автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Аппаратурное оформление контактного охлаждения газов содового производства

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

г ~ _ На правах рукопису

* > 0 о А

1 З Ш 1ЯЯ7

Гаресв Альберт Тазегдінович

АПАРАТУРНЕ ОФОРМЛЕННЯ КОНТАКТНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ ГАЗІВ СОДОВОГО ВИРОБНИЦТВА

05.17.08 - пронеси, машини та апарати хімічних та нафтопереробних виробництв

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків -1997

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському науково-дослідному інституті основної хімії (НДІОХІМ),

Науковий керівник:

Науковий консультант:

Офіційні опоненти:

Провідна організація:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Цейглін Мусій Абрамович

доктор економічних наук Іванілов Олександр Семенович

доктор технічних наук І Іерцев Леонід Петрович

кандидат технічних наук, доцент Кошельник Вадим Михайлович

Український науково-дослідний інститут хімічного машинобудування (УкрНДІХімМаш), м.Харків.

Захист відбудеться:

"ІЬ ” ма$ 1997 р. о і6 ~ ' годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 02.09.09 у Харківському державному політехнічному університеті (310002. м. Харків. МСП, бул. Фрунзе, 21). ' ' '

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий

сх и

1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

..--л

Ж

Якименко Г.Я.

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи Кальцінована сода продовжує займати одне з провідних місць серед продуктів хімічної промисловості як України, так і Росії, незважаючи на загальний економічний спад. За більш ніж сторічну історію технологія сучасного, аміачного способу виробництва досить добре відпрацьована і є запорукою його подальшого використання. Щодо апаратури, то попри ряд модернізацій, вона залишається традиційно важкою та громіздкою. Особливо це стосується стадій охолодження газових та рідинних потоків. Циркулюючі у схемі виробництва аміак та діоксид вуглецю багаторазово переходять з газової фази у рідку та назад, що супроводжується дуже значними тепловими ефектами. Тому, майже всі основні апарати мають великі теплообмінні поверхні, що перевищують 1000 м2 на один апарат. Велика кількість холодильників газу та рідини мають специфічну конструкцію, яку в содовому виробництві називають бочечною. У цих перехресноточних апаратах корпуси та теплообмінні поверхні виготовлені з чавуну. Останнє зумовлює низьку експлуатаційну надійність та інтенсивність теплообміну, великі габарити та мсталоємкість. Наприклад, на стадії охолодження газу кальцінації зараз застосовуються чавунні бо-чечні холодильники, які мають поверхню охолодження завбільшки 1500 м2 та 52 м заввишки. .

Зважаючи на зростання вартості металу та необхідність заміни фізично зношеного обладнання содових виробництв на апарати сучасної конструкції, розробка високоінтенсивних газових холодильників уявляється дуже актуальною.

Об’єкт досліджень Процес контактного охолодження газів содового виробництва, сегментні конткактні устрої та апарати контактного охолодження газів, а саме контактний холодильник компремованого газу із ситчатими тарілками та контактний холодильник газу кальцінації.

Мета роботи Розробка нових для содової промисловості принципів охолодження газів на основі раціонального вибору типів холодильників з урахуванням технологічних особливостей стадій виробництва, розробка математичних моделей процесів охолодження, теоретичних основ розрахунків та на цій підставі рекомендацій з проектування нової холодильної апаратури.

Методи дослідження В роботі застосовувалися методи фізичного та математичного моделювання досліджуваних процесів. Під час дослідження фізичних моделей хімічні аналізи виконувались із застосуванням об’ємних, вагових методів, фізико-хімічного аналізу, а саме, по-

тенціометричного титрування та інших. Математичне моделювання виконувалось за допомогою ЕОМ. Обробка результатів досліджень проводилась із застосуванням методів математичної статистики.

Паукова новизна полягає у тому, що:

- вперше в широкому діапазоні швидкостей досліджені та описані гідродинамічні режими, що утворюються на сегментних контактних елементах;

- досліджена в широкому діапазоні швидкостей залежність гідравлічного опору сегментних контактних елементів від конструктивних та гідродинамічних параметрів;

- вивчена залежність інтенсивності масовіддачі в газовій фазі на сегментних контактних елементах від конструктивних та гідродинамічних факторів;

- розроблено метод математичного моделювання контактного охолодження газів, що містять вологу, який базується на описі процесів переносу теплоти та маси як єдиного процесу переносу ентальпії;

- розроблена математична модель процесу охолодження газів содового виробництва за умов, коли усі компоненти газу конденсуються або розчиняються у конденсаті.

