Введение к работе
Актуальность проблемы. Процессы разделения являются важнейшими элементами химической технологии . В связи с этим больиое значение имеет разработка высокоэффективных аппаратов данного класса, отвечающих условиям сбережения энергии и материальных ресурсов, уменьшения капитальных затрат, повышения надежности, обеспечивающих при этом интенсификацию действующих и проектируемых производств.
Одним из перспективных направлений в области аппаратостроения являются сепарационные устройства, использующие эффект действия поля центробежных сил. позволяющие наиболее полно реализовать преимущества новых энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Центробежные аппарата характеризуются высокой эффективностью. простотой конструкции и низкой металлоемкостью. Применение данного типа оборудования позволяет также существенно интенсифицировать процесс массообмена за счет увеличения скорости движения фаз.
В настоящее время центробежке аппараты начинают активно внед-.рять в производствах самых разнообразных химических продуктов: аммиака, метанола, азотной кислоты, капролактама. а также для решения экологических проблем.
Однако необходимо отметить, что имеющаяся неоднозначность результатов экспериментальных и теоретических исследований процессов. проходящих в поле действия центробежных сил. а также разнообразие технологических параметров и способоз создания закрученного потека привело к появлению многочисленных математических моделей и конструкций аппаратов, которые применимы только в узком диапазоне заданных параметров. Разрабатываемые центробежные аппараты рассчитываются. как правило, с использованием эмпирических зависимостей. основанных на измерении лпсь интегральных характеристик процесса.
- г -
По этой причине не всегда удается достичь оптимальности в решении вопросов сепарации двухфазных сред, что выражается в наличии высокого гидравлического сопротивления центробежных сепараторов-, возникновении в них вторичного уноса, чувствительности к колебаниям нагрузки по Сазам, и, как следствие, пониженной эффективности ведения технологических процессов. В связи с этим возникает необходимость дальнейших глубоких исследований гидродинамики газожидкостных закрученных потоков, позволяющих детально выяснить картину процессов, протекающих на микро- и макроуровне, и соответственно,повысить точность и надежность проектирования центробежных аппаратов.
Ввиду сложности и многообразия режимов существования закрученных двухфазных течений целый ряд необходимых для конструирования аппаратов вопросов остается недостаточно изученным. Поскольку эффективность сепарации определяется требованиями конкретного процесса, больное значение приобретает правильный расчет скоростей движения фаз, при которых достигается высокая степень разделения без возникновения вторичного уноса. При этом необходимо обеспечить строгое соблюдение технологических параметров процесса и отвод от-сепарированной жидкости из зоны контакта фаз. Однако_ решение этих задач затруднено, поскольку нет полной ясности относительно режимов течения.пленки в нисходящих закрученных газожидкостных потоках, условий рационального отвода отсепарированной пленки жидкости и степени влияния отвода жидкости на структурные характеристики газожидкостного потока. Без решения этих, а также ряда других вопросов дальнейшая оптимизация процессов газожидкостного разделения становится трудноразрешимой задачей.
Анализ работы отечественных промышленных агрегатов _ получения лу.уплк; и. .метанола показывает . что несовершенство стадий подготов-
ки технологического газа и выделения готового продукта приводит к неоправданным потерям последнего, перерасходу сырья и энергоресурсов. Интенсификация сепарационных процессов при получении аммиака и метанола является актуальной задачей, а также имеет большое прикладное значение в других производствах химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и микробиологической промышленности.
Наряду с сепарацией изучение гидродинамики закрученных газожидкостных потоков имеет важное значение и в процессах массоперено-са. Известно, что увеличение скорости движения фаз в массообменных устройствах приводит к резкому возрастанию коэффициента массоопере-дачи. но одновременно сопровождается ростом потерь продукта за счет уноса. Малоизученность данного вопроса не позволяет достаточно сироко и эффективно использовать центробежный эффект в массообменных аппаратах. Очевидные преимущества закрутки потоков, такие как снижение габаритов массообменных аппаратов при росте производительности, снижение уноса и увеличение эффективности массообмека делают решение данной задачи достаточно актуальным.
