Введение к работе
Актуальность проблемы. В технологических процессах химической, ефтеперерабатывающей, пищевой и других направлеїшях промьпшіеішой деятельности шроко используются разнообразные конструкщш массообменного оборудования. В оследние года особую заинтересованность ученых, конструкторов и потребителей такой гхники вызывают конструкции, где используются вихревые течения газа и жидкости. Это эусловливается возможностью значительно ускорить массообмен за счет турбулизации зчений, распыла жидкости на капли, которые имеют очень маленькие размеры, что зеличивает поверхность массообмена. Такие подходы позволяют не только ускорить ассообмен, а также уменьшить затраты на производство и эксплуатацию этого Зорудования.
Наиболее распространешіьіе конструкции вихревых массообменных контактных лройств - это устройства с перекрестным движением фаз и прямоточным движением отоков. Это позволяет достичь в одной ступени распыла изменение концентрации, тзкое к одной теоретической ступени изменения концентрации. Но усилия ученых аправлены на дальнейшие поиски направлений интенсификации массообмена в вихревых гчениях и дальнейшее усовершенствование существующих конструкций вихревых ассообменных аппарагов.
Много разработок вихревой массообменной техники исследовательских и проектных греждений и отдельных исследователей используются в промышленности, но ни в одной знструкции ранее не было противоточного вихревого движения газа и капель жидкости в )не контакта вдоль радиуса массообменной камеры. Отсутствовали и теоретические етоды, которые бы обосновывали не только возможность такого движения, а и его таяние на увеличение эффективности массообменных аппаратов. Использование такого зижения фаз при разработке нового высокоэффективного оборудования позволяет іачительно увеличить межфазную поверхность за счет мелкого распыла жидкости, что, в іою очередь, достигается за счет большой разности относителыпых скоростей фаз, фбулизации течения, увеличения внутренних циркуляции жидкости в каплях. Все эти акторы влияют на интенсификацию массообмена.
Диссертационная работа посвящена теоретическому обоснованию и ссперимеїггальньгм исследовашмм нового способа массообмена в противоточных кревых потоках газа и капель жидкости, взаимодействию таких потоков, созданию етодов расчета гидродинамики и эффективности ВРПМ и рекомендаций по іциональному проектированию и выбору параметров таких аппаратов.
Проведены теоретические исследования и разработана методика расчета вихревых ;отязоточных потоков газа и капель жидкости, создшвы на этой основе уравнения для mffca. гидродинамики и эффективности, разработаны рекомендации по рациональному
проектированию, что составляет актуальную научно-техническую проблему, котора; имеет важное народнохозяйственное значение при разработке новых види массообменной техники.
Работа выполнена непосредственно автором и под его научным руководством і соответствии с научными программами Совета Министров СССР, Министерства п производству минеральных удобрений и Минвуза Украины (Проблема 2.11.16.08, прика № 51/36/16 от 20.01.81 г.), Государственного комитета промышленной политики Украиш (Решение секции научно-технической и промышленной политики в области химичееко промышленности от 21.03.2000 г.). Предложения и разработки диссертации внедрены производство на предприятиях химической промышленности России и Украины.
Цель работы состоит в теоретическом обосновании способа массообмена межл газом и жидкостью в вихревых противоточных потоках газа и капель жидкости, а также получении аналитических уравнений для расчета нового типа вихревых распыливающи противоточных массообменных аппаратов; теоретическом и экспериментально исследовании гидродинамики и эффективности массообмена в ВРПМА, выявлени влияния технологических и геометрических параметров на поле локальных скоростей давлений; разработке методов расчета и рационального конструирования вихревы распиливающих противоточных массообменных аппаратов; разработке новь прогрессивных конструкций массообменного оборудования, в котором использустх противоточное вихревое движение газа и капель жидкости; прогаозироваш: гидравлических и массообменных показателей ВРПМА.
На защиту выносятся такие научные положения: а) характер взаимодействі вихревых потоков газа и капель жидкости в аппаратах ВРПМА, теоретическі обоснование способа организации такого взаимодействия; б) теоретические исследовам зависимости локальных полей скорости и давления от геометрических и технологичесю параметров ВРПМА; в) теоретическое исследование влияния параметров вихрево: газового течения на внутрешше циркуляциошсые токи в каплях жидкости, которі движутся противотоком к газу вдоль радиуса вихревой массообменной камер зависимость скорости массообмена от такого взаимодействия; г) экспериментальш данные локальных полей скорости и давления и зависимость их от технологичесю параметров ВРПМА; д) математическая модель движения газа и капель жидкости массообменной камере ВРПМА; е) уравнения расчета гидродинамики, эффективности конструктивных размеров ВРПМА; ж) анализ влияния основных технологических геометрических параметров ВРПМА на гидродинамику и эффективность массообмена; конструкции ВРПМА, в которых вихревые потоки газа и капель жидкости движуї противотоком вдоль радиуса вихревой массообменной камеры.
