Содержание к диссертации
Введение
1 Способы удаления сероводорода из технологических газов с выявлением наиболее перспективного. Анализ конструк ций аппаратов для проведения процесса абсорбции . 11
1.1 Необходимость очистки технологических и природных газов от серосодержащих соединений. 11
1.1.1 Методы утилизации попутного нефтяного газа. 13
1.2 Способы удаления серосодержащих компонентов из газовой смеси и аппараты для его осуществления . 14
1.3 Общие сведения о процессе абсорбции. 17
1.4 Основные типы аппаратов, для проведения процесса абсорбции, их основные достоинства и недостатки. 18
1.4.1 Пленочные (поверхностные) абсорберы. 19
1.4.2 Насадочные абсорберы. 23
1.4.3 Барботажные абсорберы. 25
1.4.4 Распылительные абсорберы 28
1.4.5 Горизонтальные аппараты для проведения процессов абсорбции при прямоточном движении сред. 34
1.5 Способы интенсификации массообменных процессов и пути их реализации. 38
1.6 Интенсификация массообмена при совмещении процесссов кавитационно-вихревого распыливания и барботажа. 40
1.6.1 Понятие кавитации. 40
1.6.2 Гидродинамическая кавитация 42
1.6.3 Диспергирование жидкости 44
1.6.4 Преимущества проведения массообменных процессов в аппаратах распыливающе барботажного типа 50
1.6.5 Кавитирование жидкой фазы как способ интенсификации массообменных процессов 50
2 Выбор прототипа устройства для проведения массообменн ых процессов с выявлением его основных достоинств и недостатков . 52
2.1 Анализ конструкции смесительного устройства 53
2.2 Описание конструкции и принципа работы устройства для диспергирования абсорбента . 58
3 Разработка устройства для проведения процессов абсорбции при прямоточном движении сред . 60
3.1 Прямоточная абсорбция углеводородов. 60
3.2 Анализ процессов перемешивания в экспериментальной модели аппарата.
3.3 Оценка работы смесителя с сегментными перегородками. 69
3.4 Исследование смесительных устройств с перфорированными перегородками. 72
3.4.1 Изменение основных характеристик при изменении расстояния между перегородками . 76
3.4.2 Исследование влияния глубины погружения сливной перегородки на движение контактируемых сред. 84
3.4.3 Процесс дробления дисперсной жидкости. 90
3.4.4 Теоретическое определение угла раскрытия факела распыла. 94
Создание конструкции массообменного аппарата для прове дения процессов в системе «газ-жидкость». 98
Разработка конструкций массообменных аппаратов. 98
Совершенствование технологической схемы промысловой очистки попутных нефтяных газов. 103
Основные выводы 106
Список литературы 107
- Способы удаления серосодержащих компонентов из газовой смеси и аппараты для его осуществления
- Интенсификация массообмена при совмещении процесссов кавитационно-вихревого распыливания и барботажа.
- Описание конструкции и принципа работы устройства для диспергирования абсорбента
- Изменение основных характеристик при изменении расстояния между перегородками
Введение к работе
Актуальность работы
В процессе добычи нефти на месторождениях выделяются легкие углеводороды в виде попутного нефтяного газа. Транспортировать или перерабатывать его в большинстве случаев нерентабельно, или невозможно, поэтому данное сырье приходится сжигать, ухудшая при этом экологическую обстановку.
Однако экологические проблемы, возникающие от многочисленных горящих факелов, заставляют нефтедобывающие компании и страны принимать самые эффективные меры по его утилизации.
Одним из видов оборудования используемых для очистки газа в нефтегазодобывающей промышленности являются массообменные аппараты. В таких аппаратах осуществляется процесс переноса вещества из одной фазы в другую. Абсорбция, как один из видов массообменных процессов, применяется: с целью получения готового продукта в виде насыщенного сорбента, извлечения ценных компонентов из газовой смеси и очистки газа от примесей перед их использованием в технологических процессах.
Интенсификация массообменных процессов дает возможность увеличить производительность технологических аппаратов, уменьшить их габаритные размеры, металлоемкость, сократить потребление энергии и многое другое.
