Моделирование процесса дистилляции в роторно-пленочном испарителе с шарнирно закрепленными лопастями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Лежнева, Наталья Викторовна

• Лежнева, Наталья Викторовна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лежнева, Наталья Викторовна

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ В РОТОРНО - ПЛЕНОЧНЫХ ИСПАРИТЕЛЯХ.

1.1. Роторно - пленочные аппараты для разделения жидких смесей

1.2. Гидродинамика роторно - пленочных аппаратов

1.3. Кинетика тепло - и массопереноса в роторно - пленочных аппаратах

1.4. Математические модели роторно - пленочных аппаратов

ВЫВОДЫ

ГЛАВА II. ГИДРОДИНАМИКА ЖИДКОЙ ПЛЕНКИ В РОТОРНО-ПЛЕНОЧНОМ ИСПАРИТЕЛЕ.

2.1. Уравнения движения жидкой пленки

2.2. Преобразование уравнений переноса импульса в жидкой пленке

2.3. Определение коэффициентов турбулентного обмена импульса, массы

и тепла

2.4. Метод решения уравнений переноса импульса в жидкой пленке

2.5. Численный эксперимент по гидродинамике жидкой пленки

ГЛАВА III. КИНЕТИКА ТЕПЛО - И МАССОПЕРЕНОСА В РОТОРНО -ПЛЕНОЧНОМ ИСПАРИТЕЛЕ.

3.1. Уравнения тепло - и массопереноса в жидкой пленке

3.2. Определение коэффициентов массопереноса

3.3. Решение уравнений переноса и расчет полей температур и концентраций по секциям роторно - пленочного испарителя

3.4. Численный эксперимент по кинетике тепло - и массопереноса в жидкой пленке

ГЛАВА IV. МЕТОД РАСЧЕТА ПРОМЫШЛЕННЫХ РОТОРНО -ПЛЕНОЧНЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ . ПРОМЫШЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.

4.1. Сравнение расчетных данных с результатами промышленного

эксперимента

4.2. Разработка алгоритма расчета и проектирования роторно -пленочных испарителей с шарнирно закрепленными лопастями

4.3. Выбор технологических режимов процесса дистилляции

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

147

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса дистилляции в роторно-пленочном испарителе с шарнирно закрепленными лопастями»

ВВЕДЕНИЕ.

Способ проведения различных процессов массо - и теплообмена , совместного тепломассообмена и химического взаимодействия путем контактирования газа или пара с тонкой пленкой жидкости наряду с барботажем является одним из наиболее важных в химической технологии.

Эффективный метод интенсификации указанных процессов - осуществление их в поле центробежной силы. Принцип наложения на жидкую или газовую (паровую) фазы ( или на обе фазы одновременно ) турбулизующего воздействия с помощью специального вращающегося устройства - ротора используется в роторно-пленочных аппаратах (РПА), которые широко применяются в химической и смежных с ней отраслях промышленности.

Достоинством этих аппаратов является сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление,малое время пребывания продуктов в аппарате (5-20 с.) , поэтому они незаменимы при переработке вязких , термолабильных, кристаллизующихся и загрязняющих поверхность теплообмена химических веществ.

Однако, применяемые в промышленности роторно-пленочные испарители с шарнирно закрепленными лопастями характеризуются невысокой эффективностью разделения при дистилляции. Решение данной проблемы возможно экспериментальным путем. Но такой подход связан с постановкой дорогостоящих и часто трудноосуществимых экспериментов. Повысить эффективность аппарата путем выбора режимных и конструктивных параметров возможно методом математического моделирования. Обоснованные математические модели процессов дистилляции в роторно-пленочном испарителе с шарнирно закрепленными лопастями в настоящее время отсутствуют. Это обстоятельство не позволяет установить оптимальные технологические режимы процессов разделения в указанных аппаратах и провести реконструкцию аппаратов с целью повышения их эффективности.

Поэтому актуальной является задача математического описания процессов тепломассопереноса при дистилляции в роторно-пленочном испарителе с шарнирно закрепленными лопастями.

В работе предлагается на основе законов сохранения импульса, массы и тепла построить приближенное математическое описание процессов массопереноса в жидкой пленке, взаимодействующей с потоком пара в поле центробежной силы, в зависимости от технологических и конструктивных параметров роторно-пленочного испарителя с шарнирно закрепленными лопастями и на этой основе разработать алгоритмы их выбора.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,заключения,списка литературы и приложения.

В первой главе изложены назначение и конструктивные особенности роторно-пленочных аппаратов,дан обзор работ по гидродинамике и кинетике тепломассопереноса в роторно-пленочных аппаратах,а также проведен анализ работ по моделированию процессов разделения в указанных аппаратах.

Во второй главе проведено исследование турбулентного движения жидкой пленки по внутренней поверхности роторно-пленочного испарителя в поле центробежной силы, создаваемом вращающимся размазывающим ротором с шарнирно закрепленными лопастями.

В третьей главе проведено исследование тепломассопереноса при дистилляции в роторно-пленочном испарителе с шарнирно закрепленными лопастями.

В четвертой главе изложены результаты расчета промышленных аппаратов завода СПС ОАО "Нижнекамскнефтехим" на основе предложенной модели при различных условиях на входе аппарата.

Материалы диссертации опубликованы в тезисах докладов конференций : "Математические методы в химии и химической технологии" (Новомосковск, 1997),"Нефтехимия-96" (Нижнекамск, 1996), "Актуальные проблемы химии и химической технологии" (Иваново, 1997), журнале "Химия и химическая технология" Изв. вузов, 1997 и депонированы в ВИНИТИ.

Работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов химической Казанского государственного технологического университета.

I. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ В РОТОРНО - ПЛЕНОЧНЫХ ИСПАРИТЕЛЯХ .

1.1 Роторно - пленочные аппараты для разделения жидких смесей.

