НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Бубликова Євгенія Володимирівна

УДК 66.021.3+66.048.3

ЗАКОНОМІРНОСТІ ГІДРОДИНАМІКИ ТА МАСОПЕРЕДАЧІ

ПРОЦЕСУ РЕКТИФІКАЦІЇ У ВІДЦЕНТРОВОМУ АПАРАТІ

05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут”

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Моісеєв Віктор Федорович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, м. Харків, професор кафедри ХТПЕ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Камбург Володимир Григорович, Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, завідувач кафедри прикладної математики

кандидат технічних наук, Мацак Олександр Федотович, науково-виробниче підприємство “Екомаш”, м. Харків, зам. директора

Захист відбудеться 01 лютого 2008 року о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .050.05 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”, за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

Автореферат розісланий грудня 2007 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Тимченко В.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Масообміні процеси мають велике значення в більшості хімічних виробництв. Металоємність колонних апаратів на підприємствах хімічної галузі становить 28 % від всієї металоємності або 20-50% вартості всього технологічного устаткування. У цих умовах визначальне значення набуває підвищення інтенсивності масообмінних процесів і створення апаратів великої одиничної потужності, що входять до складу компактних малогабаритних установок і технологічних ліній. Зниження металоємності та енергетичних витрат поряд із підвищенням ефективності роботи апаратів можливо за допомогою використання відцентрових сил. Це дозволяє зменшити час перебування речовин в апараті, покращити керування процесами за рахунок зміни гідродинамічних факторів, а також зменшити енергетичні витрати при багатотоннажному виробництві. Поряд із традиційним використанням відцентрових апаратів у хімічній, нафтовидобувній, фармацевтичній, харчовій промисловості вони знаходять застосування як абсорбери для очистки газів, особливо в умовах малотоннажного виробництва. На базі відцентрових абсорберів розробляються біореактори, системи життєзабезпечення для космічних кораблів, холодильне обладнання.

Розповсюдження в промисловості методів інтенсифікації на основі критичних гідродинамічних режимів в значній мірі стримується з-за нестачі простих і надійних пристроїв, які забезпечують сталу роботу таких апаратів та практичної відсутності даних фундаментального характеру, рекомендацій щодо управління технологічними параметрами процесів, адекватних методів розрахунку обладнання. Таким чином, створення нових відцентрових апаратів, модернізація та оптимізація параметрів діючого обладнання є актуальною задачею, яка потребує обґрунтованих методів як теоретичних розрахунків параметрів, так і експериментального дослідження нових контактних елементів та режимів роботи відцентрових апаратів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відповідності до наукового напрямку кафедри хімічної техніки та промислової екології НТУ “ХПІ” у галузі хімічної техніки та технології і стосується вивчення гідродинамічних та масообмінних процесів, моделювання, розрахунків та розробки обладнання. Здобувач проводив досліди при виконанні господарчого договору „Реконструкція обладнання ректифікації спиртових розчинів” (АТЗТ „ГНЦЛС”, м. Харків). Результати науково-дослідної роботи передані для впровадження на ВАТ „УкрНДІхіммаш” (м.Харків) відповідно договору про творчу співпрацю.

Мета і задачи дослідження. Метою роботи є обґрунтоване теоретичне та експериментальне дослідження гідродинаміки і масообміну у системі газ-рідина під впливом відцентрових сил, моделювання процесів, розробка методики інженерного розрахунку високоефективного енерго- і ресурсозберігаючого обладнання.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі завдання:

- на основі системного підходу провести комплексний аналіз існуючих процесів і апаратів хімічної технології з використанням високих відцентрових прискорень та обрані напрямки дослідження;

- розробити перспективні конструкції контактних пристроїв для відцентрових апаратів;

- на основі теоретичного аналізу та експериментального дослідження встановити основні гідродинамічні та масообміні закономірності, вказати шляхи підвищення ефективності обладнання, виходячи з аналізу стадій і явищ, що лімітують процес;

- на основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розробити перспективну конструкцію високоефективного відцентрового тепломасообмінного апарата з використанням ефективних контактних пристроїв;

- розробити науково-обґрунтовану методику розрахунку відцентрових апаратів;

Об’єктом дослідження є процес масообміну у відцентровому полі і вплив на його інтенсивність гідродинамічних факторів при використанні різних контактних пристроїв.

Предметом досліджень є кінетика і механізм процесів масообміну, вплив гідродинамічних і масообмінних параметрів на процес і керованість процесу.

Методи досліджень. Математичне моделювання здійснювалося на підставі класичних положень механіки рідини та газу і технічної гідромеханіки. Фізичний експеримент проведено шляхом експериментальних досліджень стендової моделі з різними контактними пристроями та наступною обробкою експериментальних даних з використанням методів математичної статистики. Оптичні методи використовувалися для дослідження гідродинаміки, фізико-хімічні методи для якісного і кількісного аналізу складу сумішей. Побудову теоретичних залежностей виконано з застосуванням звичайних методів інтегрального та диференціального числення. На етапі комп’ютерного моделювання застосовано систему тривимірного твердотільного моделювання SolidWorks, програмний комплекс FlowVision.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблено та досліджено три перспективні конструкції контактних пристроїв відцентрових апаратів для проведення процесів масообміну у системах газ-рідина.

