Методы расчета гидродинамических и массообменных характеристик газожидкостных аппаратов с закрученными струями

Актуальность темы

.

В химической, нефтехимической, микробиологической и других отраслях промышленности широко распространены массообменные аппараты для проведения процессов смешения, абсорбции и газожидкостных химических реакций.

Развитие технологий насыщения жидкостей газами неразрывно связано с разработкой новых конструкций газожидкостных аппаратов [1]. В настоящее время научно-исследовательские и конструкторские работы, целью которых является создание эффективного оборудования для проведения процессов обработки жидкостей газами, в основном ориентируются на уже известные аппараты основного производства. Однако использование традиционных газожидкостных технологий и их аппаратурного оформления приводит к определенным трудностям.

Так, например, аппараты с пневматическим перемешиванием требуют дорогостоящих и трудоемких в обслуживании компрессорных станций [2, 3], т. к. частое забивание распределительных отверстий колониями микроорганизмов требует проведения периодической регенерации при полной остановке сооружений [4, 5].

При работе аппаратов с механическим перемешиванием требуется решать вопросы герметизации оборудования в условиях повышенной влажности окружающего воздуха. Такие аппараты содержат внутренние подвижные устройства и сложный привод, что существенно снижает их эксплуатационную надежность и ремонтопригодность [4, 6].

Аппараты с комбинированным (пневмомеханическим) перемешиванием по эффективности растворения кислорода воздуха занимают промежуточное положение и имеют высокую степень перемешивания, но сложность конструкции сильно снижает их достоинства, так как комбинированные системы одновременно объединяют недостатки пневматических и механических аппаратов [7].

Поиск путей повышения технических характеристик газожидкостной аппаратуры привел к разработке статических устройств для инжектирования и диспергирования газа струями жидкости, создаваемых выносным насосом [1]. Аппараты с диспергированием газа струями жидкости находят в последнее время все более широкое применение благодаря ряду преимуществ: высокая скорость растворения газа в жидкости и потребление меньшего количества энергии. Кроме того, этот способ отличает простота конструкций аппаратов, надежность и удобство их эксплуатации.

Аппараты со струйным перемешиванием используются для проведения эффективного теплои массопереноса в различных отраслях промышленности [8, 9, 10]. Так, например, они получили распространение в сооружениях биологической очистки сточных вод (аэротенки, окислительные каналы и др.) [11, 12, 13, 14, 15]. Также аппараты нашли применение в пищевой промышленности для проведения процессов сатурации воды для приготовления газированных напитков [16, 17, 18, 19]. Аппараты со струйным перемешиванием используются в микробиологической, пищевой и медицинской промышленности в виде ферментаторов, предназначенных для аэробного выращивания биомассы и получения метаболитов [20, 21].

Сдерживающим фактором более широкого использовании аппаратов струйного типа является несовершенство их конструкций и отсутствие научно обоснованных методик расчета их основных гидродинамических и массо-обменных характеристик. В связи с этим возникает необходимость теоретических и экспериментальных исследований процессов аэрации в этих аппаратах.

Цель настоящей диссертационной работы: разработка моделей, описывающих гидродинамические и массообменные характеристики аэрируемой области в аппарате со струйными аэрационными устройствами и создание методик расчета таких аппаратов.

Объектом исследований в диссертации является аппарат струйного перемешивания с вертикально-падающей струей. В качестве двух сред газожидкостного взаимодействия использовались воздух и вода. В процессе исследования определялись наиболее важные технологические параметры процесса: геометрические размеры области аэрирования жидкости газом и мас-сообменные характеристики.

Методы исследований. Для теоретического исследования процесса использовалось численное моделирование методом конечных элементов течения вязкой жидкости на базе полных уравнений Навье-Стокса.

Экспериментальные исследования включали в себя определение геометрических размеров газожидкостной области методом сканирования фотографий. Массообменные характеристики процесса струйного перемешивания исследовались посредством проведения реакции поглощения кислорода воздуха водным раствором сульфита натрия при различных скоростях истечения струи жидкости.

Автор защищает:

1. Конечно-элементную модель расчета гидродинамических характеристик проникания газо-жидкостной струи в ограниченный объем жидкости для различного типа струй.

2. Расчетные зависимости геометрических размеров аэрируемой зоны и результаты экспериментальных исследований по ее определению методом компьютерного сканирования фотографий газожидкостного факела.

3. Эффект приповерхностного тороидального вихря и математическую модель расчета свободной поверхности в области его существования.

4. Инженерную методику расчета струйных аппаратов с закрученными газожидкостными струями для очистки сточных вод промышленных предприятий.

Научная новизна.

1. Разработана конечно-элементная математическая модель распространения газожидкостной струи в ограниченном объеме жидкости на основе полной системы уравнений Навье-Стокса. нове полной системы уравнений Навье-Стокса.

2. Установлены расчетные зависимости глубины и диаметра зоны аэрирования для различных типов газожидкостных струй в широком диапазоне их начальных скоростей с насадками различной конфигурации, газосодержания и степенью закрутки для системы вода-воздух, которые подтверждаются экспериментальными исследованиями методом компьютерного сканирования фотографий газо-жидкостного факела в объеме аппарата.

3. Численными расчетами установлен и подтвержден на опыте эффект приповерхностного тороидального вихря, который существенно интенсифицирует массообменные процессы.

4. Установлена корреляция кривых интенсивности массообмена и объема реакционной зоны в зависимости от степени закрутки струи.

5. Определена эффективная длина входящей струи, которая обеспечивает ее максимальное газосодержание, а также степень закрутки, при которой достигается наибольший объем зоны аэрации. Практическая значимость работы. Предложены инженерные методики расчета струйных аппаратов с закрученными газо-жидкостными струями. Установлены технологические параметры работы многоструйных аппаратов, которые обеспечивают максимальный объем аэрационной зоны и наибольшую скорость массообмена. Предложена конструкция промышленного аэротенка для очистки сточных вод. Результаты работы приняты к использованию на предприятии ООО «НТЦ-Лакокраска» г. Ярославль.

Реализация результатов. Полученные результаты были рекомендованы для использования при расчете струйных аппаратов предприятия ООО «НТЦ-Лакокраска», г. Ярославль.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-17» (Кострома, 2004), II научно-техническая конференция «Полимерные материалы и покрытия» (Ярославль, и.

2005), а также на ежегодных научных конференциях магистров, аспирантов и молодых ученых ЯГТУ (Ярославль 2003;2005).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ (4 статьи и 2 доклада на международных научных конференциях).

Структура диссертации состоит из введения, 4-х глав, выводов по работе, списка литературы и приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана конечно-элементная математическая модель проникания газо-жидкостной струи в конечный объем жидкости.

2. Методами численного моделирования установлены расчетные зависимости глубины, диаметра и объема области аэрирования для неза-крученных и закрученных цилиндрических и конических струй для системы вода-воздух, которые подтверждаются экспериментальными исследованиями методом компьютерного сканирования фотографий газожидкостного факела в объеме аппарата.

3. Численными расчетами впервые установлен эффект приповерхностного вихря, который существенно интенсифицирует массообменные процессы. Предложено математическое описание формы свободной поверхности в зоне входа струи в аппарат.

4. Определены эффективные значения длины свободной струи и степени закрутки, которые позволяют увеличить интенсивность массообмен-ных процессов поглощения кислорода воздуха раствором сульфита натрия в аппаратах с закрученными струями на 80%.

5. Разработана инженерная методика расчета струйных аппаратов для биологической очистки сточных вод промышленных предприятий, которая принята к использованию на ООО «НТЦ-Лакокраска» (г. Ярославль).