Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Задачи моделирования и энергосбережения газожидкостных аппаратов
1.1 Методы энерго- и ресурсосбережения на предприятиях топливно-энергетического комплекса и нефтехимии 10
1.2 Классификация газожидкостных аппаратов 15
1.3 Структура газожидкостной смеси и режимы течения двухфазного потока 17
1.4 Способы отвода тепла. Встроенные теплообменные устройства 20
1.5 Теплообмен в барботажном слое 22
1.6 Основные характеристики газожидкостных смесей 26
ГЛАВА II. Математические модели и расчет коэффициентов теплоотдачи от газожидкостного слоя к стенке
2.1. Обобщение гидродинамической аналогии Чилтона-Кольборна 37
2.2. Модели пограничного слоя 48
2.3. Теплообмен при турбулентном течении восходящей пленки 57
2.4. Теплообмен в змеевиковых реакторах 61
ГЛАВА III. Определение тепловых потерь в окружающую среду ректификационных аппаратов
3.1. Метод расчёта тепловых потерь ректификационного аппарата в окружающую среду 63
ГЛАВА IV. Энергосбережение газожидкостных процессов и расчет теплообменных поверхностей на примере получения фенола
4.1. Краткая характеристика газожидкостных реакторов 78
4.2. Газожидкостные реакции и тепловые процессы при получении фенола 79
4.3. Расчет теплового эффекта реакции окисления кумола по секциям колонны 85
4.4 Расчет поверхности теплообмена охлаждающих элементов колонны 88
4.5. Расчёт теплоотдачи в кристаллизационных аппаратах 93
Заключение 96
Использованная литература 98
- Структура газожидкостной смеси и режимы течения двухфазного потока
- Основные характеристики газожидкостных смесей
- Теплообмен при турбулентном течении восходящей пленки
- Газожидкостные реакции и тепловые процессы при получении фенола
Введение к работе
Использование газо(паро)жидкостных аппаратов в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности связано с большим потреблением тепла. Исследования в области теоретической и экспериментальной гидродинамики и тепло- массообмена газожидкостных сред позволяют решать следующие научно-технические задачи:
Теоретическое исследование процессов тепло- и массопереноса в тепловых системах и установках, использующих тепло, в том числе газожидкостных аппаратов.
Совершенствование методики расчета оборудования и теплоиспользующих установок с целью улучшения их технико-экономических характеристик, а также экономии энергетических ресурсов.
Выбор режимных и конструктивных параметров тепломассообменных и реакционных аппаратов с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества продукции.
Разработка теоретических аспектов и методов интенсивного энергосбережения в тепловых технологических системах.
В условиях повышения цен на энергоносители, на все виды материалов и услуг на первый план встаёт проблема снижения металлоёмкости и энергопотребления оборудования промышленных предприятий. Всё это в полной мере относится к теплообменному оборудованию, как одному из наиболее распространённых видов технологического оборудования [1].
Особенно остро в промышленных технологиях проблема встаёт для предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и нефтехимии, характеризующихся высоким удельным объёмом теплообменного оборудования и аппаратов с большими тепловыми нагрузками (ректификационные колонны, химические реакторы и д.р.) [2-4]. Хотя стоимость, например, самого реактора обычно не превышает 5-10% от стоимости всей установки, показатели работы именно реактора определяют число, тип, характер работы вспомогательных аппаратов [5].
