автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Методы расчета и создание новых аппаратов для разделения газожидкостных систем в поле центробежных сил

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

СИСТЕР ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И СОЗДАНИЕ НОВЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ

Специальность 05.17.08— Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1994

Работа выполнена в Государственном ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательском и проектном институте азотной промышленности и продуктов органического синтеза (ГИАП).

Официальные оппоненты: академик РАН, доктор технических наук, профессор А. М. КУТЕПОВ, доктор технических наук, профессор И. И. ПОНИКАРОВ, доктор технических наук, профессор Л. Я. ТЕРЕЩЕНКО.

Ведущая организация: Российский научный центр «Прикладная химия».

Защита состоится <(.34 » . 1994 г. на за-

седании специализированного совета Д 063.44.01 при Московской Государственной академии химического машиностроения по адресу: 107884, ГСП, г. Москва, Б-68, ул. Старая Басманная, 21/4, ауд. Л-27.

С диссертацией можно ознакомиться у ученого секретаря спецсовета.

Автореферат разослан «25"» СРЯ-УрО-Ли 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета д. т. н„ проф.

А. С. ТИМОНИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Процессы разделения являются важнейшими элементами химической технологии . В связи с этим большое значение имеет разработка высокоэффективных аппаратов данного класса, отвечающих условиям сбережения энергии и материальных ресурсов, уменьшения капитальных затрат, повышения надежности, обеспечиваюда при этом интенсификацию действующих и проектируемых производств.

Одним из перспективных направлений в области аппгратостроения являются сепарационные устройства, использующие эффект действия поля центробежных сил. позволяете наиболее полно реализовать преимущества новых энерго- и ресурсосберегающие технологий.

Центробежные аппарата характеризуются высокой эффективностью, простотой конструкции и низкой металлоемкостью. Применение данного типа оборудования позволяет также существенно интенсифицировать процесс массообмена за счет увеличения скорости движения Фаз.

В настоящее время центробежке аппараты начинают активно внед-.рять в производствах самых разнообразных химических продуктоз: аммиака. метанола, азотной кислоты, капролактама. а также для решения экологических проблем.

Однако необходимо отметить, что имеющаяся неоднозначность результатов экспериментальных и теоретических исследований процессов, проходящих б по.ле действия центробежных сил. а также разнообразие технологических параметров и способоз создания закрученного потека привело к появлений многочисленных математических моделей и конструкций аппаратов, которые применимы только в узком диапазоне заданных параметров. Разрабатываемые центробежные аппараты рассчитываются. ■ как правило, с использованием эмпирических зависимостей, основанных на измерении лись интегральных характеристик процесса.

- г -

По этой причине не всегда удается достичь оптимальности в решении вопросов сепарации двухфазных сред, что выражается в наличии высокого гидравлического сопротивления центробежных сепараторов-, возникновении в них вторичного уноса, чувствительности к колебаниям нагрузки по Сазам, и, как следствие, пониженной эффективности ведения технологических процессов. В срязи с этим возникает необходимость дальнейших глубоких исследований гидродинамики газожидкостных закрученных потоков, позволяющих детально выяснить картину процессов. протекающих на микро- и макроуровне, и соответственно,повысить точность и надежность проектирования центробежных аппаратов.

Ввиду сложности и многообразия режимов существования закрученных двухфазных течений целый ряд необходимых для конструирования аппаратов вопросов остается недостаточно изученным. Поскольку эффективность сепарации определяется требованиями конкретного процесса. больное значение приобретает правильный расчет скоростей движения фаз, при которых достигается высока'я степень разделения без возникновения вторичного уноса. При этом необходимо обеспечить строгое соблюдение технологических параметров процесса и отвод от-сепарированной жидкости из зоны контакта фаз. Однако_ решение этих задач затруднено, поскольку нет полной ясности относительно режимов течения.пленки в нисходящих закрученных газожидкостных потоках, условий рационального отвода отсепарированной пленки жидкости и степени влияния отвода жидкости на структурные характеристики газожидкостного потока. Без решения этих, а также ряда других вопросов

«

дальнейшая оптимизация процессов газожидкостного разделения становится трудноразрешимой задачей.

Анализ работы отечественных промышленных агрегатов . получения лмхиак; и .метанола показывает . что несовершенство стадий подготов-

ки технологического газа и выделения готового продукта приводит к неоправданным потерям последнего, перерасходу сырья и энергоресурсов. Интенсификация сепарационных процессов при получении аммиака и метанола является актуальной задачей, а также имеет большое прикладное значение в других производствах химической, нефтеперерабатывающей. нефтехимической и микробиологической промышленности.

Наряду с сепарацией изучение гидродинамики закрученных газожидкостных потоков имеет важное значение и в процессах массоперено-са. Известно, что увеличение скорости движения фаз в массообменных устройствах приводит к резкому возрастанию коэффициента массоопере-дачи. но одновременно сопровождается ростом потерь продукта за счет уноса. Малоизученность данного вопроса не позволяет достаточно широко и эффективно использовать центробежный эффект в массообменных аппаратах. Очевидные преимущества закрутки потоков, такие как снижение габаритов массообменных аппаратов при росте производительности. снижение уноса и увеличение эффективности массообмена делают решение данной задачи достаточно актуальным.

Указанные выше недостаточно изученные теоретические и прнклад-/

ные вопросы гидродинамики закрученных газожидкостных потоков, а также очевидная актуальность' их решения обусловили необходимость дальнейшего исследования данных процессов.'

Цель работы. Еыявление особенностей гидродинамики двухфазных газожидкостных систем в поле центробежных сил. Разработка и внедрение в инженерную практику методов расчета и моделирования аппаратов с закрученным газожидкостным потоком, обеспечивающих проведение высокоэффективных процессов разделения и массообмена газожидкостных смесей. Создание на основе полученных технических решений новых типов оборудования для разделения газожидкостных систем в центробеж-

ном поле. Разработка на их базе современного аппаратурно-технологи ческого оформления сепаративных и массообменных процессов, внедре ние которых внесет значительный вклад в ускорение научно-техничес кого прогресса в азотной и других отраслях химической промышленности.

Научная новизна работы. Впервые.исследованы в широком диапазоне изменения гидродинамических и физических параметров режимы течения пленки жидкости в условиях нисходящего закрученного прямотока. Установлено влияние различных параметров на режимы течения пленки и определены границы возникновения вторичного уноса. Обобщен обширный экспериментальный материал по режимам течения жидкой пленки в Бинтовом канале центробежного сепаратора в виде эмпирических зависимостей. Получены новые критериальные уравнения, позволяющее определить критические параметры движения газа и пленки жидкости, при которых происходит нарушение гидродинамической устойчивости пленки и возникает вторичный унос.

Экспериментально определены профили скорости и пульсаций компонент скорости в винтовом канале с непроницаемой внешней стенкой и с отсосом газовой фазы на внешней стенке канала. Разработана математическая модель для определения профиля тангенциальной, скорости потока в винтовом канале.

Экспериментально исследовано влияние скорости газовой фазы на эффективность сепарации и трансформацию дисперсного состава капельной жидкости в винтовом канале.

Экспериментально исследовано влияние отсоса газа на структурные характеристики газового потока, эффективность сепарации и трансформацию дисперсного состава капель в винтовом канале с прони-цемой внешней стенкой.

Разработана математическая модель процесса сепарации капель, учитывающая дисперсный состав капель и особенности движения капель в винтовом канале, разработана методика инженерного расчета центробежного винтового сепарациснного устройства. .

Проведены экспериментальные исследования гидродинамических и массообменных характеристик центробежного абсорбера. Показана более высокая его эффективность в сравнении с'существующими устройствам;;

для выделения диоксида углерода из смеси газов. Разработана матема-■»

тическая модель для описания процесса массообмена в центробежном абсорбере.

Разработаны и внедрены новые высокоэффективные конструкции центробежных сепарационных устройств.

Практическое значение работы. На основе проведенных исследований внедрены :

- сепаратор-маслоотделитель спирального типа для очистки технологического газа высокого давления в агрегате синтеза аммиака мощностью 200 тыс.т в год (АМ-600) на РустаЕском ПО"Азот" с экономическим эффектом 116,1 млн. руб.«);

- Фильтр-маслоотделитель винтового типа для очистки технологического газа высокого давления в агрегате синтеза аммиака мощностью 200 тыс.т в год (АМ-600) на Ровенском ПО "Азот", с экономическим эффектом 116.1 млн. руб.;

- центробежный сепаратор для очистки отходящих газов от органических примесей на Черкасском ПО "Азот";

- циклонный сепаратор жидкого аммиака в агрегате аммиака мощностью •150 тыс.т в год (АМ-8С) на Иокавсксм Г.С'Азот" и Нсвоменделеевс:-::м

») здесь и далее экономический эффект указан б ценах июля 1993 г.

