автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация тепло- и массообмена в прямоточных газожиткостных потоках (в теплообменнике и реакторе)

РГВ од

2 2 ДЕК ™пп

на правах рукописи

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛО-И МАССООБМЕНА В ПРЯМОТОЧНЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКАХ (В ТЕПЛООБМЕННИКЕ И РЕАКТОРЕ)

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2000

Работа выполнена в Пятигорском научно-техническом центре при представительстве РАО «ЮС России» по управлению акционерными обществами Северного Кавказа «Южэнерго».

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Е.А. Гайванский.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Е.П. Кошевой; _ кандидат технических наук Д.Б. Пономаренко.

Ведущая организация - Краснодарский научно-исследовательский

институт хранения и переработки сельскохозяйственной продукции.

Защита диссертации состоится 21 декабря 2000 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 063.40.01 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, Московская, 2, конференц-зал.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 20 ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

05-10О

Л л АЦ > /О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблеме разработки нового высокоинтенсивного теплообменного и массообмешгого оборудования, а также задаче интенсификации действующих аппаратов всегда уделялось большое внимание. Их решение остается актуальным и в настоящее время. Особенности экономики современной России, заключающиеся в ограниченности инвестиций и дефиците энергоносителей, конкретизируют обсуждаемую задачу, и одним из приоритетных направлений выделяют вопрос интенсификации известного оборудования при минимуме капитальных затрат и без существенного повышения энергозатрат. Этим условиям в значительной степени отвечает направление, связанное с использованием прямоточного взаимодействия газовой и жидкой фаз и применением устройств, увеличивающих сдвиговые напряжения, поверхность раздела фаз, коэффициент турбулентной диффузии и улучшающих структуру потоков.

В данной работе интенсифицировались типичные процессы теплообмена и массообмена, которые осуществляются при прямоточном движении фаз.

Теплообмен интенсифицировался в теплообменниках подогрева бражки, которые используются для рекуперации теплоты паров бражной колонны в бра- | горектификационной установке косвенного действия. Они работают в специфических условиях. Во-первых, бражка содержит значительное количество твердых примесей и растворенный углекислый газ, который выделяется при нагревании. В итоге в трубах возникает трехфазный поток, а на стенках образуются отложения. Во-вторых, в межтрубном пространстве конденсируется смесь паров воды и спирта в присутствии инертного компонента - С02. Последний частично выделяется при нагревании бражки и окончательно в бражной колонне. Интенсификация теплообмена осуществлялась путем применения спиральных вставок из тонкой упругой проволоки. Среда, движущаяся по трубкам, заставляет спирали вибрировать и колебаться в осевом и радиальном направлениях, вследствие чего усиливается пристенная турбулентность, интенсифицируется теплообмен и осуществляется практически полная очистка стенок труб от отложений. Данное устройство может быть установлено без особых затрат в промышленных тегогообменных аппаратах и эффективно использовано. При этом встает вопрос об исследовании теплоотдачи в двухфазном потоке в трубе, снабженной спиральными вставками. Актуальной является также задача разработки

3

методики расчета подогревателей бражки со спиральными вставками, работающих в системе рекуперации теплоты паров бражной колонны.

Массообмен интенсифицировался в реакторе окисления парафинов нефти, который предназначен для получения жирных кислот. Производство синтетических жирных кислот (СЖК) позволяет сэкономить сотни тысяч тонн пшцевых жиров, используемых для технических, сельскохозяйственных и бытовых целей. Однако необходимо дальнейшее увеличение производства, а главное, его интенсификация. Это обусловлено потребностью СЖК в самых различных отраслях: в производстве пластичных смазок (фракция С5 - С6), латсксных изделий (фракция Сю - С13), туалетного и хозяйственного мыла, синтетического каучука (фракция С12 ~~ Ci6), синтетических моющих средств, резинотехнических изделий (фракция С и - С20), синтезе лакокрасочных материалов, алифатических аминов и первичных спиртов (фракция Сю - С^) и др. В реакторе окисления парафинов газ и жидкость движутся прямоточно и кинетика процесса лимитируется стадией мас-сообмена.

Массообмен интенсифицировался путем создания при прямоточном движении фаз тонкосгрукгурированной пены на основе использования эффектов взаимодействия газа и жидкости на срезе сопла. При этом возникает задача исследования процесса в усовершенствованном реакторе и изучения структуры потоков в нем.

Работа проводилась в соответствии с координационным планом «ИНПРО-БИТ» - Математическое моделирование, повышение эффективности научно-исследовательских и экспериментальных работ в области гидродинамики и теп-ломассопереноса; с координационным планом «Экономия»; в рамках Госзаказа № 6468200970 АО «ВНИИбиотехника».

