Введение к работе
Актуальность работы. Одним из актуальных направлений повышения эффективности и экологической безопасности химико-технологических процессов является создание нового поколения энерго- и ресурсосберегающих тепломассообменных и химических аппаратов. Охрана окружающей среды от газовых выбросов производственной деятельности человечества выходит на первый план при разработке и модернизации новых технологий и аппаратурного оформления различных технологических процессов. Вопросы экологии и энергосбережения в промышленности представляют собой важное направление практической реализации программы перехода России к устойчивому социально-экономическому развитию, основные концепции которого были провозглашены ООН в начале 1990-х годов. Создание вихревых аппаратов для интенсификации тепломассобменных процессов и химических реакций возможно на основе использования свойств высокоскоростного течения закрученных фаз в поле инфракрасного излучения. В повышении эффективности различных технологических процессов и обеспечении условий защиты окружающей среды от вредных газовых выбросов важная роль принадлежит термокаталитическим реакторам глубокого окисления углеводородов в выбросных промышленных газах. Повышение эффективности процесса фотохимической каталитической очистки газов от углеводородных соединений требует детального изучения влияния гидро - и аэродинамики закрученных потоков и инфракрасного излучения на кинетику химических реакций и тепломассообмен.
В связи с этим разработка новых конструкций, математических моделей, методик и алгоритмов расчета конструктивных параметров и экспериментально-теоретические исследования эффективности вихревых аппаратов для фотохимической очистки углеводородных газов является актуальной научной задачей, имеющей важное хозяйственно-экономическое и природоохранное значение.
Основная часть исследований, представленных в диссертационной работе, проводилась в соответствии с координационным планом АН СССР, а затем РАН и Госкомобразования РФ по теме "Совершенствование и создание вихревых аппаратов различного технологического назначения", а также в соответствии с приоритетным направлением "Создание энергосберегающих процессов на основе различных химико-технологических схем, оптимизации теплообменного оборудования и эффективных технологий разделения потоков" по государственной научно-технической программе РФ "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов".
Цель работы. Разработка новых конструкций вихревых аппаратов с нетрадиционными источниками( инфракрасного излучения ) интенсификации процессов химической деструкции углеводородных газов.
Анализ влияния гидродинамики закрученных струй в вихревом аппарате на процесс химической деструкции углеводородных соединений.
Разработка на основе многочисленных полупромышленных и промышленных экспериментов математической модели и алгоритмов расчета основных конструктивных параметров вихревых термокаталитических фотохимических аппаратов для деструкции углеводородов в технологических газах.
Разработка новых конструкций вихревых аппаратов и их применение для повышения эффективности тепломассообменных и химических процессов очистки углеводородных технологических газов на различных промышленных предприятиях.
Научная новизна. Предложен механизм процесса окисления и расщепления углеводородных соединений в условиях высокоскоростного течения кольцевого закрученного газового потока в поле центробежных сил на поверхности катализатора при наличии источника ИК-излуче-ния.
Впервые на основе физических и вычислительных экспериментов определены оптимальные геометрические параметры термокаталнтиче-ского трубного элемента вихревого аппарата с соосно размещенным источником излучения по всей длине реакционной зоны. Установлено влияние гадро - и аэродинамики закрученной струи на эффективность процесса окисления и расщепления углеводородных соединений.
Получены экспериментальные зависимости для определения оптимальной величины кольцевого канала термокаталитического элемента, из которых компонуется вихревой аппарат, протяженности реакционной зоны, скорости закрученного потока и степени его сужения, гидравлических потерь.
Разработаны математическая модель, методика и алгоритмы расчета конструктивных и тепловых характеристик термокаталитических устройств для вихревых аппаратов различного технологического назначения.
Предложены новые конструкции высокоэффективных вихревых термокаталитических аппаратов глубокого окисления углеводородных соединений различной концентрации, содержащихся в объеме оптически прозрачного инертного газа, которые обеспечивают высокую степень очистки обезвреживаемого газа.
Практическая значимость. На основе физических и вычислительных экспериментов созданы различные типы промышленных вихревых аппаратов с ИК-излучателями. Созданные вихревые аппараты с термока-
талитическими устройствами для процессов очистки вентиляционных и технологических газов от паров растворителей (бензина, толуола, ацетона), метилстирола, окиси углерода, фталевого ангидрида прошли промышленные испытания и введены в промышленную эксплуатацию на различных предприятиях ("Уфимкабель","Салаваторгстекло", Стерлитамакский завод "СК", "Авангард" и др.). Степень очистки технологических газов в вихревых аппаратах достигала требуемых норм по предельно допустимой концентрации конкретного углеводородного соединения, что подтверждено актами внедрения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована автором экспериментально и теоретически на основе анализа результатов известных публикаций в области кинетики процесса окисления и расщепления углеводородных соединений на катализаторах, исследований в области ИК-излучения и течения закрученных газовых потоков, струйной теории, а также экспериментально проверена в производственных условиях при использовании новых аппаратов для очистки различных вентиляционных и технологических газовых выбросов .
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на межвузовской научной конференции "Современные проблемы текстильной и легкой промышленности" (г. Москва, 1996 г.) и на Всероссийской научной конференции "Теория и практика массообменных процессов химической технологии" (г. Уфа, 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 2 тезиса докладов, получено положительное решение на выдачу патента и подана заявка па патент.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и приложения общим объемом 133 страниц. Работа изложена на 115 страницах основного текста, содержит 27 рисунков и 4 таблицы, список .литературы из 95 наименований.