Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Применение дизельных топлив с депрессорными присадками в условиях отрицательных температур
1.2. Влияние кавитационных (волновых) воздействий на интенсификацию массообменных процессов
1.3. Гидродинамические аппараты 27
1.3.1. Способы создания кавитации 27
1.3.2. Гидродинамические аппараты 34
2. Разработка методики расчёта кавитационных гидродинамических аппаратов
2.1. Кавитация - как интенсификатор в процессах нефтехимии 45
2.2. Определение гидродинамических характеристик аппарата 48
2.3. Методика расчёта гидродинамических роторных аппаратов 59
Основные выводы 96
Список использованной литературы 97
Приложения 104
- Применение дизельных топлив с депрессорными присадками в условиях отрицательных температур
- Гидродинамические аппараты
- Кавитация - как интенсификатор в процессах нефтехимии
- Методика расчёта гидродинамических роторных аппаратов
Введение к работе
В новых экономических условиях значительно усложнились задачи, стоящие перед отечественной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностями, практически по всем направлениям её развития, и кроме того, возникли новые задачи, продиктованные переходом экономики страны на рыночные отношения, а также геополитическими изменениями территории страны, коммерциализацией топливно-энергетического комплекса.
Несмотря на трудности переходного периода, обеспечение экономической безопасности России требует дальнейшего научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности, что во многом зависит и от решения вопросов интенсификации производства и повышения качества продукции в нефтехимических отраслях её. Важное значение приобретают исследования, направленные на разработку эффективных методов интенсификации нефтехимических процессов, а также на создание технико-экономических методов расчета и оптимального выбора нефтехимической аппаратуры, которая должна обеспечить высокую экономическую эффективность производства при высоком качестве продукции.
Во всех химико-технологических производствах имеются процессы, связанные с подготовкой сырья, химического превращения, процессов разделения, смешения, фазовых переходов, процессов переноса вещества, тепла, импульса и т.д. Для решения этих задач в различных производствах, связанных с нефтехимией, широко используются различные аппараты (абсорберы, ректификационные колонны, смесители и т.д.), в которых осуществляются гидродинамические, массообменные, тепловые и химические процессы. Это оборудование достаточно сложно в изготовлении, имеет большую металлоёмкость, а протекающие в нём процессы требуют больших затрат электрической, тепловой и механической энергии.
Волновые воздействия, если их применять в различных химико-технологических процессах, повышают её эффективность и дают возможность
создавать более компактные аппараты. Энергия потока обрабатываемой жидкости бывает достаточной для создания эффективного кавитационного режима. Учитывая, что последние годы стоимость энергии резко возрастает, разработка более экономичных конструкций и перспективных технологий на принципах кавитационно-волновых воздействий очень актуальна.
Работа выполнена в соответствии с Координационным планом АН СССР по направлению «Теоретические основы химической технологии», Координационным планом Проблемною Совета АТН РФ «Интенсификация массообменного оборудования в процессах нефтепереработки и нефтехимии», Комплексной научно-технической программой МинВУЗа РСФСР п.599 от 15.10.81г.
Основной целью диссертационной работы является разработка энергосберегающих технологий и аппаратов на принципах волнового воздействия для процессов смешения различных систем.
Цель достигается изучением влияния волновых воздействий на системы жидкость - жидкость, разработкой методики расчёта гидродинамических аппаратов, созданием новых аппаратов для реализации различных механизмов создания волнового поля и разработкой технологических процессов с учетом кавитационно-волновых эффектов.
Автор выражает искреннюю благодарность к.т.н. Ланину И.П., научному консультанту, и д.т.н. Теляшеву Г.Г. за оказание помощи при выполнении разделов диссертации по разработке технологических схем и реализации их на предприятиях.
Применение дизельных топлив с депрессорными присадками в условиях отрицательных температур
Дизельное топливо предназначается для быстроходных дизельных и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники. Условия смесеобразования и воспламенения топлива в дизелях отличаются от таковых в карбюраторных двигателях. Преимуществом первых является возможность осуществления высокой степени сжатия (до 18 в быстроходных дизелях), вследствие чего удельный расход топлива в них на 25-30% ниже, чем в карбюраторных двигателях. В то же время дизели отличаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами, меньшей мощностью. Исходя из более экономичной и надёжной работы, дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.
