Оценка площади межфазного взаимодействия в струйно-барботажных контактных устройствах

УДК 66.021.3/4

О. С. Дмитриева, И. Н. Мадышев, А. В. Дмитриев

ОЦЕНКА ПЛОЩАДИ МЕЖФАЗНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СТРУЙНО-БАРБОТАЖНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Ключевые слова: барботаж, контактное устройство, пузыри, капли.

Разработано струйно-барботажное контактное устройство для организации оптимального взаимодействия газа и жидкости. В статье представлены анализ изменения площади межфазного взаимодействия фаз в разработанном контактном устройстве.

Keywords: bubbling, the contact device, bubbles, drops.

Developed jet-bubble contact device for organizing optimal interaction of gas and liquid. The article presents the analysis of changes in the area of interfacial phases in developed contact device.

Контактные газожидкостные аппараты нашли широкое применение в процессах утилизации теплоты, охлаждения или нагрева контактирующих сред, улавливания вредных примесей и очистки газов от них. Для осуществления прямого взаимодействия фаз друг с другом используют аппараты барботажного типа. При этом барботажные контактные устройства обладают рядом преимуществ и особенностей эксплуатации, таких как формирование большой площади контакта фаз, ограничение скорости движения потока газа без уноса жидкости, слияние пузырей газа в жидкости, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления, неустойчивость работы при частичных нагрузках и др. [1, 2].

В связи с этим, является актуальной задачей разработка и исследование новых конструкций барботажных устройств для организации оптимального взаимодействия газа и жидкости, увеличения производительности аппаратов в промышленности и энергетике. Авторы работы [3-5] спроектировали тепломассообменную тарелку со струйно-барботажными контактными устройствами, направленную на повышение эффективности тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость за счет увеличения удельной площади поверхности контакта фаз и уменьшения гидравлического сопротивления проходу газа.

Разработанная конструкция струйно-барботажного контактного устройства, в отличие от конструкции, представленной в работе [6], позволяет увеличить интенсивность взаимодействия

контактирующих фаз, так как контакт между газом и жидкостью, происходящий внутри сливных стаканов, характеризуется коэффициентами тепло- и массоотдачи, превышающими в несколько раз аналогичные коэффициенты в барботажной зоне устройства [3]. Кроме того, предлагаемое струйно-барботажное контактное устройство обладает низким гидравлическим сопротивлением, так как обеспечивается равнопроточность прохода газа, и поток газа проходит через слой жидкости, находящейся на сливных стаканах за счет энергии стекающей жидкости.

Струйно-барботажное контактное устройство [7] состоит из сливных стаканов 1, имеющих вертикальные стенки, необходимые для поддержания

уровня жидкости внутри них. Стаканы 1 в каждом ряду соединены между собой с помощью стержней

2, открыты с верхнего своего конца, а нижний конец (днище) снабжен некоторым множеством отверстий

3, необходимых для слива жидкости на расположенный ниже сливной стакан 1 (рис. 1).

Рис. 1 - Струйно-барботажное контактное устройство для тепломассообменных процессов (вид спереди с косым срезом): 1 - сливной стакан, 2 - стержень, 3 - отверстия

Разработанное авторами настоящей статьи струйно-барботажное контактное устройство для тепломассообменных процессов работает следующим образом. Жидкость через множество отверстий 3, выполненных в днище сливных стаканов 1, диспергируется в виде струй на расположенный ниже сливной стакан 1. При этом в указанных сливных стаканах 1 поддерживается уровень жидкости за счет наличия вертикальных стенок сливных стаканов. Сливные стаканы 1 располагают горизонтально в шахматном порядке, образуя тарелку. Причем ниже расположенная тарелка имеет смещение стаканов, формируя шахматное их расположение по вертикали. По этой причине, газ, поступающий снизу под тарелку, приобретает зигзагообразный характер движения (рис. 2).

При движении струй жидкости происходит их распад с образованием множества капель. Последние, соударяясь о поверхность жидкости, находящейся внутри стаканов 1, разлетаются в разные стороны брызгами. Таким образом, создается развитая постоянно обновляющаяся

поверхность контакта фаз, которая определяется наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями с поверхности. Кроме того, восходящий поток газа контактирует с падающими струями или каплями жидкости, при этом образуется вторая зона контакта газа и жидкости. Принимая расстояние между сливными стаканами на одном уровне, равными ширине сливного стакана, обеспечивается равнопроточность для прохода газа, что приводит к снижению гидравлического сопротивления

предлагаемого струйно-барботажного контактного устройства. Для обеспечения максимальной эффективности тепломассообменных процессов сливные стаканы в поперечном сечении имеют форму квадрата.

