Способ испытания лабораторного смесителя

(1) 6 В 01 Р СОЮЗ СОВЕТС СОЦНЬЛНСТНЧ Х РЕСНУБЛН Е ИЗОБРЕТЕНИЯ(71) Государственн и научно-исследовательский и проектйй институт азотной промышленности и продуктов органического оетеза, (72 Чернышев ВИ; Скворцов ЕС; Опевский В.М. (56 Бонне М,Заичко НД Караваев ММ. и др. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности. М. Ваиа 1965, с 233, (54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО СМЕСИТЕЛЯ(7) Изобретение относится к перемешиванию, Цеаю изобретения является повышение зффектиаюсти испытания лабораторного смесителя за счет получения результатов, адекватных характеОб ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЩОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ ССС ристикам промышленного смесителя только на одном смесителе, Оюсоб испытания лабораторного смесителя, геометрически подобного промышленному смесителю дпя смешения двух турбулентных потоков различных газов - основного компонента и примеси, в качестве которых используют соответственно холодный ипи горячий турбулентные потоки одного и того же газа Эти потоки подают на соответствующие входные сечения лабораторного смесителя и отношение критериев Эйлера дпя холодного и горячего потоков в их входных сечениях лабораторного смесителя Еи /Еи выбирают рав 1 п 2 пным отношению критерию леера для потоков основного компонента и примеси в их входных сечениях промышленного смесителя Еи /Еи . 2 табл.1 п 2 пИзобретение относится к перемешиванию и может быть использовано при испытании лабораторных смесителей для смешения двух турбулентных потоков газов с целью получения экспериментальных ре зультатов для гарантированной разработки на их основе промышленных смесителей.Целью изобретения является повышение эффективности испытания лабораторного смесителя за счет получения "0 результатов, адекватных характеристикам промышленного смесителя только на одном смесителе.Способ испытания лабораторного смесителя, геометрически подобного промыш ленному смесителю для смешения двух турбулентных потоков различных газов - основного компонента и примеси, в котором в качестве основного компонента и примеси используют соответственно холодный и го рячий турбулентные потоки одного и того же газа, подают эти потоки на соответствующие входные сечения лабораторного смесителя, и отношение критериев Эйлера для холодного и горячего потоков в их входных 25 сечениях лабораторного смесителя Еи 1 л/Еигл выбирают равным отношению критериев Эйлера для потоков основного компонента и примеси в их входных сечениях промышленного смесителя Еиь/Еигп. ЗО Безразмерные плотность й скорость холодного потока в его входном сечении лабораторного смесителя р 1 л и Ч 1 л принимают равными соответствующим параметрам для потока основного компонента в его входном Э) сечении промышленного смесителя р 1 л И Ч 1 п, безразмерные плотность и скорость горячего потока в его входном сечении лабораторного смесителя Ь и Ч 2 л выбирают равными соответствующим параметрам для потока примеси в ее входном сечении промышленного смесителя ргп и Чгя, при этом в лабораторном и промышленном смесителях критерии Маха М 1 должны удовлетворять условию 40а И з 0,6 В 1 г 1 в 1 11 21 е 1 где индекс ) принимает два обозначения: )-л - для лабораторного смесителя, )=и-для промышленного смесителя; Еи- -Р 1)фЧ 21 Еиг "Р 1)фЪЙР 2; р =Щ/р =1, Ч=Ч 1)/Ч 1 1; Щ - Щф 1 Чз Чг)/Ч 1 ь М-Ч/а; йе)-а р/р 1)551 и )з - эквивалентные гидравлические диаметры соответственно входных сечений потоков основного компонента (холодного потока) и примеси (горячего потока);ОГт)=9 р 1 (Твах,)-Тв)п.)/(23 р 1) - ТЕПЛОзвой критерий Грасгофа: вье-Стокса) рЧдгабЧ-рРгаб Р+0)ч(,иОгабЧ). (1) Уравнение неразрывности средыЧ вагаб р=О.