Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Многокомпонентный массоперенос в системах газ (пар) – жидкость. Монография
.pdf
101
газа в осевом потоке
. Одновременно задавалось условие ра-
венства коэффициентов динамической вязкости компонентов
. Таким образом, можно наблюдать деформацию профиля осевой
скорости, но кривая профиля принимает другой вид. Полученные профили осевой скорости представлены на рис. 3.10. Начальные, а также
граничные условия моделирования приведены в табл. 3.4.
Рис. 3.10. Результаты численного моделирования (профили
осевой скорости, модели ЛМ5)
Также было проведено численное моделирование для двух изомеров (модель ЛМ6). В качестве дополнительных граничных условий
принималось одинаковое значение плотности веществ
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
Осевая скорость, м/с
Поперечное сечение трубы, м
102
и коэффициентов динамической вязкости
. Расчетные профили скорости представлены на рис. 3.11.
Начальные, а также граничные условия моделирования приведены в
табл. 3.4.
Рис. 3.11. Результаты численного моделирования
(профили осевой скорости модели ЛМ6)
В данной постановке задачи деформации профилей скорости не
наблюдается.
Для оценки влияния на процесс диффузии коэффициента кинематической вязкости была построена модель ЛМ7, у которой в качестве
дополнительных граничных условий принимался фактор неоднородно-
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
Осевая скорость
, м/с
Поперечное сечение трубы, м
103
сти смеси, равный 1
, а также выставлялось условие со-
отношения коэффициентов динамической вязкости
. Получен-
ные в результате моделирования профили скорости представлены на
рис. 3.12. Начальные и граничные условия, принятые при моделировании, приведены в табл. 3.4.
Рис. 3.12. Результаты численного моделирования
(профили осевой скорости, модель ЛМ7)
Проанализировав полученные результаты, можно снова отметить
эффект деформации профилей осевой скорости. Очевидно, что изменение коэффициента динамической вязкости смеси оказывает существенное влияние на появление данного эффекта. Не менее сильное влияние
на трансформацию профилей скоростей оказывает и наличие результирующего течения массы на границе раздела (суммарного потока).
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
Осевая скорость
, м/с
Поперечное сечение трубы, м
Профиль осевой
скорости, калибр 5
Профиль осевой
скорости, калибр
10
Профиль осевой
скорости, калибр
15
Профиль осевой
скорости, калибр
20
104
Таблица 3.4
Условия проведения численных экспериментов (ламинарная
модель)
Начальные параметры
Услов-
ное
обозна-
чение
Ед. изме-
рения
ЛМ5
ЛМ6
ЛМ7
1
2 3 4 5 6
Используемая смесь веществ
–
–
Воздух-
гелий
П2
П2
Скорость потока
м/с
0,14
0,026
0,05
Температура потока
К
298
298
298
Молекулярная масса инертного компонента
кг/кгмо
ль
1,79
58
58
Молекулярная масса диффундирующего компонента
кг/кгмо
ль
1,79
58
58
Число Рейнольдса
–
1916
1914
1470
Динамическая вязкость инертного компонента
кг/мс
1,29E-
05
1,29E-
05
7,7E-6
Динамическая вязкость диффундирующего
компонента
кг/мс
1,29E-
05
1,29E-
05
8E-6
Плотность инертного компонента
кг/м3
1,25
2,5
2,5
Плотность диффундирующего компонента
кг/м3
0,16
2,5
2,5
Коэффициент диффузии
м2/с
5,38E-6
6,35E-5
6,35E-5
Начальная концентрация на стенке диффундирующего компонента
мас. доля
0,003
0,003
0,003
Начальная концентрация во входном потоке
диффундирующего компонента
мас. доля
0,0005
0,0005
0,0005
Калибр
– – 20
20
–
На следующем этапе (моделирование неэквимолярного процесса) было проведено выделение из общего массового потока эквимолярной составляющей, рассчитанной с использованием (2.36), и конвек-
тивной составляющей . Остаток при этом и характеризовал по-
правку на неэквимолярность, накладываемую на диффузионный поток
поперечным массовым потоком, что позволило дополнительно проверить правомерность закрепления численного значения параметра p.
