Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Турбулизация потока в трубчатых аппаратах как: способ повышения эффективности смешения компонентов
1.1. Целесообразность использования'малогабаритных трубчатых турбулентных аппаратов в химической технологии 11
1.2. Возможные схемы малогабаритных трубчатых аппаратов 16
1.3. Схемы турбулизаторов и их эффективность 26
1.4. Турбулизация потока в каналах типа диффузор-коыфузор 29
1.5. Роль отрывной зоны в турбулизации потока в трубах. 31
1.6. Сравнение экспериментального, теоретического и численного подходов для решения задач гидродинамики 36
1.7. Численное моделирование турбулентных течений с помощью коммерческих пакетов программ 41
1.8. Методы численного решения задач математической физики 45
1.9. Численное исследование течений в трубчатых турбулентных реакторах диффузор-конфузорного типа 47
Глава 2. Система уравнений движения бинарной смеси 51
2.1. Основные упрощающие допущения 51
2.2. Система уравнений 56
2.3. Метод пристеночных функций (закон стенки) 60
Глава 3. Численное решение задач о турбулентном течении вязкой несжимаемой жидкости в осесимметричных каналах 64
3.1. Выбор метода решения краевых задач 64
3.2. Алгоритм и программа расчета осесимметричных турбулентных течений вязкой несжимаемой жидкости 65
3.3. Описание алгоритма и программы CANAL 68
3.4. Тестирование и настройка программного комплекса CANAL 70
3.5. Тестирование программы 73
Глава 4. Исследование влияния способов подвода компонентов, геометрической формы элементов МТТА, физических свойств компонентов и режимов движения на качество смешения 82
4.1. Влияние способа организации смешения и формы турбулизаторов 84
4.2. Многозонный подвод второго компонента.(подвод второго компонента через центрально-расположенную трубку) 92
4.3. Влияние профиля образующей в окрестности горловины 96
4.4. Влияние физических свойств компонентов 99
4.4.1. Отношение плотностей компонентов 99
4.4.2. Отношение коэффициентов вязкости 104
4.4.3. Число Шмидта 107
4.4.4. Влияние режима течения 109
Заключение 114
Список использованной литературы 116
- Целесообразность использования'малогабаритных трубчатых турбулентных аппаратов в химической технологии
- Основные упрощающие допущения
- Алгоритм и программа расчета осесимметричных турбулентных течений вязкой несжимаемой жидкости
- Влияние способа организации смешения и формы турбулизаторов
Введение к работе
Актуальность темы. При осуществлении технологических процессов в химической промышленности в последние годы широкое применение находят малогабаритные трубчатые аппараты - предреакторы. Их назначение – подготовка реакционной смеси к поступлению в основной реактор. Иногда они могут быть использованы как основные реакторы. Они имеют высокую производительность при малом объеме, просты в изготовлении и эксплуатации. Одним из достоинств малогабаритных трубчатых аппаратов (МТТА) является возможность обеспечения безопасности при работе с высокотоксичными и взрывоопасными веществами.
Однако исследованы эти аппараты пока еще недостаточно. Значительный шаг в понимании особенностей, происходящих в них процессов, сделан в работах кафедры процессов и аппаратов химической технологии, а в последнее время также на кафедре высшей математики Казанского государственного технологического университета. С 2002г. работы проводятся на кафедре прикладной химии Альметьевского государственного нефтяного института. Данная диссертационная работа продолжает эти исследования.
Диссертационная работа выполнена в рамках государственных программ:
-
Грант Президента РФ № 96-15-97179 по теме «Моделирование процессов полимеризации при производстве синтетических каучуков».
-
Программа 05 ГКНТ 12 «Разработка методов моделирования и расчета принципиально новых малогабаритных реакторов для осуществления быстрых химических реакций, эффективной теплопередачи и массообмена в турбулентных потоках с проведением опытных и промышленных испытаний».
-
Программа Республики Татарстан по развитию приоритетных направлений науки по теме № 19-12/99 (Ф) «Научные основы технологических процессов производства синтетических каучуков на предприятиях нефтехимического комплекса Республики Татарстан».
-
Программа Республики Татарстан по развитию приоритетных направлений науки по теме № 07-7.5 – 27/2001 (Ф) «Ресурсосберегающие и экологически безопасные трубчатые аппараты и технологические процессы для нефтехимической промышленности».
Целями и задачами работы являются:
1) численное моделирование турбулентного течения смешивающихся жидкостей или газов;
2) проведение исследований, направленных на выбор наиболее эффективной геометрической формы проточной части трубчатого аппарата и схемы организации подвода смешивающихся компонентов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Разработан эффективный численный алгоритм решения уравнений гидродинамики однофазных смесей жидкостей или газов в трубчатых аппаратах, реализованный в проблемно-ориентированном программном комплексе.
-
Получены результаты исследования смешения компонентов в широком диапазоне изменения форм аппарата и способов их подвода в проточную его часть, режимов течения компонентов.
