автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Методика расчета процесса тепломассообмена в аппаратах каскадного типа

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ О* ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

\ ^ На правах рукописи

0

ФУРСОВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ТЕПЛОМАССООБМЕНА В АППАРАТАХ КАСКАДНОГО ТИПА

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена

в Московском Государственном университете инженерной экологии.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

кандидат технических наук, доцент Беленов Евгений Александрович.

доктор технических наук, профессор Олевский Виктор Маркович, кандидат технических наук, доцент Косьмин Валерий Дмитриевич.

Акционерное Общество Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения (ВНИИнефтемаш).

Защита состоится «<0И» OjZAAJS^^X- 1998 года в 45"""* часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К063.44.04 в Московском Государственном университете инженерной экологии по адресу: 107884, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ.

Автореферат разослан » j-i&SL1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент РудовГ.Я.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Среди применяющихся в промышленности пленочных контактных аппаратов, предназначенных для проведения различных тепло- и массообменных процессов, в последнее время постепенно возрастает доля аппаратов, обладающих широким диапазоном устойчивой работы, малым гидравлическим сопротивлением и развитой поверхностью контакта, благодаря наличию большой линии слива жидкости. Среди таких аппаратов высокую эффективность имеют аппараты каскадного типа, которые сочетают в себе преимущества пленочных и барботажных аппаратов и обладают простотой конструкции. Для создания поверхности контакта в данных аппаратах используется регулярная насадка, состоящая из параллельных наклонных пластин, спускающихся каскадами по высоте аппарата.

Таким образом, с одной стороны в этих аппаратах процессы тепло- и массообмена проходят в тонких слоях (пленках) жидкости, что, как известно, является одним из наиболее эффективных методов интенсификации процессов тепло- и массообмена, а с другой стороны при определенных скоростях газа (пара) пленочная структура поверхности контакта нарушается и поверхность становится капельно-струйной, напоминающей барботируемый газом (паром) слой жидкости. Однако существующие методы не позволяют достаточно надежно проводить расчеты аппаратов данного класса. В связи с этим разработка методов инженерного расчета тепломассооб-менных аппаратов каскадного типа представляется актуальной.

При проектном расчете, представляющем наибольший интерес, определению подлежит эффективная поверхность контакта, которая в аппаратах каскадного типа определяется числом ступеней контакта в каскаде, каскадов в секции и секций в аппарате.

Цель работы. Исследование процесса тепломассообмена (испарительного охлаждения жидкости) в контактных аппаратах каскадного типа. Разработка методики расчета данных аппаратов и получение зависимости коэффициентов теплопередачи от параметров процесса.

Научная новизна. Предложена декомпозиция задачи расчета аппаратов каскадного типа на подзадачи в зависимости от сложности конструктивного оформления и принципа действия данных аппаратов.

Разработана методика расчета аппаратов каскадного типа, базирующаяся на поуровневом расчете движущей силы процесса тепломассообмена.

Определены значения локальных и интегральных коэффициентов теплопередачи вдоль поверхности контакта и предложено уточненное критериальное уравнение, учитывающее зависимость коэффициентов от разности температур контактирующих фаз.

Получены экспериментальные данные по процессу испарительного охлаждения воды и гидродинамике аппаратов каскадного типа.

Практическая денность. Предложена классификация тепломас-сообменных аппаратов по возрастанию сложности способа взаимодействия между жидкостью и газом (паром), на базе которой разработан поуровневый метод расчета, позволяющий проектировать более эффективные конструкции контактных аппаратов и устройств и максимально использовать движущую силу процесса тепломассообмена для каждого рассматриваемого уровня сложности.

Разработаны математические модели процесса испарительного охлаждения жидкости для каждого уровня сложности в соответствии с предложенной структурой аппаратов каскадного типа и получены математические зависимости для проектного расчета данных аппаратов.

Разработаны алгоритм расчета и программа для персональной ЭВМ (ПЭВМ).

Подготовлена заявка на получение патента на разработанную конструкцию.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на международном молодежном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (Москва, 1996), 47-й научно-технической конференции МГАХМ (Москва, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 140 наименований и приложений, имеет 35 рисунков и 6 таблиц. Общий объем составляет 145 страниц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, вы носимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору существующих методов расчета контактных аппаратов, основанных на аналогии процессов тепло- и массообмена.

В контактных аппаратах между газом и жидкостью могут происходить процессы теплообмена, тепломассообмена, массообмена. Движущей силой тепломассообмена (совместно протекающих тепло- и массообмена) считают разность температур жидкости и газа, определяющих их энтальпии. В качестве определяющей разности температур во многих случаях используется разность между температурой жидкости и температурой газа по смоченному (влажному) термометру. Термодинамической движущей силой процесса массообмена является градиент химического потенциала среды, мерой которого для испарительного охлаждения служат парциальные давления компонентов или влагосодержание газа. Представляется рациональным в качестве потенциала массопереноса использовать влагосодержание газа, а в качестве движущей силы массообмена использовать разность между влагосодержанием насыщенного и ненасыщенного слоя газа.