ХЗ с экономическим эффектом 140 млн. руб.;

- центробежный сепаратор на отадии очистки конвертированного газа в агрегате аммиака мощностью 450 тыс.т в год (АМ-80) на Ионавском ПО"Азот" и Новоменделеевском ХЗ с экономическим эффектом 15 млн. руб.;

- освоено производство сепараторов спирального типа на заводе "Ке-меровохиммаш;

- освоено производство сепараторов винтового типа на Сумском МНПО им. Фрунзе:

- освоено производство мультициклонных сепараторов на заводах "Уралхиммаш" и "Дзержинскхиммаш";

- освоено производство сепараторов циклонного типа на заводах "Уралхиммаш". "Пензхиммаш" и на Московском экспериментальном заводе химического машиностроения.

.В соответствии с Государственным планом развития химической отрасли спроектированы и согласованы с заводами-изготовителями:

- сепаратор жидкого аммиака в агрегате синтеза аммиака мощностью 1500 т/сутки (АМ-85);

- сепаратор метанола в агрегате производства метанола мощностью 400 тыс.т в год (М-400).

Проектируются:

- сепараторы для выделения жидкого аммиака в агрегатах нового поколения. мощностью 500 тыс.т в год (АМ-90);

- сепараторы для выделения жидкого аммиака в энергосберегающих агрегатах аммиака с синтезом низкого давления (Р< 80 атм) , мощностью 500 тыс.т в год (АМ-90-2);

-сепараторы для выделения жидкого аммиака из танковых газов агрегатов зхмилка мощностью 240 тыс.т в год (АМ-660-?).

Общий расчетный экономический эффект от внедрения вышеупомянутых разработок на весь обьем производства составляет 2.7 млрд.руб.

Проданы лицензии КНР. а также разработаны, изготовлены и поставлены в КНР по контракту N 71-037/03400-ССР-87109 в составе установки по производству метанола мощностью 40 тыс.т в год (М-40):

- центробежный сепаратор для выделения продукционного метанола из циркуляционного газа;

- центробежный сепаратор для выделения метанола из продувочных газов;

- центробежный сепаратор жидкого аммиака в цикле холодильной установки.

Разработана методика инженерного расчета центробежного сепаратора.

Полученные теоретические, экспериментальные и промышленные результаты могут быть рекомендованы для использования отраслевым организациям, специализирующимся в области разработки технологической аппаратуры (сепараторов. Фильтров, абсорберов, скрубберов, распределителей потоков и др.). а также институтам РАН. ведущим исследования з области теоретических основ химической технологии и процессов и аппаратов химических производств.

Обьем и построение работы. Диссертация изложена на 301 стр. машинописного текста, включает 111 рисунков и 13 таблиц, список литературы из 260 наименований. Диссертация состоит из пяти глав, основных выводов и приложений.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на: Всесоюзной отраслевой сколе по обмену опытом очистки технологического газа высокого давления от масла в производстве аммиака. Москва. 1972: III Республиканской конференции "Повышение зф-

фективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств". Львов, 1973; • I Всесоюзной конференции по изучению вихревого эффекта, Куйбышев, 1974; Семинаре научного совета АН СССР "Теоретические основы химической технологии". М.,1974,1975; II Всесоюзной конференции по изучению вихревого эффекта, Куйбышев, 1975; I Всесоюзной конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей, Сумы, 1975;.Всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты химических производств", Чимкент, 1977; I Всесоюзном совещании Минхимпрома "Абсорбция газов", Чирчик, 1979; Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии", Сумы. 1980; Всесоюзной конференции "Современные технические средства защиты воздушного бассейна от загрязнений", Москва, 1981;Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии" , Сумы, 1982; Третьей Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств (Химтехника-83)", Навои, 1983; Втором Всесоюзном совещании "Абсорбция газов", Гродно,1983; Втором Всесоюзном совещании по физико-химическим основам синтеза метанола и его переработке (Метанол-2). Северодонецк. 1983; Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств (ПАХТ-85)" ., Харьков. 1985; Третьем Всесоюзном совещании по физико-химическим основам синтеза метанола и ег(о переработке (Метанол-3).Новомосковск. 1986; Третьем Всесоюзном совещании "Абсорбция газов", Таллинн. 1987.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ: В го'.тоП главе приведены сведения о различных конструкциях се-

параторов для разделения газожидкостных смесей. Особое внимание уделено экспериментальным и теоретическим исследованиям центробежных сепараторов с осевым и тангенциальным вводом разделяемых потоков. Дан анализ конструкций современных сепараторов производства аммика и метанола. На основании анализа литературных данных сформулированы основные направления исследований.

Вторая глава посвящена исследованию'гидродинамической устойчивости 2 рода нисходящего течения пленки жидкости в винтовом канале (здесь и в дальнейшем под нарушением гидродинамической устойчивости понимается нарушение сплошности поверхности пленки жидкости, т. е. появление вторичного уноса). Опыты проводили при атмосферном давлении на 76 центробежных элементах, отличающихся геометрическими характеристиками. Диаметр элементов изменялся от 0.1 до 0.19 м, угол наклона винтовой линии от 8 до 60? ширина винтового канала от 5 до 40 мм. Применение з опытах различных жидкостей позволяло варьировать динамическую вязкость более чем в 9 раз. поверхностное натяжение в 2.7 раза, плотность в 1.6 раза. Скорость.газа (воздуха. азота) в канале центробежного элемента изменяли от 10 до 120

Рис.1. Схема опытной установки ЕндкостаоП насос: 2,6-ротаметры жидкости и газа соответственно:3-вин?о-вои закручивавший элемент: 4-корпус: 5-система манометров: 7-емкостной датчик:8-ловупка:9-измерительный сосуд: 10-осциллограф

м/с (Rer= 6.7-10 - 8.0-Ю ).плотность орошения от 0.005 до 1.5 кг/м* «с (Re = 2. 6 - 2800). Режимы тачения пленки жидкости оценивали на основе измерений уноса и изменения ее толщины . Для этих целей использовали разработанный емкостной метод и пленкоуловитель. Схема установки представлена на рис. 1.

Анализ системы параметров, определяющих гидродинамическую устойчивость пленочного течения с привлечением теории размерности показывает. что величина уноса жидкости может быть представлена в виде:

На рис.2 приведены результаты серии экспериментов по определению критической области по числу Рейнольдса жидкости. При этом была подтверждена справедливость аппроксимации величины относительного уноса критериальным уравнением (1).

Определение области критических значений безразмерных параметров позволило приступить к нахождению их взаимосвязи методом экстремального планирования эксперимента. Лля ; C'i.:;:ociL!,i:.; длн-

Рис.2 Зависимость величины относительного уноса от Критерия РеЙНОЛЬДСа SHflKOCTH:I-tga=0,74.К,=2049, Rer =4 9 026 :1-Ga=3704, 4 -198048; Кр =5177, Rer = 36937 : 2-Ga=3 704,3-27088,5-198084.II-tga=0,47 . Kp = 3613,Rer-= 4 2 981 :6-Ga = 3704,9-198084.II I-ega-0,32.KP=2049,Re = =4 9026:7-Ga=3704,3-27088;Ga=27088:10-K=3613, .Rer»4 29Bl:ll-Ke=5177, Ker=3 6937

ного метода была осуществлена серия экспериментов, позволившая установить границы критической области: йвг - 37000 - 49000: Яе*.» 93 - 300: ба = 3700 - 198000:/^ = 2049 - 5177;^о< = 0.3 - 0.74. На основании статистической обработки опытных данных получено уравнение регрессии второго порядка, адекватно аппроксимирующее экспериментальные данные по уносу жидкости с поверхности пленки: е = 3,657 + 1.355Х,- 0.69х_,+ 2.172х^- 1.967х^+ З.ОПХ^.-

- 1.331Х х + 0,331х,х - О.бОбх х + 0.756Х.Х - 0. 406х X + (2)

12. »а

+ 0.806х2х++ 1,543х^- 1.831х^х^+ 1.856х_?хг- 1.98x^.4^ ЬбЭЗх^ где х,= йег: х2= Кр: 1п Ие^.; 1п йа; ху 1п .

Уравнение регрессии позволяет лишь ориентировочно оценить координаты критической области. Для более детального ее изучения была осуществлена серия экспериментов в окрестности критической области.

