Обзор научных статей по современным теоретическим исследованиям гидродинамики двухфазных потоков

 

Для восходящего потока газожидкостной смеси  в канале между опускной трубой и корпусом аппарата было получено уравнение следующего вида [28]

φ_г.в = 6,72 .    (1.27)

 

В работе [28] диаметр опускных труб составлял 0,02 и 0,026 м, диаметр сопел менялся от 7·10^-3м до 13·10^-3м. В работе [8] исследовалось движение газожидкостной смеси в трубах, d_тр = 0,018; 0,024; 0,032 и 0,036 м, а диаметр сопел варьировались d₀= 0,003÷0,009 м. Как видно параметры исследованных сопел и труб в этих работах были одинаковыми и полученные данные могут быть использованы  для сравнительных анализов в дальнейшем.

К этим работам может быть добавлено  исследование, выполненное в работе [2], в котором изучались вопросы увеличения инжектирующей способности струй. В этой работе не определялось значение φ_г, но имеются данные по значениям Q_г и Q_ж в трубе диаметром d_тр= 0,027м, представленные в виде графиков.

Исследование режимов работы КСИА было выполнено в работе [13], в которой впервые было показано, что работу аппарата по мере увеличения характеризуют три основных режима:

– начальный устойчивый режим;

– неустойчивый режим;

– устойчивый режим.

Работа КСИА в условиях начального устойчивого режима характеризовалась  постепенным заполнением опускной трубы газожидкостной смесью. Увеличение объема газожидкостной смеси происходило  с увеличением расхода жидкости через сопло, т.е. с увеличением Q_ж и, соответственно, с увеличением скорости  истечения v₀. По мере достижения пузырьками унесенного воздуха нижнего конца трубы и перетоку их в подъемную трубу наступал неустойчивый режим, связанный с коалесценцией пузырей и образованием крупных газовых включений («снарядов»), которые прорывались вверх по опускной трубе. Прорыв «снарядов» приводил к частичному заполнению верхней газовой емкости жидкостью и изменению длины свободной струи до L_c= 0. Инжекция газа прекращалась и газосодержание в опускной трубе уменьшалось. Снижение  газосодержания (при постоянной подаче жидкости)  приводило к обратному эффекту, уровень газожидкостной смеси резко понижался, L_c возрастала, Q_г увеличивалось, что приводило к увеличению φ_г в опускной трубе и интенсивной коалесценции пузырей в потоке. При дальнейшем увеличении Q_ж приведенная скорость жидкости увеличивалась настолько, что газовые «снаряды» выталкивались в подъемную трубу и двигались в ней, вызывая пульсации давления  в дополнительной верхней газовой емкости. Дальнейшее увеличение Q_ж приводило к такой гидродинамической обстановке в трубах при которой образование «снарядов» в опускной трубе не происходило и в ней наблюдалась пузырьковая структура газожидкостного потока. Однако при этом в опускной трубе наблюдалось понижение уровня газожидкостной смеси, т.е. верхняя часть опускной трубы оказывалась незаполненной жидкостью. Понижение уровня газожидкостной смеси в опускной трубе при больших расходах Q_ж отмечалось и в работах [9; 17], однако никаких объяснений, причин происходящего явления, а, тем более, количественного описания сделано не было.

Наличие описанных выше явлений  очевидно связано с величиной  гидравлических сопротивлений потоку газожидкостной смеси движущейся по каналу образованному опускными  и подъемными трубами КСИА, а также  величиной гидравлических сопротивлений  в сливной трубе. Оценки этих параметров в известных нам работах не производилось, т.к. не это являлось целью исследований. С определенной степенью условности можно принять  в рассмотрение работы, посвященные определению гидравлических сопротивлений в трубах газлифтного реактора, представленного в работе [22]. Отличие конструкции описанной в работе [22] от КСИА заключается в том, что диспергирование газовой фазы в газлифтном аппарате осуществляется через отверстия в трубах, а у КСИА свободной струей. Сходство этих конструкций определяется наличием вертикальных труб, образующих циркуляционный контур, по которому движется газожидкостной поток.

Авторами [22] представлен подход гидродинамического расчета аппарата, который был успешно расширен и применен в работе [13] к конструкции КСИА. Допуская условия стационарности в двухфазном потоке, авторы работы [22] рассмотрели баланс давлений в двух сечениях циркуляционного контура газлифтного аппарата и получили расчетное уравнение, позволяющее вычислить его гидравлическое сопротивление.

