Главная > Разное > Газожидкостные реакторы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

13. Теплообмен в газлифтных реакторах

Теплообмен в чистых жидкостях.

В газлифтных реакторах высота и диаметры как барботажных, так и циркуляционных труб определяются уравнениями гидродинамики и кинетики химических превращений. Следовательно, поверхность теплообмена,

образованная этими трубами, уже известна, и тепловой расчет аппарата сводится к нахождению температурного напора обеспечивающего при известной величине [см. уравнения и заданный тепловой режим работы аппарата. Так как гидродинамическая обстановка в барботажных и циркуляционных трубах различна, различными будут в них и коэффициенты теплоотдачи от реакционной жидкости к стенкам труб. Поэтому температурный напор следует рассчитывать по формуле

где — поверхности теплообмена соответственно барботажных и циркуляционных труб; общие коэффициенты теплопередачи через стенки барботажных и циркуляционных труб.

При инженерных расчетах можно пренебречь захватом газовых пузырей в циркуляционные трубы и считать величину по известным зависимостями при условии течения внутри трубы гомогенной жидкости со скоростью

Расчет осложняется тем, что существующая техническая литература дает недостаточно объективную информацию о методах определения коэффициента теплообмена а между стенкой трубы и движущейся в ней газожидкостной смесью. Для наглядности приведем некоторые результаты исследований теплообмена в условиях внутренней задачи.

В обзорной работе приведены данные Версхура и Стемердинга, которые изучали теплоотдачу от стенки трубы диаметром к водовоздушной смеси. Они не дали расчетных уравнений для коэффициента теплоотдачи, а ограничились лишь анализом характера его изменения при различных режимах движения двухфазного потока. По их наблюдениям отношению соответствует пенный режим барботажа, сопровождающийся небольшим возрастанием а с увеличением При наступает снарядный режим, переход от которого к стержневому отвечает максимальному значению а. Для более наглядного представления об интенсивности теплоотдачи к газожидкостной смеси Версхур и Стемердинг ввели отношение , в котором — коэффициент теплоотдачи к гомогенной жидкости, протекающей по трубе со скоростью, равной приведенной скорости жидкости. Для всех режимов движения это отношение было больше единицы. Такое же относительное выражение коэффициента теплоотдачи использовали и другие исследователи [38], изучавшие теплообмен при движении водовоздушной смеси в горизонтальных трубах.

Однако ограниченность исследований системой вода—воздух не позволила указанным выше авторам предложить какие-либо обобщенные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при восходящем газожидкостном потоке.

Гротхис и Хендал [38] в результате исследований теплоотдачи при течении в вертикальной трубе диаметром смесей воздух—вода и воздух—газойль предложили для расчета а два эмпирических уравнения, в которых где

Уменьшение показателя степени при критерии от 0,87 (для системы вода—воздух) до 0,39 (для системы газойль—воздух) они объясняют изменением гидродинамического режима при переходе на жидкость большей вязкости.

Кудирка с сотрудниками [111, 112], исследовав нагрев смесей вода—воздух и этиленгликоль—воздух в трубе диаметром предложили эмпирическое критериальное уравнение, из которого следует пропорциональность

Несмотря на достаточно удовлетворительную аппроксимацию опытных данных используемыми уравнениями, их все же нельзя признать обобщающими, и не только потому, что они имеют различные формы записи. В первую очередь, настораживает введение в эти уравнения вязкости газа. В силу развитой турбулентности газожидкостной смеси этот параметр не должен оказывать существенного влияния на интенсивность теплообмена, что экспериментально и было доказано Новосадом [117]. Так же необоснованно включен в расчетные уравнения и диаметр трубы, который при проведении экспериментов оставался неизменным. Для расчета а можно воспользоваться уравнением (11.38), но, прежде чем рассматривать его детально применительно к условиям движения газожидкостной смеси в вертикальных трубах, проанализируем качественные результаты последних исследований [25, 70, 74], представляющие для инженеров, занимающихся разработкой газлифтных реакторов, определенный интерес.

Так же как и в условиях внешней задачи, при нагреве или охлаждении газожидкостной смеси в трубах коэффициент теплоотдачи не изменяется, если при тождественности гидродинамической обстановки температуры жидкости в пристенном слое одинаковы.