Основные требования, предъявляемые потребителями к дизельному топливу, следующие: - цетановое число, определяющее высокие мощностные и экономические показатели работы двигателя; - фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработанных газов двигателя; - вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу топлива, распыливания в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования; - низкотемпературные свойства, определяющие функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей среды; - степень чистоты, характеризующая надёжность и долговечность работы системы фильтрования топливной аппаратуры и цилипдропоршневой группы двигателя; - температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива на дизелях; - наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износы.
Цетановое число - основной показатель воспламеняемости дизельного топлива. Оно определяет запуск двигателя, жёсткость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработанных газов. Чем выше цетановое число топливо, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жёстко работает двигатель. Однако с повышением цетанового числа топлива сверх оптимального, обеспечивающего работу двигателя с допустимой жёсткостью, ухудшается его экономичность в среднем на 0,2-0,3% и дымность отработанных газов на единицу цетанового числа повышается на 1-1,5 единицу Хартриджа. [1]
Цетановое число топлив зависит от их углеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают нормальные парафиновые углеводороды, причём с повышением их молекулярной массы оно повышается, а по мере разветвления - снижается. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых цепей; ароматические углеводороды с боковыми цепями имеют более высокие цетановые числа и тем больше, чем длиннее боковая парафиновая цепь. Непредельные углеводороды характеризуются более низкими цетановыми числами, чем соответствующие им по строению парафиновые углеводороды. Нафтеновые углеводороды обладают невысокими цетановыми числами, но лучшими, чем ароматические углеводороды. Чем выше температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит почти линейный характер; лишь для отдельных фракций цетановое число может снижаться, что объясняется их углеводородным составом.
Цетановые числа дизельных топлив различных марок, вырабатываемых отечественной промышленностью, характеризуются следующими значениями:
Оптимальным цетановым числом дизельных топлив является 40-50. Применение топлив с цетановым числом 40 приводит к жёсткой работе двигателя, а 50 - к увеличению удельного расхода топлива за счёт уменьшения полноты сгорания. Летом можно успешно применять топлива с цетановым числом, равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя требуется цетановое число 45. В то же время топлива с температурой застывания ниже -45С характеризуются цетановым числом =40. Хорошие низкотемпературные свойства достигаются несколькими способами: за счёт существенного облегчения фракционного состава (температура конца кипения 300-320С вместо 360С), проведения депарафинизации топлива (извлечения Н-парафиновых углеводородов), переработкой нафтено-ароматических нефтей с малым содержанием Н-парафиновых углеводородов, при этом во всех случаях снижается цетановое число.
Известны присадки для повышения цетанового числа дизельных топлив -изопропил - или циклогексилнитраты. Они допущены к применению, но их вводят (в частности, изопропилнитрат) в крайне ограниченных количествах для повышения цетанового числа с 38 до 40, так как при этом понижается температура вспышки и повышается коксуемость топлива.
Установление оптимальных цетановых чисел имеет большое практическое значение, поскольку с углублением переработки нефти в состав дизельного топлива будут вовлекаться лёгкие газойли каталитического крекинга, коксования и фракции, обладающие относительно низкими цетановыми числами. Бензиновые фракции также имеют низкие цетановые числа, и добавление их в дизельное топливо всегда заметно снижает цетановое число последнего.
Гидродинамические аппараты
Под кавитацией, в общем смысле слова, понимают появление в капельной жидкости областей (каверн), заполненных парами или газами, выделившимися из жидкости.[28].
Слово кавитация происходит от латинского глагола cavo - cavare - делать пустым, т.к. при кавитации происходит разрыв сплошности в некоторых участках потока движущейся капельной жидкости. Разрыв возникает в тех участках потока, где в результате перераспределения давления, обусловленного движением жидкости, происходит значительное местное понижение давления. [29].
Кавитация относится к нестационарным явлениям, т.к. она представляет процесс возникновения, роста и схлопывания каверн.
Обычно явление кавитации происходит в тех случаях, когда абсолютное давление в какой-нибудь области капельной жидкости упадет ниже некоторого критического значения давления (Ркав), при котором возникают разрывы сплошности жидкости и образуются каверны, заполненные парами или газами. Объяснение этому явлению в 1894 г. дал Рейнольде, а само явление Фруд назвал кавитацией.[28]. Часто давление (Ркав) совпадает с давлением насыщенных паров жидкости (Рн) при данной температуре и возникновение кавитации может трактоваться как явление вскипания жидкости или понижение давления. Кавитация может возникать в жидкостях, находящихся как в состояние покоя, так и в движении, при этом она наблюдается не только в объёмах жидкости, удаленных от твердых границ (поверхностей), но и на самих границах.
