Введение к работе
Актуальность проблемы. Массообменные процессы, сопровождающиеся значительными тепловыми эффектами, получили широкое распространение в промышленности. Это процессы поглощения нитрозных или сернистых газов водой, поглощение аммиака водно-аммиачным раствором, десорбция газов из жидкостей, холодильные циклы, построенные на водных растворах LiBr, LiI и др.
Традиционно для решения проблемы стабилизации температуры используют теплообменные аппараты, работающие совместно с массообменными, однако это приводит к усложнению схемы производства и росту капитальных затрат. Альтернативным методом является применение специальных контактных устройств, включающих теплообменные элементы. Широко распространены устройства, предназначенные преимущественно для проведения процесса массопереноса (тарельчатые и вихревые). В других видах оборудования осуществляется преимущественно процесс теплообмена (например, пленочные аппараты).
В связи с этим разработка и исследование высокоэффективных контактных устройств, позволяющих работать в условиях заданных температурных режимов в аппарате и имеющих высокую эффективность тепло- и массооб-менных процессов, значительную производительность, низкое гидравлическое сопротивление, является актуальной задачей в научном и практическом плане.
Целью настоящей работы является разработка нового высокоэффективного контактного устройства для сорбционных массообменных процессов; исследование гидравлических, массообменных и теплообменных характеристик; разработка методики расчета устройства; разработка рекомендаций для промышленного использования.
Научная новизна. Исследованы массообменные и теплообменные характеристики, гидравлическое сопротивление и гидродинамика потоков в наса-дочном контактном устройстве, состоящем из регулярной сетчатой насадки со встроенными пластинчатыми теплообменными модулями и без них.
Уточнены коэффициенты в уравнениях для расчета: активной поверхности насадки при плотности орошения 0,0015…0,0135 м3/(м2с); скорости начала захлебывания; гидравлического сопротивления орошаемой насадки; коэффициента сопротивления сухой насадки при расходе жидкости 0,005…0,077, газа 0,0016…0,011 кг/с.
Экспериментально получены коэффициенты в зависимостях для определения объемного и поверхностного коэффициентов массоотдачи, высоты единицы переноса при массовых скоростях газа 0,5…3,5, жидкости 1,5...24,5 кг/(м2с) для различных модификаций устройства. Установлено, что увеличение объемной доли сетчатой насадки приводит к повышению эффективности массоотдачи.
Уточнены коэффициенты критериального уравнения для расчета теплоотдачи от стекающей пленки жидкости к стенке (при Reпл < 2000).
Практическая значимость. Разработана конструкция контактного устройства для проведения массообменных процессов со значительным выделением или поглощением тепла. Новизна устройства подтверждена патентом на полезную модель (Пат. 141 498 РФ).
Разработан конструктивный ряд типоразмеров блочно-модульной насадки для наиболее распространенных в промышленности колонн стандартных диаметров от 500 до 1800 мм, используемый ООО «РМЦ-СЕРВИС» и Федеральным казенным предприятием «Завод им. Я. М. Свердлова» при проектировании колонны поглощения нитрозных газов в производстве тринитротолуола.
Разработана и внедрена в ООО «ДзержинскНИИОГАЗ», ООО «Проммаш Инжиниринг» и ФКП «Завод им. Я. М. Свердлова» методика инженерного расчета контактного устройства, позволяющая определить рабочую скорость газа, размеры блока, количество блоков в аппарате и их модификации (по количеству теплообменных модулей в каждом блоке).
Лабораторные установки (с колоннами диаметром 200 и 500 мм) используются в учебном процессе в курсах «Машины и аппараты предприятий основной химии», «Машины и аппараты химических производств» ДПИ НГТУ им. Р. Е. Алексеева для изучения гидродинамики и массообмена в насадочных колоннах с теплообменными модулями.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13 всероссийских и международных конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы. Работа изложена на 184 страницах, включает 74 рисунка, 16 таблиц, 113 библиографических ссылок.