Цель настоящей работы состоит в интенсификации теплообмена и массо-обмена в аппаратах с прямоточным движением фаз на примере подогревателя бражки и реактора получения жирных кислот окислением парафиновых углеводородов и в разработке методик расчета усовершенствованных аппаратов й процессов.

Научная новизна настоящей работы заключается в том, что:

разработана математическая модель бражного подогревателя со спиральными вставками в трубах, учитывающая его взаимосвязь с бражной колонной брагоректификационной установки и эффект снижения коэффициента тегоюот-

дачи при конденсации паров бражного дистиллята за счет присутствия инертного компонента;

предложен новый принцип аппаратурного оформления процесса окисления парафинов до жирных кислот;

разработано математическое описание процесса окисления парафинов в усовершенствованном реакторе;

получены уравнения для определения коэффициента продольного перемешивания и величин удельных скоростей реакций в зависимости от расходов парафина и воздуха, концентрации катализатора для различных конструкций реактора и скорости истечения из сопла;

обобщены собственные экспериментальные данные по теплоотдаче в трехфазном потоке бражки и получены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки к бражке в трубах со спиральными вставками;

обоснован и проверен в производственных условиях эффект самоочистки стенок труб от загрязнений при установке в них тонких спиральных пружин;

Практическое зпачепие диссертационной работы заключается в том, что на основе исследований:

разработаны рекомендации по типоразмерам спиральных вставок, обеспечивающих самоочистку стенок теплообменных труб;

получено критериальное уравнение, которое используется для расчета теплоотдачи в трубах со спиралями;

на основе анализа данных по тепломассообмену при прямоточном движении газа и жидкости осуществлена интенсификация процесса теплообмена в подогревателе бражки путем использования спиральных вставок из тонкой проволоки и процесса массообмена в реакторе окисления парафинов жирных кислот путем использования сдвиговых эффектов при взаимодействии газа и жидкости на срезе сопла;

проведение исследования использованы при внедрении в промышленность теплообменников со спиральными вставками;

разработан аппарат окисления парафинов, позволяющий сократить почти в три раза время процесса при высоком качестве оксидата; процесс ведется непрерывно.

Достоверность и надежность результатов доказана экспериментально и подтверждена при внедрении. Производственные испытания показали, что предложенные методы интенсификации обеспечивают повышение эффективности рекуперативных теплообменников, улучшают структуру потоков в реакторах окисления парафина, увеличивают выход целевых компонентов.

Конструкционные приспособления (спиральные пружины) испытаны на ОАО СВВК «Эльбрус». Годовой фактический экономический эффект при эксплуатации модернизированных теплообменников составляет 2,1 млн. рублей. Промышшшая эксплуатация рекуперативных теплообмешшков со спиральными пружинами на Кропоткинском химическом заводе подтвердила эффективность работы этих теплообменников. Экономический эффект составил 2,3 млн.рублей в год. Промышленные испытания нового реактора со струйным устройством для непрерывного окисления парафиновых углеводородов проведены на ОАО СВВК «Эльбрус». Расчетный экономический эффект составил в 1999 году 3,1 млн. рублей в год.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Всероссийском симпозиуме по математическому моделированию КИЭП (г. Кисловодск, 1999 г.), международной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения» (г. Краснодар, 2000 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 107 страницах, содержит 20 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа литературных данных обоснован выбор методов интенсификации процессов тепло- и массообмена в прямоточных аппаратах, выделены и обсуждены объекты исследования: подогреватель бражки и реактор окисления парафинов нефти до жирных кислот. Критически оценены

известные методы математического описания этих процессов и сформулированы следующие основные задачи исследования:

- проверка и реализация методов закрутки потоков и соударения фаз (создания высоких сдвиговых напряжений) в процессе копдеисации паров бражного дистиллята и получения синтетических жирных кислот.

- разработка методики расчета конденсатора бражного дистиллята и реактора синтетических жирных кислот в условиях интенсификации тепломассообмена на основе экспериментального исследования.

- разработка на основе расчета и эксперимента рекомендаций по внедрению.

Во второй главе дается математическое описание и моделирование процессов, происходящих в системе взаимосвязанных аппаратов: подмреватель бражки - бражная колонна и процессов в реакторе получения жирных кислот окислением парафинов нефти.

Технологический комплекс: подотреватель бражки - бражная колонна -система с обратными связями, в которой формируются материальные и тепловые потоки.

На первой стадии математического описания для определения параметров потоков наряду с материальными и тепловыми балансами, а также уравнениями парожидкостного равновесия учтено присутствие и растворимость углекислого газа в бражке. Разработан алгоритм итерационного расчета расходов потоков, их состава и температур.

