ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ГАЗА В СЛОЕ СТРУКТУРИРОВАННОЙ СЕТЧАТОЙ НАСАДКИ Степыкин А.В.,Сидягин А.А.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева


Номер: 12-1
Год: 2016
Страницы: 147-150
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

массопередача, диффузия, турбулентная диффузия, абсорбция, mass transfer, diffusion, turbulent diffusion, absorption

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В работе выполнено определение коэффициентов турбулентной диффузии в газовой фазе для насадочного контактного устройства, состоящего из пластинчатых теплообменных модулей и сетчатой насадки. Полученные зависимости позволяют проводить теоретический анализ эффективности контактного устройства и может использоваться при инженерном расчете.

Текст научной статьи

При разработке теоретических моделей для описания работы массообменных контактных устройств и определения их эффективности, как правило принимают допущения о степени перемешивания потоков в них. Существуют различные подходы к выбору степени перемешивания в контактных устройствах (тарельчатого типа). На различия результатов при расчетах полной эффективности контактного устройства в этих случаях указывал еще В. Льюис, а позднее И.А. Александров и А. Брамбилла. Вопрос о реальной степени смешения для каждого контактного устройства требует исследования в каждом конкретном случае. Одной из причин перемешивания в контактных устройствах легкой фазы является турбулентная диффузия. Турбулентный поток газа, восходящий от устройства к устройству имеет сложную вихревую структуру, порождающую пульсации скорости в перпендикулярном направлении. Кроме турбулентной диффузии массо- и теплоотдача происходит за счет молекулярной и конвективной диффузии. Механизм турбулентного перемешивания одинаков, и для импульса, и для теплопроводности, и для диффузии [1]. Теоретические модели перемешивания легкой фазы в результате турбулентной диффузии и влияние такого перемешивания на эффективность колонных аппаратов приведены в работе [2]. Основным параметром этих моделей являются коэффициенты переноса тепла Eq и вещества Em. Данные коэффициенты должны быть примерно равны между собой: Eq ≈ Em. Значения коэффициентов могут сильно отличаться в ядре турбулентного потока и на границе раздела двух фаз. Дело в том, что в ядре потока коэффициенты очень высоки и, согласно, [2] количество тепла и вещества, переносимое молекулярной диффузией ничтожно мало, нежели за счет переноса турбулентными вихрями. При этом коэффициенты турбулентной диффузии в приграничных зонах сравнимы с коэффициентами молекулярного переноса тепла и массы. Основной проблемой при определении таких коэффициентов является отсутствие достаточного количества экспериментального материала по данному направлению. Как правило, в каждом конкретном случае конструкции контактного устройства, коэффициенты могут сильно варьироваться. Целью настоящей работы является определение коэффициентов турбулентной диффузии, характерных для газовой фазы, проходящей через комбинированное блочно-модульное контактное устройство [3]. Аналогичные исследования проводились ранее разными авторами при проходе газа через тарельчатые контактные устройства. Наиболее подробно такие исследования представлены в работе [2]. Установлено, что величина Eq изменяется в пределах 0.01…0.03 м2/с и зависит от скорости газа в колонне. Также отмечено, что перенос тепла в поперечном направлении за счет турбулентной диффузии примерно в 1000 раз больше, чем за счет молекулярной. Механизм передачи тепла и вещества в насадочном контактном устройстве существенно отличается от аналогичных процессов переноса в тарельчатом аппарате. В тарельчатом аппарате пространство для газа ограничено лишь стенками и горизонтальными плоскостями тарелок, поэтому турбулизация в ядре значительна. Напротив, в насадочном контактном устройстве, объем аппарата заполнен насадкой и в условиях движения газа в каналах не происходит значительного роста турбулентной диффузии, так как пульсациям не удается развиться в достаточной степени. Для теоретического описания движения газа в каналах исследуемого устройства проведен анализ известных моделей Левича В.