Одним из перспективных направлений интенсификации абсорбционных, процессов, является проведение процесса в аппаратах конструкция которых, позволяет создавать два и более режима движения потоков, при котором взаимодействующие между собой среды движутся не только поступательно, но и вращательно, что позволяет значительно уменьшить габаритные размеры устройства, за счет увеличения поверхности контакта, повышая тем самым коэффициенты массоотдачи. При закрученном движении потоков наблюдается повышение эффективности перемешивания, приводящее к увеличению удельной поверхности контакта фаз и гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности.
Таким образом, совершенствование конструкций массообменных устройств для проведения абсорбционных, как и других видов обменных процессов, путем создания и оптимизации турбулентного движения контактирующих потоков является актуальной задачей.
На основании вышеизложенного, была определена цель и основные задачи исследования:
Цель работы
Разработать конструкцию прямоточного массообменного устройства, позволяющего повысить эффективность очистки попутных нефтяных газов от серосодержащих соединений и провести лабораторные исследования процессов диспергирования жидкости и барботажного смешения.
Основные задачи исследования
-
Повышение эффективности массообмена и уменьшения габаритных размеров оборудования и разработка конструкции абсорбера позволяющего проводить абсорбционный процесс в кавитационно-вихревом режиме.
-
Определение влияния перепада давления на режим работы аппарата, исследование гидродинамики прямоточного горизонтального абсорбера со смесительным устройством, выполненным в виде поперечных перегородок.
-
Провести лабораторные испытания, для проверки теоретических расчетов и проектно-конструкторских решений, с целью оптимизации конструкции абсорбера и повышения эффективности массообменного процесса в системе «газ-жидкость».
Научная новизна
Определен критерий в виде коэффициента глубины погружения глухой части перфорированной перегородки в абсорбент, позволяющий определить оптимальный режим работы прямоточного горизонтального абсорбера.
/
Методом имитационного моделирования аналитически обоснован механизм верификации системы расчета процесса абсорбции промышленных вертикальных абсорберов, применительно к разработанному горизонтальному прямоточному абсорберу.
Основные защищаемые положения
-
Предложена имитационная модель движения газожидкостного потока в разработанном горизонтальном прямоточном абсорбере.
-
Определена закономерность распределения перегородок в абсорбере
-
Методические основы конструирования новых горизонтальных абсорберов для низких давлений, на основе верификации методов расчета промышленных вертикальных аппаратов.
Практическая значимость
Практическая ценность работы заключается во внедрении для использования разработанной конструкции аппарата на предприятии «ОАО «Каустик» в процессах абсорбционной очистки газов, с целью снижения вредных выбросов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались:
-
VIII конгресс нефтегазопромышленников России «Проблемы ресурсо- и энергосбережения в технологиях освоения трудноизвлекаемых запасов углеводородов» (г.Уфа, 2009 г.);
-
I Международной конференции молодых ученых (г.Уфа, 2009 г.);
-
II Всероссийской научно-технической конференции. Уфа 2010 г.
Публикации
Основное содержание работы изложено в 6 публикациях, из них 3 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации
Способы удаления серосодержащих компонентов из газовой смеси и аппараты для его осуществления
Значительная часть добываемых природных и попутных нефтяных газов содержит неуглеводородные соединения. Из них в наибольших концентрациях в газах присутствуют сернистые соединения: сероводород, меркаптаны, сероокись углерода и сероуглерод, а также диоксид углерода и вода [1].
Сернистые соединения, углекислый газ и вода оказывают значительное влияние на качество природных и попутных газов, а также на работоспособность оборудования для их добычи, транспортировки и переработки. Извлечение неуглеводородных компонентов из газов повышает надежность работы и одновременно увеличивает ресурсы промышленного химического сырья. Наибольшее значение в качестве химического сырья и товарной продукции имеют такие компоненты природных и попутных газов как сероводород, меркаптаны, диоксид углерода и гелий.