Наличие инертного компонента (С02) приводит к снижению парциального давления водно-спиртовых паров на величину

&Р = рбарУи- (!)

При этом изменение температуры конденсации можно определить, используя первый член ряда Тейлора:

= (2)

др

Производная — при заданном составе смеси спирт-вода может быть оп-др

ределена по данным о влиянии давления на равновесие пар - жидкость. Температура конденсации с инертом / определяется по температуре конденсации без инерта /'

Г = (3)

В математической модели процесса конденсации водно-спиртовой смеси в присутствии инертного компонента учтено, что теплоотдача при конденсации пара определяется термическим сопротивлением пленки конденсата. Однако при наличии инертного компонента необходимо учитывать сопротивление переносу вещества в парогазовой фазе, т. е. одновременный тепломассообмен.

Тогда баланс теплоты для границы раздела фаз записывается следующим образом.

N■r + ay(t-tsт)=N■i' + a,nл(ísг-1ст). (4)

Учитывая, что коэффициент теплоотдачи в газовой фазе ау мал, а также мала и величина разности температур можно упростить уравнение (4).

^(<"-С) = аш(г5Г-?ст). (5)

Левая часть уравнения (5) есть количество теплоты, отданной при конденсации паров, т. е. фактически - удельная тепловая нагрузка д:

Ъст

Из соотношения (6) следует:

Я = (7)

где К3 - эффективный коэффициент теплопередачи

К =-]-; (8)

1 О. 1 (^г ~'б) ~ движущая сила процесса.

Таким образом, если при расчете движущей силы вместо температуры конденсации паров ( использовать температуру на границе раздела паровой и жидкой фаз то коэффициент теплопередачи можно рассчитывать по обычному уравнению (8).

Для определения температуры конденсации на границе раздела рассмотрен массообмен в паровой фазе с инертом.

В случае стационарного процесса уравнение конвективной диффузии для инерта в диффузионном слое имеет вид:

+ ^ = 0. (9)

Скорость движения среды V связана с движением паров к границе раздела, где они конденсируются. Следовательно величина v, м/с, равна потоку вещества N. м3/(м2 с).

ЛГ=—1п—= Р1п— (10)

5 Уи Уи

Здесь Л - коэффициент диффузии;

р - коэффициент массоотдачи в паровой фазе. Из (10) концентрация инертного компонента на границе раздела равна:

'Ы

У иг =Уи*Х Р

о.)

Величина потока вещества N может быть вычислена по количеству конденсата Г, а коэффициент массоотдачи по известным критериальным уравнениям для поперечного обтекания пучка труб парами.

Тогда по уравнению (11) найдется концентрация уит, а по уравнениям (1)+(3) - температура на границе раздела фаз .

Математическая модель подогревателя бражки - конденсатора бражных паров разработана путем суммирования описанных выше результатов с дополнением их данными обобщений по теплоотдаче и массоотдаче. На этой основе экспериментально проверены эффекты интенсификации.

Математическая модель процесса окисления парафинов при получении сипгетических жирных кислот представлена дифференциальным уравнением массопереноса, осложненного химической реакцией.

Анализ показал, что процесс оксидирования протекает вблизи границы диффузионного и кинетического режимов. Для парафинов с низкой вязкостью процесс химической абсорбции протекает скорее в кинетическом режиме.

Растворимость кислорода в парафинах низкая (при атмосферном давлении

и температуре 25 °С х » Ю-4, а при 100 °С значительно меньше) и все сопротивление массопереносу сосредоточено в жидкой фазе.

Также можно отметить, что предварительное насыщение в данном случае не играет никакой роли и противоток не имеет преимущества.

Для колонного прямоточного непрерывно-действующего аппарата математическая модель стационарного процесса окисления представлена дифференциальным уравнением

ас у с1с т

—--— — + — = 0. (12)

ОпрЫ Бпр

Решение этого уравнения осуществлено операционным методом.

с(Л) = с(0)+- Л - ^ Гс'(0)- -

v v i v

1-ехр

\

(13)

Здесь с - концентрация (с(о) - значение искомого решения при /г = 0; с'(0) - значение производной искомого решения при И = 0); А - расстояние от входа в аппарат; г - скорость химической реакции; V - скорость потока; Опр - коэффициент продольного перемешивания.

В общем случае зависимость (13) является близкой к экспоненциальной, а при отсутствии продольного перемешивания {р„р - б) последнее слагаемое в

(13) исчезает и зависимость имеет линейный характер.

На основании теоретического анализа процесса дано обоснование получения СЖК окислением парафинов в реакторе новой конструкции (рисунок 1).

