автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Межфазная поверхность, структура потоков и методика расчета аппаратов с эжекционным диспергированием газа

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I; ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ, назначение, классификация и конструктивное оформление газожидкостных реакторов.

1.2. Удельная межфазная поверхность в газожидкостных реакторах

1.3. Обратное перемешивание в газожидкостных реакторах.

1.4. Выводы и постановка задачи исследования.

ГЛАВА П. ШФАЗНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ В МНОГО СОПЛОВЫХ

ГА30МДК0СТНЫХ РЕАКТОРАХ С ЭЕЕКЦИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ГАЗА.

2.1. Конструкция многосоплового газожидкостного реактора с эжекционным диспергированием газа.

2.2. Теоретические исследования.

2.3. Описание экспериментальной установки.

2.4. Экспериментальное исследование межфазной поверхности химическим способом.

2.4.1. Методика проведения эксперимента и обработка результатов исследований.

2.4.2. Исследование зависимости межфазной поверхности от геометрических параметров установки.

2.4.3. Исследование зависимости межфазной поверхности от режимных параметров работы реактора.

2.4*4. Рабочая диаграмма реактора с зжекционным диспергированием газа. . . .£

2.5. Экспериментальное исследование межфазной поверхности фотографическим способом.

2.6. Обсуждение результатов исследований. . . . 10Q

ГЛАВА Ш. СТРУКТУРА ШТОКОВ В МНОГОСОПЛОВОМ

ГАЗОЖИДКОСТНОМ РЕАКТОРЕ.

3.1. Предварительные замечания.¿

3.2. Моделирование структуры потоков жидкости, в многосопловых эжекционных реакторах. . . ДО?

3.3. Экспериментальные исследования структуры потоков жидкости в многосопловом газожидкостном эжекционном реакторе.

3.3.1. Описание схемы экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.

3.3.2. Обработка и результаты исследований.

3.3.3. Сравнение моделей и проверка адекватности комбинированной модели.М

3.4. Обсуждение результатов исследований.

ГЛАВА 1У.МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ГА30ЭДК0СТНЫХ

РЕАКТОРОВ С Э1ЕКЦИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ГАЗА. . JA

4.1. Методика расчета с учетом реальной структуры потоков жидкости.М

4.2. Методика расчета с использованием рабочей диаграммы.

4.3, Пример расчета многосоплового реактора с эжекционным диспергированием газа.

ВЫВОДЫ.Ш

В решениях ХХУ1 съезда КПСС в области ускорения темпов научно-технического прогресса в одиннадцатой пятилетке записано: " значительно увеличить масштабы создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной техники, обеспечивающей рост производительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности на внешнем рынке", " обеспечить создание и выпуск высокопроизводительного оборудования, в том числе для принципиально новых технологических процессов в химической, нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей, нефтехими -ческой, медицинской, целлюлозно-бумажной промышленности" [I] .

В химической и нефтехимической промышленности запланировано увеличение производства продукции на 30-33$, производительности труда на 28-30$. Решению этой важной народнохозяйственной задачи должно способствовать создание высокоэффективного и высокопроизводительного оборудования.

Главенствующую роль при выборе и проектировании аппаратов химической технологии играют простота конструкции, дешевизна, компактность, малый вес, степень сложности основных узлов и деталей, обеспечение охраны окружающей среды, а также надежность в работе и длительный срок службы.

Значительный рост продукции химической и смежных с ней отраслей промышленности потребует создания химических машин и аппаратов большой единичной мощности и высоких эффективности и экономичности, среди которых видное место занимают реакторы для систем газ-жидкость. Эффективность и экономичность указанных реакторов в большой степени зависит от развития межфазной поверхности в реакционной зоне, обуславливаемой величиной и оптимальным распределением подводимой в эту зону энергии.

Интенсивное перемешивание жидкости по всему объему обеспечивает равномерный контакт ее с газом, увеличивает удельную эффективную поверхность раздела фаз, время удержания газа в объеме, повышает коэффициент маесопередачи.

Однако в аппаратах-реакторах больших размеров равномерное распределение подводимой энергии перемешивания по всему рабочему объему является достаточно сложной и мало исследованной задачей.

