Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди многообразия теплсмассообменных и пылеулавливающих аппаратсз широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других смежны.', с ними отраслей промышленности нашли колонны с ситчатыми и провальними тарелками. Основными недостатками указанных конструкций являются недостаточная эффективность работы и низкая производительность по газу, узкий диг-пазсн рабочих скоростей газа и склонность к зарастанию внутренних поверхностей аппаратов и контактных устройств твердыми примесями, содержащимися в газе.
Для решения этой проблемы в НИИ XT и ПЭ ЮКГУ им. М. Ауезова разработаны крупнодырчатыс провальные тарелки (КДПТ). Опыт их эксплуатации на предприятиях различных отраслей промышленности Республики Казахстан показал, что они устойчиво и эффективно работают прч обработке сред, содержащих большое количество твердых н нерастворимых в воде примесей, а также просты в изготовлении.
В то же время опыт промышленного использования КДПТ похазхч, что им свойственен ряд серьезных недостатков. В отверстиях тарелок при Прохождении через них газового потока возникает однонаправленная газожидкостная струя, а это явление приводит к уменьшению движущей силы процесса массо-обмена и увеличению брызгоуноса. В аппаратах диаметром 2,0 м и более возможно неравномерное распределение потоков газа и жидкости по сечению тарелки и образование банпасных потоков, что также уменьшает эффективность с массообмена.
Детальное рассмотрение явлений, происходящих на КДПТ показало, что имеются значительные резервы, задейстаовав которые можно без значительного усложнения конструкции существенно повысить эффективность- работы и расширить диапазон рабочих скоростей газа.
Одним из таких эффективных методов интенсификации колонных массо-обменных аппаратов является использование принципа продольно-поперечного секционирования. Приемы и конструктивные методы решения этого вопроса многообразны и зависят от требований, определяемых технологическими параметрами процесса и физико-химическими свойствами обрабатываемых сред. Наиболее важными проблемами, которые необходимо решить при секционировании, являются: 1) предотвращение бзйпасного прохождения потоков газа и жидкости через аппарат; 2) равномерное распределение потоков газа и жидкости по сечению аппарата. Особое внимание при этом должно уделяться тому, чтобы конструкция контактного устройства способствовала подавлению брызгоуноса. Заметим, что к настоящему времени практически отсутствуют целенаправленные систематические исследования, посвященные теоретическому и экспериментальному исследованию брызгоуноса в современных интенсивных аппаратах, предназначенных для обработки газов жидкостями. '
Проведенный нами анализ показал, что эффективным оказалось размещение на тарелке стабилизатора газожидкостного слоя, выполнен ого в виде подвижных пластинчатых элементов. Элементы подвижной насадки способствуют стабилизации газожидкостного слоя, препятствуя раскачиванию газожидкостного слоя на тарелке. Экспериментальные исследования также показали, что элементы стабилизатора способствуют равномерному распределению газа и жидкости по сечению аппарата, предотвращают байпасирование потоков по сечению аппарата и интенсифицируют процесс тепломассообмена. Однако, проведенные к настоящему времени исследования не позволили определить количественно и качественно характер влияния подвижных элементов на гидродинамические и массообменные характеристики крупнодырчатых провальных тарелок. Поэтому проведение полномасштабных исследований по влиянию стабилизатора газожидкостного слоя активного типа на гидродинамику и массо-обмен в газовой фазе на КДПТ представляется актуальной проблемой.
Работа выполнялась в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ АН СССР по направлению "Теоретические основы химической технологии" (подраздел 2.27. 2.6.17.) на 1986 - 1990 г.г., научно-технической программой Министерства науки и новых технологий РК "Научно-технические проблемы машиностроения и создания машин и аппаратов" (шифр П.0034) на 1993-1997 г.г., региональной научно-технической проірам-мой Министерства науки - ПАН РК по теме "Разработка и опыгно-іромьішленное освоение ресурсо- и энергосберегающих адаптированных технологии для предприятий фосфорной отрасли шифр (НТП Р.0167) на 1998 -2000 г."
Цель работы. Создание высокоэффективного аппарата с крупнодырчагыми провальными тарет.камп со стабилизатором газожндк четного слоя активного типа, разработка научно обоснованной методики расчета, опытно-промышленная проверка и внедрение в промышленность.
D соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
выявление основных гидродинамических закономерностей работы
крупнодырчатой провальной тарелки со стабилизатором газожндкостного слоя
активного типа и получение уравнений для расчета основных гидродинамиче
ских параметров аппарзта;
» раскрытие механизма формирования брызгоуноса на КДІ1Г со СС и получение научно обоснованных зависимостей для расчета брызгоуноса в зависимости от конструктивных параметров тарелок и стабилизатора слоя;
исследование процесса массопередачи, лимитируемого сопротивлением
газовой фазы, в широком диапазоне изменения конструктивных параметров
контактных устройств и получение расчетных зависимостей для определения
коэффициентов массоотдачн в газовой фазе;
создание научно обоснованной методики расчета аппаратов с крупнодырчатыми провальными тарелками со стабилизатором гезожндкостного слоя активного типа;
проверка достоверности основных илучных результатов н разработанной методики расчета аппарата с КДПТ со СС ч промышленных условиях;
Научная новизна работы:
установлено, что размещение над полотном крупнодырчатых провальных
тарелок стабилизатора газожндкостного слоя (ряді пластинчатых элементов)
интенсифицирует процесс тепломассообмена, расширяет диапазон рабочих
скоростей газа, способствует решению вопроса о масштабном переходе от ла
бораторных моделей к промышленным образцам;
в определено оптимальное соотношение конструктивных параметров стабилизатора газожндкостного слоя активного типа и крупкодырчатой провальной тарелки, обеспечивающее максимальный диапазон рабочих скоростей газа и. эффективность процесса тепломассообмена;
выявлено, что на крупнодырчатых проігпьньїх тарелках со стабилизато
ром газожндкостного слоя отсутствует переходный режим, харахтерчый для
работы КДПТ, а струйный режим непосредственно переходит в режим свобод
ной турбулентности. Благодаря этому расширяется диапазон рабочих скоростей
газа, повышается динамическая устойчивость газожндкостного слоя на тарелке;
» на основе анализа физических процессов, происходящих на тарелке, получены уравнения для определения нижнего и верхнего предела работы, а также для расчета критических скоростей газа, соответствующих переходу от струйного режима к режиму свободной турбулентности;
учитывая характер противоточлого движения потоков газа и жидкости через отверстия тарелки, стабилизирующие действия стабилизатора и применяя принцип минимальных потерь напора на прохождение газового потока, выведены уравн.ния для расчета гидравлического сопротивления;
на основе иолуэмпирического подхода получены уравнения для расчета количества удерживаемой на тарелке жидкости, динамической высоты и газо-содержання газожидкостного слоя;
» установлено, что брызгоунос формируется путем уноса части капель, образовавшихся в результате дробления жидкости потоком газа в отверстиях тарелки. На основе этого представления разработана физическая модель формирования брызгоуноса на крупнодырчатых провальных тарелках со стабилизатором газожидкостного слоя актисіюго типа и выведены расчетные уравнения для расчета относительного объемного и массового уноса;
« исходя из гидродинамической аналогии между массопередачей и трением, предложены уравнения для расчета коэффициентов массоотдачн в газовой фазе.
Практическая ценность. Разработана усовершенствованная конструкция аппарата с крупнодырчатыми провальными тарелками со стабилизатором газожидкостного слоя активного типа. Результаты лабораторных ..^следований и опытно-промышленных испытаний созданного аппарата, представленные в виде графических зависимостей и методов расчета, могут быть использованы инженерно-техническими и научными работниками различных отраслей промышленности, проектных и научно-исследовательских институтов при разработке технических заданий, технических условии, тшюразмерных рядов и нормалей, а также при проектировании и эксплуатации.
Реалізації» практических результатов работы d промышленности.
Предложенная методика расчета гидродинамических и массообменных характеристик аппарата и рекомендации к проектированию использовались при разработке опытно-промышленного образца абсорбера для очистки печных газов в производстве желтого фосфора на АО "КазНИИХимпроект", а также при создании установочного образца абсорбера с крупнодырчатыми провальными тарелками со стабнлиззтором газожидкостного слоя активного типа для очистки отходящих газов в производстве кормовых обесфторенных фосфатов на ТОО "Завод минеральных удобрений".
Основные научные положении, выносимые автором на защиту.
результаты экспериментальных исследований гидродинамических закономерностей работы и маеейотдачи в газовой фазе в аппарате с крупнодырча-тымг. провальными тарелками со стабилизатором газожидкостною слоя акційного типа (КДПТ со СС);
уравнения для расчета предельных скоростей ггза, гидравлического сопротивления аппарат.' брьпгоуноса и коэффициента массост дачи в газовой фазе;
методика расчета, проектирования и эксплуатации ант ратов с КДПТ со СС.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Второй Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (Шымкент, 1980); Международной научно-практической конференции "Перспективные направления развития химии и химической технологии" (г. Шымкент, 1999); Республиканской научно-практической конференции "Ауезовские чтения - 2" (г. Шымкент, 1999);
Публикации: По теме диссертации опубликовано 6 научных грудой.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти і лап основной части, заключения, списка использованных источников и приложений, включающих материалы и документы, подтверждающие проведение опытно-промышленных испытаний.