Практична цінність Розроблено методи моделювання процесів охолодження газів, що дають змогу робити проектні розрахунки холодильників, визначаючи кількість контактних ступенів та гідравлічний опір апарату.

Спроектовано контактні холодильники газів содового виробництва, а саме холодильники комиремованош газу та газу кальцінації. Ці апарати відрізняються від існуючих значно меньшою вагою та витратою охолоджуючої води.

Гєалааціл та впровадження результатів роботи:

- холодильника газу кальцінації впроваджено у технічний проект та буде застосовано під час реконструкції цеху кальцінації другого виробництва Стерлітамацького АГВГ «Сода»;

- спроектовано та впроваджено у відділенні компресії першого виробництва Стерлітамацького АТВТ «Сода» контактний холодильник газу компресії.

Апробація роботи Основні положення та результати дисертації доповідалися та обговорювались на засіданнях науково-технічної ради НДІОХІМ (м. Харків), технічної ради АТВТ “Сода” (м. Стерлітамак), V науково-методичній конференції “Людина та навколишнє середовище:

проблеми безперервної екологічної освіти в вузах”, м. Одеса 16-18 вересня 1996 р.

Публікації Основний зміст роботи опубліковано у 5 друкованих працях.

Структура та обсяг роботи Робота складається з вступу, п’яти глав, висновків, списку цитованої літератури, який нараховує 1 ЗО назв та додатків. Дисертація викладена на 140 сторінках, містить 18 малюнків та 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першій главі наведено аналітичний огляд літератури з питань застосування контактних теплообмінників для охолодження газів у різних галузях техніки.

Показано, що ці апарати набули достатнього поширення у ряді галузей промисловості. їх перевагою є висока інтенсивність процесів теплообміну та відносно малі габарити. У содовому виробництві контактні апарата поки що застосовуються тільки для охолодження газу вапнякових печей та й те лише тому, що при цьому забезпечується очистка газу від пилу. Зроблено висновок, що на стадіях охолодження газів компресії та кальцінації заміна поверхневих холодильників на контактні раціональна з технологічних міркувань та може виявитися економічно ефективною.

Аналіз літератури довів, що на стадії кальцінації; де необхідно забезпечити низький гідравлічний опір, доречно застосування сегментних контактних устроїв. На стадії компресії, де важливим фактором є малі габарити, виправдано застосування перехресноточних ситчатих тарілок.

З’ясувалось, що незважаючи на відносну поширеність сегментних контактних устроїв (наприклад, у процесах конденсації) відсутні надійні відомості з їх гідродинамічних та масообмінних властивостей у широкому діапазоні швидкостей газу. Крім того, з’ясувалось, що відомі методи розрахунку контактних теплообмінників розвинуті стосовно до системи вода -повітря, не можуть бути застосовані до апаратів содового виробництва тому, що газорідинні системи в цих апаратах мають суттєво інший склад.

Друга глава містить методики проведення експериментів та результати дослідження гідродинамічних характеристик та масопередачі на сегментних контактних елементах.

Беручи до уваги специфіку газо-рідинних систем содового виробництва, де суттєвими є тількі процеси конденсації пари і абсорбції аміаку та визначаючим опором масопередачі є опір у газовій фазі, експеримент проводився на модельній системі вода - вологе повітря з перевіркою точності

отриманих даних на пілопшх апаратах, працюючих на заводських рідинах та газах.

Під час досліджень вивчався вплив конструкції сегмента, а саме: міжтарілочної відстані, кількості перфорацій на полотнищі тарілки, висоти зливного поріжка, а також витрат газу та рідини на гідравлічний опір тарілок та коефіцієнт масопередачі під час конденсації водяної пари.

Досліджувані тарілки уявляли собою стальні сегменти, які перекривали 60 % перерізу стенду. Сегменти було перфоровано отворами діаметром 20 мм. Випробовувались два типи сегментів: з часткою площі сегментів зайнятої отворами 4,3 та 2,2 %. Сегменти мали зливний поріг, який можна було встановлювати в два положення по висоті - 20 та 40 мм. Це дозволяло регулювати розподіл зливу рідини через поріг та у отвори.

Для гідравлічного опору незрошуваних сегментних тарілок отримано наступне рівняння:

1,63 Vа, (Па) (1)

де ^ - швидкість газу віднесена до повного перерізу апарату, м/с.

Вивченім залежності опору зрошуваних сегментних тарілок від швидкості газу дозволило виявити існування двох режимів, що відрізняються ступенем взаємодії газу та рідини: перший режим - нестур-бованих струменів та другий - розпилювання струменів.