В этом аппарате процесс осуществляется следующим образом. Смесь парафина и катализатора в жидком состоянии при температуре 393 К подается через трубопровод 7 в воронкообразный отражатель 8. Воздух подается под давлением до 1,5-106 Па в сопло б, расположенное соосно с воронкообразным отражателем 8. Воздух истекает из сопла со скоростью не менее 50 м/с и вступает в контакт со смсСыо парафиновых углеводородов и катализатора. При этом в смесительной камере 5 образуется газожидкостная система пленочно-ячеистой структуры с высокоразвитой поверхностью межфазного контакта и равномерным распределением реагентов в единице объема. Газожидкостная система пленочно-ячеистой структуры поступает в цилиндрический патрубок 4 и опускается по нему, выходя в кольцевое пространство, образованное корпусом аппарата 1 и цилиндрическим патрубком 4, через раструб 9, попадает в первую нижнюю секцию окислительной колонны.

В каждой го секций происходит отвод тепла реакции теплообменными поверхностями 3 и поддерживается необходимая для процесса температура. Жиз-

10

неспособность газожидкостной структуры зависит от времени, определяющего глубину окисления, а время окисления регулируется скоростью истечения воздуха из сопла и соотношением начальных скоростей реагентов, соответствующих соотношению их объемных расходов.

Отработанной воздух и а<5-газы

Свези Й воздух

II

Шил

р \ Парафин + катализатор

■ч

—г —НС

—■ч —к.

Охсидат

Рисунок 1 - Реактор со струйным устройством для проведения непрерывного процесса окисления парафиновых углеводородов

В пределах каждой секции интенсивно протекают процессы тепло- и мас-сопереноса и ускоряют химическую реакцию превращения парафиновых углеводородов. Перфорированные тарелки, имеющие различное «живое» сечение, позволяют инициировать развитие межфазной поверхности в нижних секциях аппарата и сепарировать жидкую фазу от газовой за счет увеличивающегося «живого» сечения в верхних секциях аппарата.

Отметим, что в патрубке 4 создаются наиболее благоприятные условия доя протекания процесса в диффузионной области, а в кольцевом пространстве реактора и в каждой ю его секций создаются наиболее благоприятные условия для протекания процесса в кинетической области.

В реакторе использованы сетчатые тарелки. Первая тарелка имеет «живое» сечение 3 %, вторая 6 %, третья 9 %, четвертая 12% и пятая 15 %. Такое редуцирование реакционной смеси позволяет обеспечить «мягкий» гидродинамический режим работы аппарата по всей его высоте, с хорошей сепарацией отработанного воздуха от жидкой реакционной массы.

Для обоснования нового аппарата, отличающегося наличием струйного устройства в начале контактирования воздуха и окисляемого парафина, затем проведением процесса в нисходящем и восходящем прямотоке, представлены соотношения, которые дают общую оценку влияния параметров процесса. Однако влияние факторов: расхода обеих фаз, размеров диспергированных взаимодействующих элементов и распределения их по размерам, конструктивных характеристик аппаратуры - сложное. Эти зависимости в данном исследовании устанавливались обобщением экспериментальных данных.

В третьей главе экспериментально подтверждена эффективность рекомендаций по интенсификации теплообмена и массообмена при прямоточном движении фаз в кожухогрубном теплообменнике (подогревателе бражки) и в реакторе получения синтетических жирных кислот, а также получены необходимые для расчета экспериментальные зависимости и осуществлена проверка теоретических положений.

При экспериментальном исследовании кожухотрубчатого теплообменника проверяли эффективность вставок в виде проволочных спиралей на объем отложений и теплообмен при работе в режиме бражного тданревателя.

Установлено, что для теплообмешшх трубок различного диаметра, оснащенных спиральными пружинами, отложения, даже по истечению 400 часов их

12

эксплуатации, весьма незначительны, тогда как для трубок без пружин отложе-

ния представляют существенную величину. Причем для всех трубок, исследованных в идентичных условиях, наблюдается следующая тенденция: с уменьшением диаметра трубок относительная величина отложений возрастает.

Полученные экспериментальные данные позволили рекомендовать рациональные конструкционные характеристики спиралей для диаметров теплооб-менных трубок, используемых в нормальном ряде кожухотрубчатых теплообменников. Рекомендации испытывались на спиртово-виноводочном комбинате ОАО СВВК «Эльбрус» г. Нарткала (теплообменник для подогрева сырья перед его поступлением в бражную колонну), на Кропоткинском химическом заводе (теплообменник перед входом фурановой смеси в реактор для получения тетра-гидрофурана). Теплообменники эксплуатировались в промышленных условиях в течение 3,5 - 4 месяцев. По истечению срока эксплуатации теплообменники вскрывались. Внутренняя поверхность тех трубок, которые были оснащены спиральными пружинами оказалась практически без отложений, на внутренней поверхности остальных трубок (85-90 %) отложения были.

