Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние и направления совершенствования процессов и оборудования производства товарной серы 29
1.1 Анализ перспектив развития рынка товарной серы 29
1.2 Существующие технологии получения, хранения и переработки товарной серы 43
1.3 Возможности совершенствования производств товарной серы 46
1.4 Выводы 51
Глава 2 Особенности физического и математического моделирования тепломасоообменных процессов при получении, хранении и переработке товарной серы 52
2.1 Исследование физико-химических свойств серы 52
2.2 Методы расчета тепломассообмена в аппаратах грануляции серы 63
2.3 Особенности математического моделирования конвекции в капле расплава и возможности использования модели для микроструктурного анализа процессов тепломассообмена при формировании гранул 77
2.4 Методы расчета конвективного теплообмена с охлаждающей средой в процессах грануляции серы 80
2.5 Особенности кристаллизации расплава серы в технологических процессах производства товарной серы 81
2.6 Исследование диспергирования расплава серы в установках грануляции серы 85
2.7 Методы и проблемы расчета процессов тепломассообмена расплава серы и ограждающих поверхностей 87
Выводы 90
Глава 3 Исследование процессов тепломассообмена при затвердевании гранул 92
3.1 Разработка математической модели тепломассообменных процессов при затвердевании капли в потоке хладагента 93
3.2 Разработка математической модели конвективного течения при движении капли в потоке хладагента 96
3.3 Экспериментальное исследование теплофизических процессов грануляции серы 104
3.3.1 Методика экспериментального исследования процессов грануляции 107
3.3.2 Погрешность результатов измерений 118
3.4 Результаты экспериментальных и теоретических исследований. Анализ полученных данных 119
3.4.1 Анализ тепломассообменных процессов в установках грану ляции серы и возможности повышения качества получаемых гранул 121
3.4.2 Методы расчета и зависимости для гранулометрического состава 126
3.4.3 Влияние особенностей тепломассообмена в аппаратах грануляции серы на влагосодержание гранул 130
3.4.4 Анализ влияния особенностей тепломассообмена в аппаратах грануляции серы на прочностные показатели гранул 137
3.4.5 Результаты исследования влияния процессов тепломассообмена на режимы работы установки грануляции серы, обобщающие зависимости для определения границ режимов, обеспечивающих требуемые качественные параметры гранул 142
3.4.6 Сопоставление и достоверность теоретического и экспериментального исследований теплообменных процессов 144
Выводы 151
Глава 4 Исследование процессов тепломассообмена при плавлении серы 153
4.1 Особенности тепломассообменных процессов при плавлении серы... 154
4.2 Результаты исследований и методы расчета тепломассообменных процессов плавления в условиях конвективного движения расплава 155
4.3 Результаты исследований, способы повышения производительности аппаратов и методы расчета тепломассообмена при плавлении частиц серы смешанного фракционного состава в расплаве 158
4.4 Результаты исследований, способы интенсификации процесса и методы расчета тепломасссообмена при плавлении нагруженной греющей пластиной бесконечной ширины 189
4.5 Особенности тепломассообмена и расчетные зависимости при плавлении нагруженной греющей пластиной с учетом краевых эффектов и переменных углах наклона пластины 203
4.6 Анализ устойчивости и особенности тепломассообменных процессов при плавлении в условиях совместного воздействия сил давления и гравитации в плавильных аппаратах серы 211
Выводы 214
Глава 5 Особенности расчета процессов тепломассообмена при хранении и транспортировке расплава серы ... 215
5.1 Исследование процесса тепломассообмена у ограждающих поверх
ностей 219
5.1.1 Расчет тепломассообмена у вертикальной поверхности 220
5.1.2 Расчет тепломассообмена у горизонтальной поверхности 227
5.1.3 Особенности тепломассообмена расплава с подогревателями... 229
5.1.4 Особенности тепломассообмена в придонной области 235
5.1.5 Учет особенностей тепломассообмена при застывании расплава у ограждающих поверхностей 238
5.2 Особенности тепломассообмена при остывании расплава серы 241
5.3 Результаты исследования и методы расчета тепломассообмена при остывании расплава 245
5.3.1 Результаты численных решений остывания расплава 246
5.3.2 Анализ результатов численных решений и расчетные зависимости затвердевания расплава серы 264
5.3.3 Анализ результатов исследования и особенности расчета процесса плавления твердой фазы при разогреве емкости с расплавом 271
5.4 Методы расчета тепломасообмена в системах подогрева 278
5.4.1 Методы расчета теплообмена у горизонтального трубчатого подогревателя 280