Роторно - пленочные аппараты применяются для проведения многих химико-технологических процессов,связанных с переработкой различных жидких смесей с широким диапазоном физико-химических свойств , и делятся на теплообменные ( роторно-пленочные испарители ) и массообменные . В работах [ 1 - 6 ] сообщается о применении теплообменных роторно-пленочных аппаратов ( РПИ) в процессах дистилляции и выпаривания различных продуктов.Основным преимуществом РПИ по сравнению с испарителями с падающей пленкой является более высокая степень выпаривания.Особенно ощутимо преимущество роторно - пленочных испарителей при работе под вакуумом.Помимо применения РПИ в качестве основных технологических аппаратов для проведения указанных выше процессов,перспективным является использование этих аппаратов в ректификационных установках.Успешное использование роторно - пленочных аппаратов в качестве жидкофазных химических реакторов для проведения быстропротекающих экзотермических реакций показано в работах [ 2,7-9 ]. В литературе [ 10-28 ] указаны примеры применения РПА для массообменных процессов , в частности , ректификации и абсорбции. Одной из разновидностей массообменных роторно-пленочных аппаратов являются аппараты системы Подбильняка,основным элементом которого является спираль Архимеда [29].Достоинством РПА со спирально-свернутым ротором является компактность ; большая поверхность контакта фаз ; незначительный брызгоунос ; способность работы в наклонном положении до углов 45-50°, при вибрациях , во время передвижения.

Роторно - пленочные аппараты представляют собой цилиндрические или конические аппараты вертикального или горизонтального

исполнения, основными элементами которых является ротор, распределительное устройство для жидкости и сепаратор - брызгоотделитель . Корпус аппарата снабжен нагревательной рубашкой , внутрь которой подается теплоноситель .

По способу доставки жидкости на теплообменную поверхность и конструкции ротора теплообменные роторно - пленочные аппараты ( РПИ ) можно разбить на пять основных типов [11]:

1) испарители с лопастным ротором , который образует зазор с теплообменной поверхностью [ 5,13 ];

2) испарители с размазывающим ротором [ 6,30-32 ];

3) конические испарители с регулируемым зазором между стенкой и ротором [ 33-39 ];

4) испарители с дистанционной доставкой жидкости на теплообменную поверхность под действием центробежной силы [ 34-36 ];

5) испарители с вращающейся теплообменной поверхностью [ 37-42 ].

По конструкции роторных устройств моссобменные роторно - пленочные аппараты подразделятся на колонны со спиралеобразным ротором [ 10 , 19 -24,29,43-48 ], с размазывающим ротором [ 15-18,43,49-50 ], с вращающимся внутренним цилиндром [ 15,51-57 ], с вращающимся конденсатором [ 58-67 ], с набором коаксиальных цилиндров [ 17 ], с набором чередующихся вращающихся и неподвижных дисков [ 44 - 45,59 ].

Применение роторно - пленочных аппаратов для массообменных процессов ограничено проблемой масштабного перехода.Это объясняется тем,что переход от лабораторных роторно-пленочных теплообменных аппаратов к крупным промышленным аппаратам может быть осуществлен посредством простого увеличения размеров испарителя без принципиальных изменений его конструкции.При создании роторно-пленочных массообменных аппаратов большой мощности на основе известных лабораторных конструкций должен быть сохранен принцип распределения в виде тонких слоев жидкой и

газовой ( паровой ) фаз при высокой пропускной способности , в отличие от теплообменных роторно-пленочных аппаратов,где обеспечивается тонкослойное распределение только жидкой фазы.Простым наращиванием размеров аппарата эта проблема не может быть решена. Поэтому в настоящее время РПА используются в промышленности, в основном, для осуществления теплообменных процессов и лишь незначительно для проведения массообменных процессов .

Диапазон конструктивных особенностей РПА широк ,однако промышленное применение находят ограниченное число конструкций,к числу которых относятся роторно-пленочные испарители с шарнирно закрепленными лопастями.Эти испарители являются одними из самых универсальных роторно-пленочных аппаратов. Они пригодны для переработки различных химических продуктов , полимеров , масел , кислот , продуктов пищевой и химико-фармацевтической промышленности микробиологических продуктов ,а также сточных вод различных производств.Благодаря способности ротора с шарнирно закрепленными лопастями очищать теплообменную поверхность можно использовать данные аппараты для переработки налипающих и вязких жидких смесей с большой степенью концентрирования вплоть до получения порошкообразного остатка.

1.2 Гидродинамика роторно - пленочных аппаратов.

Гидродинамическая картина течения пленки жидкости, а так же газа (пара) играет важную роль в процессах тепломассопереноса осуществляемых в роторно - пленочных аппаратах. Характер течения пленки жидкости зависит от физических свойств перерабатываемых веществ;типа и конструктивных особенностей ротора и аппарата;вида процесса и.т.д., поэтому единое

уравнение,достаточно точно описывающее картину течения на основе только общих физических соображений,отсутствует.

По общепринятым представлениям поток жидкости в роторно - пленочном аппарате с шарнирно закрепленными лопастями можно разбить на две четко различимые части : на так называемую носовую волну ( валик ) перед лопастью и на тонкую пленку жидкости , стекающую по стенке аппарата.

В аппаратах с жестко закрепленными лопастями образование носовой волны возможно лишь после достижения определенной нагрузки по жидкости и ее равномерном распределении по внутренней поверхности аппарата,при узком зазоре между кромкой лопасти и стенкой аппарата.При этом расход жидкости по высоте аппарата в результате испарения должен изменяться несущественно. Данные о форме валика различны . Если в работе [ 68 ] показано , что форма валика близка к цилиндрической , то в работах [1,69] высказывается мнение о треугольном сечении валика.В роторно - пленочных аппаратах с жесткими лопастями жидкая пленка за лопастью как правило более толстая,чем за лопастью шарнирного типа.