Основным компонентом, определяющим главные технико-экономические показатели, является сероводород. Это объясняется, прежде всего, тем что высокая концентрация сероводорода приводит к повышенной коррозии оборудования, вызывает быстрое и не обратимое отравление катализаторов, применяемых в процессах переработки углеводородов. При сжигании газов с высоким содержанием сероводорода образуются большое количество токсичных оксидов серы, которые, попадая в атмосферу с дымовыми газами, оказывают негативное воздействие на экологию промышленных и прилегающих к ним районов [3-12].
В тоже время сероводород наряду с другими неуглеводородными компонентами природного газа может использоваться в качестве сыря для получения различных продуктов. Из сероводорода получают элементарную серу, этантиол и др.; смесь природных меркаптанов используется для одорирования газов, этан- и бутантиолы применяются при производстве инсектицидов и моющих средств [1]. Сера и её соединения используются в химической промышленности главным образом для производства серной кислоты, а также при изготовлении резины - для вулканизации каучуков, в бумажной промышленности при производстве целлюлозы. Сера и ее различные соединения находит применение при изготовлении эбонита, спичек, тканей и лекарств. В сельском хозяйстве сера применяется не только как составляющая минеральных удобрений, но и в качестве ядохимикатов при борьбе с вредителями [2].
Концентрация серосодержащих соединений в добываемых газах изменяется в широком диапазоне от тысячных долей до 25%. Поэтому все серосодержащие газы для рационального подпора технологического оборудования и способа переработки делят на группы. Согласно [1,2] такие газы делятся на слабосернистые, молосернистые и высокосернистые. При классифицировании учитывается не только концентрация серосодержащих компонентов в исходных газах, но и концентрация этих коипонентов в газах полеченных при регенерации сорбентов, а также экономическая целесообразность производства серы из газов регенерации.
К слабосернистым относятся газы, в которых содержание сероводорода меньше 20 мг/м , а меркаптанов не более 36 мг/м , то есть допустимых норм по отраслевому стандарту качества товарного газа [13]. Такие газы очистке от сероводорода не подвергаются.
К группе молосернистых относятся газы, в которых содержание сернистых выше концентраций допустимых для товарного газа. Понижение концентраций таких соединений, обычно достигается избирательным поглощением вредных примесей регенерируемыми сорбентами. Производство серы из регенерируемых газов считается неэффективным с экономической точки зрения, поэтому данный газ сжигают.
Сернистые или среднесернистые это такие газы, при очистке которых концентрация серосодержащих компонентов в регенерируемом газе позволяет использовать его в качестве сырья для производства серы: В: настоящее время за счет разработки именно таких месторождений происходит увеличение объемов добычи газа.
К высокосернистым относятся газы, добыча которых экономически целесообразна даже только для производства серы.
Деление серосодержащих газов на разные группы носит достаточно условный характер и, очевидно, что по мере техники и технологии переработки газа будет нуждаться в корректировке.
В последнее время, проблемы, связанные: с экологией приобрели чрезвычайно острый характер. Одни из самых актуальных - проблемы, связанные с вредными выбросами в атмосферу продуктов нефтехимической промышленной. Очистные системы большинства промышленных предприятий уже не соответствуют международным стандартам по допустимым промышленным выбросам.
Попутный нефтяной газ, поступающий с каждой добытой тонной нефти в объемах от 10 до 1000 м , во все времена и для всех нефтяных компаний был и остается большой помехой. Наиболее простым способом избавления от него стало, сжигание в факелах. Однако экологические проблемы, возникающие от многочисленных горящих факелов, заставляют нефтедобывающие компании и страны принимать самые эффективные меры по его утилизации без больших затрат.
Интенсификация массообмена при совмещении процесссов кавитационно-вихревого распыливания и барботажа.
Насадочные абсорберы (рисунок 1.4) получили наибольшее применение в промышленности из-за отсутствия необходимости в устройствах для распределения жидкости по каждому контактному элементу и представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне 1 (рисунок 1.4 а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако одним из недостатков насадочных абсорберов является неравномерность отекания жидкости по сечению колонны, обусловленная пристеночным эффектом. По мере движения вниз по аппарату эта неравномерность усиливается и из-за малого потока жидкости в приосевых зонах эффективность абсорбера заметно ухудшается. Для уменьшения поперечной неравномерности потока жидкости насадку загружают слоями, а в промежутках между ними размещают перераспределительные устройства 5 (рисунок \Аб), которые собирают жидкость к центру и обеспечивают более равномерное орошение насадки по сечению аппарата.