Адиабатные процессы испарительного охлаждения жидкости, которые, в частности, происходят в градирнях, играют важную роль в системах оборотного водоснабжения. Далее в главе рассматриваются аналитические и эмпирические методы расчета градирен.

Во второй главе изложены принципы предлагаемой классификации контактных аппаратов по возрастанию уровня сложности процесса тепломассообмена на примере аппаратов каскадного типа.

Элементарным, или нулевым уровнем, будем считать однократное взаимодействие газа (пара) в и жидкости Ь на ступени контакта, которой будем называть любую элементарную ячейку контакта, конструктивно отделенную от другой такой же ячейки. У аппаратов каскадного типа ступенью контакта является наклонная пластина.

К первому уровню сложности будем относить комплекс элементарных ступеней контакта. У аппаратов каскадного типа таким комплексом является каскад пластин. К первому уровню также можно отнести совокупность каскадов, если они расположены параллельно по отношению к потоку газа (рис. 1).

Рис. 1. Два каскада аппарата с перекрестным током.

1 - ступень контакта (пластина); 2 - каскад пластин

На данном уровне можно выделить следующие особенности взаимодействия фаз:

1. Газ подходит единым фронтом к каскаду с температурой I, и разбивается на несколько имеющих ту же температуру парал-

лельных потоков, которые равномерно распределяются по ступеням контакта.

2. Происходит контакт фаз на каждой ступени (0-й уровень), температуры газа меняются и становятся равными tr j, где i - номер ступени (i = 1...N).

3. Температуры жидкости меняются от tKii.i до 1ЖЛ.

4. Все потоки газа вновь смешиваются в общий поток, который имеет некоторую среднюю температуру tr ср.

Ко второму уровню сложности будем относить последовательность взаимосвязанных элементов первого уровня с однонаправленным движением фаз. У аппарата каскадного типа таким элементом является секция, состоящая из нескольких зеркально симметрично расположенных каскадов (рис. 2). На втором уровне дополнительно

Рис. 2. Секция прямоточно-противоточного аппарата.

1 - ступень контакта; 2 - каскад

к процессам взаимодействия фаз на нулевом и первом уровнях до-

2

бавляется еще один процесс: после смешения потоков (1-й уровень) газ, имеющий температуру ^р^ где ] - номер каскада 0 = 1...М), направляется в следующий каскад, где снова происходит его разбиение на потоки, и так далее.

К третьему уровню сложности будем относить последовательность взаимосвязанных элементов второго уровня. Аппарат каскадного типа третьего уровня состоит из нескольких зеркально симметрично расположенных секций, последовательно объединенных между собой. На третьем уровне дополнительно к уже описанной последовательности процессов на нулевом, первом и втором уровнях добавляется следующий процесс: после выхода из нижележащей секции газ при средней температуре (2-й уровень) противотоком поступает в вышележащую секцию, в которой контактирует уже со свежим потоком жидкости.

Рассматривается принадлежность различных контактных аппаратов, предназначенных для проведения как массообменных, так и те-плообменных процессов, к тому или иному уровню сложности по способу взаимодействия фаз. Барботажные тарельчатые аппараты, например, можно отнести к третьему уровню сложности, так как они представляют собой набор из нескольких последовательных тарелок, между которыми происходит противоток жидкости и газа. Сама тарелка (ситчатая, решетчатая, клапанная, Б-образная и другая аналогичная) принадлежит первому уровню сложности, так как представляет собой совокупность параллельных рядов отверстий или клапанов. У данных аппаратов отсутствуют элементы, принадлежащие второму уровню.

Предложенная классификация контактных аппаратов кратко представлена в виде структурной схемы, на которой уровни расположены в порядке возрастания их сложности.

Такой подход к анализу процесса тепломассообмена в контактных аппаратах позволяет найти более эффективные по степени использования движущей силы конструкции контактных элементов на каждом уровне сложности.

Таким образом, расчет аппаратов каскадного типа следует начинать с определения их принадлежности к тому или иному уровню,

который выбирается в зависимости от цели, для которой будет использоваться аппарат.

В третьей главе рассмотрен процесс испарительного охлаждения жидкости на системе вода - воздух в аппаратах каскадного типа, для которого составлена математическая модель с учетом, его сложности на каждом уровне, и описан алгоритм расчета данных аппаратов.

Результирующее количество тепла складывается из двух составляющих:

<3 = <3Р±С>а. (1)

Поток Ср возникает в результате поверхностного испарения воды и всегда направлен только от воды к воздуху, поскольку испарение связано с затратой тепла на изменение агрегатного состояния, что вызывает охлаждение воды. Поток <Эа возникает в результате тепло-

отдачи соприкосновением. Этот поток может быть направлен как от воды к воздуху, так и от воздуха к воде, в зависимости от того, какая из этих сред имеет более высокую температуру.

Результирующий поток С может быть направлен как от воды к воздуху, так и наоборот. Равенство потоков достигается тогда, когда температура воды становится равной температуре атмосферного воздуха по влажному термометру

Для описания изменения параметров теплоносителей вдоль поверхности контакта в зависимости от уровня сложности составлены математические модели процесса испарительного охлаждения на каждом уровне.

