Исследование влияния сил на диаметр парового (газового) пузыря на вихревой ступени при ректификации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Механика специальных систем

риалы X Всерос. науч-практ. конф. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии / Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 147-148.

3. Кузнецов В. В., Ереско С. П. Устройство удержания и освобождения подвижных элементов космического аппарата с пониженным ударным воздействием // Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике : материалы Всерос. молодежной конф. Звездный : НИИ ЦПК им. Ю. А. Гагарина, 2015.

4. Кузнецов В. В., Ереско С. П. Устройство удержания и освобождения подвижных элементов конструкции космического аппарата с пониженным ударным воздействием // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы XI Всерос. науч-практ. конф. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015.

References

1. Kuznetsov V. V., Eresko S. P. device retention and release of mobile elements of the spacecraft design with low impact force // Materials of All-Russia. Scientific

Practical Conference "Innovations in aviation and space". M. : MAI, 2014. P. 82-83.

2. Kuznetsov V. V., Eresko S. P. Improving retention devices and the release of mobile elements spacecraft design // Materials of X All-Russia. Scientific Practical Conference. "Actual problems of aviation and cosmonautics". Vol. 1. Technical science. Information tehnologii.-Krasnoyarsk : Siberian State Aerospace University, 2014. p. 147-148.

3. Kuznetsov V. V., Eresko S. P. Device retention and release of mobile elements of the spacecraft with low impact force // Materials of All-Russia. Youth Conference "New materials and technologies in the aerospace and aviation technology." Zvezdny: FGBU "NII CTC after. Yuri Gagarin ", 2015.

4. Kuznetsov V. V., Eresko S. P. Device retention and release of mobile elements of the spacecraft design with low impact force // Materials of XI All-Russia. Scientific Practical Conference. "Actual problems of aviation and cosmonautics". Vol. 1. Technical science. Information tehnologii. Krasnoyarsk: SibSAU, 2015.

© Кузнецов В. В., Ереско С. П., 2016

УДК 66.015.23

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛ НА ДИАМЕТР ПАРОВОГО (ГАЗОВОГО) ПУЗЫРЯ НА ВИХРЕВОЙ СТУПЕНИ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ

А. В. Кустов*, И. С. Федорченко, Я. С. Гончарова, И. И. Букельманов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]*

Рассматривается вопрос определения диаметра парового пузыря, образующегося на вихревой ректификационной ступени. В известной формуле для определения диаметра пузырей учтено влияние силы инерции, возникающей при работе ректификационной колонны при вращении газожидкостного слоя на контактной ступени.

Ключевые слова: ректификация, газосодержание, удельная межфазная поверхность.

STUDYING INFLUENCE OF FORCES ON THE DIAMETER OF STEAM (GAS) BUBBLES ON VORTEX STAGE AT RECTIFICATION

A. V. Kustov, I. S. Fedorchenko, Ya. S. Goncharova, I. I. Bukelmanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]*

This article deals with the issues of determining the diameter of the steam bubble formed on Vortex distillation stages. The famous formula determines the diameter of bubbles taking into account influence of inertial forces generated by the work of rectifying column by spinning the gas-liquid contact layer on the stage.

Keywords: rectifying, gas content, specific surface.

Введение. Анализ возможных путей интенсификации масоопередачи в системе газ-жидкость показывает, что использование для проведения этих процессов конструкций барботажных аппаратов не обеспечивает существенного повышения производительности и эффективности.

В связи с этим применение центробежного ускорения является наиболее простым способом интенсификации массообмена. Вращение потока способствует дроблению пузырьков пара на ступени и предотвращает капельный унос за счет действия инерции.

<Тешетневс^ие чтения. 2016

Ввиду вышесказанного для определения диаметра пузыря был использован известный процесс диспергирования, который рассматривают также с позиций гидродинамической неустойчивости, исходя из которой получено [1; 2]

Г 3 Л1/5

^ = 3,48.

сТ-р

(1)

ь0 у

где £0 - диссипация энергии в единице массы сплошной среды, Вт/кг; р - плотность жидкости, кг/м3; ст -коэффициент сопротивления.

Диссипация энергии, входящая в уравнение (1), рассчитывалась по формуле £ = Евн/т.

В предположении, что диссипация энергии происходит за счет внешнего трения о стенки и дно ступени (Евнеш) и внутреннего трения слоев жидкости и пузырьков газа (Евн), можно записать [1-5]:

2

Евн = йг Рг-^ + QжрHж 8

йг-ж рг-ж Нг-ж 8

(2)

где йг, йж, йг-ж - расходы газа (пара), жидкости и га-зо-жидкостной смеси соответственно, м3/с; рг, р, рг-ж - плотность газа (пара), жидкости и газожидкостной смеси, соответственно, кг/м3; иг - скорость газа, м/с; Н0 - высота столба жидкости, м; Н -высота газо-жидкостного столба, м; 8 - ускорение свободного падения, м/с2; м? - угловая скорость вращения газожидкостной смеси, с-1; тг_ж - касательные напряжения на границе контакта жидкости и газа, Па; /- площадь контакта, м2; Rз - радиус завихрителя, м.

Сравнение экспериментальных и расчетных начений диаметра газового пузыря представлено на рис. 1. Сплошная линия на рисунке - значение диаметра пузыря с учетом мощности, создаваемой силой инерции.