Жидкость в насадочной колонне течет по поверхности элемента насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидко 24 сти с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения на-садочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах по сравнению с пленочными абсорберами, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата [18-22, 24, :5,28,31].
Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допустимых скоростей газа и т.д.).
Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, изготовленных из различных материалов, которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса абсорбции.
В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига, диаметр которых изменяется в пределах от 15 до 150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50x50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - регулярной. Наиболее распространенные типы нерегулярных насадок представлены на рисунке 1.5.
Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом [18, 19,22 24-26]. а) кольца Рашига; б) кольца Палля; в) седлообразная насадка; г) кольца с внутренними спиралями; д) пропеллерная насадка; е)керамические блоки При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с увеличением размеров ее элементов увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насад очного абсорбера снижается.
Среди барботажных простейшими являются абсорберы со сплошным барботажным слоем (рисунок 1,4а). Здесь газ, проходя через распределительную решетку 1, дробится на пузырьки, которые поднимаются в слое жидкости. Недостатком этих аппаратов является интенсивная циркуляция жидкости в вертикальном направлении (продольное перемешивание), приводящая к снижению движущей силы процесса массообмена [22, 24, 25]. Вредное влияние продольного перемешивания уменьшают путем секционирования аппарата (рисунок 1.66) тарелками 1, обеспечивая небольшую высоту барботажного слоя в отдельной секции. При этом пузырьки таза собираются под каждой тарелкой, образуя сплошную газовую фазу 3. Давление в газовой фазе должно быть достаточным, чтобы газ барботировал через слой жидкости на расположенной выше тарелке. Жидкость уходит с тарелки либо через те же отверстия, что и газ, либо через переливные трубы 2 круглого или иного сечения, устанавливаемые внутри абсорбера (как показано на рисунке) или вне его, например, при необходимости отвода тепла.
КПД тарелок при проведении большинства абсорбционных процессов крайне низок — на уровне Это можно объяснить малой пропускной способностью процесса массопередачи: ограниченные поверхности массопередачи и невысокие скорости массопередачи. Дело в том, что из-за большой разницы в плотностях жидкости и газа время прохождения газовым пузырьком слоя жидкости мало (по сравнению с временем прохождения капель одной жидкости в другой — при проведении процессов экстракции). Вследствие малого времени контактирования жидкости и пузырей газа, а также ограниченной массообменной поверхности всех пузырей количество передаваемого из фазы в фазу вещества мало по сравнению с возможным при достижении равновесия.
Для увеличения поверхности контактирования используют тарелки с двухкратным диспергированием газового потока, например колпачково-ситчатые тарелки (рисунок 1.7). Здесь газовый поток проходит через патрубки I и, выходя из-под колпачка 2, барботирует в слой жидкости. Образовавшиеся при этом пузыри затем дополнительно диспергируются при прохождении через ситчатые элементы 3 тарелки. Однако даже для таких комбинированных тарелок с увеличенной и обновленной (при дополнительном диспергировании) поверхностью массопередачи КПД редко достигает 20%. Поэтому для абсорбции чаще, чем в случае других массообменных процессов, используют пленочные (насадочные) аппараты с развитой поверхностью контакта фаз. Однако ограниченные (из-за уноса капель и захлебывания) скорости газа в противоточных насадочных аппаратах предопределяют невысокие значения коэффициентов массоотдачи в газовой фазе и, следовательно, коэффициентов массопередачи.
Распылительные абсорберы. В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы [18, 19, 31]: - полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых распыление в основном за счет энергии жидкости; - скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыление происходит за счет энергии газа; - механические распиливающие абсорберы, в которых распыление шсходит за счет подводимой извне механической энергии.
Полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, представляю -собой колонны или камеры, в которых движется газ, встречающий на пути жидкость, распыляемую на капли при помощи форсунок (распылителей).