Проведено исследование теплоотдачи с использованием бражки в медной трубе внутренним диаметром 20 мм длиной 3 м без спирали и со спиралью с диаметром проволоки 0,3 мм, шагом 60 мм, наружным диаметром 19 мм.

В итоге получена экспериментальная зависимость критерия Нуссельта (Ми) от критерия Рейнольдса (Яе). В серии опытов с дегазированной бражкой и трубой без спирали экспериментальные данные удовлетворительно описываются известным полуэмпирическим уравнением, полученным на основе трехслойной схемы Кармана для профиля скоростей в трубе:

В трубе, снабженной спиралью, теплообмен интенсифицируется и в случае дегазированной бражки число N4 при соответствующих значениях чисел Яе оказывается выше, чем в трубе со спиралью примерно на 30 %. Это можно объяснил. с одной стороны частичной закруткой жидкости и ростом за счет этого локальных чисел Рейнольдса. Вместе с тем, нарушается структура пристенного слоя и изменяется характер поперечных пульсаций скорости.

(14)

При нагревании недегазированной бражки наблюдается дальнейший рост числа Нуссельта при том же значении условного числа Рейнольдса, рассчитанного по скорости однофазного потока жидкости. При этом наибольший рост интенсивности теплоотдачи наблюдается при больших расходах исходной смеси. Степень при условном критерии Рейнольдса оказывается больше, чем в общеизвестном уравнении Нуссельта-Крауссольда (рисунок 2).

Расчеты показывают, что объемное газосодержание потока порядка 0,5 mVm3, в то время как массовое газосодержание порядка х = 0,002 кг/кг.

Оценка влияния на теплоотдачу двухфазности системы в гладких трубах с помощью известных корреляций, опирающихся на фактор Мартинелли, показывает, что при газосодержании х = 0,002 практически не наблюдается интенсификации процесса. Следовательно, повышение эффективности теплообмена дает сочетание двухфазности потока с наличием спиральной вставки в трубах.

Nu

250 -------—-1

■

200 -------

—4 У

150-----у г— -рУ —--

100--¿Ж^--

60 —Ж-^-—------

о I . .1 ■ . .. I .

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Re-10"4

1 - труба без вставок;

2 - труба со спиралью

Рисунок 2 - Теплообмен в однофазном потоке бражки

Для исследованной смеси получено уравнение:

Nu = 0,035 Re0-87. (15)

а

2 —ч

г Yi

■ •

Таким образом, применение в трубах подогревателя бражки спиральных вставок из тонкой упругой проволоки снижает темпы роста отложений на стенках труб и заметно интенсифицирует процесс теплоотдачи. Уравнение (15) использовано в разработанной математической модели подогревателя бражки, которая, как установлено, удовлетворительно описывает исследованный процесс.

Задачей экспериментального исследования полупромышленного реактора со струйным устройством (рисунок 1) было установить влияние скорости истечения воздуха из сопла в камеру смешения (50, 150 и 200 м/с). Полученные результаты сравнивались с результатами, полученными для секционированного реактора, снабженного ситчатыми («живое» сечение 1,8 %), ситчатыми с отбойниками («живое» сечение 2,0 %) и колпачковыми («живое» сечение 2,2 %) тарелками.

Расстояние между секционирующими тарелками, которых в колонне 5, равно 800 мм. Расстояние между последней верхней тарелкой и верхним фланцем колонны равно 1000 мм. Свободный объем колонны без струйного устройства составляет 0,230 м3, а свободный объем колонны со струйным устройством, с учетом объема, занимаемого патрубком, составляет 0,216 м3. Внешний диаметр патрубка равен 55 мм, внутренний диаметр колонны равен 250 мм.

Все модификации реактора испытаны в идентичных условиях, с использованием одного и того же сырья - парафина Новокуйбышевского нефтеперерабатывающего комбината.

Методической основой оценки данных экспериментов послужила разработанная математическая модель окисления парафинов в прямоточном режиме с различной степенью продольпого перемешивания (уравнение 13). Приведенные данные на рисунке 3 свидетельствуют, что характер изменения кислотного, эфирного и карбонильного чисел подобен, и в дальнейшем достаточно применять математическую модель к экспериментальным данным по кислотному числу.

Прямые зависимости свидетельствуют об отсутствии продольного переме-

прямой угол наклона которого позволяет определить относительную скорость

тификация параметров полной математической модели, из которых наиболее

шивания

математической модели остается только уравнение,

реакции (г I у). Если зависимости отклоняются от прямой, то проводилась иден-

важным является Б„р.

