Химия растительного сырья

Обсуждение результатов

Для контактных ступеней ректификационных колонн с целью получения развитой межфазной поверхности при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении наибольший интерес представляет кольцевой режим течения, который наблюдается при достижении критической скорости газа u_к на выходе из щели.

а)	б)	в)
Рис. 3. Фотографии газожидкостной смеси на ступени при D = 114 мм. Режимы: а – барботажный; б – кольцевой; в – пленочный

При допущениях, что вращающийся газожидкостный слой представляет собой твердое цилиндрическое тело, а силы инерции и давления равномерно распределены по высоте потока, условие равновесия сил в момент образования кольцевого режима можно представить в виде:

Тогда из (1) несложно получить

,

(2)

Согласно (2), скорость газа, при которой наступает кольцевой режим течения, зависит от объема жидкости на ступени, газосодержания и величины радиуса окружности, на которой размещены щели. Увеличение R и  приводит к снижению критической скорости газа u_к, а рост объема жидкости на ступени к ее повышению.

При предположении, что начальное вращение жидкости обеспечивается касательными напряжениями газа о жидкость, соприкасающуюся с поверхностью щелей, для прохода газа можно записать общеизвестную зависимость:

Fт R  = N,

(3)

где F_т – сила, обусловленная трением газа о жидкость; N – мощность.

Исходя из (3), выражение для угловой скорости газа, которая обеспечивает переход в кольцевой режим, примет вид:

,

(4)

Согласно (4) критическая скорость газа зависит от радиуса R, размеров и количества щелей. Как видно, с увеличением площади сечения каналов для прохода газа (коэффициента крутки f/F ) переход в кольцевой режим течения осуществляется при меньшей скорости газа. Экспериментальные значения критической скорости газа от конструктивных параметров тарелки с многолопастным осевым завихрителем, представленные на рисунке 4, подтверждают теоретическое описание (1)–(4). Аналогичные результаты получены и для тарелок с тангенциальным завихрителем.

Данные, представленные на рисунке 4, с относительной погрешностью 15% обобщаются в системе координат u_к = f (f/F; V ), что показано на рисунке 5.

а)	б)
в)	г)
Рис. 4. Зависимость критической скорости газа от технологических и конструктивных параметров плоской тарелки с осевым многолопастным завихрителем. Экспериментальные точки: а) 1 – n = 36 шт.; 2 – 18; б) 1 – V=100 мл, 2 – 200, 3 – 300 при n = 36 шт., δо = 1 мм.; в) 1 – δо = 1 мм, V = 100 мл, 2 –1, 200, 3 – 1, 300, 4 – 2, 100, 5 – 2, 200 мл, 6 – 2, 300; г) 1 – δо = 1 мм, n = 36 шт., 2 – 1, 18, 3 – 1, 9, 4 – 2, 36, 5 –2

Для исследуемых тарелок с повышением коэффициента крутки происходит снижение критической скорости газа, что обусловлено увеличением поверхности контакта газа с жидкостью. С ростом объема жидкости на ступени начало кольцевого режима достигается при большей скорости газа в каналах при этом
u_k  (H/D)^0,7. На тарелке с тангенциальным завихрителем переход в кольцевой режим происходит при существенно меньшей скорости газа, чем на плоской тарелке с осевым многолопастным завихрителем, что обусловлено влиянием радиуса R, который для тангенциального завихрителя имеет большую величину.

Зависимость критической скорости газа от плотности жидкости составляет u_k  (ρ_ж (1–φ)/ρ_г). Влияние вязкости жидкости на смену режима показано на рисунке 6.

Как установлено с увеличением коэффициента динамической вязкости жидкости (_ж /_г > 78) переход в кольцевой режим течения происходит при большей скорости газа, что вызвано высокими касательными напряжениями как между слоями вращающегося газожидкостного потока, так и на стенке контактной ступени.