Аналогичный подход был применен и  в работе [13], но уже к конструкции КСИА с рециркуляцией жидкости между опускными и подъемными трубами.

Однако в этих работах [13; 22] были сделаны большие допущения, касающиеся оценки коэффициентов гидравлических сопротивлений трения.

В частности, коэффициенты трения по длине λ брались для гидравлически  гладких труб, т.е. из уравнения полученного для однофазных потоков, с последующей коррекцией, для двухфазных потоков, через объемное газосодержание φ_г. Оценки справедливости такой коррекции не проводилось. Кроме того, не учитывалось влияние пузырьков на интенсивность турбулизации жидкости и сопротивление самих пузырьков в нисходящем потоке.

Выше отмечалось, что для КСИА наблюдались три режима работы. Начало устойчивого уноса газа в трубы  считалось началом устойчивой работой  аппарата [13]. При этом пульсации уровня газожидкостной смеси в трубах прекращались. Было установлено, что движение газожидкостной фазы  по трубам начинается с определенного значения приведенной скорости жидкости. Для ее расчета в работе [13] была предложена зависимость следующего вида

                  .  (1.28)

 

Аналогичные по форме зависимости  были получены для аппарата с рециркуляцией  фаз в трубах КСИА [26]

  (1.29)

 

и для петлевого аппарата с одной  опускной трубой [91]

 

.  (1.30)

 

Различие в коэффициентах пропорциональности в уравнениях (1.28÷1.30) можно объяснить  различными значениями гидравлических сопротивлений каналов за опускной трубой. В последнем случае выход  газожидкостной смеси из опускной трубы  происходил в свободное жидкостное пространство, где сопротивление  от стенок корпуса практически равно  нулю. В двух первых случаях переток газожидкостной смеси происходил в подъемную трубу. 

Во втором случае (КСИА с рециркуляцией  фаз) значение газосодержания в опускной трубе было меньше, чем в первом, что связано с частичной рециркуляцией жидкости из подъемной трубы и выравниванием давления газовой фазы в верхней газовой емкости 2 (рис. 1.2.1. и 1.2.4.)

Изменение давления в газовых емкостях 1 и 2 может существенно влиять на начало работы. Разность давлений в этих емкостях будет определять (в условиях стационарного режима) величину Н_см в опускной трубе. Поэтому для КСИА, одной и той же геометрии и размеров труб, уровень газожидкостной смеси Н_см может варьироваться и, частично, либо заполнять основную верхнюю газовую емкость, либо уходить в опускную трубу.

Прямых экспериментальных измерений  диаметра пузырей, возникающих в  газожидкостном потоке после диспергирования  их струей и при движении этого  потока по трубам КСИА, не проводилось. Тем не менее, как будет показано ниже, знание этого параметра имеет  важное значение, как с точки зрения оценки массообменных характеристик КСИА, так и с точки зрения расчета гидравлических сопротивлений при движении газожидкостного потока по трубам и прогнозирования основных параметров самого потока.

Газожидкостной поток образованный свободной струей жидкости является высоко турбулизованной средой. В этом режиме механизм дробления пузырьков газа может моделироваться с использованием теории изотропной турбулентности [10; 25]. Если рассматриваемый жидкостной объем достаточно мал, то турбулентные потоки могут рассматриваться изотропными и гомогенными. В работе [30] показано, что для этих условий максимально устойчивый размер пузырька может быть рассчитан по уравнению

,    (1.31)

где К – параметр являющийся функцией других сил влияющих на стабильность поверхности пузырька.

Ниже (см. табл.) приведен обзор работ, в которых уравнения (1.29) было применено для оценки .

В большинстве случаев экспериментальные  значения d_п получали не непосредственным измерением этой величины, а путем измерения УПКФ и φ_г. Затем, используя уравнение,

                                   d_п =      (1.32)

получали  среднее значение d_п в рассматриваемом объеме. Данные по изменению d_п по высоте и сечению труб в КСИА отсутствуют.

