ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИВАНИЯ МИСЦЕЛЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены конструктивные особенности призматических форсунок нового типа, используемых в процессах массообмена. В ходе исследования изучен процесс переноса веществ при диспергировании мисцеллы в рабочее пространство окончательного дистиллятора с помощью призматической форсунки и определено значение поверхности контакта фаз и скорость изменения размера капель, создаваемых различными форсунками в зависимости от давления жидкости. На основании проведенных экспериментов установлено, что при высоте канала форсунки 8 мм, длине канала 20 мм и эквивалентном диаметре 40 мм угол распыла жидкости составляет cosα=170°.

ABSTRACT

The article presents the structural features of a new type of prismatic nozzles used in mass transfer processes. The process of mass transfer during the dispersion of micelles into the working space of the final distiller using a prismatic nozzle has been studied. The contact surface area between the phases and the rate of change in droplet size created by different nozzles, depending on the liquid pressure, have been determined. Based on the conducted experiments, it has been established that with a nozzle channel height of 8 mm, a channel length of 20 mm, and an equivalent diameter of 40 mm, the liquid dispersion angle is cosα=170°.

Ключевые слова: призматические форсунки, угол распыла жидкости, гидродинамический режим, диаметр капли, мисцелла.

Keywords: prismatic nozzles, liquid spray angle, hydrodynamic regime, droplet diameter, miscella.

Введение. Растительные масла производятся на маслоэкстракционных заводах путем прессования масличных семян и экстракции полученных масличных семян органическим растворителем. Раствор растительного масла в бензине, образующийся в процессе экстракции, называется мисцеллой. Для извлечения растворителя из мисцеллярной композиции используется процесс окончательной дистилляции, включающий распылительную, пленочную и слоевую обработку.

Целью исследования является совершенствование процесса окончательной дистилляции мисцеллы хлопкового масла и разработка соответствующего эффективного аппарата.

Задачи исследования: изучение гидродинамических, механических и массообменных характеристик призматических форсунок, а также изучение их влияния на эффективность процесса дистилляции мисцеллы.

Методы исследования. Процесс распыления заключается в разбиении струи или пленки жидкости на большое количество мелких капель под давлением и распределении их по всему рабочему объему устройства [1; 2; 4].

При изучении процесса переноса вещества при диспергировании мисцеллы в рабочее пространство окончательного дистиллятора с помощью призматического форсунка определяли величину поверхности контакта фаз и скорость движения капель и струй водяного пара. При этом расход впрыскиваемой жидкости остается постоянным, а интенсивность переноса вещества между фазами можно регулировать, изменяя температуру и расход водяного пара, подаваемого в сопло. Известно, что длительное нагревание растительного масла в дистилляторе отрицательно влияет на его качественные показатели. Однако для того, чтобы растворитель испарился с поверхности капли, она должна быть немного теплее температуры, соответствующей условиям фазового равновесия. Это зависит от давления в зоне испарения и концентрации раствора на поверхности капли [3; 8; 9].

Движущая сила процесса переноса вещества из капли жидкости во внешнюю паровую среду определяется разностью парциальных давлений паров летучего компонента у поверхности капли и вытесняемого с нее. Чем больше парциальное давление пара летучего компонента в потоке паровоздушной смеси, тем меньше диффузионный поток массы испаряющегося компонента у поверхности капли. Чем выше температура и концентрация компонента, испаряющегося на поверхности капли, тем больше его давление вблизи этой поверхности. Перечисленные факторы необходимо учитывать при выборе технологических параметров течения паровоздушных смесей в дистилляторе [7; 10; 11].

Процесс распыления жидкости с помощью форсунки происходит в результате её подачи в форсунку под давлением с помощью насоса. Сужение площади поперечного сечения форсунки позволяет увеличить скорость потока, преобразуя потенциальную энергию в кинетическую. В результате резкого снижения давления ламинарный поток жидкости в зоне выхода форсунки распадается на капли различных размеров, образуя определенный тип распыленной струи.

Внутреннее строение конструкции форсунки позволяет распылять жидкость различными способами. Основными формами выхлопного факела являются «пустой конус», «полный конус», «плоская струя» и «полная струя». Каждый из упомянутых типов факелов имеет свои уникальные характеристики и служит определенной цели. Обычно угол распыления капель может составлять от 0 до 130 градусов.

