авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Структура потоков и массообмен в тепломассообменных аппаратах с вращательно-вихревым взаимодействием фаз

-- [ Страница 1 ] --

УДК 66.02.071.7 На правах рукописи

ХУСАНОВ аЛИШЕР еВАДИЛЛОЕВИЧ

Структура потоков и массообмен в тепломассообменных аппаратах с

вращательно-вихревым взаимодействием фаз

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан

Шымкент, 2010

Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете

им. М.О. Ауезова.

Научный руководитель: д.т.н., профессор Сабырханов Д.С.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Муратов А.С.

к.т.н. Игнашова Л.В.

Ведущая организация: Таразский государственный университет им.М.Х.Дулати

Защита состоится 30 июня 2010г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5, ауд. 342 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5, главный корпус, ауд. 215.

Автореферат разослан «____»_______________ 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Волненко А.А.

Введение

Общая характеристика работы. Рост производства нефтехимической продукции осуществляется как за счет разработки новых установок и агрегатов большой единичной мощности, так и реконструкции действующих производств с модернизацией основных аппаратов. Особое значение имеет увеличение производительности абсорбционных и ректификационных колонн путем интенсификации массообменных процессов.

Необходимость снижения капитальных затрат при создании технологических установок большой единичной мощности и повышения эффективности существующих аппаратов при реконструкции действующих производств привела к созданию вихревых аппаратов прямоточного и противоточного взаимодействия фаз с регулярной насадкой, удельная производительность которых в несколько раз выше, чем у колонн барботажного типа.

Анализ современных методов очистки газов в двухфазной среде показывает, что наиболее предпочтительными являются центробежный и вихревой механизмы, позволяющие организовать очистку газов за счет сил инерции, центробежной силы и создания вихревого взаимодействия потоков. Действие аппаратов с регулярной подвижной насадкой основано на вихревом взаимодействий фаз, а изготовление специальных контактных элементов позволяет также обеспечить центробежное взаимодействие потоков.

Актуальность проблемы. В настоящее время созданы и успешно эксплуатируются аппараты с регулярной подвижной насадкой (РПН), сочетающие механизмы центробежного и вихревого взаимодействия потоков. Это приводит к существенной интенсификации процессов массообмена при сравнительно низких энергозатратах.

Вместе с тем аппараты РПН имеют резервы для повышения их эффективности. Так, изготовлением насадочных элементов в виде усеченных полых конусов с лопастями создается возможность организации дополнительной крутки вихрей, образующихся за обтекаемыми контактными устройствами, что позволит получить развитую межфазную поверхность, а, следовательно, интенсифицировать процессы массообмена.

Однако, в настоящее время отсутствуют теоретические и экспериментальные основы исследований структуры потоков, гидродинамики и массообмена в аппарате с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, доведенные до практического применения, что сдерживает их широкое использование в промышленности.

Разработка инженерной методики расчета аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием потоков на основе теоретического и экспериментального изучения структуры потоков взаимодействующих фаз и массообмена с последующей проверкой в промышленных масштабах является актуальной задачей, решаемой в данной работе.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ЮКГУ им. М.Ауезова Б-НГ-06-05-03 «Разработка методологии проектирования, конструирования и расчета высокоэффективных аппаратов и устройств общепромышленного назначения» на 2006-2010г.г.

Цель работы: разработка высокоэффективного тепломассообменного аппарата на основе организации вращательно-вихревого взаимодействия газожидкостного потока, научно-обоснованного метода расчета и рекомендаций по проектированию, а также внедрение созданной конструкции в промышленность.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- выявление механизмов образования и взаимодействия вихрей при обтекании регулярно размещенных контактных устройств в виде усеченных полых конусов в вертикальном и радиальном направлениях и установление условий обтекания потоками газа и жидкости;

- экспериментальное исследование продольного перемешивания потока жидкости в слое контактных устройств в виде усеченных полых конусов и вывод уравнения для расчета коэффициента продольного перемешивания жидкой фазы;

- теоретическая и экспериментальная оценка диаметра капель жидкости, а также толщины пленки жидкости на поверхности контактных устройств в виде усеченных полых конусов с тангенциальными лопатками;

- выявление гидродинамических закономерностей и эффективности процесса массообмена от режимных и конструктивных параметров аппарата с вращательно- вихревым взаимодействием фаз;

- разработка расчетных зависимостей для определения коэффициентов сопротивления сухого и орошаемого аппарата, коэффициентов массоотдачи в жидкой и газовой фазах;

- разработка математической модели процесса массопереноса с учетом коэффициента продольного перемешивания жидкости;

- практическая апробация основных результатов исследований в производственных условиях;

- создание методики расчета аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз и разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации разработанного аппарата.

Основная идея и внутреннее единство работы. Основная идея заключается в использовании закономерностей вихревого взаимодействия потоков с организованной закруткой вихрей в зоне их формирования для интенсификации процесса массопереноса во вращательно-вихревых аппаратах.