Явление кавитации связывают со своеобразным молекулярным механизмом в жидкостях приводящей к характерным для них капиллярными свойствам, возникающим на границе раздела двух различных жидкостей, а также жидкости и твердого или газообразного тела.[30].
Различают кавитацию гидродинамического и акустического происхождения.
Акустические волны, которые распространяются в жидкости, могут привести к возникновению кавитации. В этом случае причиной разрывов в жидкости являются переменные давления, создаваемые в объеме жидкости в основном источником ультразвуковых колебаний.[28].
При гидродинамической кавитации парогазовые пузырьки могут достигать больших размеров (порядка нескольких сантиметров), а акустическая кавитация характеризуется весьма малыми размерами образующихся пузырьков (порядка 10" - 10" см). При создании низкочастотных акустических полей (порядка десятка герц) получены кавитационные пузырьки размером около 1 см.[31].
Явление акустической кавитации связано главным образом с тем, что жидкости, легко «переносят» очень большие всесторонние сжатия, но чрезвычайно чувствительны к растягивающим напряжениям. При прохождение фазы волны создающей разряжение, жидкость рвется, ив ней образуется очень большое количество разрывов в виде мельчайших пузырьков. Эти пузырьки появляются в тех местах, где прочность жидкости ослаблена: таким местами являются маленькие пузырьки газа, частицы посторонних примесей и др. маленькие полости (каверны) совершают пульсирующие колебания, вокруг них образуются сильные микро потоки и все это приводит к активной местной турбулизации среды. После кратковременного существования этих пузырьков, часть из них захлопывается и вокруг развиваются большие местные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер, наблюдается также местное повышение температуры и электрические разряды. Необходимая для развития кавитации интенсивность ультразвука зависит от частоты колебаний и от природы жидкости. [32].
Воздействие упругих колебаний звукового и ультразвукового диапазона частот на вещество и на течение различных реакций и процессов связывается с явлением кавитации, звукового давления и звукового ветра. Но нам более важным из перечисленных явлений, возникающим при акустическом воздействии является кавитация. Акустический излучатель не только приводит прилегающие к нему частицы той или иной среды в колебательное движение относительно их положения равновесия, но и вызывает постоянное их смешение.
Звуковой ветер (акустическое течение) имеет вихревой характер, проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию среды, что в значительной мере ускоряет ряд нефтехимических процессов.[33]. Если понижение давления, при котором образуются разрывы сплошности, происходит вследствие возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, кавитацию называют гидродинамической.[28]. Явление кавитации в гидравлических системах и устройствах возникает прежде всего в тех местах, где поток претерпевает местное сужение с последующим расширением, например в запорных и регулирующих органах, диафрагмах, коленах, отводах и других элементах трубопроводов и машин при течении всех капельных жидкостей, в том числе и жидких металлов. В отдельных случаях возникновение кавитации возможно также и без расширения потока, например в трубах постоянного сечения при течении с высокой скоростью жидкости, нагретой до температуры, близкой к температуре насыщенных паров, а также вследствие гидравлических ударов. Многочисленными исследованиями [34,35,36] установлено, что на возникновение кавитации в основном влияют следующие факторы: ? сопротивление жидкости растягивающим напряжениям; ? содержание растворенного газа в жидкости и так называемых ядер кавитации (т.е. субмикроскопических скоплений газа от 0,1 до 10 мкм); ? некоторые физические и термодинамические свойства жидкости (поверхностное натяжение, давление насыщенных паров, вязкость и др.); время прохождения жидкости через зону пониженного давления. Кавитационные явления в местных сопротивлениях могут быть подразделены на два основных типа: профильную (или поверхностную) и срывную (или отрывную).[28].
Кавитация - как интенсификатор в процессах нефтехимии
Основная тенденция современной нефтепереработки и нефтехимии -создание крупнотоннажных и комбинированных установок на базе аппаратов и агрегатов большой мощности. Значительное расширение ассортимента нефтепродуктов и дальнейшее повышение требований к их качеству обусловило необходимость использования в химической технологии таких процессов как ректификация, абсорбция, экстракция, адсорбция, сушка, отстаивание, фильтрование, смешение и др.
