автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Математическое моделирование термогазодинамических процессов в многокомпонентных струйных течениях

од

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РФ Р . гп НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

Ь • ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

имени Л. Я. КАРПОВА

На правах рукописи УДК 536.24:536.26.001.24

ЗАПОРОЖЕЦ ЕВГЕНИЙ ПЕТРОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЯХ (КАВИТАЦИОННЫХ, ПУЛЬСАЦИОННЫХ, ВИХРЕВЫХ) И ИХ КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

05.17.08— Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выпблнёна в Центральном конструкторском бюр нефтеаппаратуры — ЦКБН, г. Подольск Московской обл.

Научный консультант: доктор технических наук, прс фессор Холпанов Л. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, прс фессор Дорохов И. Н., доктор технических наук, профессо Костанян А. Е., доктор технических наук Еникеев И. X.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институ по промышленной и санитарной очистке газа (НИОГА: г. Москва)

Защита диссертации состоится « $» 1996

в {Ц часов на заседании специализированного совет Д 138.02.05 при Государственном научном центре РФ научн< исследовательском институте им. Л. Я. Карпова по адресу 103064, г. Москва, ул. Воронцово поле, д. 10 в конференц-з< ле корпуса 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке орден Трудового Красного Знамени научно-исследовательского ф! зико-химического института им. Л, Я. Карпова.

Автореферат разослан « * ОЛ 1996 года.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат физико-математических наук

А. В. Вязьма

~ I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТШ

В химической, нефтехимической, нефтяной, разовой и других окззтшх с ними отраслях промышленности повышение в<1фектин нооти работы оборудования, в котором технологические ироцеа-оы протекат* при перемещении и контякте нежду собой шюго-комлонентннх жидкостей и газов, относится к числу наиболее насущных проблей. В настоящее время иэвеотно большое количество опособов интенсификации подобных технологических процессов, Одним из перспективных направлений являетоя использование отруйных течений, из которых наиболее применяемдаи являются овободно нстенагщие, кавитациошше, вихравин и пучьо«-

ЦИОННЫЭ.

Создание и применение процессов, аппаратов н уотши)' он с многокомпонентными струйными течениями требуют р шенич зоне ¿•¡•■уитороких, проектных н оптимизационных задач, при решении котор1ос необходимо расочитывать термогазодинамичеокне и топЕомаосообменныв процесоы в шю1ч>комионентних струйных течениях.

Еозьшое количество существующих методов поииолявг рао-очитивать ооновныа параметры указанных процеосов в свободно истекащих ламинарных и турбулентных, вихревых, пульаационных и кавитационных одно- и двухкомпонентных струйных течениях. В настоящее время интенсивно развиваются математическое моделирование турбулентного микроомешения и метода расчётов турбулентных потоков о быстрыми химическими реакциями, Работ ., поовяценных методам расчётов многокомпонентных струйных течений немного. Причём в известных работах описанные методы

- г -

позволяют рассчитывать интегральные характеристики многокомпонентных струйных течений на выходе из аппаратов, которых вгя течения применяются. Недостаточно полная изученность термогазодинамичооких и тепломассообменных процеооов в многокомпонентных отруйных течениях и несовершенство методов их расчётов ватрудняют и ограничивают создание и применение процессов и аппаратов о такими течениями. Поетому изучение я создание методов расчётов термогаэодинамичеоких процессов в многокомпонентных струйных течениях является актуальной проблемой.

Данная проблема оложна. Её сложность происходит из-за того, что указанные процессы оовмещенные протекают в многокомпонентных оиотемах, сопровождаются одновременными иа-менениями по длине и поперечным сечениям отруйного течения семнадцати основных параметров - скорости, давления, температуры, расходов жидкой и газовой фаз, их компонентных составов, плотностей, теплоёмкоотей, ентальпий, расхода омесн втих фаз, компонентного ооотава последней, её енталыши, плотности и теплоёмкости. При разработке технолопгчеоких процессов в многокомпонентными струйными течениями и конструировании о ними аппаратов - эжекторов, вихревых и пульса-ционных термотрасформаторов, сепараторов к др., необходимы математические модели и методы расчётов, основанные не на качественных зависимостях, а на уравнениях, при «осаженных решениях которых рассчитываются значения указанных выше параметров. Отсюда возникают трудности нахождения точных решений, базирующихся на уравнениях Навье-Стокса, диффузионного и конвективного тепломассообмена. В связи с этим появилась необходимость создания ячеечной модели, которая приближенно

описивае? изменения значений параметров териогазодиняч'ичш'.лих н теапоилссооОменных процессов в сродник по кмаой ячейка многокомпонентного струйного течения, Н У которой ЧОЦ меньше размеры ячейки, той величины вмеиелнвыых параметров Оли-ге к реальным значениям. Такие математические модели и разработанные на их основе методы расчетов поз водят :вшолиять расчёты технологипеоких процессов и ааииратон о ум"то« распределения в последних параметров термогазодинаыических и тепломассообменных процессов многокомпонентных струйних течений; создавать на этой базе новое в1«окоофф«ктивнов оборудование, отличающееся от традиционного нвОодьашми габаритными размерами, занимающее малые производственные плондади и, как следствие, имеющее повнгаеннуы яяологичность; и еулут способствовать решению важной народохозяйственнсй проблема по созданию нових технологий химической, нефтехимической, не-^'ной, газовой и других смежных с ниш? отраслей промыт-легисети, 3 связи с эти», разработка математических моделей и одов расчётов термогазодинлмнческнх и таплоиасиооо'мен-' них процессов в многокомпонентных струйних течениях ( капита-цнонных, свободно истекающих, вихревых, пульсациоюшх ) я в-ляется актуальной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

I. Разработка на основа единого подхода комплекса математических моделей и методов расчётов термогазодинамичоскнх и тепломассообменных процессов в многокомпонентных струйных течениях (свободно истекающих, кавитационных, вихревых и пудь-оационных) , обеспечивающих определение в гаобои месте струй-ноп течения: скорости, давления, темпратуры, расходов жид -кой и газовой фаз, их компонентных составов, плотностей, теп-

- * -

лоёмкостей, ентаяьпий, расхода смеси втих фаз, компонентного состава последней, во энтальпии, плотности и других термодинамических и физических параметров, а также нахождение максимальной эффективности этих процессов в струйном течении.

2.Разработка на основе созданных математичеоких моделей и методов расчётов термогазодинамических и тепломасоообмен-ных процессов в многкомпонентных струйных течениях теоретических принципов расчётов технологических процессов и конструирования аппаратов о такими течениями.

3. Создание и ёьйдрение технологических процессов и аппаратов с шшгйкййгфнентннкм струйными течениями,

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

I. Создан на ооново единого подхода комплекс математических моделей н методов расчётов термогазодинамичвских и теп-ломассообменных процессов в многокомпонентных струйных течениях. В разработанный комплекс воцли математические модели х методы расчётов процессов: фазовых превращений при неравновесных условиях многокомпонентных струйных „течений, что. явлется составной частью расчётов бьюУропротекащих процессов; Эжекции и тепломассообмена в свободно истекающем струйном многокомпонентном течении; гидродинамики и многокомпонентного тепломаосоперенооа отруйном течении при кавитации; йнергораа-деления в многокомпонентной струе, пульсационно истекающей в ; полузамкнутую ёмкость с теплопроводными стенками; энергоразделения и массообмена в многокомпонентном вихревом струйном течении. С их помощью рассчитываются в любом месте многокомпонентных струйных течений: скорости, давления, температуры, расходы жидкой к газовой фаз, их компонентные составы, плот-

ности^.тейлоё'йнорТ'и/-^йтальшп*, расходы сыеси ятих фаз, еа энтальпии, компонентные составы плотности и ;фугие термодшш.-штаескио и физические параметры.