Согласно данным, представленным на рисунке 7а, с увеличением радиуса окружности, на которой размещены щели, переход в кольцевой режим течения наблюдается при меньшей скорости газа, что согласуется с результатами расчета по уравнениям (1) и (4).

Выполнение тарелки на конус (рис. 1в) приводит к существенному снижению величины критической скорости, что обусловлено дополнительным влиянием проекции силы инерции на образующую конуса, которая способствует перемещению жидкости к периферии.

Следует отметить, что размещение на внутренней цилиндрической поверхности ступени ребер или установка в верхней части ограничителей приводит к гашению крутки потока и резко изменяет значение u_k в сторону ее увеличения.

Использование плоской осевой тарелки при нерадиальном размещении щелей (рис. 2а) не целесообразно из-за наличия большого уноса и низкой крутки потока.

Для расчета критической скорости газа получена зависимость в виде:

Уравнение (5) применимо при R = (60–80) мм, угле наклона каналов 30–40^о к касательной окружности и величине параметра (_ж /_г) = 55–78.

Рис. 5. Зависимость критической скорости газа от фактора крутки на сиcтеме «воздух – вода» при D = 100 мм, V = 200 мл; t = 15 °C. Экспериментальные точки (1–5): 1 – плоская тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n = 9–36 шт., δ0 = 1 мм, l = 10 мм; 2 – тангенциальный завихритель при n =18 шт., δ0 = 1 мм, l =10 мм; 3 – коническая тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n =16, δ0 = 1мм, l =26 мм, V = 200 мл; 4 – плоская тарелка с осевым многолопастным завихрителем на системе «этанол – воздух» при n = 18 шт., δ0 = 2 мм, l = 16 мм; 5 – плоская тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n = 9–36 шт., δ0 = 1 мм, l = 10 мм, V = 300 мл
	Рис. 6. Зависимость критической скорости воздуха от вязкости жидкости на тарелке с тангенциальным завихрителем при n = 18 шт., l = 10 мм, δо= 0,7 мм, f/F = 0,012. Экспериментальные точки (1–2): 1 – вода при температуре 10–60 °С; 2 – смесь «вода – глицерин»
Рис. 7а. Зависимость критической скорости газа от радиуса тангенциального завихрителя при t = 15 °C, V = 200 мм , f/F= 0,051			Рис. 7б. Зависимость отношения скоростей газа от фактора крутки на системе «воздух – вода» при D=100 мм; V = 100–300 мл, t = 15 °C. Экспериментальные точки (1–3): 1 – коническая тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n = 16 шт., l = 5–30 мм; 2 – плоская тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n = 36 шт., l = 30 мм; 3 – тарелка с тангенциальным завихрителем при n = 18 шт., l = 10 мм

.

(6)

,

(7)

,

(8)

Экспериментальные значения коэффициента сопротивления для разных типов сухой тарелки и ее конструктивных размеров представлены на рисунках 8 и 9.

Коэффициент сопротивления ξ возрастает с увеличением количества щелей на тарелке (местные сопротивления) и зазора щели δ₀, что вызвано увеличением масштаба турбулентных вихрей газа. Коэффициент сопротивления сухой тарелки не зависит от длины щели l и при Re > 1500 представлен в виде:

– тарелка с осевым многолопастным завихрителем:

;

(9)

,

(10)

Уравнения применимы при угле наклона каналов 30–40^о и величине (_ж /_г) = 55–78.

Неодинаковые показатели степени при n и δ_о в уравнениях (9) и (10) вызваны разными условиями ввода и вывода газа на тарелках. Разница в величине ξ для тарелок с тангенциальным и осевым завихрителями при равных условиях не превышает 20%.

Значения гидравлического сопротивления сухой тарелки от скорости газа на выходе из щели показаны на рисунке 10.