6 ч5 * 3 . ,1 ,2.4

^.ул'.УЛ'ЛУ.Ус • • •

Рис. 2 - Схема взаимодействия потоков пара и жидкости в струйно-барботажных контактных устройствах: 1 - сливной стакан; 2 - поток газа; 3 -перфорированное днище; 4 - капли, образованные перфорированным устройством; 5 - капли, вылетающие из жидкости; 6 - пузыри

При соударении капель, падающих с верхней тарелки, происходит резкое снижение кинетической энергии, которая в идеальном случае вся переходит в энергию образования поверхности пузырей. Предполагая, что вся кинетическая энергия потока струй расходуется на создание поверхности пузырей, ее площадь можно определить по выражению [8, 9]

Ре = тих2/(2ст1),

где и1 - скорость струи в момент контакта с жидкостью в сливном стакане, м/с; Cтi - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.

Масса жидкости, создающей поверхность т = 1-т1 т, где т - среднее время всплытия пузырей, с.

Массовый расход жидкости в одном сливном стакане, кг/с: ^ = пс^и^ПоМ, где Р1 - плотность

3

жидкости, кг/м ; П0 - количество отверстий в одном элементе.

Диаметр струи в момент контакта с жидкостью в контактном элементе, м:

С1 = Со

и,

сро

и,

где с о - диаметр отверстий, м.

Среднерасходная скорость жидкости можно определить по уравнению:

истечения известному

исро = Ф^ШК ,

где ф - коэффициент скорости истечения; Л2 -уровень жидкости в сливном стакане, м; д -ускорение свободного падения, м/с2.

Скорость струи в момент контакта с поверхностью жидкости в сливном стакане можно определить по уравнению Бернулли:

и =

где Л - расстояние между тарелками, м; Л - высота вертикальной стенки сливного стакана, м.

Следовательно, выражение (1) записать:

пС2 Р1ГфПо

можно

Площадь поверхности жидкости в контактном элементе определяется:

= ь2 _ к 4

где Ь - ширина стороны сливного стакана, м.

Как показали результаты исследований (рис. 3), можно достичь максимальной площади поверхности пузырей при выполнении конструкций сливных стаканов с шириной равной 50-100 мм и при равенстве уровня жидкости в сливном стакане с высотой вертикальной стенки сливного стакана, при этом наблюдается перелив жидкости с верхней тарелки на нижнюю.

3,0 2,52,01,51,0" 0,5-

0,0

0,03

11

Рис. 3 - Зависимость площади поверхности пузырей от стороны сливного стакана при т = 0,5 с; с^0 = 4 мм; п0 = 25; Л2: 1 - Л1/4; 2 - Л1/2; 3 - Л1

Как видно из графика, представленного на рис. 4, для организации большой площади межфазного взаимодействия в струйно-барботажных контактных устройствах оптимальным является создание конструкций сливных стаканов с количеством отверстий в днище равным 25.

Таким образом, в предлагаемом струйно-барботажном контактном устройстве достигается высокая интенсивность взаимодействия между газом и жидкостью, а также пониженное гидравлическое сопротивление, что приводит к высокой эффективности тепломассообменных процессов при небольших энергетических затратах.

0,03 0,05 0,07 0,09 0,11

Рис. 4 - Зависимость отношения площади поверхности пузырей к площади поверхности жидкости в контактном элементе от стороны сливного стакана при т = 0,5 с; = 4 мм; Л2 = Л1/2; п0: 1 - 9; 2 - 16; 3 - 25

Литература

2. В.П. Жуков, Е.В. Барочкин, А.Ю. Ненаездников, А.Н. Беляков, А.Н. Росляков, Вестник Ивановского гос. энергетич. ун-та, 4, 12-16 (2012).

3. И.Н. Мадышев, Г.Х. Гумерова, А.Н. Николаев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Патент 152191 Российская Федерация, № 2014149169/05; заявл. 05.12.2014; опубл. 10.05.2015, Бюл. № 13. - 2 с.

4. И.Н. Мадышев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 18, 7, 148-150 (2015).

5. И.Н. Мадышев, А.Н. Николаев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Промышленная энергетика, 11, 17-20 (2014).

6. И.Н. Мадышев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 23, 159-161 (2013).

7. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, Г.С. Сагдеева, А.Н. Николаев, Заявка на полезную модель № 2015119123, заявл. 30.04.2015.

8. A.V. Dmitriev, I.R. Kalimullin, N.A. Nikolaev, Chemical and Petroleum Engineering, 47, 1, 87-92 (2011).

9. О.А. Коньков, О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, Экология и промышленность России, 7, 14-16 (2011).

1. И. И. Борисов, А. А. Халатов, Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 3, 84-89 (2008).

© О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ КНИТУ; И. Н. Мадышев А. В. Дмитриев - зав. кафедрой МАХП НХТИ КНИТУ, ieremiada@gmail.com.

аспирант каф. МАХП НХТИ КНИТУ;

© O. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru, I. N. Madyshev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU, A. V. Dmitriev - the head of MAHP chair, NCHTI KNRTU, ieremiada@gmail.com.