При экспериментальном исследовании гидродинамики РПА с жесткими и шарнирно закрепленными лопастями была обнаружена [ 70 ] более сложная пространственная структура течения , включающая помимо валика перед лопастью и тонкого слоя стекающей жидкости за ней,облако в окрестности кромки перед лопастью,состоящее из мелких капель жидкости,а за лопастью -пенообразный,постепенно сужающийся хвост.Носовая волна может содержать большое количество пузырьков пара.При дистилляции и в случае протекания газожидкостных реакций гидродинамическая обстановка еще более сложная. Распределение жидкости в облаке перед лопастью,в хвостовой части и в стекающей пленке зависит в первую очередь от скорости вращения ротора , числа и типа лопастей , расхода жидкости , ее вязкости и.т.д.

Экспериментальное исследование гидродинамики пленки жидкости в роторно - пленочных аппаратах проведено в ограниченном количестве работ и сводятся

,в основном, к измерению средней толщины пленки.Толщина жидкой пленки является одним из важных параметров , характеризующих гидродинамику пленочного течения.При исследовании характера течения жидкости в РПА с шарнирно закрепленными лопастями Шнейдер [ 71 ] обнаружил,что толщина пленки растет с увеличением плотности орошения и тем быстрее,чем выше вязкость.Зависимость средней толщины пленки от скорости вращения ротора и ее возрастание с увеличением числа оборотов ротора отмечено в работах [ 7,8,72 ]. Бабос и Уйхиди [ 7,8 ] полагают,что возрастание средней толщины пленки с увеличением скорости вращения ротора для жидкостей с различной вязкостью различно , а в работе [ 78 ] - одинаково. В работах [ 74-76 ] исследовались закономерности изменения толщины пленки в роторно -пленочных аппаратах с размазывающим ротором.Авторами указанных работ получена формула для расчета гидравлического диаметра валика:

4 = 1.73 & . (1.2.1)

V Рж £г

Уравнение ( 1.2.1 ) свидетельствует о независимости гидравлического диаметра валика от скорости вращения ротора. Противоположные данные, свидетельствующие о возрастании толщины пленки с увеличением скорости вращения ротора,приводятся в работе [ 49 ] :

я „ 1/6

о ~ п

В роторно - пленочных аппаратах с лопастным ротором образующим зазор со стенкой корпуса ,Доманским И.В., Авдонькиным А.Ф. и Соколовым В.М. предложено уравнение для расчета толщины пленки [ 77 ] :

— = 0.75 — + 0.35 г0'25 Кк ЯК

Г - Г,

0.57

Ргц0'57 Явц °'75 . (1.2.2)

ру

Из уравнения ( 1.2.2 ) следует, что толщина пленки 5 представляется в виде суммы толщины пленки в "спокойных" зонах и суммарной площади сечения валиков, деленной на смоченный периметр аппарата.

Если в роторно - пленочных аппаратах, в которых ротор образует зазор со стенкой аппарата, зазор между ротором и статором больше толщины пленки, то лопасти ротора не имеют непосредственного контакта с пленкой жидкости и воздействие их на жидкость осуществляется посредством перемешиваемого и приведенного во вращательное движение газа (пара). Режим течения перемешиваемого ротором газа (пара) практически всегда является турбулентным [ 69 ].

Исследования гидродинамики газовой (паровой) фазы в РИА сводится, в основном, к определению гидравлического сопротивления аппарата. Для роторно - пленочных аппаратов со спиралеобразным ротором Н.И.Гельпериным и В.И.Пебалком в работе [ 46 ] рекомендуется расчет коэффициента трения для сухого канала производить по формуле :

/.Л 2.46

X = 45 103 Rey"0'8

а

KhJ

а для смоченного канала :

Í л2-46

X = 7.6 104Rey"1,06 (—) ,

у \ъ)

где а - высота канала, b - его ширина .

Для роторно - пленочных аппаратов с размазывающим ротором эффективный коэффициент трения можно рассчитать по уравнению , предложенному Олевским В.М. и Ручинским В.В. [ 49 ] : X = 188.2 Rey"0'636 при Rey < 100 , X = 27.64 Rey"0'36 при Rey > 100 . Коэффициент трения газовой (паровой) фазы в колонне с набором коаксиальных цилиндров по данным работы [ 45 ] определяется по формуле

Х= 1.8 Rey

-0.222

а в роторном лопастном абсорбере при неподвижном сухом роторе по уравнению [ 25 ]

X = 2.83 Rey

-0.295

Исследуя гидродинамику жидкой и газовой (паровой) фазы в колонне с

цилиндрическим ротором,Тейлор [ 78 ] обнаружил ,что при достижении

определенного значения скорости вращения ротора в жидкости и газе (паре)

возникают правильно чередующиеся вихри с левым и правым

вращением.Согласно данным работ [ 79-81 ] скорость вращения вихря можно

найти по формуле

~ ( 2 2 \ ®вихря ~ V ® ~ ®крит ) 5

а работы [ 82 ] - из соотношения

®вихря ~ © - ®крит •

Значение скорости вращения ротора,соответствующее началу появления

вихрей Тейлора , определяется по формуле [ 83 ] _ 4L2vy г

®крит 1/9 )

■'крит 3/2 у 2

Г + Г ,т2 f *

К Р - Л Т? 71

где rm =- , геометрическии фактор Fg =

2 41.2

1-А

V 2г.

р-1/2 _

(

где Р = 0.057

1-0.652

v xm-M2j v

i л л

тУ -1

+ 0.00056

1-0.652

m ^ - —у ч im

rm -А/2j

По данным работы [ 84 ] вихри Тейлора возникают на некотором расстоянии от входа газа (пара) в кольцевой зазор и движутся в аксиальном направлении со скоростью,близкой к средней осевой скорости газа (пара).В зависимости от скорости вращения ротора,нагрузки по газу (пару),вязкости в колонне с цилиндрическим ротором можно наблюдать один из четырех гидродинамических режимов [ 83-84 ] :

1) ламинарный;

2) ламинарный с вихрями Тейлора;

3) турбулентный;

4) турбулентный с вихрями Тейлора.

1.3 Кинетика тепломассопереноса в роторно - пленочных аппаратах.

