Введение к работе
Актуальность проблемы. Задача развития, совершенствования и повышения эффективности технологического оборудования с двух и трехфазными системами и процессов массопереноса в них связана с глубокой проработкой физико-химических, гидродинамических, энергетических, кинетических характеристик и тепло-массообменных процессов в условиях нестационарного движения фаз с учетом конструктивных особенностей аппарата. Решение этой задачи возможно при комплексном рассмотрении нестационарного движения газовой и жидкой фаз и подвижной дисперсной фазы (элементов насадки или катализатора) в аппаратах интенсивного действия. Важен также единый методологический подход к расчету энергетических и кинетических характеристик, движущей силы процесса, тепло-массообменных характеристик и поверхности контакта фаз, позволяющий сократить трудозатраты по оценке качества конструкторских и проектных решений. Разработка методики расчета аппаратов с трехфазным слоем с учетом влияния их конструктивного оформления и реальной гидродинамики фаз является актуальной задачей.
Цель работы. Создание инженерной методики расчета процесса массопереноса в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем, включающей разработку физических и математических моделей, алгоритмов и программ расчета: кинетических характеристик, движущей силы и поверхности контакта фаз, процессов массопереноса в аппаратах с трехфазными псевдоожиженными слоями с учетом нестационарности движения фаз на единичном элементе насадки и в капле.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить анализ исследований по динамике движения газовой и жидкой фаз с энергетическими затратами на реализацию их движений;
- создать физическую и математическую модели движения фаз в секции с трехфазным псевдоожиженным слоем, алгоритм и программу для расчета кинетических характеристик и нестационарной поверхности контакта фаз;
- создать математическую модель и программу для расчета скоростей движения пленки жидкости по поверхностям насадки, стенок аппарата и в отверстиях газораспределительной решетки;
- создать математическую модель и программу для расчета движущей силы процесса массопереноса при нестационарной изотермической абсорбции на микроуровне в газовой ячейке и в секции аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем с учетом конвективного и диффузионного массопереноса.
Научная новизна работы:
- разработаны физическая и математическая модели движения газовой и жидкой фаз в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем, алгоритм и программа для расчета скоростей движения фаз с использованием полуэмпирической (К-) модели теории турбулентности;
- установлена взаимосвязь между масштабами энергоемких пульсаций газовой фазы и амплитудами пульсации жидкой и твердой дисперсной фазами, затратами потенциальной и кинетической энергии;
- разработана математическая модель и программа для расчета скоростей движения пленки жидкости по элементу поверхности: насадки, стенки аппарата и в отверстии газораспределительной решетки с учетом турбулентного характера движения газовой и жидкой фаз;
- согласно физической и математической моделей движения фаз в секции аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем и в газовых ячейках усовершенствована двухпараметрическая модель нестационарной абсорбции на микроуровне с учетом конвективного и диффузионного потоков как на границе раздела фаз в движущихся пленках и каплях жидкости, так и в целом по газовой ячейке.
Практическая ценность и реализация работы.
На основе разработанных математических моделей созданы алгоритмы и методика инженерного расчета по проектированию массообменных и пылеулавливающих аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем.
Разработанная методика расчета кинетических и массообменных характеристик использована при расчете процессов: процесса физической абсорбции и хемосорбции для очистки газовых выбросов в скрубберах производства нитроаммофоски для очистки газовых выбросов от NH3, NOx, HF, SiF4; SO2, и пыли в производстве синтетических моющих средств.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Ивановского государственного химико-технологического университета в курсах ПиАХТ и МАХП.
Автор защищает:
1. Энергетический подход к построению физической и математической модели движения газовой и жидкой фаз в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем.
2. Математическую модель, учитывающую амплитудно-частотные параметры трехфазной системы, алгоритм и программу расчета кинетических характеристик и мгновенной поверхности контакта фаз.
3. Математическую модель, алгоритм и программу расчета движущей силы процесса массопереноса и массового потока в газовой и жидкой фазах, учитывающих амплитудно-частотные характеристики движения фаз, равновесие и химическое взаимодействие фаз.
4. Инженерную методику расчета нестационарного изотермического процесса абсорбции и хемосорбции, учитывающую одновременный конвективный и диффузионный массоперенос на границе раздела фаз в пленках и каплях жидкости.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научных конференциях: международная научная конференция «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (г. Иваново, 2007); седьмая международная научная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования» (г. Иваново, 2005г.); XVIII международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ – 2004» (г. Москва, 2004г.); международных студенческих научных конференциях «Фундаментальные науки – специалисту нового века» (г. Иваново, 2002 – 2004 гг.); второй китайско-российско-корейский международный симпозиум по химии и технологии новых материалов (г. Иваново, 2003г.); третья международная научно-практическая конференция «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (г. Пенза, 2001г.); пятая международная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования» (г. Иваново, 2001г.); Third international students’ conference «environment, development, engineering» (Poland, Cracow, 2001г.); международная конференция и пятый международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Москва, 2001г.); международная студенческая конференция «Развитие, окружающая среда, химическая инженерия» (г.Иваново, 2000г.); международная научная конференция «Жидкофазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии» (г. Иваново, 1999 г.).
Структура и объём диссертационной работы.
Работа состоит из введения, шести глав, содержащих обзор литературы, постановку задачи исследований, разработку физических и математических моделей, алгоритмов и программ расчета, описание методик экспериментов, обработку результатов исследований и представление адекватности, области использования и рекомендации по промышленному внедрению; общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 181 страницах, включает 37 рисунков, 3 таблицы, библиография 121 наименование и 5 приложений.
