Введение к работе
Актуальность проблещ. Псевдоожиженше системы обладает рядом уникальных свойств, обеспечивающих эффективную реализацию в них множества физико- химических процессов, которые сложно или невозможно осуществить в других условиях. Цревде всего это касается высокотемпературных процессов и процессов, сопровождающихся поглощением или выделением большого количества тепла (сжигание топлив, обжиг, гетерогенный катализ и др.). Как правило, применение псовдоожиженного слоя позволяет существенно интенсифицировать реализуемый процесс, снизить габариты и металлоемкость оборудования, что с учетом масштабов современных производств является исключительно актуальной задачей.
Одним из важнейших направлений в создании нового технологического оборудования, используицего техншсу псевдоожижения, является разработке аппаратов с организованным псевдоогяженннм слоем, т.е. аппаратов, в которых на основе введения специальных конструкционных элементов осуществляется целенаправленное воздействие на структуру слоя и характер движения дисперсного материала в объеме реактора. Основные преимущества организованного псевдоожиженного слоя с практической точки зрения связаны с возможностью реализации непзотермических по высоте режимов, обеспечением 'заданной интенсивности перемешивания зернистого материала, повышением эффективности кепфазного газообмена, реализации режимов противотока газа и твердого.
По способу организации псевдоожкхэнного слоя мокао выделить три основные группы аппаратов;
- с: направленной циркуляцией (например, проточные по
дисперсному материалу аппарата);
содержащие неподвижную равномерно распределенную по объему слоя организующую пасадку (заторможенные псевдоокижэнные слои);
. содержваиэ проницаемые для . дисперсного материала секционирующие элементы (реакторы с, секциопированным псевдоожижонншл слоем). *
Наряду с повышением, эффективности существующих процессов
применение реакторов с организованным псевдоозижепным слоем является основой реализации принципиально новых процессов, характеризующихся поваленной эксномичностьа.большй конверсией п селективность». В частности, к таким процессам относятся разрабатываемые в Институте катаіАза процесса сжигания топдив в каталитических генераторах тепля, парциального окисления ортоксилола ео фталевий ангидрид в условиях' нестационарного состояния катализатора, парциального окисления сероводорода с получением елементарной сэры в технологии очистки природаого газа и другие.
Вместо с тем техника псевдоошжания во всем ииро до сих пор внедряется с большими трудностями и считается трудно реализуемой в промышленных масштабах. ІІреаде всего сто связано с отсутствием достаточно еффоіггпЕних катодов расчета параметров, характеризующих интенсивность процессов переноса в элементах аппаратов этого типа.
Еще более актуальна данная проблема для реакторов с организованным псевдооииженниа слоеи, т.к. послодкиэ являются, с одной стороны, более перспективными, ос другой,- обладают более усложненной конструкцией. Информация сэ о катодах расчета элементов аппаратов с организованный псовдоохашнанм слоем, опыте их разработки и эксплуатации в еткритоД научной литературе чрезвычайно ограничена, что связывается с ее большим коммерческим значением.
Результаты данной диссертационноа работ был- получены в рамках выполнения комплексной научно- технической программы О.Ц.ОІ4 и планов НИР 1!нститута катализа СО РАН.
Цель работ». Цель» настоязеи даосортационЕОй работа является теоретическая и аксперпуэптальная разработка катодов расчета процессов переноса в елементах каталитических реакторов о организованным псввдоояиеенныа слоем іяшкощтельно к решению задач их расчета и математического модйлирования.
Для реализации указанной цели роааотоя следуезяе научные задачи:
- на беге комплекса исследовании поведения газовых пузырей и закономерностей тепло- и массоперевоса получить описание основных параметров, характеризующих тепло- и массогоренос в лсевдоокиженном слое, организованном объемной насадкой:
скорость подъема и размеры газових пузырей, расширение псэвдоокизенного слоя, эффективные коэффициенты ітродольной диффузии частиц п теплопроводности, скорость циркуляции честил, коэффициент мвЕфазпого мвссообмена по частицам, доли сечении, занятые подъемным п опускным потоками; -разработать метод расчета скорости гравитационного истечения зернистого материала из отверстия при наличии противотока газа;
-разработать физическуп модель истечения зернистого материала через секцяонирувэдуи реактор решетку при наличии противотока газа, па ее осново описать процесс и получить соотношения для расчета основних параметров, характеризуючих истечение зернистого материала в рассматриваемых условиях: -исследовать особенности циркуляции зернистого материала через провальный сеісционирукщии элемепт, размещенный в псовдоожигенном слое, разработать физическую модель циркуляции и получить соотношения для расчета интенсивности циркуляции частіщ через секциопиругсий элемент при налігши и в отсутствии протока катализатора через реактор;
-экспериментально исследовать особенности продольного теплопереноса в секционированном псевдоояигенном слое и получить соотношения для расчета эффективного термического сопротивления провального секционирующего элемента каталитического реактора;