105
Обработка результатов численного эксперимента представлена
на рис. 3.13. Определяется соотношение
,*DD
ShSh
в зависимости от от-
носительной величины Nc, выраженной через его отношение к эквимо-
лярному коэффициенту массоотдачи . Как видим, исследуемая за-
висимость в широкой области вариаций этого отношения остается линейной с угловым коэффициентом, соответствующим значению 1,5.
Незначительная потеря точности от принятых допущений начинает
проявляться только при достаточно высокой степени неэквимолярно-
сти, когда величина
начинает приближаться к значению эквимо-
лярного коэффициента массоотдачи.
Рис. 3.13. Зависимость относительного диффузионного потока
в газовой (паровой) фазе
( )
hShS
D
от соотношения
.
Обозначения: сплошная линия p=1.5 (Re=10000, Sc=1.05)
Точки – данные модельного эксперимента, проведенного при тех же
условиях
106
Далее был произведен расчет параметра , определяемого по
уравнению (2.22), а также построен график изменения потока
по
длине трубы. В результате выявлено, что значение параметра на выходе из трубы для процесса с
оказалось равным 1,47, а для про-
цесса с
1,45. Это подтверждает правомочность использования
допущения о постоянстве параметра p и закрепления его значения равным 1,5.
На рис. 3.14 показано изменение потока диффундирующего ве-
щества
по длине трубы в условиях численных экспериментов с по-
ложительным и отрицательным направлениями диффузионных потоков (ТМ2, ТМ3).
Рис. 3.14. Изменение потока диффундирующего вещества
по длине трубы для моделей ТМ2, ТМ3
Как видим, наибольшие значения диффузионных потоков наблюдаются на входном участке трубы. Затем уменьшение величины потоков носит примерно линейный характер, что объясняется условиями
-0,0003
-0,0002
-0,0001
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0 1 2 3 4
Поток диффундирующего вещества, м/с
Длина трубы, м
Изменине
потока Ni по
длине трубы
для процесса
Qист+
Изменине
потока Ni по
длине трубы
для процесса
Qист-
107
проведения экспериментов. Действительно, в модели концентрация вещества в пристенном слое закреплялась, что сопровождалось снижением движущей силы процесса массоотдачи вдоль трубы,
а значит, и прогрессивным уменьшением диффузионного потока.
В целом результаты модельного эксперимента подтверждают
адекватность предлагаемого математического описания процесса массоотдачи в системах газ (пар) – жидкость.
Выводы по главе 3
1. Математическая модель процесса неэквимолярной массоот-
дачи, построенная в среде ANSYS Fluent, адекватно отображает как
гидродинамические, так и массообменные аспекты протекания процесса в ламинарном и турбулентном режимах.
2. Доказана необходимость использования источниковых членов
для достоверного моделирования массообмена в среде ANSYS Fluent и
предложен подход к их формированию.
3. Выделен и объяснен эффект влияния массообмена на формиро-
вание профилей скоростей.
4. При моделировании массообмена в турбулентном газовом по-
токе было установлено, что параметр p, заложенный в математическое
описание, в широком диапазоне изменения условий протекания процесса массоотдачи сохраняет практически постоянное значение (p=1,5),
что согласуется с опубликованными в литературе обширными экспериментальными данными по исследованию ярко выраженных неэквимолярных процессов.
108
Заключение
1. Выделение отдельных составляющих в уравнениях переноса
потоков, создаваемых механизмами диффузионного и конвективного
переноса, при математическом описании процессов многокомпонентной молекулярной диффузии и массоотдачи является целесообразным
методом решения в данной постановке.
2. При рассмотрении процессов разделения, протекающих в мно-
гокомпонентных смесях, целесообразно относить произвольный процесс диффузионного массопереноса к эквимолярному как к эталонному
процессу, в котором механизм конвективного переноса массы не оказывает влияния на процессы формирования профилей скоростей и концентраций.
3. На основе проведенного теоретического анализа и обобщения
обширного экспериментального материала доказана адекватность
предложенной структуры уравнений массоотдачи и ее независимость
от условий обтекания поверхности раздела фаз, т. е. от аппаратурного
оформления процесса.