Як показали результати досліджень, гідравлічний опір зрошуваних тарілок практично не залежить від кількості перфорацій на сегменті. Це означає, що гідравлічний опір сегмента у першому режимі зумовлений наявністю рідинної завіси, стікаючої із зливного поріжка. У другому режимі, з утворенням однорідної газо-рідинної суміші, відсутність впливу кількості перфорацій стає очевидною.

Вплив щільності зрошення на гідравлічний опір зрошуваних тарілок у першому режимі відсутній, тому що а ні кількість, а ні розмір струменів не змінюється, а отже не змінюються умови течії газу (не змінюється профіль каналу, яким тече газ).

У другому режимі щільність зрошеня чинить помітний, хоча й не дуже значний, вплив на гідравлічний опір тарілки. Оскільки шар піни не утворюється, цей вплив може бути пояснений зміною щільності газорідинного потоку за рахунок попадання до нього бризок, а, відповідно, й втрат напору на місцевих опорах.

; Математична обробка даних з гідравлічного опору зрошуваних сег-

■ ' у ментних тарілок проводилась нами за допомогою ЕОМ. Замість звичайного методу регресійного аналізу було застосовано метод нелінійного оцінювання, як такий, що дає більш високу точність у всьому діапазоні

- вимірів. " Спочатку, були отримані окремі рівняння для кожного гідродинамічного режиму. Далі всі дані для обох режимів були оброблені

разом з отриманням одного узагальнюючого рівняння, яке наведено нижче.

АР = 21,46 и'2'85«0-21, (Па) (2)

де и - щільність зрошення, м/с.

Залишкове середнеквадратичне відхилення розрахованних за рівнянням (2) значень становить 11,4 Па у діапазоні 0,3 < < 5,8 м/с та

0,01 < и < 0,07 м/с.

З’ясувалось, що узагальнююче рівняння несуттєво відрізняється від окремих точністю. Це дозволяє рекомендувати його дли інженерних розрахунків. На графіку мал. 1 наведено отриману залежність у графічній формі (поверхня - розрахунок, точки - дослід).

Узагальнююче рівняння зручніше двох різних, тому що за задовільної точності дозволяє уникнути процедури вибору рівняння за швидкістю газу. Треба зазначити, що для практичного впровадження необхідно віддати перевагу другому режиму як більш інтенсивному. Тому його і було обрано для промислового апарату. Виходячи з цього у математичній моделі обмежились наступним рівнянням для другого режиму, яке забезпечує залишкове середнеквадратичне відхилення 8,2 Па у диапазонах швидкостей газу від 2,5 до 5,4 м/с та щільності зрошення від 0,01 до 0,07 м/с:

(3)

Під час

досліджень масо-обмінних характеристик спочатку було виявлена характер зв’зку рушильної сили процесу конденсації, тобто різниці парціального тиску пари у повітрі та рівноважного тиску над водою, та його швидкості. Як

з’ясувалось, цю залежність із задовільною точністю можна прийняти за лінійну.

ДР= 42,96 н12,11 ы 0,34; (Па)

0 □ гн

1 1

Е2Э

еа

т

о

ш

ш

па

33.996

66.923

99.851

132.778

165.705

193.633

231.560

264.488

297.415

330.343

363.270

396.197

429.125

462.052

494.980

527.907

Мал. 1. Залежність гідравлічного опору зрошуваної сегментної тарілки від швидкості газу та щільності зрошування.

Досліди також показали, що висота зливного поріжка не впливає на коефіцієнт масопередачі в жодному з режимів, а кількість перфорацій помітно впливає лише при малих щільносгях зрошування у першому режимі. З цього можна зробити висновок, що основна кількість пари конденсується на завісі, що стікає з переливу. Якби це було не так, сегмент першого типорозміру мав би забезпечувати у двічі більшу інтенсивність масообміну, чим сегмент другого типорозміру (внаслідок у двічі більшої кількості струй, а тому і поверхні контакту газу з рідиною). У другому режимі, тобто при швидкостях газу більше 1,5 м/с, конструкція сегменту не впливає на масо-обмінні процеси. Таким чином, кількість перфорацій в сег-

Мал. 2. Залежність коефіцієнту масопередачі від менті можна довести швидкості газу та щільності зрошення До мінімуму, зумов-

леним лише тим,

щоб на сегменті не накопичувався мул. Висота зливного поріжка мас вибиратися з огляду на рівномірний розподіл рідини вздовж нього.

На графіку мал. 2 наведена залежність коефіцієнта масообміну від швидкосі газу та щільності зрошення. Як можна з нього бачити при швидкостях газу меньш ніж 1 м/с, тобто у першому режимі, щіьність зрошення суттєво не впливає на коефіцієнт масовіддачі. У другому режимі цей вплив трохи помітний, та, певне, визначається зміною поверхні бризок, виважених у газовому потоці, із зміною щільності зрошення.

