автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Абсорбция газов из парогазовой среды в вихревой камере



На правах рукописи

ЧАУСОВА Светлана Михайловна

АБСОРБЦИЯ ГАЗОВ ИЗ ПАРОГАЗОВОЙ СРЕДЫ В ВИХРЕВОЙ КАМЕРЕ

Специальность 05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново —

1995

Работа выполнена на кафедре Машины и аппараты химических производств Ивановской государственной химико-тех-пологпчсскон академии.

11 а у ч и ы й р у к о в о д и т ель —

доктор технических наук, профессор БЛИНИЧЕВ Валерьян Николаевич.

Н а у ч н ы е копе у л ь т а н т ы:

кандидат технических наук, доцент Миронов Виктор Павлович,

кандидат технических наук, доцент Сокольская Татьяна Васильевна.

О ф и циальные о п и о не и г ы:

доктор технических наук, профессор Иванов Виктор Александрович.

доктор технических наук, профессор Ушаков Станислав Геннадьевич.

В е д у щ ее п р е д н р и я т и е —

АО «Хнмпрои», Иваново. .

Защита диссертации срстоится » г.

в час. в ауд./^Йна заседании диссертационного сове-

та Ивановской государственной химико-техно-

логической академии по адресу: 153460, пр. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской государственной химико-технологической академии.

1995 г.

Ученый секретари диссертационного

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. ' Газо-зкйдкостные' хемосорбционные процессы с фазовыми превращениями широко используются, как для получения целевого продукта, так и для санитарной очистки газов. Успех промышленного осуществления хемосорбционного процесса в значительной мере определяется выбором надежной конструкции аппарата и точностью его расчета. Одним из тагах реакторов является аппарат с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки .( ПСОН ). Точность его расчета будет высокой, если учитываются все зоны контакта газа с жидкостью, это особо важно для аппаратов с тангенциальным подводом газа под газо-распределительную решетку.- В этом случае образуется вихревая камера, как дополнительная контактная ступень, способная существенно интенсифицирует,процессы тепло- и массообмена . Поэтому весьма актуальной является задача анализа>расчета и моделирования физико-химической системы в вихревой зоне аппарата с ПСОН.

Цель работы. Разработать математическую модель процессов тепломассообмена в вихревой камере с учетом химической реакции. Определить параметры модели путем проведения эксперимента на лабораторной установке. Путем численного исследования процессов тепло-массопереноса на .ЭВМ указать режимы работы вихревой камеры для поддержания ее . нормального функционирования. Описать методику расчета тепломассообменных процессов в реагирующих потоках, позволяющую оптимизировать конструктивные характеристики и обеспечить переход, к разработке промышленного аппарата.

Основные методы исследований.

. Постановка, проведение, обработка результатов экспериментальных исследований производились методами теории идентификации, дисперсионного и спектрального анализа.При проведении вычислительных экспериментов на ЭВМ использовались численные методы, решения параболических краевых задач и среда программирования турбоПаскль.

• Достоверность теоретических положений подтверждается результатами экспериментальных исследований -на лабораторном и опытно-производственном оборудовании.

Научная новизна. *

С позиций системного'анализа выполнено комплексное исследование и моделирование тепло- и ыассообменных процессов в закручен-

ных, реагирующих потоках в вихревой камере, с. учетом реальных гидродинамических характеристик на границе раздела фаз газ - жидкость.

Практическая ценность.

Разработанные инструментальные методы исследования и моделирования неизотермического процесса хемосорбции в закрученных потоках позволяет получить информацию, необходимую.для расчета и оптимизации действующих и проектируемых высокоэффективных массообмен-ных аппаратов: Отдельные результаты используются в настоящее время Ивановским АО Химпром.На базе полученных результатов исследований разработаны: новая конструкция подвижной насадки,' способствующей более, эффективной работе вихревой камеры аппарата с".псевдоожижен-ным слреморошаемой насадки и новая конструкция самой вихревой камеры. Эти разработки составили предмет изобретения и защищены авторскими свидетельствами.

Автор защищает:математическую модель и методику итерационного расчета процессов тепломассообмена в реагирующих закрученных потоков с дисперсной жидкой фазой (капли, струи.пленки),имеющей нестационарную границу раздела фаз^экспериментальное определение диффузионных параметров, толщины пограничного слоя газожидкостной ячейки и у стенки камеры.

Апробация работы: Результаты исследований докладывались на 1У-ой Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (г. Ярославль, 1994). Итоговой научно-технической конференции 'преподавателей и сотрудников Ивановской государственной химико-технологической академии (г. Иваново, 1994. 1995), на 9-ой Всероссийской конференции "Математические методы в химии" (г. Тверь. 1995). ■ "

■ По теме диссертации опубликовано 3 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства.

