Многоуровневая система моделирования нестационарных и меняющихся режимов работы низкотемпературных установок (1024695), страница 31

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 31)

Гидродинамика течения описываетсядвухжидкостной моделью. Моделирование процессов на поверхности разделагаз-жидкость позволило определять коэффициент переданной массы сдостаточной достоверностью.Численное моделирование нестационарных и пространственных полейтечения в барботажных колоннах проведено в работе Ф.Лехра, М.Миллиеса иМ.Бласенгро [248]. Локальное распределение размеров пузырьков рассчитано спомощью уравнения баланса для средних объемов пузырьков в пузырьковомтечении. Распад и слияние пузырьков описано физически обоснованноймоделью. Поля течения для цилиндрических барботажных колонн получены спомощью метода Эйлера, что позволило добиться совпадения результатоврасчетов с экспериментальными данными в колоннах для диаметров до 0,3 м.Математическая модель, описывающая изменение параметров газожидкостнойсмеси при барботаже газа через слой несжимаемой вязкой жидкости с учетомтеплообмена между фазами, представлена в работе В.Н.Диденко и Д.Н.Попова[233], где даётся анализ характера изменения газосодержания по высотебарботажного канала цилиндрической формы на основании численныхрасчетов.ВработеэкспериментальныхВ.С.Калекинаисследованийцентробежно-барботажногоидр.приведены[250]гидродинамикиаппарата,которыйиможетрезультатытепломассообменанайтиширокоеприменение в качестве абсорбера, скруббера, хим.

реактора, контактноготеплообменника и т.п. Установлены величины гидравлических сопротивленийаппарата в различных режимах работы при нижней подаче жидкости, полученыбезразмерныезависимости,учитывающиечислаFr=7900-14300,числаРейнольдса Re=750-3000 и соотношения геометрических характеристик233аппарата. Установлены безразмерные зависимости для расчета коэффициентатеплоотдачи и массоотдачи со стороны газовой фазы, при нижней подачежидкости, учитывающие изменение числа Re=2000-3000.Влияние свойств жидкости на характеристики барботажных колонныхреакторов представлено в работе А.Моуза, Г.Далакоглу и С.Параса [251].Рассматривалисьжидкостисразличнымивеличинамиповерхностногонатяжения и вязкости и атмосферный воздух.

Скоростная видеокамерапозволила получить новые данные о распределениях пузырей по размерам идиаметрам, соответствующие существующим физическим моделям. Дляопределения конструктивных характеристик барботажной колонны в работеДж. Зангаидр.[252]проведенорасчетноеисследованиедвижениягазожидкостной смеси в этой колонне и рассчитаны распределения скоростейжидкой фазы и влияние на картины течения схем ввода газа, растворимостигаза и вязкости жидкостиРабота барботажной колонны с квадратным поперечным сечениеммоделировалась с использованием пакета программ CFX-4.4 в работе Р.Лау,В.Сима Р.Мо [253], где изучалась физическая и химическая абсорбция пузырейчистого CO2 в воде и водном растворе NaOH. Полное объединение приодновременном моделировании течения текучей среды, массопередачи ихимических реакции осуществлялось путем введения уравнения плотностичисла пузырей. Первоначально была оценена способность расчётной моделиплотности числа пузырей прогнозировать размер пузырей.

Затем численноисследовалась физическая абсорбция чистого CO2 в воде и хемосорбцияпузырей чистого CO2 в водном растворе NaOH. Для физической абсорбции CO2в воде было обнаружено, что обычно размер пузырей в сердцевине шлейфапузырей больше, чем размер пузырей, захваченных нисходящим потоком вдольстенки, но с течением времени различия в размерах пузырей становятся меньшекак в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.Результаты теоретических и экспериментальных исследований в работеМ.Мартина, Ф.Монтеса и М.Галана [254] позволили проанализировать влияние234количества, конструкции и мест установки импеллеров и перфорированныхпластин, а также геометрических размеров аппарата на гидродинамикудвижения пузырьков газа и массообменные процессы, протекающие ваппаратахрассматриваемогокласса.Сиспользованиемэмпирическихзависимостей были определены оптимальные условия проведения этихпроцессов и рекомендованы правила выбора наилучших типов импеллеров иперфорационных пластин, служащих для диспергирования пузырьков газа вжидкости.Теоретическая модель для анализа переходов режимов барботажнойколонны с условиями устойчивости и результаты проведенных численныхэкспериментов представлена в работе Дж.Чена и др.

