Введение к работе
Актуальность темы. Тепло- и массообменное оборудование для системы «газ (пар)-жидкость» широко используется в технологиях по переработке биомассы дерева, включающих в себя облагораживание и аэрацию гидролизатов древесины, очистку газовых и паровых потоков, водных стоков и рабочих жидкостей, получение этанола, биотоплива и других продуктов ректификации, охлаждение, испарение, концентрирование сред, конденсацию паро-газовых потоков, гашение устойчивых пен, центробежное осаждение и т. д.
Однако вследствие большой загрязненности рабочих сред, наличия низких скоростей потоков в установках, а также недостаточно высокой интенсификации протекающих в них процессов, не всегда при использовании стандартного оборудования удается достигнуть существенного снижения капитальных и текущих затрат, получить конкурентно способную продукцию при внедрении технологий.
Большими перспективами при совершенствовании тепло- и массообменного оборудования обладают вихревые контактные ступени, обеспечивающие устойчивый газо-жидкостный слой, с развитой межфазной поверхностью, устраняющие застойные зоны и унос капель жидкости из зоны контакта. Например, при производстве этанола из гидролизатов древесины 60 % пара от его общего расхода затрачивается на проведение ректификации в бражных колоннах. Большой расход энергозатрат вызван как низкой концентрацией этанола в питании, так и несовершенством используемых контактных ступеней, которые из-за наличия застойных зон забиваются отложениями и теряют работоспособность, а из-за низкой скорости потоков газа и жидкости имеют большие габариты и высокую металлоемкость. Использование вращающихся потоков на тарелках позволяет устранить указанные недостатки, а установка вихревого испарителя в линии подачи пара в бражную колонну обеспечит снижение расхода теплоносителя.
Вихревые контактные ступени востребованы, например, в скрубберах при очистке больших потоков газовых выбросов с низкой концентрацией вредных компонентов, на очистку которых требуются большие расходы абсорбента, достигающие 1000 м3/ч и более, а также в абсорберах при переработке промышленных сред. Перспективны вихревые ступени для совершенствования воздушных конденсаторов и дефлегматоров ректификационных установок, позволяющие, вследствие интенсификации теплоотдачи со стороны воздуха, не только снизить габариты оборудования, но и уменьшить расход теплоносителя.
Наиболее предпочтительными для создания вращения фаз на ступени являются контактные устройства тангенциального типа, отличающиеся простотой конструкции, высокой производительностью по жидкости. Однако известные контактные устройства и вихревые контактные ступени на их основе, реализующие большие расходы по жидкости, не совершенны и, в основном, находятся на уровне патентных разработок. Вследствие чего требуются всесторонние исследования вихревых контактных ступеней как в плане их конструирования и расчета, так и совершенствования, применительно к оборудованию, установленному в технологиях по переработке биомассы дерева.
Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности гидродинамики, тепломассопереноса во вращающемся газо-жидкостном слое рабочих и модельных сред.
Объект исследования. Объектом исследования являются вихревые контактные устройства и ступени, применительно к совершенствованию оборудования, установленного в технологических линиях.
Цель и задачи исследования: Разработка вихревых контактных ступеней для совершенствования тепло- и массообменного оборудования, используемого в технологических линиях по переработке биомассы дерева.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи:
- разработать и исследовать варианты вихревых контактных устройств (завихрителей) и выявить наиболее эффективные из них;
- на основе выбранных контактных устройств разработать вихревые контактные ступени и изучить их параметры, включающие: пропускную способность, режимы течения, гидравлическое сопротивление, газосодержание, межфазную поверхность, диаметр пузырьков газа, угловую скорость вращающегося газожидкостного слоя;
- исследовать массоотдачу в газо-жидкостном слое, разработать конструкцию вихревой ступени бражной колонны, получить зависимости, необходимые для расчета и масштабирования;
- исследовать теплоотдачу при кипении и нагревании рабочих сред, во вращающемся газо-жидкостном слое и предложить конструкции вихревого испарителя, вихревого конденсатора и дефлегматора бражной колонны;
- оценить технико-технологические показатели усовершенствованного оборудования, установленного в технологических линиях при получении этилового спирта-ректификата на основе гидролизата древесины, а также в канифольно-терпентинном производстве.
Научная новизна: Предложен новый подход к организации течения вращающейся газо-жидкостной смеси на ступенях тепломассообменного оборудования, в том числе и для бражной колонны, исключающий образование застойных зон и несмоченных участков в зоне контакта.
Изучены гидродинамические параметры новых вихревых контактных устройств и ступеней, включающие: пропускную способность, режимы течения, гидравлическое сопротивление, газосодержание, межфазную поверхность, диаметр пузырьков газа, угловую скорость вращающегося газожидкостного слоя (также получены зависимости для их определения, учитывающие физические параметры рабочих сред).
Впервые исследована массоотдача в газо-жидкостном слое на вихревых ступенях, найдены критериальные уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи и зависимости для определения эффективности. Установлено, что интенсивность массоотдачи во вращающемся слое превышает значения, полученные на ступенях ректификационных и абсорбционных колонн барботажного типа, в 2 раза.
Впервые изучена теплоотдача при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое, получена зависимость для расчета величины коэффициента теплоотдачи, а также предложено в качестве теплового насоса бражных колонн использовать вихревой испаритель. Достигнуто увеличение интенсивности теплоотдачи при кипении во вращающемся слое (в сравнении с барботажным режимом) в 1,7 раза.
Практическая значимость: Разработаны конструкции вихревых контактных устройств и ступеней применительно к аппаратам, установленным в технологических линиях переработки биомассы дерева, обеспечивающие работоспособность на загрязненных рабочих средах, снижение габаритов и металлоемкости оборудования. Предложены конструкции вихревой ступени бражной колонны, вихревого испарителя и конденсатора, пригодные к эксплуатации при наличии высокотемпературных теплоносителей, больших нагрузках по жидкости и газу. Получены патенты на конструкции вихревой контактной ступени тепломассообменной колонны и дефлегматора бражной колонны.
Положения, выносимые на защиту: В рамках специальности 05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 17 – Оборудование, машины и аппараты и системы автоматизации химической технологии биомассы дерева) на защиту выносятся:
- разработанные вихревые контактные ступени и усовершенствованное на их основе оборудование, установленное в технологических линиях при получении этилового спирта-ректификата на основе гидролизата древесины, и в канифольно-терпентинном производстве;
- критериальные и графические зависимости для определения основных характеристик вихревых контактных ступеней; а также данные, обеспечивающие масштабирование и расчет разработанных конструкций вихревой ступени бражной колонны, вихревого испарителя, дефлегматора и конденсатора;
- технико-технологические показатели вихревых аппаратов, рассчитанные для объектов, установленных в технологических линиях переработки биомассы дерева.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных научно-технических конференциях: «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах (ЭПАХПП)» (Воронеж, 2011), «Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии» (Москва, 2011); всероссийских научно-практических конференциях: «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2011); «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2010), «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 9 статей в рецензируемых научных журналах и 2 патента Российской Федерации, 1 положительное решение на выдачу патента.
Вклад автора: Планирование и проведение экспериментов по исследованию гидродинамических параметров, тепломассообмена; обработка и анализ результатов; участие в проектировании лабораторного оборудования; подготовка публикаций.
Структура работы. Диссертация изложена на 137 страницах, содержит 25 таблиц, 67 рисунков, 7 приложений, включает введение, четыре главы, выводы и список использованных источников в количестве 127 наименований.