З графіку мал. 2 також видно, що коефіцієнт масопередачі визначається, головним чипом, швидкістю газу. На графіку важко виділити ділянки, відповідні до двох, знайдених нами режимів. На нашу думку, це викликано достатньо великим розкидом дослідних точок, що не дозволяє виявити злами графіка під час зміни режимів.

Математична обробка даних з масопередачі, до якої було залучено увесь масив значень не розрізняючи режимів, дозволила отримати наступне рівняння, яке забезпечує залишкове середнєквадратичне відхилення 12 % у інтервалі швидкості газу від 0,3 до 3,5 м/с та щільності зрошення від 0,01 до 0,07 м/с:

р 0.002

н 0.002

иЗ 0.003

і>‘ л 0.004

сЭ 0.004

ЕЗ 0.005

Ш 0.006

і 0.007 0.007

ся | 0.008 0.009 0.009

в Е 0.010

0.011 0.012

вя 0.012

Р =3,78 10'3'и'0,93 ы 0,12, (4)

де Р - коефіцієнт масопредачі, кг/м2'ч'Па

Результата дослідів, що описані у другій главі, стали за основу для проектних розрахунків холодильника газу кальцінації содового виробництва.

У третій главі описана розробка та реалізація математичних моделей процесів охолодження газів. Розроблено дві моделі. Одна - для процесу охолодження газів, які містять один компонент (водяну пару), що конденсується, та інші, що не конденсуються (повітря). Інша — для газів, усі компоненти котрих можуть конденсуватися або абсорбуватися рідиною (аміак, водяна пара, діоксид вуглецю).

Математичні моделі контактних холодильників газів, де має місце випаровування рідини, яка контакту є з гарячим газом (наприклад, газом сушильних установок), звичайно базуються на системі із двох дифе-ренційних рівнянь, одне з яких описує тепло-, а інше масопереніс:

О с% а.(¡— /г) сі$ (5)

Обх^ (х,— хе) 6 5 (6)

де (7 - масова витрата газу, кг/с; сё - теплоємкість газу, кДж /кг'°С; /„ - температури поверхні розділу газ - рідина та основної маси газу,

відповідно, °С; 5 - поверхня контакту фаз, м2; хі: хв - вологовміст газу, рівноважного з рідиною на поверхні розділу фаз та основної маси газу, відповідно, кг/кх; ае - коефіцієнт тепловіддачі зі сторони газової фази, вт/м 2' °С; р8- коефіцієнт масовіддачі зі сторони газової фази, кг / м2 • с.

При цьому швидкість переносу теплоти до рідини з урахуванням теплоти конденсування становить:

Ь а&і = [ (х?(/у- А) + г Р4( х? -*,)] (7)

де г - теплота пароутворення, кДж / кг.

Зважаючи на те, що /, та х, невідомі та до того ж функціонально залежать одне від одного, до рішення необхідно підключати рівняння тепловіддачі у рідкій фазі, що значно ускладнює модель.

Аналіз показав, що розрахунки можуть бути значно спрощені, якщо процеси переносу маси та теплоти представити як єдиний процес переносу ентальпії. Для цього рівняння (7) було переписано наступним чином:

Ь С[йи = Р¡,[се( Іе- /,) а*/ Ря св+ т(же-Хі)] сіУ (8)

Відношення 0-2 / се у формулі (8) носить назву психрометричного коефіцієнта та для систем типу вода - повітря та близкої — вода — димові гази звичайно приймається таким, що дорівнює одиниці. Беручи це до уваги, (8) можна переписати слідуючим чшюм:

І с,&,= [( се /г+ тхг) - (се /,+ гд,)] ¿5 (9)

Зважаючи на те, що ентальпія вологого повітря /г =■ сЕ tg+ і Xg та баланс енергії Ь а <!// = О су с!/г, з (9) з’ясовується, що швидкість обміну теплотою між рідиною та газом пропорційна із коефіцієнтом пропорційності, дорівнюючим - різниці ентальпій основної маси газу та газу, що є у рівновазі з охолоджуючою рідиною. Тобто:

(/,-/,) (10)

Таким чином, спрощення моделі було досягнуто за рахунок заміни системи рівнянь (5), (6) одним рівнянням (10). Це, однак, не відкидає не-визначенності, щодо температури газу та- рідини на поверхні розділу фаз та, відповідно, рівноважної ентальпії газу. Тому, було запропоновано загальну рушильну силу переносу енергії поміж газом та рідиною обчислювати у одиницях ентальпії, як суму окремих рушильних сил у газовій та рідкій фазах.