-экспериментально исследовать внешний теплообмен в недслоевом пространстве, установить основные закономерности теплообмена в этих условиях и получить соотношения для . расчета расширения слоя и интенсивности теплообмена в зависимости о? продольной координата, условий псевдоогихонля и компоновки трубчатой йєподвішзоЯ 'насадки, расположится в слое и надслоевом тространство;
-разработать математическую модель каталитического реактора с тсевдооюшенным слоем, учитывающую процесс коалосценции газовых , пузырей и . позволяющую анализировать влияние )со6енностек узла подачи реагентов в реактор; на примере саталлтических реакций первого . и второго порядков проанализировать влияние ; коалесцанции пузырей и іеразномерностл подачи реагентов па интенсивность их
перемешивания и превращения в псовдоокшэнноы слое
катализатора. ( '
Научная новизна. В результате проведенного в диссертации комплекса исследований разработаны основы расчета процессов переноса в лементах аппаратов с организованным псевдоокижешшм слоем. При атом в диссертации подучены следующие основные новые научные результаты: І.На основе приближенной теории движения и взаимодействия газовых пузырей в развитом псевдооаошенном . слое получены но содержащие дополнительных эмпирических коэффициентов и xopozo согласующиеся с экспериментальными данными новые формулы для расчета порачетров циркуляционной и диффузионной моделей аппаратов с организованным объемной насадкой псевдоогзшэпным слоем (скорость подъема пузырей, коэффициент массообмена по частицам, коэффициент эффективной теплопроводности и др.);
2. Разработана элементарная теория гравитационного истечения
зэрнистого материала из отверстия при наличии противотока
газа, на основе которой получены не содержащие новых
эмглрических констант и хорошо описываидае имещкеся
экспериментальные данные соотношения для расчета расхода
дисперсного материала в зависимости от скорости газа и
параметров частиц и отверстия, а также' для критической
скорости газа, при которой истечение- зернистого материала,
прекращается.
3. Разработана физическая модель истечени.. зернистого
материала из системы отверстий (решетки) при наличии
противотока газа, на основе которой выполнено описание этого
прсцесса и установлены хорошо согласующиеся с полученными
экспериментальными данными соотношения для расчета . основных
параметров, характеризуюцих процесс истечения d
рассматриваемых условиях (скорость газа, соответствующая
переходу от раввомерноі-о режима истечения к вяравномерноыу,
величина перепада давления на решетке, характерные скорости
газа в отверстиях, доли отверстий, работающих в различных
режимах, расход зэрнистого материала через решетку, предельная
скорость газа, при которой истечение зернистого материала
через решетку прекращается).
4.На основе выполненного экспериментального исследования
разработаны физическая модель транспорта частиц через однослойный сёкцяонирушиа элемент, расположенный в псевдоозхижэпном слое и приближенная тоорял, позволившая получить соотношения для расчета потоков частиц и характерных скоростей газа в проточном и непроточном аппаратах, хорошо обобщающе экспериментальные данные и содержание один емпиричесхий коэффициент.
-
В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлен механизм осевого переноса тепла через секционирующий -элемент в псевдоозажешом слое. Выполнено списание процесса переноса тепла через секционирухдай элемент п получены соотиопения для расчота эффективного термического сопротивления секционирующего элемента в зависимости от конструкции последнего и параметров псовдоокижэния.
-
Получены ноЕыв экспериментальные данная о механизме к интенсивности внешнего теплообмена в надслоевом пространство свободного ц содержащего горизонтальные трубные пучки псевдоогижешэго. слоя. Разработаны корреляции для расчота внешнего теплообмена в этих условиях, учитывающие высоту слоя,
КОМПОНОВКУ ТруСНЫХ ПУЧКОВ Ц ДРУГИе ОСОбеННОСТИ ПСЄВДООЖИЕ0ПИЯ.
7. Продлозгана новая статистическая модель химического реактора
с неоднородным псввдоонивнгам слоем, учитывающая коалесценцію
пузырей и позволяющая анализировать влияние неравномерности
подачи реагентов в агшврат на стопень их превращения. На
осново продлоаднной математической модели установлены
особенности переыэпиваная газообразной смеси к превращения
реагентов в условиях протекания каталитических реакций первого
и второго порядка в .ЗЕтормояояном псевдоокилонном слое при
поровномерном начальном распределении газовых пузырей по
концентрациям. Полученные аналитические и численные решония
качествегпю хорошо согласуются с имелцимяся экспериментальными
донными. .
Практическая ценность работы. Общим' итогом рассмотренной работы является разработка основ расчета процессов переноса в элементах аппаратов с организованным псевдоохиженным слоем. Использование разработанных методов, новых подходов в описании процессов тепло- и массопереиоса в элементах рассматриваемых аппаратов, соотношений для расчета этих элементов обеспечивают
'/'
високую эффективность конструкторских расчетов и математического моделирования разнообразных каталитических и других процессов в организованном псевдооаигеином слое.
