РАЗМЕРЫ ЗОН СМЕШЕНИЯ БАРБОТАЖНОГО ЭКСТРАКТОРА

АННОТАЦИЯ

В зоне внутреннего смешивания исследуемого барботажного экстрактора движение жидкости и газа происходит в прямоточном потоке и во внешней зоне смешивания – в противоположном потоке. Для того чтобы зоны смешивания работали в равно интенсивном гидродинамическом режиме, значения количества газосодержания должны быть равными. Это достигается путем правильного выбора размеров зон смешивания, в которых перемешиваются жидкость и газ. В статье представлены результаты теоретического и экспериментального исследования, проведенного при определении размеров зоны смешивания аппарата.

ABSTRACT

In the inner mixing zone of the tested suspended extractor, the fluid and gas flows in the stream and the external mixing zone moves in a contradictory flow. In order for these mixing zones to operate equally in hydrodynamic mode, their gas values should be equal. This is achieved by the correct selection of the dimensions of the mixing zones of the liquid and gas. The article presents the results of theoretical and experimental research carried out in determining the size of the mixing zone of the apparatus.

Ключевые слова: барботажный экстрактор, зоны смешивания, газовые подушки, скорость жидкости, газосодержание, коэффициент, газоотводящие отверстия, размерный коэффициент, скорость газа.

Keywords: bubbling extractor, mixing, gas pillows, fluid velocity, gas content, coefficient, gas outlets, dimensional factor, gas velocity.

Введение. Современное развитие экстракторов, работающих в системах жидкость – жидкость, включает два основных направления. Первый – это создание интенсивно работающих устройств с большой единичной мощностью. Во-вторых, разрабатываемые устройства должны быть простыми и надежными, чтобы обеспечивать низкое энергопотребление, управление, очистку и регулировку. Исходя из этих требований, мы разработали конструкцию барботажного экстрактора с простой конструкцией, не содержащей механических смесительных частей [5]. Процесс дробления тяжелой фазы на капли в экстракторе легко регулируется изменением расхода инертного газа.

Объект и метод исследования. Объектом исследования является экспериментальная установка барботажного экстрактора, созданная на кафедре «Технологические машины и оборудование» Ферганского политехнического института и установленная на лабораторном стенде кафедры. Получены следующие рекомендуемые формулы расчета внутренней и внешней зоны смешения экстрактора.

Устройства и принцип работы экстрактора представлены на рис. 1.

Легкая жидкость из верхней части отстойной зоны нижележащей секции аппарата через нижный открытый торец газораспределительной насадки 5 поступает во внутрь патрубка 3. Туда же через отверстия 8 переточных трубок 7 поступает тяжелая жидкость из нижней части отстойной зоны вышележащей секции аппарата.

При совместном движении снизу вверх внутри патрубка 3 жидкость интенсивно перемешивается барботирующим инертным газом, который поступает от «газовой подушки» под перегородкой 2 через отверстие 6. Затем смесь жидкостей движется сверху вниз в кольцевом канале между патрубками 3 и 4 и выходит в отстойную часть секции, где капли тяжелой жидкости оседают в сплошной слой, при этом границу раздела легкой и тяжелых жидкостей определяет положение верхнего среза переточных трубок 7 для тяжелой жидкости.

Во время движения сверху вниз в кольцевом канале между патрубками 3 и 4 жидкости перемешиваются дополнительной порцией инертного газа, который подается из «газовой подушки» через отвестия 13 трубочек 12.

Устойчивая работа такого экстрактора зависит от равномерного распределения инертного газа во внутрь патрубка 3 и в кольцевой канал между патрубками 3 и 4 для создания там равных гидродинамических режимов, определяемых равенством объемных газосодержаний. Но это связано с преодолением определенных особенностей работы аппарата, поскольку внутри патрубка 3 смесь жидкостей и инертный газ находится в прямоточном режиме, а в кольцевом канале между патрубками 3 и 4 смесь жидкостей и инертный газ движутся в противоточном режиме.

При прямоточном движении жидкости и инертного газа объемное газосодержание определяется по зависимости [1; 8; 3; 7; 9; 6, с. 158–163]:

.                                               (1)

При противоточном движении жидкости и инертного газа объемное газосодержание можно определить по зависимости:

,                                            (2)

где w'_с – приведенная скорость жидкости внутренних перемешивающихся зон аппарата, м/с;

w''_с – приведенная скорость жидкости внешних перемешивающихся зон аппарата, м/с;

j' – газосодержание в неподвижной жидкости.

