Содержание к диссертации
Введение 5
Основные обозначения ЇЗ
Часть I. Гидродинамика и массообмена ори слабом взаимодействии потока газа со стекающей пленкой жидкости
1.О. Введение 18
Глава Ї. Свободное отекание пленки жидкости
І.1. Теоретические модели гладкой пленки 21
І.Ї.Ї. Ламинарное течение 2Ї
I.I.2. Турбулентное течение 24
1.2. Средняя толщина пленки 35
Ї.2.І. Влияние входного участка 35
1.2.2. Влияние кривизны трубы 38
Ї.2.З. Измерение и расчет средней толщины пленки 43
Ї.З. Эффективная скорость поверхностного слоя при течении пленок в вертикальных трубах 51
Ї.З.Ї. Влияние ПАВ 62
1.3.2. Влияние малых добавок полимера 63
1.4. Профили скорости и интенсивности турбулентности в стекающих пленках 66
Глава 2. Волновые характеристики стекающих пленок жидкости
2.1. Введение. Краткий обзор теоретических работ 86
2.Ї.Ї. Возникновение волн 86
2.Ї.2. Регулярный волновой режим 90
2.2. Волновая структура свободной поверхности стекающих пленок жидкости Ї02
2.2.1. Гладкий входной участок 104
2.3. Волновые характеристики крупных и мелких волн 106
2.З.Ї. Влияние длины трубы 107
2.3.2. Частота волн 112
2.3.3. Скорость перемещения волн ІЇ5
2.3.4. Длина волн 119
2.3.5. Заключение 21
Глава 3. Потери напора и профили скорости газа в орошаемых трубах
3.1. Введение 122
3.2. Расчет ламинарного течения газа во входном участке трубы орошаемой безволновой пленкой жидкости 127
З.2.Ї. Установившееся нисходящее течение газа 127
3.2.2. Нисходящее течение газа во входном участке колонны 28
3.2.3. Увлечение газа пленкой жидкости Ї36
3.2.4. Численный расчет поля скоростей газа нисходящем прямоточном и противоточном
движении фаз 145
3.3. Коэффициенты гидравлического сопротивления при нисходящем прямоточном и противоточном движений фаз 159
3.3.. Гладкая поверхность пленки Ї62
3.3.2. Течение в закрытой трубе ( Ug. = 0) 166
3.3.3. Влияние относительной скорости и критическое число Рейнольдса 69
3.3.4. Эмпирические зависимости для расчета Я 70
3.3.5. Механизм влияния волновой структуры поверхности Ї82
3.4. Профили скорости газа Ї90
3.4.. Ламинарный поток газа Ї9Ї
3.4.2. Турбулентный поток газа 97
Глава 4. Массообмен в стекающих пленках
4.1. Введение 203
4.2. Эмпирические зависимости 205
4.2.1. Сопоставление с опубликованными данными 24
4.3. Массоотдача в гладкой пленке 26
4.4. Влияние волнообразования 223
4.5. Модель массообмена во втором ламінарно волновом режиме 225
4.6. Механизм массообмена при турбулентном течении пленки жидкости 230
Результаты исследования и основные выводы 369
Литература 372
Приложения
Введение к работе
В современной технике, главным образом в области химической технологии и энергетик», за последние десятилетия все более широкое применение находят двухфазные пленочные потоки, исследованию которых во всем мире уделяется большое внимание.
Вызванные развитием энергетики работы суммированы в прекрасных монографиях Кутателадзе и Стыриковича [ї] , Уоллиса [2] , Хію-итта и Холл-Тэйлора [з, 4] и в ряде других, где даны общие представления о гидравлике двухфазных газожидкостных систем. Обобщения, связанные с применением пленочных течений в химической технике значительно менее обширны вследствие многообразия процессов и необходимости учесть очень широкий спектр рабочих условий. Здесь можно назвать монографии Тананайко и Воронцова [5 ] , Соколова и Доманского [ 6 ] , Олевского и Ручинского [ 7 ] . Отдельные аспекты гидродинамики, тепло- и массообмена при пленочных течениях нашли отражение и в ряде других книг Г8-Ї4} .
