Межфазные потоки в барботажных колоннах окисления битума

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет»

Межфазные потоки в барботажных колоннах окисления битума

Щенников Ю.В.,

Ханин В.П., кандидат технических наук, доцент,

Василевская С.П., кандидат технических наук, доцент

Барботажные колонны широко используются для проведения реакций газ - жидкость и газ - жидкость - твердое вещество в химической промышленности. Дисперсионные и межфазные потоки тепло- и массообмена, которые часто ограничивают общие скорости химических реакций, тесно связаны с динамикой жидкости системы через зону контакта жидкость-газ и турбулентными свойствами потока. Таким образом существует значительный интерес к тому, чтобы улучшить понимание сложных явлений, связанных с многофазным потоком, что препятствует оптимальному проектированию этих реакторов.

Интенсификация процесса массообмена, посредством аэрации дисперсных систем, является одним их передовых объектов исследования. В результате диспергирования газа в жидкой фазе получается очень большая поверхность контакта. В результате химические реакции между жидкой и газовой фазой усиливаются. Благодаря плавучести воздушных включений и обмену импульсом между газом и жидкостью происходят сильные нестационарные потоки жидкости на разных масштабах длины. Эти турбулентные потоки необходимы для перемешивания жидкой фазы внутри барботажной колонны. Для исследования явлений и переноса полученных результатов необходимо заниматься моделированием процесса по средством численного метода моделирования. [1]

Математическое описание реакций окисления битума имеют важное значение для регулирования и оптимизации процесса. Однако единой теории химических превращений при окислении сырья битумного производства пока нет. Основные трудности математического описания процесса связаны с различной природой нефтяных остатков, их физико-химическими свойствами, параметрами проведения процесса и меняющимися факторами в процессе окисления, такими как вязкость окисляемого сырья, наличие диффузионных процессов и др. А значит этим методом невозможно полностью описать процессы, происходящие в модели потока. [2]

Подобные модели должны учитывать сложные явления, такие как взаимодействие между воздушными включениями. Среди прочего подвижность поверхности пузыря играет важную роль в моделировании этих явлений. В процессе массообмена воздушные включения дробятся, объединяются, эти процессы происходят произвольно. На подвижность влияют примеси или поверхностно-активные вещества, которые связаны с появлением эффекта Марангони.

Эффект Марангони (конвекция Марангони) - возникновение потоков жидкости, вызванное неоднородностью поверхностного натяжения на границе раздела газ - жидкость или жидкость - жидкость. Первоначально к конвекции Марангони относили течения, при которых градиент поверхностного натяжения был обусловлен неоднородностью состава поверхностного слоя: именно их природа была впервые правильно истолкована итальянским физиком К. Марангони в 1865. Впоследствии термином «эффект Марангони» стали называть и течения, связанные с градиентами температуры жидкости или электростатического потенциала. Течения, вызванные неоднородностями температуры и состава жидких сред, имеют во многом сходную структуру.

Появление эффекта Марангони объясняется следующим образом. Если поверхность жидкости неоднородна, то вдоль нее имеется градиент поверхностного натяжения, приводящий к нескомпенсированности напряжений в поверхностном слое. Эти напряжения вызывают движение слоев жидкости, прилегающих к поверхности, которое затем распространяется в объем вязких сред. [3] Между газовой и жидкой фазами происходит обмен поверхностно-активным веществом (ПАВ), которое существенно влияет на состояние межфазной поверхности.

К течению Марангони относятся: движение неоднородных плёнок жидкости, а также пузырьков и капель в неоднородных средах; торможение (дополнительное к вязкому) пузырьков и капель, перемещающихся в однородных растворах ПАВ, которое обусловлено формированием неоднородного слоя этих веществ на границе газ - жидкость. Эффектом Марангони называют и различного рода волновые и волнообразные движения слоёв жидкости, к наиболее известным из которых относится конвекция Бенара - Марангони; этот вид конвекции представляет собой вихревые потоки с ячеистой структурой, сформированной конвективным движением, зарождающимся в тонком слое подогреваемой снизу жидкости. Открыто также множество типов бегущих волн, самопроизвольно образующихся на межфазных поверхностях при переносе к ним ПАВ. Помимо регулярных движений, эти течения могут приводить к процессам, сходным с турбулентным движением. [3]

С Эффектом Марангони связан и эффект Марангони - Гиббса, суть которого состоит в увеличении натяжения плёнки раствора ПАВ при её растяжении. Эффект обусловлен снижением концентрации ПАВ в поверхностных слоях при быстром растяжении плёнки. В результате такого снижения поверхностной концентрации ПАВ повышается поверхностное натяжение и возникает течение, препятствующее растяжению плёнки. [3]

Поверхностно-активное вещество, как правило, проникает к задней кромке пузыря, где оно накапливается, вызывая локальное снижение поверхностного натяжения. Результирующий градиент поверхностного натяжения вперед-назад приводит к напряжению, которое сопротивляется поверхностному движению и, таким образом, делает поверхность пузыря более жесткой. Таким образом, воздушный пузырь движется так, как если бы его поверхность оставалась неподвижной, и, таким образом, его скорость нарастания соизмерима со скоростью, известной для жесткой сферы: граничное условие против скольжения является более подходящим, чем свободное скольжение.

Определение этих эффектов имеет решающее значение для следующего шага, моделирования химических реакций, в которых такие поверхностно-активные вещества могут возникать в сложных системах веществ.

Согласно литературным данным, мало экспериментов проводится в органических растворителях, которые в основном используются в газожидкостных реакторах. Однако общепризнанно, что данные, полученные в водном растворе, позволяют прогнозировать эффекты поверхностного натяжения и моделировать поведение органических растворителей.

Дальнейшие эксперименты по изучению структуры газожидкостного слоя в колонных аппаратах с высокими слоями жидкости, будем проводить на непрерывно действующей стендовой установке, которая включит в себя стеклянную колонну внутренним диаметром не менее 50 мм, разделенную на две секции, съемную секционирующую тарелку, подобную тем, что применяются в окислительные колонные производства нефтяных битумов, которую установим между секциями колонны, компрессор, насос, напорный бак и измерительный зонд. В качестве модельных веществ будем использовать воду и воздух, из-за схожести структур барботажных слоев газожидкостных систем.

Для исследования гидродинамических характеристик двухфазного потока под секционирующей тарелкой проведем ряд экспериментов по определению локального газосодержания и удельной поверхности контакта фаз.

Целью этих экспериментов будет являться экспериментальное изучение некоторых гидродинамических характеристик барботажных аппаратов при непрерывной прямоточной подаче фаз в зависимости от важнейших технологических и конструктивных параметров. Помимо экспериментов в дистиллированной воде, добавим поверхностно-активные вещества и примеси для изучения влияния на газожидкостные потоки.

межфазный барботажный окисление битум

Список литературы

1. Nan Shao. Gas-liquid two-phase flow and reaction in microstructured reactor /Nan Shao; Department of Chemical Engineering University College London, 2010.

2. Евдокимова Н.Г. Разработка научно-технических основ производства современных битумных материалов как нефтяных дисперсных систем/ Н.Г. Евдокимова; Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2015.

3. Marangoni C. On the expansion of a drop of liquid floating on the surface of another liquid. Pavia, 1865

Размещено на Allbest.ru