Введение к работе
Актуальность работы
Процессы перемешивания одно- и многофазных сред широко применяются в химической, нефтехимической и смежных с ними областях промышленности. В ряде случаев эффективное перемешивание является одной из важнейших стадий производства и определяет успех технологического процесса в целом.
Способы перемешивания и конструкции аппаратов для их осуществления весьма разнообразны и зависят от агрегатного состояния, физических свойств исходных материалов, а также требований, предъявляемых к получаемой смеси. В промышленном производстве широкое распространение получили объемные аппараты с перемешивающими устройствами, а в последние десятилетия и статические смесители насадочного типа, которые просты в изготовлении и эксплуатации, обладают высокой производительностью при малом объеме, не содержат внутренних подвижных элементов, легко встраиваются в существующие технологические линии и имеют большие перспективы эксплуатации.
Однако следует отметить, что практика использования статических смесителей опережает теорию. Существует необходимость сбора и анализа уже имеющихся теоретических и экспериментальных данных, характеризующих эффективность работы статических смесителей насадочного типа. Требуют дополнения расчетные и эмпирические данные по смесителям с нерегулярным насадочным слоем. Необходимо создать программное обеспечение, позволяющее перенести полученные результаты и выводы в практическую плоскость.
Выработка научно-обоснованных методов расчета и проектирования статических смесителей с насадочным слоем, в основе которых должен лежать анализ гидродинамики, оказывающей определяющее влияние на характеристики перемешивания, скорость массопередачи и макрокинетику химических реакций, обусловливает актуальность проводимых исследований.
Целью работы является развитие методов расчета и проектирования статических смесителей, выработка научно-обоснованных технических решений при внедрении их в производство, позволяющих обеспечить необходимую эффективность работы аппаратов данного типа при минимуме капитальных и эксплуатационных затрат.
Задачи исследования:
-
Изучение современного состояния исследований процессов, протекающих в статических смесителях насадочного типа. Анализ методов оценки эффективности использования подобных аппаратов.
-
Экспериментальные и численные исследования взаимосвязей между характеристиками работы статических смесителей с их конструктивным исполнением и режимами работы.
-
Анализ современных подходов и методов численного моделирования гидродинамики потока в аппаратах с насадочным слоем. Выбор методов, позволяющих найти компромисс между вычислительными затратами и достоверностью полученных результатов.
-
Совершенствование и расширение возможностей методов расчета и проектирования статических смесителей, позволяющих выработать научно-обоснованные технические решения при внедрении их в производство.
Научная новизна:
1. На основании собственных экспериментальных данных получены
зависимости перепада давления от типа, размера насадочных элементов, высоты
насадочного слоя, плотности упаковки, диаметра рабочей части смесителя и
скорости потока для статических смесителей с насадочными элементами
“Инжехим” различных размеров; получены экспериментальные данные по
гидродинамической структуре потока.
-
Показана возможность успешного использования метода Stereo PIV для экспериментального определения трехкомпонентных полей скорости в поперечном сечении аппарата за нерегулярным насадочным слоем.
-
Разработана методика численного моделирования гидродинамики потока в статических смесителях насадочного типа.
-
Для статических смесителей с насадками “Инжехим” и кольцами Рашига численным решением уравнений движения сплошной среды получены поля скорости, давления, удельной кинетической энергии турбулентности, скорости ее диссипации, и другие характеристики, которые выражаются через эти искомые величины. Обработка результатов численного эксперимента позволила получить зависимость эффективности перемешивания от высоты насадочного слоя.
Теоретическая и практическая значимость.
Спроектирована и собрана экспериментальная установка для изучения гидродинамических характеристик проточных аппаратов, которая может быть использована как в научных, так и в образовательных целях.
Разработана конструкция специального устройства подготовки потока, которое равномерно перераспределяет поток по сечению аппарата, уменьшая воздействие эффектов, возникающих на входе в смеситель.
Получены экспериментальные данные по гидродинамической структуре потока в статических смесителях с нерегулярной насадкой.
Получены аналитические выражения для расчета перепада давления и эффективности перемешивания, которые могут быть использованы в инженерных методах расчета статических смесителей насадочного типа.
Создан программный комплекс для расчета и оптимизации статических смесителей, который позволяет автоматизировать процесс принятия инженерных
решений при проектировании, улучшить качество проектных решений и сократить временные затраты на их получение.
Статические смесители, рассчитанные и спроектированные на основе
проведенных исследований, успешно эксплуатируются на предприятиях: ООО
«Энергооборудование» (г.Самара), ПАО «Нижнекамскнефтехим»
(г.Нижнекамск), ОАО «ГМС Нефтемаш» (г.Тюмень), АО «Танеко»
(г.Нижнекамск), ОАО «Димитровградхиммаш» (г.Димитровград), ООО
«Тобольск-нефтехим» (г.Тобольск), что подтверждается актом внедрения.
Методологическую основу исследования составили методы
математического и физического моделирования, элементы статистики,
проектирования информационных систем и программирования. Теоретической базой послужили труды отечественных и зарубежных исследователей в области химической технологии.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты экспериментальных исследований по определению перепада
давления и гидродинамической структуры потока в статических смесителях с
нерегулярной насадкой “Инжехим” различных размеров; результаты
экспериментальных исследований по изучению полей скорости за слоем насадочных элементов методом Stereo PIV.
Методика и результаты численного моделирования гидродинамики потока в статических смесителях с насадочным слоем.
Методика сравнительного анализа и программное обеспечение для проектирования и оптимизации работы статических смесителей насадочного типа.
Личный вклад автора.
Данные численных и физических экспериментов, приведенные в
диссертационной работе, получены автором лично и при его непосредственном
участии. Им спроектирована и собрана экспериментальная установка для
изучения гидродинамических характеристик проточных аппаратов, а также
создано программное обеспечение системы автоматизированного
проектирования статических смесителей.
Степень достоверности.
Достоверность работы подтверждается согласованностью результатов численного моделирования с собственными экспериментальными данными и данными экспериментов и теоретическими расчетами из литературных источников; успешной промышленной эксплуатацией статических смесителей насадочного типа, рассчитанных и спроектированных на основе проведенных исследований.
Апробация результатов.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на
международной научно-технической конференции по машиностроительной
технологии «ИМТОМ-2013» (г.Казань, 2013), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г.Пенза, 2014), XXVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-28» (г.Ярославль, 2015), а также ежегодных научных сессиях Казанского национального исследовательского технологического университета, 2013 – 2015 гг. По результатам исследований, выполненных в рамках диссертации, автору была присуждена стипендия Правительства Российской Федерации (2014/2015 учебный год).
Научные публикации.
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ. Среди них 13 статей в журналах из перечня рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК; 3 – в материалах конференций.
Объем и структура работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы и приложения. Основной текст работы изложен на 164 страницах машинописного текста, содержит 114 рисунков и 28 таблиц. Список использованных источников включает 191 наименование.