4. Приведено доказательство того, что наличие поперечного мас-
сового потока через поверхность раздела фаз (неэквимолярность процесса) существенно влияет на распределение фазовых сопротивлений в
процессе массопередачи. Приводится объяснение механизма этого вли-
яния.
5. Развитие данной научной темы предполагает введение в разра-
ботанную ранее модель массоотдачи системы газ(пар)–жидкость учета
влияния химических реакций и появление тепловых потоков (фазовых
превращений).
109
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поникаров, А. С. Кинетика многокомпонентной массоотдачи
в системах газ (пар) – жидкость: дис. … канд. техн. наук / А. С. Поникаров. – Казань, 2017. – 148 с.
2. Исследование многокомпонентной диффузии в газовых сме-
сях / Э. Ш. Теляков [и др.] // Теорет. основы хим. технологии. – 2013. –
T. 47.– № 4.– C. 395–401.
3. Дьяконов, С. Г. Теоретические основы и моделирование про-
цессов разделения веществ / С. Г. Дьяконов, В. И. Елизаров, А. Г. Лаптев. – Казань: Изд-во КГТУ, 1993. – 437 с.
4. Дьяконов, Г. С. Алгоритм прототипирования аппаратов разде-
ления веществ / С. Г. Дьяконов, Р. А. Динмухаметова, А. В. Клинов //
Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – Т. 16. –
№ 5. – С. 186–189.
5. Кинетика растворения и роста элементов мелкодисперсной
твердой фазы в аппаратах с перемешиванием / В. И. Елизаров [и др.] //
Теорет. основ. хим. технол. – 2012. – Т. 46. – № 4. – С. 403–408.
6. Определение числа действительных ступеней разделения ко-
лонных массообменных аппаратов / В. И. Елизаров [и др.] // Теорет. основ. хим. технол. – 2012.– Т. 46.– № 6.– С. 603–611.
7. Кинетика массопереноса при жидкостной экстракции в аппа-
ратах с перемешиванием / Д. В. Елизаров [и др.] // Журнал прикладной
химии. – 2013.– Т. 86.– № 2.– С. 246–250.
8. Определение эффективности колонных массообменных аппа-
ратов на основе аналогии переноса импульса и массы в барботажном
110
слое на тарелках / Д. В. Елизаров [и др.] // Теоретические основы химической технологии. – 2012.– Т. 46.– № 5.– С. 483–487.
9. Лаптева, Е. А. Определение коэффициентов в тепло- и массо-
отдачи от частиц на основе развития гидродинамической аналогии /
Е. А. Лаптева, А. Г. Лаптев // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. – 2016. – № 14–1.– С. 61–66.
10. Поникаров, А. С. Неэквимолярная массоотдача в системах
газ (пар) – жидкость / А. С. Поникаров, Л. Э. Осипова, Э. Ш. Теляков //
Теорет. основы хим. технологии. – 2015.– Т. 49.– № 3.– С. 277–286.
11. Платонов, В. М. Разделение многокомпонентных смесей /
В. М. Платонов, Б. Г. Берго. – М.: Химия, 1965. – 90 с.
12. Берд, Р. Явление переноса / Р. Берд, В. Стьюард, Е. Лайтфут. –
М.: Химия, 1974. – 51 с.
13. Дильман, В. В. Комбинированный метод исследования и рас-
чета многокомпонентной диффузии с инертным газом / В. В. Дильман //
Теорет. основы хим. технологии. – 2008.– T. 42. – № 2.– С. 176–182.
14. Дильман, В. В. Экспериментальная проверка уравнений Сте-
фана–Максвелла / В. В. Дильман, В. А. Лотхов, О. А. Каширская // Теорет. основы хим. технологии. – 2009. – Т. 43. – № 3.– С. 303–308.
15. Дильман, В. В. Концентрационные зависимости трехкомпо-
нентной диффузии Стефана–Максвелла в газовых смесях / В. В. Дильман // Теорет. основы хим. технологии. – 2010.– T. 44.– № 3.– С. 270–
275.
16. Дильман, В. В. Особенности многокомпонентной диффузии /
В. В. Дильман, О. А. Каширская, В. А. Лотхов // Теорет. основы хим.
технологии. – 2010.– T. 44.– № 4.– С. 396–400.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]