Газожидкостные реакторы с эжекционным диспергированием газа можно успешно использовать для осуществления многих процессов, проходящих в системе газ-жидкость. Они имеют ряд конструктивных и эксплуатационных преимуществ по сравнению с традиционными газожидкостными реакторами. Применение таких реакторов во многих отраслях народного хозяйства позволяет существенно ПО' высить интенсивность основного технологического оборудования и качеству вырабатываемого продукта. Многоэжекторное диспергирование газа может решить проблему равномерного диссипирования энергии перемешивания во всем объеме, а также увеличить газовую нагрузку, приходящуюся на поперечное сечение аппарата. Совокупность параллельно работающих эжекторов, их взаимное расположение, соотношение геометрических размеров реактора, режимные параметры работы, естественно, оказывают большое влияние на эффективность работы многосопловых газожидкостных реакторов, поэтому необходима экспериментальная и теоретическая оценка качества диспергирования и перемешивания в таких аппаратах.

Настоящая работа посвящена определению межфазной поверхности в многосопловых газожидюстных реакторах с эжекционным диспергированием газа в зависимости от режимных параметров работы аппарата и его геометрических размеров, составлению рабочей диаграммы; изучению структуры потоков жидкости б реакторах промышленного типа, математическому описанию гидродинамической обстановки, разработке методики инженерного расчета таких аппаратов.

Автор защищает:

1. Конструкцию многосоплового газожидкостного реактора с новым диспергирующим устройством.

2. Экспериментальные данные по исследованию межфазной поверхности в многосопловых газожидкостных реакторах с эжекцион-ным диспергированием газа в зависимости от режимных и конструктивных параметров его работы.

3. Рабочую диаграмму газожидкостных реакторов с эжекцион-ным диспергированием газа.

4. Математическую модель и структурную схему для описания действительного взаимодействия потоков жидкости в реакторах промышленного типа.

5. Методику инженерного расчета газожидкостных реакторов с эжекционным диспергированием газа.

Работа выполнена на кафедре "Процессы и аппараты химической технологии" Ярославского политехнического института в соответствии с утвержденным Президиумом АН СССР на 1981-1985 г.г. координационным планом научно-исследовательских работ по направлению "Теоретические основы химической технологии" и координационным планом Минвуза СССР на 1983-1985 г.г. в области процессов и аппаратов химических производств и кибернетики химико-технологических производств.

10

9. Результаты работы были использованы при расчете и проектировании смесителя-абсорбера для кислородно-содовой варки целлюлозы производительностью 10; 50 и 200 тонн в сутки целлюлозы. Использование газожидкостных реакторов с эжекционным диспергированием газа для растворения кислорода в содовом растворе позволит значительно интенсифицировать процесс варки целлюлозы кислородно-содовым способом. Исследования, проведенные в ВНПО "Бум-пром" / г. Ленинград/ позволили установить, что увеличение производительности составит 4гв%, Ожидаемый экономический эффект от внедрения газожидкостного эжекционного аппарата составит 102686 руб. в год.

1. Botton R. Openstttwj ?one and Scate up of Mechan6ta6£y Sttrred Gas-U^utd Reactors. Cfrem.Enj. Se¿v Ш0, v.35, p. 32-Î3Данквертс П.В. Газо-жидкостные реакции. /Пер. с англ. И.А.Гильденблата. М.: Химия, 1973. - 296 с.

2. Гельперин Н.И., Гришко В.Э. Абсорбция двуокиси углерода и сероводорода из газовых смесей в инжекторных колоннах.В кн.: Труды по химии и химической технологии. Горький, 1961, т.4, с. 821-833.

3. Бескин Л.З,, Стрельцов В.В., Демшин В.Я. Исследование мае-сопередачи в абсорбере с гидродинамической мешалкой. Изв. ВУЗов СССР. Химия и хим. технология, 1968, т.П, № 8, с.849-954.

4. Мухутдинов Р.Х., Гумеров М.З. Исследование гидродинамики абсорбера с инжекционным контактирующим устройством.Хим. пром-ть, 1969, № 3, с. 69-71.

5. Kurt 6vHeLn?ß. Grcis^ehaft und Flüssig kethüm w&lsupg in Sch t&ufen reactor. -Verfahrenstechnik,49H,v.6, in/Z, p. 50-57.