Несмотря на многочисленные попытки теоретической трактовки, основным инструментом изучения процессов, протекающих в двухфазных потоках, в современных условиях является эксперимент. В результате развитияи совершенствования экспериментальных методов и накопления сведений о структуре двухфазных потоков и механизме процессов, протекающих в них, механика двухфазных сред интенсивно развивается. Однако еще более быстрыми темпами растут потребности практики.
Основные тенденции развития колонного массообменного оборудования свидетельствуют о больших перспективах использования пленочных течений при разработке абсорберов, десорберов, ректификаторов, испарителей, конденсаторов, теплообменников и химических реакторов вследствии расширяющегося применения не только трубчатых и пластинчатых аппаратов, но и регулярных насадок, позволяющих проводить процесс в широком диапазоне нагрузок по фазам при пониженных энер - 6 гозатратах.
Однако распространение в промышленности методов интенсификации тепло- и массообмена на основе использования двухфазных газожидкостных потоков в значительной мере сдерживается в связи с тем, что общая теория двухфазных течений в настоящее время находится еще в стадии становления, отчасти из-за отсутствия эксприменталь ных данных фундаментального характера, а существующие эмпирические методы расчета не отражают всех основных сторон явления.
Наименее изучено нисходящее прямоточное движение пленки жидкости и потока газа. В то же время примеры практической реализации нисходящего прямотока фаз в теплообменниках, десорберах и химических реакторах свидетельствуют, что такая форма организации потоков на ступени контактного аппарата является одним из наиболее перспективных путей интенсификации тепло- и массообмена, снижения габаритов аппаратов и их металлоемкости, а в ряде случаев также существенного снижения энергозатрат.
Настоящая работа, в которой обобщены результаты цикла исследований, проводившихся в ИОНХ АН СССР с Ї967 по Ї984 гг., была предпринята с целью изучения основных закономерностей гидродинамики и массообмена при двухфазном течении жидкости и газа в трубах в режиме нисходящего прямотока и противотока фаз и создания на этой основе теоретически обоснованных методов расчета интенсивного массообменного оборудования.
Разработка методов расчета пленочных массообменных аппаратов, в особенности для случая нисходящего однонаправленного движения фаз, на основе всестороннего экспериментального и теоретического изучения гидродинамики и массообмена в двухфазных потоках является важной народнохозяйственной задачей. Эта тематика предусмотрена Координационными планами важнейших научно-исследовательских работ АН СССР по направлению "Теоретические основы химической технологии" на 970-75 гг., 976-80 гг. и 981-85 гг.
Изучение рассматриваемых в диссертации вопросов представляет и естественнонаучный интерес, поскольку пленочные течения, наряду с пузырями, каплями и струями, - одна из основных форм движения двухфазных потоков, широко распространенная в природе.
Весь материал диссертации разделен на две части: перенос количества движения и массы при слабом ( главы -4) и при сильном ( главы 5-9) гидродинамическом взаимодействии фаз в условиях нисходящего прямоточного и противоточного движения жидкости и газа в трубе с орошаемой стенкой. Такое деление материала обусловлено тем, что постепенное изменение количественных характеристик системы -нагрузок по фазам - приводит при некоторых критических значениях этих величин к качественно новому типу взаимодействия потоков.
В достаточно широкой области изменения нагрузок течение газа не оказывает существенного влияния на среднюю и локальную толщину пленки и волновые характеристики. В этом режиме, который будем называть областью слабого гидродинамического взаимодействия фаз, вся жидкость движется в виде тонкого слоя, стекающего по стенке трубы или плоского канала.
Если при противоточной организации движения газа и жидкости явление захлебывания характеризует начало сильного взаимодействия фаз и кладет резкую грань между двумя видами пленочного течения -противоточного и восходящего прямоточного, - то в случае нисходящего прямотока переход от слабого к сильному гидродинамическому взаимодействию фаз, казалось бы, не столь очевиден.Однако и в этом случае экспериментальный материал, характеризующий изменение толщины пленки, потерь напора и скорости массообмена от расхода газа и плотности орошения,свидетельствует о сравнительно быстром,резком переходе от одних закономерностей, справедливых при слабом взаимо - 8 -действии, к другим, свойственным сильному гидродинамическому взаимодействию фаз. Это позволяет найти количественную связь между числами Рейнольдса для пленки жидкости и потока газа, определяющую границу рассматриваемых областей.