На рис. 3 показана схема движения потоков воды и воздуха на

Рис. 3. Схема движения потоков воды и воздуха на 1-ой ступени контакта.

элементарной ступени контакта аппарата каскадного типа. Вода с массовым расходом вж и температурой ^ц поступает на ¡-ю ступень. Некоторое количество воды Ои испаряется. Воздух поступает с массовым расходом и имеет начальные параметры: температуру по сухому термометру относительную влажность фь влагосодер-жание <^1 и энтальпию и. После контакта с водой количество влаги в воздухе увеличивается на величину Ои, при этом его параметры становятся равными соответственно срг>1, с!Г1 и ¡Г)|. Вода охлаждается и ее температура становится равной 1ж ¡.

Для расчета процесса испарительного охлаждения на ¡-ой ступени контакта принимаем следующие основные допущения:

1) коэффициенты переноса, физические константы сг и г постоянны по всей поверхности охлаждения;

2) Р - рп ~ pr = const, (2) где рг - парциальное давление сухого воздуха;

рп - парциальное давление водяного пара; Р - полное давление влажного воздуха;

3) количество испарившейся воды незначительно (G„ = 0);

4) температура воды на поверхности пленки равна средней температуре воды

Далее принимаем, что в обычных условиях работы аппарата степень насыщения воздуха у близка к относительной влажности, поэтому

d = <p-dM> (3)

где d - влагосодержание ненасыщенного воздуха, кг/кг; Ф - относительная влажность воздуха; dH - влагосодержание насыщенного воздуха, кг/кг. Тепловой баланс процесса для каждой i-ой ступени с учетом принятых допущений представляется уравнением

Q, = W^.,, - 1Ж,,) = GrCT(cr(trj-1,) + г (dr,-d,)), (4) где Q, - количество теплоты, отдаваемое водой, Вт;

W* = Сжсж - водяной (тепловой) эквивалент жидкости, Вт/К; сж - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг-К) Gr ст_ массовый расход воздуха на ступени, кг/с. То же количество теплоты определяется по уравнению

Qi = К, FCT AtcPii, (5)

где К, - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К);

FCT - площадь поверхности ступени контакта, м2;

Atcpi =--г— - среднии температурный напор на

Atmax.i ступени. °С;

In

Atr

= - <о - максимальный температурный напор, °С; Мшп,,- = 1ЖЛ - ^¡—минимальный температурный напор, °С. При термодинамическом равновесии между жидкостью и содержащемся в воздухе насыщенным паром (^ = = и фГ1, = 1) рав-

новесная температура может быть определена из уравнения теплового баланса при условии, что при рассматриваемом процессе энтальпия всей системы жидкость - влажный воздух сохраняется неизменной:

wж+wr.cт '

где \УГ,СТ = Огстсг - водяной эквивалент газа, Вт/К.

Также принимаем, что зависимость влагосодержания насыщенного воздуха от температуры на ¡-с! диаграмме влажного воздуха достаточно хорошо описывается полиномом второго порядка (в диапазоне 10 - 42°С):

<1г.м,1 - ао + а|1г.м,( + а2Г2г.м>|. (7)

Теперь составим математическую модель процесса в каскаде. Принимаем допущение о том, что относительная влажность или степень насыщения выходящего со ступени воздуха на всех ступенях контакта каскада одинакова и равна конечной (фг; = ф2).

Для упрощения расчетов также будем считать, что

-IV

*т.ср - хт• (8)

Далее в главе рассмотрены вопросы образования тумана при протекании совместных процессов тепло- и массообмена (в градирнях) и предложено объяснение этого явления.

Для определения числа ступеней равновесия в каскаде получена расчетная формула:

( N

+ Ё \VjN-' (\уж +\УГ.СТ У"» (шгхт1! +Сгхтг(()1-аг^))

Ч

\=\

к ' (9)

где ^ н - начальная температура воды, °С;

м — равновесная температура воды на последней ступени каскада, °С.

Математическая модель процесса на втором уровне несколько усложняется, так как в каждом каскаде условия равновесия не соблюдаются, из-за чего получить расчетную формулу для определения минимального числа каскадов в секции равновесия не представляется возможным. Уравнение теплового баланса для ]-го каскада, входящего в секцию, запишется следующим образом:

\УЖ(1Ж1(Н)М - = Сг (сг(1:г4у - 1тср^]) + г (<3Г<^ - с!г сро-О)' где с1гсра = с!г.МСр^.

В этом случае приходится задаваться влажностью воздуха на выходе из _)-го каскада, а также температурой воздуха ^ и продолжать расчет до тех пор, пока расчетная температура воды на выходе из секции не станет равной равновесной, которая равна

__ >Уж1жд+\Уг1|+Ог((!1~<1р)

На третьем уровне математическая модель процесса испарительного охлаждения еще более усложняется. Уравнение теплового баланса для произвольной секции аппарата к, состоящего из Ь секций (к=1 ...Ь), запишется следующим образом: ~ Чй) = (с, О,

)), 02)

где п1 и п2 - номера текущих ступеней, выраженные через номера текущих каскадов; т1 и ш2 - номера текущих каскадов, выраженные через номера текущих секций.

