Гидродинамика и массообмен в аппаратах со струйно-пленочным контактом фаз Мадышев Ильнур Наилович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В химической, нефтехимической и
нефтеперерабатывающей отраслях промышленности применяются разные

массообменные процессы и аппараты. В основном эффективность протекания таких процессов определяется совершенством используемых контактных устройств, причем от их конструкции в значительной степени зависят материальные и энергетические затраты.

В настоящее время в промышленности широко используются аппараты с тарельчатыми и насадочными контактными устройствами, имеющими ряд недостатков. В тарельчатых колонных аппаратах необходимо предусматривать зоны сепарации, которые существенно увеличивают объем аппарата и, как следствие, металлоемкость. В насадочных колоннах наблюдается неравномерность распределения жидкой и газовой фаз в поперечном сечении рабочей зоны, что существенно снижает эффективность массообменных процессов.

Пленочная массообменная аппаратура наиболее перспективна для проведения процессов ректификации под вакуумом, абсорбции газов при пониженных давлениях, так как она обладает низким гидравлическим сопротивлением и отличается высокой массообменной эффективностью. Исследованию пленочных течений жидкости в массообменных аппаратах посвящены научные работы следующих авторов: Кафаров В.В., Жаворонков Н.М., Малюсов В.А., Олевский В.М., Каган А.М., Кулов Н.Н., Холпанов Л.П., Николаев Н.А., Лаптев А.Г., Войнов Н.А. и др. Ими разработаны и исследованы наиболее перспективные типы пленочных массообменных аппаратов, получены критериальные уравнения, описывающие массоотдачу в стекающей пленке жидкости, массоперенос от газа к пленке и многое другое. Однако, несмотря на достигнутые результаты, требуется разработка новых контактных устройств, основанных на использовании пленочных режимов течения жидкости, способных обеспечить повышение пропускной способности действующих колонных аппаратов при сохранении высокой эффективности массообменного процесса.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы являлась разработка эффективных аппаратов на основе использования струйно-пленочных контактных устройств применительно к процессам ректификации, абсорбции, десорбции и испарения.

В непосредственные задачи исследования входили:

1. на основе анализа недостатков существующих тепломассообменных аппаратов, предназначенных для проведения процессов ректификации, абсорбции, десорбции и испарения, разработка новых конструкций контактных устройств, сочетающих в себе высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление и высокую эффективность протекания процесса;

2. исследование гидрогазодинамики в разработанных тепломассообменных аппаратах с целью повышения его эффективности и пропускной способности;

3. разработка математического описания для расчета процесса массопередачи на контактной ступени струйно-пленочного устройства, проведение экспериментальных исследований струйно-пленочных контактных устройств для проверки достоверности математического описания в зависимости от различных массовых нагрузок по газу и жидкости;

4. на основе анализа влияния гидравлического сопротивления колонны и эффективности контактной ступени подбор конструктивных параметров

предлагаемых контактных устройств;

5) на основе анализа математического описания разработка инженерной методики

расчета предлагаемых контактных устройств для процессов тепло- и массообмена.

Научная новизна работы:

5. экспериментальным путем получены зависимости гидравлического сопротивления от среднерасходной скорости газа и плотности орошения в разработанных конструкциях струйно-пленочных контактных устройств;

6. получены экспериментальные зависимости длины до распада турбулентных свободных осесимметричных струй от объемного расхода жидкости при ее диспергировании из барботажного слоя;

7. на основе применения однопараметрической диффузионной модели получены уравнения для расчета процесса массопередачи на контактной ступени струйно-пленочного устройства, получены зависимости эффективности контактного устройства от соотношения удельных расходов фаз, ширины контактного элемента, уровня жидкости в нем, средней толщины стекающей пленки;

8. получены и обобщены экспериментальные зависимости эффективности тепломассопереноса на контактной ступени предлагаемого устройства от отношения массовых расходов жидкой и газовой фаз, среднерасходной скорости газа, плотности орошения.