Г. [4] и Кутателадзе С.С. [5] для слоистых течений. За основу описания были выбраны данные модели. Дело в том, что движение газа, в целом, близко к движению жидкости, в стационарном режиме и атмосферном давлении, с той лишь разницей, что турбулизация потока значительно выше, что можно учесть введением коэффициентов турбулентной диффузии. В данном случае коэффициент турбулентной диффузии включен в зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе: , (1) где Δ0 - толщина диффузионного подслоя, для турбулентного режима по [5], которая определяется , (2) где ρг - плотность газа, кг/м3; τгр - граничное напряжение между фазами, Н/м. Для определения τгр проводят преобразования уравнений неразрывности потока и Навье-Стокса по [5]. Согласно [5] получено уравнение вида . (3) Несомненно, величина вязкого подслоя будет достаточно мала, однако она играет важную роль в формировании общего потока. Граничное трение с каждой стороны канала определяется при интегрировании (3), с подстановкой у = 0. , (4) Для каждой из границ будет иметь место условие , (5) . (6) Для определения коэффициента турбулентной диффузии проводят расчет Δ0, определяют коэффициент молекулярной диффузии D и приравнивают к экспериментально определенным коэффициентам массоотдачи в газовой фазе. Экспериментальное исследование зависимости коэффициента массоотдачи в газовой фазе от массовых скоростей газа и жидкости для изучаемого контактного устройства проводили на лабораторном стенде, приведенном на рисунке 1. Основным рабочим узлом в установке является колонна К. Для транспортирования рабочих сред используются центробежный вентилятор В, вихревые насосы Н1,2. Исследование массообменных характеристик для анализа коэффициентов турбулентной диффузии в контактном устройстве было произведено в работе [6]. Подставляя значения показателей массоотдачи в газовой фазе в зависимость (1) можно получить значения ED. Получен средний коэффициент турбулентной диффузии, характерный для пластинчатых модулей и сетчатой насадки. Для пластинчатых модулей коэффициент ED = 0,000044 м2/с, для сетчатой насадки предлагается определять по зависимости: , (7) Рис. 1 - Схема лабораторного стенда К -колонна; В - вентилятор; Е1,2- емкости; Кр- калорифер; Н1…2 - насосы; G - ротаметры; Т - термометры; М - психрометры; dP - дифманометры Общий коэффициент турбулентной диффузии для комбинированного устройства, состоящего как из пластинчатых модулей, так и из сетчатой насадки примерно в 10 - 20 раз больше коэффициента молекулярной диффузии. Результаты обработки экспериментальных данных по зависимости (1) для колонны, диаметром 200 мм, с объемной долей пластинчатых теплообменных модулей xп = 45 % приведены на рисунке 2. Таким образом, анализируя полученные результаты можно заключить, что турбулентная диффузия значительно снижается на границе перехода фаз. Разница коэффициентов для разных устройств составляет примерно 2 порядка. Причем при наличии непроницаемой стенки коэффициент турбулентной диффузии практически не зависит от скорости газового потока в рабочем диапазоне его работы (0,5 - 2,5 м/с), хоть и превосходит коэффициент молекулярной диффузии. В случае проницаемой стенки коэффициент значительно повышается и зависит от скорости. В ядре потока (в тарельчатом контактном устройстве) турбулентная диффузия является доминирующей, а молекулярная практически не влияет на перенос вещества и тепла. Рис. 2 Коэффициенты массоотдачи со стороны газовой фазы кривая, соответствует: 1 -пластинчатым элементам, 2 -сетчатой насадке, 3 -колонне 200 мм и xп = 45 % Полученные результаты рекомендуется использовать при моделировании разработанного контактного устройства. Турбулентная диффузия в газовом потоке на поверхности непроницаемых теплообменных модулей слабо зависит от скорости ( разница не более 15%) , при движении преимущественно через сетчатую насадку - зависимость от скорости потока пропорциональна степени 0.5. Таким образом, можно заключить, что увеличение доли сетчатых элементов в блоке устройства значительно ускоряет массоотдачу в нем.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.