Для определения числа секций равновесия в аппарате получена следующая расчетная формула:

( ь )

к=1

«рх

Ы^-^г) ■ (13)

Таким образом, при проектном расчете вначале определяем число ступеней равновесия в каскаде N. число каскадов в секции равновесия М и число равновесных секций в аппарате третьего уровня Ь, и соответственно равновесные параметры системы (температуры и

С Начало )

Ввод исходных данных: Ьу, Су; 1Ж „, 4ЖК; I], ф]; Р; рж, сж, г

т

Определение необходимых начальных параметров с1ь сг, рг и задание <р2 -------1— —-----1—_

по к от Ь до 1

+ _

81ер = 0;Д = (1жн-1ж.К)/Ц.)1=(к-1)М+1; = кМ; ^(Ц)^™ 1ж щм+ А; 1г ср о = £)гср о =

81ер = Б1ер +1 )

Цикл по ] от ]1 до ¡2

X

¡1=(Н)Ы+ I; 12 = ЗМ

-------ЧЕЕЕЕЗЕЕЕЕЕ^------

Цикл по I от 11 до ¡2

X

^ = - 0,01 ^ер = ф2 • (11,03 - 0,614^ + 0,03 9 И2Г,)/1000

= <*,Ы - гГГ~(Сг(£г,> _ (г.ср,)-|) + ^Г,! — <^г.сро-!))

i n ) n

С Конец )

Рис. 4. Блок-схема алгоритма поверочного расчета аппаратов каскадного типа.

влагосодержания dp,,) на каждой ступени. После этого, задаваясь конечной относительной влажностью газа <р2, определяющей степень достижения равновесия, и варьируя ею, определяем действительное число ступеней контакта в каскаде, каскадов в секции и секций в аппарате. При поверочном расчете, зная действительное число элементов каждого структурного уровня, определяем реальные параметры жидкости и газа на каждой ступени контакта.

На основе математических моделей разработан алгоритм расчета аппаратов каскадного типа, блок-схема которого для поверочного расчета представлена на рис. 4.

В четвертой главе описаны одна полупромышленная и две лабораторных установки для исследования процесса испарительного охлаждения воды в аппаратах каскадного типа каждого уровня и приведены результаты испытаний.

В экспериментах проводили измерения расходов воды и воздуха, температур воздуха по сухому термометру и температур воды на входе и выходе, а также относительной влажности входящего воздуха. В результате экспериментов было обнаружено, что эффективность охлаждения воды в основном зависит от плотности орошения, скорости воздуха, температур поступающей воды и охлаждающего воздуха. В критериальном виде данную зависимость можно представить как

Ki = /(Rer,Re„Prr,t».11,t,)> (14)

Kd

где Ki =-- - критерий Кирпичева; Rer - критерий Рейнольдса

для газа; Re* - критерий Рейнольдса для жидкости; Ргг - критерий

4F

Прандтля для газа; d3 = — - эквивалентный диаметр насадки, м;

Хг - коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м-К); F - площадь сечения для прохода воздуха, м2; П - периметр насадки, м.

Обработку результатов эксперимента проводили с помощью разработанной программы «Heat Transfer». Объемные коэффициенты теплопередачи на каждой ступени контакта рассчитывали из уравнения (5):

К дА 05)

лл1ср,1 ст

где Уст - объем элементарной ячейки (ступени), м3. Аналогично определяли коэффициенты теплопередачи по каскаду и по секции.

Также вычисляли средний по каскаду коэффициент теплопередачи как среднеарифметический коэффициентов по каждой ступени, аналогично рассчитывали коэффициент теплопередачи для секции и для всего аппарата вычисляли Ку,Ср'

I ь 2 М | N

к^.ср ^ХТТЕТТХ^ДФ- (16)

1У13=1 ^ ¡=1

В целом по аппарату коэффициенты теплопередачи вычисляли по критериальному уравнению для теплообмена при смешении потоков для случая охлаждения влажного воздуха через критерий Кирпиче-ва:

Кл = 0,17 Яег0,7 Яе»0'7 Ргг0'33 ф 1Д5. (17)

По результатам обработки экспериментальных данных построены графики профилей температур воды и воздуха в аппаратах каждого уровня, а также объемных коэффициентов теплопередачи. При этом предлагается в уравнение (17) ввести уточняющий коэффициент А=/(Д1ШП), учитывающий особенности изменения движущей силы процесса теплообмена в аппаратах каскадного типа:

Ю = А 11ег0,7 Яе»0,7 Ргг0'33 ср ''15. (18)

Так как процесс теплопередачи, происходящий в данных аппаратах, является нелинейным, то наблюдаем максимум функции при А^,П«2,5°С. Поэтому предлагается разбить ее на два участка, описываемых разными зависимостями: первый - линейный, на котором А=ао+а1 Д^п и второй - нелинейный, на котором А = Ьо + Ь| / Д1ит.