2. На базе разработашшх моделей а методов расчетов теоретически установлено и нашло экспериментальное подтверждение, что:

- оффвкгишюать процеоон авпкцни в многоконпонелгном свободно истекающем струйном течении имеет максимум, приходящейся на переходное сечение, в которой исчезает потенциальное ядро струи, причём величина максимума возрастает при переходе части компонентов из газовой фазы г жидкую, а тахже с увеличением плотности высоконапорной среда потенциального ядра по отновениэ к плотности нигколапорной среды аа окружающего струю пространства;

- процесс ояекции в струйной течении кавитирутцвй кчдкпо-тл происходит за счёт проникновения низконапорной сред?; аг.угп.- кавитнрующей жидкости путей аамезенмя в ней гшрып&и-

мара:

- эффективность лроцасса вакуумирования струёй кавнткрую-щей жидкости киоет иаксимуы, приходящийся на величину отч-пс»/с» разрежения 0,4;

- процесс энергоразделения в отруе, пульсациошю истекающей з полузамкнутую ёмкооть, происходит в основном за счёт уменьшения внтальпии газообразной среда путём передачи от последней через стенки ёккооти окружающей среде тепла, образующегося в слое столкновения газа, наполняющего ёмкость, и газа, поступающего в неё;

- эффективность процесса энергоразделения в пульсационной отруе снижается о увеличением исходного давления газообраз-

- б -

ной среди, имеет минимум при 8-8 ¡ШЛ, после чего слабо возрастает за счёт интегрального эффекта Д«оуля-Томпсона, указанная! объективность также сшаается с увеличением молекулярной массы исходной многокомпонентной газообразной среды; эта эффективность возрастает с увеличением величины отношения исходного давления газообразной среды к давлению истекающего газа нз полузамкнутой ёмкости}

- в вихревом струйном течении, состоящем из противоточных в аксиальном налрялошш периферийного - свободного, и приосево-го - вынухдешюго, вихрей, »фиктивность процесса »нергоразде-ления возрастает по точению свободного вихря и достигает максимума на расстоянии, величина которго равна длине вынужденного вихря, рассчитанной по предлагаемой методахе;

- в многокомпонентном вихревом струйном течении наибольшее количество жидкой фазы, конденсирующейся ив исходного газа, образуется в начале свободного вихря;

- в многокомпонентном вихревом струйном течении по длине свободного вихря происходит накапливание компонентов, испаряются при выоокой томпературе, а по течению вынужденного вихря -. легкокишщих компонентов.

3. Экспериментально определены необходимые для расчётов термогазодинамических процессов в мно гокомпоненткых струйных течениях и неизвестные ранее зависимости и закономерности!

- зависимости величин углов расширения пограничного слоя е< и сужения потенциального ядра jb струи жидкости, вжектирую-щей газ, от величин чисел Вебера We к числам Рейнольдса Re струйного течения;

- зависимости величин углов расширения пограничного слоя оС и сужения потенциального ядра j2> шюскопарадлельной га-

вообразной струя, истекающей из-радиллмю изогнутого кпня па и ограниченного с одно!! оторопи плоской стинкоИ, от чисел Рейнолъдсл На и величин радиуса 2 изогнутости к нириио Ь канала;

- зависимость величии угла расширения ди'М'улсцюн сопел Вентури, работающих в навигационном режиме и нераару-вапп?1хся от дсйСТВ5Ш Кашишим, о* д»мя«ния нагнетания ¿ид-коотн в сопла до 15,0 Ш1а;

- зависимости интегральных характеристик процесса пжон-цки по длине струйных течений жидкости, вжбктируюцих газ,

в одно- и многосопловых эжекторах, таких как величины к.п.д., максимум которых находился в пределах от 40 до 44.*, коэффициенты ежяяции от 3,5 до 5,0 Н ко:|ф|!шл:пнтн восстаниям .гая давления от 0,145 до 0,150;

- закономерность скачкообразного пошлаонш! иоличостил ^«■•птируеиого газа отруой яидкости одной и той яе длины при

¿иоде её от турбулентного к кавитациошшыу режиму н,:г J скачкообразного уноныгекия количества ааехтируомого газа при переходе от кавитационного к турбулентному режиму . Течения, однако уненызениз происходит при давлении нагнетания яндиости меньшем, чаи величина этого давления, при которой проивоало образование струи о кавктационной структурой;

- зависимость изменения' рН воды от действия на нее гидродинамической кавитации, заключащаяол в том, что величина рН от действия кавитации возрастает до 8,6 .

4. На ооново созданных математических моделей и методов расчётов термогазодинамических и тепломассообменных процессов в "шогохомпонентных струйных течишях разработаны теоретические принципы расчетов технологических процессов и

конструирования аппаратов о такими течениями : одно- и многосопловых эжекторов о турбулентными и кавитационныыи струйными течениями, имеющих к.п.д порядка 0,4 - 0,45; процесса струйно-вытеснительного сжатия газа; процвсоа отделения жидкости от газового потока при пробковом режиме течения в трубопроводе и аппаратов для его осуществления; процеоса инерционно-ударного отделения мехпримеоей и капельной жидкости от газа и аппарата для его осуществления; термотрас форматоров о пульса-циоиными струйными течениями; термотрасфориаторов о вихревыми отруйными течениями; а также разработаны новые технологические и технические решения, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения £ 16 - 50 ] .

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается сходимостью значений параметров, полученных теоретическим и вкопериментальным путями. Отличив расчётных величин от экспериментальных для одних и техке парыетров не превышает 58, что позволило применить разработанные математические модели и методы раочётов не практика. _____

ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Разработанные методы, алгоритмы и программы расчётов, а так же технологические и технические решения используются в Научно-исследовательском и проектном институте переработки газа -ШДШГаэпереработка(г.Краснодар), в Центральном конструкторском бюро нефтеаппаратуры - ЩЕН (г.Подольск Московской обл.) и во Всероссийском научно-исследовательском институте газа -БНШГАЗ (г.Видное Московской обл.) при проектировании и создании новых процессов, аппаратов и установок :

- ШИШГаэпереработкой при аоздании жидкоотно-струйных компрессорных агрегатов по Государственной комплексной программе "Экологически чистая энергия" приоритетного направления "Топливо будущего", при проектировании для Варьёгадсной компрессорной станции установки для 1триёма механических разделителей из магистрального газопровода, при разработке сепара-циокной аппаратуры для газоперерабатывающих заводов, компрес-оор1шх станций и нефтяных промыслов;

- ВНИИГА30И при проектировании для Карачаганакокого месторождения системы стабилизации углеводородного конденсата о полной утилизацией выделяемых из последнего газов;

- ЦКШом при ооздании узлов получения холода для комплекта оборудования объектов газовой промышленности, при конструировании агрегата струйно-вытеснительного действия, сепаратора повышенной эксплуатационной надёжности ПС-1374, струйных компрессоров для меотороядения " Заполярное" и малодебитных ??есторождений;

- ЦСЕНои н НИПИГазпереработкой три разработке и конструировании сепаратора инерционно-ударного действия 11А-16 С С-101), нефтеконденсатоотдвлитвявй ГБ-328, ГБ-340, ГЕ-З^б.

Внедрены: насосно-ажекторная установка на нефтяном промысла 3 2 НГДУ "Хадыженнефть"; сепаратор инерционно-ударного действия НА-16 (С-101) на Нижневартовском, Локосовоком, 1кно-Еалнкском и Казахской газоперерабатывающих заводах, а также на Маионтовокой компрессорной отанцин; нефтеконденсатоотдвли ГБ-328 на Когаляыской, Тюиенской, Вынгояхинокой, Новопокуров-ской, Шно-Хараылуровской, Варьёганской и Повховской коштрео-сорных станциях, а также на Губкинском, Красно Ленинеком, Ноябрьском м Нижневартовском газоперерабатывающих заводах.

- 10 -

0б.!)ий годовой вкономический эффект от применения новых конструкций аппаратов и установок с многокомпонентными струйными течениями ооставлет 9,0? млн. рублей в цонах 1991 года.

АПРОБАЦИЯ РАГОТЦ

Роаультати работы докладывались на: Всесоюзной хонферен-цш1мСосрейешшо проблемы химической технологии" - I9G6 - г.Красноярск; III Ьсесоюзном научно-техническом сеадшаре "Применение аппаратов мокрого типа для очистки отходяяра газов от твёрдых и газообразных вредшк примесей" - 1909 - г.Москва; УТП Псс-ооюпной научно- технической конференции "Создаше компрео-coptoK шшин и установок, обеспечивающих интенсивно» развитие отраслей топливно-энергетического комплекса" - 1989 - г.Суда; Международной конференций "Латеиатическио методы в хгашм к химической технологии UMX -9 " - 1995 - г.Тверь.

ПУБЛИКАЦИИ

По теио диссертации опубликованы: справочник, 14 статей, 35 изобретений, ü настоящее время приклей к публикации статьи: Расчёт пульсациокиого и вихревого охлаждения шогокомпонокт-ного газа и юс сравнительные характеристики // Теоретические основы химической технологии - 1У96 - Р 2; Ыотод расчёта знергоразделения в многокомпонентной вихревом струйной течешш // Химическая промышленность - ; Метод расчёта фаз кис превращений при неравновесных условиях // Хиыичеокое и нефтяное машинjcrpoeirae - 1996 -PI. Основшвш статьями являются С.8 - Щ .

OFbSU РАБОТ»

.Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных результатов и синодов, опека использованной литературы - 401 накмекованне, содержит 333 страницы иаашюсписного текста, 146 рисунков, 22 таблицы, 3 приложения.

ССШ'дАМЕ РАГОТЫ

В первой главе по литературно и патентным источникам »исполнен обзор и анализ струйных течений, применяемых для выполнения и интенсификации технологических процессов, Рассмотре-|Щ оаиошше свойства, теории и закономерности отруйних течений: свободно ис?вкам\их, кавитационных, вихревых, пульсационнмх. Определены задачи работы.