Полученные положительные результаты предварительных экспериментов позволили провести дальнейшие испытания реактора со струйным устройством с целью сравнения показателей его работы с показателями работы известного секционированного реактора непрерывного действия.

Предложенный способ позволяет сократил, продолжительность процесса в 2-3 раза, улучшить качество за счет повышения кислотного числа 61,4-71,1 мг-КОН/г оксидата против 54,1 - 60,2 мг-КОН/г оксидата на известной конструкции и снизить значения эфирного и карбонильного чисел.

Сравнительные экспериментальные данные по проведению процесса различными способами с учетом рассчитанных параметров по математической модели обобщены в таблице 1.

во

2 з

60

40

20

о о ¡2 с

) 2

3 ч

12 3 4

Число .СкциЯ в колонне, (л)

Рисунок 3 - Изменение кислотного, эфирного и карбонильного чисел в реакторе со струйным устройством. 1,2,3 - соответственно, числа: кислотное, эфирное, карбонильное. 6 = 10 л/ч; V = 10 м3 /ч; К = 0,15 % масс.; уи = 200 м/с.

Первые четыре варианта (1-4) для известной конструкции с факторами -расход воздуха (£>в) и подача парафина (0и) - составляют ПФЭ 22. При обработке результатов этой серии экспериментов получены следующие результаты по коэффициентам регрессии.

На время окисления (хж) и степень использования кислорода воздуха

16

(а02) влияет лишь£)в, и с его увеличением эта показатели уменьшаются. На коэффициент продольного перемешивания указанные факторы не влияют.

Если принять, что <2п в указанном диапазоне не влияет на работу новой конструкции, так же как и на работу известной конструкции, то первые четыре варианта (1-4) для новой конструкции с факторами - Qв и скорость воздуха в сопле (Кв) - составляют ПФЭ 22. При обработке результатов этой серии экспериментов получены следующие результаты.

С ростом <2В и Уп время процесса (ток) сокращается, однако степень влияния Ув примерно в 3 раза выше. Отметим, что среднее время процесса в новой конструкции сокращается в 2,6 раза.

Таблица 1

№№ вариантов Факторы вариантов Конструкции

2в 2п Уз Новая Известная

м3/ч л/ч м/с а 02,% г/у <х02,% ток > Ч Д м2/с

1 6 10 150 8,15 4 7,13 4,71 9,8 0,621

2 6 14 300 9,13 3,4 7Д1 4,71 9,8 0,621

3 8 10 150 7,9 3,8 7,14 4,3 9,7 0,621

4 8 14 300 8,4 3,1 7,18 4,3 9,7 0,621.

5 10 10 150 7,1 3,2 7,38 3,9 9,6 0,611

6 10 14 300 9,5 2,8 8,5 3,9 9,6 0,611

7 10 12 150 7,15 2,8 8,5 3,9 7,8 0,611

8 10 12 270 7,3 2,2 9,03 3,9 7,8 0,611

9 10 14 300 9,6 2,0 9,18 3,9 7,8 0,611

По вариантам 1-6 концентрация катализатора 0,1 об.%, а по вариантам 7-9 1,5 об.%.

Степень использования кислорода воздуха (а02) также как и в известной конструкции, с ростом (0в) уменьшается, однако, рост Ув сопровождается рос-

17

том а 02 ■ Отметим, что степень использования кислорода воздуха в новой конструкции в 1,86 раза выше. Относительная скорость реакции в данном диапазоне остается практически постоянной.

В дальнейших вариантах (5-6) осуществлен рост подачи воздуха. Как и можно было ожидать основные параметры процесса (среднее время процесса и степень использования кислорода воздуха) практически не изменились, лишь в новой конструкции несколько сократилось время процесса и увеличилась относительная скорость реакции. В известной конструкции незначительно уменьшился коэффициент продольного перемешивания.

Рост концентрации катализатора в вариантах (7-9) позволил в обеих конструкциях сократить среднее время процесса.

Дальнейшие эксперименты были направлены на установление влияния конструкции контактных тарелок в реакторе и скорости струи из сопла на эффективность процесса.

Эксперименты были спланированы по схеме полного факторного эксперимента для трех факторов на двух уровнях ПФЭ 23. Факторы (расход воздуха (бв) подача парафина (2П) и концентрация катализатора (К)) и уровни их варьирования представлены в таблице 2.

Таблица2

(бв).м3/ч (бп).л/ч К, % масс.

Основной уровень (0) 8 12 0,125

Интервал варьирования 2 2 0,025

Верхний уровень (+) 10 14 0,15

Нижний уровень (-) 6 10 0,1 .

