Теоретические основы расчета и проектирования вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор технических наук Склабинский, Всеволод Иванович

• Склабинский, Всеволод Иванович
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Склабинский, Всеволод Иванович

Введение

Раздел 1. Основные способы организации движения газокапельных потоков в распыливающих и вихревых массообменных аппаратах.

1.1. Распыление жидкости и вихревое движение потоков - факторы, которые ускоряют массообмен.

1.2. Основные сведения о гидродинамике потоков в вихревой камере

1.3. Распыление жидкости газовым потоком.

1.4. Некоторые способы описания движения двухфазных сред.

1.5 Движение пленок жидкости и торцовый эффект в вихревой камере.

1.6. Основные отличия вихревого прямоточного, перекрестного и противоточного движения газового и капельного потоков.

Раздел 2. Основные теоретические предпосылки интенсификации массообмена между каплями и газом при их противоточном вихревом движении

2.1. Постановка задачи.

2. Силовое влияние на каплю жидкости в потоке газа имеющем поперечный градиент скорости

3. Интенсификация внутренних токов в капле под действием газового потока с поперечным градиентом скорости.

2.4. Интенсификация массообмена при противоточном вихревом движении

• газокапельного потока.

Раздел 3. Гидродинамика двухфазного вихревого газокапельного потока.

3.1. Общая постановка задачи по исследованию гидродинамики.

3-.2. Особенности движения вихревого газового потока.

3.3. Влияние соотношения геометрических размеров вихревой камеры на неравномерность потока по ее высоте.

4. Решение задачи о вихревом движении вязкого газового потока.

3.5. Гидродинамика вихревого газокапельного потока

5.1. Условие противоточного движения вихревого потока капель и газа в массообменной камере.

3.5.2. Влияние потока капель на гидродинамику газа.

3.5.3. Гидравлическое сопротивление вихревой камеры распыливающего противоточного массообменного аппарата (ВРПМА).

3.5.4. Влияние гидродинамики потоков на жонструктивное выполнение распылителей и патрубков отвода газа

3.5.5. Сепарация капельной жидкости в рабочей камере ВРПМА.

5.6. Анализ некоторых гидродинамических факторов, влияющих на движение капельного потока.

Раздел 4. Экспериментальное исследование гидродинамики потоков ВРПМА.141.

4.1. Методика исследования

4.2. Описание экспериментальных стендов.

4.3. Исследование однофазного потока.

4.4. Исследование двухфазного потока.

4.5. Гидравлическое сопротивление вихревого противоточного массообменного аппарата

4.5.1. Гидравлическое сопротивлениепРиотсутствии жидкой фазы.

5.2. Распределение потерь энергии в массообменной камере и радиальном диффузоре.

5.3. Изменение гидравлического сопротивления в зависимости от нагрузок по фазам

6. Анализ результатов экспериментальных исследований гидродинамики ВРПМА.

раздел 5. Экспериментальное исследование массообменных характеристик ВРПМА.

1. Методика проведения экспериментальных исследований в процессах абсорбции (десорбции) и описание экспериментального стенда.

ВРПМА. Выводы по диссертации Литература.

Условные обозначения

Мв - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую за единицу времени;

Мг - момент количества движения газового потока;

Мг - момент количества движения газового потока при наличии жидкости; момент количества движения жидкой фазы;

Ж-число Маха;

Мр - момент, воспринимаемый "вертушкой"; к - коэффициент массопередачи;

Р - межфазная поверхность;

Цех - площадь входных тангенциальных щелей; с - центробежная сила;

Ь\ - сила сопротивления; рр - усилие, воспринимаемое динамометром;

А- движущая сила процесса; г в - радиус "квазитвердого вращения";

- окружная скорость газа; Уг- радиальная скорость газа; Уг - осевая скорость газа;

У2г - осевая скорость газа в патрубке для отвода газа из рабочей камеры; уг - радиальная скорость газа на входе в рабочую камеру; ¥Гг - радиальная скорость газа в сечении Яг; к0тн" относительная скорость движения жидкости в газовой среде; Гвх - скорость газа в тангенциальных щелях; У-объем; г*- окружная скорость газа при наличии жидкости;