Содержание работы

Глава 1 посвящена обзору литературных источников по проблемам:

- исследования гидродинамики и структуры многофазных закрученных систем;

-.исследование многофазных смесей и их'характеристик состоящих из газа (пара) и взвешенных в нем капель;

- исследование и моделирование процессов тепло- и массопере-носа с химическими и фазовыми превращениями б системе газ (пар)-капли.

- исследование многофазных смесей и их характеристик' состоящих из газа(пара) и струй жидкости;

- исследование и моделирование процессов тепло- и массопере-носа с химическими и фазовыми превращениями в системе газ - струя жидкости;

-исследование многофазных смесей и их характеристик состоящих из газа(пара) и пленок жидкости;

-исследование и моделирование процессов тепло- и массоперено-са с химическими и фазовыми превращениями- в системе газ - пленка жидкости; ' ■ •

- исследование Методов решения краевых задач диффузионно-конвективного тепло- и массопереноса.

На основании литературного обзора сделаны следующие выводы. Авторами большинства работ подчеркивается большая сложность в изучении физико-химических явлений при турбулентном и спутном движении фаз. Гидродинамические процессы в аппаратах с интенсивным взаимодействием фаз в основном носят частотный (пульсационный) характер. Поскольку гидродинамические характеристики определяют кинетику тепломассообменных процессов, то их изучению посвящено большое число публикаций. Однако, работы, связанные с изучением процессов тепло- и массопереноса, где учитывалась реальная гидродинамическая обстановка на границе раздела фаз не многочисленны . В основном рассматривают-частные случаи волнового и вихревого движения фаз. Тем не менее прослеживаются попытки более детального и глубокого изучения этих явлений. '

/Исходя из вышеизложенного, . сформулированы основные цели настоящей диссертационной работы, а, именно; .

- разработка математической модели процессов тепломассообмена, осложненных химической реакцией и протекающих в вихревой камере с нестационарной границей раздела фаз;

- постановка и проведение эксперимента для определения диф-

ячейки, толщины пограничного

средств,- позволяющих процессов на макро- и

фузионных параметров газожидкостной слоя у поверхности капли;

- разработка алгоритма и программных провести численное исследование указанных микроуровнях;

- разработка рекомендаций, по выбору конструктивных элементов и организации режимов нормального функционирования вихревой камеры при переходе на промышленный варианг.

Глава 2. Посвящена построению трехуровневой математической модели процессов тепломассопереноса, осложненных химической реакцией. В этой главе затрагиваются два аспекта математической модели: смысловой и аналитический. Первый касается выделения объекта моделирования из окружающей среды и установления связей типа среда-объект-среды. Второй - математического описания наиболее значимых процессов и явлений, выявленных в результате системного анализа. Эти эффекты и явления образуют трехуровневую' иерархическую структуру математической модели и включают в себя две задачи: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя задача охватывает физико-химические процессы и явления, протекающие на микро- и макроуровнях. Внешняя - в области всей совокупности дисперсной фазы и стекающих пленок .жидкости на стенке, взаимодействующих с закрученным газовым потоком.

Внутренняя задача предполагает сферическую симметрию с началом отсчета в центре включения дисперсной фазы, . где принимаются допущения ДС=0 и ДТ=0 в каплях жидкости. На основе этого математическая формулировка внутренней двухслойной краевой задачи запишется в виде: ;

Газовая фаза (1 < г < Ь)

зтг ________ 4 и<р атг • ^•э Ф . г

Э1 . Г' 9г1 РгСр

асг и«р I-8. 1 8 1 0зфас,

б! г Эг ' 1 Зг'

5г

^Зф . г

РгСр

20ЭфСг

71

+ Ц

. Жидкая фаза ( о < г < 1)

зт* з г хэ4.» атх 2*.Эф.ж Т1

Г

I р.сг

з* вг V р,Ср . Зг ржСр г

!

- — ( р»вас» + 2рэбс* Эт Зг V бг г

дн-икс.т) - а (2)

Т)

Частное решение уравнений определяется следующими начальными, граничными и условиями сопряжения:

с

г I Сог; Тг| : 70г; Сж I = С0ж; Тж I - Т01

при т>0 ЭСГ

"бг

т=0

атг = 0; — г=Ь йг

т=0

т=0

ас. = 0; - — г=Ь бг

т=0

ат, = 0; — г=0 Зг

г=0

= О

(3)

СГ1

г=1-0

а с.

