Abstract and keywords
Abstract (English):
The coefficients and exponents of the criterion equation for the motion of a gas bubble in a liquid were experimentally determined

Keywords:
gas bubble, motion, criterion equation, experimental studies
Text
Text (PDF): Read Download

Скорость движения пузырька газа в жидкости оказывает влияние на время контакта газа и жидкости, а также на газосодержание газожидкостного слоя на массообменных устройствах ректификационных и абсорбционных колонн [1, 2]. В работе [3] методом анализа размерностей получен общий вид критериального уравнения для процесса всплытия одиночного пузырька в жидкости:

,                                       (1)

или

,                                               (2)

,                                           (3)

где критерий Fr - безразмерный критерий Фруда; We - критерий Вебера; rг – плотность газа, кг/м3; r – плотность жидкости, кг/м3; µ – динамический коэффициент вязкости жидкости, кг/(м·с); d – диаметра пузырька, м; g – ускорение свободного падения, м/c2; s – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, кг/с2. В уравнениях (2-3):

    ,

,

,

.

Целью настоящего исследования является экспериментальное определение значений коэффициента С и показателей степени a, b, g в уравнении (3).

Выполнена серия экспериментов со всплытием одиночных пузырьков воздуха в горячей воде (70°С) и холодной воде (20 °С) при атмосферном давлении 720 мм рт ст. Физические свойства воды и воздуха определены по справочникам [4, 5].

Таблица

Результаты экспериментов

d, м

w, м/с

Т, °С

Re

ρ¢

Fr

We

Re

расчетн.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

0.0006

0.047

20

28.19

0.001142

0.37624

0.01817

28.19

2

0.0007

0.056

20

39.24

0.001142

0.45919

0.03018

39.24

3

0.0010

0.103

20

102.42

0.001142

1.07301

0.14394

102.42

4

0.0015

0.105

20

157.22

0.001142

0.74924

0.22614

157.22

5

0.0020

0.140

20

280.35

0.001142

1.00506

0.53930

280.35

6

0.0008

0.093

20

73.97

0.001142

1.09335

0.09387

73.97

7

0.0005

0.066

20

33.10

0.001142

0.89659

0.03007

33.10

8

0.0002

0.037

20

7.40

0.001142

0.70073

0.00376

7.40

9

0.0004

0.067

20

26.90

0.001142

1.15660

0.02482

26.90

10

0.00045

0.070

20

31.44

0.001142

1.10998

0.03015

31.44

11

0.0005

0.093

70

112.10

0.000992

1.74936

0.06514

112.10

12

0.0010

0.113

70

274.30

0.000992

1.30932

0.19502

274.30

13

0.0006

0.072

70

104.50

0.000992

0.87982

0.04718

104.50

14

0.0006

0.097

70

141.18

0.000992

1.60587

0.08611

141.18

15

0.0012

0.093

70

269.04

0.000992

0.72890

0.15634

269.04

16

0.0005

0.099

70

119.74

0.000992

1.99604

0.07433

119.74

17

0.0005

0.070

70

85.16

0.000992

1.00958

0.03759

85.16

18

0.0010

0.076

70

183.43

0.000992

0.58553

0.08721

183.43

19

0.0007

0.130

70

220.85

0.000992

2.47459

0.18061

220.85

20

0.0011

0.153

70

406.74

0.000992

2.16301

0.38983

406.74

21

0.0003

0.055

70

39.67

0.000992

1.01442

0.01360

39.67

22

0.0006

0.084

70

122.47

0.000992

1.20842

0.06480

122.47

 

При 70 °С коэффициент динамической вязкости воды составил 0,000404 кг/(м·с); коэффициент поверхностного натяжения воды 0,0644 кг/с2; плотность воздуха 0,97 кг/м3; плотность воды 977,80 кг/м3. При 20 °С коэффициент динамической вязкости воды 0,00100 кг/(м·с); коэффициент поверхностного натяжения воды 0,0730 кг/с2; плотность воздуха 1,14 кг/м3; плотность воды 998,23 кг/м3.

При проведении экспериментов осуществлялась видеосъемка. Результаты экспериментов представлены в таблице.

По экспериментальным данным, приведенным в таблице, методом наименьших квадратов [6-8] определено значение коэффициента С и значения показателей степеней a, b, g в критериальном уравнении (3). Расчет выполнен с помощью функции «линейн» в программе Excel. В результате получено: С=6,06787·10-15; a=-5,732318; b=-0,25;  g=0,75.

Критериальное уравнение (3) принимает вид:

.                          (4)

По критериальному уравнению (4) выполнен расчет значений критерия Рейнольдса для экспериментальных данных (таблица). Расчетные значения критерия Рейнольдса приведены в графе 9 таблицы. Видно, что расчетные значения критерия Re соответствуют экспериментальным значениям (графа 5 таблицы).

Таким образом, критериальное уравнение (4) позволяет определить скорость всплытия пузырька газа в жидкости при следующих условиях: 0,376<Fr<2,4746; 0,00376<We<0,5393; 0,000992<ρ¢<0,001142. Критериальное уравнение (4) может быть использовано при проектировании и разработке массообменных контактных устройств химических и нефтехимических производств.

Скорость движения пузырька газа в жидкости оказывает влияние на время контакта газа и жидкости, а также на газосодержание газожидкостного слоя на массообменных устройствах ректификационных и абсорбционных колонн [1, 2]. В работе [3] методом анализа размерностей получен общий вид критериального уравнения для процесса всплытия одиночного пузырька в жидкости:

,                                       (1)

или

,                                               (2)

,                                           (3)

где критерий Fr - безразмерный критерий Фруда; We - критерий Вебера; rг – плотность газа, кг/м3; r – плотность жидкости, кг/м3; µ – динамический коэффициент вязкости жидкости, кг/(м·с); d – диаметра пузырька, м; g – ускорение свободного падения, м/c2; s – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, кг/с2. В уравнениях (2-3):

    ,

,

,

.