Исследовались следующие конструкции контактных тарелок в реакторе: 1 - ситчатые тарелки (-Ц; 2 - ситчатые тарелки с отбойниками (Д); 3 - колначко-вые тарелки (□).

Исследовались следующие скорости струи из сопла: 50 (б); 150 (•) и 200 (о) м/с.

План экспериментов вместе с результатами представлен в таблице 3.

Таблица 3

№№ (вв) (0п) К £>пр, м2/с Г/V

± Л □ 0 • о

1 - - - 0,222 0,238 0,234 7,0 8,064 7,712

2 + - - 0,224 0,219 0,236 6,76 8,288 8,624

3 - + - 0,32 0,312 0,331 6,424 7,291 7,76

4 + + - 0,302 0,306 0,306 7,536 7,648 8,184

5 - - + 0,3 0,3 0,3 7,288 8,048 8,752

6 + - + 0,318 0,274 0,264 7,68 8,936 9,552

7 - + + 0,638 0,638 0,638 6,352 6,672 6,632

8 + + + 0,669 0,669 0,669 6,832 7,384 7,248

Результаты обработки экспериментальных данных (таблица 3) представлены коэффициентами в линейных уравнениях регрессии, и обобщенными в таблице 4.

Таблица 4

Коэффициенты регрессии г/у

± Д О О • о

¿0 +0,384 +0,370 +0,372 +6,984 +7,791 +8,183

+0,014 -0,0025 -0,0035 +0,218 +0,273 +0,219

ЬОп +0,118 +0,112 +0,114 -0,198 -0,543 -0,727

Ък +0,097 +0,101 +0,096 +0,054 -0,031 -0,137

Полученные данные для различных контактных тарелок позволяют отметить, что средние результаты по коэффициенту продольного перемешивания й„р близки между собой. Практически одинаковое для всех исследовавшихся

тарелок наибольшее влияние оказывают расход парафина и концентрация катализатора, с их,ростом увеличивается Опр и следовательно снижается эффективность в реакторах известной конструкции. Влияние расхода воздуха в исследуемом диапазоне во всех случаях оказалось незначимым.

Сравнение данных по влиянию скорости в сопле показывает существенное влияние этого фактора на среднюю относительную скорость реакции. Эту зависимость можно с высокой точностью аппроксимировать линейным уравнением

(г / у)ср = 6,585 + 0,008 • Уй . (16)

Наиболее сильное влияние, причем отрицательное, оказывает расход парафина и это влияние сильнее с ростом скорости в сопле. Положительное влияние, практически одинаковое для всех исследовавшихся скоростей в сопле, оказывает расход воздуха. Минимальное влияние в исследуемом диапазоне оказывает концентрация катализатора.

Для реактора со струйным устройством лучшие показатели работы характеризуются следующими условиями: скорость истечения воздуха из сопла уи =200 м/с; расход парафина £>п =10 л/ч; расход воздуха =10м3/ч; суммарная концентрация катализатора X = 0,15% масс. Результаты исследований в этих режимах показаны на рисунке 4.

Скорость истечения воздуха из сопла можно принимать в пределах 50 + 70 м/с, что не окажет существенного влияния на ухудшение качества окси-дата, увеличение времени и повышение температуры проведения процесса.

Непрерывная работа колонны со струйным устройством в течение более двух месяцев показала, что накопления продуктов переокисления в колонне не происходит; внутренняя поверхность колонны, патрубка и змеевиков была чистой, на днище аппарата также не было никаких осадков.

§

к &

4

« о

Е

. о га к

80 70

50

.30

р"

4

10

Л-- 0 I 3 4 5

Э.Ч.

п—

2 ¿-1 \

ч V к

и г Л 5 > 6

V

X г 3 4 5

л

4-Л А а-и ■Ци

Г4

/А, i 5 е,

~ ш £ 15

3 12

X ф „

3 9

ж

0 й

2 з

О.

И

О

к 0123456 щ. 403,

§•393

1 383 о. 373

я 363

а

{? 353

I 343 § 333

Ш5Г

ШШ1

1 » Й л

П К-

I

1 п &

1 1 6*

О I 2 3 4 5 й

Число секций- в колонне (и )

О 12 3 4 5 6 Число секций в колонке, (И.)

= 10 л/ч; = 10 м3/ч; концентрация катализатора Мп:Иа равна 0,15 % масс. 1-3 - колонна без струйного устройства; 4-6 - колонна со струйным устройством;

1 - (-1-) ситчатые тарелки; 2 - (Д) ситчатые тарелки с отбойниками; 3 - (□) колпачковые тарелки; 4,5,6 - скорость истечения воздуха из сопла, соответственно равна: 50 {(Г), 150 (•), 200 (о) м/с.