і*-4 = (/,-4) + (/-/,) (її)

де 1* - ентальпія газу, що є у рівновазі з основною масою охолоджуючої води, кДж І кг.

Тоді:

(12)

причому:

1/к = 1/рв + (/-/,)/«,(/,-/,) (13)

У роботі показано, що коефіцієнт передачі ентальпії - к з рівнянь (12) та (13) пов’язаний із коефіцієнтом масопередачі р, що застосовувався для обробки експериментальних даних у другій главі, простим співвідношенням:

к = р / 0,622 (14)

де Р0 - загальний тиск газу, Па.

Під час розробки алгоритму розрахунку математичної моделі холодильника газу було прийнято до уваги, що наступні обставини можуть суттєво ускладнювати обчислення: по-перше, рівняння (12) є нелінійним

(нелінійність визначається залежністю ентальпії від температури) та його потрібно розв’язувати чисельними методами; по-друге, оскільки холодильник газів є протиточним апаратом, одна частина вихідних даних задана на вході газу, а інша на протилежному кінці апарату - на вході рідини. Для спрощення алгоритму вдалися до припущень, що с звичайними для математичного моделювання апаратів із східчастим контактом фаз, а саме: про лінійність рівноважної кривої на протязі одного східця контакту та про ідеальне перемішування рідини на ньому. Це дозволило замінити дифе-ренційне рівняння процесу на систему алгебраїчних рівнянь. Зокрема, припущення про лінійність рівноважної кривої дозволяє інтегрувати рівняння (12):

4; = [(/*>;--0)/ехр ( к Б/С )] +/* (15)

де/ - номер тарілки (східця)

Система рівнянь розв’язувалась методом ітерацій. При цьому з технологічних, балансових або інших міркувань назначали величини параметрів рідини та газу на вході до апарату. Виконували потарілочний розрахунок апарату від першої тарілки, рахуючи знизу, до останньої. Отримані у розрахунку параметри рідини та газу порівнювали з заданими на вході рідини до апарату та, якщо розходження розрахованих та заданих параметрів виявлялося більше заданого, вихідні дані коректували та розрахунок повторювали. Процедура повторювалась автоматично, доки розрахунок та завдання не співпадали із заданою точністю.

Розроблений алгоритм було застосовано для розрахунку холодильника газу компресії. Результати цього розрахунку наведені у таблиці:

Таблиця. Результати розрахунку холодильника газу компресії.

Номер тарілки Тепловміст газу, кДж/кг Температура рідани,“С Температура газу, °С Влаговміст, кг/кг

1 169,3 61,9 68 0,0396

2 84,7 40,1 48 0,0148

3 45,8 26,0 32 0,0062

Кількість сконденсованої води, кг/год 386

Математична модель контактного холодильника газу кальцінації має відрізнятися від вищеописаної, так як усі компоненти газу можуть у цьому апараті конденсуватися або розчинятися у охолоджуючій рідині. Оскільки процес охолодження у цьому разі стає аналогічним процесу, який протікає у абсорбері содового виробництва, нами були застосовані відомі структура моделі та основні розрахункові залежності, що розроблені для абсорбера, але із суттєвими доповнеїшями, які стосувалися особливостей роботи мо-

дельованого апарату, а саме: були змінені кінетичні коефіцієнти у рівняннях переносу, модулі покрокового розрахунку, в котрих на кожному кроці замість елементу висоти поверхні абсорбції розраховувався контактний східець.

Нижче наведено рівнянім для розрахунку кінетичних коефіцієнтів у математичній моделі холодильника:

де Т- температура абсорбенту, К; Ръ і - рівноважний тиск аміаку над охолоджуючим розчином, Па.

Математичну модель було застасовано для розрахунку кількості контактних елементів та розподілу концентрацій у холодильнику газу кальцінації, що проектувався. На мал. З наведено розподіл температур та концентрацій аміаку по висоті холодильника, що побудований по результатам розрахунку (суцільні лінії). Звертає на себе увагу не очевидна на перший погляд особливість розподілу концентрацій аміаку по висоті, а саме, що максимум концентрації №І3 досягається не на нижній, а на одній з проміжних тарілок.

У четвертій главі наведено результати фізичного моделювання холодильників газу кальцінації та компресії, та випробування дослідно-промислового апарату для охолодження газу компресії.

