Введение к работе
!.
1.1. Лктуилыюсть проСчсшм Среди многообразия коисіруїспиіиих
иарнакиж ишиїраїон, предназначенных для осуществления процессов физи
ческой п міміічі'скоіі сорбции, дистилляции, а гак же химических реакции n
гачожиді.чістних снсісмих ш.іделяюіся центробежные пленочные аініарапл.
Нлаїодари подполу ннеаіпеіі механической знсргіїн, используемой для ран
нішій vevi.4Jia4iioi< моиерхпости контакта, центробежные пленочные аппарату
(Ц11Л) обладаюі нссі.ма ііиікпм гидравлическим сопротивлением. Это но-
зво.іяет оф(|)ЄКіинію исполі.'Юііаи» их в процессах, проводимых как под ва
куумом, так и при повышенных давлениях. Наряду с тги.м п ЦПЛ рехшзуст-
ея ішеокая скорость транспорта компонентой в ;киді;ой фазе на 3 порядка
преиышашншя скорость транспорта п аппаратах распылительного типа. Эта
характерная осиленное 11. ЦПЛ делает их незаменимыми rt химической, mi-
щепой, .чимико-фармапеипічссгаи и и микробиологической промышленно
сти при осущесів.іеіп/іі реакционных и процессоа разделения тер.молабнль-
ных вещесли, разлагающихся ппи заметом повышении температуры.
Одновременно ісопеїрухтішньїс особенности ЦПЛ позволяют реализован, процессы г.ч\ бскоії очпепси и тонкого разделения газозіпідкостньїх систем при небольшой яысотс аіпіарагоз, что іюзполясг размещать их і, заіфи-тых помещениях, а не на внешних технологических площадках.
Несмотря на то. что ЦПЛ известны дазно, они не папіла достаточно широкого применения ь промышленности из-за отсутствия научно обоснованных метсдои н.х масштабирования и расчета. Промышленная реализация ЦПЛ стаза принципиально возможной только а результате развития математических методов моделирования, позволяющих разрабатывать конструктивные зариа:гш аппаратов применительно к различным типам процессов, протекающих а газоясидкостных системах.
Работа выполнялась по координационным планам АН СССР "Теоретические основы химическом технологии" на 1985-90 гг. по проблеме 2.27.J.I.7 (Разработка н исследование тепло-массо обменных аппаратоз роторного тина для получения химических продукт О!! и утилизации отходом), РАН- на і 990-95 гг. по проблемам 2.27.1.1.3 (Гидродинамика, тепло- и мае-с"обмси при тонкоплеиочном течении жидкостей в поде центробежных сил) и 2.27.2.-1.1 (Абсорбция и десорбция; абсорбция с химической реакцией п пленках жидкости, текущих в поле цеігтробоиіих сил).
1.2. Цель работы - комплексное исследование и матемаїическог опи
сание сопряженных гидродинамических, тепло- к массообмеппых процессе»
п цеигробежноіі пленке жидкости; разработка на основе выполненного ма
тематического модслиронашт методической осноїш и алгоритма расчета
центробежных пленочных теплообменников, абсорберов и хемосорберои: обобщение результатов исследований и разработка рекомендаций no хопег-рунропаншо ЦІіЛ и определение режимных диапазонов их жеплуаіащиі; внедрение результатов исследований и разработок н промышленную и опьгпіо-конструкторскуіо практку.
/.3. Научная испиши. Численно, методом коп і ро. плюю объема /і трехмерной постановке исследована гидродинамика заполненною гсчения жидкости п полости массообмеиного злемеша (М')) и покатана возможность использования приближений теории пограничного слоя ,ги описания гидродинамики течения жидкости і» обласні, примыкающей к предающимся «тетям МЭ.
Построена математическая модель пеиштермического тонкопленочно-го точения жидкости но поверхности вращающегося VD при тепловых граничных условиях мерного и второго родов с учетом взаимовлияния полей скорости и температуры.
На основе модели дпффунюнного тираничного слоя переноса массы вещества ішсрньїе разработана математическое описание процесса физической абсорбции газов пленкой жидкости, текущей н поле центробежной силы. Исслсдонано влиянии теплоты абсорбции, нагрева (охлаждения) ноперх-ности МЭ, гидродинамического и диффузионного сопротивлений гаючої! фазы па процесс массоперспоса. Получены расчетные зависимости для определения всех основных характеристик сопряженного тепло- и массоперспоса.
Предложена модифицированная физическая модель н впервые выполнен аналитический расчет процесса хемосорбциоииого поглощения газов пленкой жидкости, текущей в поле центробежной силы, при протекании в жидкой фазе простых необратимых химических реакции первого и второго порядков, а также мгновенной реакции. Получены соотношения для расчета количества поглощенного газа и других важнейших локальных л интегральных характеристик процесса.
Разработаны методические основы и анорнтмы расчетов центробежных нлеис.лых тепло-и массообменных аппаратов. Даны рекомендации по выбору геометрических размеров н режимных параметров ЦПЛ, обеспечивающие наибольшую их эффективность, а также исследованы закономерности работы конических насосов-питателей, обеспечивающих подачу и рециркуляцию жилкой фазы в МЭ шггрооежнш аппаратов, предложены соотношения дчя расчета их производи гедьности.