Во второй глаьо разработаны математические модели и методы расчётов термогазодинаммческкх и телломассообменных процессов в многокомпонентных струйных течениях.

В § 2.1 описаны математическая модель и метод расчёта фа-аовых превращений в многокомпонентных средах, их термодинамических и физических параметров в неравнопестлс условиях струйных течений. Математическая модель основана на :1гетроенн..»й оно-тако уравнений: фазовых превращений в иераиноввсиих успончях, ¡»термального баланоа, фазового равновесия, кинотики игооо-нередлчи. Построенная система уравнений решается итерационным путсч относительно величин расходов жидкой и газовой а та д.-- их компонентных оостааов, Термодинаиачасхне и физические параметры при найденных величинах расходов и компонентных составах жидкой и газовой фаз рассчитываются по одному из известных методов, основанных на уравнениях состояний многокомпонентной ореды, в зависимости от условий применимости последних, Разработанная математическая модель и метод расчёта на её база позволили определять величины и распределение жидкой и газовой фаз, их компонентные составы, термодинамические и физические параметры в струйных течениях, основные принципы математических моделей которых представлены ниже.

В $ 2.2 разработаны математическая модель и метод расчёта процессов энекции и тепломассообмена в многокомпонентном овободно истекаицем струйном течении.

Математическая модель основана на фундаментальном представлении о структуре свободно истекающей струн, состоящей из сужающегося потенциального ядра и расширяющегося по течению пограничного слоя (рио.1,а ) . Данная структура была дополнена ячеечной моделью пограничного слоя, в каждой ячейке которого происходят процессы ежокции имэконалорной среда высоконапорной средой и тепломассообмена» медДу ними при идеальном пере-иешквании этих сред. Структура ячеек в пограшчном слое образована путём деления его поперечными сечениями на равные отрезки, причём на первом отрезке между сечениями 0-0 и 1-1 расположена одна ячейка, на втором участке между сечениями 1-1 и 2-2 две ячейки я т.д. В первой ячейке между сечениями 0-0 и 1-1 выооконапорная среда отделяясь от потенциального ядра захватывает из окружающего струю пространства низконапорную среду. Смесь 8тих сред, истекая из первой ячейки через сечение 1-1, с одной стороны - в первой ячейке, расположенной у потенциального ядра «езду сечениями 1-1 и 2-2, захватывается выоокон&порной средой, отделившейся от потенциального ядра, а о другой стороны - во второй ячейке, она захватывает из окружающего струю пространства низконапорнув среду. Описанный процесс аналогично присходит и в остальных ячейках пограничного слоя. Процесс ежекцин для любой ячейки описывается замкнутой системой уравнений: массового расхода высоконапорной среда, массового расхода низконапорной среды, количества движения, материального баланса, площади, занимаемой высоконапорной средой на выходе из ячейки, площади, занимаемой низконапорной ере»

начальный участок струи , основной участок струи

Гго.Т. Свободно истекающее многокомнонвнгноэ о труЯн точ»»нц«

а, Расчётная ыоцель струйного течения -

б. Характер изменения значений коэффициентов яяекщш U полного напора У , полезного пейотвия ') •

Т.Сопло 2. Потенциальное ядро струи .ч.ЧчьЯка кежпу сучениями о-о и 1-Х пограшгчного слоя 4.Нпзконапорнви среда из акрудашего пространство б.Високонааорная срегтя га гтотегпятплнюго пира в.Шеоь восокомпорной и низконаппрной сред 7 и 0. Первая if вторая ячейки между оечедаями I-I и 2-2 пограничного оная 9.Низконапорная срепя пз ячейки мекцу сечениями 0-0 и T-I Ю.Выаоконапорная среда из ячейки между сечениями 0-0 и I-I

Т - температура, 9 - расход газовой фазы, L - расход жидкостной фазы, W - окорость, 2 - радиус струи на внхоце из оопла, струи, •

- lif -

дой. Процессы смещения и тепломассообмена в произвольно взятой ячейке описываются замкнутой системой уравнений: компонентного материального баланса, сохранения энергии, теплоёмкости и температуры. При рассчитанных т'чпвратуре, массовом расходе высоконапорной и низкокалорной сред н компонентном составе их смеси, а также при статическом давления в пограничном слое, равном давлению окружающей среды по модели и методу расчёта, разработанным в § 2.1, рассчитывются л ячейке фазовые превращения, термогазодишыичеокие к физические параметры многокомпонентной среды. Наличие конденсации или испарения в ячейке определяются по плучившемуся объёмному расходу среды, истекающей из ячейки. Боли объемный расход получившейся ореды меньше йумиы объёмных расходов вывокон&лорной и низконалорной сред, поступивлих в ячейку, то произошла конденсация. Боли объёмный расход больше отой оуммы, то произошло испарение. Если оъёмыые расхода равны, то ни конденсации, ни испарения не произошло. Бели произошло испарение, то из ячейки выделяется газообразная среда в паровой слой, прилегающий непосредственно х пограничному одгою струйного течения £на рис.1,а паровой слой условно не пока-аан) „ Бс^.. в ячейке произошла конденсация, то на место сконденсировавшегося газа поступает дополнительное количество низхон напорной среда либо из парового.слоя, если таковой имеется, либо ив окружающего струю пространства, если нет парового сдоя, либо иа того и другого при недостатке среды в паровом слое. Таким образом производится расчёт газодинамических, термодинамических, материальных, фазовых и физических параметров многокомпонентной среды в каждой ячейке струйного течения. Выполнение расчёта для струйного течения производится,начиная от оечения 0-0, поячевчно для каждого последующего сечения.

- 15 - ..

Для каждого оечеиия рассчитываются тнкко средние ъвличинн

ук&аашишх параметров, в том числе н коэффициенты ожекцни Ц , полного напора Ч' и полезного действия Кон.Ммциент икак-ции - отношение объемного расхода газнонаппрной среда к объёмному расходу выооконапорной среди; но"»Ф1>ицивнт полного напора - отношение разности давлений смеси и низяоналроной среди к разности дашмшмй »мооконяпориоЯ и имаконанорнов срод; коэффициент полезного действия (к.п.д.) - отношение полезной работы выооконапорной среды по эдекцни низконапориой среда к затраченной. Иоодниын сведениями для расчета являются давления, температуры и компонентные соотавы высоконапорной и низяонапорной сред. Высоконапорной ореды перод соплом, а низго-напорной з окружающем пространств, в которое происходит истечение, Кроме того в исходные сведения нходпт скорость низ-йонялорной ореды и направление ее течения, На ооноьо опи-огшной математической модели процессов адаптировании и топ-яоиаооообыена в многокомпонентном свободно истекающем струЯ-иоы течении разработать алгоритм и программа расчёта на а аонощью которых выявлено, что по длине струм величина коэффициента эгеяцкн возрастает (рио,1,б ) , коэф(ицнент полного нгшора уменьшается, а величина к.п.д. имеет максимум, приходящийся на переходное сечение П-П струйного течения, причём величина максимума возраотаот при переходе части компонентов из газовой фазы в жидкую, а такко о ували чешем плотности выооконапорной среды потенциального ядра по отношению в плотности низконалорной сре^ы из окружающего струю пространства. В каждом сечении струйного течения рассчитываются распределения термогазодинамических и физических параметров.

Для примера па рио.1,а представлены расчётные профили темлерату-1 ры Т , расходов жидкой 1L и газовой 6 фаз, окорости W двухфазной среда в струйном течении,потенциальное ядро которого жидкостное, а окружающая среда газовая.

В § 2.3. описаны математическа модель и метод расчёта гидродинамики и многокомпонентного массопареноса при кавитации в струйном течении. Математическая модель основана на базе,синтезированной из разрозненных экспериментальных и теоретических данных о кавитации жидкости в соплах типа Вемури. Кавитационный режим течения происходит при достижении многокомпонентной жидкостью в критическом сечении К-К сопла ( рис.2,а,б скорости, при которой статическое давление в потоке равняется давлению насыщенных паров этой жидкости. При этом образуется облаять кавитации, которая распространяется от критического сечения К-К оопла (рис,2,а) вдоль по диффузору последнего. Особенность кавитационного режима течения заключается в том, что неяависимо от изменения на выходе сопла давления низконапроной среды, в которую происходит истечение жидкости из сопла, в любом произвольно взятом поперечном сечении области кавитации статическое давлениепос^о^/о-к равно давлению насыщенного пара этой жидкости>';Д-:)<асйовый -pacxbfl двухфазной среды через такое сечение. Оядан и равен массовому расходу многокомпонентной жидкости;-через критическое сечение К-К. Длина области кавитации зависит от величине давления низконапорной среда на выходе из сопла. При увеличении его длина уменьшается, а при уменьшении она увеличивается и может выйти за пределы оопла. В области кавитации, выходящей ва пределы сопла (рис.2,б) при величине давления низконапорной среды больше давления насыщенного пара происходит коллапс кавитадион-ных пузырьков, а низконапорная среда занимает их место в струйном течении. Гидродинамика в произвольно взятом поперечном