Скорость процессов тепломассопереноса в роторно - пленочных аппаратах определяется гидродинамической обстановкой : скоростью движения пленки жидкости и газа ( пара ) направлениями и режимами относительного движения фаз и.т.д.

Процессы тепломассопереноса в РПА имеют довольно сложный характер,поскольку помимо влияния факторов,характерных для аппаратов с гравитационно стекающей пленкой жидкости,в роторно - пленочных аппаратах на гравитационное течение жидкой пленки накладывается возмущающее воздействие вращающегося ротора , который ,с одной стороны , равномерно распределяет пленку жидкости по поверхности нагрева , а , с другой стороны , вызывает ее дополнительную турбулизацию.

Поскольку РПА применяются, в основном ,в качестве испарителей,то и процесс теплопереноса в них рассматривался ,главным образом ,при кипении.

Интенсивность теплообмена в роторно - пленочных испарителях существенно зависит от тепловой нагрузки,плотности орошения,скорости вращения ротора,конструктивных особенностей ротора ( числа лопастей,величины зазора между кромкой лопасти и стенкой аппарата и.т.д. ), теплофизических свойств перерабатываемых веществ и других факторов.

Опытные данные [ 85-96 ] показывают,что в РПИ с размазывающими лопастями тепловая нагрузка и разность температур стенки и жидкой пленки практически не влияет на интенсивность теплообмена.Это объясняется тем,что при движении размазывающей лопасти жидкая пленка хорошо перемешивается,при этом пузырьки пара разрушаются лопастью.В связи с этим в роторно - пленочных испарителях с шарнирно закрепленными лопастями испарение просходит,как правило,с поверхности пленки. Авторами работ [ 9798 ] отмечено,что при увеличении тепловой нагрузки ухудшаются условия смачиваемости поверхности нагрева.При высоких тепловых нагрузках

возможно оголение теплообменной поверхности ,что приводит к резкому снижению коэффициента теплоотдачи.

В отличие от РПИ с размазывающими лопастями, в испарителях с зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью аппарата,тепловая нагрузка существенно влияет на интенсивность теплообмена.Причем зависимость коэффициента теплоотдачи от удельной тепловой нагрузки тем сильнее ,чем больше зазор .Результаты экспериментальных исследований [ 87,96,99-104 ] свидетельствуют о том,что увеличение удельной тепловой нагрузки приводит к интенсификации конвективного теплопереноса,что объясняется усилением перемешивания в жидкой пленке образующимися пузырьками пара.Таким образом , в роторно-пленочных испарителях ,лопасти которых образуют зазор с теплообменной поверхностью,с увеличением теплового потока в жидкой пленке наблюдается развитое пузырьковое кипение.

Регулирование телообмена за счет изменения плотности орошения имеет предел ( ГПцП ),ниже которого не обеспечивается смачивание всей поверхности теплообмена.Минимальная плотность орошения роторно-пленочного испарителя с зазором между лопастью и стенкой существенно зависит от ширины зазора. В указанных РПИ значение Гт;п соответствующее образованию устойчивой пленки на всей поверхности теплообмена,сдвигается в сторону больших значений.

Изменение скорости вращения ротора влияет на гидродинамику течения пленки жидкости , а следовательно , и на интенсивность теплообмена в пленке .С увеличением числа оборотов ротора вплоть до определенного предела,зависящего от числа лопастей в сечении ротора,наблюдается монотонное увеличение коэффициента теплопереноса . Оптимальная окружная скорость вращения для аппаратов с размазывающими лопастями 3 - 4 м/с [ 68,86,94-95,97 ].Дальнейшее увеличение скорости вращения ротора не интенсифицирует теплообмен в аппаратах этого типа,а вызывает только значительный износ лопастей..В роторно-пленочных

испарителях с зазором между лопастью и стенкой аппарата с увеличением скорости вращения ротора коэффициент теплоотдачи растет, достигает максимума , а затем начинает снижаться [ 68,98,100,105 ].Снижение коэффициента теплоотдачи обусловлено, вероятно, начинающимися периодическими разрывами тонкой пленки за движущейся лопастью. Оптимальная окружная скорость зависит от теплофизических свойств жидкости,плотности орошения и других факторов. В РПИ с зазором между теплообменной поверхностью и лопастью она достигает 8-9 м/с [ 68 ] ,что значительно больше, чем в роторно - пленочных испарителях с размазывающими лопастями,где пленка испытывает аэродинамическое воздействие.

Увеличение числа лопастей приводит к более равномерному распределению жидкости по поверхности нагрева аппарата,что приводит к увеличению интенсивности теплообмена.Предел увеличения числа лопастей зависит от физико-химических свойств жидкости.

Из теплофизических свойств жидкости изучено влияние на интенсивность теплообмена в роторно - пленочных испарителях вязкости,теплопроводности и теплоты парообразования.С уменьшением вязкости уменьшается толщина пленки,улучшаются условия для распространения турбулентных пульсаций в пленке жидкости , что приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи [ 68,106 ].Влияние теплопроводности и теплоты парообразования проявляется в снижении коэффициента теплоотдачи с уменьшением теплопроводности и увеличением теплоты парообразования.Это объясняется тем,что с ростом теплоты парообразования интенсивность перемешивания в жидкости снижается вследствие уменьшения насыщенности жидкой пленки паровыми пузырьками.

Влияние давления в аппарате на теплообмен значительно сложнее влияния других факторов,поскольку изменение давления приводит к изменению теплофизических свойств жидкости.Данные о зависимости коэффициента

теплоотдачи от давления при разделении смесей под вакуумом в роторно -пленочных аппаратах практически отсутствуют. Имеющиеся опытные данные [ 94 ] свидетельствуют о том, что с увеличением давления интенсивность теплообмена растет.

Т.к. на интенсивность теплообмена в РИА влияет большое число физико-химических,технологических и конструктивных факторов, достаточно общие уравнения для нахождения коэффициента теплоотдачи отсутствуют. Полученные разными авторами уравнения, описывающие теплообмен в роторно - пленочных аппаратах, приведены в таблице!.