Основные результаты и выводы

1. В результате проведенных исследований процесса испарительного охлаждения воды в аппаратах каскадного типа установлено, что коэффициенты теплопередачи, полученные из эксперимента, отличаются от коэффициентов, рассчитанных через критерий Кир-пичева.

2. Предложено рассчитывать движущую силу по элементарной ячейке (ступени контакта), по каскаду, по секции и. по аппарату в целом. Данное разбиение предложено рассматривать как уровни сложности процесса взаимодействия контактирующих фаз (процесса тепломассообмена).

3. На основе анализа процесса тепломассообмена между газом (паром) и жидкостью, происходящего на контактных элементах тепло- и массообменных аппаратов, предложено классифицировать аппараты каскадного типа по возрастанию сложности процесса взаимодействия фаз. Проанализирована возможность включения в данную классификацию других тепло- и массообменных аппаратов. Выделено четыре уровня сложности процесса тепломассообмена, зависящих от конструктивных особенностей и принципа действия аппарата.

4. В соответствии с предложенным методом поуровневого расчета аппаратов каскадного типа составлены математические модели процесса испарительного охлаждения жидкости для каждого уровня и предложена методика инженерного расчета аппаратов каскадного типа, реализованная на ПЭВМ.

5. Эксперименты, проведенные на полупромышленной и лабораторных установках на системе вода-воздух, подтвердили адекватность предложенной методики расчета. Расхождение расчетных и экспериментальных значений средних температур воздуха на выходе из аппарата не превышает 10% при уровне значимости 0,9.

6. Получено обобщенное уравнение для расчета интегрального коэффициента теплопередачи, учитывающее изменение разности температур контактирующих сред вдоль поверхности контакта. Коэффициенты теплопередачи, полученные по разработанной методике, значительно отличаются от коэффициентов, рассчитанных по критерию Кирпичева, что говорит о том, что данная методика позволяет более обоснованно определять эффективную поверхность контакта в аппаратах каскадного типа.

Основные обозначения:

I - температура, °С; (1 - влагосодержание газа, кг/кг; ф - относительная влажность воздуха, доли ед.; с - удельная теплоемкость,

Дж/(кг-К); г - удельная теплота испарения жидкости, Дж/кг; i -удельная энтальпия, Дж/кг; G - массовый расход, кг/с; Q - количество теплоты, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К); W - водяной эквивалент, Вт/К; V - объем, м3; Р - давление, Па; ж - жидкость; г - газ; м - насыщенный.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Фурсов А. В., Беленов Е. А., Осипов В. А., Беляевский М. Ю. Определение профиля изменения температур в теплообменных аппаратах' каскадного типа. Нефтепереработка и нефтехимия. М., ЦНИИТЭнефтехим, 1997, № 4, с. 26-27.

2. Фурсов А. В., Беленов Е. А., Осипов В. А., Беляевский М. Ю. Особенности процесса тепло- и массообмена в контактных аппаратах с насадкой каскадного типа. Нефтепереработка и нефтехимия. М., ЦНИИТЭнефтехим, 1998, № 8, с. 46-48.

3. Фурсов A.B., Беленов Е.А., Беляевский М.Ю. Использование ЭВМ в расчетах процессов тепломассообмена. Международный симпозиум «Техника и технология экологически чистых химических производств». Тезисы докладов. М., МГАХМ, 1996, с. 67-68.

4. Фурсов А. В., Беленов Е. А., Беляевский М. Ю. Расчет профиля температур в теплообменных аппаратах каскадного типа. Труды МГАХМ. Вып.1. М., МГАХМ, 1997, с. 39-40.

5. Беленов Е.А., Беляевский М.Ю., Бондарева Т.И., Кочемасов A.M., Фурсов A.B. Особенности движения газожидкостного потока на тарелке из просечно-сжатого листа. Химия и технология топлив и масел. М., Нефть и газ, 1997, №4, с. 27-28.

6. Беленов Е.А., Беляевский М.Ю., Бондарева Т.Н., Кочемасов A.M., Фурсов A.B. Определение составляющих скоростей газожидкостных потоков на массообменной тарелке, выполненной из просечно-сжатого листа. Нефтепереработка и нефтехимия. М., ЦНИИТЭнефтехим, 1996, № 11, с. 36-38.

7. Беляевский М.Ю., Беленов Е.А., Фурсов A.B. Определение полного гидравлического сопротивления тарелки из просечно-сжатого листа. Труды МГАХМ. Вып.1. М., МГАХМ, 1997, с. 22-23.