к

X

V;-:.;. с-.Кявитационное струйное течешю

я,Структура струйного течения при капитан»™ чгкя.таг—п ~

плдаузоре ооппа Вентери .-Структура струйного течения при каиитации жидкости, истекающей из сопка Вентури

I.Сопло Венцуря 2. Конфуз ор 3.7'орловинч 4.Д№Ы.узор 5,Пб/шотт, кавитации бЛУрбулентное потенциальное япро кицкооти в струйном 'ГЗ'.'енпи 7. Турбулентный потпаштошй слой Й.Кавитациошюе потенциальное ядро Э.Низконаиорная орена из окружающего струю пространства

К-К - критическое сечение оопда

Х-Х - граница межпу облаотыо кавитации и жидкостью оплошной отруктуры

П-П - переходное оечегае квцитационного отруйного течения Я - длина об пасти кавитвнии

осчонии области кавитации описывается замкнутой системой уравнений: скорости, статического давления, массового и объемного . раоходов кашспфуюцсй жидкости, ее плотности, массовых расходов жидкой и газовой фаз, элного давления,местной скорооти пвука, числа Улха и длины области кавитации. Процесо вжекции низконапорной среды высоконалорной кавитирующей жидкоотью описывается замкнутой системой уравнений: массового расхода низконапорной ореды, захваченной кавитирующей жидкостью, средней скорости смеси в пограничном слое, полученном иа низконапорной ореды и высоконапорной кавитирующей жидкости, пло-цэди, 8анлтой низконапорной средой, длины кавитационного ядра струи, скорости проникновения низконапорной среды в кавитационн© потенциальное ядро, эффективности процесса вжекции - к.п.д., полного налора струи и плотности струйного течения. В процессе вжекции происходит тепломассообмен между высоконапорной и низконапорной средами, а также фазовые превращения в многокомпонентной смеси вткх сред. Они описываются системой уравнений материального баланса, общего компонентного состава смеои, её. удельной внтальпии, теплоемкости, отаткческой температуры и температуры торможения. Фазовые превращения, термодинамические и физические параметры расочитываются по методу, раз-раёованному в § 2.1 . На базе описанной математической модели разработаны программа расчёта на ЗЭД, о помощью которой выявлено) что: о увеличением угла расширения диффузора сопла длина об' ласти кавитации в нем уменьшается; при увеличении содержания в исходной многокомпонентной жидкости легиокипящих компонентов длина обласи кавитации увеличивается; длина обласви кавитации в диффузоре сопла уменьшается со снижением величины отношения давления исходной жидкости в противодавлению иа выходе сопла;

с увеличением величины отношения давле1шя исходной высоконяпо'чо й жидкости к давлению низнонагюрной среды величина кожМициентя ожекции увеличивается, а коэффициента полного напора и полезного действия уменьшаются, однако уменьшение к.п.д. для капи -тацнонной струи ниже, чей для турбулентной.

В § 2,4 описана математическая модель и метод расчёта процесса онсргоразделиния в шшгкпмпонентноЯ "труо, пульса-ционно истекающей в полузамкнутую ёмкость о теплопроводными стенками. Модель такого течения заключается в следующем. Исходный многокомпонентный высоконапорный газ, имеющий полное давление Рв и температуру Тв, периодически подаётся из сопла I (рио.З.а) в виде струи 2 в полузамкнутую ёмкость 3, которян имеет отверстио площадью поперечного сечения равной площади струи. Струп подобно прапт входи? з ёикость схииая ?, ней ят до давления , величина которого практически равна полностью здтормокешющ- давлению исходного газа. По мере поступления aj;:'V',aoro газа п полузамкнутую ёмкость она наполняется снатич гг&ои и область 4 (рис.3б), эаюшаомая последним, увеличивается и движется навстречу струе 2 исходного газа. В результате встречного движения струи 2 и области 4 сяатого газа образуете ii олоП и:: столкновения 5. От удэ^а в слое 5 повышается давлеше и температура до величины Рмах и Тыах . 1!ри этгч выделяется тепло, которое через стонет полузамкнутой емкости передаётся окружающей среде, температура которой Toc меньше температуря з слоа столкновения. результата отдачи тепла сшкается энтальпия газа, которым наполняется ёмкость. После напорненря ёмкости сжатым газом подача исходного газа прокрадется, и сжатый газ с пониженной энтальпией н давлением примерно равным давлению исходящего газа истекает дросселирует-сн из полуэакнутой ёмкости в среду с нигшш давлением Рн и

Тв Рв

I 2

Тв

Рв

'мах

JWs_ 1

/ tí.

Рв

Рн Тк

Рв "Шин

Рн Рв

г.

Влах

Рис.З. Схема процесса энергораэцепения в многокомпонентной отруе, пульоационно иотекающей в полузамкнутую ёмкооть о теплопроводными отенками

I.Conдо 2.Струя rasa выоокой энтальпии 3. Полузамкнутая ёмкооть 4.06-лаоть газа о пониженной энтальпией 5.Слой столкновения 6.

Рв,Тв - павленив и температура иохоцного гаэа о выоокой энтальпией Рв.ТМш - давление и температура сжатого газа в полузамкнутой емкости Шах, Плах - давление и температура гаэа в слое столкновения Т - температура газа на границе слоя столкновения и области ожатого газа

Рн - давление орецы, э которую проиоходит иотечение сжатого газа Тх - температура охлажденного газа

в

приобретает низкую температуру Тх . Таним образом происходит процесс энергораздвления в полузамкнутой ёмкости. При охлаждении многокомпонентного газа часть компонентов может конденсироваться, После истечения сжатого газа из полузамкнутой ёмкости в неёё вновь подаётся исходный газ. Подача имет осуществиять-ся а автоколебательной и регулируемо« решшах. Процесс внврго-разделения описывается системой уравненийг отрякпвяцк: р&ши истечения исходного газа на сопла, окорооть истечения исходного газа, массовый расход исходного газа, статическую температуру струи, максимальное давление в слое столкновения, максимальную температуру в слое столкновения, теплопередачу от олоя столкновения через отенки полузамкнутой ёмкости окружающей среде, состояние газа за олоец столкновения,, бадана таплл, ¡а'.иннадьну» температуру поело процесса дроосолнронания Тин и, истечения онатого газа из дикости, длину полуааи.:!!'/-то;'1 пи:;ости, частоту автоколебаний. Расчеты разовых ир«ира-«¡с.ш: ториодшюынчссккх и физических параметров шкичжошю-ИвИТИоЧ СрОДО » струе, в ОЛОО столкиоошшя, В нолуааь'кнуто:? ёикооъч?, при дросселировании выполняются по методу з § 2.1. На основе описанной модели разработан метод расчёта, о по-

которого шивлоно, что эффективность процесса янергораада-леняя в пульсационной струе снижается о увеличением давления исходного газа, имеет шшинуи при 0-9 Ша, после чего слабо созрастаст за счёт интегрального аффекта .Цяоуля-Томпсона; указанная эффективность снижается о увеличением молекулярной ыассн исходного многокомпонентного газа; эта объективность возрастает о увеличением значения отношения исходного давления газа к давлению низконапорной среды, в которую происходит истечение газа из полузамкнутой ёмкости.

- 22 -

В § 2,5 описаны математическая модель и метод расчёта процессов энергоразделения и массообмена в многокомпонентном вихревом отруйном течении. Математическая модель процессов внергоразделения и массообмена в многокомпонентном вихревом струйном течении основана на модели внергоразделения в центробежном поле однокомпонентного'Вихревогойтруйяого течения, располагающегося термотрансформаторе Ранка-Хилцщ:. ..рис.4,а и состоящего из противоточных в продольном направлении двух вихрей периферийного -свободного, и приосевого - вынужденного, как наиболее отвечающей вкспериментальным данным. В выбранную модель была введена структура течения, в которую вошли граница вынужденного вихря, описываемая уравнением параболоида вращения, и граница свободного вихря, имеющая вид расширяющегося цилиндра, между свободным и вынужденным вихрями располагается пограничный слой, соотоящий из газообразной среды, перетекающей из свободного вихря в вынужденный. Данная структура дополнена ячеечной моделыо, в каждой ячбйне которой происходит перемещение части газообразной с^ еды из свободного вихря в вынужденный. Физичеокая сущность предложенной модели заключается в следующем. Исходный многокомпонентный газ, имеющий давление Рв , температуру Тв и компонентный состав о-в , ио-текает из сопла 1(рио.4,а)в вихревую камеру 2 термотрасформато-. ра Ранка-Хилша, содержащего диафрагму 3 о отверстием 4 и дроссель 5, между которым и стенками камеры энергоразделения 6 имеется кольцевое отверстие 7. Вкамерв внергоразделения 6 образуются свободный 8 и вынужденный 9 вюфи. Свободный вихрь истекает через кольцевое отверстие, а вынужденный - из отверстия диафрагмы. Между этими вихрями располагается пограничный слой 10, состоящий из газа, перетекающего из свободного вихря в вынужденный. Переток газа начинается непосредствен'-

- 23 -

2

5 п-Т П М

I I " • <

4-

3 4 8

2 ) ; ; ) V ---------- с

1 1 ■ -.........5

У —

в

0 -» ■ г )

' У " ■ / ГО ) 1

т

в.

