Введение к работе
Актуальность работы. Для пищевых, биотехнологических и др. смежных производств совершенствование существующих, создаваемых вновь и перспективных технологических и физико-химических сис-тем(линий, операций, типовых процессов) предполагает повышение эффективности разнообразных процессов тепло- и массопереноса.
Функционирование этих систем определяет показатели качества продукции и сопряжено с комплексными затратами, влияющими в конечном счете на экономические показатели производств.
Концепция сбережения ресурсов и энергии должна быть преобладающей на всех стадиях функционирования перспективных технологий, при их разработке, аппаратурном оформлении и эксплуатации. Необходимо исходить из целостности системы процессов, использовать методические подходы системных анализа и синтеза, а также по возможности обобщения закономерностей функционирования и развитии систем, в т.ч. в различных смежных отраслях.
Выше сказанное в полной мере относится к производствам, перерабатывающим растительное и др. сырье, выпускающим продукцию многоцелевого назначения, применение которой обеспечивает функционирование и повышение эффективности ряда технологий в пищевой и других отраслях промышленности. К такой продукции относятся, например фурфурол и синтетические жирные кислоты.
Фурфурол является продуктом биотехнологической переработки растительного сырья (кукурузных початков, овсяной и рисовой шелухи, хлопковых коробочек и др.). Он является ценным селективным растворителем для различных масел, сырьем для производства лекарственных препаратов, а также широко используется для получения полимерных и др. материалов. Правительством РФ определена необходимость существенного роста объема производства фурфурола (до 15 тыс.т в год).
Синтетические жирные кислоты (СЖК), обеспечивают экономию тысяч тонн пищевых жиров, их используют в пищевой и биотехнологической промышленности при производстве синтетических моющих средств, туалетного и хозяйственного мыла, парфюмерно-косметических изделий, белково-витаминньгх концентратов и др. ценных веществ. Получение СЖК основано на окислении нефтяных парафинов.
Исследования, результаты которых обобщены в данной диссертации, выполнены при научном руководстве н непосредственном участии
ее автора с учетом задач, соответствующих Государственной научно-технической программе России 0.10 "Технология, машины и производства будущего" (1992 г.); раздел 2: "Технологическое оборудование и комплексы, производственная аппаратура, инструмент, оснастка" (разработка научных основ, исследование и создание на этой основе новых технологий, технологического оборудования и комплексов производственной аппаратуры и оснастки в области пищевой и перерабатывающей промышленности др.).
Признаком, объединяющим эти исследования, является то, что базовыми являются массо- и тепломассообменные процессы, в т.ч. сопровождающиеся химическими реакциями, осуществляемые преимущественно в гетерогенных (паро-жидкостных, газожидкостных) системах. При этом для получения продукции высокого качества регламентированы допустимый уровень температуры, а также время контакта фаз с учетом кинетики процессов.
Научная концепция исследований: на основе обобщения и анализа информации о тепломассообмене и гидродинамике при межфазном взаимодействии многокомпонентных потоков, а также в результате выполнения специально поставленных экспериментальных исследований обосновать,разработать и осуществить технические решения, позволяющие повысить эффективность (прежде всего интенсифицировать) производства продукции, например, фурфурола, синтетических жирных кислот и др.
Цель и задачи исследования:
При определении цели данной диссертации принимались во внимание:
задачи, соответствующие вышеуказанной Государственной технической программе РФ;
. актуальные потребности повышения эффективности промышленных преимущественно тепломассообменных аппаратов пищевых и биотехнологических производств;
возможности практической реализации результатов исследования, способствующих научно-техническому прогрессу.
Основными задачами исследования определены следующие.
1. Научное обобщение и анализ:
информации об эффективности тепломассообменных, особенно смесительных, теплотехнологических аппаратов, выбор системы показателей их эффективности;
информации о современных направлениях и методах интенсификации тепломассообмена в смесительных аппаратах, которые могут обеспечить повышение эффективности пищевых, биотехнологических и др. производств.
2. Обоснование выбора объектов и разработка методов их
исследования (производства фурфурола, синтетических жирных кис
лот и др.).
-
Обоснование методов интенсификации тепломассообмена в теплотехнологичееких преимущественно в смесительных аппаратах (в тарельчатых разделительных, в реакторах).
-
Исследование тепломассообмена в аппаратах по п.З.
-
Разработка и практическая реализация новых технических решений, направленных на повышение эффективности смесительных и других аппаратов, а также предложений обеспечивающих повышение эффективности производства, охрану окружающей среды при эксплуатации технологических систем в пищевой, биотехнологической и др. отраслях промышленности.