При сильном гидродинамическом взаимодействии фаз волнообразование, толщина и скорость течения пленки начинают существенно зависеть от скорости газового потока, а с гребней волн срываются капли жидкости. Структура двухфазного потока резко изменяется\ Таким образом, использование различных по структуре корреляционных уравнений и механизмов, их объясняющих, для случаев слабого и сильного взаимодействия фаз отражает физическую сущность явлений.
В основу изложения каждой части диссертации, как и всего материала в целом, положен системный принцип, ориентирующий на последовательный, постадийгый поиск механизмов целостности изучаемого объекта и выявления типологии его связей.
В главе ї рассмотрено свободное отекание пленки жидкости. Дано описание турбулентного течения гладкой пленки, учитывающее распределение касательного напряжения и влияние молекулярной вязкости во всем потоке, а также удовлетворяющее условию равенства нулю производной на свободной поверхности. Экспериментально показано, что средняя толщина пленки, среднерасходная скорость жидкости и профиль осредненной скорости могут быть удовлетворительно описаны на основе предложенных теоретических зависимостей. Приведены формулы для расчета средней толщины пленки, позволяющие учесть влияние кривизны трубы и проиллюстрирована справедливость этих соотношений в широком диапазоне изменения вязкости жидкости. Показано, что модель гладкой пленки в большинстве случаев позволяет достаточно хорошо описать осредненные характеристики течения жидкости. Однако, проведенные в работе измерения свидетельствуют также, что мгновенные значения скоростей при ламинарно-волновом течении имеют пульсационный характер, а распределение интенсивности турбулентности по сечению потока отличается от обычно постулируемого в теориях.
Влияние волнообразования проявляется при попытке оценить скорость поверхностного слоя жидкости. Разработан метод определения и измерена скорость поверхностного слоя пленки жидкости, стекающей по стенке вертикальной трубы, при ламинарно-волновом и турбулентном режимах течения, что позволило получить принципиально новые результаты. Показано, что волнообразование приводит к снижению поверхностной скорости по сравнению с гладкой пленкой. Получены эмпирические зависимости в безразмерных переменных, позволяющие производить оценку поверхностной скорости во всем практически важном диапазоне нагрузок.
В главе 2 приведены результаты измерения волновых характеристик стекающих пленок«жидкости. Установлено, что реальные волновые профили имеют ясно выраженную двухволновую структуру и существенно отличаются от регулярного волнового режима. На основании обработки экспериментальных данных получены эмпирические зависимости для расчета частоты, скорости и длины крупных и мелких волн при ламинарно-волновом и турбулентном режимах течения пленки жидкости.
Результаты изучения поверхностной скорости и волновых параметров стекающей пленки жидкости позволили дать более глубокую теоретическую интерпретацию экспериментально измеренных потерь напора и профилей скорости газа в орошаемых трубах ( гл. 3). Теоретически решена задача о ламинарном течении газа во входном участке орошаемой трубы при нисходящем прямоточном и противоточном движении фаз и проанализированы особенности, обусловленные существованием возвратных течений. Измерены коэффициенты гидравлического сопротивления Я и на основе теоретической модели Конобеева-Жаворонкова найдена количественная связь л и волновых параметров стекающей пленки жидкости. Впервые количественно показано, что гидравли - 10 -ческое сопротивление орошаемых труб определяется наличием мелких волн на поверхности пленки. Измерены профили скорости газа и аналитически найдена связь между коэффициентом неоднородности поля скоростей и коэффициентом гидравлического сопротивления при ламинарном и турбулентном течении газа в орошаемых трубах.