Часто химические реакции в двухфазных средах сопровождаются экзотермическим или эндотермическим тепловым эффектом. Если реакция должна протекать адиабатически, температура в реакторе изменяется и следовательно меняется скорость реакции. Однако очень низкая температура охлаждающего агента может ослабить реакцию, поэтому нужно осуществить хороший контроль за температурами, которые влияют на расход охлаждающего агента, уменьшая таким образом энергетические затраты на его перекачку [6]. Для расчёта поверхности теплообмена, а также тепловых потерь через стенки аппаратов при проектировании в химической и нефтяной промышленности необходимо располагать закономерностями изменения коэффициента теплоотдачи от газожидкостной смеси [7]. Например, в производстве слабой азотной кислоты в абсорбционных колоннах диаметром 3 м и высотой 50 м на 40 тарелках осуществляется абсорбция окислов азота, причем почти на всех тарелках уложены охлаждающие змеевики с поверхностью по 12,5 м2. Такие колонны весят по 60 тонн и изготовлены из дорогостоящей нержавеющей стали, поэтому неточности в тепловых расчётах могут привести к существенному удорожанию аппарата. Отсутствие исчерпывающих рекомендаций по расчёту теплообмена между газожидкостным слоем и стенкой аппарата осложняет решение таких задач [8,9].
Для решения вышеперечисленных задач необходимы разработки математических моделей процесса теплообмена с минимальным привлечением экспериментальных данных, позволяющих учесть влияние гидродинамических и режимных параметров на эффективность теплоотдачи от газожидкостной смеси к стенкам теплообменных поверхностей и элементов конструкций. Однако сложность гидродинамического состояния газожидкостных систем не позволяет в настоящее время дать строгое математическое описание происходящих в них явлений переноса тепла [10].
Детальное изучение явлений теплообмена и гидродинамики газожидкостных течений важно не только с практической точки зрения, но и представляет научный интерес [11]. Поэтому, теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамики и теплопереноса в газожидкостных реакторах, использующих барботажное взаимодействие фаз, представляется актуальным при создании новых теплообменных устройств и при модернизации существующего оборудования [12], а так же на этапах проектирования энергосберегающих установок, где контактирование газа с жидкостью сопровождается большим тепловым эффектом. Этим объясняется возрастание числа работ по изучению газожидкостных потоков.
Объектами исследования диссертационной работы являются тепломассообменные аппараты с газо(паро)жидкостными средами при больших тепловых нагрузках. Такими аппаратами на предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и нефтехимии являются термические барботажные деаэраторы и испарители, ректификационные установки, абсорберы, газлифтные аппараты; реакторы с газожидкостными средами, выпарные аппараты и д.р.
Цель работы:
Разработать энергосберегающие научно-технические решения для тепломассообменных аппаратов с газо(паро)жидкостными средами с большими потреблениями и выделениями теплоты.
Использовать математические модели пограничного слоя и обобщённую гидродинамическую аналогию, и получить уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи от газожидкостных потоков к стенкам аппаратов и элементам конструкций.
Выполнить расчёт тепловых потоков от барботажного слоя к стенке колонн при ректификации смесей. Снизить тепловые потери в окружающую среду при работе колонн за счёт выбора эффективных теплоизолирующих материалов.
Разработать алгоритм и выполнить расчет теплоотдачи при работе газожидкостных реакторов. Модернизировать конструкцию теплообменных элементов для охлаждения реакционной смеси. Снизить потери теплоты. Научная новизна:
1. На основе использования моделей пограничного слоя и гидродинамической аналогии переноса импульса и тепла получены уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи при различных режимах движения газо(паро)жидкостных сред вдоль твёрдых поверхностей (стенок и элементов конструкций аппаратов). Установлена область применения гидродинамической аналогии Чилтона-Кольборна.
В полученных уравнениях, для расчёта коэффициентов теплоотдачи от газо(паро)жидкостных сред, параметры находятся на основе средней диссипируемои энергии и консервативности законов трения к различным возмущениям (подход Кутателадзе, Леонтьева), используя потоковое соотношения баланса импульса в пограничном слое.
Разработана методика расчёта тепловых потерь от ректификационных колонн, теплообменников и газожидкостных реакторов в окружающую среду с использованием полученных уравнений.
Практическая значимость.
Разработаны энергосберегающие научно-технические решения при работе газо(паро)жидкостных аппаратов с большим потреблением и выделением теплоты.
Сделан обоснованный выбор тепловой изоляции для ректификационных колонн, теплообменных аппаратов и химических реакторов с газожидкостными средами.
Выполнены расчёты и определены режимные и конструктивные характеристики газожидкостного реактора с элементами охлаждения рабочей среды в производстве фенола.
Разработанные алгоритмы используются для выполнения расчетов газожидкостных аппаратов в Сургутском заводе стабилизации конденсата (ЗСК) и ПИ «Союзхимпромпроект».
Апробация работы:
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на симпозиумах и конференциях республиканского, всероссийского и международного уровня. Наиболее значимые результаты работы доложены на следующих конференциях: Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-20», Ярославль: ЯГТУ, 2007; Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21», Саратов: СГТУ, 2008; Международная научно-практическая конференция «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» КГЭУ, г. Казань; Международная юбилейная научно-практическая конференция "Передовые технологии и перспективы развития ОАО "КАЗАНЬ ОРГСИНТЕЗ" г. Казань, а так же на семинарах и конференциях КГЭУ г. Казань с 2004-2009г.
Научные публикации:
По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, в том числе - 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.
Структура газожидкостной смеси и режимы течения двухфазного потока
Размещение внутри барботажных колонн разнообразных встроенных элементов может служить для целей создания определённых гидродинамических или тепловых условий. Такие конструкции могут выполнять функции внутренних теплообменников при проведении процессов с высокими тепловыми эффектами реакций (например, в процессах синтеза Фишера-Тропша) [43].
Неотъемлемой частью большинства барботажных реакторов является «рубашка» или встроенные теплообменные устройства. Конструкции рубашек барботажных реакторов не отличаются от стандартных решений, представленных в нормативно-технической литературе [44]. Крупногабаритные барботажные колонны (больших диаметров) нецелесообразно применять для проведения реакций с большим тепловым эффектом. При конвективном отводе тепла через стенки, заключенные в рубашки, удельная поверхность теплообмена (отнесенная к объему колонн) уменьшается с увеличением объема колонн, не обеспечивая необходимого съема тепла. Кроме того, по сечению такой колонны могут возникать градиенты температур, недопустимые по условиям реакции [29]. В связи с тенденцией к увеличению единичной производительности реакционной аппаратуры возникают трудности с отводом тепла реакции через рубашку. Вследствие этого внутри реактора устанавливают теплообменные элементы. Размещение же внутри колонны большого количества дополнительных теплообменных элементов усложняет конструкцию аппарата.
Способ отвода тепла за счет испарения части жидкости упрощает конструкцию самой колонны, но требует установки выносных теплообменных устройств. В целом агрегат получается конструктивно сложным, поскольку нарушается один из основных принципов проектирования химических реакторов, требующий размещения теплообменных устройств там, где выделяется тепло, т.е. непосредственно в реакционном объеме.
Высокая производительность по продукту и значительный тепловой эффект высоко-экзотермических реакций (например, реакции полимеризации олефинов) требуют высокой степени насыщения реакционного объема встроенными теплообменными элементами, что приближает такой реактор к теплообменнику. Конструкции встроенных теплообменных устройств многообразны. Применение таких устройств в барботажных реакторах эффективно вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от барботажного слоя к стенке устройства и возможности размещения в аппарате значительного числа теплообменных устройств (до 30 м /м ) [45]. Это не всегда желательно для процесса в результате уменьшения полезного объема реактора. Тем более неприемлема конструкция барботажного реактора со встроенными теплообменными устройствами для реакций, сопровождающихся кристаллизацией, осмолением, налипанием продукта на стенках аппарата, что резко снижает теплообмен через стенки рубашки и встроенных теплообменных устройств. В этом случае реакционную смесь охлаждают в выносном теплообменном контуре.
В условиях налипания продукта на стенки эффективен съем тепла за счет охлаждения циркулирующей через барботажный реактор парогазовой смеси. Однако, с повышением давления и при снижении температуры процесса этот способ энергетически менее эффективен. К недостаткам этого способа теплосъема следует отнести значительный расход газа, превышающий в несколько раз расход газа на перемешивание [31].
К эффективным способам отвода тепла реакции следует отнести метод охлаждения реакционной среды за счет испарения одного или нескольких реагентов с последующей конденсацией паров и возвратом конденсата в зону реакции. Эти способы позволяют совершенно свободно выбирать соотношение между теплообменной поверхностью выносного холодильника и объемом реактора и могут быть использованы для реакторов любых размеров. Интенсивность отвода тепла реакции в этом случае может быть очень высокой. Однако для охлаждения необходимо, чтобы испаряющийся (кипящий) реагент мог кипеть в условиях реакции и конденсироваться при приемлемых параметрах. При изотермической реакции должно быть обеспечено достаточно интенсивное перемешивание для быстрого и равномерного распределения захоложенного конденсата при вводе его в реакционный объем из конденсатора.
При полимеризации бывает важно поддержание заданных параметров процесса (особенно температуры). Температура регулируется изменением количества подаваемого в аппарат конденсата, что достигается регулированием скорости конденсации в теплообменнике путем изменения температуры хладагента в зависимости от температуры в реакторе.
Проведенные ранее исследования однозначно показывают, что всплывающие газовые или паровые пузыри интенсивно перемешивают жидкость, вызывая значительное увеличение коэффициента теплоотдачи между данной жидкостью и твёрдой поверхностью теплообмена [12]. При массовом барботаже движение жидкой фазы в барботажных слоях приобретает ярко выраженный турбулентный характер [46]. Высокая степень развития турбулентности интенсифицирует процессы теплообмена между жидкостью и погруженными в неё теплопередающими поверхностями в десятки раз. Поэтому теплообмен в барботажных слоях широко используется во многих технических приложениях [47].
Процесс теплообмена в барботажном слое изучали многие исследователи [48-57]. Исследовалась теплоотдача от стенок барботажных колонн [58-60], одиночных труб [61,62], вертикальных и горизонтальных трубных пучков [51,63,64].
Известен целый ряд эмпирических и полуэмпирических выражений (табл. 1.1). Все эти соотношения построены на основе данных отдельных работ и не претендуют на описание всего массива экспериментальных точек. Это можно подтвердить тем, что сравнение результатов расчёта коэффициентов теплоотдачи по различным формулам обнаруживает расхождение, превышающее 100% [47].
Основные характеристики газожидкостных смесей
Как отмечалось ранее, одним из основных путей снижения энергозатрат процессов разделения смесей при проведении процессов ректификации можно отметить мероприятия, связанные с обеспечением минимальных потерь теплоты в окружающую среду путем тщательной термоизоляции ректификационных колонн, тем самым снижая расходы греющего пара [132,133].
Согласно нормативным документам тепловые потери должны составлять не более 1% от тепловой нагрузки аппарата. Поэтому актуальной задачей является достоверный расчёт тепловых потерь и выбор теплоизолирующих материалов.
Рассмотрим пример выбора тепловой изоляции ректификационной колонны К-1 установки моторных и котельных топлив (УМТ) Сургутского завода стабилизации газового конденсата, который является основным производителем топлив в Западно-Сибирском регионе. В 1993 году на заводе в эксплуатацию была запущена УМТ, которая обеспечила потребности региона в дизельном и котельном топливе.
Установка производства моторных топлив (рис.3.1), входящая в состав комплекса производства моторных топлив Сургутского ЗСК, предназначена для переработки стабильного конденсата, производимого на установках стабилизации конденсата, с получением фракций НК - 70С - компонента автобензина, бензиновой фракции 85 - 160С, керосиновой фракции 140 -240С, дизельной фракции 140 - 340С, фракции 340С - тяжелого остатка переработки.
Атмосферная перегонка осуществляется по одноколонной схеме разделения жидкой фазы испарителя с двумя боковыми выводами, теплосъемом циркуляционным орошением и предназначена для выделения фракций НК-130С, 120-200С, 200-280С, остатка (фракция выше 340С).
Нагретые потоки сырья смешиваются и с температурой 120-125С направляются в печь П-1, где нагреваются до 180-182С и двумя параллельными потоками поступают в испаритель И-1. В испарителе за счет падения давления выделяются пары легких фракций, которые направляются в колонну вторичной ректификации К-3. Нижний продукт испарителя забирается насосом и направляется на смешение с рециркулятом атмосферной колонны К-1, затем смесь поступает в печь П-2. Нагретый в печи П-2 до температуры 240-260С поступает в колонну К-1 на 43 тарелку. Для снижения парциального давления паров фракции 280С, а, следовательно, и температур кипения продуктов, для более полной отпарки легких фракций в низ колонны К-1 предусмотрена подача перегретого в пароперегревателе печи П-2 водяного пара. С верха колонны К-1 отбирается фракция НК-130С и охлаждается в воздушных конденсаторах-холодильниках до 80С. Сконденсированные и охлажденные бензиновая фракция НК-120С и вода с температурой 80С поступают в рефлюксную емкость Е-1, где происходит отделение бензиновой фракции от воды. Балансовое количество подается в колонну вторичной ректификации, остальная часть подается на орошение колонны К-1. Избыточное тепло в колонне снимается циркуляционным орошением, которое забирается насосом с 20-й тарелки с температурой 193 С и возвращается в колонну К-1 на 16-ю тарелку с температурой 70С. Циркуляционное орошение насосом прокачивается через теплообменники, где отдает тепло на нагрев сырья.
Из колонны К-1 выводится два боковых погона: - фракция 120-200С; - фракция 200-280С. При работе отпарной колонны К-2/1 с подачей перегретого водяного пара в низ колонны, пары легких фракций и водяного пара возвращаются в колонну К-1 под 13-ую или 15-ую тарелку. При работе отпарной колонны К-2/1 без подачи перегретого водяного пара в низ колонны, пары легких фракций выводятся через регулирующий клапан, работающий в контуре с измерителем плотности совместно с парами отпарной колонны К-2/2 через секцию воздушного конденсатора-холодильника, где конденсируются и охлаждаются. Затем конденсат направляется в емкость, где происходит отделение легких фракций от воды. Легкие фракции из емкости забираются насосом и направляются в колонну К-1 вместе с циркуляционным орошением. Второй боковой погон - фракция 200-280С выводится в отпарную колонну К-2/2 с
29-ой или 31-ой тарелки колонны К-1 через регулирующий клапан уровня, поддерживающий уровень в отпарной колонне К-2/2. При работе отпарной колонны с подачей перегретого водяного пара в низ колонны пары легких фракций и водяного пара возвращаются в колонну К-1 под 30-ю или под 28-ю тарелку. Нижний продукт колонны К-1 - фракция 280С - котельное топливо направляется последовательно через межтрубное пространство теплообменников, где отдает тепло на нагрев сырья, затем выводится из установки в качестве товарного продукта.
Теплообмен при турбулентном течении восходящей пленки
Выполненный расчет по уравнению (4.4) показал, что наличие одного ребра (я=1) высотой 0,01м и толщиной 0,003 м увеличивает коэффициент теплоотдачи на 20%, а при л=10 увеличение коэффициента теплоотдачи составляет 200% от коэффициента теплоотдачи не оребренной поверхности. Уменьшение высоты ребра влечет существенное снижение значения коэффициента теплоотдачи. При увеличении высоты ребра в 10 раз, коэффициент теплоотдачи остается прежним и почти не меняется. Очевидно, это связано с критической длиной ребра, после которой температура ребра мало изменяется по длине и фактически равна температуре окружающей среды.
В условиях сохранения требуемой тепловой нагрузки на теплообменный аппарат при увеличении площади теплообмена за счет оребрения в 5 раз, уменьшается средний температурный напор At, что позволяет при неизменном расходе теплоносителя увеличить температуру охлаждающей воды на входе до 74С и повысить температуру на выходе из теплообменника до 104С.
