Многоуровневая система моделирования нестационарных и меняющихся режимов работы низкотемпературных установок (1024695), страница 32

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

Текст из файла (страница 32)

Это связано с уменьшениемотносительной площади поверхности пузыря, отнесенной к его объему приувеличении начального радиуса пузыря. Испарение паров воды в пузырьоказывает небольшое влияние на растворение пузыря только в началерассматриваемого процесса, когда радиус пузыря незначительно возрастает(рис. 5.2), а затем испарение паров воды в пузырь практически не влияет напроцесс его растворения (рис. 5.1).1 - 0,5 мм; 2 - 1 мм; 3, 4 - 3,5 мм; 5, 6 - 5 мм с учетом (1, 2, 3, 5) и безучета (4, 6) обратной диффузии водяных паров в пузырьРис.

5.1. Расчётное изменение радиуса единичного пузыря кислорода отвремени при его растворении в воде для различных начальных радиусах пузыря238Рис. 5.2. Расчётное изменение радиуса единичного пузыря кислорода отвремени в начале процесса растворения пузыря в воде с учетом (1) и без учета(2) испарения водяных паров в пузырьВремя, за которое происходит полное испарение паров воды в пузырь,крайне незначительно по сравнению с временем всего процесса растворения(рис.

5.3).1 - 0,5 мм; 2 - 1 мм; 3 - 2 мм; 4 - 3,5 ммРис. 5.3. Расчётная временная зависимость мольной доли водяных паров вединичном пузыре в процессе его растворения в воде для различных значенийначального радиуса пузыря239Поэтому учитывать испарение паров жидкости в пузырь можно только вначале процесса.При усредненных значениях коэффициентов массопередачи и формы,время, за которое радиус пузыря изменится от начального значения rпo дозначения rп , определится по формуле: o Величинаrп  rпo(5.17) m ф  k1 C1  C1max  ж 11mжмассопередачикислородавводупропорциональнапарциальному давлению кислорода в пузыре. Наличие газовых примесей впузыре приводит к уменьшению предельной мольной доли растворённогокислорода в воде.

Это видно из рис. 5.4, где представлена расчётная временнаязависимость объёмной массопередачи кислорода из пузырей чистого кислородаи воздуха.Рис. 5.4. Расчётное изменение во времени полной массопередачикислорода в воду из единичных пузырей кислорода (1) и воздуха (2) приначальном радиусе пузырей 3,5 ммК уменьшению массопередачи кислорода в воду приводит наличие в воде240растворенных газов.

Эти газы диффундируют из жидкости в пузырь, чтоприводит к уменьшению парциального давления кислорода в пузыре. На рис.5.5 показана расчётная временная зависимость массопередачи кислорода изкислородного пузыря в чистую воду; воду, насыщенную углекислым газом;воду, насыщенную воздухом; воду, насыщенную углекислым газом и воздухом.1 - вода чистая; 2 - насыщенная воздухом; 3 - насыщенная СО»; 4 - насыщеннаяСО2 и воздухом для начального радиуса пузыря 3,5 ммРис. 5.5.

Расчётная временная зависимость величины массопередачикислорода из единичного пузыря кислорода в водуДля случаев воды, насыщенной воздухом, и воды, насыщеннойуглекислым газом и воздухом, величина массопередачи кислорода из пузыряуменьшается с течением времени до нуля и затем до отрицательных значений.Отрицательныезначениямассопередачиозначаютобратныйпереносрастворённого в воде кислорода в газовый пузырь. Это связано с тем, что намалых временах процесса, когда парциальное давление кислорода в пузыремаксимально, происходит массоперенос кислорода из пузыря в воду. Затем, с241течением времени, осуществляется обратный массоперенос кислорода из водыв пузырь из-за того, что парциальное давление кислорода в пузыреуменьшается вследствие насыщения пузыря растворенными в воде углекислымгазом, азотом и аргоном при их массопереносе из жидкости в пузырь.

При этомпредельная мольная доля кислорода в воде становится меньше текущеймольной доли кислорода в воде. Поэтому происходит обратный переноскислорода из жидкости в газовый пузырь. Следует заметить, что в случаяхобратного массопереноса радиус пузыря возрастает с течением времени.Расчётная временная зависимость мольных долей кислорода, азота,аргона и углекислого газа в газовом пузыре при массопереносе из него в воду,насыщенную воздухом и углекислым газом, представлена на рис.

5.6.Рис. 5.6. Расчётная временная зависимость мольной доли кислорода (1), азота(2), аргона (3), углекислого газа (4) в единичном пузыре при массопередаче вводу, насыщенную воздухом и углекислым газом для начального радиусапузыря 3,5 мм5.3 Моделирование изотермической барботажной колонныбез перемешиванияНа рис. 5.7 представлена схема барботажной колонны, снизу которойподается жидкость и газовые пузыри, а сверху отводятся газообразные и242жидкие продукты взаимодействия.1,2 - вход и выход газа; 3,4 - вход и выход жидкостиРис. 5.7. Схема барботажной колонныПри моделировании процессов массообмена в барботажной колоннепринимаются те же допущения, что и при рассмотрении случая единичногопузыря, а также условия, что параметры жидкости и газа меняются только ввертикальном направлении, т.е. все пузыри в горизонтальном слое имеютодинаковые размеры и состав.