Подписано в печать 23.11.98 г. Формат 60x90 1/16. Печать офсетная. Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1152

Отпечатано в типографии «Информпресс-94» 107066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

ФУРСОВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ТЕПЛОМАССООБМЕНА В АППАРАТАХ КАСКАДНОГО ТИПА

Диссертация на соискание ученой степени ка[ндидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Е. А. Беленов

Москва, 1998

Содержание

Введение..........................................................................4

Глава 1. Методы расчета процессов

тепломассообмена в контактных аппаратах (литературный обзор)...................7

1.1. Способы интенсификации процессов тепломассообмена в промышленных аппаратах...........7

1.2. Общие принципы расчета...............................................10

1.3. Методы расчета совместных процессов тепло- и массообмена....................................................................21

Глава 2. Основы предлагаемой методики расчета .30

2.1. Методы инженерного расчета ........................................30

2.2. Принципы классификации контактных аппаратов........33

2.3. Схема поуровневого расчета аппаратов каскадного типа....................................................................................48

2.4. Использование движущей силы в процессах тепломассообмена..........................................................51

2.5. Выводы..............................................................................54

Глава 3. Математическая модель и алгоритм

расчета.............................................................56

3.1. Испарительное охлаждение жидкости...........................56

3.2. Математическая модель процесса.................................61

3.3. Алгоритм расчета.............................................................75

3.3.1. Исходные данные..................................................75

3.3.2. Расчет числа ступеней контакта в каскаде... 77

3.3.3. Расчет числа каскадов в секции.........................78

3.3.4. Расчет числа секций в аппарате.......................78

3.3.5. Пример расчета по предлагаемому

алгоритму...............................................................79

3.4. Выводы..............................................................................80

Глава 4. Описание стендов и результаты

обработки экспериментальных данных.....82

4.1. Описание схемы установки для исследований аппарата первого уровня................................................82

4.2. Результаты испытаний аппарата первого уровня........85

4.3. Описание схемы установки для исследований аппарата второго уровня.................................................96

4.4. Результаты испытаний аппарата второго уровня.........99

4.5. Описание схемы установки для исследований аппарата третьего уровня.............................................104

4.6. Обработка результатов исследований........................106

4.7. Выводы............................................................................110

Общие выводы по работе.........................................111

Литература...................................................................113

Приложения.................................................................125

Приложение 1. Блок-схема алгоритма поверочного

расчета.........................................................125

Приложение 2. Текст программных модулей с

расчетами.....................................................127

Приложение 3. Результаты исследований.........................135

Приложение 4. Протокол испытаний...................................145

Введение

Актуальность темы. Среди применяющихся в промышленности пленочных контактных аппаратов, предназначенных для проведения различных тепло- и массообменных процессов, в последнее время постепенно возрастает доля аппаратов, обладающих широким диапазоном устойчивой работы, малым гидравлическим сопротивлением и развитой поверхностью контакта. Среди таких аппаратов высокую эффективность имеют аппараты каскадного типа. Для создания поверхности контакта в данных аппаратах используется регулярная пакетная насадка, состоящая из параллельных наклонных пластин, спускающихся каскадами по высоте аппарата.

В аппаратах каскадного типа жидкая фаза распределяется в виде тонкого слоя и движется вниз под действием сил тяжести, взаимодействуя с потоком газа (пара), который может двигаться в различных направлениях в зависимости от конструкции аппарата. При этом происходит процесс тепломассообмена при непосредственном контакте фаз. В тонком жидкостном слое частицы жидкости интенсивно перемешиваются, что вызывает интенсивный перенос тепла и массы.

Однако существующие методы не позволяют достаточно надежно проводить инженерные расчеты аппаратов данного класса. В связи с этим разработка методов инженерного расчета тепломассообменных аппаратов каскадного типа представляется актуальной. При проектном расчете, представляющем наибольший интерес, определению подлежит эффективная поверхность контакта, при поверочном - конечные параметры контактирующих сред.

Цель работы. Исследование процесса тепломассообмена (испарительного охлаждения жидкости) в контактных аппаратах каскадно-

го типа. Разработка методики расчета данных аппаратов и получение зависимости коэффициентов теплопередачи от параметров процесса.

Методы исследования. Для проведения экспериментов использовались полупромышленный и лабораторные стенды.

Научная новизна. Предложена декомпозиция задачи расчета аппаратов каскадного типа на подзадачи в зависимости от сложности конструктивного оформления и принципа действия данных аппаратов.

Разработана методика расчета аппаратов каскадного типа, базирующаяся на поуровневом расчете движущей силы процесса тепломассообмена.

Определены значения локальных и интегральных коэффициентов теплопередачи вдоль поверхности контакта и предложено уточненное критериальное уравнение, учитывающее зависимость коэффициентов от разности температур контактирующих фаз.

Получены экспериментальные данные по процессу испарительного охлаждения воды и гидродинамике аппаратов каскадного типа.

Практическая ценность. Предложена классификация тепломас-сообменных аппаратов по возрастанию сложности способа взаимодействия между жидкостью и газом (паром), на базе которой разработан поуровневый метод расчета, позволяющий проектировать более эффективные конструкции контактных аппаратов и устройств и максимально использовать движущую силу процесса тепломассообмена для каждого рассматриваемого уровня сложности.

Разработаны математические модели процесса испарительного охлаждения жидкости для каждого уровня сложности в соответствии с предложенной структурой аппаратов каскадного типа и получены математические зависимости для проектного расчета данных аппаратов.