Таблица 1.

РПА Уравнение Авторы

1 2 3

С шарнирно закрепленными лопастями N11=0.65 Ке0'25 Лец0'43 Рг0-32а33 ( при испарении ) Ш=0.095Кр-°-24Ке0-2 Ре*0'4 Рг0'22 ш01 (при выпаривании ) Ботт,Шейк [ 92 ] Кибрик [ 88 ]

Ш=0.187Ке0025 Рг°-4 Марченко [ 91 ]

N11=2.35 10"3Ке0'58Ргц°'09Рг0'57 при Яе<102 Ботт,Азури [ 74 ]

N11=7.4 10"3 Яе0'76 Ргц0,36 Рг1,02 риКе=102-104 »

1 2 3

<х=( 2 г со X ср )0'5/ 71 М>г / 500 + 3.5 Азури,Ботт[108 ]

( в режиме стирания )

а=234.3 д0Лш0ЛЗр0Л6Г0Л4 Федотов,Планов-

(при испарении ) ский,Фокин, Лебедев [ 109 ]

а =110 (п/ (I )1/3 X Дитер [ 85 ]

С жестко Ш=А Кр0'84 Яе™0'65 Рг"0-58 Лысенко [ 105 ]

закрепленными (при кипении )

лопастями

N11=1.6810~7 Ке'0'55Кец0'62Рг°'4(Ре*)0'298 Марченко [91]

при А=2мм

Ш= 1.2610"7 Яе0-5911ец0-663 Рг"04 ( Ре* )0059 »

при Д=1мм

Ки=0.001 Кепла21 Кец062 Рг0'78 20Л2 А"023 Зубрий[ 110]

а « II'0-22 а'0'5 Ь0-55 п0-57 я0"88 А"0'72 Клостерман,Рей-неман,

( V5 Ш=(1+.ООЗРг001л)[1+.22 Н2° 4 ] (при испарении ) Вольф[111] Петров, Ручин-ский,Евкин [104]

1 2 3

с вращающимся внутренним цилиндром Ш -1+1.4472'Та' " Т"крт2 N11 * Та2 / л 0.04 / д \ N11=0.089 - Кец°-6Рг0'33 - Ч|иу VII/ Чертков,Рамм, Добромыслова [112] Доманский, Авдонькин, Соколов [113]

Приведенные в таблице 1 зависимости являются эмпирическими и, следовательно,их применение ограничено исследованной областью изменения параметров,влияющих на теплообмен.

Об особенностях процесса массообмена в РПА в литературе содержится мало сведений. Процесс массоотдачи в РПА , зависящий от большого числа факторов,пока не поддается строгому теоретическому расчету.

Для оценки коэффициента массоотдачи в жидкой фазе можно использовать пенетрационную модель,поскольку в поперечном сечении валиков происходит интенсивное перемешивание жидкости,что приводит к частому обновлению межфазной поверхности.Согласно теории Хигби газ (пар) периодически контактирует с новой поверхностью жидкости,а массоперенос осуществляется только за счет молекулярной диффузии в течении времени - времени существования данной поверхности.В соответствии с этой моделью коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяется по формуле л/2г(Юж

Рж=--(1.3.1)

7Г

Однако, рассчитанные по теории Хигби коэффициенты массотдачи в пленке жидкости Рж не в состоянии адекватно отразить особенности массообмена в роторно - пленочных аппаратах . Формула ( 1.3.1 ) не учитывает вращательное движение жидкости,считая,что в контакте с газовой

(паровой) фазой находится только ее гладкий поверхностный слой.В действительности же процесс массоопереноса происходит не только за счет молекулярной диффузии, но и конвективного массообмена.Поэтому возникает необходимость введения эмпирических коэффициентов для согласования теории и эксперимента.

Анализ массообменных процессов в РПА указанных выше типов носит, в основном, эмпирический характер. Уравнения, коррелирующие

экспериментальные данные ,полученные разными авторами при исследовании процессов массообмена в соотвествующих роторно - пленочных аппаратах , представлены в таблице 2.

Эмпирические зависимости,приведенные в таблице 2 , применимы в ограниченном диапазоне изменения различных факторов,и экстраполяция за пределы этого диапазона,как правило, невозможна.

Таблица 2.

РПА Уравнение Авторы

1 2 3

С вращающейся лентой =0.065 Б 1ду 2.5 Ке^'^е^с,-0-67 Зюйдервег[114 ]

Р5эф -.087Ке67 В у35 эф Рг5 ,и<.8 м/с 1 н) Шафрановский, Ручинский[ 115]

( при ректификации)

Ки,-0.4 эф КеЭф0'8 8с0'5 V н Олевский, Ручинский [11]

при и>0.8 м/с

/я л-35

Ыиж=0.087Ке и<0.8м/с

0.67

эф

ч

8с0'5,

Ыиг=.04 Яе

1/3

1 + 18

Н

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Лежнева, Наталья Викторовна

ВЫВОДЫ.

1. Для решения задачи расчета процесса дистилляции жидких смесей, проектирования роторно - пленочного испарителя с шарнирно закрепленными лопастями и выбора технологических режимов получена замкнутая математическая модель тепломассопереноса в двухфазных системах жидкость - пар .

2. Предложено при описании процессов переноса в турбулентных двухфазных системах законы сохранения импульса , массы и тепла записывать для жидкой пленки , а взаимодействие фаз учитывать в виде источникового члена совместно с уравнениями баланса и условиями равновесия.

3. Разработан метод последовательных приближений для решения уравнений движения.

4. Предложен алгоритм расчета процесса дистилляции в роторно -пленочном испарителе с шарнирно закрепленными лопастями , позволяющий провести расчет профилей скоростей , концентраций и температур по толщине жидкой пленки и высоте роторно - пленочного испарителя ; поля давления и распределения толщины пленки по высоте аппарата.