Научная новизна. На основе выполненных теоретических и экспериментальн ї їскдозя-иг получены гледугоііще новые результаты:
теоретически обоснован способ организации движения фаз в противоточных іихревьіх потоках газа и капель жидкости, установлена зависимость циркуляционных течений в каплях жидкости, которые движутся противотоком к вихревому потоку газа, от идродинамических характеристик этого потока, а также их влияние на эффективность лассообмена и теоретически установлены математические зависимости локальных полей жоросги и давления от параметров ВРПМА;
исследовано взаимодействие вихревых течений газа и капель жидкости, когда шхревой потох газа движется от периферии массообменной камеры к центру, а капли от jeirrpa к периферии, и установлен характер влияния потоков друг на друга;
экспериментально изучены зависимости локальных полей скорости и давления в забочен камере ВРПМА и получены массообменные характеристики ВРПМА в процессах ібсорбции (десорбции) и ректификации, что позволило разработать новые конструкции массообменных аппаратов и конструкции распылителей для ВРПМА с учетом достижения наиболее эффективного распыления жидкости, сформулированы основные принципы товьпнения эффективности и производительности ВРПМА на основе проведенных іспьітаний новых усовершенствованных конструкций таких аппаратов;
разработаны физическая и математическая модели движения газа и капель жидкости і рабочей камере ВРПМА с точки зрения влияния на циркуляционные течения в каплях, шбраны наиболее благоприятные условия их движения и взаимодействия;
разработана методика расчета гидравлических и массообменных характеристик ?РПМА; основных геометрических размеров массообменной камеры, в основу которой юложены теоретические расчеты локальных полей скорости и давления;
- определены условия, при которых использование ВРПМА является наиболее
целесообразным на основе проведених сравнений эффективности ВРПМА с другими
«шструкциями оборудования для проведения массообменных процессов и предложены
эсновные направления развития и усовершенствования ВРПМА.
Практическое значение работы состоит в том, что полученные теоретические збосноваіп«г, экспериментальные данные и теоретические уравнения позвошши эазработать и лнедригь в производство новый способ массообмена и новые конструкции дассо обменного оборудования, которыми являются вихревые распыливающие тротивоточные массообменные аппараты (ВРПМА). Создана методика расчетов ВРПМА, согорая позволяет провести рациональное конструирование ВРПМА и прогнозировать их "итртигческие и ма-сообменные показатели. Методика расчетов ВРПМА использована гагате при разработке новых промышленных аппаратов, которые были внедрены в -/глглчные технологии химичесюк производств.
Реализация работы. Полученные в диссертации результаты реализованы на таких тредпрпятиях и производствах: а) технологический процесс разделения продуктов синтеза Зутсксибутешша на Сорском молибденовом комбинате; б) технологический процесс
очистки газовых выбросов їй ПІосткинском ПО "СВЕМА"; в) технологический процесе очистки газовых выбросов в цехе производства аммофоса Сумского ПО "Химпром" от фтора и аммиака; г) технологический процесс осушки природного газа, разработанный Вниикомпрессормаш.
Суммарный экономический эффект внедрений равен около 9,6 млн. руб. в год (по ценам 1991 года).
Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались на Общесоюзной научно-технической конференции "Пути усовершенствования, интенсификации и увеличение надежности аппаратов основной химии ", Сумы, 1980, 1982, 1989; Общесоюзной научно-технической конференции "Современные машины и аппараты химических производств", г. Чимкент, 1980; Общесоюзной научно-технической конференции по теории и практике ректификации, г. Северодонецк, 1984; Общесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств", г. Харьков, 1985; Общесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности машин и аппаратов основной химии ", г. Сумы, 1986; УП Всеукраинской конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств", г. Львов, 1989; Выездном заседании научно-технической комиссии по массообменной колонной аппаратуре ГК СССР по науке и технике, г. Сумы, 1984; Общесоюзной научно-технической конференции "Использоваїше аппаратов "мокрого типа" для очистки вредных газообразных выбросов", г. Москва, 1985; Общесоюзной научно-технической конференции "Работы в направлении разработки массообменных процессов", г. Северодонецк, 1989; НТК СФТИ, г. Сумы, 1991; Общесоюзной научно-технической конференции по ректификации, г. Северодонецк, 1991; НТК СумГУ, г. Сумы, 1995, 2000. Материалы диссертации докладывались на 2 всеукраинских, 11 общесоюзных и 3 региональных совещаниях и семинарах.
Публикации. Содержание диссертациошюй работы было опубликовано в 49 печатных трудах, в том числе в 27 статьях ведущих научно-технических журналов, из которых 18 статей автор опубликовал самостоятельно. Получено 5 авторских свидетельств на изобретения. Материалы диссертации использованы в 4 регламентах и отчетах НИР.
Структура и объем работы. Диссертациоішая работа изложена на 289 страницах и состоит из вступления, 6 разделов, выводов, включает 95 рисунок и 6 таблиц. Список литературы составляет 169 наименований.