Было установлено, что помимо влияния чисел Рейнольдса газа йег и жидкости /?е*на появление укоса существенным образом влияет поле центробежных сил. Так. с ростом тангенса угла наклона винтовой линии влияние центробежных сил уменьшается и все большее влияние на величину уноса сказывает £ег и, при^о( > 0.74 расходные характеристики жидкой Сазы .а таете центробежные силы уже мало сказываются на гидродинамической устойчивости поверхности пленки, жидкости. и наоборот, при <0.3 превалирующее влияние на процесс оказывало Кех и центробежные силы. Изменение влияния !£ег и Яе^г.э. устойчивость пленочного течения при различных значениях ^ о( может быть обьяснено тем, что центробежная сила, прижимающая пленку к поверхности обечайки, зависит от величины (К'гсо$&)г.а сила трения, приводящая к волнообразованию и срыву гребней волн растет пропорционально величине скорости газа.

Сизичеекие свойства системы оказывал;' существенное влияние на

^-г.чз.

(3)

возникновение критических явлений. С увеличением вязкости и поверхностного натяжения происходит, смещение области критических явлений в сторону больших значений плотности орошения. Обнаружено, что плотность жидкости практически не влияет на ее унос. Обработка этой серии экспериментальных данных методом последовательного приближения' выявила следующую зависимость для определения критических значений параметров:

+ (Цх)

Максимальное отклонение от экспериментальных данных не превышает 15 %.

Одним из основных параметров, характеризующих пленочное течение жидкости, является ее толщина. В результате исследования волновых характеристик пленки жидкости было показано ,что в центробежном поле сохраняется та же степень влияния плотности-орошения на среднюю толщину пленки, что и для гравитационно стекающей.

Установлено существенное воздействие на данный параметр ско-роста газа 5 ~ и/г .По мере увеличения тангенса угла наклона винтовой линии ~Ьдс( наблюдался рост толщины пленки Б И лишь при сх > 53° (-¿¿^ с* >1.32) толщина пленки становилась соизмеримой с ее толщиной при двухфазном аксиальном течении. По,-лученные данные позволяют утверждать о незначительном влиянии физических свойств жидкости на изменение средней толщины пленки. Влияние поверхностного натяжениям и плотности жидкостипрактически отсутствовало, а влияние динамической вязкостив данных условиях проявлялось значительно слабее, чем в свободно стекающей пленке. ?то о(. леняется высоким уровнем турбулизации пленки вследствие бо-

лее высоких скоростей течения.

Визуальные наблюдения, а также анализ многочисленных осциллограмм позволили сделать вывод, что в зависимости от условий экспериментов возникает три типа волн, отличающихся масштабом возмущений, характеризующихся величиной относительной амплитуды ^ - отношение высоты волны относительно линии средней толщины пленки к средней толщине пленки) - мелкие волны =0.1 - 0.15), крупные волны =0.35-0.4) и поверхностные волны (р = 0.55 - 0.65).

Изредка фиксировали появление флуктуаций большой амплитуды ^з = 1 -2. В целом величина возмущений является сложной функцией плотности орошения Г . скорости газа Уг . тангенса угла наклона винтовой линиии коэффициента динамической вязкости жидкости^* . Однако несомненно увеличение расхода жидкости, при прочих разных условиях. приводило к возрастанию масштаба возмущений. И наоборот, при увеличении скорости газа происходило уменьшение масштаба возмущений, что. видимо, обусловлено действием касательных напряжений и "расплющивающим" влиянием мощного центробежного поля. Увеличение вязкости и уменьшение тангенса угла наклона винтовой лини:-: также приводило к снижению масштаба возмущений.

Жидкую пленку следует рассматривать состоящей из двух слоев: непрерывного . прилегающего непосредственно к стенке, не участвующего в волновом движении, и волнового . находящегося в состоянии постоянного динамического изменения. Как видно из рис.3 с ростом плотности орошения толщина волнового слоя заметно увеличивалась. Однако при определенном значен;:;: данного параметра- Гкр рост масштаба возмущений замедлялся. По мере дальнейшего увеличения расхода жидкости не происходило заметного изменения масштаба возмущений - наблюдалась тенденция к уменьшен;!:-: влияния

'¿о м

/оа

ео го

7 о 60

плотности орошения Г на толщину волнового слоя пленки. . Т*о есть, при Г > Г наступает унос

Г КР

жидкости, что приводит к изменению характера комплексной системы волн.В опытах не было обнаружено заметного различия влияния скорости газа . вязкости жидкости и геометричес- • ких характеристик модельного

элемента на поведение обоих ^«АМ« ^«^«к»*« •

Рис.3. Зависимость толщины

слоев пленки. Более того, эти волнового слоя эв от плотности

орошения, жидкость В;1-иг=40 м/с: корреляции практически идентцч- сд«=о,74: , 2-иг =55 м/с, сда-о,з,-

3-Иг= 70 м/с: Сда=0 , 74 ны зависимостям, полученным для средней толщины пленки.

.Экспериментальные данные обрабатывали в виде степенной зависи-

мости

^глг" и; у.

(4).

Коэффициент и показатели степени определяли по методу наименьших квадратов. В табл. 1 приведены их значения с 90 %-ной доверительной • вероятностью.

Предложенное уравнение аппроксимирует экспериментальные данные с максимальным отклонением, не превышающим 14 %.'

Третья глава посвящена, исследованию движения газовзвеси в винтовом канале.

Эксперименты проводили на моделях канала винтового сепаратора крадрлтного поперечного сечения размером ахЬ.равным 30x30 и 50x50 с -агсм винтовой линии 76 мм. Схема установки представлена на

рис. 4. Радиус кривизны внешней стенки канала в обоих случаях состав-

NN I Коэвси- I Р е * и и течения

п/п! цнент I --------------------------------------------

| и пока- I УстоЯчивыЯ пленочный I Дисперсно-пленсчныЯ

I гатели I и возкужегаай плено- I

I степени I чипам

I

лял 130 мм. а угол 1

поворота в горизон- 1 | г 1 1 5„ 1 5 Г 1

тальной плоскости 1Р~ 1 А 0.019 0. 018 0.015 0.019 0.01 0.015

о _ 360 . Внешняя 2 т' 0.33 0.45 0.25 0.33 0.2 0.25

стенка какала была

3 п -0.93 -0.93 -0.93 -0.93 -0.93 -0.53

перфорирована от-

верстиями диаметром 4 к 0. И 0.С6 0.09 0.11 0.06 0.09

2 мм. Свободное се- 5. 1 0.093 0 0.11 0.093 0 0.11

чение- отверстий диапазон иссл еюв&чных значе кия параметров

составляло 3%. Меж-

ду перфорированной Г .Л/М'С Уг. м/с

стенкой и корпусом 0. 005-0.3 30 -80 о.з- 1.32 1-3.5

сепаратора находилось свободное пространство.Дренах

(•) Указанные пленочные режачы отличались масгга!:ч воли, а также возм:*ным уяоссм отдельное капель б возмущенно* ги-енсчн:ч режиме.

жидкости, попавшей за перфорированную стенку, осуществляли через штуцер. В корпусе и в перфорированной стенке канала были выполнены отверстия для датчика измерения скоростных характеристик потока газа и организации отсоса газа через перфорацию внешней стенки.

Эксперименты проводили на системе воздух-вода. Измерения полей скорости газа осуществляли с помощью комплекса термоанемометричес-кой аппаратуры Т51 - 1050 в пяти поперечных сечениях канала, через

о

каждые 90 по углу поворота. Точность определения осреднениях компонентов скорости флуктуацпй скорости, составляла порядка 5\:.■Гракц;:-

Таолица I

Рис.4. Схена опытной установки: 1 - полезь виитоеого канала: 2 - диафрагма: 3 - ли*.»«-нометр; 4 - форсунка; 5 - целевая ловушка; 6 - измерительный участок; 7 - блок терма-немокетричесхой аппаратуры; В - датчик тармсанемометра: 9 - лазер; 10 - расшрии-ль луча: 11 - линза Фурье: 12 - фотоэлектрический детектор: 13 - мультиплексер: К - аналого-цифровой преобразователь; 15 - киниконпыотер: 16 - принтер; 1.П.III.IV.V - сечения. в которых произзодиля измерения кокнонент скорости и их турбулентных пульсация по ходу движения потока

онный состав капель на входе и выходе из'канала определяли с помощью лазерного анализатора дисперсного состава частиц Malvern ST1800S. Использование этого прибора позволяло определять диаметр капель с ошибкой 2-4%. Унос жидкости из винтового канала определяли методом баланса по разнице между количеством жидкости, подаваемой на входе и выделенной на выходе в виде пленки. Для отсечки и отвода пленки жидкости на выходе устанавливали пленкоуловитель.