5. Разработан алгоритм проектирования роторно -пленочного испарителя с шарнирно закрепленными лопастями , обеспечивающего получение выходных продуктов заданного состава,позволяющий выполнить анализ и диагностику работы РПИ , а также выработать рекомендации по повышению эффективности процесса разделения.

6. Проведен анализ процесса дистилляции в промышленных аппаратах ПС-390, ПС-740 завода СПС ОАО "Нижнекамскнефтехим" . Установлены технологические режимы разделения метилфенилкарбинольной фракции эпоксидата в промышленном аппарате ПС - 390 и фракции ацетофенона в ПС -740.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лежнева, Наталья Викторовна, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1 .Wiegand J.//Chemiker Ztg.-1969,Bd.-№23.-S.939-942.

2.Ujshidy A.,Babos B.//Filmbeparlork,filmreakorok.Budapest.-1967.-p.361.

3 .Ikeganij Tatsuju,Lohwater RobertЛ.//Уac.Soc.Jap.-l 972.-V.15.-№5.-p.160-163.

4.Василенец И.М.Труды Всесоюзн. НИИ жиров.-1957.-т.26.-с.199-210.

5.Pilc //A.e.a.Przem. Chem..-1968.-v.47.- №4.-р.218-223. ö.Schnider В.// Chem. -Ing. -Techn.-1955.-Bd.27.- №5.-S.257-260.

7.Babos B.,Ujshidy A.//Chem.Technik.-1961.-Bd.l3.-S.587-590.

8.Babos B.,Ujshidy A.//Chem.Technik.-1963.-Bd.l5.-S.554-556.

9.Ujshidy A.,Blickle T.,Berkes R.//Wiss. Zt. der Techn. Hochschule Leuna Merseburg.-1969.-Bd. ll.-№4.-S.357-363.

1 O.King R.W.Ind. a.//Eng.-l 969.-V.61 .-№9.

П.Олевский В.М.,Ручинский В.Р.Роторно-пленочные тепло- и массообменные аппараты.-М.:Химия, 1977.-207 с.

12.Reichle L.,Billet R.Vacuum Rectification in High Efficiency Equipment.//Ind. Eng.Chem.-l 965.-v.52.-№4.-p.52-60.

13.0левский В.М.,Ручинский В.Р.Ректификация термически нестойких веществ.-М.:Химия,1977.-200 с.

14.Lesesne S.D.,Lochte N.L.//Ind.Eng. Chem.,Analyt. Fd.-1938.-v.l0..-№5.-p.450-452.

15.Willingham V.//A.e.a.Ind. Eng. Chem..-1947.-v.39.-№6.-p.706-711. 16.Stuke B.//Chem.-Ing.-Techn.-1953.-Bd.25.-S.667-670.

17.Голубев И. Ф. и др. / И.Ф. Голубев , Н. В. Мещеряков, В. М.Олевский .Труды ГИАП .- 1966.-T.V.- с. 316 - 328.

18.Жаворонков Н.М. и др Методы и процессы хим.технол : Сборник 1 / Н.М. Жаворонков, В.А.Малюсов, Н.Н.Умник.-1955.-с.45-64.

19.Murray K.E.//J.Am.Chem.Soc.-1951.-v.28.-№4.-p.235-238.

20.Кафаров В.В.Основы массопередачи:Учеб. пособ. для хим.-техн. спец. вузов.-2-e изд.,перераб.-М.:Высшая школа, 1972.-494 с.

21.Казанский Б.А., Розенгарт М.И., Соловьева О.П. // Изв. АН СССР, ОХН.-1941.-№1.-с.97-101.

22.HickmanK.C.//-D.Ind.Eng.Chem..-1937.-v.29.-№10.-p.968-972.

23.Kuhn W.,Ruffel K.//Helv. chim. acta.-1943.-v.26.-№12.-p.l693-1697.

24.Williamson L.I. //J. Appl. Chem.-1951.-v.l.-№l.-p.33-36.

25.Ручинский В.Р.,Слободяник И.П.,Нечаев Ю.Г. //Газ. пром.-1967.- №9.-с.39-41.

26.Нечаев Ю.Г.Диссертация.ГИАП.-1969.

27.Басков Ю.А. и др.Труды ГИАП.-1972.-Вып. 13.-С.37-42.

28.Ручинский В.Р. и др.Труды III Республиканской конференции "Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратуры хим. производств".-Львов, 1973 .-с.47.

29.Podbielniak W.J.Apparatus and methods for precise fractional//Ind. and Eng. chem.-1931 .-v.3 .-№2.-p. 177.

30.Федотов В.П.Диссертация.МИХМ,1970.

31 .Kraussold H.//Chem. -Ind. -Techn.-1961.-Bd.33.- №12.-S.820-821.

32.Hauschild W.//Chem. Proc. Eng.-969.-v.50.- №10.-p.83-84.

33.Англ. пат. 789710,пат. США 2836235.

34.Авт. свид. СССР 43631,1934.

35.Авт. свид. 169492,1962.

36.Chem. Eng.-1963.-v.70.- №5.-р. 64-66.

37.Hickman К.С. -Б.Англ. пат.546579,1942.

38. Hickman К.С.// -D.Ind. Eng. Chem.-1957.-v.49.- №5.-р.786-790.

39.Bromley A.Ind. //Eng. Chem.-1958.-v.50.- №2.-p.233-235.

40. Stengel R.F.//Design NEWS.-1961 .-v. 16.- №21 .-p. 10-11.

41.Lave A. //Chim. et. ind.-Gen. chim.-1969.- №11.-p. 1555-1559.

42.Авт. свид. СССР 361368//Бюлл. изобр.-1973.- №1,с.99.

43.Малюсов В.А., Умник Н.Н., Жаворонков Н.М.//ДАН СССР 1956.-t.106,-№1.- с.99-101.

44.Герш С.Я.,Архаров A.M.,Изв. вузов.Сер. машиностр.,1959,№4,с. 106-112.

45.Герш С .Я., Архаров А.М.//Кислород.-1958.-т.11.-№5.-с.123-125.