- отримано залежності для розрахунку гідродинамічних параметрів, ефективності роботи від геометричних параметрів для перспективних конструкцій контактних пристроїв, залежності для визначення параметрів процесу взаємодії фаз газ-рідина, інтенсивності масопередачі, яка визначається величиною об’ємного коефіцієнту масовіддачі.

- на підставі теоретичного аналізу створених фізичної і математичної моделей руху газо- краплинного потоку та за допомогою комп’ютерного моделювання розроблено умови реалізації процесів масопередачі в системах газ-рідина з використанням відцентрових прискорень 1000-1500 g.

Практичне значення одержаних результатів. На основі отриманих в роботі наукових результатів розроблена інженерна методика розрахунку відцентрових апаратів, які використовуються в хімічній та суміжних галузях промисловості як обладнання для ректифікації. За цією методикою проведено розроблено проектно-конструкторську документацію на виготовлення промислових зразків відцентрових апаратів з внутрішнім діаметром ротора 200 та 400 мм.

На основі отриманих даних в роботі обґрунтовано і видано рекомендації щодо реконструкції ряду технологічних процесів, запропоновано перспективні структурні схеми цих процесів. Результати роботи передані для впровадження ВАТ „УкрНДІхиммаш”, де вони використовуються при проектуванні нового масообмінного обладнання .

Результати досліджень впроваджені в навчальний процес при викладанні спеціальних дисциплін, у курсовому та дипломному проектуванні за спеціальностями 8.070220, та 8.070221 на кафедрі хімічної техніки і промислової екології НТУ ”ХПІ”.

Особистий внесок здобувача. Всі основні положення дисертаційної роботи, які винесені на захист, розроблені здобувачем особисто. Серед них розробка математичної моделі процесу ректифікації органічних речовин, підготовлено і проведено експериментальні дослідження, аналіз, обробка та узагальнення результатів розрахункових та експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і матеріали дисертації доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях: І Міжнародна конференція “Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних екологічних проблем” (Чернівці, 2002 р.), конференція з міжнародною участю “Сотрудничество для решения проблемы отходов” (Харків, 2004 р., 2005 р.), ІІ Міжнародна науково-практичної конференції “Екологія: освіта, наука, промисловість і здоров’я ” (Белгород. – 2004 р.), Міжнародна конференція “ Екологічні проблеми водних ресурсів” (Львів, 2004 р.), Міжнародна науково-практична конференція “Інтегровані технології” (Харків, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 робіт, в тому числі: 6 статей в наукових фахових виданнях ВАК України та 4 деклараційних патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації складає 150 сторінок, 40 ілюстрацій за текстом, 5 додатків на 18 сторінках, списку використаних літературних джерел з 201 найменування на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначено мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичну значущість роботи.

В першому розділі проведений аналіз різних конструкцій роторних і відцентрових апаратів і дана їх класифікація. Показано, що найбільш перспективними для інтенсифікації тепломасообміну і створення малогабаритного устаткування є високошвидкісні відцентрові апарати, що відносяться до групи апаратів з поверхню контакту у виді швидкісної постійно обновлюваної плівці рідини і з поверхнею, що розвивається у вільному обсязі, за рахунок інтенсивного краплеутворення.

Розглянуто роботи, що висвітлюють гідродинаміку і кінетику масовіддачі в роторних апаратах. Показано необхідність всебічних експериментальних досліджень, без яких неможливе створення науково - обґрунтованих методів розрахунку відцентрового масообмінного устаткування. Проаналізовано існуючі контактні пристрої для відцентрових апаратів і розглянуті основні критерії вибору і порівняння відцентрових апаратів різних конструкцій.

На підставі літературного огляду сформульовані задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі описані експериментальна установка, модельні системи і методики проведення експериментів.

Вивчення гідродинаміки проводили на установці, схема якої представлена на рис.1. Рідина насосом 3 подавалася у відцентровий апарат 5 усередину обертового контактного елемента. Рідина за рахунок відцентрової сили рухалася на периферію елемента і при цьому взаємодіяла з газом (повітрям) що йде до неї протитечією і виводилася з корпуса апарата в каналізацію. Витрати вихідної рідини вимірювали ротаметрами 2. Повітря, що подавалося в апарат 5 газодувкою 6, надходило у корпус апарата тангенціально, проходило контактний елемент і виводилося з верху апарата по осьовій трубі. Витрати повітря вимірювали за допомогою діафрагми і U-образних водяних манометрів. Перепад тиску в апараті вимірювали за допомогою мікроманометра 9. Обертання ротора в апараті здійснювалося за рахунок електродвигуна. Швидкість обертання ротора змінювали за допомогою автотрансформатора.

Рис.1. Схема установки для вивчення гідродинаміки

Гідродинаміку досліджували на докладно обговорюваних нижче конструкціях контактних елементів діаметром 200 мм. Частоту обертання ротора змінювали від (1000 - 9000 об/хв), навантаження по газу варіювали від 1,04 до 2,89 кг/(м2с) (58,6 - 145 м3/год), щільність зрошення при дослідженні масовіддачі - від 0,354 до 4,24 кг/(м2с) (20-1500 кг/год). Температуру газу і рідини підтримували в межах від 18 до 23°С. Апарат 5 працював при атмосферному тиску.