Обоснованность и достоверность результатов математического

моделирования подтверждается использованием фундаментальных уравнений сохранения и переноса массы и импульса, а также удовлетворительным согласованием рассчитываемых и экспериментальных данных. Надежность опытных данных подтверждается их воспроизводимостью в однотипных сериях экспериментов, а также использованием для их получения современного, сертифицированного и поверенного оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы:

9. разработаны конструкции контактных устройств для тепломассообменных процессов и аппаратов (патенты РФ № 152191, № 2559496, № 156379, № 165690);

10. получены экспериментальные зависимости гидравлического сопротивления струйно-пленочных контактных устройств от среднерасходной скорости газа и плотности орошения;

11. получены экспериментальные данные по структуре потока газа в аппаратах со струйно-пленочными контактными устройствами;

12. получены аналитические выражения для расчета процесса массопередачи на контактной ступени струйно-пленочного устройства;

13. разработана инженерная методика расчета струйно-пленочного контактного устройства, обеспечивающая возможность определения гидравлического сопротивления сухой и орошаемой контактной ступени и ее эффективности по Мэрфри при различных нагрузках по газу и жидкости;

14. предложенная конструкция струйно-пленочных контактных устройств принята к внедрению на ПАО «Нижнекамскнефтехим», ПАО «Нижнекамскшина» г. Нижнекамск с целью повышения эффективности работы тепломассообменных аппаратов.

Методологическая основа и методы исследования:

15. численное моделирование гидрогазодинамики аппаратов со струйно-пленочными контактными устройствами в программном комплексе ANSYS Fluent;

16. проведение экспериментальных исследований гидрогазодинамики и

тепломассообмена в аппаратах со струйно-пленочными контактными устройствами;

3. статистическая обработка и обобщение экспериментальных данных;

4. математическое моделирование процесса массопередачи на контактной ступени струйно-пленочного устройства на основе применения однопараметрической диффузионной модели.

На защиту выносятся:

1. результаты теоретического и экспериментального исследований работоспособности разработанных контактных устройств в зависимости от различных конструктивных параметров и нагрузок по газу и жидкости;

2. математическое описание массообменного процесса в разработанных аппаратах со струйно-пленочными контактными устройствами;

3. инженерная методика расчета конструктивных параметров струйно-пленочного контактного устройства, учитывающая различные нагрузки по жидкости и газу.

Личный вклад автора. Все результаты численных и физических экспериментов, представленные в диссертации, получены лично автором. Обсуждения результатов исследований проводились совместно с научным руководителем д.т.н., доцентом Дмитриевым А.В. В работе активное участие принимала к.т.н. Дмитриева О.С.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной
научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития химии,
нефтехимии и нефтепереработки» (Нижнекамск, 2014); Научном форуме с
международным участием XLIII «Неделя науки СПбПУ» (Санкт-Петербург, 2014);
I Международной научно-практической конференции «Естественные и технические
науки: опыт, проблемы, перспективы» (Ставрополь, 2015); Всероссийской научно-
практической конференции «Тенденции развития химии, нефтехимии и
нефтепереработки» (Нижнекамск, 2015); XXVIII Международной научной
конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-28»
(Ярославль, 2015); Международной конференции «IX Семинар ВУЗов по
теплофизике и энергетике» (Казань, 2015); Четвертой Всероссийской научно-
технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов,
промышленная безопасность и экология» (Казань, 2015); IX Молодежной научно-
практической конференции АО «ТАНЕКО» (Нижнекамск, 2016); Российско-
американской научной школе-конференции «Моделирование и оптимизация
химико-технологических процессов и систем РАШХИ-2016» (Казань, 2016); на
ежегодных научных сессиях КНИТУ (Казань, 2014, 2015, 2016); IV

Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2016), VII Международной научно-технической конференции «Инженерное дело: взгляд в будущее» (Омск, 2016), Всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения» (Самара, 2016).

По результатам исследований автору была присуждена специальная государственная стипендия Республики Татарстан (2015), стипендия Президента Российской Федерации (2016/2017 учебный год). Мадышев И.Н. отмечен дипломом победителя I степени конкурса «Лучший молодой ученый Республики Татарстан – 2015» в номинации «Лучший аспирант в области технических наук».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание
диссертации соответствует паспорту специальности 05.17.08 – «Процессы и
аппараты химических технологий» в следующих областях: способы, приемы и
методология исследования гидродинамики движения жидкости, газов;

исследования массообменных процессов и аппаратов; методы изучения и создания ресурсо- и энергосберегающих процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 19 статей в научных изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в журналах, включенных в базу SCOPUS, 4 патента РФ на полезные модели и изобретения, 8 докладов на международных и всероссийских научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, содержащих основные результаты исследования, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 110 наименований и приложения. Общий объем диссертации – 130 страниц, содержит 77 рисунков и 3 таблицы.