На рисунке 1.8 показаны некоторые типы распыливающих абсорберов. выполненных в виде полых колонн. Газ в них движется обычно снизу верх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны распылители с направлением факела распыла сверху вниз (рисунок 1.8а) или под некоторым углом к горизонтальной плоскости (рисунок 1.86).
Во многих случаях, особенно при большой высоте колонны, распылители располагают в несколько ярусов. При этом факелы распыла направляют сверху вниз или под углом к горизонтальной плоскости, либо снизу вверх [18]. Применяют также комбинированную установку распылителей часть факелом вверх, а часть - факелом вниз (рисунок 1.8в).
Описание конструкции и принципа работы устройства для диспергирования абсорбента
В случая гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью является снижение концентрационных или температурных градиентов в объеме аппарата.
При использовании перемешивания для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена. Это вызывает существенное ускорение процессов тепло и массообмена.
Перемешивание применяют в процессах абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других процессах нефтегазовой отрасли.
Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых сред. Широкое распространение в нефтяной промышленности получили процессы перемешивания в жидких средах. Различают следующие способы перемешивания в жидких средах: - механический - пневматический - перемешивание в трубопроводах - перемешивание с помощью сопел и насосов
Процессы механического, пневматического и циркуляционного смешивания требуют дополнительные подвода энергии. Рассмотрим наиболее простой способ перемешивания — перемешивание сред в трубопроводах, процесс смешения при этом будет происходить в условиях прямотока, а на его проведение затрачивается только энергия потока.
Процесс движения контакируемых сред в устройстве весьма сложный, поэтому целесообразно разделить внутреннее пространство аппарата на две секции: барботжную и распыливающую. В барботажной секции можно представить движение как истечение газовой струи из отверстий перегородки, такое истечение газа в жидкостях принято называть барботажем, характер которого зависит от давления и скорости газового потока на выходе из отверстия.
При малых подачах газа происходит пробулькивание через слой жидкости отдельных пузырьков, образующихся в непосредственной близости от стенок перегородки.
По мере увеличения подачи газа пузырьки выбрасываются дальше в слой жидкости, которая, насыщаясь ими, как бы кипит, образуя слой пены.
При дальнейшем увеличении подачи газ сплошным потоком направляется в жидкость и отодвигает ее, создавая около нижней части стенки газовую оболочку, через которую газ вырывается на пузырьки, которые, всплывая и перемещаясь в слое, увлекают за собой жидкость и тем самым создают интенсивное перемешивание.
С целью выявления условий оптимального режима барботажа, была произведена серия опытов с различным значением расхода жидкости, и варьираванием расстояния между перегородками, по которым пропускался воздух равного расхода.
В опытах с экспериментальной моделью (рисунок 3.1) диаметром 74 мм общей длиной 1200мм и расстояниями между перегородками 70 мм при сравнительно небольших расходах воздуха 10 м7ч, жидкость оттеснялась и вокруг выходных отверстий образовывались газовые струйки. При переходе к варианту с большими расстояниями между перегородками до 100 мм и одинаковом расходе воздуха, образовывалась застойная зона, где циркуляция смеси проходила медленно. Рисунок 3.1 - Общий вид экспериментальной модели.
При дальнейшем увеличении расхода газа происходит увеличение скорости потока в одной и той же зоне движения газа. В предельном случае газовый поток совершенно оттесняет жидкость и прокладывает себе свободный путь из нее; тогда принцип барботажа нарушается и условия массообмена между газом и жидкостью становятся неприемлемыми.
Одновременно с этим производилось изучение влияния расхода жидкости, на общий диаметр газового потока в жидкости, с целью решения вопроса оптимизации технологических параметров и определения оптимального режима работы устройства.
В связи с тем, что отсутствуют точные рекомендации при выборе расстояния в большинстве случаев они принимались из конструктивных соображений с целью оптимизации гидродинамического режима и перепада давлений.
Аппарат экспериментальной установки выполнен из стекла, и изменение диаметра оболочки газового потока наблюдается визуально, а размеры определяются с помощью линейки, расположенной с наружи. Расстояния между перегородками замеряются также при помощи линейки. Диаметр оболочки газового потока фиксируется периодическим открыванием и закрыванием вентиля, находящегося на трубопроводе, по которому подавался воздух.
