Способ определения площади контакта жидкости со струей газа

 

Изобретение касается определения физических свойств двухфазных систем, а именно к определению площади контакта жидкости со струей газа, которое , в частности, необходимо при математическом моделировании динамики сталеплавильных процессов, основанных на продувке жидкого металла струей газа. Цель изобретения - повышение точности. Для определения площади контакта жидкости со струей газа продувают жидкость смесями нейтрального к, жидкости и абсорбируемого жидкостью газов. Фиксируют изменение температуры жидкости в ходе продувки для каждого состава газовой смеси, устанавливают зависимость изменения температуры жидкости от парциального давления абсорбируемого газа в смеси. Эту зависимость отражают графически. Определяют парциальное давление абсорбируемого газа в|продувочной смеси , не приводящее к изменению температуры жидкости, и определяют площадь контакта жидкости со струей газа по формуле. При этом обеспечивается устранение градиента температур, за счет чего повышается точность определения площади контакта двух фаз. (Л

СОЮЗ СОЕЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИК (19) (И) 5и 4 с о1 N 33/оо

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й А ВТОРСКОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4182864/31-02

{22) 15.01; :87 (46) 23.01.89. Бюл. У 3 (71) Сибирский металлургический ин- .ститут им. Серго Орджоникидзе (72) К.M.Øàêèðîâ, И.Н.Толкунова, P.Ñ.Àéçàòóëîâ, Г.Д.Булойчик и Ж.M.Øóëèíà (53) 669.012(088.8) (56) Щекалев Ю.С., Смирнов Л.А., Шакиров К.М. и др. К определению межфазной поверхности,. реагирующих фаз при струйном режиме истечения газа в жидкость. — Изв. вузов.

Черная металлургия, 1977, N 12, с. 57-60.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1272235, кл. С 01 N 33/00, 1983, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЦАДИ КОНТАКТА ЖИДКОСТИ СО СТРУЕЙ ГАЗА

{57) Изобретение касается определения физических свойств двухфазных систем,, а именно к определению площади контакта жидкости со струей газа, которое, в частности, необходимо при математическом моделировании динамики сталеплавильных процессов, основанных на продувке жидкого металла струей газа. Цель изобретения — повышение точности. Для определения площади контакта жидкости со струей газа продувают жидкость смесями нейтрального к жидкости и абсорбируемого жидкостью газов. Фиксируют изменение температуры жидкости в ходе продувки для каждого состава газовой смеси, устанавливают зависимость изменения температуры жидкости от парциального давления абсорбируемого газа в смеси, Эту зависимость отражают графически.

Определяют парциальное давление абсорбируемого газа в/продувочной смеси, не приводящее к изменению температуры жидкости, и определяют площадь контакта жидкости со струей газа по формуле. При этом обеспечивается уст"ранение градиента температур, за счет чего повышается точность определения площади контакта двух фаэ.

1453327

Изобретение относится к определению физических свойств двухфазных систем, а именно к определению площади контакта жидкости со струей га5 за, которое, в частности, необходимо при математическом моделировании динамики сталеплавильных процессов, основанных на продувке жидкого металла. струей газа. 10

Цель изобретения — повьппение точности.

Способ осуществляется следующим образом.

Инертный газ на продувку по- t5 дают в смеси с газом, абсорбируемым жидкостью, изменяют состав газовой смеси и фиксируют изменение температуры жидкости для каждого состава, устанавливают зависимость изменения 20 температуры жидкости от парциального давления абсорбируемого газа в смеси и по ней определяют парциаль- . ное давление абсорбируемого газа, не приводящее к изменению температу- 25 ры жидкости, по величине которого определяют площадь контакта фаз по формуле

Ен) P k P*(1 а)k„

ЬНи На

S- — — -- — — — — — — —— - 30

k k R т — —. Р*(1-х )(1 — E )-Р) бали а и $ дц м 0 .н 2

Ф (1) где S — площадь контакта жидкостьгаз, м2;

q — объемная скорость смеси газов, м /с;

k - константа скорости абсорбции, моль/м с.Па;

k — константа скорости испарения, моль/м . с Па;

К вЂ” универсальная газовая постоянная, Дж/моль К;

T> — температура смеси газов, К;

Eu — относительная влажность исходной смеси газон ; 45

Р— парциальное давление абсорбируемого газа в смеси газов для AT=0 Па;

Ь Н „.— изменение э нт альпии жидко сти при испарении 1 моль; Дж/моль 0

b Но, — изменение энтальпии при абсорбции 1 моль газа жидкостью, Дж/моль;

P — давление насыщенного пара жидкости, Н/м2;

55 х — мольная доля абсорбента в жидкости.