Було запропоновано конструкцію апарата, використаного при проведенні досліджень. Основним елементом апарата є перфорований кошик ротора, установлений на вертикальному консольному валу, у якому розташований кільцевий контактний елемент. Вихідна рідина надходить в апарат через розподільний пристрій, розташований по осі апарата. Через штуцер у корпус апарата тангенціально подається газ чи пар, що взаємодіє з рідиною в контактному елементі і потім виводиться з апарата через штуцер. Обертання ротора здійснювалося за допомогою електродвигуна.

За рахунок цього під впливом відцентрової сили рідина, що надходить у контактний елемент, рухається протитечією з газом, що йде назустріч, (паром) і виводиться з апарата через штуцер. Для запобігання можливості обходу газом (паром) бічної поверхні ротора через осьову трубу чи вал передбачені ущільнення.

Контактні пристрої відцентрового апарата являють собою кільцеподібний простір рівномірно заповнений контактною поверхнею. Контактні пристрої різноманітні по конструкції і вибираються в залежності від фізико-хімічних властивостей контактуючих фаз. Усі досліджені контактні пристрої міцні, стійкі при обертанні, мають високу проникну здатність, розвиту питому поверхню і цілком задовольняють вимогам промислової експлуатації.

Запропоновано модель руху двухфазного середовища, з урахуванням дії конструкції, яка визначена особливостями контактних пристроїв, що характеризує три зони контакту у відцентровому апараті.

Для контактного пристрою з радіальними лопатками запропонована розрахункова формула, що дозволяє визначити мінімальне число лопаток при який запобігається віднесення рідкої фази

де: - число оборотів ротора, - зовнішній і внутрішній радіуси контактного пристрою, - швидкість газу на вході в канал контактного пристрою, , де - число лопаток.

Теоретично визначені граничні режими роботи відцентрового апарата, що визначаються початком “захлинання” його контактного пристрою. “Захлинання” контактного пристрою відцентрового апарата визначається як навантаженням по фазах, так і швидкістю обертання ротора.

При роботі апарата в режимах близьких до граничних, збільшується товщина плівки рідини в шарі контактного пристрою за рахунок гальмування дії парового потоку. Це помітно позначається на ступені перекриття живого перетину каналів, що у свою чергу, обумовлюється збільшенням сил тертя між взаємодіючими фазами. “Захлинання” контактного пристрою відбувається у внутрішньому його перетині тобто при . У режимах, близьких до захлинання, швидкість газу у внутрішньому перетині контактного пристрою значною мірою залежить від співвідношення навантаження по фазах і від швидкості обертання ротора.

Верхня границя навантажень по газовій фазі визначається початком збільшення віднесення рідкої фази з внутрішньої поверхні контактного пристрою в момент його зрошення і вимагає подальшого експериментального визначення.

Аналіз даних по гідродинаміці смолоскипа розпиленої рідини і гідродинаміці удару крапель об перешкоду дозволив виділити наступні чотири джерела віднесення рідкої фази на контактному елементі досліджуваної конструкції:

- дрібнодисперсні краплі, віднесені потоком газу (пари) зі смолоскипа розпиленої рідини;

- дрібнодисперсні краплі, що утворилися при взаємодії крапель смолоскипа між собою;

- вторинні краплі, що утворилися при ударі крапель смолоскипа об пластинки контактного пристрою.

- дрібнодисперсні краплі, що утворилися при взаємодії крапель смолоскипа і вторинних крапель між собою.

У роботі показано, що віднесення рідкої фази за рахунок першого джерела можна визначити аналітично. Оцінити інші джерела можна лише якісно; при тім четверте джерело робить більш істотний вплив на сумарне значення віднесення рідкої фази в порівнянні з другим і третім.

Було експериментально визначене сумарне значення віднесення рідкої фази. Кількість віднесеної з контактного елемента рідини визначали сепараційним методом, що заснований на уловлюванні віднесених крапель рідини у винесеному сепараторі-краплевідбійнику. Це дозволяє відокремлювати не менш 99,3% віднесеної з апарата рідини при максимальних швидкостях повітря, а зі зменшенням швидкості ефективність сепарації зростає до 99,8%.

Рис. 2. Схема установки для вивчення віднесення рідкої фази

1 – ємність, 2 – ротаметри, 3 – насоси, 4 – електродвигун, 5 - апарат, 6, 7 – відцентровий і об'ємний сепаратори, 8 – газодувка, 9 – засувка, 10 – діафрагма,

11 – дифманометр, 12 – мікроманометр, 13 – термометр, 14 - мірна склянка.

Експериментальні дослідження віднесення рідкої фази проводилися на установці, показаної на рис. 2. При цьому вивчалися різні конструкції контактних пристроїв. Зовнішній діаметр контактного пристрою був 200 мм, внутрішній діаметр контактного пристрою – 60 мм, висота - 50 мм.