Форсунка «полнопоточного» распыления равномерно покрывает всю поверхность круга, но количество образующихся капель больше, чем у форсунки «плоского» распыления. Размер капель жидкости, образующихся при использовании различных типов форсунок, зависит от давления. С ростом давления размер капель уменьшается. В таблице 1 представлена ​​информация о диапазоне размеров капель, создаваемых различными типами форсунок [4]:

Таблица 1.

Изменение размера капель, создаваемых различными форсунками в зависимости от давления жидкости

Рисунок 1. Размеры  капли

Из рисунка 1 видно, что объем большой капли соответствует объему восьми маленьких капель, диаметр которых вдвое меньше диаметра большой.

Площадь поверхности большой капли в четыре раза больше площади поверхности маленькой капли. Соответственно, сумма площадей поверхности восьми маленьких капель в два раза больше площади поверхности одной большой.  Это увеличивает поверхности контакта фаз.  

При определении относительной поверхности контакта фаз () –предполагается, что парожидкостная смесь объемом V содержит сферические элементы дисперсной фазы диаметром d. [5]. Соответственно:

,                                                     (1)

отсюда:

                                                    (2)

Из равенств (1) и (2) получаем следующее выражение:

                                                                (3)

где   – объем элемента дисперсной фазы; – объемная доля дисперсной фазы. V – объем парожидкостной смеси. – площадь поверхности элемента дисперсной фазы, n – число элементов в смеси.

Из выражения (3) видно, что при объемной доле дисперсной фазы =const уменьшение диаметра капель приводит к увеличению поверхности контакта фаз. Основным параметром, характеризующим дисперсное состояние двухфазной системы, является поверхность контакта между фазами, размер которой зависит от значений  и . В рассматриваемом случае тот факт, что =0,95÷0,99, свидетельствует о том, что скорость процессов тепломассообмена напрямую зависит от диаметра капель, образующихся при распылении.

В экспериментах начальный участок распылителя жидкости принимался с рабочей длиной в диапазоне 100÷300 мм. На этой основе предложена система в виде набора функциональных и структурных элементов, необходимых для полной реализации процесса окончательной дистилляции мисцеллы, в соответствии с последовательностью элементарных процессов.

Лабораторные испытания призматической форсунки проводились с целью выбора и обоснования ее рациональных параметров, исходя из основных условий, обеспечивающих требуемую дисперсность и равномерность распыла.

При экспериментальном исследовании работы форсунки определяются следующие величины, характеризующие ее гидравлические свойства и качество распыления жидкости: коэффициент расхода форсунки;  угол раскрытия струи распыляемой жидкости; распределение капель жидкости по сечению факела; распределение капель по размерам и их средний диаметр. Коэффициент расхода форсунки определяется объемным методом, который широко применяется на практике, с использованием дроссельных устройств. Для определения оптимального соотношения размеров форсунка было собрано экспериментальное оборудование, изображенное на рисунке 2.

В экспериментах жидкость под давлением подавалась в устройство центробежным насосом 7, а ее расход регулировался вентилем 6 и байпасной системой насоса. Расход жидкости измерялся с помощью ротаметра 5. Необходимое давление жидкости, перекачиваемой по циркуляционному трубопроводу 4, устанавливается по показанию манометра 3. Угол разлета капель жидкости определялся с помощью угловой шкалы 8, предварительно нанесенной на стенку экспериментального стенда 1.

Рисунок 2. Экспериментальная установка для определения угла распыла жидкости в форсунке:

1-стенд; 2- призматическая форсунка; 3-манометр; 4- труба; 5- счетчик; 6-вентиль; 7-циркуляционный насос, 8-угловая шкала.

Лабораторные испытания призматической форсунки (рис. 3) были проведены с целью выбора и обоснования его рациональных параметров, исходя из основных условий, обеспечивающих требуемую дисперсность и однородность распыла.

В результате исследований разработана новая призматическая конструкция форсунка для диспергирования мисцелл растительного масла.

Рисунок 3. Схема призматического форсунка: а) фронтальная проекция; б) профильная проекция, в) горизонтальная проекция; г) изометрическое изображение

Рациональные геометрические размеры форсунка определены на основании результатов серии экспериментов. Для этого был изготовлен комплект форсунок со следующими размерами (мм): h_к – высота канала форсунки, l_k – длина канала форсунки, d_т – эквивалентный диаметр форсунки (табл. 2):

Таблица 2.

Геометрические размеров форсунки

Эксперименты по исследованию зависимости размеров сопла от угла рассеяния жидкости cosa проводились в интервалах высоты канала форсунки 1÷10 мм, длины канала 10÷20 мм, и его эквивалентного диаметра 10÷40 мм.