В гл. 4 на основе обширных экспериментальных исследований получены корреляционные зависимости для расчета массоотдачи в жидкой фазе в трубчатых пленочных колоннах различной длины при свободном отекании и в условиях нисходящего прямотока и противотока фаз. Показано, что следует различать короткие колонны, для которых коэффициенты массоотдачи fi, зависят от длины пробега пленки, и длинные, для которых эта зависимость вырождается. Результаты измерения волновых параметров и профилей интенсивности турбулентности по сечению пленки жидкости позволили раскрыть механизм влияния волн и турбулентных пульсаций на скорость массообмена. Предложены модели массоотдачи в пленке жидкости при ламинарно-волновом и турбулентном режимах течения, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Последующие главы посвящены описанию плєночно-дисперсного потока при нисходящем прямоточном движении газа и жидкости. Целью этой части исследования была разработка метода независимого расчета таких наиболее важных для практики параметров как средняя толщина пленки, перепад давления, брызгоунос и скорость массообмена в жидкой фазе.
В гл. 5 приведено уравнение разграничивающее режимы слабого и сильного гидродинамического взаимодействия фаз и на основе экспериментального исследования предложены соотношения для расчета средней толщины пленки в области сильного гидродинамического взаимодействия фаз при ламинарно-волновом и турбулентном течении жидкости.
Глава 6 посвящена изучению волновых параметров на различных расстояниях от оросителя в широком диапазоне изменения нагрузок по фазам. В гл. 7 получены карта режимов брызгоуноса и корреляционные соотношения для расчета количество уносимой потоком газа жидкости Е; установлена закономерность изменения брызгоуноса по длине трубы и показано, что для длинных колонн зависимость Е от длины колонны вырождается. Измерены профили дисперсной фазы по сечению и по длине трубы.
В гл. 8 на основе экспериментального исследования потерь напора представлен обобщенный график, охватывающий все основные реализуемые на практике режимы изменения коэффициента гидравлического сопротивления Я от нагрузок по фазам и предложены корреляционные соотношения для расчета J . Измерены профили скорости газа по сечению орошаемой трубы и установлено, что форма профиля существенно зависит от количества жидкости, унесенной с поверхности пленки и находящейся вблизи границы раздела жидкость - газ.
Глава 9 посвящена изучению массотдачи в жидкой фазе. Впервые получена карта режимов массообмена, охватывающая область слабого ( два ламинарно-волновых и турбулентный) и сильного ( два режима) взаимодействия фаз. На основе экспериментального исследования предложены корреляционные уравнения для расчета коэффициентов массоот-дачи в условиях сильного взаимодействия фаз, учитывающие изменение jB по длине колонны. Разработана теоретическая модель массообмена в условиях брызгоуноса, которая хорошо коррелируется экспериментальными данными.
Выше изложены новые научные результаты, полученные в диссертации, которые выносятся на защиту. В работе вскрыты общие закономерности переноса количества движения и массы в нисходящих пленочных потоках, установлена количественная связь между гидродинамическими параметрами и кинетикой массообмена.
Результаты теоретического и экспериментального исследования закономерностей гидродинамики и кинетики массообмена при физической абсорбции в условиях нисходящего прямоточного движения фаз позволили получить расчетные соотношения для определения основных характерне, тик пленочных аппаратов: средней толщины пленки, средней и поверхностной скорости ее течения, потерь напора, брызгоуноса, коэффициентов массоотдачи, критических скоростей, характеризующих границы режимов.
Эти соотношения составили основу методов расчета промышленного оборудования, вошедших в Доводящие технические материалы Минхим-маша РМ 26-0Ї-7Ї-75 "Испарители со стекающей пленкой. Методика теплового и гидродинамического расчета", а также использованы в РШ 26-0Ї-Ї38-82 "Аппараты выпарные пленочные с восходящей пленкой (Метод теплового и гидравлического расчета)".
Результаты диссертационной работы и методы расчета нашли применение при проектировании и создании высокоэффективных пленочных де-сорберов на ГЕЮ "Азот", пленочных аппаратов для регенерации абсорбентов на Новочеркасском заводе синтетических продуктов, отдувки водорода и других горючих примесей из раствора моноэтаноламина (ІШІ) и в ряде других производств.