Рис. 3. Залежність величини відносного віднесення рідкої фази від швидкості газу в апараті. м3/м2год, пластинчастий контактний елемент. 1 - = 1000 об/хв, 2 – 3000 об/хв, 3 – 5000 об/хв, 4 – 7000 об/хв, 5 – 9000 об/хв. | Рис. 4. Залежність величини відносного віднесення рідкої фази від щільності зрошення. = 2 м/с, пластинчастий контактний елемент. , об/хв: 1 – 1000; 2 – 3000; 3 – 5000; 4 – 7000; 5 – 9000

Вивчався вплив на віднесення рідини основних робочих параметрів у межах їх зміни: щільність зрошення 0,5-15 м3/м2ч, швидкість газу 0,5-3,5 м/с, число оборотів ротора 1000-9000 об/хв. Як рідку фазу використовували воду, газоподібною фазою було повітря.

Величина відносного віднесення рідкої фази визначалася по формулі , де - обсяг віднесеної рідини, м3/год, - обсяг рідини, що надходить в апарат, м3/год,

Величина віднесення росте зі збільшенням швидкості газу і числа оборотів ротора, що пов’язано зі збільшенням сили гідродинамічного впливу на краплі з боку газового потоку і зменшенням розмірів крапля при підвищенні частоти обертання ротора. При збільшенні щільності зрошення величина відносного віднесення рідини помітно знижується. Це можна пояснити тим, що зі збільшенням щільності зрошення збільшуються товщини рідинної плівки на внутрішніх поверхнях контактного пристрою апарата. Це приводить до зниження кількості бризків, що утворяться при ударі крапель, що летять з великою швидкістю, о поверхню плівок. Як показали розрахунки, зниження віднесення рідкої фази відбувається до досягнення рідинною плівкою товщини порядку 3 мм. При подальшому збільшенні її товщини (щільності зрошення) такого явища не спостерігається, віднесення рідини залишається постійним.

Для визначення впливу конструктивних характеристик контактних пристроїв на величину сумарного віднесення рідкої фази було проведене дослідження трьох різних конструкцій типів 1-3.

Рис. 5. Залежність величини відносного віднесення рідкої фази від швидкості газу в апараті для різних контактних пристроїв. м3/м2ч, об/хв. 1 – тип 1; 2 – тип 2; 3 – тип 3 | Рис. 6. Залежність величини відносного віднесення рідкої фази від щільності зрошення для різних контактних пристроїв. = 2 м/с, об/хв. 1 – тип 1; 2 – тип 2; 3 – тип 3

Експерименти показали, що найменше віднесення рідкої фази забезпечує контактний елемент 1 типа. Подальші дослідження з віднесення рідини проводили з його використанням. Додатково був вивчений вплив наявності сепаратора-краплевідбійника з сітки у вигляді регулярного блоку висотою 50 мм у патрубку, що відводить газ на величину сумарного віднесення рідини. Наявність сепаратора-краплевідбійника знижує віднесення рідкої фази в середньому на 90а при низьких швидкостях газу дозволяє практично виключити його.

Результати експерименту узагальнені у виді емпіричної залежності, що зв'язує величину відносного віднесення рідкої фази із зазначеними параметрами

Середнє відносне відхилення розрахункових і експериментальних значень не перевищує 15 %.

При проведенні хіміко-технологічних процесів у системах газ-рідина виникає необхідність розрахунку припустимої швидкості газу в апараті, виходячи з величини припустимого відносного віднесення рідкої фази. Для відцентрових апаратів отримана розрахункова залежність виду

.

У відцентровому тепло- масообмінному апараті найбільш "небезпечною" зоною для віднесення рідини є кільцевий простір між розподільником рідини і внутрішньою поверхнею контактного пристрою. Швидкість газу тут максимальна, а краплі рідини ще не досягли насадки, де їм додається додатковий обертальний рух і, тим самим, збільшується діюча на них відцентрова сила, що перешкоджає віднесенню рідини з апарата газовим потоком.

Було встановлено, що крім впливу швидкості газу і щільності зрошення на появу віднесення рідини істотно впливає поле відцентрових сил. Також можна припустити, що фізичні властивості системи будуть значно впливати на виникнення критичних явищ і як результату віднесення рідини. Зі збільшенням в'язкості і поверхневого натягу відбувається, зсув області критичних явищ убік великих значень щільності зрошення.

Умовно апарат з контактним пристроєм, що обертається, можна розділити на три зони, в яких відбувається основна втрата тиску: зовнішня зона, зона контактного пристрою, внутрішня зона контактного пристрою.

Оскільки маса елементарної кількості газу, що знаходиться на відстані R від осі обертання в об'ємі , рівна , то відцентрова сила цього елементу маси буде рівна . Для рівноваги, необхідно

при

де - окружна швидкість; - збільшення статичного тиску в циліндрі, що викликається зміною окружних швидкостей. При русі газу в каналі, що розширюється, спостерігатиметься приріст статичного тиску за рахунок зменшення швидкостей

де - відносна швидкість.

Приріст кінетичної енергії в роторі буде рівний

де - абсолютна швидкість газу

Можна отримати загальний тиск, що створюється зміною окружних, відносних і абсолютних швидкостей потоку газу в каналі контактного пристрою ротора, що обертається:

де - тиск, який перешкоджає руху газу через контактний пристрій і створює гідравлічний опір, що визначається експериментально.

