Исследование массоотдачи в закрученной пленке жидкости в цилиндрическом канале

УДК 532.529

Г. Р. Мингалеева, А. Н. Николаев, В. В. Харьков

ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООТДАЧИ В ЗАКРУЧЕННОЙ ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ

В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ

Ключевые слова: пленочное течение, коэффициент массоотдачи, закрученный поток.

Выполнено экспериментальное исследование закономерностей процесса массопереноса в слое жидкости, двигающемся по стенке аппарата с закрученным потоком. Приведена зависимость для коэффициента массоот-дачи в пленке жидкости от нагрузок по фазам и степени крутки. Проведено сравнение полученной зависимости с результатами исследований представленными в других статьях по данной теме. Выявлено, что значения коэффициентов массоотдачи в слое жидкости на стенке аппарата, представленные в зависимости от приведенных величин скорости газа и плотности орошения, не зависят от степени крутки потока и совпадают с их значениями при осевом движении фаз.

Keywords: film flow, mass-transfer coefficient, vortex stream.

The paper deals with the experimental investigation of mass-transfer regularities in a liquid layer moving along the wall of the apparatus together with the swirling flow. An equation for the mass-transfer coefficient in the liquid film depending on phase loads and amount of twist is derived. Authors carried out a comparison between the obtained dependence and results of previous researches. It was concluded that the mass-transfer coefficients in a liquid layer on the wall of the apparatus expressed in terms of adjusted gas velocity and liquid spray rate did not depend on amount of twist. The same has been observed in the axial movement of phases.

Пленочные течения широко используются в тепло- и массообменном оборудовании при проведении химико-технологических процессов. Примером может служить очистка газов в полых вихревых аппаратах [1, 2].

Кинетика массопереноса в пленке жидкости в условиях прямоточного движения фаз изучалась многими исследователями. Строгий теоретический анализ процесса массопереноса в пленке жидкости выполнил Холпанов Л. П. [3, 4]. В результате решения уравнения конвективного массопереноса в ламинарной пленке с волновой поверхностью получены следующие зависимости:

- при полном перемешивании жидкости в седловинах волн

Рж1 = 7,5 exp (0,7 In а-1,7) х х (i +1,25 (hoa n)2 Сжи0 / X

мерное волновое число; Ож — коэффициент диффузии; Ре = и0 5р / Ож — число Пекле.

Для расчета среднего значения коэффициента массоотдачи предложено уравнение, учитывающее вклад входного участка и неполное перемешивание жидкости в седловинах волн

Р = Р /вХ + Рж1 + Р ж 2 1 'в Рж _ Рж3 I ~т

2

/

Аналогичный подход использован для описания массопереноса в турбулентной пленке жидкости.

Экспериментальные исследования проводились преимущественно на системе воздух-вода в трубках небольшого диаметра различной длины. В работе [5] на основе анализа известных эмпирических соотношений для инженерных расчетов предложена зависимость

- при непрерывном росте диффузионного слоя

Рж2 = (,96/(V 1,6-а2 ))х х(1 +1,25 (ho an )2 V Сж и0//

- для входного безволнового участка длиной /вх

Ржз = 1,25 (1 + 0,65 • 10-2 Sp Pe / ^),

V 'вх

где и0 — средняя скорость жидкости; ^ — средняя толщина пленки; I — длина массообменного аппарата; а — амплитуда волны; 5р — толщина

пленки; X — длина волны; п = Л0 / X — безраз-

рс = 23 WV 6i 7 У'бб( Сж

0,5

которая хорошо описывает опытные данные разных авторов при числе Рейнольдса Reпл > 200 и W > 10 м/с в случае нисходящего прямотока и при W > 20 м/с в случае восходящего прямотока.

Массоперенос при винтовом движении пленки исследовался в работе [6], где на основании полученных экспериментальных результатов показано, что закономерности массопереноса при переходе от осевого движения к закрученному не изменяются, и при использовании действительной скорости газа и приведенной плотности орошения описываются общей зависимостью. Экспериментальное исследование проводилось в трубе с диаметром 16,8 мм, тогда как диаметры реальных аппаратов составляют 100 мм и более.

В связи с этим проведено исследование закономерностей процесса массопереноса в слое жидкости, двигающемся по стенке аппарата с закрученным потоком. Исследование проводилось на примере десорбции кислорода из воды в воздух в аппарате диаметром 100 мм с длиной контактной зоны 500 мм. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Насыщение воды кислородом производилось в сатураторе, установленным на водяной линии перед напорным баком, причем для экономии кислорода водяная линия была закольцована с помощью насоса. Кислород в сатуратор подавался из баллона. Первичное насыщение воды кислородом до концентрации 35 м2/л, что примерно в три раза превышает равновесную концентрацию кислорода в воде, производилось при непрерывной циркуляции жидкости по замкнутому контуру.

