Введение к работе
Актуальность. Одной из важнейших проблем предприятий химической промышленности РФ является неэффективное использование энергии и природных ресурсов, а также их негативное влияние на экологию. Таким образом, все отрасли промышленности стремятся к созданию компактных, высокоэффективных и потребляющих минимальное количество энергии установок и аппаратов.
В химической промышленности контактные конденсаторы применяются в процессах абсорбции, каплеулавливания, создания вакуума, контактной конденсации хлора, охлаждения ацетилена и газов при получении аммиачной селитры, деминерализации и очистки сточных промышленных вод, производства минеральных удобрений и др.; в теплоэнергетике - для деаэрирования воды, конденсации водяного пара и т.д. Преимуществами контактных конденсаторов являются высокая интенсивность процессов тепломассообмена, незначительная металлоемкость и простота их конструкции, исключение возможности отложений на поверхности нагрева, возможность повышения/понижения температурного уровня технологических процессов, значительное увеличение коэффициента теплопередачи и уменьшение габаритов. Однако их широкое применение сдерживается не только необходимостью подбора конденсирующего агента, но и повышенным брызгоуносом, а главное - энтальпийная эффективность контактных конденсаторов не достигает более 90%.
В химической промышленности аппараты смешения являются одновременно и конденсаторами, и каплеуловителями, например, в производстве метанольного формалина: конденсация/улавливание непрореагировавших капель/паров метанола и метандиола. Поэтому разработку высокоэффективного аппарата смешения, предназначенного для процессов конденсации или улавливания, следует считать актуальной.
Степень разработанности темы. Экспериментальными и теоретическими исследованиями закрученных потоков газа (поле скоростей, гидравлические сопротивления) без учета конденсации или влияния капель, распыливаемых центробежной форсункой, занимались Л.А. Ву-лис, Б.П. Устименко, К.А. Штым, А.А. Халатов, Н.А. Николаев, А.Н. Николаев, В.А. Булкин и др. Тепломассообмен между каплями и паром, движение и изменение размеров капель при конденсации без закручивания потока пара рассмотрены в работах С.С. Кутателадзе, В.П. Исаченко, В.А. Бариловича, J.N. Chung, R.L. Steinberg, A. Lekic, J.D. Ford, G. Herdan, И.В. Мещерского и др. Однако процесс контактной конденсации в закрученном потоке пара на каплях, распыливаемых центробежной форсункой с винтовым завихрителем малой производительности, остается экспериментально малоизученным.
Цели и задачи. Целями диссертации являлись исследования процесса конденсации в вихревых условиях на диспергированной центробежной форсункой с винтовым завихрителем малой производительности жидкости и разработка новой конструкции контактного конденсатора вихревого типа (ККВТ).
Для достижения указанных целей, необходимо решить следующие задачи:
создание экспериментальных установок для исследований (с проведением физических экспериментов) процесса конденсации с начальной закруткой потоков на диспергированной жидкости и дисперсного состава капель, распыливаемых центробежной форсункой с винтовым завихрителем малой производительности;
построение модели движения капли с учетом тепломассопереноса в закрученном потоке пара при контактной конденсации для предлагаемого аппарата;
построение модели ККВТ, с учетом гидродинамики, в среде ChemCAD, а также выявление зон работоспособности и степени конденсации в предлагаемом аппарате;
оценка энтальпийной эффективности полого ККВТ и при наличии конусообразного вихревого устройства (КВУ) с различными плотностью орошения и температурой охлаждающей жидкости.
Научная новизна
получены экспериментальные данные степени конденсации паров воды и этанола на диспергируемой жидкости (в зависимости от плотности орошения и температуры подаваемой жидкости) и исследован дисперсный состав капель, распыленных центробежной форсункой с винтовым завихрителем малой производительности;
построена модель движения капли с учетом тепломассопереноса для предлагаемого аппарата и реализована в программе Wolfram Mathematica;
в результате численных и экспериментальных исследований выявлены зоны работоспособности аппарата: полная, частичная или отсутствие конденсации;
выявлено количество неконденсируемых паров и энтальпийная эффективность ККВТ в зависимости от плотности орошения и температуры охлаждающей жидкости;
с помощью модуля Excel Unit Op в среде ChemCAD построена модель ККВТ, которая интегрирована в модифицированную технологическую схему процесса абсорбции метанольно-го формалина.
Теоретическая и практическая значимость работы. По полученным экспериментальным данным построена модель ККВТ в среде ChemCAD с учетом модели, построенной в программе Wolfram Mathematica. Предложена усовершенствованная технологическая схема процесса абсорбции метанольного формалина. Разработанная конструкция ККВТ защищена па-
тентами РФ RU №124778 U1 МПК F28B 3/08 и RU №2502929 С1 МПК F28B 3/00 и принята к внедрению на предприятиях ПАО «НКНХ», ООО «НПФ ЭИТЭК».
Методология и методы исследования. Методологическую основу исследования составили методы физического, математического моделирования и элементы статистики.
Методами исследования являлись физические эксперименты и моделирование в универсальных моделирующих пакетах (УМП) «ChemCAD» и «Wolfram Mathematica». Аппроксимация полученных экспериментальных данных проводилась в программе «Microsoft Excel».
Положения, выносимые на защиту
экспериментальные данные по контактной конденсации на диспергированной жидкости в системах «вода - водяной пар» и «этанол - пары этанола»;
данные экспериментов по определению дисперсного состава жидкости на выходе из центробежной форсунки с винтовым завихрителем малой производительности;
модель движения капли с учетом тепломассопереноса в закрученном потоке пара при контактной конденсации в предлагаемом аппарате;
модель ККВТ в универсальном моделирующем пакете ChemCAD;
результаты численных и экспериментальных исследований: эффективности и работоспособности ККВТ (полого и при наличии КВУ);
Степень достоверности полученных результатов диссертационного исследования подтверждается использованием стандартных и поверенных приборов измерения, обработкой результатов экспериментов методами математической статистики, а также расчетами по фундаментальным уравнениям термодинамики и гидродинамики в современных УМП и хорошим совпадением их с воспроизводимыми экспериментальными данными.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты научной работы докладывались и обсуждались на международных и Российских научно-практических конференциях: «Прорывные научные исследования как двигатель науки». г. Саранск, 2016г.; «Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем РАШХИ-2016». г. Казань, 2016г.; «Приоритетные направления развития науки и технологий», г. Тула, 2012г.; «Интенсификация тепло- и массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», Казань, 2012 г.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий» в следующих областях: способы, приемы и методология исследования гидродинамики движения жидкости, газов; исследование тепловых процессов в
технологических аппаратах и технологических схемах; исследования массообменных процессов и аппаратов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 публикация, из них 15 -научных статей в рецензируемых изданиях из перечня, рекомендованного ВАК (2 из которых в изданиях, индексируемых в международной научной цитатно-аналитической базе данных Scopus) и 2 патента Российской Федерации (один из которых на изобретение).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами к каждой главе, заключения, списка литературы и трех приложений. Основное содержание изложено на 144 страницах машинописного текста, включающих 82 рисунка и 26 таблиц. Библиографический список включает 156 наименований цитируемых работ российских и зарубежных авторов.