ДКр - относительная окружная скорость газа;

У9 - окружная скорость газа в диффузоре; г- текущее значение радиуса; п - показатель степени; Я - радиус капель;

Цг - радиус отверстия для выхода газа из камеры;

Яь Як- радиус вихревой камеры;

Цр - радиус, на котором происходит распыл; коэффициент сопротивления "сухой" вихревой камеры; коэффициент сопротивления вихревой камеры при наличии жидкой фазы; ЛР - потери энергии в камере; Рп - полное давление; Рст - статическое давление;

Рвх - энергия газового потока на входе в рабочую камеру;

Рг.д. - энергия газового потока на входе в диффузор;

ЛРап- потери энергии в аппарате;

Рз - давление на выходе из диффузора;

Р2 - энергия потока на выходе из камеры; рТ - плотность газа; р. - плотность жидкости;

- коэффициент динамической вязкости газа; Ь - массовый расход жидкости;

Ьвх - массовый расход жидкости, которая подается в аппарат; Ьвых - массовый расход жидкости, которая отводится из аппарата; Ьун - массовый расход жидкости, которая уносится потоком газа; АЪ - относительная величина брызгоуноса;

0 - массовый расход газа; Ог - объемный расход газа;

- объемный расход жидкости;

1Х> Ыу- число единиц переноса по жидкой и газовой фазах; 79, Жг - окружная и радиальная скорости жидкости;

1е - диаметр отверстия сопла; * - диаметр капли жидкости; Яе - число Рейнольдса; с - коэффициент поверхностного нш тя жения; коэффициент динамической вязкости жидкости; у/- коэффициент сопротивления капли жидкости; т - масса выделенного объема

1 - время;

Же - критерий Вебера;

V - коэффициент кинематической вязкости; е - коэффициент вязкости турбулентного потока; - эмпирическая константа;

Сь С2, Сз - постоянные интегрирования; угловая скорость вращения; щ - количество лопастей; коэффициент, который учитывает отклонение реальной картины течения от принятой в расчете; N - число единиц переноса;

Ир - мощность, которая расходуется на распыливание; Цщ - количество тангенциальных щелей;

Д< - диаметр камеры;

В2 - диаметр патрубка отвод газа из камеры;

Бщ - площадь тангенциальной щели;

5 - площадь поверхности капли;

Ищ - ширина тангенциальной щели;

1р - длина плеча "вертушки";

Е* - коэффициент эффективности; ун - начальная концентрация; ук - конечная концентрация; ур - равновесная концентрация;

Уа - количество компонента"А";

- коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах; ¿1, х2 - концентрации компонентзв жидкой фазе на входе и на выходе из аппарата.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы расчета и проектирования вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов»

Энергетический кризис 70-х лет, постоянные требования, которые повышаются к качеству продукции, резкое увеличение стоимости материалов в 80-х, начала 90-х .г.г:, ряд экологических катастроф, обратиливнимание общества и правительств России, Украины, стран СНГ на необходимость -. усиления требований к чистоте промышленных выбросов и возникли проблемы, которые создали предпосылки для появления новых нетрадиционных направлений в развитии массообменного оборудования.

В основном, поиск новых путей развития направлен на создание таких конструкций массообменных аппаратов, в которых эффективность использования рабочего объема повышалась бы в 2-3 раза, а иногда и на порядок, в сравнении с традиционным колонным оборудованием, где используется тарелочные или же насадочные контактные элементы.

Наряду с развитием и улучшением конструкций массообменных ггапаратов идет поиск новых способов организации движения потоков в массообменном оборудовании, при которых становится возможным. проводить высокоэффективные массообменные процессы с одновременным уменьшением габаритов аппаратов и увеличением их производительности. За последние 15.20лет наблюдается возрастание количества публикаций по исследованию вихревых потоков в массообменных аппаратах, а также значительное увеличение числа конструкций разнообразных вихревых Элементов, в которых созданы; условия для контакта газожидкостных сред при вихревом их движении.