Научная новизна:
теоретически и экспериментально обоснована эффективность применения для количественной оценки интенсивности обновления межфазной поверхности предлагаемой новой величины - фактора, определяемого отношением величины межфазной поверхности ко времени контакта фаз;
на основе обобщения и анализа обширной информации о гидродинамике и тепломассообмене в двухфазных системах, характерных для контактных устройств, например, используемых при ректификации, в т.ч. новой, полученной экспериментально на специальных установках в условиях, максимально соответствующих натурным, доказана возможность достижения высокой равномерности структуры системы и существенной интенсификации межфазного тепло- и массо-обмена, обоснованы необходимые для этого параметры режима и конструктивные решения;
в результате анализа и использования современных представлений о механизме переноса теплоты и массы вещества при взаимодействии струйных потоков с межфазной поверхностью, например, жидкости, теоретически обоснован и экспериментально на крупномасштабной установке изучен новый метод интенсификации (в несколько раз) массообменных процессов, сопровождающихся химическими реакциями, например, окисления.определена область значений рациональных параметров режима;
на основе теории тепломассопереноса при пленочных, особенно при турбулентно-пленочных течениях, определена целесообразность постановки и проведения экспериментов на аппарате-контакторе, обеспечивающим, как доказано, кроме ускорения (в десятки раз) межфазного взаимодействия, высокое качество продукта.
Практическое значение полученных результатов: При сравнении эффективности тепло массообменных аппаратов предложены для практического применения вышеуказанный
фактор, позволяющий оценивать интенсивность обновления межфазной поверхности, а также технико-экономические критерии;
разработана многоцелевая наклонно-противоточная тарелка для
контактных тепло- и массообменных аппаратов, эффективность ко
торой существенно (в 2,5 раза) выше ранее применяемых и превыша
ет их по величине КПД (более 80%); обобщающие зависимости КПД
тарелок от основных факторов и параметров, в т.ч. представленные в
виде диаграмм, являются основой для инженерных расчетов соответ
ствующих аппаратов;
наклонно-противоточная тарелка рекомендуется для применения в ректификационых и адсорбционных колоннах, в скрубберах (особенно большого диаметра до 12 м) и др. смесительных тепло-массообменных аппаратах и др.;
разработаны, в т.ч. с применением методов моделирования, основы инженерного расчета и принципы аппаратурного оформления смесительных тешгомассообменных аппаратов-реакторов со струйным устройством и турбулентно-пленочных (совместно с "реактором-отстойником");
. в промышленных условиях испытан реактор окисления парафиновых углеводородов непрерывного действия оригинальной конструкции со струйным устройством, позволяющий значительно улучшить качество получаемого целевого продукта при сокращении времени проведения процесса окисления более в 2,5 раза;
разработана и реализована математическая модель для расчета трубчатых реакторов;
обоснованы предложения для применения результатов работы в различных отраслях промышленности при совершенствовании систем очистки газовых выбросов.
Все результаты исследования, инженерные разработки реализованы в промышленных условиях:
на Георгиевском и Волгоградском биохимзаводах, фурфуроль-ные колонны гидролизного производства;
на Нарткалинском химкомбинате, производство белхововита-минных концентратов с использованием гаприна;
на Шебекинском химзаводе, реактор для окисления парафиновых углеводородов до синтетических жирных кислот, опытно-промышленные испытания;
на Грозненском нефтеперерабатывающем заводе, контактор турбулентно-пленочного типа, промышленные испытания;
на опытном заводе ВНИИ поверхностно-активных веществ, однотрубный реактор оксиэтилирования неионогенных ПАВ, опытно-промышленные испытания;
на Кропоткинском химзаводе и предприятиях специализированного пуско-наладочного управления, эксплуатация аппаратов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждались на: заседании Президиума Центрального Совета НТО нефтяной и газовой промышленности им. акад. И.М.Губкина (Протокол 3 от 10. 02.78 г., г.Москва); Всесоюзном совещании по теории и практике ректификации (1978, 1984 г.г., г.Уфа); семинаре по проблеме: "Теоретические основы химической технологии" (13.12.81 г., г.Москва); расширенном заседании секции математического моделирования по гидродинамике и тепломассопереносу НТС Миннефтехимпрома СССР 19.06.80 г., г.Грозный); расширенных заседаниях ученого Совета Всесоюзного научноисследова-тельского института поверхностно-активных веществ (1978, 1979 г., г.Шебекино); 11-й научно-технической конференции ученых и проектировщиков (г.Северодонецк); 1-й региональной конференции: "Химики Северного Кавказа - народному хозяйству" (1987 г., г.Махачкала); расширенном заседании директоров гидролизных производств (1990 г., Г.Кропоткин); расширенном заседании ученого Совета Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института биологической техники (1990 г.,г.Москва); заседаниях Ростовского отделения Инженерной Академии Российской Федерации (1994 г., г.Ростов-на-Дону); Республиканской научно-технической конференции "Проблемы энергетики теп-лотехнологии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье" (январь, 1994 г., МГАПП); научном семинаре кафедры "Теплотехника" МГАПП (апрель, 1995 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опулико-вано 27 научных трудов, включая 3 изобретения и 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и документов, подтверждающих научную и практическую ценность работы.
Диссертация изложена на 286 стр., включает 79 рис., 14 табл., список литературы из 349 наименований.