5.4.2 Особенности и методы расчета тепломассообмена у горизонтального трубчатого подогревателя при плавлении рабочего тела.. 283
Выводы 292
Глава 6 Энергосбережение и повышение качества продукции в производствах получения, хранения и переработки товарной серы 293
6.1 Методика проектирования и расчета процессов аппаратов водной грануляции серы 293
6.1.1 Методика расчета диспергирующего устройства 295
6.1.2 Методика расчета конструктивных и технологических параметров грануляционной колонны 297
6.2 Методика расчета процесса наращивания блоков комовой серы 301
6.2.1 Расчет процесса тепломасообмена при наращивании блока комовой серы 302
6.2.2 Расчет технологических параметров процесса получения комовой серы 306
6.2.3 Численный метод решения задачи формирования блока серы 309
6.3 Методика проектирования и расчета аппаратов плавления комовой и гранулированной серы в расплаве 314
6.4 Методика проектирования и расчета устройств плавления блочной серы 317
6.5 Методика проектирования и расчета тепломассообмена в технологических емкостях и системах подогрева для хранения и транспортировки жидкой серы 319
6.6 Вопросы конструктивно-технологической реализации результатов работы и общие рекомендации по моделированию и совершенствованию процессов производства товарной серы 322
Выводы 330
Заключение 331
Список литературы 336
- Существующие технологии получения, хранения и переработки товарной серы
- Особенности математического моделирования конвекции в капле расплава и возможности использования модели для микроструктурного анализа процессов тепломассообмена при формировании гранул
- Разработка математической модели конвективного течения при движении капли в потоке хладагента
- Результаты исследований, способы повышения производительности аппаратов и методы расчета тепломассообмена при плавлении частиц серы смешанного фракционного состава в расплаве
Введение к работе
Актуальность проблемы. Сера, наряду с углем, нефтью, известняком, поваренной солью и некоторыми другими продуктами, относится к основным видам сырья для химической промышленности. Помимо азота, фосфора, калия, кальция и магния сера также является необходимым питательным минеральным элементом растений. В связи с этим возникает необходимость в расширении производства серы, которое одновременно требует выбора ее оптимального товарного вида, удовлетворяющего комплексу требований, обусловленных необходимостью дальнейшей погрузки, транспортировки и использования. Среди многообразия товарных видов серы следует выделить такие из них, как жидкая, гранулированная и комовая, на долю которых приходится значительный объем производства. Производство, конечная переработка, а для жидкой серы и хранение, связаны с теплообменом. Сера как продукт переработки имеет существенные индивидуальные особенности (малые значения величин коэффициента теплопроводности и теплоты плавления, ограниченный допустимый диапазон изменения температур в аппаратах и т.д.), которые требуют учета и отдельного подхода к решению задач проектирования аппаратов серных производств и разработки специальной технологии. Необходимость дальнейшего расширения производства и ассортимента видов товарной серы обуславливает создание новых высокопроизводительных устройств, удовлетворяющих требованиям энергосбережения и экологической безопасности, соответствующих отечественным и международным стандартам качества продукции. Недостаточная изученность процессов тепломассообмена, являющихся определяющими при обеспечении указанных требований, определяет актуальность данной работы.
Работа выполнена в соответствии с координационными планами НИР и ОКР в рамках Всесоюзной программы и Программы Минрыбхоза СССР на 1975-1990 гт. «Экономия топливно-энергетических ресурсов»; в соответствии с Приоритетными направлениями фундаментальных исследований РАН (одобрено постановлением Президиума РАН от 13.01.98 г. №7 — поз. 2.1.4 «Исследования в области энергосбережения и эффективных технологий»); Региональной программой «Научно-технические и экологические проблемы освоения и эксплуатации Астраханского газоконденсатного месторождения» (1990 г.); Межотраслевой комплексной программой «Экология», утвержденной приказом Мингазпрома СССР от 23.09.90 № 220, а также в соответствии с новыми особенностями, возникшими в современных условиях, в том числе по результатам экспертиз экологической безопасности производства, транспорта и переработки товарной серы предприятиями Астраханского газоперерабатывающего завода, проводимых Управлением Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Астраханской области в 2003-2006 г.г.