Разработаны алгоритм расчета и программа для персональной ЭВМ (ПЭВМ).

Подготовлена заявка на получение патента на разработанную конструкцию.

Реализация работы. Разработанную методику расчета можно применять при проектировании тепломассообменных аппаратов каскадного типа, а предложенную декомпозицию аппаратов - при разработке более эффективных конструкций контактных аппаратов и устройств.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на международном молодежном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (Москва, 1996), 47-й научно-технической конференции МГАХМ (Москва, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ. Всего опубликовано восемь работ в различных научно-технических журналах и сборниках.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 140 наименований и приложений, имеет 35 рисунков и 6 таблиц. Общий объем составляет 145 страниц.

Автор защищает. Предложенную поуровневую методику расчета тепломассообменных аппаратов каскадного типа, методику инженерного расчета и результаты экспериментального исследования данных аппаратов, а также алгоритм расчета и программу для ПЭВМ.

Глава 1

Методы расчета процессов тепломассообмена в контактных аппаратах (литературный обзор)

1.1. Способы интенсификации процессов тепломассообмена в промышленных аппаратах

Практика показывает, что в настоящее время возникла необходимость в использовании комбинированных тепломассообменных аппаратов, сочетающих в себе преимущества пленочных и барботажных аппаратов и обладающих простотой конструкций. При этом для образования пленочной поверхности контакта используется регулярная насадка, получающая в последнее время все большее распространение [36]. Регулярная насадка позволяет распределять жидкую фазу в виде тонкого слоя [40]. Преимуществом перед другими регулярными насадками обладают блочные и пакетные насадки благодаря значительному упрощению работ по укладке такой насадки в аппарат [88].

Таким образом, с одной стороны в этих аппаратах процессы тепло- и массообмена проходят в тонких слоях (пленках) жидкости, которые, как известно, являются одним из наиболее эффективных методов интенсификации процессов тепло- и массообмена [98], а с другой стороны при определенных скоростях газа (пара) пленочная структура поверхности контакта нарушается и происходит диспергирование жидкости, поверхность становится капельно-струйной, напоминающей барботируемый газом (паром) слой жидкости. В отличие от барботажных аппаратов, для которых характерны невысокие относительные скорости газа, определяемые скоростью всплытия пузырьков и

ограниченные пенообразованием, в аппаратах каскадного типа можно достигать значительных скоростей потоков.

Из различных способов увеличения скорости контактирующих фаз, которая, как известно, оказывает существенное влияние на интенсивность процессов тепло- и массообмена, целесообразнее использовать методы с наименьшими энергетическими затратами. Несмотря на то, что в аппаратах с вращающимися частями (например, роторных и центробежных) можно достигать более интенсивного перемешивания фаз, надежнее оказываются аппараты простой конструкции, в которых пленка жидкости движется под действием гравитационных сил [52, 86].

Процессы, протекающие в пленках, получили распространение во многих областях промышленности [67, 106]. При стекании тонкого слоя жидкости его толщина определяет гидродинамику течения и интенсивность тепломассообмена [23, 28]. В аппаратах каскадного типа можно достигать значительных нагрузок по жидкости благодаря наличию большой линии слива. Увеличение жидкостной нагрузки приводит к увеличению скорости стекания пленки жидкости [53]. Поверхность этой пленки при большой скорости движения не гладкая, а волнистая, с амплитудой, возрастающей с увеличением длины перемещения и скорости пленки. Волнообразование на поверхности пленки жидкости вызывает турбулентность в ламинарном подслое на границе раздела фаз. Турбулизация частично возрастает из-за срыва капель жидкости с поверхности пленки и подхватывания их потоком газа. Поэтому турбулизация пограничного слоя, то есть уменьшение толщины ламинарного подслоя и переходного слоя в турбулентном пограничном слое из-за влияния поверхности пленки на поток газа, является причиной увеличения интенсивности тепло- и массообмена при увеличении жидкостной нагрузки в аппарате [117, 132].

Алпараты и контактные элементы, использующие однонаправленность потоков и их продольно-поперечное секционирование, показали высокую эффективность проходящего в них процесса массооб-мена [14-19, 34, 93, 94, 114]. Проведенный сравнительный анализ методов интенсификации контактных устройств показал, что перспективными являются конструкции с каскадным движением жидкости [66].

Аппараты каскадного типа обладают целым рядом преимуществ. Во-первых, на поверхности пластин образуется тонкая пленка жидкости, в которой интенсивно происходят процессы тепло- и массообме-на. Во-вторых, взаимодействует практически вся поверхность фазового контакта, жидкость и газ (пар) находятся в состоянии постоянного перемешивания, устраняются такие дефекты, как захлебывание, образование байпасных потоков, брызгоунос, застойные зоны и другие, характерные для других насадочных или тарельчатых аппаратов. В-третьих, при относительно небольшом гидравлическом сопротивлении аппарата можно достигать значительных нагрузок по газу (пару) и, особенно, по жидкости (подобные аппараты испытывались при ско-

•5 л

ростях газа (пара) до 2,3 м/с и нагрузках по жидкости до 120 м /(м -ч)). Кроме того, в отличии от других пленочных аппаратов, нет необходимости заботиться о создании равномерно распределенного по периметру насадки тонкого жидкостного слоя.