Рис. 1 — Схема экспериментальной установки для измерений волновых параметров пленки: 1 — вихревой аппарат; 2 — воздуходувка; 3 —

парогенератор; 4 бак; 6 — насос; 7 -

- калорифер; 5 — напорный ротаметр; 8 — диафрагма

Содержание кислорода на входе и на выходе из аппарата определялось методом Винклера. Предварительные измерения показали, что колебание концентрации кислорода в воде на входе в аппарат не влияет на величину коэффициента массоотдачи в жидкости. Для придания газовому потоку и жидкости вращательно-поступательного движения в контактной зоне аппарата устанавливался двухзаход-ный шнек, внешняя кромка которого плотно прилегала к внутренней стенке аппарата. В опытах использовались шнеки с шагом 80, 130 и 180 мм. Жидкость подавалась непосредственно на внутреннюю стенку аппарата. Затеканию жидкости на лопасти шнека препятствовали действие центробежной силы и гидрофобные свойства материала шнека. Визуальные наблюдения показали, что угол закрутки жидкости, стекающей по стенке аппарата, совпадает с углом наклона винтовой образующей шнеко-вого завихрителя. Так как газу и жидкости в аппарате придается винтовое движение, реальные значения средних скоростей газа и жидкости отличаются от их значений в случае осевого движения при тех же расходах фаз. Поэтому для сравнения результатов,

полученных при различной степени закрутки потока, производился пересчет средних скоростей газа и жидкости. Приведенная скорость газа в опытах изменялась в опытах от 15 до 46 м/с, а приведенная плотность орошения от 0,5 до 7,2 м3/м-ч. Температура воздуха и воды поддерживалась в опытах постоянной и равной 20 +0,5 °С.

Обработка экспериментальных результатов показала (рис. 2), что значения коэффициентов массоотдачи Рж (м/ч) в слое жидкости на стенке аппарата, представленные в зависимости от приведенных величин скорости газа и плотности орошения, не зависят от степени крутки потока и совпадают с их значениями при осевом движении фаз, что соответствует выводам, сделанным в работе [6]. Полученные результаты были обработаны в виде соотношения

Р ж = qnПр.

где 1/Упр — средняя приведенная скорость газа; qПр — приведенная плотность орошения.

вж, м/ч

40 1/Упр, м/с

Рис. 2 —Зависимость коэффициента массоотдачи в пленке жидкости от нагрузок по фазам и степени крутки: 1 — qПр = 0,66 м3/м-ч; 2 — 1,25; 3 —

2,45; шаг образующей шнека: а — 80 мм; б — 130 мм; в — 180 мм; г — осевое движение

Значения коэффициентов А и показателей степени т и п в уравнении (6) для различных режимов течения представлены в таблице 1.

Следует отметить, что коэффициенты массоот-дачи в жидкой пленке достигают 20 м/ч, что на порядок превышает их значения в насадочных колоннах.

3

2

1

Таблица 1 — Значения коэффициентов в уравнении

Wnp , м/с qnp < 1,1 м3/м-ч qnp > 1,1 м3/м-ч

A m n A m n

Wnp < 27 0,36 0,85 0,67 0,36 0,85 0,75

Wnp > 27 0,26 0,95 0,67 0,26 0,95 0,75

Соответствие полученных значений коэффициента массоотдачи, рассчитанных по зависимости (6), выводам, сделанным в работе [6], говорит о надежности этого соотношения для дальнейшего использования в инженерных расчетах.

Литература

1. А. Н. Николаев, Н. М. Нуртдинов, В. В. Харьков, Вестник технологического университета, 18, 3, 294296 (2015).

2. А. Н. Николаев, В. В. Харьков, Вестник технологического университета, 18, 18, 130-132 (2015).

3. Л. П. Холпанов, В. Я. Шкадов, В. А. Малюсов, Н. М. Жаворонков, ТОХТ, 3, 3, 465-468 (1969).

4. Л. П. Холпанов, В. Я. Шкадов, В. А. Малюсов, Н. М. Жаворонков, ТОХТ, 10, 5, 659-669 (1976).

5. Н. А. Воинов. Дисс. докт. техн. наук, Красноярск, 1995.

6. А. Д. Сергеев. Дисс. канд. техн. наук, Казань, 1972.

© Г. Р.Мингалеева - д.т.н., профессор, зав. каф. котельных установок и парогенераторов КГЭУ, mingaleeva-gr@mail.ru;

A. Н. Николаев, д.т.н., профессор, зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, andr_nik_nik@rambler.ru;

B. В. Харьков, ассистент каф. ОПП КНИТУ, v.v.kharkov@gmail.com.

© G. R. Mingaleeva, Doctor of Engineering, Head of Department of Boiler Equipment and Steam Generators, Kazan State Power Engineering University, mingaleeva-gr@mail.ru; A. N. Nikolaev, Doctor of Engineering, Professor, Head of Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University, andr_nik_nik@rambler.ru; V. V. Kharkov, Assistant Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU, v.v.kharkov@gmail.com.