Результаты и выводы. В ходе экспериментов было установлено, что изменение эквивалентного диаметра форсунка оказывает существенное влияние на угол распыления жидкости по сравнению с другими его параметрами.

С ростом давления жидкости осевой угол распыла капель экспоненциально увеличивается. При достижении давления жидкости 0,4 МПа угол распыления капель становится независимым от давления. Изучена также схема распределения распыляемой жидкости по поперечному сечению колонны при использовании четырех призматических форсунок, расположенных в одной горизонтальной плоскости. При этом каждая форсунка имеет отдельную зону распыления, которая условно разделена на зоны A, Б, В и Г. Выяснено, что для предотвращения повторного сливания диспергированных капель, образующихся в этих зонах, форсунки необходимо установить в параллельном положении под углом 45° друг к другу.

На основании проведенных экспериментов установлено, что при высоте канала форсунка 8 мм, длине канала 20 мм и эквивалентном диаметре 40 мм угол распыла жидкости составляет cosα=170°, то есть максимально широкая угол распыла может быть достигнут (табл. 2).

В ходе экспериментов также изучался профиль дисперсии дисперсной фазы в случае, когда в устройство подавался водяной пар из барботера, и в случае, когда он не подавался. Результаты визуального наблюдения показали, что, как и в производственной практике, при расходах жидкости, соответствующих условиям со скоростью паровой фазы 0,2 м/с, профиль дисперсной фазы не изменяется даже при различных скоростях паровой фазы.

Заключение. Выявлено, что при распылении мисцеллы с помощью призматической форсунки с высотой канала форсунки h_к = 4 мм, длиной l_к = 10 мм и эквивалентным диаметром d_т = 40 мм угол распыла жидкости составляет φ = 170^о. Показано повышение эффективности процесса отгонки экстракционного бензина при распылении мисцеллы призматической форсункой на 24,3 %. Разработана новая эффективная конструкция окончательного дистиллятора, снабженного призматическими форсунками.

Список литературы:

1. Бородин В.А., Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Ягодкин В.И. Распыливание жидкостей. – М.: Машиностроение, 1967. – 262 с.
2. Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И. Распыливание жидкостей. – М.: “Машиностроение”, 1977. – 208 с.
3. Егорычев В.С., Лапшин В.В. Исследование жидкостных струйных форсунок ДЛА: метод. указания. – Самара: Изд-во СГАУ, 2016. – 28 с.
4. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. – М.: Химия, 1984. – с. 256.
5. Abdurazzakovna S.S., Odilovich D.K. Research of physicochemical parameters of sugar sorghum juices // Scientific and technical journal of namangan institute of engineering and technology.
6. Kadirov A.A., Khamdamov A.M. Analysis processes and devices spraying liquids // Scientific and Technical Journal of Namangan Institute of Engineering and Technology. – 2022. – Vol. 7. – Is. 4. – Pp. 122–125.
7. Khamdamov A.  et al., AIP Conference Proceedings. – 2023. –   2789 040071. https://doi.org/10.1063/5.0145606
8. Khamdamov A. M. et al. Simulation of a multistage distillation process in a rotary disc device // Annals of the Romanian Society for Cell Biology. – 2021. – С. 5939–5948.
9. Khamdamov A.M., Sultonov S.H., Bozorov S.A. Journal of Pharmaceutical Negative Results. – 2022. – Vol.13 (6).
10. Qadirov A., Khamdamov A., Xudayberdiyev A. Experiments on using "prismatic" nozzle in liquid-vapor system // E3S Web of Conferences. – Vol. 390. – 2023. –  pp.  05029.
11. Qadirov A.A., Mannanov U.V., Khamdamov A.M., Xudayberdiyev A.A., Kurbanov N.M. Modeling of Vegetable Oil Miscellaneous Drive Process in Final Distiller Spray Zone // Proceedings of International Conference on Applied Innovation in IT. – 2023. – Vol. 11. – Is.1. – Pp. 193–198.
12. Shoira S., Gulsanam K. Development of a new recipe for medium-calorie mayonnaise based on a composition of sunflower and pumpkin oils // Universum: технические науки. – 2024. – Т. 11. – №. 11 (128). – С. 56-60.
13. Sodikova S.A., Dodaev K.O. The Role of Natural Syrupes in Infant Nutrition // International Journal of Innovations in Engineering Research and Technology. – С. 1–4.