Проведенные эксперименты в диапазоне изменения чисел Рейноль-дса Rer= (1-2)• 1 (^показали. ,что максимум тангенциальной скорости U„,3X в сечении I (рис.4) (<Р= 0). где<р~азимутальный угол вдоль винтовой ллшш, находится вблизи внутренней стенки канала 0.86) как в канале с перфорированной внешней стенкой, так и в . канале с •••• проницаемой внешней стенксн. Далее максимум тангенциальной скс •

роста непрерывно смещается к внешней стенке, причем ухе з сечениях II. III в канале с перфорированной внешней стенкой максимум скорости располагается практически вплотную к внешней стенке. В калале с непроницаемой внешней стенкой профиль тангенциальной скорости быстро перестраивается и приобретает устойчивую форму уже к сечению II и остается практически неизменным вплоть до выходного сечения V. при этом максимум скорости в этих сечениях располагается на фиксированном радиусе F" =0.33. .

В исследованием диапазоне изменения нагрузки пс газу пр::п.гп

относительной тангенциальной скорости и /и по длине канала с неп-

/ГО х

роницаемой внешней стенкой практически одинаковы для разных расходов газах т.е. не зависят от расхода газа, что видно из рис. 5. Г.ри

п

10

о - /

а - ;

• -}

Л - i

о - I

. - 2

х - I

о - (

0 . 5

1 - 2' ч/ - J' ^ - i> ■ - S'

4 6 3 10'

1; 1,2-а«Ь = 50«50

мм.

4 _6_0 13

Рис. 5. Зависимость и/й««»£(г)¡а-сеченке

>[''с, 1-бсз отсоса. 2-е отсосо;:: 3,4 - ахЬ^ЗО.ЗС мм, 3-ис<- » 9,5 м/с, =2.0 ;:/;: з-сечекке V, 1-а>Ь=5Э*50 к::. ис>=-!,5 к/с,2.

3.4,5- а.Ъ.30x30 кк. иСР »3,5 Н/с.2.3.4.5-ахЬ-ЗО.ЗС мх. ио-»5,0 м/с'

г= (Кг-г) / (К2-Р.1) _

?том для всех расходов газа выполняется соотношение и и^ ' С."с.

Измеренные профили тангенциальной скорости могут сыть аппроксимированы уравнением:

коэффициенты которого представлены в табл.2.

Полученные экспериментальные данные показывают, что в'канале с перфорированной внешней стенкой в зоне перестройки структуры потока профиль радиальной скорости v подобен профилю тангенциальной скорости и . т.е. выполняется соотношение: v-const и.

Сопоставление профилей тангенциальных и' и радиальных v' пульсаций скорости показало, что у стенок канала поле турбулентных пульсаций существенно анизотропно в отличие от ядра потока, где анизотропность менее выражена.

Величины турбулент- _Тавли'и*2

ных пульсаций скорости F А к

непрерывно уменьшаются ^^ (канал а х- ь. 50 х 50,, и 30 х 30 мн)

по длине канала по мере от о до о, ее 1.02 0.155

ОТ 0,86 до 1 0.84 - 1,156

перестройки структуры ■

осредненного потока. Сечеиие 2 ( канал а х Ь - 50 х 50 им); сечения!-? (канал

Обнаружено. что а х ь • 30 х 30

от 0 до 0.33 1.15 0.127

структура потока в вин- от0.3здо1 ол - 0,324

товом канале значительно -:-----

более сложная, чем в прямолинейном. Так. для профиля напряжений Рейнольдса для течения без отсоса характерно ' наличие чередующихся зон положительных и отрицательных значений напряжений. В канале .с отсосом размеры зоны с положительными значенями Напряжений Рейнольдса резко'сокращаются.' Следует отметить, что в прямолинейном канале напряжения Рейнольдса всегда отрицательные. На.основании уравнений для пульсационных характеристик потока проведен анализ слияния особенностей потока в винтовом канале на турбулентные параметры пото-

Из уравнений.движения и неразрывности потока, записанных в цилиндрической системе координат получена математическая модель для определения профиля тангенциальной скорости газового потока ч винтовом канале. Найденное в результате построения математической модели выражение для профиля тангенциальной скорости имеет вид: _ср - 24? -3<Р

и = а0(о)е -г + ог(о)е - г (6)

гле ср =//(<?) с! V5 у/ц ,Ое(о), а ¿с). аг(о)- рассчитываемые

коэффициенты, зависящие от в сечении У = 0.

Положение максимума тангенциальной скорости для произвольного угла ¥> определяется выражением:

О

Ло) *

Гта* ~ 2сг(о) в (?)

Для оценки влияния отсоса на структуру течения в винтовом канале поперечного сечения 50x50 мм были проведены эксперименты по ' определению полей скорости газового потока. Отсос газа осуществляли через перфорацию внешней стенки.

Опыты проводил;! при постоянном расходе газа (иср= 4.5 м/с). Отсос в экспериментах составлял 15 и 85 % ' от общего количества подаваемого газа.Поля скорости измеряли в сечениях 1-1V (рис.4). Опыты показали, что отсос газа практически не оказывает влияния на профиль относительной тангенциальной скорости й/й^нз. входе в канал {сечение I). который аналогичен профилю £/"/¿7^. полученному в сечении I без отсоса газа. Установлено, что умеренный отсос газа (15") начинает оказывать заметное влияние на распределения и /и,^, У* 'У/пл и У по радиусу только б сечении IV. что выражается соот-

ветственно в смещении максимума тангенциальной скорости вплотную г внешней стенке канала, уменьшении значений тангенциальных пульсаций скорости и области положительных значений рейнольдсовских касательных напряжений у внешней стенки. Сильный отсос (85%) существенно изменяет характер течения в области внешней стенки винтового канала,' начиная с сечения II.В результате интенсивного отсоса пограничного слоя, относительная тангенциальная скорость и монотонно возрастает по радиусу и достигает максимального значения вблизи внешней стенки канала. Значения тангенциальных пульсаций скорости резко уменьшаются у внешней стенки. Таким образом, отсос газа понижает уровень турбулентности в этой области. Сильный отсос газа приводит к исчезновению в сечейиях III.IV области положительных значений касательных напряжений Рейнольдса вблизи внешней стенки, а в сечении II эта область заметно уменьшается, хотя характер распределения4^ по радиусу в целом не изменяется.

Анализ экспериментальных данных показывает, •что эффект отсоса-наиболее заметно проявляется в области внешней стенки и незначительно влияет на структуру ядра потока и практически не влияет на зону, расположенную вблизи внутренней стенки канала. В. то же время установлено, что отсос газа не оказывает заметного влияния на характер профиля относительных радиальных пульсаций скорости

На основании анализа уравнения движения частицы жидкости в условиях закрученного потока проведена оценка скорости осаждения частиц жидкой фазы в винтовом канале. Получено уравнение для расчета скорости осаждения частиц жидкости в винтовом канале для различных режимов осаждения, позволяющее учитывать реальные поля скорости газового потока, имеющее для инерционного режима движения .частиц решение в квадратурах в виде:

ч,с=[2А ^¡Щй^'^уь

К/

В уравнении (8) в качестве профиля скорости используются найденные эмпирические выражения (5) для каналов без отсоса или выражения (6) для каналов с отсосом.

Использование выражения (8) позволяет повысить точность инженерных расчетов при проектировании винтовых статических заверителей.

Проведен анализ влияния турбулентных характеристик потека на процесс осаждения мелкодисперсных капель на внешнюю стенку канала под действием центробежной силы. Получено оценочное выражение для локального потока капель на стенку, имеющее вид:

СР

9рг

Расчет, проведенный по формуле (9) показывает, что при -152-ном отсосе локальный потек капель на внешнюю стенку в 1.45 раза больше, чем без отсоса.

С целью установления влияния отсоса и скорости газа на эффективность сепарации жидкой фазы в винтовом канале были проведены эксперименты'на модели винтового канала поперечного сечения 50x50 мм, при изменении средней по сечению канала тангенциальной скорости газа в пределах от 5.0 до 25 м/с I! постоянной плотности орошения Г- 4.16« 10 кг/м-с. Величина отсоса в опытах составляла 3,0 и 153.

