Теплообмен при кипении и конденсации смесей этилацетата и воды Лонщаков, Олег Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы. В ряде аппаратов химических и нефтехимических производств имеет место кипение и конденсация паров смесей с ограниченной растворимостью компонентов.

С двухфазными системами связаны процессы теплообмена, массообмена и :овмещенного тепло- и массообмена. При этом в реальных системах тепловые, гидравлические и массообменные параметры могут сочетаться различным образом, а их взаимное влияние и сложное взаимодействие в значительной степени затрудняет получение адекватных математических моделей таких процессов. Дополнительные осложнения возникают из-за наличия метастабильных состояний, а также вследствие различных форм существования отдельных фаз (капли, струи и пленки жидкостей, струи и пузыри газов).

Сложность исследуемых гетерогенных систем и незавершенность теоретического описания приводят к использованию полуэмпирических методик их расчета. Большинство этих рекомендаций уже не отвечает возросшим требованиям к расчету и конструированию теплообменной аппаратуры.

Особенности кипения смесей с ограниченной растворимостью компонентов, к которым относится бинарная система этилацетат-вода, до настоящего времени изучены очень мало. Имеющийся экспериментальный материал не позволяет сделать широкие обобщения и получить расчетные рекомендации.

Изучение процесса кипения стратофицированных систем и, в частности, кипение в условиях ее разрушения, в настоящее время находится на начальном этапе исследований.

Теплообмен при конденсации паров бинарных смесей является также наименее изученной проблемой теории теплообмена, хотя с этим явлением на практике сталкиваются гораздо чаще, чем с конденсацией паров чистых жидкостей. Еще меньше изучена конденсация смесей с ограниченной растворимостью компонентов. Большая сложность исследования в данном случае объясняется неизученностью і идродинамических условий движения фаз на границе раздела, где происходит выделение и поглощение скрытой теплоты фазового превращения. Режимы течения конденсата здесь настолько разнообразны и сложны, что до настоящего времени их моделирование оказалось неосуществимым. Однако, как показывают результаты последних исследований¹-²³, режимы течения пленки конденсата и для смесей паров неограниченно растворимых жидкостей оказались не столь простыми как предполагалось раньше.

Одной из причин, создающих трудности при построении методики расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации смеси паров, является вопрос о роли диффузионного пограничного слоя. В настоящее время нельзя однозначно утверждать, что он должен существовать при всех режимах конденсации смесей паров. Существование диффузионного пограничного слоя нельзя исключить, если исходить из гипотезы существования фазового равновесия при конденсации смеси паров.

1. Fujii Т.. Коуита S.. Ndiwaluna N.M., Nakamura Y. Experimental study of gravity controlled condensation of binary vapour mixtures on a smooth horizontal tube. V Proc. Int. Heat Transfer Conf. Iurysalem. 1990. V.3. P. 109-114.

2. Tanasawa I. Recent advances in condensation heat transfer. II Proc. 10* Int. Heat Transfer Conf. Brighton. 1994. V.i. P. 297-312.

3. Фтшуллин Г.Ш. Теплообмен при конденсации смеси паров этанола и во-гсы. // Диссерт.'на соиск. уч. ст. канд. тех. наук. - Казань. 1995, 145 с.

Выбор в качестве объекта исследования бинарной системы этилацетат-вод; основан на том, что этилацетат широко применяется в качестве растворителя в тех нологии получения сферических порохов. Образующаяся в данной технологи] формирования гранул полимерного продукта гетерогенная система этилацетат-вода претерпевает в процессе производства фазовые превращения (кипение и кон денсация). Для расчета соответствующей теплообменной аппаратуры необходим» располагать коэффициентами теплоотдачи.

Из вышеприведенного краткого изложения проблемы вытекает актуальності и своевременность проведения настоящего исследования на примере широкі встречающейся в практике бинарной системы с ограниченной растворимостьк компонентов этнлацетат-вода.

Цель работы.

4. Исследование теплообмена при кипении в условиях естественной конвек ции смесей этилацетат-вода.

5. Исследование теплообмена при конденсации смеси паров этилацетата і воды в вертикальной трубе.

6. Рассмотреть возможность использования имеющихся уравнений для расче та коэффициентов теплоотдачи при кипении и конденсации смесей с ограниченно! растворимостью компонентов этилацетат-вода.В случае невозможности их исполь зования -обобщить результаты измерений зависимостями, пригодными для зтоі цели.

Научная новизна. Автором впервые произведено:

исследование процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении смесей эти лацетата и воды в условиях свободной конвекции, включая диапазон концентрати где присутствуют две жидкие фазы;

исследование теплообмена при конденсации смеси паров этилацетата и во ды в вертикальной трубе. Исследовано влияние компонентного состава и плотносп теплового потока на характер изменения коэффициентов теплоотдачи как при ки пении, так и при конденсации паров этой бинарной системы. Предложены расчет ные зависимости для описания теплообмена при конденсации и при кипении (каї при наличии стратофицированной системы, так и в случае ее отсутствия).

Практическая ценность работы. Автором рекомендуются уравнения дш расчета коэффициентов теплоотдачи при пузырьковом кипении в большом объем< и при конденсации в вертикальной трубе бинарной смеси с ограниченной раство римостью компонентов этилацетат-вода. Полученные результаты ликвидируют от сутствие достоверной информации по теплоотдаче в гстероазеотропной смеси эти лацетат-вода и позволяют надежно решить ряд технических проблем, связанных < экономией энергоресурсов, эффективностью и безопасностью производственны) процессов. Указанные соотношения могут быть применены при проектировании і расчете теплообменной аппаратуры химических производств. В частности, полу ченные результаты были использованы ГосНИИХП в комплексе технических ре шений по разработке и внедрению на заводах отрасли промышленных теплообмен пых аппаратов с использованием процессов испарения и конденсации вышеуказан пых смесей.

Автор защищает:

результаты измерений коэффициентов теплоотдачи при кипении в условиях есте-ственной конвекции смесей этилацетат-вода;

результаты измерений коэффициентов теплоотдачи при конденсации смеси парог этилацетата и воды в вертикальной трубе;

обобщенные зависимости для описания теплоотдачи при кипении и конденсации

полученные на основе анализа ряда соотношений, предложенных другими авторами. .

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV и V Всесоюзных конференциях молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1991, 1993 гг.), на научно-технических конференциях КГТУ. ,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, за-' ключення, списка литературы из 234 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 7 таблиц.