-
Установлено, что за счет изменения формы турбулизатора в трубчатом аппарате можно значительно улучшить качество смешения.
-
Выявлена возможность повышения качества смешения путем предварительной турбулизации потока с помощью турбулизаторов, устанавливаемых перед входом в рабочую часть аппарата. При этом потери полного давления практически не увеличиваются. Наиболее эффективным по результатам исследований оказался МТТА с двумя секциями предварительной турбулизации и цилиндрической рабочей частью.
Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением результатов решения тестовых задач с такими же результатами других авторов и экспериментальными результатами исследования.
Практическая значимость
Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, позволяют
выбрать наиболее эффективную форму образующей в области горловин секций промышленных аппаратов диффузор – конфузорного типа (ТРДКТ).
выбрать наилучшую схему подвода компонентов в проточную часть аппарата.
Разработанный программный комплекс для ПЭВМ, ориентированный на расчет турбулентных течений в МТТА, может быть использован для определения характеристик течения и, в силу незначительных затрат времени на решение и простоты обращения с ним, может рассматриваться как инструмент для инженерных расчетов наряду с другими известными инженерными методами.
Личный вклад автора в работу: автором разработан алгоритм и программа решения уравнения диффузии, проведены численные исследования смешения бинарных смесей в широком диапазоне режимов течения и физических свойств исходных компонентов.
Апробация работы. Материалы исследования и его результаты неоднократно обсуждались на заседаниях кафедры прикладной химии Альметьевского государственного нефтяного института и докладывались на научных конференциях: на научно-технической конференции « АлНИ-2000», г. Альметьевск, 2001г; на научной сессии КГТУ им. С.М. Кирова, г.Казань, 2001г.; на III Международной научно-практической конференции ПГУ, г. Пенза, 2001г.; на научно-технической конференции « АлНИ- 2002», г. Альметьевск, 2003г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы», г. Альметьевск, 2001г.; в Альметьевском государственном нефтяном институте, 2003,2004,2005 гг.; в Казанском государственном техническом университете им. Туполева, 2003г.; на 4-й Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством акад. В.Е. Алемасова, г.Казань, 2004 г.; на научно-технических семинарах в Казанском государственном технологическом университете, 2003, 2004, 2005 гг.; на Международной научной конференции « Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-18», г. Казань, 2005 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка. Общий объем диссертации 130 страниц.
Целесообразность использования'малогабаритных трубчатых турбулентных аппаратов в химической технологии
Работы, направленные на изучение и оптимизацию условий протекания физико-химических процессов химической технологии, в частносга, в производстве синтетического каучука, являются актуальными уже на протяжении многих лет. Связано это с проблемами организации крупнотоннажного производства, в котором используются процессы, характеризующиеся многокомпонентностью, а иногда и многофазностью реакционной смеси. Длительность функционирования таких производств (несколько лет!) определяет экономическую целесообразность даже незначительного улучшения качества процессов.
При проведении весьма быстрых жидкофазных реакций в объемных реакторах смещения невозможно обеспечить эффективный тепло- и массоперенос во времени, соизмеримом со временем химической реакции, По этой причине выбранные и используемые в промышленности для проведения весьма быстрых процессов полимеризации в жидкой фазе объемные реакторы непрерывного действия (V=2-3 м) с интенсивным перемешиванием и развитой системой теплосъема нельзя признать удачными и оптимальными. Использование же реакторов идеального вытеснения непрерывного действия для этих же целей еще более неудачно, ибо, как правило, даже в относительно медленных химических реакциях реализовать изотермический режим в реакторах этого типа невозможно. Реакторы вытеснения обычно работают в адиабатическом или промежуточном, но далеком от изотермического (в том и числе, и с внешним тегшоотводом), .режимах. Поэтому можно констатировать, что практически все реакторы, используемые в промышленности при технологическом оформлении быстрых химических процессов (не только полимеризации), по существу спроектированы неоптимально, а поэтому, как правило, в общем случае и неэффективны в работе. Как следствие, качество получаемых продуктов далеко от оптимального, а процессы, в целом, являются как в инженерном плане, так социально и экономически несовершенны (снижение выхода конечного продукта, ухудшение его качества, повышенное содержание ыеутилизируемых отходов, неоправданно большие расходы сырья, электроэнергии и пр.).
Таким образом, при реализации весьма быстрых химических процессов в реальных производствах, в частности, при осуществлении жидкофазной электрофильной полимеризации изобутилена всегда необходимо учитывать, что истинный механизм протекающих процессов осложнен совокупностью ряда физических процессов, сопутствующих протеканию химической реакции, в первую очередь, процессами диффузии, массопередачи, теплообмена и гидродинамики. Скорость химических процессов, в том числе и полимеризации, регламентируется скоростью подвода реагентов к зоне реакции, т.е. скоростью смешения реагирующих веществ (скоростью диффузии), а это предопределяет зависимость скорости реакции и конверсии реагентов от массы образца, величины (толщины) слоя зоны реакции и многих других нехимических факторов. Весьма быстрые химические процессы протекают, как правило, в диффузионной области и обязательно требуют макрокинетического подхода к решению проблемы.