[255]. Проведена оценкавлияния разных факторов на характер переходов режимов и исследованыусловия, гарантирующие устойчивость работы барботажной колонны.В работе М.И.Шиляева, А.В.Толстых, А.Н.Деренок и Е.М.Хромова [256]разработана математическая модель тепломассообмена на стадии образованияпузырей в барботажных аппаратах, с помощью которой определеныкачественные и количественные закономерности, определяющие влажность итемпературу воздушных пузырей.

Результаты опытов по исследованиюнелинейнойэволюцииформыпузырька,истекающегоизединичногозатопленного отверстия, и возникающего сопутствующего течения околоподнимающегося пузырька рассмотрены в работе М. Шоджи [257], где такжеразработана теоретическая модель образования формы пузырька и вида егоповерхности.5.2Изотермическиймассообменпривсплытииединичного газового пузыря через слой жидкостиМассобмен при свободном всплытии одиночного газового пузыря черезслой неподвижной жидкости рассматривается при следующих допущениях:температура газа и жидкости одинакова и постоянна; газ и жидкость невступают между собой в химическую реакцию, гидростатическое давление235меняется не слишком существенно и оказывает слабое влияние на процессмассообмена.

Всплывающий газовый пузырь является смесью различных газов,жидкость представляет собой жидкий чистый компонент с некоторымколичеством растворённых в ней газовых примесей. Свободное всплытиепузыря в слое жидкости осуществляется при равенстве сил Архимеда игидравлического сопротивления.Суммарное изменение объема Vп и эффективного радиуса rп пузыряопределяется из выражения:dVпdr n 1 dV 4rп2  п   i ,dd i 1 d(5.8)где n - число газовых компонентов, участвующих в процессе диффузии, аиндекс i=n+1 соответствует парам чистой жидкости.Скорость изменения числа молей в пузыре  i при использовании законасостояния идеального газа определится:d ip dVi,dRT d(5.9)где R = 8314 Дж/кмоль·К - универсальная газовая постоянная.Мольные доли yi (моль/моль) компонентов в пузыре для моментавремени от  o до  определятся:dy [    d oг ,ii.oin 1i 1oiг ,i(5.10)]oЧисло молей рассматриваемых компонентов в пузыре для начальногомомента времени  o :4  (rп0 ) 2  yio p ,3RT0г ,i(5.11)где yio и rпo - мольная доля i-ого газового компонента в пузыре и эффективныйрадиус пузыря в начальный момент времени  o .Мольнаядоля236i-ого газовогокомпонентавжидкостидляCiрассматриваемого случая единичного газового пузыря принимается постояннойво времени вследствие пренебрежимо малой массы пузыря по сравнению смассой жидкости, в которой он всплывает.Расстояние, пройденное пузырем за время от  o до τ, определится как:h    п  d ,(5.12)0где  п - скорость всплытия пузыря.Суммарная объемная массопередача i- ого компонента из газового пузыряв жидкость определится как:Ki dVi.d(5.13)Отдельно рассматривается случай, когда газовый пузырь и жидкостьсостоят только из чистых компонентов.

Согласно выражениям (5.1) и (5.5)объем пузыря изменяется только за счет растворения газового компонента вжидкости и обратной диффузии паров жидкости в пузырь:dVп 4rп2 K r ,d(5.14)где K r - скорость изменения радиуса пузыря:K r   ф  [(k1 (C1  C1 ) max ж m1 k ж ( ye  y ж )] ,1mж(5.15)где индекс 1 относится к газовому компоненту, ж -к жидкости. Тогда радиуспузыря в момент времени τ определится:rп  r   K r d .oп(5.16)oПо приведенной методике сделаны тестовые расчеты процессоврастворения единичного газового пузыря в жидкость при температуре 298 К идавлении 0,1 МПа.

Газовый пузырь состоит либо из чистого кислорода, либовоздуха. Жидкость является либо чистой водой, либо водой, насыщеннойуглекислым газом и воздухом. Скорость всплытия пузыря определяется по237зависимостям из книги Т.Шервуда [221]. Вычисленные по этим формуламзначения хорошо совпадают с экспериментальными данными, приведенными всправочнике С.С.Кутателадзе [258].

Коэффициент массопеpедачи определялсяпо зависимостям из книги Г.Уоллиса [259], физические свойства используемыхвеществ брались из справочника Дж.Пеppи [222] и Ю.А.Намиота [260].Первоначально проводились расчеты для определения влияния испаренияпаров жидкости в единичный пузырь на общий процесс растворения газа изпузыря в жидкость. На рис. 5.1 и 5.2 показано временное изменение радиусапузыря, состоящего только из кислорода, в чистую воду, для различныхзначений начального радиуса пузыря с учетом и без учета испарения паровводы в газовый пузырь. С увеличением начального радиуса пузыря удлиняетсявремя его полного растворения (рис. 5.1).

Характеристики

Список файлов диссертации