Распределение газового потока (оболочки) в жидкости зависит не только от подачи газа, но и от конструкции перемешивающего устройства. Поэтому для экспериментов взяты три варианта конструкции: с расстоянием 45, 70, 100мм. Устройство представляет собой металлический штырь с зафиксированными на нем перегородками с отверстиями. Перфорация на перегородках выполнена таким образом, чтоб соблюдался оптимальный режим барботажа, при котором распределение пузырьков газа происходит по всему объему жидкости, в пространстве между сливной и погружной перегородками.
Процесс массообмена в зоне распыливания зависит от скорости движения газа в зоне распыления, относительной скорости движения частичек абсорбента, создаваемой распылительным устройством поверхности контакта абсорбента с газом, температуры контакта, степени загрязнения газа, качественных характеристик абсорбента и т. д.
Преимущество способа при распылении абсорбента обеспечивается за счет создания большой поверхности обмена. Распыление осуществляется специальными соплами с образованием значительного числа капель с большой общей поверхностью, т. е. меньшими размерами. Кроме того, должна поддерживаться высокая скорость движения капель и их хорошая распределяемость в газовом потоке. Пределом увеличения поверхности контакта веществ практически является такое распыление, при котором его мельчайшие частицы превращаются в туман.
Внутри конуса распыления происходит не только быстрый массообмен, но и выравнивание температур газа и жидкости. Поэтому абсорбент может подаваться при температурах, отличающихся от температуры газа. Для сравнения различных конструкции устройств для смешения используем компьютерное моделирование с применением программного комплекса FiowVision v2.3.
В FiowVision численное интегрирование уравнении по пространственным координатам проводится с использованием прямоугольной адаптивной локально измельченной сетки, в расчетах использовали простую равномерную неадаптивную сетку 25x25x60 с измельчением в области установки смесительного устройства.
Изменение основных характеристик при изменении расстояния между перегородками
Глубина погружения глухой части перфорированной перегородки в жидкость, на данном этапе исследований определялась как основной параметр, характеризующий гидравлическое сопротивление аппарата. Как утверждалось ранее при увеличении глубины погружения, турбулизация потока возрастает и качество смешения увеличивается, но при этом резко возрастают потери давления.
Как показало исследование процесса смешения при прохождении потоком через смесительное устройство, потерн энергии (потери давления) уменьшаются при уменишении глубины погружения глухой части перфорированной перегородки в жидкость.
Кроме представленных выше конструкций смесительных устройств на основе перегородок, позволяющих увеличить эффективность процесса смешения и, соответственно, интенсифицировать тепло-массообменные процессы за счет нестационарности их проведения, возможно применение их различных комбинаций. 3.4.3 Процесс дробления дисперсной жидкости
К внешним - аэродинамическим силам относятся взаимодействие распыляемого компонента со средой, в которую он впрыскивается. Их значение зависит от плотности окружающей среды, скорости струи и размеров капель жидкости. К внешним силам относятся также силы взаимодействия при пересечении струй или при встрече струй с твердой стенкой. С увеличением скорости движения струи относительно среды, в которую происходит впрыск, влияние внешних сил растет, что приводит к быстрейшему ее дроблению и, следовательно, к улучшению качества распыления.
К внутренним силам относятся молекулярные силы и турбулентность потока. В струе вытекающей жидкости возникают турбулентные пульсации, интенсивность которых зависит от плотности, вязкости, перепада давления, а также от конструкции распылителя. Увеличение скорости истечения способствует увеличению интенсивности турбулентных пульсаций, что в свою очередь, улучшает качество диспергирования жидкости [86-92].
Дробление струи, и образование капель происходит следующим образом. При впрыске жидкости образуется пелена, которая под действием внешних сил и турбулентных пульсаций распадается на частицы различной формы и величины. Малые частицы под действием поверхностного натяжения принимают форму шара и образуют капли, а крупные продолжают распадаться.