Продувка жидкости смесью нейтрального к жидкости и абсорбируемого жидкостью газов сопровождается двумя параллельно идущими гетерогенными процессами на поверхности контакта жидкость-газ процессом испарения жидкос) ти с эндотермическим эффектом и абсорбционно-химическим актам взаимодействия газа с жидкостью с выделением тепла. Поскольку grad Т у поверхности вызывается тепловыделением или теплопоглощением, то при достижении равенства скоростей выделения тепла при реакции хемосорбции и поглощения тепла при испарении суммарный тепловой эффект и соответственно градиент температуры равны нулю.

B этих условиях уравнение теплового баланса, выраженное через скорости процессов абсорбции и испарения, имеет вид

Wa lhHa l =Ни ЬН„I (2) где W и W< — соответственно скорости процесса абсорбции и испарения, моль/с;

ЬНд и ЬН„ — малярные тепловые эффекты этих процессов, Дж/моль.

Поскольку кинетические уравнения испарения и абсорбции описываются выражениями

1 1 RT

2 (3)

"и k„S P,„q Р„«- Е„)

1 1 RT (4)

Wа kà S P2 q Ре то равенство (2) выполняется только при строго фиксированном значении парциального давления абсорбируемого газа Р в смеси, продуваемой с объемной скоростью q. Величина Р определяется экспериментально следующим образом: продувают жидкость смесями инертного и абсорбируемого жидкостью газов различного количественного состава, фиксируют изменение температуры жидкости для каждого состава газовой смеси, устанавливают зависимость изменения температуры жидкости от парциального давления абсорбируемого газа в смеси. Эту зависимость отражают графически. IIo графику определяют парциальное давление абсорбируемого газа в продувочной смеси, не приводящее к изменению температуры жидкости, т ° е. для условий, обеспечивающих равенства нулю суммарного теплового эффекта и гради27

4 гидроксида калия КОН с концентрацией

14Х. При площади невоэмущенной поверхности Б =3,85 10 м и объемной

-7 скорости несущего газа, представляющего смесь абсорбируемого жидкостью газа СО и инертного газа, и жидкости -Ar q,=1,33 ° 10 м /с с парциальнья д лением С02РСО 0,12 10 Па, Определенным экспериментально путем продувки смесью с различным содержанием до достижения grad T=O и Т =T„=298 К, уточняют кинетические константы испарения и абсорбции. Они соответственно равны

5292,2

k =1125- е моль/с м2 Па

1,ЗЗ 10 (1-0,55) 0,24 10 1,32 10 - 4 317 10 (1-4,97 ° 1О )2,18 10*

215 к .

О, 1 32 10 2,18 1О 8>314 298ф — 650 3,17-10 (1-4,97 10 )(1-0,55)-0,24 117

-з -ю Г44000 т г

Данный способ определения площади .Поскольку температуру поверхности контакта жидкость — газ полностью жидкости непосредственно измерить устраняет влияние градиента температу- нельзя, используют значение темперары на величину параметров, которые ис- .туры жидкости в объеме. Это приводит пользуются для определения площади к ошибке в определении величин, исконтакта жидкость — газ, что повышает пользуемых для определения площади точность способа. При продувке одним контакта фаз, что приводит к система55 инертным газом температура Т поверх- тически заниженным результатам. и нОсти кОнтакта жидкость — газ отлича Ошибка в Определении площади ется От температуры Объема То на 3- такта составляет 35-407.. Изобретение

4 градуса. обеспечивает равенство темперагур по14533 ента температур. Процессы испарения и абсорбции при этом протекают при фиксированной температуре, которую определяют термометром в объеме жидкости

5 что правомерно, так как grad Т=О и Т„=Т0. В этих условиях кинетические уравнения процессов и"парения и абсорбции (3), (4) и уравнение теплового баланса (2) позволяют определить площадь контакта жидкости со струей газа по формуле (4).