Осуществление столь разнообразных процессов при переработке нефти и газа потребовало применения аппаратуры, работающей в широком интервале изменения рабочих параметров. Так, например, температуры могут составлять от -60С (кристаллизация) до 800-900С (пиролиз), а давления - от глубокого вакуума (переработка тяжёлых нефтяных остатков) до 150 МПа (производство полиэтилена). [48]
Это предъявляет высокие требования к расчёту аппаратуры, конструированию и обоснованию рабочих параметров процесса. При этом необходимо опираться на открытия, научные основы, опыт.
В основу классификации основных процессов могут быть положены разные принципы, однако, ввиду большого разнообразия этих процессов представляется наиболее целесообразным классифицировать их по способу создания движущей силы процесса. В связи с этим основные процессы химической технологии можно разделить на следующие классы: массообменные или диффузионные, гидродинамические или гидромеханические, механические, тепловые и химические. [48] Все основные процессы могут протекать только под действием некоторой движущей силы, которая для гидромеханических процессов определяется разностью давлений, для теплообменных - разностью температур, для массообменных - разностью концентраций вещества и т.д.
Интенсивность процесса всегда пропорциональна движущей силе Д и обратно пропорциональна сопротивлению R, которое является величиной, обратной коэффициенту скорости процесса. Уравнение (2.1.) можно записать:
Из уравнений (2.1.) или (2.3.) можно определить рабочую поверхность или рабочий объём аппарата по известным остальным величинам, входящим в уравнение. Из уравнения (2.3.) также видно, что уменьшение сопротивления процесса ведёт к интенсификации технологического процесса.
Существующие теории процесса массопередачи утверждают, что для увеличения величины К (коэффициент массопередачи), нужно создать возможно более высокую турбулизацию потоков. Турбулизация потока ведёт к смешиванию компонентов и диспергированию, на чём основана работа мешалок, гидродинамических аппаратов, что благоприятно оказывает влияние на процесс массопередачи. [49]
Степень турбулентности характеризуется отношением инерционных сил к силам вязкого трения, получивших название числа Рейнольдса, [49]
Значительные силы и течения возникают при кавитации жидкости. Теоретически при отсутствии ядер жидкость может выдержать отрицательное давление или напряжение порядка тысячи атмосфер. Но в жидкости всегда присутствуют микровключения в виде растворённого газа или твёрдых частиц. Поэтому величина отрицательного давления, при котором возникает кавитация, исчисляется несколькими атмосферами. При достижении давления ниже давления насыщенных паров начинается расширение газа в зародыше или рост пузырька, а при падении его в зону с высоким давлением - схлопывание. При этом внутри него возникают высокие давления и температуры. Поэтому кавитация является мощным интенсификатором процессов нефтехимической технологии.
Различают гидродинамическую и акустическую кавитацию. Акустическую кавитацию (возникает при прохождении звуковой волны большой интенсивности) называют ещё разрывной. Разрывная кавитация наиболее активна и для неё характерны такие эффекты как сонолюминесценция, химическая активность и т.д. Акустическая кавитация может воздействовать на интенсивность химико-технологических процессов не только через эффекты второго порядка (кавитация), но и через эффекты первого порядка - частоту, интенсивность и скорость колебаний или даже разрушение пограничного слоя жидкости. [19]
Гидродинамическая кавитация, обусловленная сильным локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей, вызывает турбулизацию и диспергирование потока жидкости, что в свою очередь ведёт к интенсификации технологических процессов.
Методика расчёта гидродинамических роторных аппаратов
К основным показателям, характеризующим работу любого аппарата, относят подачу Q, давление Р, напор Я, коэффициент полезного действия ц. Подача характеризует степень переноса вещества из одной фазы в другую в единицу времени. Коэффициент полезного действия является показателем, характеризующим любой аппарат с точки зрения экономичности его работы.
Для волновых аппаратов КПД можно представить как отношение энергии, затраченной на осуществление технологического процесса, к энергии жидкости, создаваемой лопатками ротора и питающим устройством.
Также в работе [52] показано определение гидромеханических свойств аппарата через дифференциальное уравнение Эйлера - истечения идеальной жидкости, которое для одномерного случая имеет вид где Si - средняя площадь отверстия ротора и статора за один акт перекрытия, когда ширина отверстий разная, а высота одинаковая; ах - наименьшая ширина отверстий ротора и статора, м\ аг - наибольшая ширина отверстий ротора и статора, м\ w угловая скорость ротора, с ; R - радиус ротора, м\ h - высота отверстий ротора и статора.
В своей работе авторы [51] также получили выражение Указанную величину также назвали «гидромеханический модуль аппарата».