Випробування моделі супутника холодильника газу кальцінації (ХГК) проводилися в цеху АДК-2 Стерлітамацького АТВТ “Сода” з метою перевірки адекватності математичної моделі апарату та відробки конструкції та технологічного режиму у виробничих умовах на реальних технологічних рідинах та газах.

Отримані на моделі супутнику розподіли температур та концентрацій по висоті апарату зіставлено із розрахунковим на мал. З (експеримент -точки). Як видно з малюнку, експериментальні значення температури газу та рідини на виході з апарату виявились трохи меншими за розраховані, проте, у цілому, тенденцію зміненій параметрів процесу модель відбиває досить точно.

Досліди підтвердили наявність максимуму концентрацій аміаку на другій або третій тарільці, рахуючи знизу. Помічений ефект можна пояснити там, що абсорбція аміаку з газу кальцінації, яка має місце у зоні низьких температур у верхній частині апарату, змінюється десорбцією, коли холодоагент опускається в низ апарату, де контактує з гарячим газом, бага-

ка=ю-9'*7-410/грм

Ке = р = 3,78 • 10 -3 >^0,93 м°

-З „,0.93 „0,12

(16)

(17)

тим на водяну пару. В результаті, зони максимуму швидкостей конденсації водяної пари та абсорбції аміаку виявляються просторово розділеними.

0 20 40 60 Е0 0 20 40 В0 80 100

Температура, град. С Концентрація аміаку, н.д.

Мал. 3. Розподіл температур та концентрацій за висотою холодильника

Ця особливість роботи холодильника наштовхує на думку відводити залишковий конденсат не з загальної маси холодоагенту, що циркулює, а з другої або третьої тарілки, де він максимально збагачений аміаком. Як показали досліди на пілотній установці, це дозволяє суттєво знизити вміст аміаку у газі, що виходить з холодильника, та полегшти роботу промивача газу кальцінації. У цьому разі останній може бути виконаний з мсньшою кількістю контактних ступенів.

Технологічна схема охолодження газу кальцінації, що її рекомендовано для промислового впровадження, наведена на мал. 4. До складу схеми входять холодильник газу кальцінації 1, ємкість 2, промивач газу кальцінації 3, насос 4, теплообмінник 5, регулятор рівню 6 та регулюючий клапан 7. Її робота очевидна з малюнку. Єдиною особливістю, що потребує коментаря, є те, що відбір залишкового конденсату з другої тарілки потрібно вести за рівнем у баку сбірникові холодоагента.

Спеціальні досліди проводилися з мстою перевірки можливості досягнення регламентних норм по температурі газу після контактного холодильника газу кальцінації та визначення параметрів газу та рідини, що відповідають цьому режиму. Досліди показали, що розроблений апарат забезпечує охолодження газу кальцінації, яке відповідає вимогам регламенту.

Результати роботи, що описані у цій дисертації, було покладено в основу проекту дослідно-промислового холодильника газу кальцінації потужністю 1000 т соди на добу (у содовій промисловості прийнято вимірювати продуктивність апаратів у одиницях кінцевої продукції, що виробляєтея за їх участю).

Під час розробки конструкції холодильника компремованих газів (так у содовому виробництві називають стиснутий до 0,4 МПа газ, отриманий у печах випалювання валняка, який застосовують для карбонізації амонізова-ного розсолу) було знайдено, що перехреснотічні ситчагі тарілки найкращим чином відповідають технологічним умовам. Апарат-супутник

газ до компресора

з такими тарілками був випробуваний в цеху компресії першого виробництва соди Стерлітамацького АТВТ “Сода”. Метою цих випробувань була перевірка конструкції апарату та впливу нової технології охолодження на процес карбонізації. Холодильник уявляв собою колонний апарат діаметром 0,6 м та мав чотири ситчаті тарілки з отворами діаметром 0,03 м, Були випро-бувані тарілки двох типорозмірів: із вільним перерізом 0,077 та

0,106 м2/м2. У міжтарілочному просторі були зроблені вертикальні перего-

. родки, що ділили тарілки

навпіл та мали у нижній частині прямокутну прорізь для проходження прогазо-ваної рідини з одної половини тарілки на іншу. Така конструкція забезпечувала кращу за звичайні сітчасті тарілки структуру потоку рідини.

Як показали результати досліджень, інтенсивність теплопередачі визначається, головним чином, швидкістю газу. Коефіцієнт теплопередачі, віднесений до площі тарілки, пропорцієн швидкості газу у ступені 1,3. Вплив щільності зрошення є мало помітним і це дозволяє проводити охолодження при малих витратах охолоджуючої води.