г =1+0

" Сэ4.г. grad с|г=1=0°э«.ш. егай С

г. йгай Т| = Х,ф.„, ёгв.й Т|

г=1-0 г=1+0

(4)

Здесь 1- средний радиус эквивалентной сферы включения, а - коэффициент равновесного распределения концентраций и температур на границе раздела, фаз, ' условия (3) постулируют неразрывность потока субстанций Через межфазную границу, соотношения (4) отражают экстремальные условия на внешней.сфере ячейки радиуса Ь.

' Внешняя задача предполагает цилиндрическую симметрию с разбивкой по радиусу и по высоте, вихревой камеры на ряд ячеек. При этом делались'допущения: элементы дисперсной фазы равномерно распределены' по ячейкам и находятся .в одинаковых гидродинамических условиях в каждом горизонтальном слое." Это позволяет не учитывать прямого тепло и массообмена между элементами дисперсной фазы, а лишь только через контакт газовой фазы, рассматривая поочередно внутреннюю и внешнюю'задачи, поэтому определение концентрационных и

температурных полей между ячейками, в зонах осуществляется через газовую сплошную фазу по диффузионной модели..

ЭСГ

эГ

ЭГг Эт

+ V,

ЭСг - ЭСг _ ( &СР ± '

аг ан = 1Ч а? ' и ' ан атг ' ат„ Хэф г е*тг

рср I аг2 р. аи Начальные и граничные условия

— + ук — 3г ЗИ

(5)

т(г.и,и! = тГ(0): с(г,н.т)| = сг(0) т=о х=о

дй ЗСГ

аГ

К=0

= о ;

1Ы).

- о ;

атг

52I2=0 ас„

= о

зг

г=о

= о

атг

асг зг~

2=Н

= о

(6)

На границе между зонами кроме вышерассмативаемых задач, рассматривается задача передачи тепла и массы к пленке жидкости, движущейся по внутренней поверхности вихревой камеры. Процессы тепло и массопереноса в жидкости описываются следующей системой уравнений:

дс, ич>

Эт. ;г

ас.

Зф

эт, эт,

+ Уг

Эт

г

Зф

_ас,

дг

ат,

зи

= о,

э2с,

1

эгг + н

э2тж

э

асж ая

)) -

"рср

эг2

(•15))

И( с.т

(7) ■ +

Ус,

АН С.Т ) - ( а +■ АО ).

С начальными и граничными условиями: т,(Ф.г.о) = т, со); сж (<р,ъ, о) = сж(0)

атж

ш

ъ= о

= о ;

ЭТ„

г=н

= о

ас.

Эй

= .0 ;

3с, Ъ2

а с* = 0 ; — о ш

г-н

(8) о

Условия сопряжения между газовой и жидкой фазой принимаются аналогично условиям (4). Математическая модель, состоящая только из уравнений баланса и тепла, естественно незамкнута и требует для своего замыкания постановки специальных экспериментов и на их базе провести расчет входящих в уравнение параметров. В данных уравнениях Т- температура; С - концентрация; 0эф- коэффициент эффективной диффузии; Хэв- коэффициент эффективной теплопроводности^- плотность; Ср- теплопроводность;. и<р - тангенциальная, - радиальная, Ч2 - осевая скорости; й - тепло конденсации; ДО потери тепла в окружающую среду принимаем постоянными порядка 10%; АН - энтальпия; Ш - скорость химической реакции; г - газовая, ж - жидкая фаза. ■

Глава 3. Описывает постановку и 'проведение эксперимента

Экспериментальная часть посвящена идентификации параметров математической модели и изучению гидродинамической, обстановки на границе раздела фаз газ жидкость. Исследования' проводились на лабораторном аппарате р'ис. 1 , выполненного из органического стекла с возможностью визуального наблюдения за поведением газо-жидкостной системы.. Объектом исследования являлась вихревая камера,образованная тангенциальным вводом газа в подрешетчатую зону аппарата с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки.

Исследование гидродинамической обстановки на границе раздела ' фаз в системе газ-жидкость проводилось путем мгновенного измерения пространственного и временного изменения положения поверхности раздела фаз, образованной пленкой жидкости, стекающей по стенке, и ' закрученным.потоком газа. Для этого заподлицо встраивался поверхностно-емкостной датчик ' с измерительной поверхностью 3*4мм и 3x81мм. Выбор локальной измерительной поверхности обусловлен тем, что полученные результаты можно перенести на капли, а на большей поверхности на струи. Этот метод измерения позволяет получить средние характеристики п& высоте вихревой камеры. Исследования проводились в диапазоне нагрузок по газу Сг = 1-5 м/с, и жидкости Ь,=15-75 м3/(мг --ч).