Рг IV Рг

5

РвТвЫ0 1Г. ¡2 31 * * 'п1г 1П М»

М--— а. _0, 32

0,1 л 20 40 35 1 I !--г-

О/г*

Рио.4. Схема процесса энергоразяетента и мвосообменв в многокомпонентном вихревом отруйном течении

а. Структура вихревого струйного течения

б. Эффективность по холоду

в. Распределение в свободном вихре окониеноировавшейся жицкоот

Рв.Рх.Рг - давление походного, охлажденного п горячего потоков Тв.Тх.Тс - температура исходного, охлажденного и горючего пототоко Т - температура газа при его адиабатичеоком раоширонии от цввле-3 ния Рв до давления Рх Э - радиус свободного вихря Р - длина струного течения ¿- расход жидкой фазч в свободном вихре

ь =

С* РЛТв-Т,

Оотальнне обоз начеши по тексту

ко за соплом в свчашш 043..-. ЦерЁУекайций газ в первой ячейке, расположетюй между сечениями 0-0 и I-I образует в вынужденном вихре периферийный сдой, из которого газ черев отверстие диафрагмы покидает струйное течение. Гаа, перетекающий во второй ячейке между сечениями I-I и 2-2, еанимает следующий слой вынужденного вихря. В конечном счёте перетекающий газ занимает в вынужденном вихре приоаевой одой и истекает из нейтральной части отверстия диафрагмы. Таким образом вынужденный вихрь формируетоя перетекающим газом из овободного вихря по длине последнего и по радиусу вихревого течения. Температура и давление газа в вынужденном вихре уменьшается от периферии к центру ва счёт действия центробежных оил на газ. В связи о тем, что из свободного вихря по его длине перетекает в вынужденный вихрь, массовый расход газа по длине свободного вихря уменьшается, что приводит к уменьшению отатичеокого и полного давлений по длине овободного вихря. За счёт перераспределения тепловой ензрпш при иератоке газа по длине свободного вихря увеличиваемся тешгература. В вынужденной вихре при пониженной температуре происходит конденсация некоторых компонентов из многокомпонентного газа, и образовавшаяся жидкая фаза ¿ отбраоываетоя центрованными силами в овободный вихрь, а газовая истоиас® из отверстия диафрагмы. В свободном вихре при повышенной температур® на жидкой фазы испаряется некоторое количество компонентов, котодые вновь возвращаются в вынужденный вихрь. Таким образец, по течению свободного вихря накапливаются компоненты о высокой температурой испарения, а в вынужденном вихре - о низкой температурой конденсации. Процесс внергоразделения в любой ячейке вихревого течения описывается замкнутой системой уравнений, отражаю-

щмх; длину вынужденного вихря, статическое давление в олоа вынужденного вихря, статическое давление в свободном вихре, статическое давление на оси вихревого течения, статическую температуру на оси вихревого течония, э оободном вихре и в слое вынужденного вихря, скорость авука на оси вихревого течения, статическое и полное давление на оси вихревого течения, в олое вынуждошюго вихря и в свободном вихре. Процесс фазовых превращений в свободном и вынужденной вихрях, термодинамические и физические параметры получившихся при этом сред рассчитываютоя по методу, описанному в 5 2.1. Для всего струйного течения расчёт выполняется поячеечно, начиная от сечения О-О. На основе описанной модели разработан- метод расчёта, который позволил выявить, что о увеличением молекулярной массы компонентов исходного газа температурный рффвкт процесса онергоразделения уменьшается. Снижение температурного эффекта объясняется в основном конденсацией компонентов с большой молекулярной массой. Выявлено также, что содержание по длине свободного вихря компонентна с высокой молекулярной массой увеличивается, а по длине вынужденного вихря происходит накапливание компонентов с низкой молекулярной массой. Кроме того выявлено, что эффективность процесса энергоразделения возрастает по точению свободного вихря и достигает максимума на ^ расстоянии, величина которого равна длшю вынужденного вихря, рассчитанного по предлагаемой методике.

Описанные математические модели и методы расчётов термогазодинамических и тепломассообменных процессов в многокомпонентных струйных течениях позволили разработать теоретические принципы расчётов технологических процессов я конструирования аппаратов о такими течениями.

- 26 -

В третьей главе на базе созданного комплекса математичео-ких моделей и методов расчётов термогазодинамических и тепломао-сообменных процессов в многокомпонентных отруйных течениях разработаны теоретические принципы расчётов технологических процессов и конструирования аппаратов о такими течениями.

В § 3.1 описаны теоретические принципы конструирования и расчёта технологических характеристик вкекционных аппаратов с многокомпонентными свободно натекающий огруйными течениями и струйными течениями кавитирунцей жидкости.

Конструирование и расчёт вжекциошпх аппаратов о высоким к.п.д. базируются на том, что наиболее эффективно процеос ежек-ции протекает в аппарате (рио.б.а ) , у которого расстояние от среза сопла до конца камеры смешения равно длине начального учаотка свободно истекающего струйного течения, т.е. длина потенциального ядра струи, & площадь поперечного сечения в конце камора смешения равна плоцадн переходного сечения струи. При больших раоходах высоконапорной среда в односопловом аппарате необходимо иметь сопло больаого диаметра. Струя, иотекаюсря из такого оопла имеет длинный начальный участок, что требует выполнения камеры большой длины, в которой довольно трудно центровать отрую. С целью уменьшения длины камеры смешения, поток выоононапорной ореды делится на несколько струй, у каждой на которых из-за небольшого диаметра единичного сопла малая длина потенциального ядра струи н короткий начальный её участок ( рис.б,б ). При таком расположении струй в конце камеры смешения остаётся нерабочее пространство мёкду ними (рис.5,в ), в которое при увеличении противодавления устремляются обратные потоки взаимодействуйте сред, в камере смешения образуют-

о

ся продольные вихри, в которых теряется энергия. Поэтому

Рио.5. Эжекциэшше аппараты о многокомпонентными отруйннми течениями

е. Схема аппарата, работавшего о пнсоким к.п.и. £> процеоон яжектирования

д. Схема конструкции многооопяового пжекдапнного пгшорятп

и. Расположение струйных течений в котде камеры смешения многэсэплового аппарата

г. Схема аппарата, работающего о высоким коэффициентом полного напора У

д. Схема аппарата, работающего'с- всоким коэффициентом эжекцлл и "

е.,а. Аппараты с ржвкдиоиннмй 'струйными течениями о кавити-рующей жидкости

площадь поперечного сечения потока etf еои взаимодействующих сред после камера сц^шенил. црн помощи конфузора уменьшается до величины, равной сумме всех площадей единичных струй в конце камеры смешения. Для того, чтобы ¿63 больших иотерь преобразовать в диффузоре аппарата кинетическую энергию потока в потенциальную энергию - давление, поле скороотей потока выравнивают после сужения в цилиндрической горловине.

Конструирование и расчёт ажекционных аппаратов о повышенный коэффициентом восстановления давления основаны на том, что высокое значение полного напора обеспечивается в аппарате, у которго расстояние от среза сопла до конца камерг смешения (рис.5,г ) меньше начального участка струн, а площадь поперечного сечения камеры смешения соотвеотвует площади поперчного оече-участка струи о идентичным расстоянием.

Конструирование к расчёт вжекционных аппаратов о повышенный коэффициентом эжекции основаны на том, что высокие значения этого коэффициента обеспечиваются в аппаратах, у которых расстояние от среза сопла (рис.5,д )до конца камеры смешения больше начального участка струйного течения.

Принципы конструирования иыогшзопловых еаевторов в повышенные коэффициентами восстановления давления н егекцил аналогичны вышеописанному для многовопдового аппарата, представленного ua pao. 5,6 .

Конструирование и расчёт вяекционных аппаратов со струйными течениями кавитирующей сидкооти (рис.5, о, s ) подчиняются

л

принципу для аппарата, представленного на рис. 5, а, б .

В § 3.2 описан процесс отруйка-выгеснительного сватия газа жидкостью. Этот°процвсс разработан с целью сжатия газа

Во.6. Струйно-внтеонитвпьное ожатао газа

а. Схема уотановки струйно-вытескитеявного сжЛтия газа

б. Характеристика процеооо отруйно-внтеснителького сжатия газа

Рн, Рв, Рн, Ра,/« - раохода, давления и плотности выоокона-

порной жиакооти и низконапорного гаэа

& - давление ожатого газа р - к.п.д. процесса сжатия газа [> - коэффициент производительности

таяьные обозначения по текег?