де - опір сухого контактного пристрою, що не обертається Па; - опір контактного пристрою, що обертається, Па.

де - вільний обсяг пристрою; - в'язкість газу, - швидкість газу в контактному пристрої, - еквівалентний діаметр, - внутрішній і зовнішній радіус ротора.

Був зроблений вивід про те, що опір контактного пристрою, що обертається, залежить від швидкості газу, структури і вільного перетину, висоти пристрою і частоти обертання ротора. Взаємозв'язок вказаних параметрів може бути представлена в наступному вигляді:

Гідравлічний опір зрошуваного шару залежить від масових витрат рідини і газу і може бути представлений у вигляді

Проведені експерименти по визначенню гідравлічного опору роторного апарата підтвердили перспективність обраного напрямку досліджень. При досить малих швидкостях газу в контактний пристроях досягається режим міжфазної турбулентності. У ході експерименту не отриманий режим “захлинання” характерний для колонних апаратів.

На рис. 7 показана залежність втрати тиску незрошуваного апарата без контактного елемента від швидкості газу при різних режимах обертання.

Виявилося, що гідравлічний опір у даному випадку в 3-4 рази вище, ніж з контактним елементом. Очевидно, це залежить від того, що контактний елемент у роторі організує газовий потік, робить його більш упорядкованим, а при деяких швидкостях ламінарним через малу величину зазору. Завдяки цьому втрати тиску в апараті з контактним елементом менше, ніж без нього, або при використанні насипного контактного елемента. Вплив подачі рідини в обертовий ротор без контактного елемента ілюструє залежність, приведена на рис. 8. Відзначено, що з ростом навантаження по рідині гідравлічний опір при всіх режимах обертання монотонно убуває у всьому дослідженому діапазоні. Цей факт можна пояснити тим, що плівка рідини змочує поверхню перфорованого кошика ротора, робить крайку отворів негострою і, відповідно, зменшує втрати напору.

Для всіх представлених вище контактних пристроїв були проведені виміри втрат тиску при проходженні газового потоку через апарат. На рис. 9 представлена порівняльна залежність гідравлічного опору апарата з різними типами контактних елементів від швидкості газу при постійній швидкості обертання ротора об/хв, що відповідає відцентровому прискоренню 1150 g.

Рис. 7. Залежність утрат напору в апараті без контактного пристрою від швидкості газу при відсутності зрошення при різних частотах обертання ротора: а – 2000 об/хв; б – 3000 об/хв; у – 4000 об/хв; м – 5000 об/хв. | Рис. 8. Залежність утрат напору в апараті без контактного пристрою від щільності зрошення при швидкості газу = 2,25 м/с і при різних частотах обертання ротора: а – 2000 об/хв; б – 3000 об/хв; у – 4000 об/хв; м – 5000 об/хв.

Рис. 9. Порівняльна залежність утрат напору від швидкості газу при = 15,2 кг/(м2с) і частоті обертання ротора об/хв: а – тип 1; б – тип 3; в – тип 2; г – тип 4; д – контактний елемент з ущільненої сітки. | Рис. 10. Порівняльна залежність утрат напору в апараті з різними типами контактних елементів від щільності зрошення при = 2,25 м/с і двох частотах обертання ротора: а – 2000 об/хв; б – 5000 об/хв; 1 – тип 1; 2 – тип 3; 3 – тип 2.

Як видно з рисунка 9 найбільшим у досліджуваному діапазоні володіли контактні елементи з ущільненої сітки. Виходячи з припущення про те, що конструкція цих елементів малоперспективна для промислової експлуатації (можуть використовуватися тільки при роботі з чистими речовинами), і переконавшись в цьому експериментально, для подальшого дослідження були обрані перші три конструкції контактних елементів. Ці конструкції володіють меншою, чим щільні елементи, геометричною питомою поверхнею, але як показали подальші дослідження, на поділяючу здатність цей фактор не впливає, а великий вільний обсяг (90-95%) дозволяє апарату працювати з забрудненими середовищами. Втрати напору для розглянутих конструкцій контактних елементів вимірювали як у випадку зрошення їх рідиною, так і без подачі зрошення при різних швидкостях газу і частотах обертання ротора.

Гідравлічний опір у всіх випадках, зростає зі збільшенням швидкості газу і частоти обертання ротора, причому при збільшенні в 2 рази в середньому також збільшується приблизно вдвічі, а при підвищенні частоти обертання з 2000 об/хв до 5000 об/хв - у 1,5-2 рази. Залежність втрат напору від щільності зрошення не так однозначна: у діапазоні навантажень 40-400 кг/год спостерігається дуже слабка залежність від навантаження по рідині. Цей факт може бути пояснений тим, що рідинна плівка, що рухається по контактному елементі з високою швидкістю, має дуже малу товщину, тому зміни перетину для проходження газового потоку, не відбувається. В області навантажень по рідині від 300 до 400 кг/год на всіх кривих є крапка зламу. При подальшому збільшенні щільності зрошення (вище 450 кг/ч) спостерігається монотонне зростання гідравлічного опору.

