Введение к работе
Актуальность темы. Аппараты со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые колонны, смесительно - отстойные экстракторы, каскад аппаратов мешалками) в процессах ректификации, абсорбции, растворения, экстракции и выщелачивания составляют значительную часть всех массообменных аппаратов нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности.
При проектировании аппаратов со ступенчатым контактом фаз основными задачами являются разработка оптимальной конструкции ступени (тарелки, аппарата с перемешиванием), определение числа ступеней, диаметра, высоты аппарата и технологических параметров процесса.
Этапу проектирования аппарата всегда предшествует стадия предпроектной разработки, выбор из известных конструкций оптимального варианта или создание нового оптимального прототипа, удовлетворяющего заданным требованиям по производительности, качеству и стоимости получаемых продуктов, экологической и промышленной безопасности.
Выбор и отработку конструкции ступеней выполняют на макетах различного масштаба или натурального размера. Тогда для получения оптимального варианта ступени необходимо построить всё допустимое множество конструкций, провести экспериментальные исследования каждого макета, сравнение их между собой и выбрать, с наперед заданной точностью, единственный оптимальный вариант аппарата, а это дорого и сложно. Число действительных ступеней разделения определяется эмпирическим путем в зависимости от количества теоретических ступеней и эффективности аппарата.
Эмпирические выражения для оценки эффективности ступени, полученные в результате обработки и обобщения экспериментальных данных определенных конструкций и режимов работы ступени или действующих установок, имеют ограниченную область применения.
Математические модели структуры потоков, используемые для расчета эффективности ступени, содержат неизвестные параметры, определяемые экспериментальным путем на макетах ступени конкретной конструкции различного размера. Выражения источников массы, замыкающие модели структуры потоков, включают кинетические параметры массоотдачи и массопередачи, которые имеют эмпирический и полуэмпирический характер, их выражения не всегда отражают зависимость от конструктивных параметров ступени, тепло физических свойств разделяемой смеси и технологических параметров процесса.
Рассмотренная практика проектирования массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз, основанная на эмпирической и полуэмпирической методологии физического и математического моделирования аппаратов различного масштаба, справедлива при разработке конкретной конструкции аппарата для работы в конкретных условиях. Она не позволяет провести диагностику надежности, безопасности и безаварийной работы аппарата и состояния процесса, характеризуется значительными материальными затратами и сроками проектирования. Ее дорого и сложно реализовать при поиске оптимального варианта конструкции аппарата промышленного масштаба, работающего с конкретными рабочими веществами.
Разработка оптимальной конструкции промышленных аппаратов со ступенчатым контактом фаз представляет актуальную проблему в химической технологии.
Степень научной разработанности темы исследования.
Существующая система проектирования массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз предполагает многоуровневую технологию разработки конструкции ступени, которая включает исследования лабораторных макетов, промежуточных вариантов и промышленного образца. Теоретическую основу
существующей системы проектирования составляет физическое и математическое моделирование. Физическое моделирование ступени позволяет с наперед заданной точностью получить математическое описание процесса на ступени по результатам эксперимента на его макете и оценить эффективность конструкции ступени. Область применения физического моделирования имеет принципиальные ограничения, обусловленные невозможностью обеспечить подобие полей в макетном образце и промышленном аппарате. Математическое моделирование дает приближенное описание ступени в виде математической модели. Однако, математические модели, закладываемые в алгоритмы проектирования, содержат параметры, зависящие от масштаба аппарата и определяемые путем эмпирической обработки экспериментальных данных, полученных на холодных стендах различного размера.
Масштабный эффект имеет гидродинамическую природу. Для уменьшения промежуточных исследований при разработке промышленных аппаратов получил развитие метод гидродинамического моделирования. В основу метода положены двухуровневые лабораторные испытания (на лабораторной установке) и гидродинамическое моделирование на модели аппарата натуральных размеров. На лабораторной установке проводится отработка технологии, а с помощью гидродинамического стенда на модельной системе отрабатывается конструкция промышленного аппарата. Несмотря на очевидные преимущества такого подхода, он имеет ряд недостатков. При гидродинамическом моделировании не учитывается взаимодействие гидродинамики, процессов массообмена и химических реакций, получить эмпирическим путем оптимальный вариант аппарата сложно.
Оптимальный способ проектирования промышленных аппаратов, исключающий этапы промежуточных исследований, предусматривает отработку конструкции и технологии только на лабораторном макете, а для масштабного перехода к промышленному аппарату использовать фундаментальные законы сохранения. Теоретическую основу оптимального проектирования составляет концепция сопряженного физического и математического моделирования .
Основной принцип, закладываемый в концепцию заключается в следующем. Промышленный аппарат - это система, т.е. объект, состоящий из множества частей или характерных областей, имеющих разные пространственно-временные масштабы, взаимодействие между которыми слабое.