Результаты работы в виде теоретических и экспериментальных исследований структуры потоков и массообмена были использованы для обоснования режимных и конструктивных параметров аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, создания инженерной методики расчета, рекомендаций по проектированию и эксплуатации, и апробации в промышленных условиях, что подтверждает внутреннее единство выполненной работы.

Методы и объекты исследований. При выполнении работы использованы современные методы экспериментального исследования гидродинамики и массообмена, математического моделирования и численные эксперименты.

Объектом исследования явились лабораторные и промышленные установки с тепломассообменным аппаратом с вращательно-вихревым взаимодействием фаз.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований выявлена возможность значительного повышения эффективности процессов массообмена путем создания в одной контактной ячейке центробежного и вихревого взаимодействия фаз при обтекании контактных устройств в виде усеченных полых конусов. При этом:

- исходя из условия равновесия сил динамического напора газа и жидкости и силы сопротивления, оптимизировано известное уравнение для оценки частоты вращения газожидкостного потока при прохождении контактных устройств в виде усеченных полых конусов применительно к сухому и орошаемому аппарату;

- с учетом местной закрутки потоков, при прохождении лопастей контактных устройств и, исходя из анализа сил, действующих на пленку жидкости с образованием струй и последующим распадом их на капли под действием вращающихся вихрей получены уравнения для определения средних значений толщины пленки и размера капель;

- с использованием положений теории о локальной изотропной турбулентности и диссипации энергии предложены расчетные уравнения коэффициентов продольного перемешивания жидкости, массоотдачи в жидкой и газовой фазах в аппаратах с вращательно-вихревым взаимодействием потоков;

- с учетом выявленных гидродинамических закономерностей взаимодействия вихрей и воздействия на них местной закрутки, получены зависимости для расчета коэффициентов сопротивления регулярно размещенных контактных устройств в виде усеченных полых конусов с тангенциальными лопатками в однофазном и двухфазном потоках, гидравлического сопротивления сухого и орошаемого аппарата и количества удерживаемой жидкости;

- дано математическое описание процесса массопереноса с учетом структуры потоков по диффузионной модели для жидкой, и по модели идеального вытеснения для газовой фазы в контактных зонах аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием потоков.

Научные положения, выносимые на защиту:

- модель взаимодействия тороидальных вихрей при обтекании контактных устройств в виде усеченных полых конусов, регулярно размещенных в контактной зоне аппарата;

- расчетные зависимости для определения частоты вращения потоков в зоне формирования вихрей;

- формулы для расчета средней толщины пленки на поверхности контактных устройств, диаметра капель, образующихся при дроблении струй;

- уравнение для расчета коэффициента продольного перемешивания жидкости;

- уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в жидкой и газовой фазах;

- рекомендации по выбору параметров рационального размещения элементов насадки в объеме рабочей зоны аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз;

- методики расчета, проектирования и эксплуатации промышленных газоочистных аппаратов с вращательно-вихревым взаимодействием фаз.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, базирующихся на научных открытиях закономерностей вихревого движения потоков в области механики газа и жидкости и теоретических основ массообменных процессов, полностью подтверждены результатами собственных исследований, полученных на лабораторных и промышленных установках с использованием современных методов и приборов, а также сопоставлением с литературными данными.

Практическая ценность работы. Разработана конструкция тепломассообменного аппарата с регулярными контактными устройствами (РКУ) в виде усеченных полых конусов для вращательно-вихревого взаимодействия потоков, защищенная предварительным патентом РК № 14786.

Разработана методика расчета, рекомендации по проектированию и эксплуатации аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием потоков для проведения процессов массообмена, в основу, которой положены результаты экспериментальных и теоретических исследований структуры потоков и параметров массоотдачи.

Апробация практических результатов. Разработанная и исследованная конструкция аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз внедрена на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» в технологической схеме получения сульфата хрома (основного) при абсорбции диоксида серы монохроматными щелоками с эколого-экономическим эффектом 4,66млн. тенге в год и для определения области применения проведены промышленные испытания аппарата на СП «Газалкент стекло» в цехе очистки отходящих газов от сушильного барабана в производстве стекла, которые показали высокую эффективность очистки (до 97%) пылегазовых выбросов.

Апробация работы: Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Проблемы химической технологии неорганических, органических, силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров» (Шымкент, 2002); «Процессы, машины и аппараты промышленных технологий» (Шымкент, 2006); «Современные проблемы инновационных технологий в образовании и науке» (Шымкент, 2009); «Wyksztalcenie i nauka bez granic» (Przemysl-2009, Республика Чехия); «Преспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие технологии» (Шымкент, 2010).

Личный вклад автора состоит в создании новой конструкции аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, анализе и обобщении литературных данных, разработке инженерных методов расчета, рекомендаций по проектированию и эксплуатации промышленных установок, выводов и заключений.

Основная часть

Во введении дана оценка современного состояния решаемой научной проблемы, основание и исходные данные для разработки темы, обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы, сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки и метрологическом обеспечении диссертации, актуальность и новизна темы, связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами, цель, объект и предмет, задачи исследования, методологическая база, положения, выносимые на защиту, практическая ценность и апробация практических результатов.