1.4. Практическая значимость подученных теоретических результатов заключается в создании алгоритма расчета Г.ПА, позволяющего впервые рсшкгь проблему масштабирования с учетом специфики протекающих в них
процессом и физико-химических снойсгп взаимодействующих сред, а также определим, оптимальные технологические параметры их 'жсплуатациі! и консірукііїнііі.'с соотношения тепло- it иассообмениих элементов. Разработка инженерная методика расчета центробежных аппаратов пленочного типа.
Л5. Реа.шчация работы. Результаты исследований, разработанные меюдики расчетов, .тайные экспериментальных исследований били исполь-юиаиы при проектировании цепробЪкных теплообменников, абсорберов хемоссрбсрои и ректификаторов и определении технологических режимов их эхеп.плтапнч, а также при "совершенствовании различных производственных процессов на ряде предприятий.
Ние.тренш: в ШК) "Союзнефтспромхіш" (г. Казань) цсігробежного реактора позволило осуществить пронесе получения пеиопогепных ПЛВ по непрерывной схеме, попысить селективность процесса по нелепому продукту (зеграоксиэтшнгликодю), обеспечить экономию сырья и энергоресурсов. Экономический эффект 94 тыс. руб. (по ценам 1986 г.)
В ТІІУ "Татнсфтеиромхии" (г. Альметьевск) внедрен и эксплуатируется реактор для синтеза иеонолов марок АФ9-4 и АФ9-6. При этом усовершенствован технологический процесс, достигнуто повышение производительности реакторного узла, сокпатены расходы сырья и эпергоресурсов. Годовой экономический эффект составил 20S тыс. руб. (по ценам на 1.03.1991 г.). Там же на производстве деэмульгатора СНХП-4201 "Дифсрон" произведена замена реактора с мешалкой на центробежный пленочный. Экономический эффект 340 тыс. руб. (по иенам на 1.03.1992 г.).
Центробежный абсорбер для получения концентрированного оксида азота in тетраоксида азота использован п опытном производстве Казанского НИИХП. Экономический эффект 55 тыс. руб. (по йенам на 1990 г.).
Использование уточненной методики расчета адиабатического испарения органических растнорителеП позволило оценить реальную пзрьшо- и пожароонасность и обеспечить производство ряда лекарственных препаратов в ПО "Татхимфармпрепараты". Экономическим эффект 8671 тыс. руб. (но ценам на і .09.1993 г.).
Центробежные пленочные ректификационные аппараты внедрены в АООТ "Хитон" (г. Казань) для гонкой очистки этилового спирта-сырца. Фактический годовой экономический эффект от эксплуатации 8 аппаратов состави.1! 800 млн. руб. (по ценам на 3.01.1995 г).
Во Ш1ИИУС (г. Казань) используется методика расчета центробежных испарителей и теплообменников. Ллгортм расчета и техническая документация на центробе.кный пленочный испаритель для регенерации отработанных компрессорных масел производительностью .то 100 кг в час pcie-
псрнроваиногомасла переданы п C'ilfCBфирми "Та (нефтепродукт". : 1.6. Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 59 научных работ и журналах: "Теоретические псионы химической технологии". "Инженерно-физический журнал". "Прпклалнач механика", и рашг-шых межвузовских сборниках научных трудоп и сборниках тезиеои докладов, различных конференции. Четыре технических решения по теме работы защищены ангорскими синдезелі.спіами СССР на изобретения.
-
АириОацинраГинпы. Оспоннмс результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и форумах: V и VII Всесоюзных конференциях но тепло- массообмеау (Минск, 1976 и 1984); 1 и 111 Международных форумах по тепло- масеообмену (Минск, 1988 и 1996); 1 ІЗеесоюз-ной научно-технической конференции "Процессы и аппараты производства полимеров, мсі'одм и оборудование дня псрерабоїк., их » изделия" (Москва, 1977); Республиканской конференции "Механика сплошных сред" (И. Челны. 1982); научно-технической конференции "Рафабогка и внедрение безогход-иых технологий, использование пторнчиых ресурсов - пути повышения "эффективности производства" (Кнроп, 1988); VIII конференции но ПЛВ и сырью для их произведет гш (Белгород, 1992); Ш и IV Республиканских конференциях но интенсификации нефтехимических процессов (Нижнекамск, 1994 и 1996); XII Международной конференции по химическим реакторам (Ярославль. 1994); Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь, 1995); П и Ш научно-технических конференциях стран СНГ "Процессы и оборудование экологических производств" (Волгоград, 1991 и 1995); Международной конференции "Состояние и перспективы развития вакуумной техники" (Казань. 1996). на научно-технических, конференциях КГТУ (КХТИ) и 1973-1997 гг.
-
О&ъсм работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка літератури, приложений, справок и актов, подтверждающих практическое применение результатов исследований. Диссертация со-держзгг 45 страницы, нз них 290 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 119 рисунков по тексту, список литературы to 247 источников отечественных и зарі беншых авторов.