Полученные реализации, отражающие стохастическую природу изменения поверхности раздела'фаз, обрабатывались так же как и для стационарных полигармонических процессов, адекватно описываемых младшими моментами. "

В результате обработки экспериментальных данных по изменению мгновенных значений толщин пленок'- жидкости получены расчетные формулы для определения : •

- средней тблщины пленки жидкости (б);

- пулъсационкые скорости вдоль пленки и по нормали от поверхности раздела;

- коэффициент турбулентной диффузии в пленке жидкости по нормали от поверхности раздела.

Исследование, теплообменных характеристик с целью идентификации параметров модели заключалось в измерении температурных полей по радиусу и по высоте вихревой камеры.

Глава 4. Рассматривает численное исследование поставленной задачи. Моделирование проводится по следующему алгоритму :

1 этап. ' ..

- ввод исходных данных : геометрические характеристики аппарата, расходные коэффициенты по газу, входную температуру и количественное соотношение фаз.

- формирование конечноразностной сетки: задаем шаг по радиусу (по г), исходя из живого сечения оросительной решетки и по оси аппарата ( т.е. г). Шаг по оси г выбирается в двух вариантах на предварительном этапе как равномерный, а. затем по мере определения наибольших градиентов по температуре и массе - неравномерный, причем, более мелкий-шаг где наблюдаются скачки градиентов.

• - формирование зон для оценки составляющих скорости потока: пристеночная зона, переходная зона, ядро потока. Пристеночная зона определяется величиной пограничного слоя для пленки жидкости, стекающей по стенке аппарата. Толщина пограничного слоя может оцениваться через путь перемешивания Прандтля или через касательное напряжение по Карману. .И в -том и в другом случае среднее значение толщины пленки изменяются от 3 до 5 мм. Для ядра потока характерно вращение основного потока как твердого тела, т.е. линейная зависимость тангенциальной, скорости от радиуса. Максимальная величина ядра потока не превышает половины сечения аппарата. Ядро потока составляет от 1/8 до 1/4 радиуса аппарата, исходя из визуальных наблюдений при проведении эксперимента на. лабораторной установке. Остальная часть сечения аппарата-приходится на переходную зону.

Поскольку не возможно оценить изменение этих зон по длине аппарата принимаем допущение о их неизменности по г.' - расчет скоростей основного потока в пусковом режиме. 2 этап.Задаем закон распределения капель орошающей жидкости по размеру и по сечению аппарата, интегрируем уравнения движения единичной капли до момента столкновения ее со стенкой аппарата, уравнение .движения капли . В алгоритме могут быть реализованы два случая: а) при постоянном коэффициенте сопротивления скорость и траектории полета капли определяется аналитически; .6) при задании закона изменения коэффициента сопротивления применяется численное интегрирование уравнения движения методом Рунге-Кутта-Мерсона.

3 этап. Решаем внутреннюю задачу тепло и массообмена для ячейки капля - газе уравнение 1,2).Для аппроксимации этих уравнений.выбираем полуявную . схему ( схему Кранка - Никольсона ). В результате решения внутренней задачи мы имеем распределение температуры и массы внутри шарообразной капли.

4 этап. Поскольку газо-жидкостная ячейка представляет собой некоторую составляющую общего потока,то переходам к рассмотрению задачи тепломассообмена в вихревой камере в целом, учитывая кинетику процесса в выделенных газо-жидкостных ячейках по сечению аппарата. Решается система уравнений .(5)при численной аппроксимации, по схеме Кранка - Никольсона.

Алгоритм представляет собой итерационный вычислительный процесс и продолжается до момента установления стационарного состояния, блок-схема алгоритма изображена на рис.2.

Выбор численной аппроксимации обусловлен видом уравнений. Они имеют параболический вид и являются двумерными осесимме.тричными задачами. Основное отличие состоит в том, что'внутренняя задача рассматривается в сферических координатах, а внешняя задача в цилиндрических. Переход от одних кооодинат к другим, выцолняется через коэффициент Ляме.

В процессе.вычислительного .эксперимента .были получены поля распределений температур и концентраций по сечениям вихревой камеры и внутри газо-жидкостной ячейки. На рис.3 приведены профили скоростей закрученного газового пока по радиусу камеры и законы изменения Хэф.в каплях жидкости ( Хэф.ж-НгЕ)).На рис.4 показаны

Рис. 2. Блок-схема алгоритма итерационного расчета процессов теиломассопереноса в вихревой камере

Рис.3. Профили скоростей закрученного газового потока по радиусу вихревой камеры на вводе в'аппарат и Законы изменения Л>* в каплях гадкасти(А*Ф = 7 (*«)/.