Исследования гидродинамики газлифтных реакторов показали, что структура газожидкостного потока стабилизируется на небольшом расстоянии ( от места входа газа в барботажную трубу. При достаточно большой высоте трубы, очевидно, можно пренебречь влиянием концевого эффекта и считать коэффициент теплоотдачи независимым от условий входа газа в трубу, т. е. от числа и диаметров отверстий в газораспределительном насадке. Экспериментально это было подтверждено Бушковым [70]. Им же было показано слабое влияние диаметра трубы на теплоотдачу

Эти наблюдения вынуждают критически отнестись к уравнению Гончаренко и Жукова [18]

где

Здесь диаметр отрывного пузыря, зависящий от диаметра отверстия барботера

Хотя в силу конечной пропорциональности введение в уравнение диаметра и не вносит существенной ошибки в расчет а, логичнее было бы его вообще не учитывать.

Рис. 57. Теплоотдача при различных диаметрах труб и условиях входа газа (система вода—воздух):

Исследователи [18] в пределах скорости жидкости не обнаружили ее влияния на а, однако при наблюдалось увеличение коэффициента теплоотдачи (рис. 58). Здесь проведены линии, построенные по уравнению (11.38), в котором величина и рассчитана по и на них нанесены опытные точки, полученные при соответствующих условиях экспериментов [74].

Таким образом, коэффициент теплоотдачи при восходящем движении газожидкостной смеси в трубах газлифтных реакторов можно рассчитывать по уравнению (11.38); приняв для динамической скорости выражение

Здесь величина рассчитывается по уравнению по уравнению а по уравнению Входящий в него коэффициент может быть определен только в результате соответствующей обработки опытных данных.

Исследования [25, 74] теплоотдачи к восходящему газожидкостному потоку различных жидкостей в трубах диаметрами 32

и при изменении критерия от 4,9 до 250 показали, что при коэффициент к сохраняет постоянное значение, равное 1,9.

Рис. 58. Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости жидкости:

Расположение опытных точек при условии подтвердило наблюдаемую ранее [18, 117] закономерность незначительного влияния скорости жидкости на величину коэффициента теплоотдачи при (рис. 58). Этот факт легко объяснить, анализируя уравнение Действительно, при низких значениях скорости жидкости первое слагаемое подкоренного выражения пренебрежимо мало по сравнению со вторым, т. е. степень турбулизации пристенного слоя определяется в основном газосодержанием смеси и относительным движением фаз. Увеличение скорости жидкости вызывает возрастание отношения и одновременное понижение скорости роста газосодержания что приводит к уменьшению второго слагаемого подкоренного выражения. В зависимости от изменения каждого из слагаемых величина и может или возрастать, или уменьшаться, поэтому и расчетные значения коэффициента теплоотдачи а также будут соответственно увеличиваться или убывать.

Общая корреляция опытных и расчетных данных (рис. 59) показывает, что расхождение между ними лежит в пределах ±15%. Расположение в этих же пределах опытных данных и ряда других исследователей позволяет признать достаточно обоснованным предлагаемый метод расчета.

Слабая зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости жидкости при ее изменении до позволяет несколько упростить методику расчета а.

Уравнение получено для развитого турбулентного течения газожидкостной смеси, т. е. при . Но в

газожидкостной смеси и при преобладает турбулентный перенос тепла, обусловленный в основном турбулентными пульсациями, передаваемыми в жидкость от газовых пузырей. Это дает право с достаточной для технических расчетов точностью при принимать динамическую скорость

Рис. 59. Сопоставление опытных значений с рассчитанными по уравнениям (11.38) с учетом

При течении гомогенной жидкости в трубах переход от ламинарного режима к развитому турбулентному ограничен значениями -3000, что соответствует Очевидно, величина должна лежать в том же диапазоне. Экспериментально установлено, что При предварительном выборе уравнения или для расчета динамической скорости величину можно установить по ориентировочному значению

с последующим уточнением по соответствующей зависимости.

Если идти по пути дальнейшего упрощения методики расчета коэффициента теплоотдачи в условиях внутренней задачи, то уравнение (11.38) с учетом выражений или можно аппроксимировать более простой зависимостью

где внутренний диаметр барботажной трубы.

Уравнение при в области значений дает расхождение с экспериментальными данными не более ±20%.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление