Введение к работе
Актуальность темы:
Анализ современного состояния развития химической и нефтехимической промышленности свидетельствует о неуклонном росте объемов и масштабов производства Химические производства все более укрупняются и усложняются За последние 30 лет мощности единичных агрегатов возросли в 3-6 раз При этом в целях повышения мощности агрегатов широко применяются аппараты непрерывного действия, использование которых позволяет резко снизить технико-экономические затраты и металлоемкость производства за счет уменьшения количества аппаратов периодического действия
В технологических процессах на предприятиях химической и нефтехимической промышленности, в качестве рабочих сред или продуктов производства, часто используются нелинейно-вязкие жидкости Возникающие при этом нестационарные химические реакции, в которых могут присутствовать нестабильные компоненты и их продукты, происходят с прогрессивным нарастанием температуры реакционной жидкости В связи с этим возникает проблема отвода теплоты из реакционного участка с одновременным сохранением всех необходимых тепловых, химических и гидродинамических условий для реализации технологического процесса
Малейшие отклонения от технологии и изменение условий хранения или транспортировки реагентов, могут привести к непредсказуемым последствиям и внештатным ситуациям, обуславливающих потенциальную опасность химического производства По статистическим данным, до 40% аварий на химических производствах, сопровождающихся взрывом, характеризуются выходом из-под контроля химической реакции Это требует создания эффективных средств предупреждения и защиты технологических процессов от явления прогрессивного нарастания температуры, последствием которого является возникновение аварий и катастроф техногенного характера
Сложность нестационарных теплофизических и химических процессов, протекающих в реакторах непрерывного действия, основными элементами которых являются трубы, не дает возможности эффективного прогнозирования возникновения критических режимов полимеризации, а также создания технических средств и методов защиты реакторов от взрыва
Таким образом, для определения критических режимов полимеризации и создания методов защиты реакторов от взрыва, позволяющих снизить количество аварийных ситуаций, необходимо проведение комплекса теоретических исследований тепловых гидродинамических и химических процессов в условиях близких к прогрессивному нарастанию температуры
Целью работы является моделирование и исследование процессов нестационарного тепломассообмена при ламинарном течении нелинейно-
вязких жидкостей в реакторах непрерывного действия в условиях прогрессивного нарастания температуры Задачи диссертационной работы:
разработка математических моделей нестационарного тепло - и массопереноса при ламинарном течении нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и в реакторах непрерывного действия,
разработка алгоритмов и методов численной реализации, разработанных моделей для нестационарных тепловых режимов при течении нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и в реакторе гомофазной полимеризации,
проведение комплекса численных исследований для выявления критических режимов теплообмена при нестационарных ламинарных течениях нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе,
численное исследование нестационарных процессов полимеризации и разработка программного комплекса для расчета характеристик тепловых режимов реакторов непрерывного действия в условиях близких к прогрессивному нарастанию температуры
Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем
разработаны математические модели, описывающие нестационарные процессы тепло - и массопереноса при ламинарном течении нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и реакторе гомофазной полимеризации, позволяющие проводить анализ механизма возникновения критических тепловых режимов работы химического и нефтехимического оборудования непрерывного действия,
разработаны алгоритмы и методы численной реализации задач стационарного и нестационарного тепло - и массопереноса при ламинарном течении нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и в реакторе гомофазной полимеризации непрерывного действия,
определены условия возникновения прогрессивного нарастания температуры в потоке полимеризующейся массы, а также неоднозначности стационарных режимов теплообмена при ламинарном течении нелинейно-вязких жидкостей в реакторе и круглой трубе соответственно в зависимости от гидродинамических, химических и тепловых условий проведения технологического процесса,
проведена оценка влияния синусоидального и линейного изменения температуры на стенке трубы, а также внутренних источников тепловыделения на теплообмен в потоке и на возникновение критических тепловых режимов течения нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и в реакторе гомофазной полимеризации,
определены диапазоны изменений управляющих параметров, в которых осуществляются безопасные режимы работы технологического оборудования непрерывного действия,
> определено влияние типа жидкости на критические режимы
теплообмена при ламинарном течении нелинейно-вязких жидкостей в
круглой трубе
Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанных математических моделей при создании технических средств и методов автоматизированного контроля и предупреждения возникновения прогрессивного нарастания температуры на предприятиях химической и нефтехимической промышленности, в технологическом оборудовании которых в качестве рабочих сред используются нелинейно-вязкие и высоковязкие ньютоновские жидкости
Определенные диапазоны изменений управляющих параметров могут быть использованы для осуществления безопасных режимов работы технологического оборудования непрерывного действия химических и нефтехимических производств, в частности для процессов гомофазной полимеризации метакрилатов в химических реакторах непрерывного действия при нестационарных тепловых граничных условиях
Разработанные прикладные программы могут быть использованы при проектировании и модернизации как теплообменного, так и технологического оборудования химических и нефтехимических производств, рабочие поверхности которых представляют собой круглую трубу
Автор защищает
математические модели нестационарных процессов тепло - и массопереноса и результаты проведенных на их основе численных исследований в области определения критических тепловых режимов течения нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и в реакторе гомофазной полимеризации с учетом наличия в потоке внутренних источников тепловыделения,
алгоритмы и методы численной реализации математических моделей стационарной и нестационарных задач теплообмена при ламинарном течении нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и в реакторе гомофазной полимеризации,
установленные условия возникновения прогрессивного нарастания температуры при ламинарном течении нелинейно-вязких жидкостей в круглой трубе и в реакторе гомофазной полимеризации. Реализация работы. Работа выполнялась в рамках Федеральной
целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы (Государственный контракт № 02 434 11 5009), программы Президиума РАН («Исследование вещества в экстремальных условиях») и гранта РФФИ (№ 05-08-50043)
Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором под руководством члена-корреспондента РАН, дтн [Назмеева Ю Г |
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на следующих конференциях и научных семинарах Ежегодные аспирантские научные семинары Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, 2005-2007 гг, Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию г Казани, Казань, 2005 г, V Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В Е Алемасова, Казань 2006 г, Третья межрегиональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Смоленск, 2006 г, XXVI Российская школа по проблемам науки и технологии, Миасс 2006 г, 18-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция, Казань, 2006 г, Национальная конференция по теплоэнергетике НКТЭ-2006, Казань, 2006 г, Итоговые научно-технические конференции КазНЦ РАН, Казань, 2006-2007 гг, XV Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2007 г, XXI Всероссийский семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Новосибирск, 2007 г
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 154 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения Работа содержит 9 таблиц и 46 рисунков Список использованной литературы содержит 121 наименование
