Введение к работе
Актуальность темы. Кремнийорганические соединения и материалы, получаемые на их основе, широко применяются в различных отраслях промышленности: газовой, машиностроении и приборостроении, строительстве, лакокрасочной и легкой промышленности, в медицине и фармацевтике. Можно утверждать, что кремнийорга-ническая отрасль является одной из немногих отраслей промышленности, которые определяют научно-технический потенциал страны в целом. Однако общий спад промышленности страны вызвал снижение уровня производства кремнийорганических продуктов и финансирования научных изысканий. Положение осложняется тем, что на рынок выбрасывается большой ассортимент кремнийорганической продукции, выпускаемой зарубежными фирмами, по ценам, близким к отечественным.
В этих условиях вопрос_о повышении конкурентоспособности выпускаемой в пределах России кремнийорганической продукции приобретает первостепенное значение. Последняя может быть обеспечена лишь при внедрении технологий, позволяющих при небольших затратах энергоресурсов, потребляемого сырья и минимуме отходов выпускать продукты, отвечающие мировым стандартам качества. Анализ состояния кремнийорганической отрасли химии показывает, что в комплексе задач, определяющих ее прогресс, важное место принадлежит созданию новых и рациональному использованию имеющихся тепло- и массообменных аппаратов. В кремнийорганической промышленности это прежде всего относится к переходу при проведении ряда процессов разделения й химических реакций от емкостных аппаратов к пленочным.
До настоящего времени пленочные аппараты широко применялись в химической, медицинской и пищевой промышленности для таких процессов, как выпарка, отгонка, ректификация, в основном для продуктов с низкой термостойкостью. В кремнийорганической отрасли химической промышленности спектр применения пленочной аппаратуры не широк. Вместе. с тем в производствах органохлорсиланов, замещенных эфиров ортокремневой кислоты и их производных, в технологии синтеза полимеров, при получении олигооргано
-2-. силоксанов, лаков и многих других кремнийорганических соединений и веществ можно ожидать получения значительного экономического эффекта от применения пленочных аппаратов. В направлении использования пленочных аппаратов как реакторов сделаны лишь первые шаги. На этом пути возникают большие сложности и, несмотря на очевидные преимущества применения пленочных реакторов для проведения реакций, они не получили еще должного распространения. Это связано, на наші взгляд, с отсутствием достаточной полноты знаний о существе процессов, имеющих место при двухпленочном течении жидкости.
В отличие от изучения однопленочного течения, где трудами отечественных и зарубежных ученых достигнут значительный прогресс, известны лишь несколько работ, посвященных изучению двухпленочного течения. Анализ этих работ показывает, что в литературе отсутствуют экспериментальные и теоретические оценки границы существования двухпленочного течения, позволяющие рассчитывать плотности орошения фаз, достаточные для устойчивой работы пленочных аппаратов с несмешивающимися фазами. Большинство авторов рассматривают массопередачу в жидкой фазе и перенос в газовой фазе как раздельные задачи, ограничиваясь описанием переноса в системе "газ-жидкость" в граничных условиях первого рода.
В литературе нет достаточно полной в отношении физической картины явления постановки задачи тепло- и массопереноса при двухпленочном течении несмешивающихся жидкостей. Это объясняется, с одной стороны, практической невозможностью получить аналитические решения, сколько-нибудь адекватно описывающие этот процесс, с другой, отсутствием экономичных методов численного решения, соответствующих достаточно сложной физической модели процесса.
Целью работы явилось выяснение закономерностей гидродинамики и тепломассообмена в процессе двухпленочного течения химически реагирующих жидкостей и создание на этой основе методов технологического расчета пленочных аппаратов для кремнийоргани-ческой отрасли химической промышленности.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
- предложен критерий безразрывности гравитационного пленочного течения, полученный с привлечением фундаметального принципа минимума производства энтропии. Показано, что на основе данного принципа адекватно определяются границы устойчивости безразрывного как однопленочного, так и двухпленочного течения несмешиваю-щихся жидкостей;
- построена физическая модель процесса двухпленочного
вязкого гравитационного течения химически взаимодействующих
жидкостей, учитывающая теплоотдачу от внутренней поверхности
стенки и условия теплового и диффузионного сопряжения на границах
раздела "жидкость-жидкость" и "жидкость-газ" с учетом изменения
коэффициентов переноса;
разработаны алгоритмы численного расчета процесса, соответствующие принятым моделям процесса;
предложена модель процесса многокомпонентной диффузии, в соответствии с которой система уравнений, описывающая процесс, при условии малости концентраций целевых компонентов сводится к уравнениям эффективной диффузии каждого из компонентов. Разработан алгоритм оценки эффективных коэффициентов диффузии;
- предложен полуэмпирический метод описания равновесного
давления паров в системе "спирты - хлористый водород", основанный
на термодинамическом рассмотрении гипотетической смеси, состоя
щей из трех индивидуальных компонентов: комплекса хлористого
водорода со спиртом, спирта и хлористого водорода.
Практическую значимость работы составляют:
пакеты программ для определения устойчивости двухпленочного течения, расчета пленочных аппаратов, работающих в режиме двухпленочного течения в условиях химического взаимодействии компонентов, и для автоматизированной системы научных исследований;
- универсальная программа для ЭВМ, позволяющая расчитывать, наряду с процессом двухпленочного течения жидкости, более простые процессы, имеющие место в кремнийорганической отрасли промышленности', сорбции и десорбции при течении в пленках
-4-и потоках, в условиях ламинарного течения и поперечного перемешивания жидкости;
методы экспериментального исследования, включающие автоматизированную обработку экспериментальных данных;
экспериментальные данные по равновесию тройных систем "изооктанол - этанол - хлористый водород";
- конструкции пленочных реакторов, распределительных
устройств и десорберов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- получение расчетных зависимостей, позволяющих определить плот
ности орошения фаз, обеспечивающие устойчивый режим двух-
пленочного течения;
- построение достаточно полной физической модели процесса двух-
пленочного вязкого гравитационного течения химически взаимодей
ствующих жидкостей, учитывающей теплоотдачу от внутренней
поверхности стенки трубы, массоотдачу на границах раздела фаз
"жидкость-жидкость" и "жидкость-газ" в условиях изменения
коэффициентов переноса;
- экспериментальное определение параметров, при которых нарушает
ся устойчивое двухпленочное течение жидкостей, и их сопоставление с
теоретическими данными;
- экспериментальное определение переносных свойств жидкостей,
необходимых для установления адекватности принятой модели
опытным данным;
создание пакета программ для ЭВМ, реализующих принятую модель процесса двухпленочного течения химически взаимодействующих жидкостей при их вязком гравитационном течении;
разработка устройств, необходимых для реализации двухпленочного течения жидкостей.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
II Всесоюзной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов". 20 - 25 мая 1987 г.
III Всесоюзной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" 14-16 июня 1989 г.
- Первой Российской национальной конференции по теплообмену.
Москва. 21-25 ноября 1994 г.
- 46-й научно-технической конференции МГАХМ. Москва, 1995 г.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 12 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений, изложена на 251 стр., включающих 51 рисунок, 10 таблиц и 37 страниц приложений.