В первом разделе проведен анализ механизмов интенсифицирующих протекание процесса тепломассообмена и исследований структуры потоков в тепломассообменных аппаратах.

Рассмотрены принципы работы аппаратов с регулярной насадкой, действие которых основано на наиболее эффективных механизмах массообменных процессов и методы расчета гидродинамических, массообменных характеристик и математического описания структуры потоков тепломассообменных аппаратов центробежного и вихревого действия, а также дан анализ конструкций аппаратов для реализации механизмов вращательного и вихревого взаимодействия потоков.

Во втором разделе дано описание экспериментальной установки с аппаратом вращательно-вихревого взаимодействия фаз и методик исследования гидродинамических параметров. Схема аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз приведена на рисунке 1.

Диапазон изменения режимных параметров: скорость газа Wг=1-5м/с; плотность орошения L - 050 м3/м2ч; конструктивных параметров: размер контактных устройств в нижнем основании усеченного конуса d=0,08м; угол наклона секторов относительно оси конуса =60о, относительно образующей конуса =45о, шаг между контактными устройствами по вертикали tв/dр=15, в радиальном направлении tр/dр=1,5-4.

а) б)

1 – корпус аппарата, 2 – контактные устройства в виде усеченных полых конусов, 3 – опорно-распределительные решетки

Рисунок 1 – Рабочая зона аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз с регулярными контактными устройствами в виде усеченных полых конусов

Визуальные наблюдения за структурой потоков и фотосъемка, анализ полученных экспериментальных данных гидравлического сопротивления аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз в зависимости от скорости газа Wг и различных плотностях орошения L свидетельствуют о наличии трех гидродинамических режимов: пленочно-капельного, развитой турбулентности и брызгоуноса. Из этих режимов наиболее предпочтительным по степени турбулизации потоков, однородности ее распределения в контактной зоне при допустимном каплеуносе является режим развитой турбулентности (Wг=3,0-4,5м/с).

Исследования зависимости гидравлического сопротивления аппарата от вертикального шага tв/dр показывают, что на кривой имеется один экстремум гидравлического сопротивления, соответствующий tв/dр=3,5 (рисунок 2).

Получение экстремума гидравлического сопротивления объясняется достижением синфазного режима, характеризующегося повышенным энергопотреблением за счет совпадения времени пролета вихрей от элемента к элементу и времени образования вихрей за контактными элементами. В синфазном режиме, за счет увеличения мощности образованных вихрей, производится большая работа по дроблению жидкости на мелкие капли и созданию высокоразвитой межфазной поверхности. При нарушении синфазного режима гидравлическое сопротивление снижается.

Сравнение кривых для аппаратов РКУ и РПВКр показало анологичный характер при Wг = 4 м/с. Это говорит о том, что природа образования вихревого движения одинакова, однако затраты энергии в аппарате РПВКр выше за счет вращения самих насадочных элементов.

Изменение радиального шага tр/dp между гирляндами с насадкой от 1,5 до 2 приводит к резкому снижению гидравлического сопротивления аппарата (рисунок 3) и более плавному при tр/dp>2. Это также характерно для аппаратов с регулярной подвижной насадкой различных типов. Объяснением этому (согласно известного открытия) является то, что при tр/dp<2 определяющим частоту образования вихрей

является зазор между элементами насадки в радиальном направлении, а при tр/dp>2 ширина (диаметр) обтекаемых элементов.

Исследование количества удерживаемой жидкости h0 показали идентичный характер с кривыми гидравлического сопротивления в зависимости от скорости газового потока, плотности орошения и шагов размещения контактных устройств в вертикальном и радиальном направлениях

Проведенные нами исследования коэффициентов продольного перемешивания Еж показали, что Еж с увеличением скорости газа Wг возрастает.

Зависимость коэффициентов продольного перемешивания жидкой фазы от конструктивных параметров (рисунок 4) контактных устройств, идентично гидравлическому сопротивлению. С увеличением вертикального шага между контактными устройствами с tв/dр=1,5 до tв/dр=3,5 наблюдается рост коэффициентов продольного перемешивания жидкой фазы. Можно полагать, что каждый контактный элемент в рабочей зоне является источником турбулизации, тем самым повышает степень турбулентности всего газожидкостного слоя в целом, и в частности потока жидкости. Уменьшение продольного перемешивания жидкости при вертикальном шаге более tв/dр 3,5 объясняется тем, что нарушается режим одновременного вихреобразование, это приводит к уменьшению мощности и числа взаимодействующих вихрей, следовательно, Еж уменьшается.

С увеличением радиального шага tр/dp коэффициент продольного перемешивания Еж снижается, особенно при tр/dp<2. Это связано с увеличением порозности насадок в сечении аппарата, в результате чего снижается ее удерживающая способность.

Используя единый подход к определению гидравлического сопротивления насадочной зоны сухой и орошаемой насадки, получены уравнения для расчета гидравлического сопротивления:

(1)

Коэффициент сопротивления сухого контактного устройства =с учитывает степень взаимодействия вихрей в вертикальном и радиальном направлениях, потери давления на трение газа о поверхность насадочных элементов и на изменение траектории движения газового потока:



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.