При сохранении температур теплоносителя на входе (45 С) и на выходе из теплообменника (75С) может быть снижен расход теплоносителя до 50%.
Одним из энергоемких процессов в тепломассообменных установках занимает процесс выпаривания и кристаллизации. Изучению этих процессов посвящено достаточно большое количество работ.
Расчет коэффициента теплоотдачи при проектировании кристаллизационных аппаратов в основном ведется по полуэмпирическим выражениям. Присутствие в жидкости твердой фазы определенно меняет условия теплопереноса от жидкой среды к твердой стенке. Это объясняется изменением поля скоростей жидкости в пристенной области за счет влияния относительной скорости осаждения твердых частиц, а также тем, что вязкий пристенный слой турбулизируется проникающими в него твердыми частицами, которые в свою очередь участвуют в рекуперативном теплообмене.
Проникновение твердых частиц в пристенный слой из турбулентного ядра потока за счет инерционных сил всегда усиливает перенос тепла. Применительно к пустотелым барботажным колоннам, в которых около стенок наблюдается нисходящее движение жидкости, наличие твердой фазы интенсифицирует теплообмен. В работе [121] показано увеличение коэффициента теплоотдачи при возрастании размеров частиц твердой фазы и их концентрации. Но это характерно только для суспензий, твердая фаза которых не растворяется и не набухает в жидкости. Исследования [174] с частицами полистирола в воде показали увеличение коэффициента теплоотдачи от суспензии к стенке теплообменного элемента. В работе [175] также наблюдается снижение интенсивности теплообмена с увеличением концентрации мелких частиц полиэтилена в жидкости. Автор объяснил это тем, что легкие частицы с плотностью, близкой к плотности жидкости, образуют квазигомогенную систему с повышенной вязкостью. Главную роль, вероятно, играет не плотность твердой фазы, а особая структура неоднородной системы, приближающейся по свойствам к неньютоновской жидкости.
При нисходящем газожидкостном потоке коэффициент теплоотдачи увеличивается за счет влияния скорости осаждения твердых частиц. Это можно объяснить увеличением градиента скорости в пристенной области, а также увеличением касательного напряжения и динамической скорости.
При восходящем газожидкостном потоке коэффициент теплоотдачи в суспензии будет меньше, чем в чистой жидкости. Это обусловлено тем, что относительная скорость твердой фазы уменьшает градиент скорости жидкости в пристенном слое, а также уменьшает касательные напряжения на стенке и динамическую скорость.
Для расчета коэффициента теплоотдачи можно воспользоваться выражением (2.16), которое получило удовлетворительное согласование с известными экспериментальными данными:
получения фенола. Произведен расчет поверхности теплообмена охлаждающих элементов колонны окисления с использованием полученных выражений для расчета коэффициентов теплоотдачи.
В результате расчетов определено, что теплообменное оборудование рассмотренного производства имеет завышенные значения поверхностей теплообмена, что влечет за собой увеличение эксплуатационных расходов. В связи с этим рекомендовано произвести замену части действующего оборудования и предложено использование оребрения с целью увеличения температуры или снижения расхода теплоносителя.
Проведенный обзор в главе I, показал, что действующее технологическое оборудование предприятий ТЭК обладает значительными резервами по снижению энергозатрат. Для выбора вариантов энергосбережения и модернизации теплообменного оборудования в настоящее время используются, в основном, эмпирические и полуэмпирические выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи от газожидкостных смесей. Такие расчетные зависимости требуют значительных вычислительных усилий, а также специалистов высокого уровня в области программирования и вычислительной математики. Вследствие этого актуальной задачей является разработка математических моделей с помощью теоретических уравнений, позволяющих минимально использовать экспериментальные данные.
