Введение к работе
Актуальность проблемы. Основным оборудованием химического пред-риятия независимо от вида выпускаемой продукции, является тепло- и массо-бменные аппараты, от совершенства конструкций которых во многом зависит ффективность производства, а также его соответствие жестким экологическим ребованиям. Для проведения этих процессов широко применяются полые, на-адочные и тарельчатые контактные устройства. Они имеют низкую интенсив-ость, высокое гидравлическое сопротивление и не пригодны для обработки ильио загрязненных твердыми примесями потоков газа и жидкости.
Одним из основных направлений более полного использования энергии по-оков, для повышения эффективности технологических процессов является оздакие вихревой структуры газожндкостного слоя. В этом плане перспектнв-ы аппараты с регулярной насадкой, разработанные на основе закономерно-тей. выявленных открытием Южно-Казахстанского государственного уннвер-итета им. М.Ауезова (авторы О.С. Балабеков, В.Ф. Петин) «Явление последо-ателыюго взаимодействия вихрей при отрывном обтекании вдоль него тел» іоложнтельное решение РАЕН от 1 февраля 1999 г.) . Среди них наибольший итсрес, благодаря широкому диапазону рабочих скоростей, низким энергоза-ратам, высокой эффективности и условиях работы с выеококонцентрировап-ымн поглотителями, представляют вибрирующие пластинчатые насалочнме пемспты, которые более эффективно используют энергию газового и жплко-тного потоков.
Однако, в настоящее время, отсутствую! результаты исследований влияния пбпаинопного движения пластинчатом насадки на гидродинамику и массооб-сн, что сдерживает их применение в промышленности.
Работа выполнялась в соответствии с межвузовской научно-технической рограммоп Министерства образования, культуры и здравоохранения Рсспуб-нки Казахстан по теме "Разработка и создание технологии, способов и обору-овання для экологических безопасных производств, очистки и утилизации ромышленных отходов" па 1496-1998 гл.. регионально)! научно-технической рограммоп Министерства науки - НАН РК по теме "Разработка и опытно-ромышленное освоение ресурсе- и энергосберегающих адаптированных тсх-олопііі для предприятий фосфорной отрасли" (шифр НТП Р.0167) на 1998-[)00 г.г.
Цель работы: Разработка высокоэффективного аппарата с регулярной пла-гннчатой вибрирующей насадкой (РПВН), создание научно-обоснованной ме-эднкн расчета, опытно-промышленная проверка и внедрение его в промыш-гнность.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
выявление механизма взаимодействия фаз в слое вибрирующих пластинчатых элементов;
установление гидродинамических и массообменных особенностей работы аппарата с регулярной пластинчатой вибрирующей насадкой;
оценка достоверности основных результатов исследований в промышленных условиях;
разработка методики расчета и рекомендаций по проектированию и эксплуатации аппаратов РПВН.
Научная новизна:
установлено, что закономерности явления последовательного взаимодействия вихрей при отрывном обтекании газом или жидкости системы дискретно расположенных вдоль него тел (Балабеков О.С, Петин В.Ф., 1992 г.) характерны и для условий вибрационного движения элементов насадки. Полупериод-ные и периодные режимы одновременного вихреобразования возникают при расположении пластин вдоль газового потока на расстояниях, кратных двум и четырем размерам их ширины;
на основании анализа сил, действующих со стороны газового и жидкостного потоков на свободные концы пластинчатых вибрирующих элементов, предложены уравнения для определения частоты вибрации и амплитуды колебании;
исходя из анализа сил, действующих па пленку жидкости на вибрнрую-шейся плоской поверхности, и предложенного механизма дробления ее на кромке пластины с образованием струек, распадающихся на капли, получены уравнения для расчета размеров и скоростей течения этих жидкостных структур, учитывающие параметры вибрационного движения пасалочиых элементов it вихревого взаимодействия потоков к слое регулярной насадки;
предложены расчетные зависимости для определения коэффициентов сопротивления и гидравлического сопротивления в однофазном и двухфазном потоках, базирующиеся на выявленных закономерностях взаимодействия вихрей в условиях вибрационного движения свободных концов пластинчатой насадки;
определены параметры рационального расположения регулярных пластинчатых вибрирующих насадок в объеме рабочей зоны аппарата, при которых достигается наибольшая интенсивность массопереноса в газовой и жидкой фазах;
исходя из предложенных моделей переноса массы в сплошном потоке вихрями небольшого масштаба, образуемыми вблизи поверхности раздела фаз при пульсационном изменении её формы, получены зависимости для определения коэффициентов массоотдачн в газовой и жидкой фазах.
Практическая ценность. Разработана новая конструкция аппарата с регулярной пластинчатой вибрирующей насадкой, защищенная предварительным патентом РК (решение о выдаче предварительного патента РК по заявке N 961039.1 от 31.12.96 г.)
Результаты лабораторных исследований, опытно-промышленных и промышленных испытаний созданного аппарата с регулярной пластинчатой вибрирующей насадкой, представленные в виде графических зависимостей, методики расчета и табличных данных, могут быть использованы инженерно-техническими и научными работниками различных отраслей промышленности, проектных и научно-исследовательских институтов при разработке технических заданий, технических условий, типоразмерных рядов и нормалей, проектировании и эксплуатации.
Апробация практических результатов работы в промышленности. Разработанная методика расчета гидродинамических и массообменных характеристик и рекомендации по проектированию промышленных аппаратов РПВН использовались при разработке новых конструкций абсорбционных аппаратов и реконструкции существующих на АО "Актюбинский завод хромовых соединений" в производствах:
сернистого натрия, где в технологической схеме очистки газопылевых выбросов, отходящих от шахтной печи испытан аппарат РПВН диаметром 1,2 м и высотой 6,0 м;
хромового ангидрида, где реконструированная технологическая схема эчистки газов, отходящих от реактора хромового ангидрида включала 2 аппарата РПВН (один диаметром 1,8 м и высотой 8,5 м, другой диаметром 1.2 м и высотой 4,0м);
хромового дубителя, где для получения сульфита хрома восстановлением дихромата натрия диоксидом серы использованы три абсорбера диаметром 0,9 vi и высотой - первый 6,0 м; второй - 6,25 м; третий - 5,0 м.
Эффективность внедрения аппаратов составила: по производству хромоно-"о ангидрида - 449,6 тыс.руб/год (п цепах 1989 года); по производству хромо-юго дубителя - 76445 долл. США в год.
Основные научные положения, ныпоспмыс на защиту:
-результаты экспериментальных исследований гидродинамики и процессов иассообмена в аппарате с РПВН в широком диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров;
-результаты исследований частоты и амплитуды вибраций в зависимости )т режимных и конструктивных параметров аппарата РПВН;
-уравнения, описывающие влияние вибрационного движения свободных сонцов пластинчатой насадки на гидродинамику и массообмен;
-методика проектирования, расчета и эксплуатации промышленных аппа->атов с РПВН.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической и учебно-методической конференции «Актуальные проблемы науки, технологии, производства и образования» (г. Шымкент, 1993г.); Международной научной конференции «Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики» (г.Караганда, 1997 г.); Международной научно-теоретической и научно-методической конференции «Наука и образование - 97» (г. Шымкент, 1997г.); Международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030» (г. Караганда, 1998 г.); Международной научно-технической и учебно-методической конференции «Наука и образование - эффективные рычаги реализации стратегии «Казахстан - 2030» (г. Шымкент, 1998 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных трудов и получен 1 предварительный патен РК .
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части, заключения, списка использованных источников и приложений, включающих материалы и документы, подтверждающие промышленные внедрения и экономическую эффективность результатов работы.2