Введение к работе
Актуальность темы. Проблеме разработки нового высокоинтенсивного теплообмегагого и массообмешгого оборудования, а также задаче интенсификации действующих аппаратов всегда уделялось большое внимание. Их решение остается актуальным и в настоящее время. Особенности экономики современной России, заключающиеся в ограниченности инвестиций и дефиците энергоносителей, конкретизируют обсуждаемую задачу, и одним из приоритетных направлений выделяют вопрос интенсификации известного оборудования при минимуме капитальных затрат и без существенного повышения энергозатрат. Этим условиям в значительной степени отвечает направление, связанное с использованием прямоточного взаимодействия газовой и жидкой фаз и применением устройств, увеличивающих сдвиговые напряжения, поверхность раздела фаз, коэффициент турбулентной диффузии и улучшающих структуру потоков.
В данной работе интенсифицировались типичные процессы теплообмена и массообмена, которые осуществляются при прямоточном движении фаз.
Теплообмен интенсифицировался в теплообменниках подогрева бражки, которые используются для рекуперации теплоты паров бражной колонны в бра- j горектификационной установке косвенного действия. Они работают в специфических условиях. Во-первых, бражка содержит значительное количество твердых примесей и растворенный углекислый газ, который выделяется при нагревании. В итоге в трубах возникает трехфазный поток, а на стенках образуются отложения. Во-вторых, в межтрубном пространстве конденсируется смесь паров воды и спирта в присутствии инертного компонента - СОг. Последний частично выделяется при нагревании бражки и окончательно в бражной колонне. Интенсификация теплообмена осуществлялась путем применения спиральных вставок из тонкой упругой проволоки. Среда, движущаяся по трубкам, заставляет спирали вибрировать и колебаться в осевом и радиальном направлениях, вследствие чего усиливается пристенная турбулентность, интенсифицируется теплообмен и осуществляется практически полная очистка стенок труб от отложений. Данное устройство может быть установлено без особых затрат в промышленных тешгообменных аппаратах и эффективно использовано. При этом встает вопрос об исследовании теплоотдачи в двухфазном потоке в трубе, снабженной спиральными вставками. Актуальной является также задача разработки
методики расчета подогревателей бражки со спиральными вставками, работающих в системе рекуперации теплоты паров бражной колонны.
Массообмен интенсифицировался в реакторе окисления парафинов нефти, который предназначен для получения жирных, кислот. Производство синтетических жирных кислот (СЖК) позволяет сэкономить сотни тысяч тонн пищевых жиров, используемых для технических, сельскохозяйственных и бытовых целей. Однако необходимо дальнейшее увеличение производства, а главное, его интенсификация. Это обусловлено потребностью СЖК в самых различных отраслях: в производстве пластичных смазок (фракция С5 - С6), латексных изделий (фракция Сю - Сіз), туалетного и хозяйственного мыла, синтетического каучука (фракция С и - Сів), синтетических моющих средств, резинотехнических изделий (фракция С17 - Сго), синтезе лакокрасочных материалов, алифатических аминов и первичных спиртов (фракция Сю - С(6) и др. В реакторе окисления парафинов газ и жидкость движутся прямоточно и кинетика процесса лимитируется стадией мас-сообмена.
Массообмен интенсифицировался путем создания при прямоточном движении фаз тонкострукгурированной пены на основе использования эффектов взаимодействия газа и жидкости на срезе сопла. При этом возникает задача исследования процесса в усовершенствованном реакторе и изучения структуры потоков в нем.
Работа проводилась в соответствии с координационным планом «ИНПРО-БИТ» - Математическое моделирование, повышение эффективности научно-исследовательских и экспериментальных работ в области гидродинамики и теп-ломассопереноса; с координационным планом «Экономия»; в рамках Госзаказа № 6468200970 АО «ВНИИбиотехншса».
Цель настоящей работы состоит в интенсификации теплообмена и массо-обмена в аппаратах с прямоточным движением фаз на примере подогревателя бражки и реактора получения жирных кислот окислением парафиновых углеводородов и в разработке методик расчета усовершенствованных аппаратов и процессов.
Научная новизна настоящей работы заключается в том, что:
разработана математическая модель бражного подогревателя со спиральными вставками в трубах, учитывающая его взаимосвязь с бражной колонной
брагоректификационной установки и эффект снижения коэффициента теплоот-
дачи при конденсации паров бражного дистиллята за счет присутствия инертного компонента;
предложен новый принцип аппаратурного оформления процесса окисления парафинов до жирных кислот;
разработано математическое описание процесса окисления парафинов в усовершенствованном реакторе;
получены уравнения для определения коэффициента продольного перемешивания и величин удельных скоростей реакций в зависимости от расходов парафина и воздуха, концентрации катализатора для различных конструкций реактора и скорости истечения из сопла;
обобщены собственные экспериментальные данные по теплоотдаче в трехфазном потоке бражки и получены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки к бражке в трубах со спиральными вставками;
обоснован и проверен в производственных условиях эффект самоочистки стенок труб от загрязнений при установке в них тонких спиральных пружин;
Практическое зпачепие диссертационной работы заключается в том, что на основе исследований:
разработаны рекомендации по типоразмерам спиральных вставок, обеспечивающих самоочистку стенок теплообменных труб;
получено критериальное уравнение, которое используется для расчета теплоотдачи в трубах со спиралями;
на основе анализа данных по тепломассообмену при прямоточном движении газа и жидкости осуществлена интенсификация процесса теплообмена в подогревателе бражки путем использования спиральных вставок из тонкой проволоки и процесса массообмена в реакторе окисления парафинов жирных кислот путем использования сдвиговых эффектов при взаимодействии газа и жидкости на срезе сопла;
проведение исследования использованы при внедрении в промышленность теплообменников со спиральными вставками;
разработан аппарат окисления парафинов, позволяющий сократить почти в три раза время процесса при высоком качестве оксидата; процесс ведется непрерывно.
Достоверность и надежность результатов доказана экспериментально и подтверждена при внедрении. Производственные испытания показали, что предложенные методы интенсификации обеспечивают повышение эффективности рекуперативных теплообменников, улучшают структуру потоков в реакторах окисления парафина, увеличивают выход целевых компонентов.
Конструкционные приспособления (спиральные пружины) испытаны на ОАО СВВК «Эльбрус». Годовой фактический экономический эффект при эксплуатации модернизированных теплообменников составляет 2,1 млн. рублей. Промышшшая эксплуатация рекуперативных теилообмешшков со спиральными пружинами на Кропоткинском химическом заводе подтвердила эффективность работы этих теплообменников. Экономический эффект составил 2,3 млн.рублей в год. Промышленные испытания нового реактора со струйным устройством для непрерывного окисления парафиновых углеводородов проведены на ОАО СВВК «Эльбрус». Расчетный экономический эффект составил в 1999 году 3,1 млн. рублей в год.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Всероссийском симпозиуме по математическому моделированию КИЭП (г. Кисловодск, 1999 г.), международной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения» (г. Краснодар, 2000 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 107 страницах, содержит 20 рисунков и 17 таблиц.