(С + Кех)
2 В(С + Ке1)
(3)
где
Я Я О,
Р Л вш а т В-—---
25
2лЯ
;с =
Ъц
1 - компрессор; 2 - вентиль; 3 - диафрагма;
4 - тангенциальный завихритель; 5 - гидрозатвор.
Рисунок 1 - Стенд для исследования гидродинамики
Режим динамической неячеистой пены, наступает при К6 > 18. При этом образуется подвижная газо-жид-костная смесь, состоящая из газовых пузырей неопределенной формы, несущих в себе капли жидкости.
Согласно (Стабников, 1979), классификация режимов на ступени барботажного типа следующая:
- барботажный режим - пузырьковый и струйный, в котором сквозь слой жидкости проходят пузырьки или струи газа;
- пенный режим (режим свободной турбулентности), в котором зона жидкости с барботирующим через нее газом исчезает, пена становится подвижной и сильно турбулизованной;
- инжекционной (брызговой) режим, в котором газовые факелы выходят на поверхность пены и разрушают ее, образуя поток брызг.
Можно считать, что это лишь первое приближение к описанию гидродинамических режимов на вихревых контактных ступенях.
Как установлено (Войнов, 2008), на вихревых контактных ступенях переход из барботажного режима в режим с вращающимся газо-жидкостным слоем для тангенциальных завихрителей осуществляется при скорости газа:
Аналогичное уравнение получено в работе (Тра-чук, 2009) для скорости вращения пенно-вихревого слоя в виде:
1 + 2-А-й^т
?-У г'-М, —-——+ 4
2 1
2-2
(4)
где J =
1 -¿2
У = (1 - 5)-И ■ - безраз-
3 + 2 ■ п ' 1 -ф
мерные коэффициенты;
X - удельный массовый расход жидкости;
Е = Я - безразмерный радиус ввода жидкости;
Я(
V = — - безразмерная скорость ввода жидкости
в многофазный слой;
V 1 - скорость ввода жидкости в слой, м/с;
s ■ h
z =- - геометрическая характеристика за-
sin а вихрителя;
5 - относительное проходное сечение завихрителя, м2;
Н
И = —0 - безразмерная высота аппарата; Яп
f =
- безразмерный параметр;
(2)
где С = 0,0038 - константа; ^ - площадь сечения контактной ступени, м2; Н - уровень газо-жидкостной смеси на ступени, м; Б - диаметр ступени, м; р и рг - плотности жидкости и газа, кг/м3; а - угол наклона каналов для прохода газа в за-вихрителе, град.
Уравнение применимо при радиусе завихрителя Я > 60 мм. Однако данная зависимость требует дальнейшей экспериментальной проверки.
- скорость газа на входе в каналы завихрителя, с-1:
Я - радиус ступени, м.
Анализ этих уравнений показывает сложную зависимость между скоростью вращения слоя и конструктивными параметрами ступени. Однако предложенные выше уравнения не пригодны для расчетов критической скорости газа, обеспечивающей начало вращения газо-жидкостной смеси на ступени.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ
В зависимости от нагрузки по газу наблюдается определенный режим течения газа и жидкости. Ви-
зуальное наблюдение за перемещением струй газа, выходящих из каналов, показывает их некоторое различие в траектории движения. Для тангенциальных контактных ступеней происходит движение газа от центра к периферии аппарата.
Для изученных контактных ступеней, при малых расходах газа наблюдается барботажный режим, характеризующийся перемещением одиночных пузырей в жидкости. При увеличении расхода наблюдает-
ся струйное течение газа.
При достижении определенной скорости газа в каналах (и^), наблюдается кольцевой режим, сопровождающийся вращением газо-жидкостного слоя. Для получения развитой межфазной поверхности при низкой скорости газа в каналах и невысоком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения (Овчинников, 2005; Войнов, 2010; Кустов, 2009).
Вид ступени сбоку
а
В = 114 мм Я = 44 мм.
с з
Режимы: а - пенный; б - кольцевой; в - пленочный. Рисунок 2 - Режимы газо-жидкостной смеси на ступени
Анализ возможных путей интенсификации масо-опередачи в системе газ-жидкость при переработке растительного сырья показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барбо-тажных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности.
Определение величины скорости вращения га-зо-жидкостного слоя необходимо, прежде всего, для расчета его основных параметров (таких как высота и толщина вращающего слоя) (Овчинников, 2005; Войнов, 2010; Кустов, 2009).
Исходя из теоремы об изменении кинетического момента, определим связь между угловой скоростью газо-жидкостного слоя на ступени и ее конструктивными параметрами (Яблонский, 1996):
<а
Момент, обеспечивающий вращение газо-жид-костного слоя на ступени с тангенциальным завихри-телем
.2
Мер = *г-Ж
Рг 'Ы~
8
(/ + /стР)-*э-соха
(6)
- вр
тр .