Из выше изложенного можно сделать  некоторые выводы, касающиеся непосредственно  поставленной цели. В процессе движения по трубам газожидкостная смесь теряет свою потенциальную энергию, что  приводит к снижению интенсивности  турбулентности в жидкой фазе. В результате этого по ходу движения газожидкостной смеси происходит увеличение среднего диаметра пузырей и, как следствие, активная их коалесценция, что в свою очередь, ведет к снижению скорости массопередачи из-за уменьшения величины поверхности контакта фаз. Для исключения этого нежелательного эффекта необходим дополнительный ввод энергии с целью увеличения интенсивности турбулентности жидкостной фазы и, как следствие, редиспергирования газовой фазы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнения для расчета

№ п/п	Расчетное уравнение	Конструкция аппарата	Система газ-жидкость	Применения параметров	Литер. исто-чник
1		Аппарат с мешалкой	-водные  растворы гликоля - водные  растворы глицерина		[71]
2		Эрлифный аппарат			[31]
3		Барботажный аппарат			[85]
4		Аппарат с мешалкой	несмешивающиеся жидкости		[67]
5		КСИА	теоретическая зависимость		[32]
6		КСИА	воздух-вода		[3]
7		КСИА	воздух-вода		[3]
8		Сосуд с мех. мешалкой	воздух- водные растворы электролитов	Коэффициенты пропорциональности в ур.8–10 безразмерные величины	[71]

 

 

 

 

Продолжение таблицы

 

№ п/п	Расчетное уравнение	Конструкция аппарата	Система газ-жидкость	Применения параметров	Литер. исто-чник
9		–//–	ССl4 метанол, октанол		[71]
10		–//–	толуол, хлорбензол, ксилол		[71]
11		гори-зонтальная труба	воздух-вода, воздух – водный раствор  глицина, воздух-бунанол воздух-карбонол		[98]
12			ПВА – паурил сульфата	фактор эластичности пкф	[98]

 

Технически это целесообразно  выполнить путем установки дополнительных сопел над сливными трубами (рис. 1.2.5.) Установка дополнительных сопел  над сливными трубами позволяет  не только подвести энергию к газожидкостному  потоку, но и существенно увеличить  производительность КСИА по газовой  фазе. Следует отметить, что такие  данные были получены на модели КСИА с  диаметром труб d_тр = 27мм. Таких значений i не было зафиксировано ни в одном, из известных, исследовании по уносу газа свободными струями жидкости [23]. На данный момент какое-либо удовлетворительное объяснение этого явления отсутствует. Это связано с тем, что комплексные исследования гидродинамической обстановки возникающей в рабочем объеме КСИА с дополнительным соплом не проводились.

 

 

Список литературы

 