46.Гельперин Н.И.Дебалк В.Л.//ЖПХ.-1953.-т.26.-№4.-с.368-370.

47.Kuhn W.//Helv. chim. acta.-1942.-v.25.-p.252-259.

48.Zuiclerweg F.I. //Chem. eng. Sci.-1952.-v.3.-№4.-p.l74-177.

49.Ruchinsky V.R.,01evsky V.M.Hydrodynamic and mass transfer in rotary distillation columns.IUPAC.-Moscow.-1965.-13p.

50.Chem. Age(India).-1964.-v.l5.- №7.-p.859-860.

51 .Macleod N.,Matterson К.// Chem. Eng. Sci.-1959.-v.10.- №4.-p.254-258.

52.Jost W. //Chem.-Ing. -Techn.-1953.-Bd.25.-S.356-361.

53.Jost W.,Steg L.,Brandt H.//Chem. -Ing. -Techn.-1953.-Bd.25.-S.291-299.

54.Португальцев И.Г.Труды ГИАП.-т.7.-с.231-235.

55.Raichle L.,Billet R.//Chem. -Ing. -Techn..-1965.-Bd.37.- №4.-S.367-376.

56.Hawkins J.,Burris W.//Analyt. Chem..-1956.-v.28.- №1 l.-p.l715-1719.

57.Шафрановский А.В.,Ручинский B.P.//TOXT.-1971.-T.5.- №l.-c.34-38; №2.-c.187-196.

58.Mair B.,Krouslop N.//Analyt. Chem.- 1957.-v.29.- №7.-p.l065-1069.

59.Гельперин Н.И.,Хаценко М.С.//ЖПХ.-1952.-Т.25.- №6.-с.610-613.

60.Веппег F.C.,Dinardo A.,Tobin D.I.//Ind. Eng. Chem.-1951.-v.43.- №3.-p.722-725.

61.Bjron E.C.,Bowman J.R.,Coull J./And. Eng. Chem.-1951.-v.43.-'№4.-p.l002-1010.

62.Perry Е.С.Дох D.S.//Ind. Eng. Chem.-1956.-v.48.- №6.-p.l473-1475.

63.Alderschoff W.B.Booy HJ. //Inst. Petroleum.-1953.-v.39.-p.688-691.

64.Малафеев H.A. и др.//Хим. пром.-1965.- №7,c.4-7. 65.Stevanovic V: Intern. Sympos. Distillation,Brighton.-1960.-p. 195-204. 66.Stevanovic V.//Chem. -Ind. -Techn.-963.-Bd.35.- №3.-S.154-157.

67.Малюсов В.А.Диссертация.НИФХИ им.Карпова,1962.

68.Коган В.Б., Харисов М.А.Оборудование для разделения смесей под вакуумом.-Л.:Маш-е, 1976.-376 с.

69.Соколов В.Н.,Доманский И.В.Газожидкостные реакторы.-Л.:Маш-е,1976.

70.Уйхиди А.ДСишш 3.,Беркеш Р.,Бучки Д.//ТОХТ.-1988.-Т.22.- №3.-с. 356-361. 71.Schneider R.Einneuer Dunnschichtverdampfei.//Chem. Ind. Techn.-1965.-Bd.27.-№5.-S.257-261.

72.Dieter K.,Hiibner W.//Chemiker Ztg.-1970.-Bd.94.- №9.-S.319-327.

73.Dechema -Monographien.-1959.-Bd.32.-S.160-181.

74.Bott T.R.,Azoory S.//Chem. a. Progr. Eng.-1969.-v.50.- №l.-p.85-88.

75.Bott T.R.,Azoory S.//Trans. Inst. Chem. Engrs.-1968.-v.46.- №2.-p.33-36.

76.Bott T.R.,Azoory S.//Trans. Inst. Chem. Engrs.-1968.-v.46.-№2.-p.37-34

77.Доманский И.В.,Авдонькин А.Ф.,Соколов В.Н.//ЖПХ.-1971.-Т.44.- №9.-c.2009-2013.

78.Taylor G.I.//Phil. Trans.-1923.-v.A223.-p.289-305.

79.Donnely R.I.//Proc. Roy. Soc.-1965.-v.283.- №1395.-p.509-519.

80.Donnely R.I.,Tanner D.I.//Proc. Roy. Soc.-1965.-v.A283.- №1395.-p.520-530.

81 .Donnely R.I.,Schwar K.W.,Roberts R.H.//Proc. Roy. Soc.-1965.-v.A283.-№i395.-p.531-541.

82.Appel D.W.Tappi.-1959.-v 42.- №9.-p.767-771.

83.Ray C.I.,Elgar E. //Trans. ASME.-1958.-v.80.- №3.-p.753-760.

84.Astill K.N. //Trans. ASME.-1964.-v.86.- №3.-p.383-389.

85.Dieter K. //Chem. -Ing. -Techn.-1960.- №8.-S.521-525.

86.Kirschbaum E.,Dieter K. //Chem. -Ind. -Techn.-1958.- №11.-S.715-718.

87.Коптев A.A. и др.//Хим.,нефтепер. и целлюлозн. машиностр.-1966.- №5.-с.17-19.

8 8.Кибрик Э. Д. Диссертация.МИХМ, 1964.

89.Кибрик Э.Д.,Рынков А.И.//Хим. пром..-1963.- №7.-с.527-530.

90.Марченко А.Н.,Соляник О.Н.//Хим. пром. Украины:Научно-производственный сборник.-1967.- №4(34).-с.25-28.

91.Марченко А.Н.Диссертация.Харьковский политехи. ин-т им. В .И.Ленина, 1968.

92.Bott T.R.,Sheikk M.R.//Chem. Eng. Progr. Sympos. Ser.-1966.-v.62.-p.97-100.

93.Penny W.R.,Bell K.T.^nd. Eng. Chem.-1967.-v.59.- №4.-p.47-49.

94.Ziolkowski Z.,Skoczylas A.//Chem. Stocow.-1966.-t.3.- №2.-s.227-232. 95.Skoczylas A. Brit. //Chem. Eng.-1967.-v.12.- №8.-p.l235-1238.