За результатами випробувань моделі супутника холодильника газу компресії було розроблено проект, виготовлено та впроваджено у цеху компресії дослідно промисловий апарат продуктивністю по газу 18000 м3/год. Холодильник виконано у вигляді колонного апарату діаметром 1,4 м, висотою 5,4 м. Він має 3 контактні елементи зі змсныпуючимся по ходу газу вільним перерізом.

Результати випробувань показали, що прямий контакт поміж газом та рідиною дозволяє ефективно проводити процес теплообміну з отриман-

Мал.

4. Рекомендована технологічна схема охолодженні газу калкцінації

ням стабільної регламентної температури газу, яка не залежить від часу роботи апарату. Витрата охолоджуючої води при такому способі знижується до 1,5 - 3,0 м3/т соды проти 15-16 м3/т соди у звичайних кожу-хспрубчатих холодиьників.

У п’ятій главі викладено організаційні та економічні аспекти розробки контактних холодильників для виробництва капьцінованої соди.

Орієнтація вітчизняної економіки на різноманітність форм власності та підприємницької діяльності створює важливі передумови становлення та розвитку ринкових відносин. Керівний персонал содових підприємств, так саме як і інші товаровиробники, має пристосовуватись до нових умов хозяйнування. Швидше адаптуватись до них допомогає застосування принципів маркетингу, набувших значного поширення у світовій практиці.

Концепція маркетингу, що її запропоновано у дисертації, відрізняється від інших тим, що: 1) підприємство бачить свою задачу у задоволенні потреб певної групи споживачів; 2) підприємство усвідомлює, що задоволення цих споживачів потребує цілого ряду маркетингових досліджень для їх виявлення; 3) маркетингова діяльність підприємства постійно контролюється та аналізується; 4) підприємство має бути впевнено, що його діяльність по задоволенню попиту призводить до повторних купівель продукції та забезпечує сприятливу громадську думку.

Під час планування збільшення обсягів випуску продукції мають враховуватись наступні фактори: наявність матеріальних ресурсів; стан технічної бази виробництва та можливість обновлення та реконструкції обладнання; наявність трудових та фінансових ресурсів.

Застосування нових, більш продуктивних засобів виробництва -основа зростання конкурентоспроможності содового виробництва на світовому ринку. Тому у дисертації і запропонована та економічно обгрунтована заміна на содових підприємствах фізично зношених та морально застарілих бочечних холодильників на апарати контактного типу, які дозволяють підвищити питому продуктивність з 137 до 584 кг соди на год з 1 м3 об’єму апарату, тобто більш ніж у 4 рази.

Розрахунки корисного економічного ефекту впровадження контактного холодильника газу кальцінації показали, що він становить 1,547 млн. грн. А строк окупності апарату - 2,85 року.

ВИСНОВКИ

1. Контактні теплообмінники є високоефективними апаратами, що широко застосовуються у багатьох галузях виробництва. Однак у содовому виробництві до цього часу вони не набули достатнього поширення.

2. Досліджена гідродинаміка однофазної та двофазної течії газового та рідинного потоків по сегментним контактним устроям. Встановлена на-

явність двох режимів течії: нестурбованих струменів (перший режим) та розпилювання струменів (другий режим).

3. Досліджена залежність гідравлічного опору незрошуваних та зрошуваних сегментних тарілок від швидкості газу, щільності зрошення та геометрії контактного елемента. Отримані рівняння для розрахунку цих величин.

4. Досліджена залежність коефіцієнта масопередачі від швидкості газу, щільності зрошення та геометрії контаетного устрія. Отримано рівняння для розрахунку коефіцієнта масопередачі.

5. Розроблена математична модель процесу переносу ентальпії прн охолодженні газу, тільки один компонент якого конденсується. За допомогою моделі розраховано процес охолодження газу компресії.

6. Розроблена математична модель охолодження газу, усі компоненти якого конденсуються або розчиняються охолоджуючою рідиною. Модель адаптовано до умов охолодження газу кальцінації.

7. У промислових умовах на пілотній установці виконано дослідження охолодження газу компресії. Доведено, що прямий контакт поміж газом та рідиною дозволяє ефективно проводити процес теплообміну та отримувати регламентну температуру газу.

8. На відміну від трубчатих холодильників, що забруднюються твердими осадками, апарат прямого контакту здатний забезпечувати стабільну температуру охолодженого газу протягом тривалого часу.

9. Розроблено та впроваджено в цеху компресії Стерлітамадького АТВТ “Сода” контактний холодильник газу компресії, що дозволяє знизити витрату охолоджуючої води з 15 - 16 до 1,5 -3 м3/т соди.