Объектом исследования являются процессы и аппараты производства, хранения и переработки товарной серы.
Цель исследования заключается в разработке конструктивного исполнения комплекса аппаратов производства, хранения и переработки товарной серы, в создании методов расчета технологических параметров процессов тепломассообмена серных производств.
Научная новизна работы: 1 Выявлены особенности теплообменных процессов при водной грануляции серы, объясняющие физическую сущность процессов и приводящие к изменениям структуры формирующихся гранул и качественным изменениям свойств готовой
продукции. На основании результатов численных исследований разработанной математической модели и экспериментальных исследований предложен безразмерный комплекс, позволяющий количественно описать допустимые границы изменения технологических параметров. Получены уравнения для расчета диспергирования расплава серы в грануляторе и для гранулометрического состава.
-
На основе экспериментальных исследований процесса плавления твердой серы в расплаве разработана математическая модель, учитывающая влияние особенностей динамики движения расплава при его взаимодействии с частицами твердой серы в поверхностном слое и объеме расплава на процессы тепломасообмена. Предложены модифицированные критерии подобия Рейнольдса и Фруда, учитывающие плотность и способ загрузки твердых частиц. В результате исследований определены зоны возможного слипания частиц, безразмерные комплексы, устанавливающие допустимые изменения режимов работы аппарата, получено критериальное уравнение для расчета теплоотдачи, учитывающее исследованные особенности взаимодействия расплава и частиц.
-
Разработана математическая модель процесса плавления серы греющей пластиной, отражающая особенности теплофизических характеристик серы, формирования слоя расплавленной серы в зависимости от граничных условий, поля давлений в зазоре и локальных значений плотности теплового потока. В результате исследований получены уравнения для расчета тепломассообмена, которые учитывают особенности процесса, а также безразмерные зависимости для расчета поправочных коэффициентов на влияние температурного напора и угла наклона греющей поверхности.
-
Разработана математическая модель процессов тепломассообмена при остывании и разогреве серы, учитывающая ее особенности при нестационарном процессе тепломассообмена, осложненном фазовыми превращениями в аппарате. Получено уравнение, описывающее процесс тепломасообмена при остывании серы с учетом формирования твердой фазы серы на ограждающих поверхностях. Исследованы особенности работы трубчатого подогревателя при плавлении серы; разработана методика расчета темпа плавления, которая учитывает выявленные особенности.
-
На основе полученных результатов, учитывающих особенности тепломассообмена в процессах производства, хранения и переработки серы, предложены методики расчетов и конструктивных особенностей аппаратного оформления.
Практическая значимость работы:
-
Предложены технология, оригинальное аппаратное оформление, защищенное патентами на изобретения, методика расчета процесса грануляции серы, основанная на оптимизации тепломассобмена при остывании расплава в среде хладагента и позволяющая создавать установки, удовлетворяющие требованиям экологической безопасности при получении продукции, соответствующей действующим стандартам качества.
-
Разработаны методики расчета процессов теплообмена и режимов работы устройств для плавления комовой серы в расплаве, выделены границы режимов устойчивой работы, определяемые условиями требуемой производительности. Полученные результаты позволяют создавать высокопроизводительные устройства, устойчивость работы которых в пределах проектных параметров обеспечивается технологическими режимами загрузки, определяемыми по полученным зависимостям.
-
Разработана методика расчета конструктивных и технологических параметров устройств плавления блочной серы греющей плитой. Полученные результаты по-
зволяют проектировать плавильные устройства для блочной серы, которые отвечают современным требованиям экологической безопасности.
-
Разработаны методики расчета процессов теплообмена при хранении и перевозке жидкой серы, позволяющие проектировать ограждающие конструкции, системы подогрева и технологические режимы транспортных и технологических емкостей.
-
Результаты работы реализованы и приняты к реализации организациями и предприятиями, занимающимися проектированием, производством и переработкой товарной серы.