Расчетные значения диаметра пузырьков газа, вычисленные по изложенной методике, имеют большую величину (рис. 1, пунктирная линия) в сравнении с опытными. Это позволяет предположить, что дроб-

ление пузырьков газа на ступени обеспечивается не только силами внутреннего трения между вращающимися газожидкостными слоями, но и за счет давления, вызванного силами инерции.

dп,

мм

и, м/с

Рис. 1. Зависимость среднеповерхностного диаметра пузыря от скорости газа в каналах тангенциального завихрителя.

Экспериментальные точки: Б = 330 мм, §0 = 15 мм, 1 = 15 мм, п = 8 шт, V = 2 л. Пунктирная линия - расчет по уравнению (2) без учета выражения (4); сплошная линия - расчет по уравнению (2) с учетом выражения (4)

Исходя из общей зависимости для мощности

N = F ■ V, (3)

где Е - действующая сила, Н; V - скорость, м/с, можно определить величину энергии, создаваемой силой инерции:

(4)

N = т ■то3 ■ Я2,

где т - масса жидкости на контактной ступени, кг; Я - радиус завихрителя, м; ш - угловая скорость газожидкостного слоя, с-1.

Как видно, учет мощности, создаваемой силой инерции (зависимость (4)), в выражении (2) позволяет приблизить расчетные значения диаметра пузыря к экспериментальным.

В начале кольцевого режима величина газосодержания на ступени не зависит от фактора крутки /Е (рис. 2).

0,4

10

15

20и, м/с

Ф 0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

%

]

\

0,2

0,4

°,6 /'Е- и, м3/(м2-с)

а б

Рис. 2. Зависимости газосодержания от скорости газа в каналах (а) и параметра/Е и (б) при Яз = 44 мм, = 110 мм, V = 200 мл на системе этиловый спирт-вода: О - /Е = 0,089; □ - 0,04; Д - 0,032; о - 0,022

5

2

1

□

Механика специальные систем

С ростом скорости газа в каналах наблюдается снижение газосодержания (рис. 2, а), что вызвано уменьшением диаметра пузырьков за счет их дробления и сжатия. Для оценки величины газосодержания получено соотношение

ц = Си -°'8( а/ а0 )°'25, (5)

где а - коэффициент поверхностного натяжения рабочей жидкости; а0 - коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре 2° оС.

Величина константы С определяется из начальных условий.

Экспериментальные данные позволили рассчитать межфазную поверхность слоя жидкости на вихревой ступени (рис. 3).

а, м-1

4000

3000 2000 1000

Рис. 3. Зависимость межфазной поверхности от скорости газа в канале завихрителя: §о = 1-2 мм; О - f/F = 0,045; □ - 0,03; Д - 0,02.

Линии из точек - начало кольцевого режима

Заключение. Полученная зависимость для определения диаметра парового пузыря, предложенная в данной статье, позволяет приблизить расчетные значения к экспериментальным. Это, в свою очередь, дает возможность более точно подходить к расчету ректификационных колонн, применяемых при получении и очистке этанола, получаемого на основе гид-ролизата растительного сырья.

Библиографические ссылки

1. Войнов Н. А., Кустов А. В., Николаев Н. А. Получение безводного этанола при ректификации под

вакуумом // Хвойные бореальной зоны. 2012. № 3-4. С.373-378

2. Овчинников А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань : Новое знание, 2005. 288 с.

3. Войнов Н. А., Николаев Н. А., Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне // Химическая промышленность. 2008. Т. 85, № 8. С. 413-419.

4. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработке растительного сырья : автореф. дис. ... канд. техн. наук ; 05.21.03. Красноярск : СибГТУ, 2010.

5. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Т. 82, № 4. С. 730-735.

References

1. Voinov N. A. Kustov A. V., Nikalaev N. A. Polu-chenie bezvodnogo etanola pri rektifikacii pod vakuumom [Preparation of anhydrous ethanol under vacuum distillation] // Hvoinye borealnoy zony. 2012. № 3-4. P. 373-378.

2. Ovchinnikov A. A. Dinamika dvuhfaznuh turbu-lentnyh techenii v vihrevyh separatorah. [The dynamics of the two-phase swirling turbulent flows in vortex separators]. Kazan: JSC "New knowledge", 2005. 288 p.

3. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Gidrodinamika I massoobmen v vihrevoy rektifikacion-noy kollone [Hydrodynamics and mass transfer in a vortex distillation column] // Chemical industry. 2008. Vol. 85, № 8. P. 413-419.

4. Kustov A. V. Gidrodinamika I massoobmen na vi-hrevuh rektifikacionnyh ctupenyah pri pererabotke ras-titelnogo surya [Hydrodynamics and mass transfer in the vortex of distillation steps in the processing of vegetable raw materials] Abstract of thesis of Candidate of Science; 05.21.03. Krasnoyarsk : SibGTU, 2010. 22 p.

5. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A.V. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column [text] // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Vol. 82, № 4. P. 730-735.

© Кустов А. В., Федорченко И. С., Гончарова Я. С., Букельманов И. И., 2016

f

□

/ /и ■

? } s*

/ А • • i •

0 5 10 15 u, м/с

УДК 66.015.23

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ НА ВИХРЕВОЙ СТУПЕНИ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ

А. В. Кустов*, П. С. Шастовский, Е. С. Васильченко, А. А. Карелина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]*

Представлено исследование скорости движения газожидкостного слоя на вихревой контактной ступени. Изучены режимы движения слоя. Представлена зависимость для расчета.

Ключевые слова: контактная ступень, скорость, режимы течения.