Исследование показало, что при отсутствии отсоса с увеличением скорости газа доис/, = 18 м/с наблюдается уменьшение уноса жидкости. Дальнейшее увеличение скорости приводило к резкому возрастания уноса. что ооьясняется нарушением гидродинамической устойчивости отсе-

парированной пленки жидкости. Б результате проведенных испытании г визуальных наблюдений установлено, что основная масса «идкосчи сепарируется на внешен стенке канала на участке 0 <^<180? Остагыш-* жидкость распределяется по поверхности внутренней стенки, нижнего и верхнего основаниям канала, а такие содержится в виде капель ь выходящем потоке.

Установлено, что наличие отсоса приводит к уменьшению уноса ъ области закритических значений скорости газа (ыСР > 18 м/с), соответствующих срыву жидкости с отсепарированноп пленки. Это объясняется отводом основной массы жидкости. сепарирующейся на внешней стенке, через перфорацию вместе с отсасываемы}.! газом. В результате этого, вторичный унос этой жидкости становится невозможным.Незначительное увеличение уноса в области закритических значений скорости иСР обусловливается срывом жидкости с поверхности пленки, движущейся по внутренней стенке, верхнему и. нижнему основаниям канала.

При определении эффективности работы сепарационных устройств важно знать дисперсный состав капель, уносимых из аппарата, и наибольший диаметр капель, не улавливаемых в сепараторе.

Определение дисперсного состава капель, уносимых потоком газа, проводили на модели винтового канала размером поперечного сечения 50x50 мм. Среднюю по сечению канала тангенциальную скорость газа uCf, изменяли от 5.0 до 25 м/с. Эксперименты проводили при постоянной'плотности орошения Г =4.16- 103кг /м-с-.

В результате экспериментального исследования фракционного состава капель на входе в винтовой канал было найдено, что минимальный диаметр капель df»in составляет порядка 1.9 мкм. максимальный = 187.62 мкм. среднемассовый диаметр частиц в распределении o/so= 36 мкм, а распределение капель по размерам описываается уравнением Ро-

зина-Раычлера. Экспериментальное определение дисперсного состава капель на выходе из винтового канала, при поддержании практически неизменного Фракционного состава частиц на входе, показало, что .• изменением скорости происходит трансформация фракционного состава капель (табл. 3). а распределение капель по диаметрам монет быть аппроксимировано уравнением Розина-Рамклора. Как видно из табл.З. в области увеличения эффективности сепарации возрастание скорости газа приводит к уменьшению наибольшего диаметра капель с/^р, не уловленных в канале, и олв 18 ю. ю 6

среднемассового диамет- °'19 21 7,90 5

0-23 25 10.10 8

ра частиц а50. Еозрас- ' ______

тание уноса характеризуется увеличением и ¿Сс, и обусловлено сры вом капель с поверхности пленки жидкости.

Результаты замеров .фракционного состава капель на выходе иэ канала показали, что слабый отсос газа- (3%) оказывает заметное влияние на дисперсный состав капельной жидкости только в оСласти закритических значений скорости газа ШСР> 18 м/с) (табл. 3). ?. области докрнгических значений скорости (ис1> < 18 м/с) дисп-рекк;: состав капель при слабом отсосе практически соответствует Срак^:-онному составу капельной жидкости на выходе из канала. пслученн:му

Та б ЛИ'. 13 3

0 СГС, V«тt ^/г.р

у/с м/с мкм мкм

1 2 3 ■1 5

- - 6 53.43 12

- ■ - 11 28. 10 '.1

- - 18 12.55 6

- - 21 37.62 Э

- - 25 187.62 15

о.оз аек 0.04 21 12.95 6

о. оз 0 0. 05 25 15. 7в 9

без отсоса газа (табл. 3).

Влияние умеренного отсоса газа (15%) на дисперсный состав капельной жидкости на выходе из канала начинает сказываться при исг = 11 м/с. что выражается в уменьшении с/кг \\ dso (табл.3). Установлено, что с возрастанием скорости газа (ЦСР >18 м/с) при умеренном отсосе наблюдается снижение числа и массы капель самых мелких фракций (с/ <4 мкм) на выходе из канала, причем при ЦСР ■= = 25 м/с на выходе отсутствуют частицы диаметром менее'8 мкм.

Разработана математическая модель процесса сепарации в винтовом канале. На первом этапе..определяется поле скоростей газового потока в винтовом канале с отсосом или без отсоса на внешней стенке канала. При этом течение в канале моделируется уравнениями невязкой несжимаемой жидкости в форме Громеки^Ламбда. Решение задачи для функции тока 6 в плоскости поперечного сечения винтового движения капель и тангенциальной скорости имеет вид:

г лЧ.ЗД.Л " . (И)

где (Хп - У/7гЛг - Ап, & л - константы интегрирования.

^ (с(п ?")■ ^ (<*л модифицированные Функции Бесселя первого и второго рода.К . 2) - константы, определяемые по расходу газа и геометрии канала. Л - радиус. 2 - осевая координата.

На основании расчета траекторий движения капель разного диаметра, прошедших через разные входные участки, определяются аппрок-симационные зависимости, связывающие диаметр капли с азимутальнь:м углом, соответствующим пути, который прошла капля от входного участка до места попадания ее на внешнюю стенку сепаратора.

Найденные выражения (12) подставляются вместо диаметра капель в распределение Розина-Раммлера. Количество отсепарированной жидкости на участке от 0 доФ определяют в результате интегрирования полученного модифицированного распределения Розина-Раммлера с учетом скорости капель и их концентрации во входном сечении и суммирования по всем входным участкам:

м--/*! £ 2 [Д,-гг.- с0 (12)

о

Проведенные на основании полученных в модели формул расчеты ' показали, что основная масса жидкости сепарируется на расстоянии, равном половине витка канала (до 50-95 % всей жидкости), что удовлетворительно согласуется с нашими экспериментальными данными.

Приведена методика инженерного расчета центробежного винтового прямоточного сепарационного устройства.

Четвертая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию особенностей массообмена в поле центробежных сил и возможности создания на этой основе высокоэффективных газожидкостных массообменных устройств.

При распылении жидкости межфазная поверхность чрезвычайно велика, но возникающая при этом разница в скоростях между газовой фазой и каплями очень быстро выравнивается, что снижает эффективность массообмена.

Полученные экспериментальные и теоретические данные показали, что в поле центробежных сил можно быстро собрать распыленные капли, не-, допуская их попадания в неэффективный участок массоообмена. и ,кроме того, увеличить эффект скольжения фаз за счет создания поперечного движения капель в потоке. После этого осуществляется оптимальное смешение слоев отсепарированной жидкости между соб:й с ны-

равниванием концентрации абсорбированного вещества в жидкости и новое распнпение за счет энергии газового потока.

Экспсфиментальные исследования проведены ' на примере широко применяемого в промышленности процесса очистки газовых смесей от диоксида углерода водными растворами моноэтаноламина (МЭА). Схема экспериментальной установки представлена на рис.. 6.

Модель центробежного абсорбера, выполненная из органического стекла, состоит из трех цилиндрических камер, две из которых представляют собой однотипные по устройству массообменные ступени, а третья является сепаратором для отделения раствора хемосорбента от газовой Фазы.

Камера для массообмена содержит тангенциальный патрубок для подвода газа или смгои газа с хемосорбентом. Б нижней части камеры имеется сливное отверстие для вывода газожидкостной смеси из первой камеры во вторую и далее из второй камеры в сепаратор. В верхней части сепаратора установлен отсекатель жидкой пленки. Б нижней - патрубки отвода жидкости и газа. Газожидкостная смесь последовательно проходит через камеры и сепаратор.

Исследованы следующие диапазоны нагрузок абсорбера: по газу от 4 до 23 м3/ч: по МЭЛ - раствору - от 3.33-10 до 51.4--с3мг

Рис.6. Схема экспериментальной установки; 1-центробежный абсорбер: 2-6ак: 3-насос: 4, 5, 6-ротаметры 7,8-точки отбора проб: 9-регулнро-вочный вентиль: 10-электронагрева-

тель

Использованы водные растворы МЭА следующих массовых концентраций: 8,20.30.42,70 % при температурах: 20.30 и 43°С. При этом обьемное содержание диоксида углерода на входе в аппарат изменяли от 0, 1 до 9,0 %. Все опыты проводили при атмосферном давлении. Результаты экспериментов представлены на рис.7.

Полученные данные обрабатывали в виде зависимости коэффициента масс'опередачи К от сбьемной скорости газа V на входе в абсорбер.