Апробация и внедрение результатов исследования Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на конференции «Стратегия выхода из глобального экологического кризиса: Материалы научных чтений, МАНЭБ, 2001 г.»; Международной научно-методической конференции «Экология. Образование, наука и промышленность. Белгород, 2002 г.»; II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье», 2004 г.; 26 Новосибирском теплофизическом семинаре 17-19 июня 2002 г., Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН; V Минском международном форуме по тепломассообмену (24-28 мая 2004 г.) ИТМО им. А.В.Лыкова НАНБ; итоговых научно-практических конференциях АГТУ в 1992-2004 г.; Международной конференции «Каспий. Настоящее и будущее. Астрахань 17-20 ноября 1995 г.»; научно-технической конференции «Проблемы экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазоносных месторождений с высоким содержанием сероводорода. Саратов, 1996 г.»; V Международной тешюфизической школе 20-24 сентября 2004 г., Тамбов. Элементы устройств, разработанные в результате выполнения настоящей научно-исследовательской работы, защищены 3 патентами РФ.
Разработанная методика проектирования аппаратов грануляции серы внедрена при составлении технологического регламента опытно-промышленной установки водной грануляции серы на Астраханском газоперерабатывающем заводе с целью получения продукции, соответствующей требованиям стандартов качества. Результаты исследований приняты к использованию Астраханским центральным конструкторским бюро для расчетов конструкции теплоизоляции грузовых отсеков и систем подогрева груза наливных судов для перевозки вязких быстроза-стывающих грузов при транспортировке грузов в режиме «остывания», позволяющем экономить энергоресурсы, регулируя режим работы систем подогрева. Математическая модель процесса тепломассообмена и температурных полей в расплаве и блоке серы применялась в научно-исследовательской работе «Совершенствование работы механизированного склада комовой серы и установки ручного и автоматического налива жидкой серы» Астраханским научно-исследовательским и проектным институтом газа ООО «Астраханьгазпром» с целью интенсификации процесса застывания серы. Полученные данные по тепломассообмену при хранении жидкой серы использованы Приволжской железной дорогой для уточнения температурных режимов наливных цистерн, что позволило выбрать оптимальную схему и оценить предельную дальность транспортировки жидкой серы без путевого подогрева. Результаты исследований в части разработки мероприятий по совершенствованию экологической безопасности производства, транспорта и переработки товарной серы используются Управлением Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Астраханской области при расчетах техногенной нагрузки на экосистемы региона предприятиями
Астраханского газоперерабатывающего завода, Астраханского транспортного узла и систем отгрузки гранулированной серы и генеральных грузов ООО «Бузан-порт».
В результате выполненных комплексных научных исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых представляет комплекс научно обоснованных технических и технологических решений, позволяющих изменить структуру производства товарной серы, адаптируя производственные возможности предприятий, производящих серу, к требованиям рынка, повысить экономическую эффективность производства, снизив капитальные затраты, успешно решать проблемы экологической безопасности производства серы.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 работах, в том числе в изданиях, рекомендуемых ВАК, и в монографии.
Существующие технологии получения, хранения и переработки товарной серы
Как отмечается в регулярных обзорах [197], производство серы растет вслед за потребностями. Так в 1997 г. мировое производство всех видов серы составило 60,3 млн.т S, что примерно на 0,6 млн.т больше выпуска предыдущего года. Рост производства в 1998 г. составил уже 1,2 млн.т. В 2005 г. выпуск серы по оценкам экспертов Международной ассоциации удобрений превысит 73 млн.т)/(на 24% выше соответствующего показателя в 1990г.). Прирост выпуска серы связан, в первую очередь, с расширением её ресурсной базы. Изменения коснулись структуры производства серы и используемых технологий.
Потребление серы неуклонно возрастает и к 2006 г. достигнет почти 70 млнл что на 18% выше, чем в 1990 г [198]. Около 90%» идёт на производство серной кислоты, из которых более 60%» - на выпуск удобрений, а остальная часть используется в других отраслях промышленности.
По мнению экспертов производство и потребление серы и в дальнейшем будет расти. По оценке G. d Aquin (Con-Sul Inc.) [197], к 2006 г. запас серы составит 40 млн.т, а к 2020 г. - 80 млн.т. Учитывая, что около 15 млн.т уже имеется в запасе, это означает, что за ближайшие 8 лет рост составит 25 млн.т и в среднем более 3 млн.т/г в ближайшие 20 лет. По мнению М. Kitto (British Sulphur Consultants), запасы будут увеличиваться на 4 млн.т/г до 2001 г. и на 3,5 млн.т/г в последующие годы. Таким образом, ожидается рост поставок на 3-4 млн.т серы в год на мировой рынок в прогнозируемом будущем. Для поддержания такого роста потребуется ежегодное увеличение потребления на 7-10%.