Рис.4. Температурные поля в капле гидкосги при вариации граничных условий на поверхности капли и Л*?.

температурные поля при вариации граничных условий и Хэф,ж.

В пятой главе рассмотрены вопросы адекватности математической модел и и практической реализации теоретических положений диссертации и результатов экспериментальных исследований. Адекватность модели и идентификация ее параметров проводилась путем сравнения расчетных и полученных экспериментально на лабораторной установке температурных полей. Идентификация таких параметров модели, как Хти использование известного соотношения Хт/ X = Рг ¡1^/ д позволили рассчитать коэффициент турбулентной диффузии Используя экспериментальные данные в жидкости по амплитудно-частотным характеристикам изменения поверхности раздела фаз газ-жидкость рассчитывались значения О,- и Хт.Окончательная .проверка работоспособности математической модели оценивалась по выходным и входным параметрам температуры и концентрации 302 в газо (паро) воздушной смеси на промышленном аппарате, установленного в цехе N4 АО Химпром г.Иваново. Рассогласование в отдельных опытах не превышало в среднем 15-20%. Анализ результатов вычислительного эксперимента позволил определить режимы нормального функционирования вихревой камеры, а, следовательно и всего аппарата с ПСОН. так как гидродинамические условия во всем аппарате взаимозависимы. Это обстоятельство позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массопереноса над га-зо-распределительной. решеткой ( зона подвижной насадки) и под ней (зона вихревой камеры ) за счет конструктивной проработки подвижной насадки и вихревой камеры. В этой связи разработана принципиально новая- конструкция элементов подвижной насадки, а вихревая камера с центральной и периферийной закруткой газового потока.

Заключение

Результаты выполненных исследований, разработок и их практической реализации в лабораторном и промышленном оборудовании свидетельствуют о решении поставленных задач диссертационной работы.

Разработаны математическая модель абсорбции газов из парогазовой среды в вихревой камере и программно-алгоритмические средства, позволяющие провести . вычислительный эксперимент с целью выявления особенностей процесса и установления режимов нормального функционирования.

Детально проработаны вопросы постановки и проведения эксперимента на лабораторной установке и получены данные о пульсационных

скоростях и толщине пограничного слоя на границе раздела,фаз,

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований даны рекомендации для применения вихревой камеры в промышленных условиях.

Все основные положения диссертации отражены в следующих работах:

Изобретения

1. A.c. 1717195. .Устройство для тепломассоо'бменных процессов и мокрого пылеулавливания./ Чаусова С. Н., Чаусов М. В.,Миронов В. П., Жушхатбаев" Е.У.,Кан И.В. .Иванов Н.Н.- Бюл. N9,1992.

2. A.c. 1703171. Подвижная насадка для тепло- и массообменных аппаратов./ Чаусова С.М.,Чаусов М.В.,Миронов В.П.- Бюл. N1.1992.'-

Статьи и другие публикации

1. Чаусова С.М.,Миронов В.П.,Сокольская Г. В., Блиничев В.Н..Чаусов М.В. Моделирование неизотермической хемосорбции в динамической системе. IV Всероссийская научная конференция " Динамика процессов и аппаратов химической технологии" 18-19 окт. 1994г. Тезисы доклада стр. 42-43, Ярославль 1994

2. Чаусова С.М., Блиничев В.Н..Сокольская Т.В..Миронов В.П..Чаусов М. В. Математическое моделирование неизотермического процесса хемосорбции в вихревом газо-ясидкостном потоке. Международная конференция " Математические методы в химии и химической технологии ММХ-9". Сборник тезисов. Часть 2. Тверь 1995 стр.90

3. Чаусова С. М. .Миронов В. П... Сокольская Т.В. .Чаусов М.В.. Физическое и математическое моделирование неизотермического процесса хемосорбции в вихревом газо-жидкостном потоке. -Тезисы докладов. Научно-практическая конференция преподавателей и сотрудников ИГХТА (30 янв.- 3 февр. 1995) стр. 124-125.,

4. Чаусова С.М. .Блиничев В.Н.,Сокольская Т..В. .Чаусов,М.В. .Миронов В.П. Математическое моделирование неизотермического процесса хемосорбции в вихревом газо-жидкостном потоке./ Ж. Изв.ВУЗов.Химия и'хим. технология ( в печати ).