Основные работы по исследованию вихревых потоков и разработке новых конструкций таких аппаратов проводят коллективы Московской академии химического машиностроения, Казанского химико-технологического института, Белорусского технологического института.

Львовского политехнического института, Сумского государственного университета, Украинского НИИ химтехнологий (г. Северодонецк), и других организаций.

Выросший интерес к использованию вихревых потоков в массообменной технике объясняется возможностью значительной интенсификации массообменных процессов, которые проводятся в малых объемах рабочих камер аппаратов.

Рассматривая особенности гидродинамики вихревых течений можно выделить два основных фактора, которые дают возможность увеличить скорость массообменных процессов в аппарате.

1. Возможность проводить экономичный мелкодисперсный распыл* жидкой фазы благодаря наличию высоких относительных скоростей фаз. Этим достигается значительное увеличение межфазной поверхности.

2. Создается развитое турбулентное двухфазное течение во всем объеме массообменной камеры, что позволяет увеличить интенсивность внутренних циркуляционных токов в каплях, ускорить процесс возобновления межфазной поверхности.

Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию массообмена и гидродинамики двухфазных газокапельных вихревых потоков при движении газа от периферии к центру, а жидкости от центра к периферии во всем объеме массообменной камеры и определению факторов, которые влияют на эти процессы.

Целью и задачами исследований были: теоретическое обоснование способа массообмена между газом и жидкостью в вихревых потоках газа и капель жидкости, когда капли движутся противотоком к газовому потоку в одной ступени распыла, а также получение теоретически обоснованных уравнений для расчета нового типа вихревых распыливающих цротивоточных массообменных аппаратов; теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамики и эффективности массообмена в вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратах, выявление влияния технологических и геометрических параметров на поле локальных скоростей и давления; разработка способов и I рационального конструирования вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов; разработка новых прогрессивных конструкций массообменного оборудования, в котором используется противоточное вихревое движение газа и капель жидкости; прогнозирование гидравлических и массообменных характеристик ВРПМА.

Научная новизна полученных результатов. На основании теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:

1) получено теоретическое обоснование способа организации движения фаз в противоточных вихревых потоках газа и капель жидкости и установлена зависимость циркуляционных течений в каплях жидкости, которые движутся противотоком к вихревому потоку газа, от гидродинамических характеристик этого потока, установлено их влияние на эффективность массообмена;

2) исследован характер взаимодействия вихревых течений газа и капель жидкости, когда вихревой поток газа движется от периферии массообменной камеры к центру, а капли от центра к периферие;

3) теоретически установлены и усовершенствованы математические зависимости локальных полей скорости и давления от параметров ВРПМА; экспериментально изучены зависимости локальных полей скорости и авления в рабочей камере ВРПМА; получены массообменные характеристики ВРПМА в процессах абсорбции (десорбции) и ректификации;

6) сформулированы основные принципы повышения эффективности и производительности ВРПМА на основе проведенных испытаний новых усовершенствованных конструкций таких аппаратов;

7) разработаны конструкции распылителей для ВРПМА с учетом достижения 1|аиболее эффективного распыления жидкости; 8) обоснованы физическая и математическая модели движения газа и капель жидкости в рабочей камере ВРПМА с точки зрения влияния на циркуляционные течения в каплях, выбраны наиболее благоприятные условия их движения и взаимодействия;

9) усовершенствована методика расчета основных геометрических размеров массообменной камеры ВРПМА, в основу которой положены теоретические I расчеты локальных полей скорости и давления;

10) проведено сравнение эффективности ВРПМА с другими конструкциями оборудования для проведения массообменных процессов с использованием полученных автором данных; . I

1:1) разработана теоретически и экспериментально обоснована методика I

• расчетов гидравлических и массообменных характеристик ВРПМА;

12) предложены основные направления развития и усовершенствования ВРПМА;

13) сформулированы условия, при которых использование ВРПМА является наиболее целесообразным.