Вплоть до начала 90-х гг. доля серной кислоты, идущей на производство удобрений, росла. Это объяснялось, с одной стороны, расширением применения удобрений, а с другой - заменой в промышленном секторе некоторых продуктов или технологий на более дешёвые или не использующие серу. Фактором снижения темпов роста потребления серной кислоты в промышленности также послужили меры_по охране_окружающей ленности также_послужили меры по охране окружающей среды, принимаемые ещё с конца 80-х гг. в ряде индустриально-развитых стран. Вместе с тем в 90-х гг. в связи с распространением в США и Латинской Америке новых технологий электролиза меди наметилась тенденция роста доли потребления серы для промышленных нужд.
Однако огромный потенциал для повышения спроса на серу по-прежнему сохраняется в сельском хозяйстве - для потребления в составе удобрений (как через серную кислоту, так и напрямую в элементарном виде). Это вызвано истощением почв, накоплением в них дефицита питательных элементов и необходимостью увеличения урожаев. В 90-е гг. в условиях понижения общего уровня цен на серу и появления современных технологий производства открылась реальная возможность для широкомасштабного использования серы в некислотном секторе, в частности, в промышленном и дорожном строительстве для производства серобетонов и сероасфальтов [198]. Перспективность этих продуктов базируется на их преимуществах в конструкционном и экологическом отношениях, а также на экономических выгодах.
Структура потребления существенно влияет на рынок товарной серы (Приложение 1). В последние два десятилетия со стороны производителей зерновых возросло внимание к сере как к питательному компоненту. Сокращение выбросов диоксида серы, преобладание внесения высококонцентрированных удобрений и интенсификация сельскохозяйственного производства привели к увеличению площадей земли с дефицитом серы, что стало важным фактором для большинства сельскохозяйственных систем, направленных на поддержание и увеличение сельскохозяйственного производства.
В 1995 г. в мире было внесено в почву 0,1 млн.т серосодержащих удобрений, 75% из которых пришлось на сульфат аммония и простой суперфосфат. Эти удобрения и в дальнейшем будут иметь значение как источники серы, однако рынок завоевывается новыми продуктами, так как технологические разработки позволяют промышленности получения удобрений запус кать в производство новые серосодержащие продукты. По оценкам в настоящее время мировой рынок потенциально может поглотить дополнительные 7,3 млн.т PNS/r. Если производство продовольствия будет увеличиваться сегодняшними темпами, а внесение серы не изменится, то рынок серосодержащих удобрений, по оценкам, будет расти в среднем на 3,7% в год, достигнув 10,5 млн.т в 2007 г.
Don Messick считает, что мировой дефицит сульфата, как питательного компонента, составляет сейчас 7,5 млн.т S/r, к 2007 г. он возрастет до 10,5 млн.т S/r [197]. Это является результатом роста спроса на зерновые за последние 25 лет и незначительного попадания серы в почву из атмосферы или при внесении более концентрированных удобрений. Если бы действительно было возможно захватить долю в 7,5 млн.т/г на рынке для элементарной серы, то это сделало бы значительную "дыру" в данных Kitto/d Aquin касательно избытка в 3-4 млн.т/г для поставки в течение двух лет или что-то около того. После устранения дефицита в почве, по прогнозам, темпы роста спроса со стороны зерновых составят только 3 млн.т с 1999 г. по 2007 г., то есть -380 тыс.т/г. Темпы роста в долгосрочной перспективе, представленные d Aquin, были в 8 раз выше этой цифры.
Особенности математического моделирования конвекции в капле расплава и возможности использования модели для микроструктурного анализа процессов тепломассообмена при формировании гранул
Представляет интерес работа Тао [305] для аналогичной задачи. В ходе решения предполагается постоянство коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоотдачи. С учётом начальных и граничных условий Стефана и Ньютона автор сформулировал уравнение Фурье для шара в безразмерном виде. Дифференциальные уравнения преобразуются в конечно-разностные и расчёты выполняются на ЭВМ.
Следует отметить, что при этом существенную погрешность даёт допущение постоянства коэффициента теплоотдачи.