Структура математического описания характерных областей аппарата определяется на физической модели областей и представляется в виде базисных функций. Подстройка параметров базисных функций в зависимости от масштаба ступени выполняется вариационным методом, удовлетворяя законам сохранения импульса и массы. Однако, в зависимости от масштаба ступени, возможно возникновение новых характерных областей или явлений, базисные функции которых неизвестны. В этом случае приходится подбирать базисную функцию, её параметры, масштаб и место возникновения характерной области на ступени.
Анализ состояния научных исследований в области проектирования массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз приводит к следующему выводу: для решения сформулированной актуальной проблемы требуется разработать математические модели и методы определения эффективности ступени и аппаратов со ступенчатым контактом фаз в зависимости от конструкции, тепло физических свойств веществ и технологических параметров процесса; разработать методы поиска оптимального варианта конструкции прототипов ступени и аппаратов со ступенчатым
Дьяконов, С.Г., Елизаров, В.И., Кафаров, В.В. Сопряженное физическое и математическое моделирование промышленных аппаратов//Докл. АН СССР. 1985. Т.282. №5. С. 1195.
контактом фаз, используя технологии цифрового прототипирования при построении промышленного аппарата в виде компьютерной модели. Применение технологии 3D моделирования, вычислительной гидродинамики (CFD) и математического моделирования эффективности ступени позволит рассмотреть всё множество альтернативных вариантов конструкции аппарата и выбрать среди них с наперед заданной точностью оптимальный вариант аппарата.
Диссертационная работа выполнена в рамках государственных программ:
Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме: «Распределенные тренажерные системы взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств»;
Гранты Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых: МД - 552.2011.8 по теме: «Перспективные методы проектирования аппаратов химической технологии»; МД - 5663.2014.8 по теме: «Проектирование высокоэффективных многоступенчатых массообменных аппаратов разделения веществ»
Цель диссертационного исследования. Разработать научно обоснованные методы прототипирования оптимальных промышленных массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз без привлечения экспериментальных исследований на макетах различного масштаба и эмпирических данных при моделировании процессов массообмена.
Для реализации цели исследования в диссертации поставлены и решены следующие научно - технические задачи:
1. Разработать метод определения эффективности барботажной ступени и аппаратов со ступенчатым контактом фаз, с учетом эффективности всех ступеней, в зависимости от конструкции, технологических и тепло физических параметров разделяемых смесей и выбора оптимальной конструкции тарелки из стандартного ряда контактных устройств, обеспечивающих максимальную эффективность ступени.
2.В программной среде 3D моделирования, вычислительной гидродинамики Ansys Fluent, математического моделирования структуры потоков, эффективности и оптимизации разработать метод проектирования оптимальной конструкции барботажных тарелок промышленного масштаба.
3 .Разработать, без привлечения эмпирических данных, математические модели и метод расчета кинетических параметров массопереноса на элементах дисперсной фазы (капли, твердые частицы) в зависимости от гидродинамических и тепло физических характеристик разделяемых смесей на ступенях аппаратов жидкостной экстракции, растворения и дегазации.
4.В программной среде 3D моделирования, вычислительной гидродинамики Ansys Fluent разработать метод проектирования оптимальной конструкции промышленного аппарата с перемешиванием, обеспечивающей равномерное распределение легкой дисперсной фазы в сплошной среде при проведении процессов жидкостной экстракции и дегазации крошки каучука.
5.На основе уравнений массопереноса в пограничном слое на элементах дисперсной фазы и в сплошной среде разработать метод оптимизации конструктивных и технологических параметров аппаратов с перемешиванием путем решения вариационной задачи на условный экстремум функционала, обеспечивая максимальный поток вещества через пограничный слой на элементах дисперсной фазы.
6.При известных входных и заданных значениях выходных параметров установки со ступенчатым контактом фаз разработать метод аналитического расчета числа ступеней разделения на установках ректификации, абсорбции, жидкостной экстракции и
растворения, используя распределения концентрации и технологических параметров на ступенях аппаратов.
7.На основе разработанных методов и моделей массопереноса и эффективности с использованием программных систем 3D моделирования, вычислительной гидродинамики (CFD) провести прототипирование оптимальных массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз при ректификации, абсорбции, жидкостной экстракции, растворении и дегазации.
Методы исследования. Методы математического и физического моделирования, оптимизации, применения программных систем конструирования, вычислительной гидродинамики и технологического моделирования (Autocad, Компас, Gambit, Ansys Fluent, HySys).