Целью настоящего исследования является экспериментальное определение значений коэффициента С и показателей степени a, b, g в уравнении (3).

Выполнена серия экспериментов со всплытием одиночных пузырьков воздуха в горячей воде (70°С) и холодной воде (20 °С) при атмосферном давлении 720 мм рт ст. Физические свойства воды и воздуха определены по справочникам [4, 5].

Таблица

Результаты экспериментов

d, м

w, м/с

Т, °С

Re

ρ¢

Fr

We

Re

расчетн.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

0.0006

0.047

20

28.19

0.001142

0.37624

0.01817

28.19

2

0.0007

0.056

20

39.24

0.001142

0.45919

0.03018

39.24

3

0.0010

0.103

20

102.42

0.001142

1.07301

0.14394

102.42

4

0.0015

0.105

20

157.22

0.001142

0.74924

0.22614

157.22

5

0.0020

0.140

20

280.35

0.001142

1.00506

0.53930

280.35

6

0.0008

0.093

20

73.97

0.001142

1.09335

0.09387

73.97

7

0.0005

0.066

20

33.10

0.001142

0.89659

0.03007

33.10

8

0.0002

0.037

20

7.40

0.001142

0.70073

0.00376

7.40

9

0.0004

0.067

20

26.90

0.001142

1.15660

0.02482

26.90

10

0.00045

0.070

20

31.44

0.001142

1.10998

0.03015

31.44

11

0.0005

0.093

70

112.10

0.000992

1.74936

0.06514

112.10

12

0.0010

0.113

70

274.30

0.000992

1.30932

0.19502

274.30

13

0.0006

0.072

70

104.50

0.000992

0.87982

0.04718

104.50

14

0.0006

0.097

70

141.18

0.000992

1.60587

0.08611

141.18

15

0.0012

0.093

70

269.04

0.000992

0.72890

0.15634

269.04

16

0.0005

0.099

70

119.74

0.000992

1.99604

0.07433

119.74

17

0.0005

0.070

70

85.16

0.000992

1.00958

0.03759

85.16

18

0.0010

0.076

70

183.43

0.000992

0.58553

0.08721

183.43

19

0.0007

0.130

70

220.85

0.000992

2.47459

0.18061

220.85

20

0.0011

0.153

70

406.74

0.000992

2.16301

0.38983

406.74

21

0.0003

0.055

70

39.67

0.000992

1.01442

0.01360

39.67

22

0.0006

0.084

70

122.47

0.000992

1.20842

0.06480

122.47

 

При 70 °С коэффициент динамической вязкости воды составил 0,000404 кг/(м·с); коэффициент поверхностного натяжения воды 0,0644 кг/с2; плотность воздуха 0,97 кг/м3; плотность воды 977,80 кг/м3. При 20 °С коэффициент динамической вязкости воды 0,00100 кг/(м·с); коэффициент поверхностного натяжения воды 0,0730 кг/с2; плотность воздуха 1,14 кг/м3; плотность воды 998,23 кг/м3.

При проведении экспериментов осуществлялась видеосъемка. Результаты экспериментов представлены в таблице.

По экспериментальным данным, приведенным в таблице, методом наименьших квадратов [6-8] определено значение коэффициента С и значения показателей степеней a, b, g в критериальном уравнении (3). Расчет выполнен с помощью функции «линейн» в программе Excel. В результате получено: С=6,06787·10-15; a=-5,732318; b=-0,25;  g=0,75.

Критериальное уравнение (3) принимает вид:

.                          (4)

По критериальному уравнению (4) выполнен расчет значений критерия Рейнольдса для экспериментальных данных (таблица). Расчетные значения критерия Рейнольдса приведены в графе 9 таблицы. Видно, что расчетные значения критерия Re соответствуют экспериментальным значениям (графа 5 таблицы).

Таким образом, критериальное уравнение (4) позволяет определить скорость всплытия пузырька газа в жидкости при следующих условиях: 0,376<Fr<2,4746; 0,00376<We<0,5393; 0,000992<ρ¢<0,001142. Критериальное уравнение (4) может быть использовано при проектировании и разработке массообменных контактных устройств химических и нефтехимических производств.

References

1. Kasatkin A.G. Osnovnye processy i apparaty himicheskoy tehnolo-gii. M., Himiya, 1973. 752 s.

2. Ul'yanov B.A., Badenikov V.Ya., Likuchev V.G. Processy i apparaty himicheskoy tehnologii. Angarsk: AGTA, 2006.

3. Arhipov V.A., Konovalenko A.I. Praktikum po teorii podobiya i analizu razmernostey. Uchebnoe posobie. Tomsk: TGU, 2016.

4. Pavlov K.R., Romankov P.G., Noskov A.A. Primery i zadachi po kursu processov i apparatov himicheskoy tehnologii: Uchebnoe posobie dlya vuzov. – SPb.: Himiya, 2000.

5. Dytnerskiy Yu.I. Osnovnye processy i apparaty himicheskoy tehnologii: posobie po proektirovaniyu. M.: Himiya, 1991.

6. Kolomiec L.V., Ponikarova N.Yu. Metod naimen'shih kvadratov / Sa-mara: Izd-vo Samarskogo universiteta, 2017.

7. Studenikina L.I., Shevcova T.V. Metod naimen'shih kvadratov. Kursk: Yugo-Zap. gos. un-t, 2011.

8. Bal'chugov A.V., Badenikov A.V. Osnovy nauchnyh issledovaniy, organizaciya i planirovanie eksperimenta. Angarsk: AnGTU, 2021.

Login or Create
* Forgot password?