Подобные решения выполнены в ряде других работ [74, 75]. Отличаясь методом решения, они имеют одинаковые упрощающие допущения. Прежде всего, в большинстве решений, постоянными принимаются теплофизические свойства охлаждающей среды. Используется допущение о равномерном и прямолинейном движении капли, что не характерно для многих технологических процессов. Соответственно, считается постоянным коэффициент теплоотдачи на границе сред по всей поверхности шара и, как следствие, симметрия поля температур относительно центра. Вместе с тем, асимметрия температурного -лоля подтверждается исследованиями Е.А.Казаковой [77], установившей наличие значительной разности температур ( до нескольких десятков градусов) между лобовой и кормовой точками гранул.
Необходимо отметить, что в имеющихся решениях не учитывается конвекция внутри капли, что также может повлиять на температурное поле и процесс кристаллизации.
Таким образом, все известные решения, которые могли быть использованы для изучения процесса теплообмена при затвердевании жидкой капли, движущейся в охлаждающей среде, не позволяют получать достаточно точные результаты.
Анализ показал, что наиболее перспективными являются численные методы. В связи с этим представляется целесообразным получить численное решение, в котором исключаются выше перечисленные недостатки.
Для задач с нелинейностью, обусловленной фазовыми переходами, применяются следующие методы решения: метод сведения к интегральным и дифференциальным уравнениям [179, 221], метод итераций [107], вариационные методы [184], интегральный метод [15, 305], метод малого параметра [15, 114]. В основу метода сведения краевых задач к интегральным уравнениям типа Вольтерра (метод тепловых потенциалов) положено интегрирование системы уравнений нестационарной теплопроводности. Система уравнений дополняется условием Стефана в интегральной форме.
Полученная система может быть решена методом итераций. При этом результаты вычислений будут иметь достаточную точность.
Недостатками данного метода являются сложность решения и невозможность использования его при наличии конвективного переноса.
Метод итераций требует определённых аналитических преобразований исходной системы дифференциальных уравнений [107]. Преобразования заключаются в интегрировании уравнения теплопроводности. С учётом условия Стефана находится скорость перемещения границы раздела фаз. После интегрирования полученного выражения в пределах от координаты х=0 до границы раздела фаз и ряда несложных преобразований получают уравнения для температуры и текущей координаты границы затвердевания. Полученная система уравнений в безразмерном виде решается методом итераций. Данное решение имеет недостатки аналогичные предыдущему.
Широкое распространение для решения задач теплопроводности получили вариационные методы [114, 171, 184, 215]. Они заключаются в замене краевой задачи для дифференциального уравнения теории поля эквивалентной задачей об экстремуме функционала. Среди методов решения вариационных задач известны методы Ритца, Л.В.Канторовича, Треффтца, Био, Бубнова-Галёркина и др.
Получаемые решения вариационной задачи удовлетворительно согласовываются с точным решением. Вместе с тем, нелинейность задачи в сферической системе координат ограничивает возможность использования этого метода для расчета температурных полей при затвердевании гранул.
Решение также может быть найдено в виде линейной комбинации функций с неизвестными коэффициентами, определяемыми из условия минимума функционала. При этом могут быть использованы комбинации кусочно-постоянных функций, кусочно-линейных на прямоугольнике или многоугольной области, кусочно-полиномиальных, тригонометрических, билинейных функций, позволяющих получать эффективные алгоритмы для широкого круга задач [215], в том числе и для описания процесса фазового перехода.
Для решения нелинейных задач часто используется метод малого параметра, позволяющий свести алгоритм к решению последовательности краевых задач по определению коэффициентов разложения. Данный метод применим и для решения задач теплопроводности при наличии фазовых превращений.
Разработка математической модели конвективного течения при движении капли в потоке хладагента
Сопоставление результатов расчётов и экспериментов позволило определить толщину затвердевшего слоя, количество жидкой фазы и температурное поле внутри гранулы, выходящей из грануляционной колонны. На основе проведённых экспериментов по определению толщины слоя воды в грануляционной колонне, достаточного для предотвращения прилипания гранул к деталям аппарата, и выполненных расчётов можно сделать вывод - при образовании слоя толщиной 0,7 -г 0,75 мм достигается достаточная прочность для вывода гранул из зоны охлаждения. Остаточного тепла гранулы, выведенной в этот момент из хладагента после завершения кристаллизации, достаточно для сохранения средней остаточной температуры порядка 70 -ь 80 С.
С помощью численной модели можно объяснить механизм образования усадочной раковины и её влияние на форму гранул.