96. Skoczylas A. Brit. //Chem. Eng.-1970.-v.15.- №2.-p.221-224.

97.Bressler R.//VDI-Zeitschrift.-1958.- №15.-S.630-632.

98.Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных пленках.. -Киев:

Техшка, 1972.-196с.

99.Leidenfrost F.//Natur. Wiss.-1956.-Bd.43.-S.465.

100.Reay W.H./tfnd. Chem.-1963.-v.39.- №6.-p.293-297.

101.Lukavsky I.,Novotny I.//Chem.Prum.-1960.-v.l0.- №8.-p.410-415.

102.Leniger H.A.,Veldstra I.//Chem. -Ing. -Techn.-1959.- №8.-S.493-496.

103.Read J.C.//Austral. Chem. Proc. a. Eng.-1964.-v.17.- №10.-p.32-35.

104.Петров В.А.,Ручинский В.Р.,Евкин И.Ф.//ЮХТ.-1970.-Т.4.- №4.-c.515-522. 105 .Лысенко K.B. Диссертация.МИХМ, 1967.

106.Gudheim A.R.,Donovan J.//Chem. Eng. Progr.-1957.-v.53.- №Ю.-р.476-481.

107.Bott T.R.,Romero J.J.//Canad. J. Chem. Eng.-1963.-v.44.- №5.-p.213-216.

108.Azoory S.,Bott T.R.//Canad. J. Chem. Eng.-1970.-v.48.- №4.-p.373-377.

109.Федотов В.В.,Плановский A.H.,Фокин А.П.,Лебедев К.И.Хим. пром.,1971, №10,с.788.

ПО.Зубрий О.Г.Исследование некоторых вопросов гидродинамики и теплоотдачи в роторно-пленочных аппаратах. Автореф. канд. дисс.-Киев,Киевский политехнический институт, 1973.-26с.

111 .Klostermann W.,Reinemann G.,Wolf P.//Wiss Zt. der Techn. Hochschule Chem. Leuna-Merseburg.-1969.-Bd.ll.-№4.-S.390-395.

112.Чертков Б.А.,Рамм В.М.,Добромыслова Н.С.//ЖПХ.-1962.-Т.38.- №9.-c.1915-1918.

113.Доманский И.В.,Соколов В.Н.//ЖПХ.-1973.-Т.36.- №11.-С.2492-2496.

114.Zuiderweg F.I. //Chem. Eng. Sci.-1952.-v.3.- №4.-p.l74-177.

115.Шафрановский А.В.,Ручинский В.Р.//ТОХТ.-1970.-т.4.-№1.-с.Ю6. llö.Flower I.R.,Macleod N.,Shahbenderian H.//J.Chem. Eng. Sci.-1969.-v.24.- №4.-p.637-662.

117.Громогласова A.B. Диссертация.ГИАП, 1973.

118.Banerjee P.K.//Chem. Age. India.-1966.-v.17.- №6.-p.485-487.

119.Тасев Ж.,Генчев Хр.//ТОХТ.-1990.-т.24.-№5.-с.684-686.

120.Кулов Н.Н.,Малюсов В.А.//ТОХТ.-1967.-т.1.- №2.-с.213-217.

121.Кулов Н.Н.,Малюсов В.А.// ДАН СССР.-1966.-т.171.-№6.-с.1388-1390.

122. Кулов Н.Н.,Малюсов В.А. //ДАН СССР.-1967.-т.173.-№4.-с.876-877.

123.Кулов Н.Н.Диссертация.ИОНХ им.Курнакова,1967.

124.Карасев В.Е.Дулов Н.Н.//ТОХТ.-1988.-т.22.-№1.-с.Ю-15.

125.Кулов Н.Н.,Малюсов В.А.//ТОХТ.-1968.-т.2.- №5.-с.665-676.

126.Холпанов Л.П.,Шкадов В.Я.Гидро динамика и тепломассообмен с поверхностью раздела.-М. :Наука, 1990.-271 с.

127.Dukler A.E.,Bergelin O.P.Charactereristics of flow in falling liqiud films// Chem. Eng. Progr.-1952.-v.48.-№ll.-p.557.

128.Рид Р.Драусниц Дж.,Шервуд Т.Свойства газов и жидкостей : Справочное пособие / Пер. с англ;Под ред. Б.И.Соколова.-Л.:Химия,1982.-582 с.

129.Лойцянский Л.Г.Механика жидкости и газа.-М.:Наука,1973.

130.Константинов Е.Л.//ТОХТ .- 1975.- т.9 .- №5 с. 663. Ш.Константинов Е. Л., Серафимов Л. А . //ИФЖ .- 1975 .- т. 9 .- №4 .- с.661. 132.Касаткин А.Г.Основные процессы и аппараты химической технологии : Учеб. для хим.-технол. спец. вузов.-8-e изд.,перераб.. -М.: Химия , 1971. -784с.

133.Доманский И.В.Далякин С.Г.// ТОХТ.-1992.-т.26.-№1.-с. 71 - 76 .

134.Stewart W.E.,Prober R.Matrix calkulation of multicomponent mass transfer in

isotermal system // Ind. and Eng. Chem. Fund.-1964.-v.3.-№3.-P.224.

135.Toor H.L.Solution of linearized equation of multicomponent mass transfer

II.Matrix methods // A.I.Ch.E.J.1964.-v.l0.-№4.-p.460.

13 6. Александров И.А.Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей.-Л.:Химия, 1975.-320 с.

137.Burghardt A.,Warmuzinski.Dyfyzyin metody obliczania aparator rektyficacyjnnych dla uktadow wieloskta-dnikowich.I.Model ekwimolarnego , nieekwimolarnego ruchumasy // Inzynieria Chemicrna .- Procesowa . - 1981 . - v . 2 . - №1. - p. 29-44.

138. Левич В .Г.Физико-химическая гидродинамика.-М.: Физматгиз, 1959.