Исследование гидродинамических характеристик

вихревого аппарата

Голягин А.В. (GAV VP@rambler.ru), Халитов Р.А., Махоткин А.Ф.

Казанский государственный технологический университет им. С.М. Кирова

Применение вихревого режима взаимодействия газовой и жидкой для интенсификации различных физико-химических и тепломассообменных процессов химической технологии является актуальной задачей. В настоящее время разработано большое количество различных конструкций вихревых тепломассообменных контактных устройств (ВКУ) для интенсификации процессов абсорбции, ректификации, дистилляции, пылеочистки и др. Применение ВКУ позволяет увеличить диапазон устойчивой работы и производительность аппаратуры при одновременном повышении эффективности тепломассообменных процессов. Наиболее сложными с точки зрения разработки новых конструкций аппаратов являются процессы регенерации отработанных сернокислых растворов, концентрирования фосфорной кислоты. Это связано с высокой коррозионной активностью серной и фосфорной кислот при высоких температурах. Существующие в промышленности конструкции аппаратов выполнены футерованными природными кислотоупорными материалами.

Для концентрирования отработанной серной кислоты применяются барботажные аппараты «Хемико» и распылительные концентраторы типа труба Вентури. Процесс концентрирования серной кислоты в этих аппаратах сопровождается образованием значительного количества тумана серной кислоты и диоксида серы. Образование токсичных компонентов в этих аппаратах происходит в результате перегрева и разложения серной кислоты [1, 2, 3].

Наиболее перспективным для интенсификации процесса концентрирования отработанной серной кислоты является применение вихревого режима взаимодействия газовой и жидкой фаз. Конструкция вихревого концентратора должна быть при этом простой, обеспечивающей возможность изготовления его футерованной из природных кислотоупорных материалов.

Нами разработана конструкция вихревого аппарата с односопловым входом газа (ОВКУ), представленного на рис. 1. и состоящего из вертикального канала входа газа 1, горизонтального канала 2 и контактного патрубка 3 [4]. Горизонтальный канал расположен тангенциально относительно контактного патрубка. Вход жидкости в вихревое односопловое устройство осуществляется через патрубок 4 расположенный в вертикальном канале. Вихревое устройство работает следующим образом. Газовый поток входит через вертикальный канал и подхватывает жидкость, поступающую через патрубок 4. Образующийся при этом высокодисперсный газожидкостной поток движется по горизонтальному каналу и через щель поступает тангенциально во внутрь контактного патрубка. Внутри контактного патрубка вращающийся вихревой газожидкостной поток поднимается вверх. В пространстве между верхним срезом контактного патрубка и брызгоуловительной ступенью 5 происходит сепарация газовой и жидкой фаз (сепарационная зона 6). Газовая фаза проходит через брызгоуловительную ступень и выходит из аппарата.

Жидкость

Рис. 1 Вихревой аппарат с односопловым входом газа.

А жидкость стекает на тарелку 7 и выводится из аппарата. При этом обеспечивается равномерное орошение стенок аппарата жидкостью и исключается образование зон локального перегрева и разложения кислоты.

Одним из основных требований к конструкции вихревого аппарата является обеспечение минимального брызгоуноса жидкости со ступени при невысоком гидравлическом сопротивлении и высокой удерживающей способности. Проведены экспериментальные исследования влияния режимных и конструктивных параметров на гидродинамические характеристики ОВКУ: гидравлическое сопротивление, удерживающую способность, брызгоунос.

Для проведения исследований была разработана и смонтирована экспериментальная установка (рис.2).

Рис. 2 Схема экспериментальной установки. 1 - высоконапорная газодувка; 2 - центробежный насос; 3 - вихревой аппарат с односопловым входом газа; 4 - задвижка; 5 - шибер; 6, 7 -вентиль; 8 - ротаметр; 9, 10 - кран; 11, 12 - мерная ёмкость; 13, 14 - дифференциальный манометр; 15 - ёмкость; 16 - нормальная диафрагма.

Исследования проводились в диапазоне изменения расходов газовой (G) и жидкой (L) фаз (L/G) от 0,01 до 2,5 кг/кг. Были исследованы три конструкции ОВКУ: 1 - ОВКУ без сепаратора; 2 - ОВКУ с завихрителем, представляющим глухой стакан, боковая сторона которого выполнена в виде лопаток, перекрывающие друг друга (рис. 3); 3 - ОВКУ с сепаратором тороидального типа (рис. 4).

Рис. 3 Вихревой аппарат завихрителем. 1 - контактный патрубок; 2 - корпус установки; 3 - брызгоуловительная ступень; 4 - завихритель.

Рис. 4. Вихревой аппарат с сепаратором тороидального типа. 1 - контактный патрубок; 2 - корпус установки; 3 - брызгоуловительная ступень; 4 - тороидальный сепаратор.

На первом этапе были проведены исследования ОВКУ без сепаратора. При этом изменялась величина относительного зазора (8/D = 0,313 - 1,0 м/м) между срезом контактного патрубка и брызгоуловительной ступенью. На втором этапе исследования проводились с установкой сепараторов различного типа. В ходе проведения эксперимента получены зависимости гидродинамических характеристик от режимных параметров: скорости газа в щели м/с) и плотности орошения жидкости L (м3/м2 ч).

Целью проведения первого этапа было определение влияния изменения величины относительного зазора 5/D на гидродинамические характеристики ОВКУ без сепаратора.

На основании полученной зависимости (рис.5) можно сказать, что увеличение относительного зазора 8/D не оказывает влияния на величину гидравлического сопротивления сухого (не орошаемого) ОВКУ. Получено эмпирическое уравнение, описывающее эту зависимость:

АРС}х = 0,0639W5(1)

Гидравлическое сопротивление сухого ОВКУ приблизительно пропорционально квадрату скорости газа в щели, что характерно для автомодельного режима движения однофазного потока в вихревом контактном устройстве.

Гидравлическое сопротивление орошаемого ОВКУ (рис. 6) возрастает с увеличение ско-роста газа и плотности орошения от 1,37 до 5,69 кПа.

Рис. 5. Зависимость гидравлическогоРис. 6. Зависимость гидравлического

сопротивления сухого ОВКУ АРсухсопротивления орошаемого ОВКУ АРор от

от скорости газа в щели Wn, при различ-скорости газа в щели Wn, при различных плот-

ных значениях 8/D:ностях орошения L, м3/м2ч:

◊ - 0,313; А - 0,563; ж - 1,01 - 2,5; 2 - 6,3; 3 - 9,7; 4 - 13,2; 5 - 16,7; 6 - 20,40

и 5/D: ◊ - 0,313; о - 0,563; А - 1,0.

При наличии двух фаз изменяется не только формы движения таких систем, но и их природа, так как решающее влияние оказывает взаимодействие между фазами. Поэтому невозможно описать режимы двухфазной системы обычными для однофазных потоков понятиями, такими как «ламинарный» или «турбулентный» поток [5].