Брзина течности у двофазним и трофазним пнеуматским реакторима са спољашњом циркулацијом

Abstract

У овом раду испитиван је теоријски и експериментално утицај геометрије и присуства чврсте фазе на хидродинамику трофазних, пнеуматских реактора са спољашњом рециркулацијом. Сва испитивања су експериментално обављена на 9 ректора различитих геометрија, а теоријски и на још 4 реактора за које су подаци били доступни у литератури. Од хидродинамичких параметара испитивани су утицаји на брзину течности: - односа површина узлазног и силазног дела реактора Ar/Ad; - пречника и висине узлазног дела реактора; - геометрије (дужине) горњег бочног дела реактора; - запремине течности у реактору (ниво течности); - удео, величине и густине честица; - укупне геометрије реактора. Осим овога испитан је и утицај присуства и количине честица на промене режима струјања, минималне брзине гаса потребне за рециркулацију честица као и теоријска анализа утицаја укупних отпора струјању на брзину течности. Такође су утврђени утицаји геометрије реактора на слип брзину. Највеће брзине дају реактори са већим висинама и већим пречницима цеви као и краћим бочним деловима. Такође брзине течности су веће у реакторима са истим пречником узлазног и силазног дела док најмање брзине даје реактор са Ar/Ad > 1. Испитивања су показала да висина ректора директно утиче на брзину течности преко фактора k, а пречник реактора утиче тако што мења укупне отпоре, Σ Kf, а не директно сам пречник и овај утицај је више изражен при малим брзинама гаса и за трофазне системе. Анализом укупних отпора Σ Kf утврђено је да је са становишта смањивања укупних отпора боље повећавати размеру реактора (укупну запремину) повећавањем пречника реактора него повећавањем висине. Брзине течности у реакторима су директно пропорционалне вредностима геометријског параметра k тако да брзина расте са опадањем вредности овог параметра. Утврђено је и да је промена режима струјања такође условљена вредношћу овог параметра што показаје да је моделовање АЛР немогуће без укључивања утицаја геометрије реактора преко овог параметра. Утицај присуства честица у систему као и њихове густине и пречника такође је испитан. Извршена је детаљна анализа слип брзине у реакторима дала је феноменолошки потпуно нову једначину за предвиђање слип брзине у хомогеном и хетерогеном режиму рада. Предложени модел спада међу најтачније и једини од свих модела у себе укључује и утицај геометрије реактора на слип брзину. Детаљна анализа услова при којима се у АЛР постиже такозвани рециркулациони режим показале је да је брзина гаса потребна за рециркулациони режим линеарно пропорционална уделу честица и да осим тога зависи и од геометрије реактора. Показано је да геометрија одвајача фаза и ниво течности имају веома изражен утицај на брзину течности па брзина течности расте са повећавањем нивоа течности до неке границе после чега даље повећавање нивоа нема утицаја на брзину. Геометрија одвајача је од пресудног значаја код трофазних система јер у хоризонталним деловима реактора може доћи до таложења честица код предугих али и неефикасног одвајања гаса код прекратких бочних делова па је потребно веома пажљиво одабрати дужину горњег бочног дела реактора да би се оптимизовао рад реактора. Предложена је нова једначина за предвиђање брзине течности у трофазним системима развијена из модела предложеног за двофазне системе и додатно коригована за утицај честица. Њеним тестирањем на великом броју експерименталних података различитих аутора показан је висок ниво тачности предвиђања брзине течности. Анализом података утврђено је постојање новог режима струјања при малим брзинама гаса, који раније није био примећен, који је назван ламинарним режимом и за који је такође предложена нова корелација за предвођање брзине.

In this paper, the influence of the geometry and the presence of the solid phase on the hydrodynamics of three-phase pneumatic reactor with external recirculation were theoretically and experimentally examined. Tests were experimentally performed on nine geometrically different rectors and theoretically on four more reactors for which data were available in the literature. Influences of following hydrodynamic parameters on liquid velocity were examined: the area ratio of riser and downcomer section Ar /Ad; diameter and height of the riser section; geometry (length) of the gas separating section; fluid level in gas separating section; portion, size and density of particles; overall reactor geometry. Besides, the effect of the presence and quantity of particles to changes in flow regime were examined, as well as the minimum speed required for recirculation of particles. Detailed theoretical analysis of the impact of total resistance to flow on the liquid velocity was also performed. Maximum liquid velocities were in the reactors with larger heights and larger diameters and with shorter side parts. Also, the liquid velocity is higher in the reactors with equal diameters of riser and downcomer while smallest velocities were in the reactors with Ar/Ad greater than one. Tests have shown that the height of the rector directly affects the liquid velocity through the factor k and reactor diameter affects it not directly but only by changing the total resistance. This effect is more pronounced at low gas velocities and for the two-phase systems. It was found, by the analysis of the total resistance, that from the standpoint of reducing overall resistance it is better to increase the scale of the reactor (total volume) by increasing the diameter of the reactor rather than by increasing the height. Liquid velocity in the reactors is directly proportional to the values of the geometric parameter k so that the velocity increases with decreasing values of this parameter. It was determined that a change in flow regime is also determined by the value of this parameter. This shows that modeling of ALR is impossible without including the influence of reactor geometry through this parameter. Effect of the particles in the system as well as their density and diameter was also examined. The effect of reactor geometry on the slip speed was also examined. A detailed analysis of the slip rate in the different reactors has given phenomenologically a whole new equation for prediction of the slip velocity in homogeneous and heterogeneous regime. The proposed model is among the most accurate and the only one that include an impact of reactor geometry on the slip velocity. Detailed analysis of the conditions under which ALR achieved so-called recirculation mode showed that the rate of gas needed for this mode is linearly proportional to the percentage of the particles and also depends on the reactor geometry. It is shown that the geometry and the liquid level in the gas separator have a very strong impact on the liquid velocity. Liquid velocity increased with increasing level of liquid up to a certain limit after which further increase of the liquid level have no effect. Gas separator geometry is even more critical in the three-phase system where horizontal parts of the reactor may be a deposition places of particles if too long, but also inefficient for gas separation if too short. So, the side part length needs to be carefully chosen to optimize the operation of reactors. The new equations is proposed for predicting the liquid velocity in three-phase systems. It was developed from the model proposed for two-phase systems and further adjusted for the impact of particles. This equations were tested on a large number of experimental data of different authors and demonstrated a high level of accuracy for prediction of the liquid velocity. Analysis of experimental data revealed the existence of a new flow regime at low speeds of gas, which has not been observed earlier. This regime was named the laminar regime and new correlation for predicting the speed in this regime was also proposed.