Также предполагается, что скорость движенияжидкости в вертикальном направлении пренебрежимо мала по сравнению соскоростью всплытия пузыря газа в этой жидкости.Вданномслучаедлякаждогоединичногопузырясправедливысоотношения (5.1 - 5.9) и (5.12 - 5.17). Исходя из этих соотношений, мольнаядоляyiкомпонента в пузыре для момента времени τ в барботажной колоннеопределяется из закона сохранения массы по каждому компоненту:243 г ,i  N п  d i doyid[  N  d d dn 1oi 1iпг ,i,o(5.18)]oгдеoг, i- начальное число молейi-ого компонента в пузыре. Аналогичноопределяется мольная доля каждого компонента в жидкости:Ci N п  d i dod[  N  d d dж ,in 1ooiж ,ii 1,(5.19)]пoгде Nп - число пузырей в единице объема Vu, число которых принимаетсяпостоянным в процессе работы барботажной колонны:Nп =3 L Vu4 (rп0 ) 3,(5.20)где L - газовая нагрузка, т.е.

безразмерная величина, равная отношению объемагазовых пузырей в жидкости к общему объему газожидкостной смеси. Числомолей каждого компонента, находящегося в газовой фазеoг, iв начальныймомент времени 0 определяется, исходя из начального радиуса пузыря rп0 ,числа пузырей Nп и уравнения состояния идеального газа:4 (rп0 ) 3 p i N п г,i =3RT0(5.21)и в жидкости  ж,0 i :0ж,i=C i0  жVu (1  L)n 1C m0i,(5.22)iiгде C i0 - начальная мольная доля i-ого компонента в жидкости.Объёмная массопередача i-ого компонента в любой момент времени τопределяется как:dViNп .(5.23)dПо данной методике проведены расчеты процессов массообмена междуKi 244водой, насыщенной растворёнными углекислым газом и воздухом, икислородными пузырями при различных величинах начальной газовойнагрузки и начального радиуса пузыря.

Качественно полученные результаты неотличаются от случая массообмена с единичным пузырем. Газовая нагрузкавозрастает со временем, что связано с увеличением радиуса пузыря, а затемвыходит на постоянное значение (рис. 5.8). Аналогично с увеличениемначального радиуса пузыря увеличивается время достижения установившихсязначений мольных долей компонентов и других расчетных величин.В отличие от вышерассмотренного массопереноса при движенииединичного пузыря в жидкости, в рассматриваемой барботажной колоннемольные доли первоначально растворенных в воде газов уменьшаются стечением времени вследствие массопереноса этих газов из жидкости в газовыепузыри.Рис.

5.8. Расчётная временная зависимость величины газовой нагрузки придвижении пузырей кислорода в воде, насыщенной воздухом и углекислымгазом при начальном радиусе пузырей 1 ммЭто видно из рис. 5.9, где показано расчётное изменения во временимольной доли растворенного кислорода в воде, первоначально насыщеннойуглекислым газом и воздухом. Первоначально растворенного кислорода в воде245возрастает вследствие массопереноса кислорода из газовых пузырей в воду, азатем уменьшается вследствие обкатного переноса растворенных в воде газов впузыри, т.к.

понижается парциальное давление кислорода в газовых пузырях.При больших временах процесса величина мольной доли растворенногокислорода в воде асимптотически стремится к постоянному значению, котороепревосходит начальное значения мольной доли кислорода в воде вследствиеобеднения воды растворёнными газами – компонентами воздуха и углекислымгазом.Рис. 5.9. Расчётная временная зависимость мольной доли кислорода в воде примассопередаче из пузырей кислорода в воду, насыщенную воздухом иуглекислым газом для начальных значений газовой нагрузки 4% и радиусапузыря 1 ммСозданная расчётная методика была апробирована при проектировании ииспытании барботажной колонны для создания воздухо-бензиновой смеси,используемой в лабораторной установке, предназначенной для улавливанияпаров бензина на автозаправочной станции [261]. Барботажная колоннапредставляла собой стальной цилиндрический сосуд, наружным диаметром 400мм, толщиной 5мм и высотой 700 мм, в который заливался жидкий бензин246марки Аи93.

Схема барботажной колонны представлена на рис. 5.10. Снизусосуда подается воздух через отверстия диаметром 1 мм, сверху сосудапроисходит отвод образовавшейся паровоздушной смеси. При испарениибензина в воздушные пузыри температура жидкой и газовой фаз понижается,что вызывает уменьшение равновесного содержания паров бензина в воздухе.Поэтому для поддержания постоянной температуры барботажной колонныиспользовалсяэлектронагреватель.Дляизмеренияобъемногорасходапаровоздушной смеси используется стандартный поплавковый ротаметр типаРМ ГОСТ 13045-81 с верхним пределом измерения по воздуху 25 м2/час.1 - вход воздуха; 2 – выход воздухобензиновой смеси; 3 – жидкий бензин спузырямиРис. 5.10.

Характеристики

Список файлов диссертации