Из аппаратов каскадного типа перспективными следует считать аппараты с нисходящим прямотоком в зоне контакта (с перекрестным током на каждом контактном элементе), работающие при высоких скоростях газа, а также при невысоких скоростях газа и значительных нагрузках по жидкости [78].

Гидродинамические условия эксплуатации насадок при перекрестном контакте фаз существенно отличаются от таковых при противотоке [60]. При перекрестном токе жидкость движется сверху вниз, а пары - горизонтально, следовательно, жидкая и газовая (паровая) фазы проходят различные независимые сечения, площади которых можно регулировать. Поэтому перекрестноточный контакт фаз позволяет регулировать плотность жидкостного и газового (парового) орошений изменением сливной щели и расстояния между пластинами и тем самым обеспечить почти на порядок превышающую при противотоке скорость паров (в расчете на горизонтальное сечение аппарата) без повышения гидравлического сопротивления и широкий диапазон устойчивой работы аппарата.

Для успешного применения пленочной аппаратуры непосредственно в производстве необходимо знание методик расчета аппаратов. К настоящему времени существующие инженерные методы расчета аппаратов каскадного типа весьма противоречивы и часто носят эмпирический характер.

1.2. Общие принципы расчета

Основой современных методов расчета тепло- и массообмена являются дифференциальные уравнения движения, неразрывности, теплопроводности и диффузии. В совокупности с условиями однозначности они составляют систему уравнений, решения которой дают искомые поля скоростей, температур и концентраций среды. Данные уравнения выведены для бесконечно малого объема среды и отражают элементарный акт переноса субстанции: массы, энергии и импульса.

Уравнение движения для несжимаемой вязкой среды записывается следующим образом [26, 33, 50, 56]:

рР - ^абР + цУ2\у = р—,

ат

где р - плотность фазы, кг/м3;

р - вектор поля объемных сил (тяжести, центробежных и других), Н;

Р - силы давления, Па;

¡1 - динамический коэффициент вязкости фазы, Па-с; у/ - вектор скорости, м/с; т - время, с.

Если рассматривать стационарные процессы, то для каждого замкнутого объема соответствующей фазы можно написать уравнения движения и неразрывности [57, 59, 62, 72, 86, 89]:

рР - §таёР + рУ2^ = р(ш,^асНу); СИУ\У = 0.

Общее дифференциальное уравнение переноса субстанции для процессов тепло- и массообмена при непосредственном контакте сред можно представить как [5, 41, 44, 77, 81]:

^ = (1.2) ат

ас дС дС дС дС где —— = — + лух —— + \уу —— + \у2 — - полная, субстанциональная

ат от 5х оу оъ

производная изменения концентрации субстанции; ^ - вектор диффузионного (молекулярного) переноса - плотность потока субстанции.

При расчете процессов тепло- и массообмена в контактных аппаратах достаточно определить потоки переносимых субстанций (масса и теплота) и их потенциалы (влагосодержание и температура) на границах пограничного слоя. Поэтому для потока газа можно записать уравнение диффузионного пограничного слоя в форме уравнения Лапласа [4, 5]:

(1.1)

у2а = о, (1.з)

где (1 - массовое влагосодержание (абсолютная влажность) газа, кг пара/кг сухого воздуха.

Для математического описания теплового пограничного слоя служит уравнение переноса энергии [26, 100]:

У2Т = 0, (1.4)

где Т - температура, К.

В общем случае найти аналитическое решение системы (1.1, 1.3, 1.4) весьма затруднительно. Считают, что уравнения движения и неразрывности допускают автономное решение, так как в совокупности со своими краевыми условиями они составляют замкнутую систему. Система уравнений теплопроводности и диффузии незамкнута. Чтобы система была замкнутой, необходимы дополнительные уравнения, включающие неизвестные переменные.

В адиабатном процессе тепломассообмена при непосредственном контакте газа с жидкостью, происходит испарение жидкости без подвода теплоты извне. Теплота, затраченная на испарение, отбирается от газа - происходит взаимокомпенсация теплоты парообразования (скрытой) и явной теплоты.

Разработка методов расчета тепло- и массообмена в контактных аппаратах с использованием дифференциальных уравнений переноса во многом основывается на данных о распределении параметров в пограничных слоях, определяющих граничные условия при решении системы уравнений [35, 72, 80]. Существующие представления базируются на двух основных положениях [4]:

1. Градиенты температур и концентраций пара между газом и жидкостью имеют разные знаки вследствие взаимной компенсации потоков явной и скрытой теплоты;

2. Тонкий слой насыщенного газа, примыкающий к поверхности жидкости, имеет температуру, равную температуре этой поверхности.

Пусть в ядре потока газа имеем параметры: температуру X, влаго-содержание (1 и функцию