Для расчета j' предложено эмпирическое уравнение [2; 8; 3]:

,                                                      (3)

где ω_г – приведенная скорость газа в зоне смешения, м/с.

С целью проверки возможности использования зависимостей 1, 2, 3 для расчета объемных газосодержаний φ в смесительных зонах барботажного экстрактора нами в лабораторных установках аппарата проводились экспериментальные исследования, и полученные результаты опуликованы [1; 8; 3].

В аппаратах барботажного типа основное влияние на гидродинамический режим и на газосодержание оказывают скорость движения газовой фазы. Режим движения газовой фазы внутри жидкости принято условно делить на 2 основные группы;

1) барботажный режим, который существует при приведенных скоростях газа w_г ≤ 0,1 м/с;

2) режим каолесцирующих пузырей, который сушествует при приведенных скоростях газа w_г ˃ 0,1 м/с.

В барботажном режиме газосодержание φ_0,φ₁ ≤ 0,3 [7; 6, с. 99–105]. По этому для равномерной и устойчивой работы перемешивающихся зон аппарата должно соблюдатся условие φ₀ = φ₁.

Для выполнения этих условий нужно правильно выбрать поперечное сечение трубы внутренних и внешних перемешивающихся зон аппарата.

Диаметр внутреннего барботажного патрубка определяется в зависимости расхода экстрагируемой жидкости следующим уравнением, м;

,                                            (4)

где 𝑄 – расход экстрагируемой жидкости, м³/час;

 – скорость экстрагируемой жидкости при движении во внутренних барботажных патрубках, м/с.

Внутренний диаметр кольцевого канала определяется с таким условием, что скорость жидкости меньше скорости газа, поскольку в этой зоне движение жидкостей и газов противоточно.

.                                                     (5)

В противном случае если скорость жидкости высокая, то газовые пузырьки выходят в нижнюю часть кольцевого канала через отстойные зоны аппарата. В результате этого уменьшается интенсивность перемешивания жидкостей в кольцевом канале.

Или надо учесть и умножить на скорость газа коэффициент размерности Κ, который учитывает скорость жидкости, тогда неравенство (5) имеет вид:

,                                                (6)

где Κ –­ коэффициент размерности, который определяется экспериментальным путем.

Скорость газа, проходящего вдоль поверхности поперечного сечения кольцевого канала, определяется в зависимости от газосодержания по следующему уравнению, м/с [2]:

,                                        (7)

где а –­ коэффициент, соответствующий скорости отдельного пузырька (а = 0,3 ÷ 0,32 м/с);

φ₁ – объемное газосодержание во внешних барботажных патрубках [1; 8; 3].

Площадь поперечного сечения кольцевого канала определяется следующим уравнением, м²:

S_к = S_вн –S₀= ,                                       (8)

где S_вн – общая площадь поперечного сечения внешних барботажных патрубков, м²;

S₀ – площадь поперечного сечения внутренних барботажных патрубков, м²;

D – внутренний диаметр внешнего барботажного патрубка, м;

D₀ – внешний диаметр внутреннего барботажного патрубка, м (рис. ­1).

Расход жидкости, протекаемой через площадь поперечного сечения кольцевого канала, определяется следующим уравнением, м³/час:

 -×3600,                                   (9)

где  ­– расходная скорость жидкости в кольцевом канале, м/с.

Из уравнения (9) получим, м/с:

.                                          (10)

Подставляя значения уравнений (7) и (10) в уравнение (6), получим, м/с:

Κ.                           (11)

Из уравнение (11) получим, м:

.                                (12)

Из уравнения (12) найдем внутренний даиметр внешнего барботажного патрубка, м:

.                              (13)

С помощью уравнения (13) определяется диаметр внешнего барботажного патрубка в зависимости от скорости газа и жидкости. Это дает возможность интенсивного и равномерного перемешивания экстрагируемых жидкостей во внутренних и внешних перемешивающихся зонах барботажного экстрактора.