Були визначені граничні режими роботи відцентрового апарата. На рис.10 для двох режимів обертання ротора зіставлені дані по перепаду тиску на трьох вивчених типах контактних елементів. З аналізу графіка можна переконатися, що гідравлічний опір для всіх контактних елементів монотонно збільшується з ростом швидкості обертання ротора. Раніше було відзначено, що у всіх випадках збільшення швидкості газу приводить до істотного росту перепаду тиску при одночасному збільшенні гідравлічного опору з ростом частоти обертання ротора.

Рис. 11. Загальна залежність гідравлічного опору від щільності зрошення.

Виявилося, що найменшим гідравлічним опором володіє апарат з контактним елементом 1 типу. В апараті з контактним елементом типу 3 втрати напору трохи більше. Апарат із контактним пристроєм 2 типу має найвищий гідравлічний опір. Апарат з контактним елементом, що має найвищу питому поверхню, володіє найменшим гідравлічним опором і навпаки, апарат з елементом з поверхнею в 3 рази меншої показав найвищі значення перепаду тиску перед іншими. На основі аналізі результатів дослідження гідродинаміки було зроблено пропозицію про те, що абсолютне значення гідравлічного опору апарата визначається в основному конструктивними ознаками, при цьому дотримується вимога забезпечення високої питомої поверхні при великому вільному обсязі.

Граничні навантаження визначали для усіх вивчених у дійсній роботі конструкцій контактних елементів з метою з'ясування діапазону стабільної роботи апарата. На рис. 11 схематично показана залежність утрат тиску в апараті від навантаження по рідині для усіх вивчених конструкцій контактних елементів. Як видно з рис. 11, апарат при різних шільностях зрошення працює в різних гідродинамічних умовах.

Абсциса умовно розбита на робочі зони, границя яких для усіх випадків удалося визначити експериментально. Крапка А, названа межею усталеної роботи апарата, для розглянутих конструкцій контактних елементів відповідає різне значення навантаження по рідині.

У межах третього характерного відрізка знаходяться крапки зламу на кривій для усіх вивчених контактних елементів. Перебування значення крапки для різних контактних елементів є предметом подальших досліджень. Установлено, що апарат працює стабільно в діапазоні . Далі, починаючи з крапки А відбувається поступове заповнення контактного елемента рідиною. При досягненні на графіку крапки настає захлинання. Ці значення знаходяться далеко за максимальним навантаженням, використаної в наших дослідах кг/(м2 с) (1500 кг/год). Слід зазначити, що відцентровий апарат працював досить стійко й у діапазоні підвищених навантажень, що відносяться до області кг/год на мал.11. Однак у цьому випадку лімітував граничну витрату рідини діаметр зливального патрубка з корпуса апарата. Була потрібно зміна конструкції відцентрового апарата в цілому. Тому, при формулюванні рекомендацій з меж усталеної роботи можна говорити про те, що апарат пропонованої конструкції працює стабільно, без “захлинання” в діапазоні навантаження по рідині від 40 до 1000 кг/год для всіх розглянутих випадків.

В третьому розділі представлені результати експериментального вивчення кінетики масовіддачі в рідкій і газовій фазах для перерахованих контактних пристроїв. Оскільки поверхня контакту фаз і її залежність від навантажень по фазах і швидкості обертання ротора залишалися невідомими, як характеристику швидкості масообміну використовувалася висота одиниці переносу в рідкій і газовій фазах.

Виявилося, що висота одиниці переносу, у рідкій фазі, у всіх випадках росте, а ефективність масовіддачі знижується з підвищенням навантаження по газу. При цьому щільність зрошення практично не впливає на інтенсивність масовіддачі в досліджуваному діапазоні її зміни. При зміні частоти обертання ротора від 2000 об/хв до 9000 об/хв, величина зменшується в 2,5 - 4 рази для усіх вивчених типів контактних елементів.

Масообмін, контрольований газовою фазою в апараті з указаними контактними пристроями вивчали на прикладі десорбції аміаку з водяного розчину в потік повітря. Встановлено, що висота одиниці переносу в газовій фазі росте зі збільшенням швидкості газу. Було встановлено, що для усіх вивчених конструкцій контактних елементів висота одиниці переносу знижується з ростом щільності зрошення і зі збільшенням частоти обертання ротора, тобто інтенсивність масовіддача росте і висота одиниці переносу досягає величини приблизно 25 - 30 мм при частоті обертання ротора 5000 об/хв, що на порядок нижче значень одержуваних при десорбції аміаку з водяного розчину в повітря в звичайних насадочних колонах.

В четвертому розділі проведене узагальнення результатів дослідження.

Експериментально знайдені значення послужили основою для одержання кореляційних залежностей, що дозволяють розрахувати гідравлічний опір апарату для вивчених контактних пристроїв.

Для діапазону навантажень по рідині від 0,7 до 15 кг/(м2с) для всіх досліджених типів контактних пристроїв справедливе рівняння загального виду

.

Показники ступеня і , та коефіцієнт А визначаються для кожного типу контактного пристроїв.

