Анализ влияния различных факторов на характеристики квазистационарного слоя капель

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Процесс диспергирования жидкой фазы имеет в зависимости от скорости газа различные механизмы. При скорости газовой фазы, соответствующей режиму всплытия одиночных пузырей капли образуются за счет разрушения их оболочек и схлопывания полостей в одиночных пузырей, приводящего к всплескам жидкости.

При скоростях газовой фазы, характерных для массового стесненного всплытия пузырей, капли образуются дополнительно, за счет разрушения перемычек, разделяющих пузыри.

В режиме интенсивного барботажа (динамической пены) капли образуются в основном за счет дробления жидкой фазы турбулентными пульсациями. В результате этих процессов происходит образование слоя дисперсной жидкой фазы над поверхностью барботажа.

Анализ результатов вычисленного эксперимента и экспериментальных данных позволяет сделать некоторые выводы относительно влияния расходных характеристик фаз, их физических свойств, геометрии контактных устройств на процесс образования квазистационарного слоя капель.

Что касается скорости газовой фазы, то ее влияние может проявиться через следующие факторы:

1. Начальные скорости капель;

2. Общее количество образующихся капель;

3. Распределение капель по размерам;

4. Траектория полета капель.

Поскольку режим всплытия одиночных пузырей не характерен для барботажных аппаратов, остановимся подробнее на анализе двух других режимов.

В режиме массового стесненного всплытия пузырей диаметр их незначительно зависит от скорости газа в отверстиях барботера [1]. Следовательно, количество образующихся пузырей пропорционально скорости газа. Если при разрушении каждого пузыря образуется определенное количество дисперсной жидкой фазы, то суммарная масса образующихся капель пропорциональна скорости газа, что эквивалентно утверждению о независимости нулевого потока капель І(0) от скорости газа.

Основным источником кинетической энергии дисперсной жидкой фазы в режиме массового всплытия пузырей является кинетическая энергия газового потока. Если предположить пропорциональность этих величин, то получим следующие выражения:

(1)

где - скорость газовой фазы в барботажном слое, м/с.

В режиме динамической пены поток газовой фазы оказывает на жидкость сильное турбулизирующее воздействие. Сделаем логическое предположение о том, что капля в момент отрыва имеет скорость близкую к локальному значению пульсационной скорости жидкой фазы. Из условия равенства касательных напряжений на границе раздела фаз [2, 3] можно записать:

диспергирование кинетический газовый

(2)

где - средние значения динамической скорости жидкой и газовой фазы, соответственно.

Поскольку среднее значение динамической скорости газовой фазы пропорционально скорости газа в отверстии контактного устройства, с учетом выражения для среднего значения скорости капли в момент ее отрыва можно записать:

(3)

Выражение (3) совпадает с уравнением (1) и хорошо согласуется с уравнением в котором скорость капли и скорость газа в отверстии контактного устройства имеют равный показатель степени. Кроме того, это объясняет природу зависимости уноса от комплекса , часто встречающегося в различных эмпирических уравнениях для расчета уноса.

Что касается влияния скорости газовой фазы на распределение капель по размерам, то имеющиеся литературные сведения противоречивы. Если в работе [4] говорится о росте среднего размера капель с увеличением скорости, то приведенные в работе [5] зависимости отражают обратную связь этих двух параметров. Проведенные в данной работе исследования показали, что распределение капель по размерам для конкретной системы газ-жидкость, начиная со скорости газа, порядка 0.5 м/с с ее ростом, меняется не значительно.

Что касается на траекторию полета капель в стадии их полета, то, как показывает анализ результатов экспериментов, при плотности газовой фазы близкой к плотности воздуха оно становится существенным только при скорости газа более 2 м/с.

Таким образом, наибольшее влияние на характеристики квазистационарного слоя капель скорость газа в интервале от 0.5 до 2 м/с оказывает путем увеличения кинетической энергии капель. Но при скоростях газовой фазы более 3 м/с влияние ее на траектории капель в стадии полета становится существенным и сопоставимо с вкладом от воздействия скорости газа на начальную скорость капель.

Что касается значительного влияния на унос коэффициента кинематической вязкости, отмеченное рядом авторов (? =2.8 [6], ? =2.2 [7]) то оно, на наш взгляд, объясняется вкладом изменения плотности жидкой фазы, которая влияет на начальную скорость капель (3).

Объяснение слабого влияния непосредственно вязкости жидкой фазы, на наш взгляд, заключается в следующем. Вязкость барботажного слоя значительно выше вязкости сплошной жидкости и определяется в основном структурой барботажного слоя, зависящую главным образом от скорости газа.

При распространении полученных результатов на реальные объекты необходимо учитывать дополнительные факторы. Так, при расчете межтарельчатого уноса с ситчатой тарелки необходимо привлекать дополнительную информацию о зависимости высоты барботажного слоя от расходных характеристик, которое имеется, например, в литературных источниках [1-7].

В этом случае необходимо в качестве начала координат выбрать верхнюю границу барботажного слоя.

В случае значительного отклонения профиля барботажного слоя от плоского, вызванного неоднородностью распределения газового потока, необходимо разбивать тарелку на характерные зоны, строить профили характеристик барботажного слоя по результатам расчета для каждой зоны для соответствующего локального значения скорости газа.

Что касается геометрии барботажных устройств, то на стадии диспергирования капель ее влияние проявляется, главным образом, через равномерность профиля скорости воздуха в барботажном слое.

Влиянием этого фактора объясняется полученные в работе [4] результаты экспериментального исследования уноса на ситчатых тарелках с различным свободным сечением, свидетельствующие о вырастание уноса при уменьшении свободного сечения тарелки. Как было сказано выше, на численное значение уноса влияет также входная геометрия контактного устройства, определяющая, какая часть капель, достигших уровня выше расположенной тарелки, попадет на нее. Кроме того, на процесс заброса капель на вышележащую ступень накладывается провал жидкой фазы сквозь перфорацию тарелки. Это явление служило предметом специальных исследований других авторов, результаты которых изложены в работах [4, 7].

Влияния плотности орошения и высоты сливной перегородки имеют, на наш взгляд, одну природу. Их воздействие на унос проявляется через задержку жидкой фазы на тарелки. Увеличение высоты слоя жидкости на тарелке с одной стороны уменьшает высоту сепарационного пространства, с другой стороны приводит к "экранированию" наиболее интенсивной зоны взаимодействия фаз непосредственно у полотна тарелки и уменьшению начальной скорости вылета капель [8].

Хотя предлагаемый подход не содержит исчерпывающего решения проблемы моделирования поведения слоя дисперсной среды над поверхностью барботажа, благодаря своей физичности он позволяет не только анализировать природу влияния свойств сред, расходных и геометрических характеристик, но и производить численные расчеты распределения характеристик слоя капель в сепарационном пространстве барботажных аппаратов.

Литература

1. Рамм В.М. Абсорбция газов. - 2-изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1976. - 656 с.

2. Дьяконов С.Г., Елизаров В.И., Лаптев А.Г. Модель переноса в барботажном слое на контактных устройствах промышленных аппаратов // Массообменные процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. / КХТИ. - Казань, 1988. - С. 8-25.

3. Дьяконов С.Г., Елизаров В.И. Решение инженерных задач химической технологии с помощью ЭВМ: Учебное пособие / КХТИ. - Казань, 1987. - 132 с.

4. Розен А.М., Голуб С.И., Вотинцева Т.И. О природе степенной зависимости транспортируемого уноса от скорости пара при барботаже // Теплоэнергетика. - 1976. - № 9. - С. 55-59.

Размещено на Allbest.ru