Положения, выносимые на защиту:
метод определения эффективности ступени и аппаратов со ступенчатым контактом фаз в зависимости от структуры потоков жидкости и газа, конструкции, тепло физических свойств веществ и технологических параметров процесса;
выбор из каталога стандартных контактных устройств оптимальной конструкции ступени, обеспечивающей максимальную эффективность (кпд) при разделении бинарных и многокомпонентных смесей;
метод определения структуры потоков жидкости и газа в барботажном слое на тарелке в программной среде вычислительной гидродинамики (CFD) на компьютерной модели ступени промышленного масштаба и конструкции, созданной методом 3D моделирования;
разработка оптимальной конструкции барботажной тарелки в итерационном процессе 3D моделирования, вычислительной гидродинамики, математического описания структуры потоков, эффективности, сравнения альтернативных и выбора, с наперед заданной точностью, оптимального варианта;
математическое моделирование кинетики нестационарного массопереноса на элементах дисперсной фазы в процессах жидкостной экстракции, растворения и дегазации при ламинарном и турбулентном движении сплошной среды;
разработка в программной среде 3D моделирования, вычислительной гидродинамики (CFD) конструкций ступени с механическим перемешиванием легкой дисперсной фазы для создания равномерного распределения дисперсной фазы в объеме сплошной среды;
метод оптимизации технологических параметров на ступени с перемешиванием дисперсной фазы (капли и твердые частицы) в сплошной среде, обеспечивающих максимальную эффективность массопереноса в процессах жидкостной экстракции и дегазации крошки каучука;
математические модели и метод аналитического расчета числа действительных ступеней разделения на установках ректификации, абсорбции, жидкостной экстракции и растворения;
прототипирование оптимальных промышленных массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз для проведения процессов ректификации, абсорбции, жидкостной экстракции и растворения.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается применением фундаментальных законов сохранения импульса и массы, согласованностью теоретических результатов с собственными экспериментальными данными,
теоретическими и экспериментальными данными известных экспериментальными данными с действующих промышленных установок.
Научная новизна.
Предложена методология разработки прототипов промышленных оптимальных массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз для проведения процессов ректификации, абсорбции, жидкостной экстракции, растворения и дегазации, в которой:
не используется экспериментальная разработка прототипов аппарата на физических макетах различного масштаба и их математическое моделирование; определение эффективности ступеней и аппарата, числа действительных ступеней, кинетических параметров массопередачи по эмпирическим и полуэмпирическим выражениям;
представлена разработка прототипов оптимальных промышленных массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз, работающих с конкретными рабочими веществами; возможность разработки всего допустимого множества конструкций аппарата и выбор, с наперед заданной точностью, оптимального варианта; возможность диагностирования надежности конструкции и влияния рабочих условий на безопасное и безаварийное состояние процесса.
При реализации предложенной методологии:
-
Разработан метод определения эффективности ступени и аппаратов со ступенчатым контактом, выбора оптимальных параметров конструкции тарелки из каталога стандартных устройств, обеспечивающих максимальное значение кпд в зависимости от структуры потоков на ступени, технологических и тепло физических характеристик разделяемых смесей.
-
Разработан метод определения структуры потоков жидкости и газа в барботажном слое на тарелке в программной среде вычислительной гидродинамики (CFD) на компьютерной модели ступени промышленного масштаба и конструкции. Получено математическое описание комбинированной модели структуры потоков жидкости и газа на ситчатых тарелках различного диаметра.
3.Предложен метод разработки допустимого множества конструкций ступени в итерационном процессе 3D моделирования, вычислительной гидродинамики, математического описания структуры потоков, эффективности, сравнения альтернативных вариантов и выбора, с наперед заданной точностью, оптимального варианта.
4.Получены уравнения нестационарного массопереноса в пограничном слое на капле и внутри капли вблизи границы раздела фаз и на внешней поверхности твердой частицы в ламинарном и турбулентном потоках сплошной среды. Разработан метод решения дифференциальных уравнений переноса импульса и массы в виде разложений в ряд по ортогональным функциям, что позволило перейти от уравнений в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений относительно коэффициентов разложения. Получены уравнения массопереноса в сплошной среде, кинетические параметры массопередачи в зависимости от гидродинамических, тепло физических свойств, конструктивных параметров аппарата, которые удовлетворительно согласуются с известными экспериментальными данными.
5.Исследование гидродинамики движения легкой дисперсной фазы методом вычислительной гидродинамики в аппаратах с перемешивающими устройствами различных стандартных (12 типов) конструкций показало, что ни одна из стандартных конструкций мешалок и аппаратов не дает однородного распределения дисперсной фазы в объеме водной среды, отражательные перегородки, установленные по периметру, не позволяют ей погружаться на дно аппарата. Значения осевой и радиальной составляющих скорости жидкости существенно меньше тангенциальной. Легкая дисперсная фаза концентрируется вокруг вала мешалки и стремится всплыть на поверхность сплошной.