Указанные выше недостаточно изученные теоретические и прнклад-ные вопросы гидродинамики закрученных газожпдкостных потоков, а также очевидная актуальность' их решения обусловили необходимость дальнейшего исследования данных процессов.'
Цель работы. Еыявленне особенностей гидродинамики двухфазных газожидкостных систем в поле центробежных сил. Разработка и внедрение в инженерную практику методов расчета и моделирования аппаратов с закрученным газожидкостным потоком, обеспечивающих проведение высокоэффективных процессов разделения и массообмека газожидкостных смесей. Создание на основе полученных технических решений новых типов оборудования для разделения газожидкостных систем б центробеж-
ном поле. Разработка на их базе современного аппаратурно-технологн ческого оформления сепарациовных и массообменных процессов, внедре ние которых внесет значительный вклад в ускорение научно-техничес кого прогресса в азотной и других отраслях химической промышленности.
Научная новизна работы. Впервые.исследованы в широком диапазоне изменения гидродинамических и физических параметров режимы течения пленки жидкости в условиях нисходящего закрученного прямотока. Установлено влияние различных параметров на режимы течения пленки и определены границы возникновения вторичного уноса. Обобщен обширный экспериментальный материал по режимам течения жидкой пленки в винтовом канале центробежного сепаратора в виде эмпирических зависимостей. Получены новые критериальные уравнения, позволяющее определить критические параметры движения газа и пленки жидкости, при которых происходит нарушение гидродинамической устойчивости пленки и возникает вторичный унос.
Экспериментально определены профили скорости и пульсаций компонент скорости в винтовом канале с непроницаемой внешней стенкой и с отсосом газовой фазы на внешней стенке канала. Разработана математическая модель для определения профиля тангенциальной, скорости потока в винтовом канале.
Экспериментально исследовано влияние скорости газовой фазы на эффективность сепарации и трансформацию дисперсного состава капельной жидкости в винтовом канале.
Экспериментально исследовано влияние отсоса газа на структурные характеристики газового потока, эффективность сепарации и трансформацию дисперсного состава капель в винтовом канале с прони-цемоп внешней стенкой.
Разработана математическая модель процесса сепарации капель, учитывающая дисперсный состав капель и особенности движения капель в винтовом канале. Разработана методика инженерного расчета центробежного винтового сепарациснного устройства. .
Проведены экспериментальные исследования гидродинамических и массообменных характеристик центробежного абсорбера. Показана более высокая его эффективность в сравнении с'существующими устройствам;; для выделения диоксида углерода из смеси газов. Разработана матема-тическая модель для описания процесса массообмена в центробежном абсорбере.
Разработаны и внедрены новые высокоэффективные конструкции центробежных сепарационных устройств.
Практическое значение работы. На основе проведенных исследований внедрены :
сепаратор-маслоотделитель спирального типа для очистки технологического газа высокого давления в агрегате синтеза аммиака мощностью 200 тыс.т в год (АМ-600) на Рустаєском ПО"Азот" с экономическим эффектом 116.1 млн.руб.»);
Фильтр-маслоотделитель винтового типа для очистки технологического газа высокого давления в агрегате синтеза аммиака мощностьа 200 тыс.т в год (АМ-600) на Ровекском ПО "Азот", с экономическим эффектом 116.1 млн. руб.;
центробежный сепаратор для очистки отходящих газов от органических примесей на Черкасском ПО "Азот";
циклонній сепаратор :кпдкого аммиака в агрегате аммиака мощностью 150 тыс.т в год (АМ-8С) на Понзвсксм ПО "Азот" и Ксвоменделеевском
*) здесь и далее экономический эффект указан б ценах июля 1993 г.