У випадку, коли навантаження по рідині перевищує межу усталеної роботи апарата кг/(м2с) для досліджених контактних пристроїв після обробки експериментальних даних, отримані наступні рівняння:

Тип 1 - ;

Тип 2 - ;

Тип 3 - .

Середнє відносне відхилення розрахункових і експериментальних значень не перевищує 15 %.

В п'ятому розділі розглянута практична реалізація результатів дослідження. Проведено аналіз процесів хімічної технології у яких перспективне використання відцентрових апаратів. Запропоновано методи реконструкції існуючого устаткування для типових процесів з використанням обладнання для ректифікації та абсорбції.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-практичної задачі інтенсифікації процесу тепло-масопереносу при використанні турбулентної взаємодії фаз в процесі ректифікації. Процес ректифікації реалізовано у відцентровому апараті. У процесі досліджень отримані наступні висновки:

1. Аналіз літературних джерел показав що процес ректифікації органічних речовин з використанням відцентрових апаратів знайшов застосування у деяких галузях промисловості, але не досить розповсюджений тому що всі відомі конструкції апаратів значно розрізняються, що ускладнює розрахунки та проектування нових, а також реконструкцію діючих. Виявлено, що застосування високих відцентрових прискорень у 1000-1500 g у відцентрових апаратах дозволяє розробити на їх основі високоефективне компактне масообмінне устаткування для проведення процесів ректифікації, абсорбції та десорбції.

2. Науково обґрунтовано та розроблено три перспективні конструкції контактних елементів для відцентрового масообмінного апарата. Запропонована конструкція горизонтального відцентрового апарату який працює в турбулентному режимі при якому в апараті спостерігається найбільш інтенсивне протікання процесів тепломасопереносу.

3. Досліджено гідравлічний опір нових контактних елементів у широкому діапазоні навантажень по фазах і швидкостей обертання ротора, визначено граничні навантаження й області усталеної роботи апарата. Виявлено кореляційні залежності, що дозволяють розрахувати гідравлічний опір відцентрового апарата розробленої конструкції за різних робочих параметрах для кожного з нових контактних елементів. Досліджено характеристики сумарного віднесення рідини для перспективних контактних пристроїв відцентрового тепломасообмінного апарата.

4. Виявлено основні закономірності переносу маси для газової і рідкої фази в умовах десорбції добре і важко розчинних газів з водного розчину в потік повітря у відцентровому апараті з трьома типами контактних елементів. Одержано залежність кінетики масообміну від основних робочих параметрів апарата: навантажень за фазами, частоти обертання ротору, конструктивних особливостей контактних елементів і фізико-хімічних властивостей системи.

5. Розроблено інженерну методику гідравлічного і кінетичного розрахунку відцентрового апарата з перспективними контактними елементами, яка відрізняється врахуванням конструктивних особливостей контактних елементів.

6. На підставі отриманого експериментального і теоретичного матеріалу виконана технічна документація на виготовлення промислових зразків відцентрових тепломасообмінних апаратів із внутрішніми діаметрами роторів 200 і 400 мм. Розроблена технічна документація та методика розрахунку, прийняті до впровадження на ВАТ „УкрНДІхіммаш”, (м. Харків) при проектуванні обладнання міні установок по переробці супутніх газів при нафтовидобуванні. Результати роботи використовуються при проведенні навчального процесу на кафедрі ХТПЕ в НТУ „ХПІ”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сіренко В.І., Бубликова Є.В. Сравнительный анализ конструктивных особенностей применяемых центробежных тепломассообменных аппаратов // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – Харків: НТУ “ХПІ”, 2002. – вип. 16 – с. 123-137.

Здобувачем проведено порівняльний аналіз конструкцій відцентрових апаратів, вказані їх переваги та недоліки, обрані напрямки досліджень. Вказані фактори які впливають на енерговитрати при використанні відцентрових апаратів в установках ректифікації. Обрана найбільш доцільна конструкція апарату, підготовлено роботу до друку.

2. Сіренко В.І., Бубликова Є.В., Аверченко В.І. Гидродинамические характеристики центробежного тепломассообменного аппарата // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – Харків: НТУ “ХПІ”, 2003. – вип. 15 – с. 51-56.

Здобувачем визначено мету і напрямки дослідження, узагальнені отримані експериментальні данні, та виявлені закономірності роботи відцентрових апаратів у режимі підвищеного навантаження при використанні різних конструкцій контактних пристроїв, підготовлено роботу до друку.

3. Бубликова Є.В., Сіренко Ю.В., Моісеєв В.Ф. Технология озонирования при очистке сточных вод // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. – вип. 37 – с.88-93.

Здобувачем була запропонована перспективна технологічна схема з використанням відцентрового апарата в установці по очистці стічних вод.

4. Бубликова Є.В. Совершенствование аппаратурного оформления процесса озонирования при водоподготовке и обработке сточных вод // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. – вип. 47 – с. 38-47.

Здобувачем проаналізовано сучасний стан очистки стічних вод озонуванням, та запропонована нова технологічна схема очистки стічних вод за допомогою з використанням відцентрового апарату, підготовано роботу до друку.