Основные упрощающие допущения
В связи со сказанным, можно утверждать, что движение смеси в аппарате может быть рассмотрено как движение ньютоновской жидкости.
В Главе 1 уже говорилось о большом многообразии схем организации смешения компонентов в трубчатых аппаратах. В связи с этим трудно в рамках одного исследования охватить все это. многообразие. Поэтому далее исследуются лишь процессы турбулентного движения и смешения без учета их теплового взаимодействия мел-еду собой и стенками аппарата. В таком случае, для описания движения смеси нет необходимости привлекать уравнение сохранения энергии.
Трубчатые аппараты, как правило, предназначаются для длительной работы в стационарном режиме (до нескольких месяцев или даже лет). Поэтому интерес представляют, в основном, стационарное движение и смешение компонентов в аппарате.
Конечно, даже в осесимметричных трубах турбулентное движение может иметь сложный трехмерный характер. Поэтому движение смеси в МТТА естественно было бы изучать на основе использования трехмерных уравнений движения. Однако такого рода задачи при переборе большого числа их вариантов в настоящее время под силу решать лишь с помощью сверхмощных ЭВМ. При этом, в силу огромного объема вычислений времени решения, а следовательно, и материальные затраты велики и часто не оправданы с точки зрения достижения требуемого уровня точности результатов. Например, при выборе схемы подвода компонентов вполне достаточно качественной оценки равномерности смешения, В связи с этим, прежде чем решать большую вычислительную задачу, нужно пройти этап ее предварительного изучения, выявив основные факторы, влияющие на протекание процессов, и отбросив второстепенные. Целесообразно работать с математической моделью, адекватной заданной точности решения. Наконец, надо выделить из всего допустимого множества форм каналов и схем подвода компонентов те, которые по предварительным оценкам наиболее предпочтительны.
Таким образом, должно быть несколько уровней математических моделей. В связи с этим модель осесимметричного движения может быть рассмотрена как модель одного из возможных (хотя и не самого высокого) уровней сложности в системе изучения проблемы.
Алгоритм и программа расчета осесимметричных турбулентных течений вязкой несжимаемой жидкости
Здесь не приводится подробное описание алгоритма SIMPLE, Отметим лишь его особенность, состоящую в использовании «шахматных» сеток. Введение этих сеток связано с необходимостью не допустить появления нефизичного волнообразного поля параметров u(x,r),v(x,r),p(x,r) при решении уравнений движения. Это объясняется тем, что в SIMPLE приходится решать уравнение Пуассона для поправки к давлению с использованием центрально-разностной схемы при аппроксимации вторых производных на сетке, показанной на рис.3.1. Видно, что значения давления в центральном узле сеточного шаблона, обозначенном квадратиком, определяется через узлы, обозначенные кружочками, и наоборот.
При выполнении данной диссертационной работы были предприняты попытки реализации основной идеи алгоритма SIMPLE на обычных (нешахматных) разностных сетках. Принцип построения методики решения состоит в том, что для того, чтобы устранить волнообразность полей сеточных функций, устанавливается жесткая связь их граничных значений и значений на ближайшем к границе сеточном слое (рис.3.1). Эта связь осуществляется путем разложения их в ряды Маклорена в граничных узлах. Этот прием позволяет существенно упростить логику алгоритма и более эффективно использовать сеточную область в смысле экономии ресурсов ЭВМ. При этом точность выполнения уравнения неразрывности, оцениваемая по величине средней по области невязки, повышается более чем в сто раз по сравнению с алгоритмом, в основе которого - использование переменных у - (о на одной и той же сетке.
Влияние способа организации смешения и формы турбулизаторов
В отличие от аппаратов рис.4.1 - 4.2 аппараты, показанные на рис.4.3 - 4.4 имеют турбулизаторы и в рабочей части. Как видно, качество смешения в первой секции рабочей зоны таких аппаратов значительно хуже (усм 0,83). Этот же результат можно обнаружить и на рис.4.1.а. Кроме того, за турбулизаторами образуются зоны с высокой концентрацией второго компонента. Распределение Усм(х) имеет высокую степень неравномерности по длине рабочей части аппарата. Однако равномерность смешения за вторым турбул и затором в рабочей зоне достаточно высокая.
Ввод второго компонента осуществлялся через цилиндрический участок горловины канала перед входом в рабочую часть. Отношение плотностей компонентов во всех приведенных случаях было равно p2/pi =1.0 На рисунках приведены линии тока смеси. Отчетливо видна вихревая структура за диффузорной частью горловины. Увеличение числа секций до четырех перед входом в рабочую часть аппарата не приводит к улучшению качества смешения.
Похожие диссертации на Турбулентное течение смешивающихся жидкостей в малогабаритных трубчатых аппаратах химических производств : численное моделирование