В результате опытов установлено, что увеличение расхода МЭА незначительно влияет на коэффициент массопередачи, в то время как увеличение концентрации раствора МЭА приводит к резкому увеличению К. В еще большей степени, чем концентрация МЭА. на эффективность массообмена влияет температура раствора хемосорбента. Даже при меньшей степени орошения подогретый раствор более эффективен.

Было проведено К. н1/*'* сравнение коэффициентов массопередачи в процессе МЭА -очистки в исследуемом центробежном аппарате и в пле-

о - 2 4 - з

10 12 14 16 18 20 22

24 V.

ночном

искусс- рис у Зависимость коэффициента массопередачи К

тирннпй ' шрппхгта- от Расх°Да газа 1-расход НЭА-раствора-15,15 твеннои шерохова ил/с- концентрация МЭА-раствора-42 % вес.:

тогтып понрпхности 2-15,15, 30: 3-15,15, 20: 4-4,34, 20: 5-расход тостью поверхности. мЭА-раствора-0,94 мл/с, концентрация ЮА-раст-

в котором достига- вора_2° * вес-

ли-сь наиболее высокие значения коэффициента массопередачи. Результаты сравнительных испытаний показали, что в исследованном диапаз:-не нагрузок коэффициенты массопередачи для центробежнсгс а:с::;".-:-ра на 15 % превышают аналогичные для абсорбера с ;:с:-:у::т=енн:й _•:: -/•

ватостью.

Для пасчета массообменных процессов в мощном поле центробежных сил была разработана математическая модель процесса абсорбции, основанная на учете движения капель разного диаметра в газовом потоке. Разработанная модель учитывает дисперсный состав капель, а также влияние процесса сепарации на массообмен. Следует отметить, что разработанная теория применима для расчета процесса абсорбции как во вращающихся газовых потоках, так и в извращающихся газовых потоков. Расчет процесса абсорбции проводится следующим образом.

Из расчета траекторий движения капель различного диаметра определяется концентрация капель каждого диаметра и компоненты скорости капель данного диаметра в фиксированных сечениях абсорбера. Таким образом определяется концентрация' данной фракции капель вдоль длины абсорбера.

Затем рассчитывается диффузионный поток примеси (С0г) на капли различного Фракционного состава в разных сечениях абсорбера с учетом гидродинамической обстановки вблизи, капель. Интегрирование диффузионного потока по фракционному составу капель, подчиняющемуся закону распределения Розина-Раммлера,позволяет получить аналитическое выражение для нахождения концентрации примеси в газовой фазе вдоль длины абсорбера, которое имеет простой аналитический вид:

Со (х)- (сА - С £) е хр (- fF(<) а/х ) +С.s .

/V - .

Г / g {tz zz5 r Viz Vk .

x[*{tV™--7Ta J fa

При этом величины V„x (a,x)/ VoTHi ^ъ? определяются для каж-

дого сечения из численного расчета траекторий движения капель радиусом Л .

Проведенный расчет показал, что с увеличением среднемассового диаметра капель резко уменьшается скорость абсорбции, которая также резко снижается с уменьшением концентрации примеси (СО^) в газе или с уменьшением концентрации абсорбента в газе.

Этим объясняется высокая эффективность аппарата при использовании менее концентрированных к, следовательно, менее вязких растворов НЭЛ. Однако аппарат не исключает возможности применения концентрированных растворов, которые в этом случае необходимо подогревать.

Максимальное отклонение коэффициента массопередачи. рассчитанного теоретически, от экспериментально полученных значений не превышает 8-10 %.

Результаты сравнительных испытаний, а также данные других экспериментов позволяют сделать вывод о более высокой эффективности массообмена в аппарате, реализующем описанный выше принцип движения фаз, а также о целесообразности применения центробежного абсорбера в процессах выделения ■ диоксида углерода из смеси газов водными растворами МЭА, в частности в системах жизнеобеспечения.

На основании проведенных экспериментов разработана давая конструкция кассообменного аппарата (рис.8).

В пятой главе представлены конструкции центробежных сепараторов и фильтров, разработанных на основании результатов диссертации и . использованных для проведения различных процессов очистки газоз от капельной жидкости.

Аппараты различаются по своему функциональному назначению: - аппараты грубой очистки газа от жидкости:

- аппараты тонкой очистки газа от капельной влаги:

- комбинированные аппараты.

Центробежные сепараторы для грубой очистки газа от жидкости являются универсальными для многих технологий. Данный вид центробежных сепараторов разработан для применения в производствах аммиака и метанола. Они использованы на стадиях подготовки технологического газа, выделения готового продукта (аммиака, метанола) из циркуляционного газа и др.

В разработанной конструкции мультициклонного сепарато-

Рис .8. Абсорбер;1-корпус:2,3-штуцеры ра с винтовыми статическими подвода жидкости и газа соответственно: 4,5 штуцеры отвода жидкости и га-элементами за счет орипшаль- за соответственно: 6,7,8-входнай, рабочая и выходная камеры соответственного оформления узлов разделе- но: 9,10-распределителыше перегородки: 11 -массообменные элементы:12-се-ния потоков газа и жидкости в парационные каналы: 13-абсорбцнонная

камера:14-тангенцнальныП ввод:15-пат-ооьеме сепаратора и отвода от- рубок вывода газо»идкостноП смесн

сепарированной влаги удалось обеспечить надежную работу в режимах пуска, остановки и при резких колебаниях нагрузки на аппарат в условиях повышенного расхода газа и жидкости. Результаты экспериментального исследования данной конструкции сепаратора на лабораторном и полномасштабном стендах показали, что при достигнутых нагрузках по газу и жидкости обеспечивается эффективность сепарации, жилкой

фазы не менее 99,98 %. При этом наибольший диаметр неуловленных в сепараторе частиц составляет порядка 10-13 мкм при средней скорости газа в каналах центробежных элементов \л/а< = 25-45 м/с.

В представленной в диссертации новой конструкции спирального сепаратора исключается унос отсепарированной пленки жидкости за счет постоянного ее отвода из зоны непосредственного контакта фзз. Отвод отсепарированной пленки жидкости осуществляется по полым сетчатым трубкам, размещённым на внешней стенке спиральных каналов. (рис.9), по которым движется газожидкосткой поток.

На конкретном примере с помощью расчетных зависимостей обосновано применение и показана работоспособность данной конс-' трукции узла отвода отсепарированной жидкости.Проведенные экспериментальные исследования показали высокую разделительную способность спирального сепаратора. Унос жидкости при скорости газа во входном штуцере = 44- 54 м/с не превышал 0,05 % от общего количества подаваемой в сепаратор жидкой фазы. Наибольший диаметр капель неуловленных в сепараторе с/КРне превышал 10 мкм при изменении значений' Ц^от 19 до 54 м/с.

В разработанной конструкции циклонного сепаратора высокая эффективность разделения исходной газожидкостной смеси достигается за счет снижения вторичного уноса путем создания условий для сеспре-пятственного дренажа жидкости с поверхности вытеснителя и н-еЕ:зм:х:-но'сти взаимодействия нисходящего закрученного потока газа с рированной жидкостью в. обьеме аппарата. Высокая з:-:ектн5н;:тг

Рис.9. Спиральный канал; 1- поперечные ребра: 2-полые сетчатые трубки

(близкая к 100 %) данной конструкции сепаратора при критических режимах работы была подтверждена в результате сравнительных испытаний разработанной конструкции сепаратора с общеизвестной конструкцией циклонного сепаратора.

Аппараты для тонкой очистки газа от капельной влаги и тумана, обеспечивающие улавливание капель диаметром менее 10 мкм.предназначены для применения в процессах подготовки технологического газа.

Приведенная в диссертации конструкция фильтра обеспечивает высокую эффективность ведения процесса за счет увеличения поверхности фильтрации и непрерывной регенерации фильтрующего элемента в процессе эксплуатации.

Для достижения тех же целей служат комбинированные аппараты, обеспечивающие двухступенчатую очистку газа от жидкой фазы. В разработанных конструкциях сепараторов грубая очистка проводится в иоле центробежных сил. а тонкая - при помощи фильтрующих материалов. Один из комбинированных аппаратов с поворотным устройством, созданный для процессов с резкими колебаниями нагрузки по газу представлен на рис.Ю.