жидкостью до давления, практически равного давления выоокона-норной жидкости. Осуществление этого процесса представлено иа примере простейшей установки рио.С.а . При открытой клапане I и закрытой клапане 2 ёмкооть 3 наполнена низконапорным газом, поступивший в нее иа газопровода 4 через обратный клапан 5 и эжектор 6. Регулятор уровня 7 выдает сигнал на закрытие клапана I и открытие клапана 2. Выооконапорная жидкость, поступающая из трубопровода В в ёмкость 3 в струйном аппарате 6 вжектирует низконапорный газ. Процесс вженции происходит до тех пор, пока в ёмкости величина давления не станет такой, при которой вжектор прекратит овою работу по всасывание газа, и обратный клапан 5 закрывается. Ь ёмкость после этого п ■ /пает только жидкооть, дожимая гаа в последней до давления, нракти- ' чески равного давлению выоокопапорной жидхости, и вытесняя сжатый газ через обратный клапан 10 в трубопровод 9. После того как ёмкоать наполняется жидкостью, регулятор уровни 7 выдает сигнал на открытие клапана I и вакрытио клапана 2. Едкость из ёмкости сбрасывается при закрытом обратном клапане Ю и открытом обратном клапане Б. Ьмкооть вновь наполняется низко-напорньш газом,и описанный цикл повторяется. Технологические характеристики, связанные о процессами ежекцин, сжатия газа в ёмкости, тепломаооообмена, фазовых превращений рассчитываются по ооотвествупциы методикам, описаинш в § § 2.1, 2.2, 2.3 второй главы и § 3.1 третьей главы. Для примера на рио.6, б представлена графическая характеристика процесса струйно-вытес-нительного сжатия газа без учета массообмена .

В § 8.3 опиоан расчёт процесса отделения жидкости от газового потока при пробковом режиме течегая в трубопроводе.

Опыт эксплуатации компрессорных станций КС и газоперерабатывающих заводов П13 показал, что в газопроводах накапливает-

26

0,2

Эб

46

8

12

16

V" <7

1'ио.7. Процесс отделения жидкости от газа при проб ков им режиме течения в трубопроводе

а. Схема аппарата для улавливания, жидкости

I.Сопло Вонтурк 2.Емнооть оепаратора П.Трубопровод для газовой Фазы 4.Трубопровод цдя жидкой фаян

б. Характеристика безразмерной нагрузки Рот поступящей жидкости в зависимости от безразмерного времени

Р - полное давление жилкооти перед аппаратом, Па; Р - плптнооть газовой соеды, кг/с; <7 - скорооть звука в газовой среде, м/с; Т - время поступления жидкости, с; с/ - диаметр трубопровода, м; О = 300 - коэффициент; - функция изменения окоооотп движе-

ния жидкости от времени поступления; ^ - скорость движения газе и жидкооти, м/о; д. - ускорение сипы тяжести, м/о

16,- без уотройотва 26 - при кавитации в ооплв Вентури 36 - при ажектарованил жидкооти 46 - при эжектировании газа

ся большое количество 'скоадонсиррвавшейся жидкости, которая время от времени выбрасывается в технологические аппараты КС и П13, что приводит к аварийный ситуациациям, незапланированным простони и беявозвратныы потеряй сырья. Решение задачи по улавливанию жидкостных пробок осложняется нестационарными процессами, которые возникают при отделении больших масс еид-кости от газа. Доминирующи влиянием в втих процессах обладает ускорение движения жидкостной пробки по трубопроводу при её поступлении в емквоть сепаратора. Ускорение жидкостной пробки увеличинвает динамическую нагрузку на сепарационные и конструкционные едементы улавливающего аппарата. Задача по улавливанию таких масс жидкости решается о помощью струйных точений, эжектирущих жидкость или газ, например в аппарате, представленном на рцо.7а . На входе такого аппарата установлено сопло Вентури I, в котором расход жидкости стабилизируется путём её преобразования в кавиткрущий поток, который екекти-рует газ или жидкость из емкости сепаратора 2 по ооотвествуа-щиы каналам 3 или 4. На рзю.7,6 представлены характеристики безразмерной нагрузки Р на сепаратор от_поступления яидкости в зависимости от безразмерного времени Ъ . Как видно из рис.7,б при поступлении видкостных пробок через сопло Вентури в кавитационном режиме и в режиме окекщш динамическая нагрузка практически одинакова. Однако сопло Вентурн конструктивно проп?о виоктора и имеет небольшое сопротивление по газу. Поэтому при практическом решении задач по улавливанию еидностных пробок попользовались указанные сопла.

В 15 3,4 описан метод расчёта процеоса инерционно-ударного отделения мехпримесей и капельной жидкости от газа и аппарата для его осуществления.

Рио.8, Процесо инерционно-ударного отделения капегсьной япцкости а мохпримеоей от газа

а. Схема отруШюго течения из роцкально изогнутого плооко-параллеявного канала

б.,в. Схема аппарата цяя реализации процесса

1.Рациапько изогнутый канал й.Внешкяя стенка З.Слой жидкости 4.Корпус аппарата б.Потенцшшюе ядро пяоокопараляельяого струйного течения б. Пограничный одой отруйного течения 7,Эпира окорости^ отруйного течения

с*С - угол расширения пограничного слоя .Р - угол оуяегахя потенциального ядра

- 34 -

Очистка газа от мехпримесей и капельной жидкости о минимальными потерями давления газа является актуальной задачей на производствах химической, нефтехимической, нефтяной и газовой промышленности. Её решение о помошью свободно истекающего струйного течения сводится к следующему. Поток загрязненного газа подаётоя в радиально изогнутый плоокопараллельный канал I С рис.8, а ) , в котором чаотицн под действием сил инерции отбраоываютая на внешнюю стенку 2 канала, опущенную в жидкость 3 на дне корпуса сепаратора 4 (рис.6,б , в ) . Возле вмешай стенки образуется олой газа, несущий мехпримеои и имеющий окорсть потенциального ядра б отруйного течения. Около внутренней стоики образуется слой очищенного газа, ад'оуый по выходу из канала захватывает газ, находящийся в корпусе сепаратора, и образует с последним расширяющийся пограничный олой 6. В итоге в потенциальной ядре остаётся только газ, неоуншй мехпримеои. В связи о тем, что скорость з потенциальном ядре струйного течения высока , частицы интенсивно ударяются о олой жидкости и остаются в ней. А пограничный слой, ородняя ояороэть которого составляет порядка 0,1 от величины скорости ядра струи, при ударе о олой жидкости не перемешивает его, не срывает капель и не уносит их с собой. Таким образом рсваетол додача по достижению высокой степени очнотки газа при невысоких потерях давления последнего.

В § З.Б опиоеяы принципы конструирования и расчёта термотрансформатора о многокомпонентными пульоационными отруйныыи течениями. На рио. 9 представлена базовая конструкция такого термотраоформатора. В дайной конструкции рассчитываются размеры полузамкнутых ёмкостей I, их количество, холичеотво сопел 2, расположенных в газораспределительном устройстве 3, имеющем возможность вращения, число оборотов последнего. Кроме того рассчитываются вое необходимые технологические параметры.

55 -]в 'Га

O

т~т

ч

щ 1

з 2

ti:; , i

I / ч I

. г. i ■ ■ ¡ tfH'îfT rh

i1 1 : !

i ; M !

¡¡il

I J KJ

_t> Px Tx

P'fr.l, ÍCü;¡0T;7KinVI liyítiOt¡l'..!:nUI.>rj ruj-'!.:;(.-.' f i; ,¡

i H .¡y i;;-'¿Lia Ыииоти 2. Сопло З.Гаэораопрелегснтояьное устройство 4.Тур<5шшое колесо

pa-, i**-, ^ -

-•зб-

В § З.б опиошш основы расчёта и конструирования термо-транаформаторов о многкомвнентнши струйными вихревыми течениями. Конструирование и расчёт таких термотрансформаторов о высоким к.п.д внергоразделения базируется на том, что наиболее эффективно процеос внергоразделения протекает в аппарате (_рио,4, а, б) , у которого длина кмеры энергоразделвния равна длине вын£«дешюго вихря. Конструирование и раочёт термотрао-форматоров, обладающих высокой способностью отделения жидкой Фазн, конденсирующейся из иногкомпонентного газа, базируется на том, что максимум жидкой фазы находится в свободном вихре непосредственно за соплом термотрасформатора (рис.4, в}.