6.Сформулирована и решена задача оптимизации технологических параметров на ступени с механическим перемешиванием дисперсной фазы (капли, твердые частицы) в
сплошной среде, которая сведена к вариационной задаче на условный экстремум функционала, характеризующего максимальный поток вещества через пограничный слой на элементах дисперсной фазы. Для решения вариационной задачи предложен метод множителей Лагранжа, получены уравнения сопряженной системы, их решения и уравнения для определения оптимальных технологических параметров.
7.По заданным значениям входных и выходных параметров установки разработан метод аналитического расчета числа действительных ступеней разделения в массообменных аппаратах со ступенчатым контактом фаз в зависимости от конструкции, структуры потоков на ступени, технологических и тепло физических характеристик разделяемых смесей.
8.Предложен метод определения оптимальных технологических параметров процессов ректификации, абсорбции, экстракции, обеспечивающих максимальную движущую силу массопередачи на ступенях аппарата.
Научная значимость. Предложенные методы разработки оптимальных массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз и математического описания кинетики массопереноса в двухфазных средах вносят существенный вклад в развитие теории и практики проектирования процессов и аппаратов химических технологий.
Практическая значимость.
1. Предложенный метод расчета оптимальных конструктивных параметров
рекомендуется использовать при выборе из стандартного ряда контактных устройств
оптимальных конструкций ситчатых, колпачковых, клапанных тарелок с различной
структурой потоков при разделении бинарных и многокомпонентных смесей.
-
Предлагается метод прототипирования оптимальной конструкции барботажной тарелки натурального размера в интерактивном режиме диалога с помощью программных систем Компас, вычислительной гидродинамики Ansys Fluent и математического моделирования кинетики массопереноса, структуры потока и эффективности ступени.
-
Разработанная методология прототипирования массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз использована при проектировании ректификационных аппаратов разделения углеводородов, абсорбции диоксида углерода, экстракции ортофосфорной кислоты из смеси углеводородов, уксусной кислоты и брома из водного раствора, многоступенчатых смесительно-отстойных аппаратов жидкостной экстракции, дегазации крошки каучука и предлагается при проектировании широкого класса установок ректификации, абсорбции, жидкостной экстракции, растворения в производстве органических продуктов, красителей, минеральных удобрений, процессов экстракции и выщелачивания из пористых материалов, кристаллизации.
4. Прототипирование промышленных аппаратов с перемешиванием позволило
получить конструкцию аппарата с близким к равномерному распределению легкой
дисперсной фазы в сплошной, оптимальные конструктивные и технологические
параметры, обеспечивающие максимальную производительность аппарата. Разработаны
три варианта аппаратов с перемешивающими устройствами новой конструкции и
отражательной перегородкой, установленной на сферическом днище аппарата,
защищенные патентами РФ. Реализация предложенного метода прототипирования в
расчетах действующей установки двухступенчатой дегазации крошки каучука приводит к
повышению производительности процесса на 8 % .
5. Применение разработанных методов при оптимизации установок ректификации
ПАО «Нижнекамскнефетехим» привело к сокращению расхода греющего пара более чем
на 11%, орошений на колонны ОАО «ТАИФ-НК» более чем на 12%, на установках
абсорбции, растворения и кристаллизации АО "Химический завод им. Л.51.Карпова"
привело к сокращению расхода абсорбента на 10% и повышению производительности
аппаратов на 8%.
Математические модели массообменных процессов со ступенчатым контактом фаз использованы при разработке, введенных в эксплуатацию и зарегистрированных в Реестре программ для ЭВМ, шести компьютерных тренажеров по обучению производственного персонала ПАО «Нижнекамскнефтехим».
Разработанные математические модели и методы прототипирования аппаратов со ступенчатым контактом фаз используется студентами и магистрами Казанского национального исследовательского технологического университета при курсовом и дипломном проектировании.
Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 58 статей и материалов конференций, их них 33 статьи из перечня рецензируемых научных журналов, 3 патента на полезные модели, 6 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ, учебное пособие.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных научных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-21, ММТТ -23, ММТТ -24, г.Саратов; ММТТ -25, г.Волгоград; ММТТ -26, г.Нижний Новгород; ММТТ -27, г.Тамбов); на Всероссийских научно-практических конференциях: «Инновации и высокие технологии в XXI веке», «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения», г.Нижнекамск, 2005, 2012г.; «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах» (УТЭОСС-2012), Москва, ИЛУ; ежегодных итоговых Научных сессиях КНИТУ (Казань).
Личный вклад автора в диссертационной работе состоит в постановке целей и задач исследования, разработке методик вычислительных и физических экспериментов, разработке математических моделей, методов решения и алгоритмов расчета, непосредственном участии в получении, анализе и обобщении результатов и формировании научных выводов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 318 страницах основного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения и 4 приложений на 89 страницах. Работа содержит 17 таблиц, 116 рисунков. Библиография включает 229 наименований.