5. Бубликова Є.В., Моісеєв В.Ф. Закономерности уноса жидкой фазы в центробежном тепло- массообменном аппарате // Восточноевропейский журнал передовых технологий. – Харків: Технологічний центр, 2006, – вип. 6/3, – с.34-38

Здобувачем сплановано експеримент, здійсненні дослідження щодо визначення основних закономірностей, що впливають на віднесення рідкої фази у відцентровому тепло- масообмінному апараті. Проведено якісний аналіз основних джерел віднесення рідкої фази. Експериментально вивчено вплив робочих параметрів на величину сумарного віднесення рідкої фази, при використанні різних контактних пристроїв і сепаратора-відбійника.

6. Бубликова Е.В., Моисеев В.Ф. Исследование массообмена в центробежном тепломассообменном аппарате // Восточноевропейский журнал передовых технологий. – Харків: Технологічний центр, 2007, – вип. 1/3, – с. 33-37

Здобувачем було проведено комплекс дослідів по аналізу ефективності масообмінних процесів для трьох перспективних конструкцій контактних елементів та отримані критеріальні рівняння для розрахунків процесів масопередачі у відцентрових апаратах.

7. Декл. патент №54051 А Україна, МПК 7 В01D3/30. Відцентровий тепломасообміний апарат / Тютюнників А.Б., Сіренко В.І., Бубликова Є.В., Надрук. 17.02.2003, Бюл.№ 2

Здобувачем запропоновано використання змінних контактних пристроїв у конструкції апарату. Запропоновано спосіб підводу рідини у апарат.

8. Декл. патент №53498 А Україна, ,МПК 7 В01D3/30.Контактний пристрій відцентрового тепломасообміного апарата / Тютюнників А.Б., Сіренко В.І., Бубликова Є.В., Надрук. 15.01.2003, Бюл.№ 1

Здобувачем запропоновано конструкцію профілю контактного елемента.

9. Декл. патент №53499 А Україна, ,МПК 7 В01D3/30.Контактний пристрій відцентрового тепломасообміного апарата / Тютюнників А.Б., Сіренко В.І., Бубликова Є.В., Надрук. 15.01.2003, Бюл.№ 1

Здобувачем визначено оптимальну кількість лопаток контактного елементу.

10. Декл. патент №53500 А Україна, ,МПК 7 В01D3/30.Контактний пристрій відцентрового тепломасообміного апарата / Тютюнників А.Б., Сіренко В.І., Бубликова Є.В., Надрук. 15.01.2003, Бюл.№ 1

Здобувачем запропоновано збірну конструкцію контактного елемента.

11. Сіренко В.І., Бубликова Є.В., Дергачова Н.В. Дослідження гідродинаміки та ефективності массопередачі високошвидкісного відцентрового апарату для абсорбціїї газових викидів // Тез. докл. Міжнародної конференції “Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних екологічних проблем”. – Чернівці, 2002, - с. 126-131

Здобувачем запропоновано використання відцентрового апарату в малогабаритних установках очистки газових викидів коксохімічних виробництв. Проаналізовані експериментальні результати.

12. Бубликова Є.В., Сіренко В.І. Применение центробежных тепломассообменных аппаратов для решения экологических задач // Тез. докл. конференції з міжнародною участю “Сотрудничество для решения проблемы отходов”. – Харків, 2004, - с. 169-171

Здобувачем було запропоновано використання відцентрового апарату при реконструкції діючих установок очистки газових та рідких викидів.

13. Бубликова Є.В., Сіренко В.І., Моісеєв В.Ф. Перспективы разработки современного оборудования с учетом экологической направленности // Тез. докл. ІІ Міжнародної науково-практичної конференції “Екологія: освіта, наука, промисловість і здоров’я ”. – Белгород. – 2004. – с. 131-132

Здобувач проаналізував екологічні недоліки діючого обладнання для тепло- масообмінних процесів та запропонував методи підвищення його ефективності зі збільшенням екологічної безпеки.

14. Бубликова Є.В., Сіренко В.І. Технологія озонування при очищенні стічних вод гальванічних підприємств // Тез. докл. Міжнародної конференції “ Екологічні проблеми водних ресурсів”. – Львів, 2004, – с. 34-42

Здобувач запропонував нову технологічну схему очищення стічних вод гальванічних підприємств.

15. Бубликова Є.В. Современное аппаратурное оформление процесса озонирования при водоподготовке и обработке сточных вод // Тез. докл. конференції з міжнародною участю “Сотрудничество для решения проблемы отходов”. – Харків, 2005, – с. 182-184.

Здобувач проаналізував діюче обладнання процесів водо підготовки та запропонував підвищити ефективність та продуктивність завдяки використанню відцентрового апарату в процесах водопідготовки.

16. Бубликова Є.В., Сіренко В.І. Применение центробежных тепломассообменных аппаратов для решения экологических задач // Мир техники и технологий. – Харків, 2004, – вип. 2, – с.58-61

Здобувачем було запропоновано використання відцентрового апарату в малогабаритних установках очистки газових та рідких технологічних викидів.

АНОТАЦІЇ

Бубликова Є.В. Закономірності гідродинаміки та масопередачі процесу ректифікації у відцентровому апараті. – Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.17.08. – процеси й устаткування