Практическое значение полученных результатов. Полученные в п роцессе выполнения нынешней работы результаты реализованы на таких предприятиях и производствах: а) технологический процесс распределения продуктов синтеза бутоксибутенина на Сорском молибденовом комбинате; б) технологический процесс очистки газовых выбросов на Шосткинском АО "СВЕМА"; в) технологический процесс очистки газовых выбросов в цехе • производства аммофоса Сумского ПО "ХИМПРОМ" от фтора и аммиака; г) технологический процесс осушки природного газа, разработанный АО "Вниикомпрессормаш". Суммарный экономический эффект внедрений составляет около 9.6 млн. руб. (по ценам 1991 года).

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Пути усовершенствования, интенсификация и повышение надежности аппаратов в основной химии", Сумы, 1980, 1982, 1989 гг.; Всесоюзной научно-технической конференции "Современные машины и аппараты химических I производств" г. Чимкент, 1980 г.; Всесоюзная научно-техническая конференция по теории и практике ректификации, г. Северодонецк, 1984 г.;, Всесоюзная научно-техническая конференция "Повышение эффективности усовершенствования процессов и аппаратов химических производств" г. Харьков, 1985 г.; Всесоюзная научно-техническая конференция "Повышение эффективности машин и аппаратов основной химии" г. Сумы, 1986 г.; УП Всеукраинская конференция "Повышение эффективности, усовершенствование процессов и аппаратов химических производств" г. Львов, 1989 г.; Выездное заседание научно-технической комиссии по массообменной колонной аппаратуре ГК СССР по науке и технике г. Сумы, 1984 г.; Всесоюзная научно-техническая конференция "Использование аппаратов "мокрого типа" для очистки вредных газовых выбросов" г. Москва, 1985 г.; Всесоюзная научно-техническая конференция "Работы в. Области разработки массообменных процессов" г. Северодонецк, 1989 г.; научно-техническая конференция Сумского физико-технологического института г. Сумы, 1991 г.; Всесоюзная научно-техническая конференция по ректификации г. Северодонецк, 1991 г.; Научно-техническая конференция Сумского государственного университета, г. Сумы, 1995, 2000 гг. Материалы диссертации докладывались на 2 всеукраинских, 11 всесоюзных и 3 региональных конференциях совещаниях и семинарах.

Публикации. Содержание диссертационной работы было опубликовано в 49 печатаных работах, в том числе в 27 журнальных статьях, которые опубликованы в ведущих научно-технических журналах и 18 из них автор опубликовал лично без соавторов. Получено 5 авторских свидетельств об й зобретениях. Материалы диссертации использованы в 4 регламентах и отчетах НИР.

Краткий литературный обзор охватывает базовые конструкции распиливающих и вихревых массообменных аппаратов, в которых осуществляется распыл жидкости на капли высокоскоростным газовым потоком и движение капель жидкости и газа в зоне контакта. Рассмотрены основные способы описания движения двухфазных газокапельных потоков и возможность применения существующих методик к расчету гидродинамических параметров ВРПМА, теоретические зависимости которые описывают движение вихревого газового потока в вихревых камерах разнообразных конструкций. Выявлены основные отличия движения фаз в вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратах (ВРПМА) и конструкциях массообменных аппаратов, в которых использовались вихревые потоки.

Обзор существующих способов массообмена в вихревых потоках и конструкций аппаратов, которые реализуют эти способы, описание которых проводится в первом разделе настоящей работы, показывают, что обычно в вихревых аппаратах имеет место перекрестное или прямоточное движение фаз, что дает возможность получить около одной теоретической ступени изменения концентрации в одной ступени распыления. Противоточные вихревые аппараты со многими ступенями, которые включают вихревые элементы, работают при противоточном движении фаз в целом по аппарату. На каждой ступени осуществляется прямоточное или перекрестное движение <$аз.

Во втором разделе изложены основные теоретические предпосылки интенсификации массообмена между каплями и газом при их противоточном ' вихревом движении. Установлена взаимосвязь между гидродинамическими параметрами газа, которые влияют на капли жидкости, движущиеся противоточно, в относительном движении, и интенсивностью внутреннего радиального течения жидкости в каплях, а также связь между гидродинамическими параметрами вихревого газового потока и интенсивностью массообмена. Третий раздел посвящен теоретическому исследованию движения одно ц двухфазного потоков в рабочей камере ВРПМА. Показана возможность создания плоского вихревого потока газа в массообменной камере. Путем решения уравнений движения вязкого газа получены формулы для расчета полей скорости и давления в потоке газа вдоль радиуса рабочей камеры," ' определена степень влияния жидкой фазы на гидродинамические параметры ВРПМА.