С процессом дробления отдельно взятой капли в потоке газа неразрывно связана осцилляция капель, за счет циркуляции в них жидкости. Авторами [34, 89, 93-98] установлено, что циркуляция внутри капли возникает, когда при данном размере капли относительная скорость обтекающей ее сплошной среды достигает определенного критического значения. Исходя из этого, можно предположить, что при постоянной заданной относительной скорости газовой фазы все капли условно делятся на капли малого диаметра (стабильные без внутренней циркуляции) и капли большого диаметра (подверженные деформации и дроблению). Критический диаметр разделяющий капли на малые и большие определяется из критерииального уравнения:
Разрушение капель, согласно [89] начинается при появлении отрывного течения сплошной среды в кормовой части капли. Для количественной оценки уровня устойчивости капли используется критерий Вебера, определяющий соотношение инерционных сил и сил поверхностного
Критерий Вебера, при котором происходит разрушение капли называется критическим. Для определения этой величины необходимо учитывать физические свойства жидкости. Поэтому авторами [34, 89] для учета различных факторов определяющих устойчивость капли установлена связь критерия Вебера с критерием Рейнольдса, определяющим режим обтекания капли:
Авторы [94] считают, что схема первичного дробления струи на капли вследствие турбулентного воздействия может служить только в качестве упрощенной модели процесса распыливания жидкости. И предлагают схему распада струи строящейся на предположении, что причиной разрушения единого потока жидкости на капли являются не только турбулентные, но и кавитационные явления, соотношение которых зависит от физико-химических параметров потока.
Появление в жидкости полостей, как было отмечено ранее, происходит при равенстве давлений в рассматриваемом объеме и насыщенных паров жидкости при данных условиях. Отсюда следует, что явление кавитации можно вызвать понижением давления в жидкой фазе, повышением давления насыщенных паров или этими одновременными действиями. В сопле форсунки кавитация возникает за счет резкого увеличения гидродинамического напора жидкости, при котором гидростатический напор и, соответственно, давление уменьшаются. Повышение скорости потока, увеличивающее гидродинамический напор, достигается уменьшением площади проходного сечения канала [79].
Образованные в сопле форсунки каверны на выходе из сопла, где давление обычно близко к атмосферному, исчезают, разрушая целостность струи. Образование кавитационных полостей носит периодический характер с частотой, зависящей от скорости потока.
С увеличением скорости потока кавитационные пузырьки образуются не только на поверхности, но и внутри струи, и из сопла выходит парожидкостная смесь. Интенсификации- кавитации во всем сечении струи способствует завихренное движение потока.
Исследования дробления струи вязкой жидкости в работе [84] показали, что наиболее эффективное дробление струи возникает при скорости 8-10 м/с.
Полученные данные подтверждаются работой [94], в которой отмечается увеличение более чем в два раза числа срывов кавитационных каверн при изменении скорости с 4,3 до 8 м/с. Согласно тем же исследований дальнейшее увеличение скорости до 11,2 м/с приводит лишь к 47%-му росту числа срывов кавитационных каверн.
Дт жидкостей с малой вязкостью (вода, бензол, метанол, толуол и д.р. [99-102]) оптимальной скоростью истечения жидкости, согласно [103], считается 15-25 м/с.
Кроме этого на процесс диспергирования жидкостей значительное влияние оказывает комплекс критериев Вебера и Рейнольдса, который определяет режим разрушения капель [34, 89, 90]. Режим 1. Возникает при- 4 We 20 и 0,1 We-Re 0 5 0,8 - простое деление (на 2-4 капли), при котором размер вторичных капель близок к размеру основных.
Для центробежных форсунок в общем случае тангенс угла раскрытия факела равен отношению тангенсальной и осевой составляющей вектора скорости. В разработанном устройстве значительное влияние на истечение жидкости из сопла оказывает радиальная составляющая скорости, приобретенная потоком в корпусе форсунки, поэтому минимальный угол раскрытия факела распыла определяется по формуле: Величина угла раскрытия факела распыла увеличивается при увеличении угла раствора срединной конической поверхности канала в корпусе форсунки.
Аналогичная зависимость рассматриваемого параметра наблюдается от угла отклонения вектора скорости на выходе из форсунки от радиально-осевого направления, причем , чем выше интенсивность закрутки потока, тем меньше влияние на раскрытие факела оказывает угол раствора срединной поверхности канала.