Рисунок 4 - Изменение кислотных, эфирных, карбонильных чисел, температуры и времени окисления по высоте реактора при его различном конструктивном оформлении.

выводы

1. На основе анализа данных по тепломассообмену при прямоточном движении газа и жидкости осуществлена интенсификация процесса теплообмена в подогревателе бражки и процесса массообмена в реакторе окисления парафинов до жирных кислот.

2. Установлен и проверен в производственных условиях эффект самоочистки стенок труб от захрязнений при установке в них тонких спиральных пружин.

3. Установлен эффект интенсификации теплоотдачи в двухфазном потоке жидкость-газ при установке в трубах спиральных вставок.

4. Разработана математическая модель подогревателя бражки в системе подогреватель бражки - бражная колонна, учитывающая влияние спиральных вставок на процессы теплоотдачи в двухфазном потоке, массообмен при конденсации смеси паров бражного дистиллята с углекислым газом.

5. На основе собственных экспериментальных данных получено критериальное уравнение для расчета теплоотдачи в двухфазном потоке бражки в трубах со спиральными пружинными вставками.

6. Описан эффект снижения эффективности теплоотдачи при конденсации за счет сопротивления переносу вещества при наличии инертного компонента.

7. Обоснован принцип интенсификации процесса и предложено новое аппаратурное оформление процесса образования кислот в реакции окисления парафиновых углеводородов при струйном тонкодисперсном контактировании.

8. Получено математическое описание процесса окисления парафиновых углеводородов в прямоточном аппарате с учетом продольного перемешивания.

9. Приведены результаты исследования процесса окисления парафинов на полупромышленном аппарате новой конструкции в сравнении в идентичных условиях с аппаратами известных конструкций. Сравнение показало существенные преимущества аппарата новой конструкции: аппарат работает в режиме полного вытеснения; для одной и той же производительности время проведения процесса сокращается почти в три раза при высоком качестве ок-сидата; процесс ведется непрерывно.

10. Получены уравнения для определения коэффициента продольного перемешивания и величин удельных скоростей реакций в зависимости от расходов парафина и воздуха и концентрации катализатора для различных конструкций реактора и скорости истечения из сопла.

22

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алексеев П.А., Гайванский Е.А. Интенсификация тепло- и массообменных и высокоэкзотермических химических процессов, их аппаратурное оформление-Минеральные воды.: Наука, 1999.-164 с.

2. Алексеев П.А., Гайванский Е.А. Моделирование теплообменника со спиральными пружинами для подогрева бражки парами бражного дистиллята // Изв. вузов. Пищевая технология.-2000.-№4.-С. 83-86.

3. Методы оценки эффективности работы тепло- и массообменных аппаратов / П.А. Алексеев // Интенсификация тепло- и массообменных пищевых и химических процессов: Сб. науч.-технич. статей /Академия информационных технологий в образовании, науке и курортологии.-Пятигорск, 2000.-С. 10-28.

4. Выбор конструкциошшх приспособлений для различных диаметров теплооб-менных трубок /П.А. Алексеев, Е.А. Гайванский // Интенсификация тепло- и массообменных пищевых и химических процессов: Сб. науч.-технич. статей /Академия информационных технологий в образовании, науке и курортоло-гии.-Пятигорск, 2000.-С.50-57.

5. Новый аппарат для окисления парафиновых углеводородов /П.А. Алексеев // Интенсификация тепло- и массообменных пищевых и химических процессов: Сб. науч.-технич. статей /Академия информационных технологий в образовании, науке и курортолопш.-Пятигорск, 2000.-С. 100-104.

6. Сравнение показателей работы реакторов окисления парафинов при их различном конструктивном оформлении /П.А. Алексеев // Интенсификация тепло- и массообменных пищевых и химических процессов: Сб. науч.-технич. статей /Академия информационных технологий в образовании, науке и курор-толоши.-Пятигорск, 2000.-С. 105-127.

7. Интенсификация теплообмена в подогревателе бражки / П.А. Алексеев, Е.А. Гайванский //Материалы международной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения». /Краснодар, научно-исслед. ин-т хранения и перераб. сельскохоз. продукции (ГУ КНИИХП).-Краснодар, 2000.-Ч.1.-С. 140-141.

8. Новый газожидкостный реактор для получения жирных кислот /П.А. Алексеев //Материалы международной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения». /Краснодар, научно-исслед. ин-т хранения и перераб. сельскохоз. продукции (ГУ КНИИХП).-Краснодар, 2000.-Ч. П.-С. 148-149.

23