В четвертом разделе изложены результаты экспериментального исследования гидродинамических характеристик ВРПМА. Исследования проводились на трех стендах, которые отличались как величинами геометрических размеров массообменных камер и их соотношением, так и конструкцией распылителей, отводов и вводов газа, отводов жидкости, н аличием радиального диффузора и другими особенностями. В результате проведенного комплекса экспериментальных исследований получены данные, подтверждающие выводы изложены в предыдущих разделах, которые дают возможность создать теоретически • обоснованную методику расчета гидродинамики и основных геометрических размеров массообменной камеры ВРПМА, наметить пути дальнейшего усовершенствования вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов.

Пятый раздел посвящен экспериментальным исследованиям массообменных характеристик ВРПМА в процессах ректификации и Десорбции (абсорбции). Эксперименты проводились на полупромышленном стенде, где разделялась смесь метанол-вода, и на стенде с разнообразными конструкциями ВРПМ, где массообменные характеристики определялись по результатам десорбции углекислого газа. Полученные экспериментальные Данные подтвердили высокую эффективность ВРПМА и дали возможность получить критеральные уравнения для расчета массообменных характеристик.

В шестом разделе приведен экономический анализ целесообразности применения ВРПМА, основанный как на экспериментальных исследованиях автора, так и на сравнении массообменных и гидродинамических характеристик с другими типами контактных устройств, который позволяет обосновано подходить к выбору конструкции ВРПМА при тех или иных условиях его эксплуатации. На основании обобщения всех результатов исследований даны рекомендации по рациональному конструированию ВРПМА, определению оптимальных условий его эксплуатации и расчета основных геометрических размеров, гидродинамических и массообменных характеристик.

Поставленная задача по исследованию противоточного вихревого движения газа (пара) и капель жидкости в одной ступени распыления преследовала своей целью создание способа противоточного массообмена и конструкций высокоэффективных массообменных аппаратов, при котором осуществляется противоточное свободно - вихревое движение фаз во всем с|бъеме массообменной камеры и достигается изменение концентрации фаз соответствующее нескольким теоретическим ступеням изменения I концентрации. Такая организация потоков даст возможность проводить массообменные процессы в меньших объемах, снизить количество ступеней и габариты аппаратов, уменьшить материалоемкость оборудования и расход флегмы в процессе ректификации, что приводит к большой экономии материалов и энергоресурсов.

Настоящая работа есть первой теоретической работой, которая дает математическое описание двухфазного противоточного движения вихревых потоков во всем объеме рабочей камеры, и, наряду с созданием высокоэффективных конструкций аппаратов, много внимания уделено проблемам исследования разнообразных факторов, которые сдерживают пшрокое внедрение способа массообмена при противоточном движении вихревых потоков. Уделялось также внимание описанию и разработке перспективных конструкций для выявления возможных путей развития противоточных вихревых массообменных аппаратов.

Кроме этого, впервые уделяется внимание открытому эффекту, который основывается на действии высокоскоростного газового потока на внутренние течения в каплях жидкости движущихся противотоком вихревому потоку газа вдоль радиуса массообменной камеры.

На защиту выносятся: способ взаимодействия вихревых потоков газа и капель жидкости в аппаратах ВРПМА и теоретическое обоснование способа осуществления такого взаимодействия; теоретические исследования зависимости локальных полей скоростей и давления от геометрических и Технологических параметров ВРПМ; теоретические исследования влияния параметров вихревого газового потока на внутренние циркуляционные токи в каплях, которые движутся противотоком газу вдоль, радиуса вихревой массообменной камеры, и зависимость интенсивности массообмена от такого взаимодействия; экспериментальные данные локальных полей скорости и давления и зависимость их от технологических параметров ВРПМА; математическая модель движения газа и капель в рабочей камере ВРПМА; уравнение расчета гидродинамики, эффективности и геометрических