а)	б)
Рис. 8. Зависимость коэффициента сопротивления сухой тарелки с осевым многолопастным завихрителем (l =10 мм) от критерия Рейнольдса газа: а) точки при n = 36 шт.: 1 – δ0 = 0,7 мм; 2 – 1; 3 – 2; б) точки при δ0 =2 мм: 1 – n = 36 шт.; 2 – 18; 3 – 9; 4 – 4
а)	б)
Рис. 9. Зависимость коэффициента сопротивления сухой тарелки с тангенциальным завихрителем (D = 114 мм, l = 10 мм) от критерия Рейнольдса газа: а) точки (1–3) при n = 18 шт.: 1 – δ0 = 0,7 мм; 2 – 1; 3 – 2; б) точки (1–3) при δ0 = 1 мм: 1 – n = 36 шт; 2 – 18; 3 – 9
а)	б)
Рис. 10. Зависимость гидравлического сопротивления сухой тарелки с тангенциальным завихрителем при D = 110 мм, l = 10 мм. а) δо= 1 мм. Точки (1–3): 1 – n=36 шт.; 2 – 18; 3 – 9. б), n = 18 шт. Точки (1–3): 1 – δо= 2 мм; 2 – 1; 3 – 0,7 Линии – расчет по уравнениям (9) и (10)
а)	б)
Рис. 11. Зависимость сопротивления орошаемой тарелки от скорости газа при D = 100 мм, t = 15 °C: а) коническая тарелка с осевым многолопастным завихрителем при n=16 шт., δ0=1 мм, l = 26 мм. Точки (1–4): 1 – сухая, 2 - V=200 мл, 3 – 400, 4 – 600; б) тарелка с тангенциальным завихрителем при n = 18 шт., δ0 = 2 мм, l = 10 мм. Точки (1–3): 1 – сухая тарелка, 2 – V = 200 мл, 3 – 300. Пунктирные линии – начало кольцевого режима при V = 200 мл

Рис. 12а. Зависимость высоты вращающегося газожидкостного слоя от скорости газа в щели для плоской тарелки с осевым завихрителем при D = 110 мм и V = 100; 200; 300 мм. Точки (1–4): 1 – f/F = 0,09; 2 – 0,045; 3 – 0,022; 4 – 0,011. Пунктирная линия – начало кольцевого режима	Рис. 12б. Зависимость толщины газожидкостного слоя на ступени от скорости газа в канале для плоской тарелки с осевым завихрителем при D = 110 мм, t = 10 °C, V = 200 мл. Точки (1–3) – тарелка с тангенциальным завихрителем: 1 – f/F =0,031; 2 – 0,021; 3 – 0,015. Точки (4–5) – плоская тарелка с осевым многолопастным завихрителем: 4 – f/F =0,031; 5 – 0,011

Для оценки высоты вращающегося газожидкостного слоя получено уравнение в виде:

Для системы «воздух–вода» начало кольцевого режима визуально наблюдается при диаметре внутренней полости газожидкостного слоя 15–20 мм. Толщину газожидкостного слоя несложно рассчитать при наличии величин H и газосодержания j.

Как установлено и показано на рисунке13а, в начале кольцевого режима газосодержание на тарелке для осевого и тангенциального завихрителя практически одинаково и не зависит от фактора крутки.

С увеличением объема жидкости на контактной ступени величина газосодержания снижается (рис. 13б). Как показали локальные измерения j, при увеличении объема жидкости на тарелке доля не аэрируемой жидкости в периферийной зоне ступени возрастает. Газосодержание j ≈ (s/s_o)^0,2 и практически не изменяется при увеличении коэффициента динамической вязкости. С увеличением скорости газа в каналах для прохода газа наблюдается снижение газосодержания на тарелках (рис. 14а) вследствие уменьшения среднеповерхностного диаметра пузырьков газа (рис. 14б).