Рис.10. Аппарат для очистки газа от масла; 1-штуцер ввода газожидкос'тной• смеси:2-патрубок:3-крыика:4-коничес-ская камера:5-подвижная крышка ^-цилиндры: 7-винтообразный элемент: 8-прорези:9-обечайка:10-штуцер вывода очищенного газа: 11-поворотное устройство :12-крышка:13-фильтрующии материал: 14-итуцер отвода жидкости

' РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. Исследованы режимы течения пленки жидкости в винтовом канале в широком диапазоне изменения геометрических и физических параметров системы. На основании результатов исследования:

- определены границы критической области, характеризующейся нарушением устойчивости поверхности пленки;

- установлено, что состояние поверхности пленки жидкости зависит, в первую очередь, от расходов жидкости и газа и определяется также физическими и геометрическими свойствами системы;

- определена качественная картина механизма уноса с поверхности жидкой пленки и факторы, приводящие к возникновению уноса;

- получено уравнение регрессии, позволяющее определять количество жидкости, вовлеченное во вторичный унос;

- получены уравнения для нахождения критических значений критериев Рейнольдса газа и жидкости, соответствующих наступлению уноса жидкости с поверхности пленки;

- получены выражения для определения характерных толщин пленки жидкости в винтовом канале.'•

2. Экспериментально найдены профили компонент скорости и турбулентных пульсаций скорости газа по радиусу винтового канала. Получены эмпирические зависимости, описывающие' распределение тангенциальной скорости газа по радиусу винтового канала. Разработана математическая модель для определения профиля тангенциальной скорости газового потока в винтовом канале. .

3. Исследовано влияние скорости газа на трансформацию дисперсного состава капель в винтовом канале.Обнаружено, что с увеличением скорости потока наибольший диаметр частиц, не уловленных в канала.

уменьшается до достижения критического значения скорости {иНР = 18 м/с).а затем наступает его резкое увеличение из-за вторичного уноса. Найдено, что основная масса жидкости (до 90 -95 %) сепарируется на первой половине витка винтовой линии, а максимальный диаметр капель при оптимальной скорости газа составляет 10 - 13 мкм,в то время как в лучших зарубежных сепараторах данный параметр существенно выше.

4. Изучено влияние отсоса газа на движение газовзвеси в винтовом канале: ,

- отсос понижает уровень турбулентности в газе вблизи внешней стенки канала:. ..

- отсос способствует отводу отсепарированных в винтовом канале капель и предотвращает вторичный унос жидкости, что повышает эффективность сепарации:

- при умеренном отсосе (15 ?) с возрастанием скорости газа (более 18 м/с) происходит сепарация частиц самых мелких фракций (диаметром до 8 мкм).

5. Разработана математическая модель процесса сепарации, учитывающая влияние Фракционного состава капель на процесс их осаждения. Получены зависимости, позволяющие рассчитать долю отсепариро-ванной жидкости по длине канала сепаратора.

Разработана программа расчета на ЭВМ траекторий движения жидких частиц в винтовом канале. Разработана методика инженерного расчета центробежного винтового сепарационного устройства.

6. Проведено экспериментальное исследование гидродинамических характеристик винтового нисходящего однонаправленного течения жидкости и газа в центробежном абсорбере.

7. Экспериментально изучена кинетика массопередачи при абсорбции диоксида углерода из потока воздуха водными растворам;! КЭА при

различных температурах. Показано, что коэффициенты массопередачи в центробежном абсорбере на 15 - 20 % выше, чем в пленочном абсорбере с искусственой шероховатостью труб и в других известных массобмен-ных устройствах. Результаты опытов свидетельствуют о целесообразности использования центробежных абсорберов в качестве высокоэффективных контактных устройств, в частности, в системах жизнеобеспечения.

8. Разработана математическая модель процесса абсорбции в -закрученном газожидкостном потоке, учитывающая фракционный состав капель абсорбента и процесс сепарации жидкости. Получены формулы, позволяющие рассчитать концентрацию примеси по длине абсорбера.

9. На оснопе результатов теоретических и экспериментальных исследований закрученных газожидкостных потоков создано новое поколение сепарационного оборудования. Результаты исследования позволили существенно уменьшить энергоматериальные и капитальные затраты в процессах газожидкостной сепарации, в частности, в производствах аммиака и метанола за счет повышения эффективности улавливания жидкости. увеличения производительности и снижения металлоемкости, тс есть получить технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

10.' Разработаны и внедрены типовые ряды циклонных, винтовых, спиральных,' мультициклонных сепараторов различного назначения для разделения газожндкостных смесей в производствах аммиака, метанола, капролактама.

11. Освоено на ряде заводов химического машиностроения производство серийных сепгратороз различного назначения.

Условные обозначения, нерасшифрованные в тексте: Г = Ож/П - линейная плотность орошения; Од<- расход жидкости; Г1 -периметр;!) - диаметр аппарата; ¿/э - эквивалентный диаметр; & - относительный унос жидкости;^ - ускорение свободного падения; О - расход фазы; Г - текущий радиус; г = ~ безразмерный радиус; /?у ; /?2 - внутренний и внешний радиусы кривизны винтового канала; средний радиус кривизны винтового канала:Гх -характерная толщина пленки жидкости: 1л/г - линейная скорость газа; О, - радиус капли; А - -$>г)/<?ж В =3а/ -напряжения Рейнольдса;С„.Су г концентрация капель на стенке и в потоке соответственно; Уос- скорость осаждения капель; са - концентрация примеси в газовой фазе;С^.С£- концентрация примесей на входе в абсорбер в газовой и жидкой фазах соответственно;максимальный и минимальный радиус капли; У0тн - относительная скорость движения капли; £33- сдвиговые напряжения вблизи капли; осевая скорость капли радиуса О- в сечении X : /(О.) - функция Розина-Раммлера; Д, - коэффициент диффузии; да - диапазон размеров капель, внутри которого все капли считаются одного радиуса ;К - текущая координата вдоль оси абсорбера; профиль тангенциальной скорости;^1 {''функция Розина-Раммлера. выраженная через азимутальный угол;5 - площадь входного участка: - скорость частицы радиуса

я

О,. прошедшей через входной участок; ^ - число площадок по радиусу; р - число площадок по полуширине канала; СХ - угол наклона винтовой линии;^ - плотность; У = иЧ/'/иЧ/'- нормированный коэффициент корреляции. / |2

.у Шгс<>£ ос)

Критерии: = ------ критерий циклонного процесса;

=----- - критерий Рейнольдса жидкостное = критерий

Г у\г

Рейнольдса газа Индексы:

- критерий Галилея.

г - газ; ж - жидкость; вх - относится к штуцеру ввода потока в сепаратор; кр - критическая величина; отс - отсос; 50 - среднемассо-вая величина; шах - максимальная величина; min - минимальная величина; ср - средняя величина.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

'1. СистерВ.Г.. Вевиоровский М.М., Айзенбуд М.Б. Методика расчета центробежных сепараторов и некоторые вопросы гидродинамической устойчивости// Материалы Всесоюзной отраслевой школы по обмену опытом очистки технологического газа высокого давления от масла в производстве аммиака, М.. 1971, с.36-56.

2. Систер В.Г., Вевиоровский М. М., Айзенбуд М.Б. Расчет центробежного элемента для выделения дисперсной фазы// Газ. пр-сть. 1972. N 5, с. 46-48.

3. Систер В.Г., Вевиоровский И.М., Айзенбуд М.Б. Устойчивость пленки жидкости в центробежном сепараторе// Азот, пр-сть. 1972. N 4, с. 52-54.

4. Систер В.Г.. Вевиоровский М.М... Айзенбуд М.Б. Гидродинамика центробежных сепараторов//Труды ГИАП. 1972, XVI, с.73-77.

5. СистерВ.Г., Вевиоровский М.М., Айзенбуд М.Б. Некоторые вопросы гидродинамики пленки жидкости в поле центробежных сил//В сб.

•"Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств", Львов. 1973. с. 80-81, в. Систер В.Г., Вевиоровский М.М. Применение емкостного датчика для исследования толщины пленки и уноса жидкости в бинтовом двух;a-i-

ном потоке// Деп.рук. N 55/73, деп. в Ч/о НИИТЭХИМ, 1973.

7. СиотерВ.Г., Вевиоровский М.М. Гидродинамическая устойчивость пленки жидкости// Деп.рук. N 88/73, деп. в Ч/о НИИТЭХИМ, 1974.

8. СистерВ.Г.. Подольский И.И.. Игнатенко В.Ф. Экспериментальное .исследование гидродинамики центробежного элемента// Деп.рук. Н 282/74, деп. В Ч/о НИИТЭХИМ. 1974.

9. СистерВ.Г.. Вевиоровский М.М., Житницкий В. М., Рузинов Л. П. О критических режимах в центробежных сепараторах// Те-ор.осн.хим.технол.. 1974, т. 8. N4. с. 640.