В четвёртой главе описаны экспериметальные исследования, целью которых было определение: геометрических, динамических к тепломассообменных параметров струйных течений} характеристик аппаратов, сконструированных и рассчитанных с помощью разработанных математических моделей и методов расчётов; оптимальных геометрических форы проточных частей сопел и аппаратов, работающих на кавитирующей жидкости и неразруцающихоя от действия кавитации. Определяемые параметры и характеристики необходимы для выполнения расчётов термогазодинамичеоких и тепломассообменных процессов в многкомпонентных струйных течениях, а также для расчётов технологических процессов и аппартов о такими течениями. В результате экспериментальных исследований:

- получены зависимости углов расширения пограничного олоя <К и оужения потенциального ядра Р овободно истекающего струйного течения жидкооти, ©»актирующей гаа, от ведичмн чисел Вебвра

и Рейнольдоа

- определены зависимости величин углов расширения пограничного слоя ©( и оужения потенциального ядра $ плоскопараллельной струи газа, истекающей иа радиально изогнутого канала, от числа Рейнольд-са Не »

- 37 -

- получены интегральные характеристики Процесса зжекции и струйном течении жидкости, зжоктирующей газ в одно- и много-сопловмх аппаратах, такие кпк к.п.д. находились в пределах от 0,4 до 0,45 , коэффициенты ожекции - от 3,5 до 5,5 и коэффициенты восстановления давления - от 0,145 до 0,Ш);

- определены интегральные характеристики процесса вжекцин газа струйными течениями кяячтчругцой жидкоптя в зависимости ое <;т°пт?щ разрешения гааа/

- выявлено, что эффективность процесса вакуумнрования струей кавит;грущей жидкости имеет максимум, приходящийся на величину степени разрежения 0,4}

- установлено, что при ожекткровании многокомпонентных газов многокомпонентной жидкостью коэффициенты полезного действия к виептирования увеличиваются за счет перехода некоторых компонентов газа в жидкость и захната на их место дополнительного количества газа;

- знявлена закономерность скачкообразного повышения количества ожектируемого газа струёй жидкости одной и тойже длины при переходе её от турбулентного к кавитациошюму режиму течения и скачкообразного уменьшения количества кооптируемого газа при переходе от кавитационного к турбулентному режиму течения, однако уменьшение происходит при давлении меньшем, чем величина давления нагнетания жидкости, при которой произошло образованно струи с кавитационной структурой $

- установлена зависимость изменения рН воды до 6,6 при действии на неё гидродинамической кавитации?

- установлена зависимость величин углов расширения диффузора сопел типа Вентури и геометрических форм аппаратов, работают?« на кавитирующей жидкости в не разрушающийся от её действия;

- определена реактивность процесса ннерционно-ударного отделения от газа мвхнримесей УУ, и капельной жидкости 99,8* ;

- определена »^{юктивность 99 - 97* процесса отделения жидкости от газе при пробковом режиме течения от числа Фруда в лабораторных и промышленных условиях.

В пятой главе описаны анализ результатов экспериментальных исследований и проверка методов расчётов термогазодинамичеохих и тепломассообменных процессов в многокомпонентных струйных точениях и аппаратов с вткми течениями. Они показали, что величины параметров, полученные расчётным путём, отличаются от величин »тих параметров, полученных экспериментально, в следующих процессах:

- ожокции и тепломассообмена в свободно иотекахцих и каьитационных струйных течениях коэффициенты ежекции не более IX, восстановления давления полного напора не более 4,5?*, полезного действия не более 3?»; количественные расхождения по компонентному соспву жидкой и газовой фаз полностью ноключаЛтоя путём ввода ооотиествущой величины коэффициента Е кинетики масоопарздачи в уравнение фазовых превращений;

| - энергоразделения в пульоациошюм и вихревом термотрао-

форматорах не более чем на , массообмена не более

и

Ь,Ь% при Е ту»"1.

Выполненные анализ и проверка показали, что разработанные • математические модели и методы расчётов термогазодинамических про цессов в многск омпонентных струйных течениях пригодны для их применения при создании технологических процеооов и аппаратов.

* Проверка методов расчётов процессов енергоразделения в пуль-сационных к вихревых многокомпонентных струйных течениях выполнялась на основе опубликованных разрозненных экспериментальных данных. / ■

- 39 -

Р зтсстой главе отражена реализация в промдахшшооти процессов, аппчрптои й установок с многокомлонестнмии отруйтлш

течениями , разработшошх с помощью содатюго ноип.т>?кса иатп-матичсских моделей, и методов расчетов п ¡лики* диссертации, а аткже применение в научно-исследовательских, ггроок-'Ш!* и конструкторских организациях указанного комплекса при оозданнк технологических процессов, аппартов и устанопок с 1шогйцоын<>м«нт-нузш струйными течениями. Годоной яконоиичоскнй эф|окт от внедрения составляет 9,67 млн.ру<5лей в ценах 1991 года,

3 седьмой главе представлены разработанные перспективные процессы, аппараты и установки о многокомпонентными струйными течениями: получения холода в биагснтной эжекторной установке; охлаждения газа в пульсационнмх аппаратах с ннпояно»гийы внешней работы; охлаждение газа вихре-рульсационним способом; совместный транспорт нефти и газа по трубопроводу; мнссообмен э противотоке высоконапорного газа и низконапорной жидкоотн.

осноашз РЕЗУЛЬТАТЫ и выводи

I. 11а основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработан комплекс математических моделей и методов расчетов термогазодинамических и тепломасоообмектпс процессов в многокомпонентных струйных точениях : свободно истекающих, кавктациокных, пульсационных и вихревых , которые наиболее часто применяются в химической, нефтехимической, нефтяной и газовой отраслях промышленности для выполнения и питанок фикации техночогкческих процессов. С помощью математических моделей и методов расчётов обеспечивается определение в любой месте струйного течения: скорости, давления, температуры, расходов жидкой и газовой фаз, их компонентных составав, плотноо-тей.теплоёмкостей, энтальпий, расхода смеси этих фаз, её компонентного состава, энтальпии и других термодинамических и физи-

ческих параметров, а также нахождение максимальной вффективноо-ти етих процесоов в струйном течении.

2. При разработке комплекоа математических моделей и методов расчётов расширились представления о термогазодииами-чеоких процессах, протекающих в многокомпонентных струйных течениях, теоретически и экспериментально установлены новые закономерности и явления в таких течениях.

3. На база созданного комплекса математических моделей

и методов расчёта разработаны принципы расчётов технологических процессов и конструирования аппаратов о многокомпонентными струйными тзчениями.

4. Разработанные технологичеохые процессы и аппараты о многокомпонентными струйными течениями внедрены в нефтяной и газовой промышленности о годовым вкономичоскнм эффектом 9,67 млн.рублей в ценах 19991 года.

5. Разработают перспективные процессы к аппараты о многокомпонентными струйными течениями, защищенные 35 авторскими свидедольстваын и патентами на изобретения.

6. Разработанный комплекс математичооких моделей к методов расчётов, а также разработанные новыз технологические и технический решения по авторским свидетельствам в рамках диссертационной работы иопользуютоа а научно-носледовательоких и проектных инотитутах, конструкторских бюро и способствуют решению важных народохозяйственных оадач по совершенствованию

традиционных и совдани» новых технологий,

-41 -

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Запорожец E.II., Мильштейн Л.М., Степанов В.И. Исследование кавитационного устройства // Сб.науч.тр. ШИЛШ'аяперервбот-ки - м.: ВНИЮЭНГ - I&83 - С .114-122.

2. Запорожец Е.П. Эжектирование газа струей кавитиру**ией жидкости// Сб.науч. тр. ВНИПИГазпереработки - М.: ВНШЮШГ -1984 - С.59-66.

3. Запорожец Е.П. Анадйй процейе^. :эЛ&кткропанкя газа дидкоогм» в струйной аппарате, // 'Сб'.й&уч.тр.. ЗНИНИГЪзпороработки - М.: ВНШЮНГ - 1985,;-' й. 55-62.

4. Запорожец ЕЛ}.-, Александров И.А. Анализ' и метод расчёта процессов эжеКтирсвания и конденсации нефтяного газа струёй углеводородной жидкости // Деп. во ВНИЮЭНГ - 1986 - PI223-22 о.

б. Запорожец Е.П., Александров И.А. Интенсификация процессов химической технологии потоками кавитирующей жидкости // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Современные проблемы химической технологии" - 1906 - Красноярск - T.I - G.Iii.

6. Запорожец Е.П. Анализ сжатия газа ажекторно-вытеснителъннм способом // Сб.науч.тр. ВНИПИГазпереработки - 198? -С.101-107.

7. Запорожец Е.П., Полуэктова Т.В. Исследование процесса инерционно-ударного отделения мехпримесей и капельной жидкости от газа // Сб.науч.тр. ВНИПИГазпереработки - 1990 - С.37-43.

8. Запорожец Е.П., Александров H.A. Интенсификация процессов химической технологии эжекционныии струйными течешшми жидкости и газа // Химическая промышленность - 1991 - Р 0 -

С.20-24.

9. Запорожец Е.П., Холпанов Л.П. Модель и метод расчета основных параметров процессов ажекцнк и тепломассообмена в многокомпонентной струе // Теоретические основы химической технологии - 1993 - Е 5 - Т.27 -С.452-461.