10. Випробувано пілотну установку контактного охолодження газу кальцінації. Доведено можливість охолодження газу кальцінації у прямому контакті з хладоагеїпом.

11. Знайдено, що розподіл концентрацій аміаку по висоті холодильника газу кальцінації має максимум на другий або третій тарільці, рахуючи знизу. Зроблено вибір оптимальної точки відводу надлишкового конденсату-

12. За результатами дослідів розроблено проект дослідно-промислового апарату для охолодження газу кальцінації.

13. Виконано розрахунок економічної ефективності впровадження контактного холодильника газу кальцінації. Знайдено, що корисний економічний ефект створенного апарату дорівнює 1,547 млн. грн., а строк його окупності 2,85 року.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Цейтлин М.А., Гареев Л.Т., Райко В.Ф. Исследование гидродинамических и массобменных характеристик сегментных контактных элементов.// Збірник наукових праць науково-методичної конференції: «Людина та навколишнє середовище: проблеми безперервної эко-логічної освіти в вузах». - Одесса, 16-18 вересня 1996 р. - Одесса: ОАХ. 1996 р,- с. 79 - 80.

2. Ткач ГА, Цейтлин М.А., Гареев АТ., Колосов А.В. Математическое моделирование процесса охлаждения газа в контактном холодильнике. // Збірник наукових праць науково-методичної конференції: «Людина та навколишнє середовище: проблеми безперервної зкологічної освіти в вузах». - Одесса, .16-18 вересня 1996 р. - Одесса: ОАХ. 1996 р.- є. 78 -79.

3. Цейтлин М.А, Райко В.Ф., Гареев А.Т. Контактное охлаждение ком-премированных газов.// В кн. Республиканский межведомственный научно-технический сборник «Энергетическое машиностроение 12*96».-Харьков, вып. 55, 1996 г. с. 85-87.

4. Цейтлин М.А., Гареев А.Т., Цейтлин Л.М. Математическое моделирование процесса контактного охлаждения газа, содержащего пар охлаждающей жидкости и неконденсируїоїциеся компоненты. // В кн. Экология и ресурсосбережение. Юбилейный сборник трудов кафедры ХТПЭ.-Харьков: ХГПУ, 1996, Т.2.- с. 46-52.

5. Цейтлин М.А., Гареев А.Т., Райко В.Ф. Физическое моделирование процессов охлаждения парогазожидкостных систем на сегментных контактных устройствах. // В кн. Экология и ресурсосбережение. Юбилейный сборник трудов кафедры ХТПЭ. - Харьков: ХГПУ, 1996, Т.2.- с. 21-33

Особистий внесок автора у роботах, що виконано у співавторстві полягає у розробці методик експерименту по дослідженню сегментних контактних устроїв на лабораторних та пілотних установках, участі в проведенні та обробці результатів дослідів [1,3,5], а також у розробці алгоритмів розрахунку математичних моделей контактних холодильників компремованого газу та газу кальцінації[2,4].

Gareev A. T. Equipment setup for contact cooling of soda-ash production

gases.

Dissertation seeking the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.17.18, processes, machines and appaiata of chemical and oil-treating production. Kharkov State Polytechnic University, Kharkov, 1997.

A dissertation in the form of manuscript and five printed scientific works are presented. They contain description and results of experimental research of segment contact devices in application to cooling of soda-ash production gases, as well as mathematical and physical simulation of gas cooling processes, for gases containing both condensing and non-condensing components. The results of the research have been tested at pilot and trial industrial settings. The results of the research led to development of apparata for contact cooling of compression gases and calcination gases. The compression gas cooler is installed in compression section of Sterlitamak JSC “Soda”. The technical project of calcination gas cooler has been developed.

Гареев A.T. Аппаратурное оформление контактного охлаждения газов содового производства.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05,17.08 - процессы, машины и аппараты химических и нефтеперерабатывающих производств. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1997г.

Защищается диссертация в виде рукописи и пять печатных научных работ, которые содержат описание и результаты экспериментальных исследований сегментных контактных устройств в применении к охлаждению газов содового производства, а также математического и физического моделирования процессов охлаждения газов, содержащих конденсирующиеся и нековденсирующиеся компоненты. Результаты исследований проверены на пилотных и опытно-промышленных установках. По результатам исследований разработаны аппараты контактного охлаждения газов компрессии и газов кальцинации. Холодильник газа компрессии внедрен в отделении компрессии Стерлитамакского АООТ “Сода”. Разработан технический проект холодильника газа кальцинации.

ЬСлючо!» слова: контакгт ycrpoï, охолодасення газш, конгактне охолодження, содове виробництво, пдравл1чний onip, масообмш, математичне моделювання.