На рис. 3.26 представлен график изменения толщины затвердевшего слоя по полярной координате при исходной температуре расплава 125С и температуре охлаждающей воды 20С через 0,8 сек. после начала охлаждения. Данные условия соответствуют высокому темпу охлаждения капли и образованию остеклованной поверхности. Как видно из графика, в этом режиме наблюдается значительная неравномерность толщины затвердевшего слоя. Наиболее тонкий слой в мидельном сечении (угол 90). Увеличение плотности, связанное с процессом затвердевания, приводит к понижению давления внутри гранулы. При этом происходит разлом в наиболее тонкой части - по кольцу. При сдвиге прочной корки получается "ступенька" на поверхности гранулы.
Дальнейшее затвердевание приводит к повторному понижению давления и образованию следующего кольцевого разлома и т.д.
Сопоставление эксперимента и расчётов показали, что подобное явление может иметь место при наименьшей толщине корки 0,4 мм и неравномерности толщин более 20%. Форма образующейся гранулы представлена на рис. 3.27.
На рис. 3.28 дан график изменения толщины затвердевшего слоя при температуре серы 135С и температуре охлаждающей воды 50С, что соответствует низкому темпу охлаждения. Как видно из сопоставления графиков на неравномерность толщины затвердевшего слоя во втором случае значительно меньше.
Понижение давления в этих условиях сопровождается также разломом корки, но, из-за близких прочностных характеристик затвердевшего слоя, разлом имеет неправильную форму. Размеры разлома из-за низкой прочности поверхностного слоя значительно больше, чем в первом случае и скорость заполнения разлома водой велика.
В зависимости от прочности корки и температуры воды возможно микровскипание воды и разрушение оболочки. Форма образующегося разлома представлена на рис. 3.29.
Анализ результатов экспериментальных исследований по определению высоты столба воды, необходимой для образований прочной корки на поверхности гранул, позволил предположить, что прилипание гранул не происходит при достижении определенного значения толщины корки на поверхности капли. Для проверки данной гипотезы проведён сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами расчётов.
На графиках (рис. 3.30, 3.31) для различных режимов работы установки, нанесены линии времени образования прочной корки (эксперименты) и теоретического времени, необходимого для формирования твёрдого слоя различной толщины в зависимости от температуры воды. Сопоставление данных кривых позволило сделать следующие выводы.
В интервале температур от 0 до 2,3- 2,5 сек. от момента погружения капли в воду, независимо от температуры охлаждающей воды, твёрдой оболочки на поверхности не образуется. Экспериментальная линия имеет вид горизонтального отрезка и не согласуется с результатами вычислений. Затем, при дальнейшем охлаждении, экспериментальная кривая и теоретические линии идут эквидистантно.
Объяснить данное явление можно используя теорию кристаллизации расплавов. Для кристаллизации необходимо наличие двух условий: переохла 148 ждение жидкости и появление центров кристаллообразования. Анализ температурных полей, полученных с помощью численной модели, показал, что первое условие выполняется на поверхности капли уже через 0,1-г0,2 сек. Таким образом, фазовый переход из жидкого в твёрдое состояние ограничивается временем, необходимым для образования центров кристаллизации. Наблюдается зависимость данного временного интервала от температурных режимов, но её количественная оценка затруднена из-за сопоставимости изменения времени с погрешностью измерения. Для практического использования этот интервал можно принять равным 2,5 сек.
Как показали расчёты при наличии затвердевшего слоя, и расчёты при его отсутствии, количество отданного тепла в исследуемом диапазоне изменяемых параметров сопоставимо в пределах погрешности расчётов. Т.к. толщина затвердевшего слоя определяется этим количеством тепла, с достаточной степенью точности можно считать, что теоретическая зависимость за пределами 2,5 сек. интервала будет совпадать с реальной.
Сопоставление графиков на рис. 3.30 и 3.31 позволяет утверждать, что для отсутствия разрушения оболочки гранул в аппарате достаточно выдерживать капли в охлаждающей среде до достижении толщины твёрдого слоя 0,75 мм.
Выполнение этого условия, из-за высокой температуры в центре, позволяет предотвратить попадание в усадочную раковину влаги. При дальнейшем охлаждении выделившееся тепло кристаллизации и тепло, определяемое теп 150 лоёмкостью серы, может быть использовано для досушивания продукции до стандартных значений без дополнительных затрат энергии. При проведении экспериментов получаемые в этом режиме гранулы имели остаточную температуру на выходе из аппарата порядка 80С. Расход воды в грануляционной колонне определяется из теплового баланса. Расход воды при температуре охлаждающей воды 20С приведен на рис. 3.32.