10. СистерВ.Г., Вевиоровский М.М.', Подольский И.И.Режимы течения газожидкостного потока в центробежных сепараторах// Труды ГИАП. 1974, XXVI, с. 146-151,

11. СистерВ.Г., Вевиоровский М.М.. Айзенбуд М.Б. О гидродинамической устойчивости пленки жидкости в поле центробежных сил// 1-я Всесоюзная конференция "Вихревой эффект и его промышленное применение, Куйбышев, 1974, с. 180-184,

12. Систер В.Г., Вевиоровский М.М. Критические режимы в центробежных сепараторах// Азот, пр-сть, 1975, N 3. с.21-23.

13. Систер В.Г.. Вевиоровский М.М. Проблемз уноса в центробежных сепараторах// 1-я Всесоюзная конференция по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей. М., 1975, с.51,

14. Систер В.Г.. Вевиоровский м.м. Исследование гидравлических характеристик двухфазного закрученного потока// II Всесоюзная конференция "Вихревой эффект и его промышленное применение. Куйбышев. 1975. с. 56-57.

15. СистерВ.Г.. Вевиоровский М.М.. Айзенбуд М.Б. Некоторые вопроси гидродинамики двухфазного закрученного потока// Теор.осн.хим. технол., 1975, т. 9, N5. с. 804,

16. Систер В.Г., Вевиоровский М. М., Подольский И.И. Гидродинамика пленки жидкости в поле центробежных сил// Деп.рук. N 547/75, деп. в Ч/о НИИТЭХИМ, 1975.

17. Вевиоровский М.М., Рузинов Л.П.. Житницкий В.М., Систер В.Г. Исследование критических явлений в центробежных аппаратах// Те-ор.осн.хим.технол., 1976. т. 10, N 5,' с. 793-795.

18. Систер В.Г.. Казаков Р.Г., Вевиоровский М.М.. Рачицкий В.А. Некоторые вопросы гидродинамики двухфазного закрученного потока// Материалы I Всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты химических производств". Чимкент. 1977. т.2. с. 230-234.

19. Систер В.Г.. Казаков'Р.Г., Рачицкий В.А. Опыт внедрения и промышленной эксплуатации крупных агрегатов для производства аммиака мощностью 1360 т/сутки// Материалы I Всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты химических производств". Чимкент, 1977, т. 1, с. 55-59.

20. Систер В.Г., Вевиоровский М.М., Чернышев В.И. Исследование гидродинамики центробежного сепаратора для разделения газожидкостного потока// Хим. и нефт. машиностр.. 1979. N 2. с:20-21.

21. Систер В. Г., Вевиоровский М.М., СилкинС.К., Подольский И. И. Исследование параметров пленки жидкости в винтовом контактном элементе// I Всесоюзное совещание по проблеме "Абсорбция газов", Ташкент, 1979. с.95-97.

22. Систер'В. Г., Вевиоровский М. М., СилкинС.К., Подольский И. И. Исследование гидродинамики абсорбционных контактных устройств с

• взаимодействием фаз в закрученном потоке//1 Всесоюзное совещание по проблеме "Абсорбция газов". Ташкент.1979, с.176-178.

23. Систер В. Г.. Вевиоровский М. М.. СилкинС.К., Подольский;!.;:. Исследование центробежных сепарацпснных устройств г-и еы-:~к:м

давлении// I Всесоюзное научно-техническое совещание "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии". Сумы. 1980. с. 58-59,

24. Систер В.Г., Силкин С.К. Исследование и внедрение в промышленность современных центробежных сепарационных устройств// I Всесоюзное • научно-техническое совещание "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии", Сумы, 1980, с.59-60,

25. Систер В.Г.', Силкин С.К. Влияние физических свойств жидкости на гидродинамическую устойчивость' пленочного течения в винтовом элементе// В сб. "Работы в области массообменных процессов за период 1976-1980 г.г. по координационному плану (абсорбция.ректификация. экстракция), Северодонецк, 1981, с.23-25,

26. Систер В.Г.. Силкин С.К. Оптимизация геометрических характеристик винтовых контактных элементов// В сб. "Работы в области массообменных процессов за период 1976-1980 г.г. по координационному плану (абсорбция,ректификация, экстракция). Северодонецк, 1981, с.43-46.

27. Систер в.Г.. Силкин С.К., Подольский И.И. Разработка и внедрение в азотной промышленности современных сепарационных и Фильтрационных устройств// Материала Всесоюзной конференции "Современные технические средства защиты воздушного бассейна от загрязнений". М., 1981, с. 12-14,

28. Систер В.Г.. Овчинников Ю.Д., Дильман В.В. Перспективное направление интенсификации сеиарационной техшиа://'В сб. Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии, ч.1. Сумы. 1982, с.62-63,

29. СистерВ.Г., Овчинников Ю.Д.', Дильман В. В. Совершенствование

сепарационной аппаратуры крупных агрегатов аммиака//В сб. Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии, ч.1. Сумы. 1982. с.64-67,

30. Систер В.Г.. Силкин С.К.. Подольский И.И. Сепарационные устройства для разделения газожидкостных смесей// Деп.рук. N 1144ХП-Д82 деп. В Ч/о НИИТЭХИМ, 1983'.

31. Систер В.Г.. Силкин С.К.. Подольский И.И. Влияние расходных физических характеристик фаз на состояние поверхности раздела системы газ-жидкость// Деп. рук. N 29 ХП-Д83, ДР N 3, 1933.

32. Систер В.Г. Исследование гидродинамики пленки жидкости в поле центробежных сил// 3-я Всесоюзная научная конференция "Современные машины и аппараты химических производств" (Химтехни-ка-83). Ташкент. 1983. с. 136-137.

33. Систер В.Г., Рабец А.А. Разработка интенсивных сепарационных устройств для крупнотоннажных агрегатов метанола// II Всесоюзное совещание по физико-химическим основам синтеза метанола и переработке" ("Метанол-2"), Северодонецк. 1983. с.25-26.

34. Систер В,Г.. Калашников В.А., Столбина И.Н. Некоторые соображения об аппаратурном' оформлении технологической линии по производству метанола мощностью 750 тыс.т в год// II Всесоюзное совещание по физико-химическим основам синтеза метанола и переработке" ' ("Метанол-2").- Северодонецк. 1983. с.22-24.

35. Систер В.Г.. Калашников В.А.. Столбина И.Н. Создание головной отечественной крупнотоннажной технологической линии по произ-

' водству метанола //II Всесоюзное совещание по физико-химическим основам синтеза метанола и переработке" ("Метанол-2"). Северодонецк. 1983, с.55-56.

36. Систер В.Г. Исследование предельных режимов масссо^менных уст-

ройств с взаимодействием фаз в закрученном потоке// II Всесоюзное совещание по проблеме "Абсорбция газов". Гродно. 1983. с. 214-217,

37. Овчинников ю. Д., Сергеев С.П., Систер В.Г.. Лиханов А.И. Исследование аэродинамики криволинейного канала// Всесоюзная научная конференция "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств (ПАХТ-85)". ч.4. Харьков. 1985, с. 27.

.38. Дильман В. В., Мартынов Ю. В.. Овчинников Ю.Д.. Систер В. Г. Исследование аэродинамики турбулентнх течений в винтовом канале центробежного сепаратора// Хим. нефт. машиностр.. 1987,N 1, с.8-20,

39. Систер В.Г., Овчинников Ю.Д.. Дильман В. В. Исследование трансформации дисперсного состава жидкой фазы в канале прямоточного статического завихрителя центробежных массообменных устройств// III Всесоюзное совещание по проблеме "Абсорбция газов", Москва. 1987, 4.2. с. 110-112.

40. Систер В.Г.. Трубачев Ю.Г.Исследование гидродинамических и массообменных характеристик центробежного абсорбера// Хим. и -нефт. машиностр.. 1992. N 11. с.3-6,

41. Систер В. Г.. Дильман В. В.. Овчинников Ю.Д.. Трубачев Ю. Г. Сенькина Э.В. Исследование гидродинамики центробежного сепаратора// Хим. пр-сть. 1992, N И. с. 31-33,

42. Систер В.Г. Гидродинамика центробежных сепарационных устройств// Хим. и нефт. машиностр.. 1993, N 1. с.13-15,

43. Систер В.Г., Овчинников Ю.Д.. Подольский И.И. Разработка высокоэффективного центробежного сепаратора// Хим. пр-сть. 1993. N 1-2, с. 63-65 ,