ХЗ с экономическим эффектом НО млн. руб.;
центробежный сепаратор на отадии очистки конвертированного газа в агрегате аммиака мощностью 450 тыс.т в год (АМ-80) на Ионавском П0"Азот" и Новоменделеевском ХЗ с экономическим эффектом 15 млн.руб.;
освоено производство сепараторов спирального типа на заводе "Ке-меровохиммаш;
освоено производство сепараторов винтового типа на Сумском МНПО им. Фрунзе:
освоено производство мультициклонных сепараторов на заводах "Уралхиммаш" и "Дзержинскхиммаш";
освоено производство сепараторов циклонного типа на заводах "Уралхиммаш". "Пензхиммаш" и на Московском экспериментальном заводе химического машиностроения.
.В соответствии с Государственным планом развития химической отрасли спроектированы и согласованы с заводами-изготовителями:
сепаратор жидкого аммиака в агрегате синтеза аммиака мощностью 1500 т/сутки (АМ-85):
сепаратор метанола в агрегате производства метанола мощностью 400 тыс.т в год (М-400).
Проектируются:
сепараторы для выделения жидкого аммиака в агрегатах нового поколения, мощностью 500 тыс.т в год (АМ-90):
сепараторы для выделения жидкого аммиака в энергосберегающих агрегатах аммиака с синтезом низкого давления (Р< 80 атм) , мощностью 500 тыс.т в год (АМ-90-2);
-сепараторы для выделения жидкого аммиака из танковых газов агрегатов аумі-ілка мощностью 2-Ю тыс.т в год (АМ-660-2).
Общий расчетный экономический эффект от внедрения вышеупомянутых разработок на весь обьем производства составляет 2.7 млрд.руб.
Проданы лицензии КНР. а также разработаны, изготовлены и поставлены в КНР по контракту N 71-037/03400-ССР-87109 в составе установки по производству метанола мощностью 40 тыс.т в год (М-40):
центробежный сепаратор для выделения продукционного метанола из циркуляционного газа;
центробежный сепаратор для выделения метанола из продувочных газов;
центробежный сепаратор жидкого аммиака в цикле холодильной установки.
Разработана методика инженерного расчета центробежного сепаратора.
Полученные теоретические, экспериментальные и промышленные результаты могут быть рекомендованы для использования отраслевым организациям, специализирующимся в области разработки технологической аппаратуры (сепараторов. Фильтров, абсорберов, скрубберов, распределителей потоков и др.). а также институтам РАН, ведущим исследования з области теоретических основ химической технологии и процессов и аппаратов химических производств.
Обьем и построение работы. Диссертация изложена на 301 стр. машинописного текста, включает 111 рисунков и 13 таблиц, список литературы из 260 наименований. Диссертация состоит из пяти глав, основных выводов и приложений.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на: Всесоюзной отраслевой сколе по обмену опытом очистки технологического газа высокого давления от масла в производстве аммиака, Москва. 1972: III Республиканской конференции "Повышение зф-
фективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств", Львов, 1973; I Всесоюзной конференции по изучению вихревого эффекта, Куйбышев, 1974; Семинаре научного совета АН СССР "Теоретические основы химической технологии". М.,1974,1975; II Всесоюзной конференции по изучению вихревого эффекта, Куйбышев, 1975; I Всесоюзной конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей, Сумы, 1975;.Всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты химических производств", Чимкент, 1977; I Всесоюзном совещании Минхимпрома "Абсорбция газов", Чирчик, 1979; Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии", Сумы. 1980; Всесоюзной конференции "Современные технические средства защиты воздушного бассейна от загрязнений", Москва, 1981;Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии" , Сумы, 1982; Третьей Всесоюзной научной конференции ''Современные машины и аппараты химических производств (Химтехника-83)", Навои, 1983; Втором Всесоюзном совещании "Абсорбция газов", Гродно,1983; Втором Всесоюзном совещании по физико-химическим основам синтеза метанола и его переработке (Метанол-2). Северодонецк. 1983; Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств (ПАХТ-85)" .. Харьков. 1985; Третьем Всесоюзном совещании по физико-химическим основам синтеза метанола и ег,о переработке (Метанол-3).Новомосковск. 1986: Третьем Всесоюзном совещании "Абсорбция газов". Таллинн. 1987.