В главе II показаны общие расчетные выражения, полученные на основе гидродинамической аналогии между процессами передачи тепла и импульса, которые могут быть использованы с любой моделью турбулентного переноса. Полученные уравнения позволяют учитывать режимные и конструктивные характеристики работы контактных устройств. Результаты расчетов были успешно подтверждены согласованием с известными опытными данными в широком диапазоне теплофизических и гидродинамических характеристик.
Для определения тепловых потерь энергоемких газо(паро)жидкостных аппаратов необходимы соответствующие инженерные методики расчета. С привлечением полученных в диссертации выражений для определения коэффициентов теплоотдачи от газожидкостных смесей предложен метод и выполнен расчет тепловых потерь через стенку колонны в окружающую среду на примере ректификационной колонны К-1 ЗСК г. Сургут.
Газожидкостные реакции и тепловые процессы при получении фенола
В результате расчетов определено, что теплообменное оборудование рассмотренного производства имеет завышенные значения поверхностей теплообмена, что влечет за собой увеличение эксплуатационных расходов. В связи с этим рекомендовано произвести замену части действующего оборудования и предложено использование оребрения с целью увеличения температуры или снижения расхода теплоносителя.
Проведенный обзор в главе I, показал, что действующее технологическое оборудование предприятий ТЭК обладает значительными резервами по снижению энергозатрат. Для выбора вариантов энергосбережения и модернизации теплообменного оборудования в настоящее время используются, в основном, эмпирические и полуэмпирические выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи от газожидкостных смесей. Такие расчетные зависимости требуют значительных вычислительных усилий, а также специалистов высокого уровня в области программирования и вычислительной математики. Вследствие этого актуальной задачей является разработка математических моделей с помощью теоретических уравнений, позволяющих минимально использовать экспериментальные данные.
В главе II показаны общие расчетные выражения, полученные на основе гидродинамической аналогии между процессами передачи тепла и импульса, которые могут быть использованы с любой моделью турбулентного переноса. Полученные уравнения позволяют учитывать режимные и конструктивные характеристики работы контактных устройств. Результаты расчетов были успешно подтверждены согласованием с известными опытными данными в широком диапазоне теплофизических и гидродинамических характеристик.
Для определения тепловых потерь энергоемких газо(паро)жидкостных аппаратов необходимы соответствующие инженерные методики расчета. С привлечением полученных в диссертации выражений для определения коэффициентов теплоотдачи от газожидкостных смесей предложен метод и выполнен расчет тепловых потерь через стенку колонны в окружающую среду на примере ректификационной колонны К-1 ЗСК г. Сургут.
Расчеты показали, что из-за несовершенства тепловой изоляции колонны К-1 теряется до 4,7% (3,9 МВт) тепловой энергии от общего количества тепла, подведенного в аппарат (84,6 МВт). Тепловые потери обусловлены недостатками тепловой изоляции, превышают допустимые нормы и вполне устранимы. Проведен сравнительный анализ тепловых потерь колонны К-1 с использованием различных видов теплоизоляционных материалов. При использовании теплоизоляционной краски «Корунд» определено, что потери теплоты могут быть снижены до 0,2% (0,17 МВт) от общего подведенного тепла. Предложенный подход снижения энергозатрат при проведении процессов разделения может использоваться при проектировании или модернизации аналогичных ректификационных установок. Разработанный метод определения тепловых потерь используется для выполнения расчетов газожидкостных аппаратов в Сургутском заводе стабилизации газового конденсата (ЗСК) и ПИ «Союзхимпромпроект».
В главе IV с использованием полученных в диссертации выражений для расчета коэффициентов теплоотдачи от газожидкостных смесей, произведен расчет теплообменных поверхностей охлаждающих элементов барботажного реактора окисления в производстве фенола на ОАО «КазаньОргсинтез» г. Казань. Рекомендовано осуществить замену части действующего теплообменного оборудования и использовать кольцевое оребрения труб теплообменников с целью экономии энергозатрат.