Для расчета величины газосодержания можно воспользоваться следующим соотношением:

,

(13)

Рис. 13а. Зависимость газосодержания на тарелке от фактора крутки в начале кольцевого режима при V = 200 мл и u = uк. Точки (1–2): 1 – тарелка с тангенциальным завихрителем при δ0 = 0,7–2 мм, n = 9–36 шт.; 2 – тарелка с многолопастным осевым завихрителем при δ0 = 0,7–2 мм, n = 18–36 шт.	Рис. 13б. Зависимость газосодержания на тарелке от величины объема жидкости при u = uк.. Точки (1–2): 1 – тангенциальный завихритель при δ0 = 0,7–2 мм, n = 18–36 шт., D = 101 мм; 2 – многолопостной осевой завихритель при δ0 = 0,7–2 мм, n = 9–36 шт.
Рис. 14а. Зависимость газосодержания от скорости газа в каналах при V = 200 мл, Точки (1–4): 1 – f/F = 0,089; 2 – 0,04; 3 – 0,032; 4 – 0,022. Сплошные линии и прозрачные точки для конической тарелки с многолопастным осевым завихрителем при n =16 шт, l = 26 мм, δ0 = 1 мм . Пунктирные линии – тангенциальная тарелка	Рис. 14б. Зависимость среднеповерхностного диаметра пузырьков от скорости газа на выходе из щели тарелки с осевым многолопастным завихрителем при f/F= 0,045, δо = 1–2 мм. Пунктирная линия – расчет по уравнению (16). Точки (1–2): 1 – эксперимент; 2 – расчет по уравнению (15) при δ0 = 1–2 мм

,

(14)

Диаметр пузырьков газа d_п зависит от величины зазора щели, скоростей газа и газожидкостной смеси, величины центробежной силы и практически не зависит от длины щели и их количества (рис. 16а). Изменение d_п от скорости газа в щели при разном факторе крутки представлено на рисунке 16б.

Расчет диаметра пузырька газа по известному уравнению [4], полученному из баланса сил при медленном истечении газа из отверстия с острыми кромками в неподвижную среду согласно

,

(15)

показывает (точки 2 на рис. 14б) удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными в начале барботажного режима.

Расчет d_п по уравнению [5], рекомендованному для пузырьков газа в турбулентном потоке сплошной среды (пунктирная линия на рис.14б), дает завышенные значения диаметра.

,

(16)

Различие между экспериментальными данными и расчетными показывает, что дробление пузырьков газа в жидкости на вихревой тарелке вызвано также силой инерции и касательными напряжениями между слоями газожидкостной смеси, что не учитывает зависимость (17).

а)	б)	в)		г)	д)
Рис. 15. Фотографии пузырьков газа в газожидкостном слое вихревой тарелки: а – барботажный режим, u = 7 м/c; б-г – кольцевой, 12–24; д – пленочный, 35
а)			б)
Рис. 16. Изменение среднеповерхностного диаметра пузырьков газа от количества щелей (а) и скорости газа (б) на тарелке с многолопастным осевым завихрителем при δо= 1–2 мм: а) u = uk; б) – точки (1–3): 1 – f/F =0,045; 2 – 0,02; 3 – 0,01. Пунктирная линия – начало кольцевого режима

Согласно проведенному анализу (см. табл.) межфазная поверхность на ступени с вихревой тарелкой существенно выше по сравнению с насадочной колонной. Аналогично удерживающая способность вихревой тарелки (рис.17б), так же как и среднерасходная скорость газа по сечению ступени в вихревой тарелке, имеет большие значения.

Рис. 17а. Зависимость межфазной поверхности от скорости газа в щели при разном факторе крутки на плоской конической тарелке с осевым многолопастным завихрителем при δо= 1–2 мм. Точки (1–3): 1 – f/F =0,045; 2 – 0,03; 3 – 0,02. Пунктирная линия – начало кольцевого режима	Рис. 17б. Зависимость удерживающей способности контактной ступени в вихревой и насадочной колонне в зависимости от скорости газа по сечению колонны. Пунктирная линия – насадочная колонна при D = 100 мм, Hст = 100 мм. Сплошная линия тарелка – с тангенциальным завихрителем при f/F = 0,045