(5)
где J - момент инерции, Н-м; V - угловая скорость, с-1; t - время, с; М - момент, обеспечивающий вращение газожидкостного слоя, Н-м;
М - момент сил трения о стенки и дно ступени, Н-м. тР
где т - касательные напряжения между слоями вращающегося газо-жидкостного потока, Па; - площадь контакта газа с жидкостью, м2;
1а- а - коэффициент трения на межфазной поверхности;
u - скорость газа в канале завихрителя, м/с; f - площадь каналов завихрителя, м2;
- площадь струй газа, м2; а - угол наклона каналов завихрителя, град. Момент сил трения о стенки и дно ступени
Мтп =
тр
Я • о
о гг-я
8
•^(^-^т-л), (7)
где и-ж - скорость газо-жидкостной смеси, м/с; Хо - коэффициент трения смеси о стенки аппарата;
б
в
Rj - расстояние от завихрителя до стенки царги, м. Тогда, согласно (3) имеем
г dw _Яг_ж Рг и2
2 2 . (8) . cosa--о'Ргж^г-ж . л . (R2 _ . ^ _
8
При переходе из пенного режима в кольцевой иг = ик, уравнение (8) преобразуется к виду
Л р и2
г-жгг кр / г . г \____
8
À р ul
_ or г-ж »
8
w =
(/ + /Jcosa и
кр
Л рг-ж -Ri) к
0,5
ф> 200
50
о- 1;
□ - 2;
д- 3.
жидкостный слой представляли как твердое тело, то есть не учитывались касательные напряжения между вращающимися слоями пены
Значения угловой скорости газо-жидкостного слоя от объема жидкости на ступени представлены на рисунке 4.
10
(9)
♦ - 1; □ - 2.
Приняв, что скорость вращения газо-жидкостного слоя у стенки u = wR , поверхность контакта струй
J г-ж c i i J
газа, выходящих из каналов завихрителя, с жидкостью f = nld h, получим
30
40
50
60
R, мм
10)
где п - количество каналов;
¡а - ширина канала на выходе, равная дуге окружности, м; И - высота канала, м.
Характерные значения угла поворота метки, размещенной на поверхности газо-жидкостной смеси, на ступени от времени представлены на рисунке 3.
c 10 8 6 4 2 0
♦ - 1; □ - 2.
30
40
50 60 70 R
б
u = u ; R = 100 мм, R = 80 мм, 8. = 1 мм, l = 5 мм, n = 36 шт,
к c 7 з ' 0
объем жидкости на ступени V = 300 мл. Экспериментальные точки (1 - 3): 1 - Rs - 25 мм; 2 - 55; 3 - 70.
Рисунок 3 - Зависимость угла поворота метки от времени
Согласно полученным данным, наблюдается равномерное движение газо-жидкостного слоя на стенке. Вместе с тем, величина угловой скорости газо-жид-костных слоев уменьшается с увеличением расстояния от завихрителя, что свидетельствует о наличии трения между газо-жидкостными слоями.
Расчетные значения угловой скорости (пунктирная линия на рисунке 4а) не согласуются с опытными. Это вызвано тем, что при выводе уравнения (10) газо-
а) Я = 74 мм, 5„ = 1 мм, И = 5 мм, V = 400 мл. Экс/ с ' 0 ' '
периментальные точки (1 - 2): 1 - Я = 44 мм; 2 - Я = 65 мм. Пунктирная линия расчет по уравнению (3.6) Я = 74 мм, Я = 65 мм, 5„ = б) 1 мм, И = 5 мм, V = 400
с ' з ' 0 ' ' '
мл. Экспериментальные точки (1 - 2): 1 - п = 50 шт;
2 - п = 20
Рисунок 4 - Зависимость угловой скорости газожидкостного слоя от радиуса вращения и скорости газа в каналах при и = ик
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение скорости газа в каналах и площади сечения приводит к увеличению угловой скорости газожидкостного слоя на ступени.
Определен параметр (коэффициент проскальзывания) К = w/w , который составил 2,5 - 3,0, что позволяет по уравнению (6) и зависимостям V = f (и) проводить оценку угловой скорости газо-жидкостной смеси.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Соколов, В.Н. Аппаратура микробиологической промышленности [текст]/В.Н. Соколов [и др.] - Л.: Машиностроение, ленингр. Отд-ие. - 1988. - 278 с. Стабников, В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. [Текст]/В.Н. Стабников. - Киев: «Техника». -1979. - 456 с.
а
мм
150
100
0
0
0,4
0,2
0,6
т, сек
Войнов, Н.А. Гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне [текст]/ Н.А. Войнов. [и др.] // Химическая промышленность. - 2008. - № 4. -с. 730 - 735.
Борисов, И.И. Гидродинамика, тепло- и массоперенос во вращающихся барботажных потоках [текст]/ Борисов И.И. - Химическая промышленность. - 2008. - №3.
Трачук, А.В. Исследование и разработка вихревых аппаратов с вращающимся многофазным слоем [текст]. Автореферат дис...канд.техн.наук 05.17.08/ А.В. Трачук. Новосибирск: НГТУ. - 2009. - 25 с.
Овчинников, А.А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах [текст]/
А.А. Овчинников. - Казань: ЗАО «Новое знание». -2005. - 288 с.
Войнов, Н.А. Гидродинамика вихревой ступени с тангенциальными завихрителями [текст]/ Н.А. Войнов [и др.]. - Теоретические основы химической технологии. -2010. - т.44. - № 2. - с.1-8.
Кустов, А.В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработки растительного сырья. [Текст] Автореферат дис... канд.техн.наук; 05.21.03/А.В. Кустов. Красноярск: СибГТУ - 2009.
Яблонский, А.А. Курс теоретической механики [текст] / А.А. Яблонский, В.М. Никифорова. М.: «Высшая школа» - 1996. - 440 с.
Поступила в редакцию 05.10.15 Принята к печати 28.12.2015