Из сравнения (3.13.) и (3.15.) можно сказать, что они качественно имеют одно и то же значение. А выражения (3.13.) и (3.14.) отражают гидромеханические свойства аппарата и могут быть приняты для их качественной оценки.
Таким образом, под модулем будем понимать параметр, характеризующий величину растягивающих напряжений, возникающих в жидкости при её прохождении через модулирующие элементы аппарата. 3. Применение гидродинамических аппаратов в процессах смешения жидкостей.
В ряде современных процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности в качестве реагента или катализатора применяются серная кислота или олеум, при этом наряду с ценными продуктами образуются нежелательные отходы производства - отработанные серные кислоты и кислые гудроны.
Сложный состав сернокислотных отходов и значительные отличия в физико-химических свойствах, высокая реакционная и коррозионная активность, способность сернокислотных отходов при умеренных температурах разлагаться с выделением сернистого ангидрида, полимеризоваться и коксоваться требует применения дорогих кислотоупорных материалов, особых условий хранения, разработки специальных устройств и технологических приемов, что в конечном итоге приводит к созданию довольно сложных технологических процессов.
В настоящее время существует много направлений утилизации сернокислых отходов. Наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом получили процессы высокотемпературного расщепления сернокислотных отходов и других серосодержащих видов сырья.
Процессы высокотемпературного расщепления отработанной серной кислоты и кислого гудрона от олеумной очистки жидких парафинов успешно эксплуатируется на нефтеперерабатывающих заводах с получением товарной серной кислоты. В настоящее время проводятся интенсивные исследования по совершенствованию отдельных стадий и узлов процесса, разрабатываются новые конструкции печей, контактных аппаратов, форсунок, теплообменной аппаратуры, улучшается технология промывного отделения, при этом исключается сброс слабых кислот, разрабатываются высокоактивные низкотемпературные и термостойкие катализаторы окисления, способные работать в широком диапазоне температур и не теряющие активность при температуре 600 С, ведется поиск возможностей интенсификации стадии горения за счет применения катализаторов и обогащения воздуха кислородом.
Эти процессы экономически выгодно применять на крупных нефтеперерабатывающих заводах, строя высокопроизводительные установки по переработке отработанных серных кислот и кислого гудрона, используя одновременно сероводород, образующийся в процессах нефтепереработки, В этом случае можно получать избыток товарной серной кислоты.
Учитывая исключительную важность проблемы экономии энергоресурсов и необходимость дальнейшего повышения стабильности работы установок высокотемпературного расщепления перед учеными, проектировщиками и специалистами предприятий стоят серьезные задачи по полной утилизации отходов за счет применения котлов-утилизаторов, совершенствования теплообменных систем, а также по подбору насосов и других гидродинамических аппаратов устойчивых к действию слабых кислот, увеличивающих интенсивность процессов перемешивания, диспергирования компонентов.
На Ново-Уфимском нефтеперерабатывающем заводе, на установке термовосстановления серной кислоты совместно с д.т.н. Теляшевым Г.Г. был испытан и внедрец гидродинамический кавитационный смеситель.
Одним из направлений углубления переработки нефти является полное использование сырья путем максимальной утилизации неиспользованных производственных отходов. Несмотря на развитие селективных методов очистки, серная кислота все еще в больших количествах применяется для очистки светлых дистиллятов, некоторых масляных фракций и парафина.
Различают два вида сернокислотных отходов: отработанная серная кислота и кислые гудроны. Отходы сернокислотной очистки и в первую очередь кислые гудроны можно обоснованно считать резервами производства нефтеперерабатывающей промышленности. Эти резервы до настоящего времени используются недостаточно, не всегда рационально или вообще не используются, и тогда сернокислотные отходы являются обременительным балластом производства.
Отсутствие рациональных способов утилизации сернокислотных отходов, сложность их транспортирования и хранения, а в ряде случаев недостаточная мощность по их переработке приводят к тому, что сернокислотные отходы сбрасывают в специальные пруды (отвалы), загрязняя окружающую среду.
В настоящее время, когда речь идет об усилении борьбы с загрязнением окружающей среды, есть необходимость проектировать и строить производства комплексного использования сырья, широкого внедрения замкнутых безотходных технологических схем с полной переработкой полупродуктов и отходов производства, важнейшей задачей промышленности является полная ликвидация сбросов сернокислотных отходов в открытые пруды, сведения их образования к минимуму и организации их вторичного использования.