Уравнение несжигаемой среды9 Ь Ч-о. Огм)=9 ръ(1- / р- молекуляр 3 г пгП 1ный критерий Грасгофа;Хг - показатель адиабаты потока примеси (горячего потока);Р, р 1 ь Ч и,и - соответственно абсолютное статическое давление, плотность, среднерасходная скорость и динамическая вязкость основного компонента (холодного потока), взятые в его входном сечении;рг и Чз - соответственно плотность и среднерасходная скорость, примеси(горячего потока), взятые в ее (его) входном сечении;а - скорость звука в потоке основного компонента (холодного потока);9 - ускорение свободного падения; Твах. и Тв)п. - соответственно максимальная и минимальная температуры в смесителе;в 1 и глг - соответственно молекулярные массы основного компонента (холодного потока) и примеси (горячего потока),Известно, что с целью моделирования любого промышленного тепломассообмена аппарата на лабораторном аппарате пользуются теорией йодобия для вывода безразмерных переменных (так называемых критериев и симплексов подобия). Принимая одну из найденных с помощью данной теории переменных величин в качестве определяемой функции и варьируя другими переменными при экспериментах на лабораторном ап)1 арате, получают зависимость для расчета выбранной функции на подобном промышленном аппарате. В соответствии с теорией подобия для вывода критериев и симплексов подобия необходимо прежде всего в полном обьеме описать процесс дифференциальными уравнениями. Стационарный процесс смешения (тепломассопереноса) в вязкой, несжигаемой, неоднородной и неизотермической среде описывается следующей системой дифференциальных уравнений, выраженной в векторной форме.Уравнение движения (НаУравнение массопереноса, выраженное через массовую концентрацию примесирч дм с=дь(рсч+), (4)Уравнение теплопереносаСррЧ дгаб Т=бЬЯ дгаО Т). (5)где р- р(х, у, г) - плотность газовой смеси;Ч=Ч (х, у, г - скорость течения смеси;р Р - объемная внешняя сила;Р=Р(х, у, г) - абсолютное статическоедавление;С-С(х, у, г) - массовая концентрацияпримеси;Т=Т(х, у, г) - температура смеси;р=р(С, т), С,=С,(С,т) и =А(С, т) -динамическая вязкость, теплоемкость приР-сопзт и теплопроводность смеси;Ч"=Ч(х, у, г) - средняя скорость распространения примеси сквозь неоднороднуюсреду в данной точке, трактуемая как скорость диффузии;х, у, г - пространственные координаты.На поверхностях, ограничивающих ка. меру смешения, система уравнений (1 К 5)должна удовлетворять следующим граничным условиям.На поверхности входа примеси 31(х, у, г):Ч=Ч 1(х, у, г), Р-Р 1(х, у, г),(6)р р 1(х, у, г), С С 1 1; Т=Т 1(х, у, г),На поверхности входа основного компонента Я 2(х. у, г).Н=Ч 2(х, у, г). Р=Р 2(х, у, г).(8)ат/ап-атз/а -ОНа поверхности выхода газовой смеси84(х, у, г).Н-Ч 4(х, у, г), С-С 4(х, у, г).(9)Т=.Т 4(х, у, г)Укаэанное выше условие несжигаемости газовой смеси (существенно упрощающее систему дифференциальных уравнений (1)-(5 обеспечивается для подавляющего большинства смесителей газов, в любой точке, внутри которых выполняется условиерЧ/Р=1 Ч/а -ЫМ 1, (10)где К - показатель вдиабаты газового потока,а"а(гп, Т) - скорость звука в газовой смеси;40 45 50 10 15 20 25 30 гп - молекулярная масса газовой смеси; М=Ч/а - критерий Маха.Проведя обеэмеривания дифференциальных уравнений (1)-(5), граничных условий (6 Н 9) и ограничивающего условия (10) известным методом теории подобия, легко получить те восемнадцать критериев (безразмерных отношений разнородных величин) и симплексов (безразмерных отношений однородных величин), которые приведены в формуле изобретения.Поскольку критерий Маха входит в ограничивающее условие несжимаемости (10), именно он выбран в качестве определяемой величины (функции), Очевидно, что при таком выборе остальные семнадцать критериев и симплексов подобия стали определяющими величинами (переменными), Проводя эксперименты с этими переменными, исходя из условия, чтобы среднеарифметическое отклонение концентрации примеси в различных точках выходного сечения смесителя от ее среднерасходного значения ЬС 2 100/Сэ не превышало заданной технологией величины +1,35, в результате обработки экспериментальных данных получено выражение для критерия Маха М 1 ьП р и м е р. Для доказательства возможности получения в заявленном способе только на одном лабораторном смесителе результатов (например, по гомогенности смешения компонентов на выходе из смесителя), адекватных характеристикам промышленного смесителя, испытания проводили на одном и том же лабораторном смесителе, который был геометрически подобен ранее разработанному, ныне эксплуатирующемуся промышленному смесителю воздуха (основной компонент) и аммиака (примесь) агрегата неконцентрирован ной азотной кислоты АКмощностью 1150 т НМОз/сут. Для разработки данного промышленного смесителя с использованием для испытания лабораторного смесителя способа-прототипа потребовалось проведение испытаний на двух лабораторных смесителях разного масштаба. Промышленный смеситель. представлял из себя образованный двумя соосными обечайками кольцевой канал, на наружной обечайке которого со стороны входа воздуха были выполнены равномерно распределенные по окружности радиальные отверстия для раздачи аммиака струями в двигающийся по кольцевому каналу поток воздуха. Внутренний диаметр наружной обечайки - 1200 мм, наружный диаметр внутренней обечайки -1080 мм, ширина кольцевого зазора - 60 мм,высота обечаек (кольцевого канала) - 1100мм; количество отверстий для раздачи аммиака (примеси) диаметром 4 мм -918, Укажем, что степень гомогенности смешенияна выходе из смесителя по условиям технологии агрегата азотной кислоты составлялаЬС 1 аОЯГС =+1 ЗЯ,нн ннз з гдеЬСннзсреднеарифметическое отклонение концентрации аммиака в различных точках выходного сечения кольцевого каналапромышленного смесителя от ее среднерасходного значения Синз, или в принятых выше обозначенияхЬС = ЬС и С = СБН 2 п НН 2 пз эИспользованный в настоящих испытаниях лабораторный смеситель, геометрически подобный описанному промышленному смесителю, имел следующие размеры: внутренний диаметр наружной обечайки 230 мм, наружный диаметр внутренней обечайки 207 мм, ширина кольцевого зазора 11,5 мм, высота обечаек (кольцевого канала) 211 мм, количество отверстий для раздачи горячего воздуха (примеси) диаметром 2 мм 135. При испытании лабораторного смесителя на вход кольцевого канала подавался поток холодного воздуха (имитирующий основной компонент - воздух в промышленном смесителе)в который через отверстия в наружной обечайке струями раздавали горячий воздух (имитирующий примесь - аммиак в промышленном смесителе). Концентрацию кольцевого канала лабораторного смесителя С 2 л определяли путем измерения температуры смеси в этих точках и пересчета ее известным методом в концентрацию. По полученным данным рассчитывали фактическое среднеарифметическое отклонение концентрации горячего воздуха в различных точках выходного сечения от ее среднерасходового значения в процентах из указанного выше соотношения ЬСь 100/(.гл. В опытах измеряли и другие требуемые параметры потоков. Эти параметры приведены в табл,1. В табл.2 для каждого опыта приведеныразличные параметры, укаэанные в формуле изобретения, а также полученные результаты по, гомогенности смешения. В этой 5 таблице, как и в табл,1, приведены данные,полученные авторами ранее для промышленного смесителя. Как видно из сопоставления в табл.2 режимных параметров Еип/Еив, р 1 ь Чп, Д 1, Ь, Мп для лабора торного и промышленного смесителей, испытания лабораторного смесителя в опытах 1-3 проведены по заявленному способу, в опытах 4,5 - за заявленными пределами по критерию Маха М 1 л, в опыте 6 - по способу прототипу (с соблюдением. только режимных параметров, указанных в ограничительной части формулы изобретения). Из сравнения в табл,2 результатов по гомогенности смешения на выходе из лаборэ торного и промышленного смесителейЬ (21 100 В Л 21 видно, что В опытах 1-3 (по заявляемому способу) получены результаты, адекватные данному параметру в промышленном смесителе.опытах же 5-6 (не по 25 заявленному способу) получены существенно более худшие результаты, чем в промышленном смесителе (т,е. исследователь по результатам этих опытов мог бы подумать, что данная конструкция смесителя не. обес печит требуемой по условиям технологииагрегата азотной кислоты гомогенности смешения в промышленном смесителе и решать в этой связи два вопроса: либо проводить еще одни лабораторные испытания на 35 другом геометрически подобном лабораторном смесителе большего масштаба, либо разрабатывать новую конструкцию смесителя).