Однако кинетические константы k и и k, входящие в этом уравнение и известные из литературных данных, со- 15 держат ошибки, связанные с возникновением grad Т при раздельном проведении процессов абсорбции и испарения.

Уточнение 10 и 1»„ проводится экспериментально путем продувки смесью газов 20 с различным содержанием абсорбируемого газа, добиваясь постепенно устранения grad Т за счет изменения соотношения между эндо- и экзотермическими эффектами. Продувку проводят смесью 25 газов с объемной скоростью q без возмущения поверхности контакта жидкость— газ (S=S ). Используя при соответствующей объемной скорости газа q величину парциального давления абсорбируемого газа Pz, обеспечивающую устранение градиента температур (grad T=0), и уточненные значения кинетических констант испарения и абсорбции, по формуле (1) рассчитывают площадь контакта жидкость — газ,.35 которую непосредственно измерить не удается.

При экспериментальном определении площади контакта жидкость — газ в термостат помещают сосуд с раствором

6Ь77,59 т и 1с =71,12 е моль/с ° м ° Па.

Затем проводят в режиме разбрызгивания жидкости со значительным увеличением поверхности контакта фаз S npu объемной скорости газа q=1,33 ° 10 м /с серию продувок смесью газов с различным содержанием СО . При этом определяют с помощью термомента Бекмана изменение температуры в объеме жидкости. Построили график зависимости изменения температуры 8Т от парциального давления СО в смеси, по которому определяют давление Р =0 24"

5 СО, х10 Па, обеспечивающее устранение градиента температур.

Расчет по формуле (1) при ДЧ =

=44- — =44000 — —; Р =0,24 10 Па кДж, Дж

:моль МОЛЬ 2 Н =449650 Дж/моль; Рн р =1,636

5192 2

x10 . е т Па; Я =0,55; х „,„=4,97"

«10; Т =298 К; Т =298 К, дает

3327 6 газ на продувку подают в смеси с газом, абсорбируемым жидкостью, изменяют состав газовой смеси и фиксируют изменение температуры жидкости для каждого состава, устанавливают парциальное давление абсорбируемого газа, при котором температура жидкости не изменяется, и по его величине определяют площадь контакта фаз по формуле

g(l L Г " Ни. н " а Н„к

Я = = =-1а кр )се R Т вЂ” Р (1-ха) (1-6q) -

15 где S

20 1 а

TW н

GHEE

Формула изобретения

Способ определения площади контак35 та жидкости со струей газа, включающий продувку жидкости струей инертного к жидкости газа, измерение в процессе продувки температуры жидкости, отличающийся тем, что, 40 с целью повышения точности, инертный

6Н хр

Составитель В.Субачев

Техред M.Äèäûê Корректор В.Бутяга

Редактор Н.Лазаренко

Тираж 788 Подписное

Заказ 7279/42

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 145 верхности и объема Т„=Т и за счет этого более точное определение площади контакта двух фаз.

Способ может быть использован для определения зависимости площади контакта жидкого чугуна со струей кислорода в конвертерной ванне от таких параметров продувки (управляющих воздействий), как объемная скорость истечения кислорода и высота продувоч" ной фурмы над уровнем свободной поверхности жидкого чугуна. Зта зависимость может быть введена в математическую модель процесса рафинированния чугуна в кислородном конвертере и применена для оптимизации режима продувки в конвертерах. Целенаправленное изменение величины поверхности контакта фаз через управляющие воздействия позволяет менять скорости массообменных процессов между металлом, шлаком и газом по заданной программе ° Внедрение в производство рациональных дутьевых режимов, определенных с помощью предлагаемого сйособа, приводит к снижению потерь железа с технологическими выбросами и угаром и увеличению степени десульфурации g è степени дефосфорации площадь контакта жидкость— газ, м объемная скорость смеси газов, м /с; константа скорости абсорбции, моль/м с.Па; константа скорости испарения, моль/м с .Па; универсальная газовая постоянная, Дж/моль ° К; температура смеси газов, К; относительная влажность исходной смеси газов, Х; парциальное давление абсорбируемого газа в смеси для

5T=0 Па; изменение энтальпии жидкости при испарении 1 моль, Дж/

/моль; изменение энтальпии при абсорбции 1 моль газа жидкостью, Дж/моль; давление насыщенного пара жидкости, Н/м ; мольная доля абсорбента в жидкости,