Полученные результаты. Для проверки полученной формулы (13) проведены экспериментальные исследования на экспериментальной установке барботажного экстрактора (рис. 2). Эксперименты проводились в следующем порядке. Постоянный расход газа, подаваемого во внешнюю зону смешения, составляет 𝑄 = 0,385 м³/с. Выбрана высота зоны внешнего смешения Н₁ = 315 мм. Эксперименты проводились со скоростями подачи жидкости в зону смешения w_с^″ = 0,014, 0,031, 0,048, 0,065, 0,082 м/с (шаг – 0,017 м/с), и определялись экспериментальные значения количества газосодержания φ₀ и φ₁. В зависимости от изменения скорости жидкости количество газосодержания во внешней зоне смешения φ₁ увеличивалось, а во внутренней зоне смешения φ₀ – снижалось.

Для выполнения условия равенства газосодержания φ₀=φ₁ в противоположном направлении жидкие фазы и потоки газа во внешней зоне смешения были определены экспериментальными значениями коэффициента размерности K, обработаны и нанесены на график (рис. 3).

Рисунок 3. K = f (w_с). График изменения коэффициента размерности в зависимости от изменения скорости жидкости

Вид полученного уравнения регрессии следующий:

                      .          (14)

Результаты экспериментов по определению размера внешней зоны смешения обработаны, и построен сравнительный график (рис. 4).

Рисунок 4. D=f(w_с). График изменения размера кольцевого канала в зависимости от изменения скорости жидкости

Вид полученного уравнения регрессии следующий:

                    .      (15)

Проведенные эксперименты полностью подтвердили уравнение (13). Разница между теоретическими и экспериментальными значениями не превышает ∆ = ± 5%.

За счет увеличения количества аналогичных смесительных устройств в ступенях барботажного экстрактора, предназначенного для многотонного производства, может быть обеспечена заданная производительность работы, которая определяется следующим образом:

                                                   (16)

где Q_об – общая производительность аппарата, м³/ч;

Q_см – производительность одного смесительного устройства, м³/ч.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований построен график изменения размера зоны внешнего смешения в зависимости от размера зоны внутреннего смешения устройства (рис.­ 5).

Рисунок 5. D=f(D₀). График изменения диаметра наружного кольцевого канала в зависимости от диаметра внутренней зоны смешения

Вид полученного уравнения регрессии следующий:

                   .          (17)

Вывод. В результате теоретических исследований получена формула для определения размеров внешней зоны смешения аппарата, обеспечивающая их работу в гидродинамическом режиме с равной интенсивностью, и эта формула полностью подтверждена экспериментально. В результате исследований появилась возможность рассчитать размеры зон смешения в конструкции промышленного образца устройства.

Список литературы:

1. Алиматов Б.А., Каримов И.Т., Соколов В.С. Экспериментальное исследование газосодержание в смесительных элементах барботажного экстрактора // Научно-технический журнал ФерПИ. – Фергана, 2001. – № 1. – С. 75–77.
2. Каримов И.Т. Анализ результатов исследований по определению газовой подушки газораспределительного устройства барботажного экстрактора // Universum: технические науки. – 2019. – № 10-1 (67).
3. Каримов И.Т., Алиматов Б.А. Анализ экспериментов по определению количества газосодержания в зонах смешения барботажного экстрактора // Сборник материалов V Международной научно-технической конференции: «Global science fnd innovations 2019 central azia». – Астана, 2019. – С. 270–273.
4. Кафаров В.В. Основы массопередачи. – М. : Высшая школа, 1983. – 439 с.
5. Многоступенчатый барботажный экстрактор // Авторское свидетельство СССР. № 1607859. 1990 / Алиматов Б.А., Соколов В.Н., Садуллаев Х.М., Каримов И.Т.
6. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. – Л. : Машиностроение, 1976. – 216 с.
7. Karimov I., Alimatov B. Hydrodynamics of non-sinking disperse phase holding filter in bubbling extractor // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – 2019. – № 9–10.
8. Karimov I.T., Ahrorov A.A., Kahorov I.I. The method of determining the size of the mixing zone bubbling extractor //International scientific review of the problems and prospects of modern science and education. – 2019. – С. 11–15.
9. Karinov I. Experimental studies in determination of bubble extractor filter’s fluid condyctivity // International Journal of Psychosocial Rehadilitation. – 2020. – Vol. 24, Issue 08. – Р. 5877–5886.