Результаты исследований, способы повышения производительности аппаратов и методы расчета тепломассообмена при плавлении частиц серы смешанного фракционного состава в расплаве
Исследования процессов плавления, распространенных в технике, ведутся достаточно широко. Это работы как расчетно-теоретического характера, так и экспериментальные исследования. Задача этих исследований состоит в определении переноса теплоты и массы между плавящейся поверхностью и жидкостью с учетом конвективного движения у поверхности и поперечного пото-ка Нуссельта-Стефана. Основной моделью можно считать формирование ламинарного пограничного слоя, в котором поток жидкости, возникающий в результате плавления, непрерывно поступает в пограничный слой, увеличивая его толщину и снижая коэффициент теплоотдачи [222, 246]. При турбулентном режиме точное решение уравнений пограничного слоя представляет значительные математические трудности, поэтому появился ряд способов решения задач, основанных на применении теории подобия [246].
Как показывает анализ литературных источников, значительное влияние на интенсивность теплообмена оказывает определяющий размер. Форму и размеры поверхности твердой фазы необходимо учитывать при рассмотрении результатов исследований и при использовании в практических расчетах. Вы-» бор определяющего размера для обработки и анализа экспериментальных данных является наиболее сложным, он неоднократно обсуждался в литературе, но единого подхода к данной проблеме до настоящего времени не выработано
Проведенные нами исследования подтвердили сложность выбора определяющего размера даже для тел простой геометрической формы. В процессе плавления происходит непрерывное изменение формы и размера поверхностей. Экспериментальные исследования показывают, что при малых температурных напорах и малых размерах исходных тел наблюдалось слипание с увеличением размеров поверхностей, что существенно снижало темп плавления. Это подтверждает необходимость использования методик расчета с выбором определяющего размера по укрупненным показателям с последующей проверкой решения в натурных экспериментах. Представляется целесообразным использовать определяющий размер, не зависящий от формы поверхности L, равный отношению объема тела к площади [246].
Изменение формы при плавлении отмечается многими исследователями. Плоские поверхности приобретают волнистую форму, тела малых размеров приобретают хорошо обтекаемую форму [211, 216, 233, 246, 312]. В работе В.М. Стефановского [233] дан сравнительный анализ скорости плавления тел различной формы, в котором выделен неустановившийся режим с последующей его стабилизацией независимо от начальной формы.
Этот вывод подтверждается исследованиями В.В.Филаткина для блоков прямоугольной формы [230]. Полученная зависимость коэффициента теплоотдачи также показала, что, через непродолжительное время после начала плавления тела, для интенсивности теплообмена начальная форма существенного значения не имеет, т.к. экспериментальная кривая имеет минимум, за пределами которого форма образца не сохраняется. Некоторые авторы указывают на наличие линейной зависимости времени полного плавления от начальной величины определяющего размера [246].
Представленный И.Н.Шаталиной [246] анализ критериальных уравнений, приведенных к обобщающему определяющему размеру, показал возможность применения обобщающей формулы для расчета среднего коэффициента теплоотдачи. Анализ показал удовлетворительную сходимость решений, полученных А.Г.Ткачевым [216, 222]:
Проведенный анализ существующих способов расчета теплообмена при свободной конвекции в условиях плавления частиц ограниченных размеров в перегретом относительно температуры фазового перехода расплаве, а также анализ проведенных экспериментов по плавлению серы, позволяет сделать следующие выводы: - особенности формирования пограничного слоя, обусловленные наличием потока Нуссельта-Стефана, требуют применения обобщенных критериальных уравнений для расчета коэффициентов теплоотдачи, полученных для условий плавления; - имеющиеся эмпирические или приближенные уравнения для расчета скорости плавления [211, 216, 222] для плавления серы требуют провер ки; - форма плавящихся частиц не имеет существенного значения, т.к. задача достаточно быстро приходит к автомодельному, относительно формы, решению; - в качестве определяющего размера должен быть принят обобщенный определяющий размер; - в реальных технологических процессах плавления серы наблюдается значительный разброс фракционного состава частиц. Это приводит к необходимости введения в расчет укрупненных показателей для проектирования технологических процессов; - наблюдающееся слипание частиц требует определения технологических режимов, позволяющих избежать данного явления.