1. А.с. №975043(СССР). Газлифтный абсорбер/ Ибрагимов С.Х., Иванова Т.Я., Лепилин В.Н., Новоселов А.Г., Тишин В.Б. – Опубл. в БИ,  
   № 43, 1982.
2. Анисимов С.А., Тишин В.Б. О механизме дробления пузырьков газа в турбулентном газожидкостном потоке. Интенсификация процессов пищевых производств, оборудования и его совершенствование. СПб,: СПбТИХП, 1992. – С. 30–36.
3. Гуляева Ю.Н. Исследование процесса культивирования хлебопекарных дрожжей при условиях высокой концентрации биомассы в кожухотрубном струйно-инжекционном ферментаторе (КСИФ). Дисс.   канд.тех.наук. – СПб, 1998. – 53 с.
4. Дужий А.Б., Тишин В.Б. Исследование механизма уноса газа жидкими струями. Межвуз.сб.науч.тр. "Процессы, управление, машины и аппараты пищевой технологии". – С-Петербург, 1998. – С. 46–49.
5. Дужий А.Б. Исследование процесса инжекции газа свободными жидкими струями в кожухотрубном струйно-инжекторном абсорбере для производства пищевых продуктов. – Дисс… канд.техн.наук. – Спб.: СПбГУНиПТ, 2001. – 136 с.
6. Дужий А.Б., Тишин В.Б. Объяснение механизма уноса газа жидкой свободной струей на основе экспериментального исследования ее  структуры. – СПб.: Известия СПбГУНиПТ, 2000, № 1. – С. 127–133.
7. Ермаков С.С. Интенсификация процесса сатурации в аппаратах для приготовления и порционной выдачи газированных напитков. – Диссерт. к.т.н., Л., 1983. – 173 с.
8. Жукова Т.Б. Исследование и моделирование барботажных реакторов колонного типа. Итоги Науки и Техники. ВИНИТИ. Серия. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: 1991, т.18. – С. 1–100.
9. Ибрагимов С.Х. Гидродинамические характеристики струйно-инжекционных кожухотрубных сатураторов. – Дисс. … канд. техн. наук. – Л.: 1984. – 119 c.
10. Ибрагимов С.Х., Новоселов А.Г., Тишин В.Б. Исследование газосодержания и инжектирующей способности струи в струйно-инжекционных кожухотрубных абсорберах. Интенсификация  процессов и оборудования пищевых производств. Межвуз.сб.науч.тр.-Л.:ЛТИХП, 1983. – С. 97–103.
11. Кашинский О.Н., Рандин В.В., Лобанов П.Д., Чимитов Т.Д. Опускное пузырьковое течение при малых расходных газосодержаниях. – Теплофизика и аэромеханика, 2004, т. 11, № 4. – С. 619–624.
12. Коган. Теоретические основы типовых процессов химической технологии: Л: Химия, 1977. – 592 с.
13. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочник-пособие – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367 с.
14. Лебедева Т.Я. Исследование гидродинамических характеристик кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА) с внутренней рециркуляцией фаз. – Дисс.… канд. техн. наук. СПб, СПбГУНиПТ, 2004. –  
    151 с.
15. Меткин В.П. Поверхность контакта фаз в барботажных эрлифтных аппаратах. – В кн.: Интенсификация процессов и оборудования пищевых производств. Л.: ЛТИХП, 1980. – С. 34–38.
16. Меткин В.П., Соколов В.Н. К вопросу пневмодиспергирования и коалесценции пузырьков воздуха в газожидкостных системах. – В кн.: Процессы, управление, машины и аппараты пищевой технологии. Л.: ЛТИХТ, 1984. – С. 10–14.
17. Новоселов А.Г. Массообмен и поверхность контакта фаз в струйно-инжекционных кожухотрубных сатураторах. – Дисс. … канд. техн. наук, Л., ЛТИХП, 1985. – 134 с.
18. Новоселов А.Г. Интенсификация массообмена между газом и жидкостью и разработка высокоэффективных аппаратов для пищевой и микробиологической промышленности. Дисс.   … докт. техн. наук. – СПб, 2002. – 362 c.
19. Прохорчик И.П. Интенсификация процесса инжекции воздуха свободными струями жидкости в кожухотрубных струйно-инжекционных аппаратах. – Дисс. … канд. техн. наук – Л. 1989. – 125 с.
20. Сивенков А.В., Лебедева Т.Я., Новоселов А.Г., Гидродинамика газожидкостных потоков в кожухотрубном струйно-инжекторных аппаратах (КСИА) I. Гидродинамика КСИА без рециркуляции фаз. – М.: Вестник МАХ, 2005, № 4. – С. 6–10.
21. Сивенков А.В., Лебедева Т.Я., Новоселов А.Г., Гидродинамика газожидкостных потоков в кожухотрубном струйно-инжекторных аппаратах (КСИА) 2. Гидродинамика КСИА с рециркуляцией фаз. – СПб.: Известия СПбГУНиПТ, 2005, № 1. – С. 105–108.
22. Соколов В.Н., Яблокова М.А. Аппаратура микробиологической промышленности. – Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд., 1988. – 278 с.
23. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976. – 214 с.
24. Тишин В.Б., Новоселов А.Г., Лебедева Т.Я., Дужий А.Б. Проблемы уноса газа свободными турбулентными жидкостными струями. Анализ экспериментальных и теоретических данных. – Известия СПбГУНи ПТ, СПб, 2002, № 3. – С. 80–89.
25. Уоллис Г.Б. Теоретические модели газожидкостных течений./ Теоретические основы, 1982, т. 104, № 3. – С. 94–99.
26. Baird M.H. Dropled diameter in agitated liquid-liquid system. –Chem.Eng.Sci, 1979, v. 34. – Р. 1362–1368.
27. Japan Society of Mechanical Engineers (JSME) Trans. ASME. J. Fluids Eng, 2004, v. 126, № 4. – Р. 505–706.
28. Ohkawa A., Kusabaraki D., Kawai I., Sakai N., Endoh K., Some flow charakteristics of a vertical liquid jet system having downcomers. – Chem. Eng. Sci., 1986, v. 41, № 9. – Р. 2347–2361.
29. Ulbrich R. Identyfikacia przeptywu dwufazowego gaz-ciecz.-opole, wyzsza szkola inzynierska w opolu, 1989. – 199 c.
30. Walter J.F., Blanch H.W. Bubble break-up in gas-liquid bioreactors: break-up in turbulent flows. Chem.Eng.J., 1986, v. 32. – Р. B7–B17.