10. Запорожец Е.П., Холпанов Л.П, Расчет процесса отделения жидкости от газового потока при пробковом режиме течения

в трубопроводе// Еурнал прикладной химии - 1993-Т.66,Вып.б-СЛ264-1271.

11. Запорожец К,П., Холпанов Л.П. Расчёт пульсациошюго охлаждения в полузамкнутой ёмкости при периодической струйной подаче в неёё многокомпонентного газа высокого давления // Журнал прикладной химии - 1993 - Т.66, iiuri.*7 - СЛ1>Ю-1Г>Ш.

12. Запорожец K.Iii, Холпанов Л.Я. Экекция к тепломассообмен в струе - численное исследование // Сборник тезисов Международной конференции "Цатематические методы в химии и химической технологии" - Ш£Х -9 - Тверь - 1995 - 4.1 -

С.33-34.

13. Кийко В.К., Запорожец E.R. К вопросу об устройствах распределения абсорбента // Реферативный сборник "Переработка газа и газового конденсата" - У.: ВИИИЭГАЗПРОМ - 1976 -Пыл.8 - С.15-10.

14. Цильштейн Л.Ы., Бойко С.И., Запорожец Е.П. Защита компрессорных станций и газоперерабатывающих заводов от залповых выбросов жидкооти // Сб.науч.тр. ШИНИГазпереработки -I9G9 - С.110-114.

16. Мнльштейн Л.И., Гойко С.И., Запорожец Е.П. Нефтегазопро-мнсловия соперационная техника // Справочник - М.: Нодра-- 1991 - 236 о.

16. А.о. 6II65I СССР, ИШ2 В01Д 47/10, 45/12 Устройство для очистки гадд / Николаев H.A., Чопкасов D.U., Запорожец E.H.

| 17. A.c. 614Й05 СССР , ЬКИ2 Б01 Д 47/00 , 45/04 Устройство для i очистки газа / Ылльотейн Л.Ы., Запорожец Е,П., Чепкасов D.M., | Коробко З.Д., Николаев В.Ф.

! IB. А.о. 620799 СССР, Ш2 ¥ 28 17/02 Теплообменник / Ыилыкейн Л.И., Гугучкин A.B., Запорожец Е.П.

19. А.о. 679225 СССР, МКИ3 Б01 Д 45/12 Центробежный сепаратор/ Ыильштейн Л.!.!., Гугучкин A.B., .Запорожец E.II,

20. А.а. 7I2II0 СССР, Ш3 B0I Д 45/12 Центробежный» сепаратор/ Николаев H.A., Чепкасов В.Н., Мильытейн Л.Ы., Запорожец Е.Г1.

21. А.о. 727236 СССР, Ш3 В05 В 1/06 Форсунка для распиливания и впрыска жидкости / Запорожец E.H., Ыильштейн Л.М.

22. A.c. 9II954 СССР, Шй3 F 17 С 5/00 Способ наполнения сосудов жидкостью/ Запорожец Е.П., Мильштейн Л.М.

■ /'

- 2,3 -

23. А.о. 997720 СССР , ИДИ3 B0I Д 19/00 Устройство длл отдв~_ лакия жидкости от гаяа/ Мильитейн Л.М., Запорожец F..II., Кислый Э.Б. н др.

г

24. А.о. I06I3I6 СССР, ШГ D0I Д 3/00} B0I Л 19/00 Способ иасоообмена / Запорожец Б. П., Мильштейн Л.М., Гойко С.И.

25. A.O.I07I067 СССР, ШИ3 F 17 Д I/I2 Способ совместного транспорта нефти и газа / Запорожец Е.П., Мильштейн Л.М.

<*>. А.о. ИУ6536 СССР, ШИ4 F 04 F 5/02 Споооб создания вакуума/ Запорожец Е.П., Мильятсй! JI.il., Бойко С.И., Михеов Л.И.

2?, A.C. 1201557 СССР, ШИ4 Р 04 F Б/04, 6/54 Способ ожа-тия газа/ Запорожец Е.П., Мильштейн JI.M, Зиберт Г.К.

28. А.о. 1300703 СССР, МКИ4 B0I Д 45/06, 19/00 Устройство для отделения жидкости от газа/ Мильитейи Л.М., Запорожец Е.П., Бойко С.И. я др.

29. А.о. 1307146 СССР, ЖИ4 F 17 С 7/02 Cnoebtf ^¿н'ёюГй сжиженных углеводородных газов / Гочаров В.И., Фомин Г.Ф., Запорожец Е.П.

30. A.c. I32II78 СССР, ШИ4 F 04 F 5/04, 5/54 Способ сжатия газа/ Зиберт Г.К., Запорояоц Е.П.

31. A.c. I343II9 СССР, HÍH4 Р 04 F 6/04, 5/54 Споооб сжатия газа/ Запорожец Е.П., Мильштейн JÍ.M,, Зиберт Г.К.

32. А.о. I35I303 СССР ШИ4 Р 04 F 5/54 Способ утилизации низкопотенциальных газов / Запорожец Е.П., Мильштейн Л.М., Лиха-нова Л.Н.

33. А.о. 1405906 СССР, ШИ4 В 08 В 9/04 Уотановка для приёма разделителей из ыанистрального газопровода / Корелов H.A., Запорожец Е.П., 1'ойко С.И., Гринчекко S.A.

34. А.о. 1437382 СССР, ЖИ4 С 10 в Б/06 Способ компримирования нефтяного газа / Запорожец Е.П., Мильштейн Л.М., Просятни-ков 1С.Г., Кароткиян Э.Р.

35. A.c. 1439292 СССР, ЫКИ4 F 04 F 5/54 Насосно-вжекторная установка/ Запорожец Е.ПНеделько Г.С.

36. А.о. 1454522 СССР, ШИ^Ов'В; 9/04 Уотановка приёма разделителен из иагистр^я)йно1^• Трубопровода / Корелов М.А., Запорожец Е.П., I^k^Wkí Е.А.

37. А.о. 1457303 СССР, ШИ4 В 00 В 9/04 Отстойник / Ммльштейн Л.М., Еойко С.И., Запорожец E.H., Зиберт Г.К.

38. A.c. 1475276 СССР, МКИ4 Р 04 Р 6/48 Пасооно/- ежекторная установка / Запорожец ЕЛ!., Милыятейн Л.Ы., Зиберт Г.К.

39. A.c. 1Б20302 СССР, «СИ4 F 23 Р 7/06 Споооб утилизации обросных углеводородных газов / Бочаров В,И., Фомин Г.Ф., Запорожец ЕЛ.

40. А.о. I635II4 СССР, И(И5 Р 04 Р 6/46 Насооно-вжекторная уа-тановка/ Запорожец Е.П., Мильштейн Л.М., Зиберт Г.К.

41. А.о. 11363007 СССР, ИШ5 В 01 Д 46/00 Сепаратор / Запорожец Е.П., Г.ойко С.И., Шиыатейн Л.М., Гаричкин Ю.А.

42. A.c. IÖÜ0920 СССР, ИШб Р 04 Р 6/Б4 Наоооно-яжекторная установка/ Запорожец Е.П.

43. А.о. I67493I СССР, ЫКИ5 В 01 Д 53/18 Споооб массобыена и устройство для его осущеотв/ ния / Запорожец Е.П., Бойко С.И, Нильштейн Л.М., Зиберт Г.К.

44. А.о. 1696012 СССР, МШб В 08 В 9/08 Споооб очистки резервуара /Запорожец E.U., Мильштейн Л.Ы., Неделько Г.С., Еойко С.И.

45. А.о.1703906 СССР, ШИ5 Р 16 Т 1/00 // В 01 Д 19/00 Устройство для отвода жидкооти па газопровода / Мильатейн Л.М., Гойко С.И., Запорожец Е.П, и др.

46. А.о. 1706663 СССР, МШб DOI Д 19/00 Устройство для отделения жидкости от газа / Бойко С.И., Запорожец Б.П., Ыильштейн Л.Ы.

47. А.о. 1717168 СССР, ИШб В02 Д 45/12 Устройство для отделения жидкости от газа/ Сойко С.И., Мильштейн Л.М.,Запоро жец Б.П.

48. A.c. 1Ъ31796 СССР, ШИб В 01 Д 47/02 Уотройство для очиотки газа от твёрдых и жидких примесей / Бойко С.И., Мильштейн Л.М., Запорожец Е.П.

49. А.о. 2007669 Россия, ЦШ5 Р 26 В 1/06 Способ получения холода а биагентной вжекторной установке / Запорожец E.H., кильштейн Л.и., Зиберт Г.К.

50. Патент 2011917 Россия , Ш5 Р 16 Т 1/00 1стройство для отвода жидкости из газопровода/ Бойко С,И., кильштейн Л.II., Запоро^ц Е.П.