Таким образом, заявленный способ ис пытэний лабораторного смесителя позволяет получить только нэ одном лабораторном смесителе результаты, адекватные характеристикам будущего геометрически подобного промышленного смесителя. Сравнение 45 затрат времени и материальных средств нэлабораторные испытания по заявленному способу(на одном лабораторном смесителе) и по способу-прототипу показало, что эти затраты в заявленном способе меньше соот ветственно примерно в 2 и в 3 раза,(Оо4. сч О сч сФЫсм ОЖЕ О го Е М ш е 3 Е о Ю СЧ й ) ф г Сч СЧсч в СЧ СО Ф О (О СО СО М год Ц Е- фд О осч мг С СЬ ь СЧ И О) О СЧ 10 г йо м с г %ф х Е 1 Я с,СО СО СО м м о о СЧ О) м о Э В З о Э Е о Я 2 а 0 1- о О с сч сч сч сч сч сч О О О О СЬ ОЗ О О О О О О О СЬ О О 0 О) СЧ СЧ СЧ СЧ СЧ СЧ О О О О О О ОЪ О О О О Оъ сч сч сч сч сч сч СЧ СЧ СЧ СЧ СЧ СЧг г г г г с 0 (О (О Ю (О Ю м с) м м м м г г г г г М 5Ф 3 3 Я М) СЙ С 0 ОЪ О) СО О О О О О 1 о о о о о о СО СО СО ф СО Й О О,О О О О м м м м м м О) 01 О) ОЪ 0 СЬ оооооо м м сб Фб г г г г оооо оооо Е о Ф 2 о 5 з с э 2 Е о О. С."1818740 12 й а с 2 Е з Ф Б а Ж о С о Фф) О 0 Сф) ь о СфЭ СЪ Фб % %щ %щ Н Н Н СЧ О) %Щ о 0 С%Э О о СЧ О) %ЩЩ %щ ОСф) СЧ % Оо в о о о 3 й С 4 М) о й Я л а Сф) С%) Я о о о 1 й М) й о о о Р с Ф 3 ь 1 о Ю Е М С%) С СЧ 3 й О С%2 М) Ю 3 й о Сф) Зй О М) ощ Я О Й а с 3 3 0)3 о о СЧ о % С О МЭ О О о о о% т о о о ооо СЧ Ю 1 (йщщ% %МЭ СЧ С%3 о Сй СЧ Фф) О 1 й Ж М) СЧ СЧ СЧ С 9 Сф) СЪ о о о С%) о %Щ 3 й о ф а "Е о Од 9Ф с аФ %; з хва щ.2ь 4С дсй9 а %щС )Ф а к Ю 0 Б Ф с Б з Х а 1- о о О Б о Ео о1818740 40Ке 3 1О а Х-Овг Составитель В.боев Техред М.Моргентал Редактор Л.Волкова Корректор Н.Бобкова Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Заказ 226 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 13Формула изобретенияСПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО СМЕСИТЕЛЯ, геометрически подобного промышленному смесителю для смешения двух турбулентных потоков различных газов - основного компонента и примеси, в котором в качестве основного компонента и примеси используют соответственно холодный и . горячий турбулентные потоки одного и того же газа, подают эти потоки на соответствующие входные сечения лабораторного смесителя и отношение критериев Эйлера для холодного и горячего потоков в их входных сечениях лабораторного смесителя Еи 1 л / Еигл выбирают равным отношению критериев Эйлера для потоков основного компонента и примеси в их входных сечениях промышленного смесителя Еи 1 / Еиг, а безразмерные полости и скорость холодного потока в его входном сечениии Ч лабораторного смесителя Р 1принимают равными соответствующим . параметрам для потока основного компонента в его входном сечениии Ч промышленного смесителя Р 1 п отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности испытания лабораторного смесителя за счет получения результатов, адекватных характеристикам промышленного смесителя, только на одном смесителе, безразмерные плотность и скорость горячего потока в его входном сечении лабораторного смесителя га г выбирают равнымиР и Чсоответствующим параметрам для потока примеси в ее входном сечении прои Ч МЫШЛЕННОГО СМЕСИтЕЛя Ргп гп ПрИ этом в лабораторном и промышленном смесителях критерии Маха Мп должны . удовлетворять условию 14где индекспринимает два обозначения:= л - для лабороторного смесителя, 1 = и - для промышленного смесителя;Еип= Рп/(рпй);Еиг=Р и/(р 2141);р =р Гр1 1 1Ч = Ч /Ч = 1;мрг 1 = Рг Р 11Ч =Ч /Чг гМп=Чп/ап;Ве=а 1: Ирп/рп;1 п и 12 - эквивалентные гидравлические диаметры соответственно входных сечений потоков основногокомпонента (холодного потока), ипримеси (горячего потока);Огп=9 Й р(Таам "Твп )/(273 Д)тепловой критерий Грасгофа;э г Г г 111 гСг =91 р 11 -/рЮ 1 11( Вмолекулярный критерий Грасгофа;Хг - показатель адиабаты потокапримеси (горячего потока);Рп,рп, Чп и рпсоответственно абсолютное статическое давление, плотность, среднерасходная скорость и динамическая вязкость основного компонента (холодного потока), взятые в его входном сечении;р 21 и Чг - соответственно плотностьи среднерасходная скорость примеси (горячего потока), взятые в ее(его) входном сечении;ап - скорость звука в потоке основного компонента (холодного потока);,9 - ускорение свободного падения;Тщах и Твь - соответственно максимальная и минимальная температуры в смесителе;еп и вз - соответственно молекулярные массы основного компонента (холодногопотока) и примеси