ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКА МЕТОДОМ ДВУХ ИНДИКАТОРОВ

УДК 66.02.001.57
А. Б. Голованчиков, Ю. В. Аристова, Н. А. Дулькина
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКА МЕТОДОМ ДВУХ ИНДИКАТОРОВ
Волгоградский государственный технический университет
Известные методы исследования структуры потока базируются на снятии одной функции отклика на возмущение с последующим синтезом математической модели, что вносит существенные отклонения в расчетах реального процесса. В статье рассмотрен способ определения структуры потоков двумя различными по молекулярной диффузии индикаторами.
Ключевые слова: структура потоков, критерий Пекле, диффузия.
A. B. Golovanchikov, J. V. Aristova, N. A. Dul’kina
EXPERIMENTAL DEFINITION OF STRUCTURE OF THE STREAM BY THE METHOD OF TWO INDICATORS
Volgograd State Technical University
Different methods of the stream structure research are based on removal of one function of a response to indignation with the subsequent synthesis of mathematical model that brings essential deviations in calculations of real process. In article the way of definition of the stream structure research by two various indicators on molecular diffusion is considered.
Keywords: structure of streams, Peclet's criterion, diffusion.
Для проверки влияния коэффициентов диффузии на структуру потоков были проведены экспериментальные исследования по снятию кривых отклика двумя разными индикаторами в насадочной колонне непрерывного действия, которые были продублированы аналогичными исследованиями в аппарате с двухлопастной пропеллерной мешалкой.
Н I-
Рис. 1 Схема экспериментальной установки:
1 - вход основного потока жидкости; 2 - импульсный ввод индикатора; 3 - трубчатый аппарат непрерывного действия; 4 - кон-дуктометрическая ячейка WTW тоЬаЪ Сопё 740
Объем трубки трубчатого реактора в лабораторной установке составлял Утр = 3,6 л, диаметр трубки dXp = 0,08 м, высота трубки l = 1 м.
На рис. 1 представлен лабораторный проточный аппарат с двухлопастной мешалкой непрерывного действия объемом Van = 5 л. Диаметр аппарата составлял Бап = 0,16 м, диаметр лопастей пропеллерной мешалки d,^ = 0,032 м. Геометрический симплекс составлял
dм/Дш = 0.2,
где d,^ - диаметр мешалки, м; Бап - диаметр аппарата, м.
Аналогичный опыт проводился в проточном аппарате с двухлопастной мешалкой непрерывного действия, но с меньшим объемом Уап = 0,6 л. Диаметр аппарата Бап = 90 мм, диаметр лопастей пропеллерной мешалки dlw = 18 мм (рис. 2).
Для регистрации концентрации индикатора в выходном патрубке аппарата установлены с зазором 8 мм два электрода кондуктометри-ческой ячейки WTW inoLab Cond 740, представляющим собой записывающее устройство, которое регистрировало функции распределения частиц индикатора во времени в размерных координатах.
Чувствительным элементом при измерении электропроводности является кондуктометри-ческая ячейка, свойства которой характеризуются константной или постоянной ячейки. Конструкция классической ячейки представляет собой два параллельных измерительных электрода, погруженных в раствор.
1
4
1
Рис. 2. Схема экспериментальной установки:
1 - вход основного потока жидкости; 2 - импульсный ввод индикатора; 3 - проточный аппарат перемешивающего действия; 4 - двухлопастная пропеллерная мешалка; 5 - кондуктометрическая ячейка WTW тоЬаЪ Со^ 740
Сущность экспериментального метода исследования структуры потоков в реальном аппарате заключается в том, что в поток на входе в аппарат каким-либо способом вводят индикатор, а на выходе потока из аппарата регистрируют изменение концентрации индикатора в зависимости от времени.
Полученную таким образом функцию отклика аппарата на ввод индикатора (типовое возмущение по составу потока) обрабатывают по специальной методике и получают нормированную функцию распределения частиц (элементов, долей) потока по их времени пребывания в технологическом аппарате, которую в дальнейшем используют в расчетах технологических процессов и аппаратов или для построения близкой к реальной гидродинамической модели, составленной из комбинации типовых моделей гидродинамики (идеального смешения и вытеснения, диффузионной модели, ячеечной модели и т. п.).
Если принятая модель соответствует реальной структуре потоков, то экспериментальная функция отклика может рассматриваться как график решения уравнений модели при соответствующих начальных и граничных условиях. Сравнивая решение уравнений модели с экспериментальной функцией отклика на типовые
(например, импульсные) возмущения, можно определить неизвестные параметры модели.
При исследовании структуры потоков к индикатору предъявляются специальные требования: во-первых, его масса (объем) не должны влиять на структуру потока основной жидкости; во-вторых, он должен достаточно просто регистрироваться на выходе основной жидкости; в-третьих, его масса (объем) остаются неизменными в течении всего времени регистрации индикатора на выходе. Эти требования связаны с тем, что структура потока индикатора должна совпадать со структурой потока основной жидкости.
На входе потока вводят по определенному закону (импульсному, ступенчатому и др.) индикатор, а на выходе регистрируют отклик — изменение концентрации индикатора во времени (метод трассера). Обработка отклика методами статистики позволяет оценить закон распределения времени пребывания и найти параметры модели.
В качестве основного и дополнительного индикаторов могут быть использованы органические и неорганические вещества, красители, магнитные частицы и радиоактивные изотопы.