Результаты данной диссертации могут быть использованы при разработке п создании прогрессивного высокоэффективного ресурсосберегающего оборудования о движущимся плотным а псевдооїшхешшм слоем в химической, нефте- и газоперерабатывающих технологиях, энергетике и других . отраслях промышленности. Полученные в диссертации результаты имеют также гамостоятельноэ значение н могут использоваться для расчета отдельных узлов и конкретных аппаратов, но являвшихся реакторами с организованным псевдоозшяэнным слоем. Кроме того. изложенные результаты необходимы для решения проблем, автоматизации рехимов работы реакторов с организовавши псевдоожнжэшшм слоем, их оптимизации, а также для росекия ігроблем создсния нового высокоэффективного экологически чистого оборудогэния.
Реализация результатов работа. Полученные в диссертации результаты использованы при разработке п создании новых реакторов и технологических процессов, осуществляемых в исевдоожижешом слое, в частности: ,
-соотношения для расчета термического сопротивления секционируадего провального элемента п ракомондацап по рводу реагентов в псевдоокикенныи слои, полученные па основе, статистической модели, использованы в КовосаСарскои Силаеве НиЖиммаш при расчете каталитичвасого генораторз тепло для обогрева строящихся объектов, создаваемого в рзиках целевой комплексной научно- технической програма 0Ц.0І4. Результати испытаний показали соответствие расчетных реальных характеристик реактора;
-соотношения для расчета продольной аффективной теплопроводности заторможенного псевдоогзоюяного туюя, данные о выносе дисперсного материала в надслоевре пространство а зависимости внешнего теплообмена в надслоевом пространстве от концентрации частиц в штоке применяются во ВНИПИТазпереработка при моделировании тепловых режимов и расчете каталитического реактора окисления сероводорода в серу, создаваемого по программе "Экологически чистая
энергетика" н соответствии с постановлениями ГКНТ II 364 от
И И 526 от II.04.1991;
-соотпопепия для расчета внешнего теплообмена в надслоевом
пространстве использованы Бииским котельным заводом при
проектировании топок кипящего слоя;
-техническое ресенко по создания контура циркуляции
каталитического реактора с организованным псевдоожихеншм
слоем для очистки природного газа от сероводорода передано в
НИГШстрахакьгазпром;
-соотпопепия для расчета параметров тепло- и массоперэноса в
псоздоо."Я!з:егаіом слое, содеряацем объемную и секционирухдую
насадку, пспользуптся Банкирском СКТБ концерна Грознефтехим
при разработке каталитических реакторов с организованным
псевдоогкигешшм слоем.
Осповпыа полосскдя. шпоснцыа на защиту;
1. Результаты теоретического и экспериментального
исследования параметров тепло- и массопероноса диффузионной и
циркуляционной моделей оргавизовапного псевдооілаешіого слоя.
2. Новые подходи в описаііии процессов транспорта
зернистого матери а лз через одиночное отверстие и систему
отверстия при наличия противотока газа и полученные на их
основе соотноаепия для расчета основных характеристик
истечения. . ,
-
Результата экспериментального и теоретического исследования процессов" тепло- и кассопереноса через сэлдшаругщиВ элемент, расположенный в псовдоожавашом слое, включая полузгяхирпчеспие сотношонип для расчета термического сопротивления элемента и потока обмена зернистым материалом для непроточного по частицам и проточного каталитического рзактора.
-
Установленные- закономерности по ' механизму и штеясияяоста внешнего теплообмена, а такгя .соотношения для расчета интенсивности внешнего теплообмена в надслоевом пространство п завасимости от продольной координаты, юмпоновки трубчатой насадки, высота слоя и параметров
5. Статистическая модель каталитического реактора с
теоднородкым псевдоогижопным слоем, учитывающая коалесценшш
пузырей, и полученные на ее основе результата исследования влияния узла подачи реагентов в слой на степень превращения реагентов на призерах каталитических реакций порвого и второго порядка.
Апробация расоты. Основные результаты работы докладывались
и обсуздались на следующих научных конференциях:
"Международный форум по тепломассообмену" (Минск, 1988), 4-я
Моадународная школа "Моделирование процессов тепло- и
массообмено, химические и биохимические реакторы" (Болгария,
1989), 10-я Международная конференция по химической технология
и химическим реакторам "CHisA'90"(Прага, 1990), 7-я Всосошпая
кои&еренция по тепломассообмену (Минск, 1984), 5-я Всесоюзная
конференция "Горение органического топлива" (Новосибирск,
1984), "4-й Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной
механике", Ташкент» І9Є7, Всесоюзная научно- практическая
конференция "ПсеБдоожижакие-88" (Ленинград, 1988), Всесоюзное
совещание "Сжигание и газификация твердых топлив в кипящем
слое" (Свердловск, IS86), Научно- практическое совещание
"Каталитические генераторы тепла" (Новосибирск, 1985), Конкурс
научно- исследовательских работ Института катализа СО АН СССР
(Новосибирск. 1988, 1989, 1990), проблемный семинар Институте
катализа. " .
Публикации. Непосредственно по материалам диссертации опубликована 31 работа, включая Є авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 264 страницы основного машинописного текста, 95 рисунков, список литературы из 213 наименований.