Объект представляет собой «черный ящик», на вход которого для экспериментального определения структуры потока водно-глицеринового раствора подавались в момент времени т0 = 0 импульсным методом поочередно индикаторы — растворы солей концентрацией 7 г/л и объемом 1 мл: сначала хлорида калия, у которого коэффициент диффузии ионов калия DI = 19,6-10"10 м/с, затем хлорида кальция, коэффициент диффузии ионов кальция D2 = 7,92-10"10 м2/с. Водно-глицериновый раствор хлорида кальция той же концентрации и объема, как и основной индикатор, брался для дополнительной регистрации концентрации индикатора. Как видно, коэффициент молекулярной диффузии катионов калия больше коэффициента молекулярной диффузии катионов кальция в 2,5 раза.
Так как время подачи импульсного сигнала стремилось к нулю, то вся масса индикатора была введена в объем основной жидкости на входе в проточный трубчатый аппарат. Частицы индикатора, попадая внутрь аппарата, двигались по нему от входа к выходу в соответствии со структурой потока. Расход водно-глицеринового раствора вязкостью ц =14 сПз составил qv = 20 мл/с, то есть среднее время пребывания частиц потока жидкости тср = V= 180 с. Фиктивная скорость течения жидкости «ф =
= 0,01 м/с. Температура раствора была равной температуре окружающей среды и составила 25 °С. Опыт повторяли трижды. Так как электропроводность разбавленного раствора электролита отлична от электропроводности водноглицеринового раствора с заряженными ионами индикатора, то на выходе из аппарата получали зависимости концентраций ионов индикаторов от времени пребывания их в аппарате.
Увеличив фиктивную скорость течения водноглицеринового раствора в трубе, когда силы инерции при обтекании поверхности насадки увеличились относительно молекулярной диффузии, регистрировали концентрацию индикаторов на выходе из аппарата с помощью кон-дуктометрической ячейки WTW inoLab Cond 740 (рис. 2).
Аналогичные исследования провели в лабораторном проточном аппарате с двухлопастной мешалкой непрерывного действия объемом Кап = 5 л. Расход водно-глицеринового раствора qv = 10 мл/с, а среднее время пребывания частиц в потоке жидкости тср = Fan/qv = 500 с. Число оборотов мешалки устанавливали равным n = 1 об/с (рис. 1).
Импульсно вводили индикаторы: поочередно, сначала хлорид калия, затем хлорид кальция объемом Fjjh = 10 мл. На выходе из аппарата снимали показания кондуктометрической ячейки для построения кривых отклика: концентрацию ионов соли. Опыт повторили 3 раза при температуре окружающей среды равной 25 °С.
Затем опыты проводили в том же аппарате, при тех же условиях и расходах воды, при тех же индикаторах - основном и дополнительном, но при числе оборотов мешалки в 4 раза большем, то есть при n = 4 об/с.
Для подтверждения результатов опыта брали лабораторный проточный аппарат с двухлопастной мешалкой меньшим объемом Fw = 0,6 л. Диаметр аппарата Оап = 90 мм, диаметр лопастей пропеллерной мешалки йм = 18 мм. Объем вводимого индикатора составлял Fhh =1 мл. Динамическая вязкость водно-глицеринового раствора ц = 0,014 Пас. Расход жидкости в аппарате qv = 1 мл/с.
Сначала опыт проводили при числе оборотов мешалки n = 0,25 об/с. Затем при числе оборотов n = 1 об/с. Повторив каждый опыт три раза, снимали показания кондуктометрической ячейки для построения кривых отклика на входной импульсный сигнал.
Таким образом, дополнительная функция распределения структуры потока во времени,
полученная путем регистрации концентрации дополнительного индикатора хлорида кальция на выходе из аппарата и имеющего коэффициент диффузии в потоке, значительно больший, чем коэффициент диффузии основного индикатора, позволяет получить дополнительную информацию о влиянии диффузии молекул потока на его структуру, в частности на дисперсию и число Пекле, а значит более точно учитывать влияние коэффициентов диффузии реагирующих молекул в потоке жидкости на степень конверсии, профили температур и концентраций исходных веществ и продуктов реакции.
При высоких скоростях движения реакционной массы разным значениям дисперсии 012 и о22 соответствуют разные расчетные критерии Пекле, являющиеся основными параметрами диффузионной модели для расчета химических реакторов и характеризующие в них структуру потоков реакционной массы. Значит, когда мощности мешалки не хватает для интенсивного перемешивания всего объема жидкости в аппарате, собственные коэффициенты диффузии молекул могут существенно влиять на структуру потоков.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Диффузионная модель структуры потоков для по-литропных трубчатых реакторов / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова, Н. И. Фотина // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 1(104) / ВолгГТУ. -Волгоград, 2013. - (Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии» ; вып. 6). - С. 54-58.
2. Голованчиков, А. Б. Математическое моделирование химического реактора с различными диффузионными структурами потока по реагирующим компонентам / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова // Химическая промышленность сегодня. - 2013. - № 3. - С. 51-55.
3. Голованчиков, А. Б. Моделирование структуры потоков методом двух индикаторов / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова // Энциклопедия инжене-ра-химика. - 2013. - № 9. - С. 33-36.
4. Голованчиков, А. Б. Моделирование химических реакторов с различными структурами потоков и уровнями сегрегации по реализующим компонентам / А. Б. Голо-ванчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 11 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - (Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах» ; вып. 120. - С. 12-15.
5. Голованчиков, А. Б. Расчет химического реактора с диффузионной моделью структуры потоков и разными числами Пекле по реагирующим компонентам / А. Б. Го-лованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2012. - Т. 55, № 8. - С. 111-114.
6. Голованчиков, А. Б. Снижение пиковых температур в политропных трубчатых реакторах / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова // Химическая промышленность. - 2012. - Т. 89, № 4. - С. 181-185.