6. Schuber К. ßtoreakioren für aerobe Prozess.-Chem. Incj.Teehn., №0, v.Slf ti¡¿/ p. 951-9GS.

7. Shach Т., Siljel Sharma И. ßaekmlxlnq in (xas LüjuCöl fieatiors. А1Ск£.ш/ Ш, + л/3, p. 369-400.

8. Valentón F. Hv Рг«ел ß. (ras ic- Hassiransferin an ajiledbui vessel , Ef£ee4 о/ stirrer shap rolaiioh&c 3f>ee,d/ ¿hol gasthroughpub on bubble surface. a.r\d (HassíranS-¿er. Cbtr^.Tn^. Techn., WZ, V. 34, W3, p. /M-W.

9. Reith V., Smith J. T fu. behaviour of <jas- ÍL^uici mixtures near Rushton turbine, bleues.- Cfrem. Sc¿V.2*, fsj ^ p. Í03-I — f035"

10. Надь Э., Уйхиди А. Использование химических реакций для определения поверхности контакта жидкость-газ в массообмен-ных процессах. Минск, 1977. - 21 с. (Препринт/Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова АН БССЮ.

11. Родионов А.И., Зенков В.В. Определение поверхности контакта фаз при окислении раствора сульфита натрия кислородом воздуха в колонне с провальной тарелкой. Изв. ВУЗов СССР. Химия и хим.технология, 1970, т.12, с. 1805-1809.

12. Na^el 0.; Kurten И., Hejper ß. die ${affctosiaußchfZ*c/ie, ¿n Ó-b^FlÜssqteibs Ко*ЬлкЬ~Ар?&г***». Auswahl Werter, und uníerfcyen ZLir VerjróSS€ru»i.- Chw.Uij. Tech»., <973, V.4S, h/K, p. Sl^-SZk.

13. Car\A/aí H. , Veriei bunj von Gaseen irt FtuSSiß (Ceííet) durch Rührer. Cher*. Zv\q. TecKn.^ 19S9, V.3)tp.SS$-ьв5.

14. Павлушенко И.О., Брагинский Л.Н., Брылов В.Н. О влиянии перемешивания на процесс химического превращения в системе газ-жидкость. Ж.прикл.химии, 1961, т.34, fö 4, с. 805-811.

15. Колмогоров А.Н. Об изотропной турбулентности. Докл. АН СССР, 1941, № 30, с. 301-308.

16. Sccíeman 5., Hortesu 0., Futton J. M(?5S Transferth Crct5- LtCJutd Coniacit^ System. -Inq. Eng. Chemy <966, fir, р.Зг-Ао.

17. Ctborwsfci I.y бси-4. Atrcdion oj j-ree liquid jeis.-lui. Chtm., \SUJ t.i\j ÜMf s. SS7-S60.

18. C¿boroH/skC Iv беи Д. Легкой of free jets. -luí. Chem., fm, ÏMJ л/3, s. 435-435.24. 0¿n Д. flu-сИ mös^ absorberte strumieniOM/r*--Ini.dher*., ют, b.rj ¿i.b.ns-ZM.

19. Kürten Z&hner p. On InierfacUL Area, inAzr¿tied BUrred Vessels Fitted with a Flute, -ßlade Turbine. Ger. Chem. Eng., ISJS, v.l^z,

20. SanckwerU P.y ¿harmo* N. Aßjsorption with cfiemLcaL reaction. — ßr-lt. Cftem. Enj.^ Wö, nU; P/5--/3.35. merswann A., ECnenkel vi/.-3>v Auslegung und (ttapsiobverfirößomnq von Rübraf>f>ouraten. ¿/Jem. rTecfin.; 1975, V.47t a/E3, 0,953-464.

21. Jös/it ifiarmd M. Mass Transfer and Hi^dro-dyrca/nic c?haracteriUlcs oj Gas InduUhCj Typtoi AqLi&ted Cotrka-ctors. Can. J. CAem.V. 55j Üb, p• 6*3-695".

22. PawUczyk ft. PowUrzctiiOL. miedzcflazowa, przy ¡¿Ctnym mieszaniu >odc.za$ bariotozu. Prö.c<? Naukou/e Inz Cfitm. i Urzadren CUpLnyc,f> ?mj iWt, MS9 s'. 33-M.

23. Hckctd Kckukawcu H. liquid-Phase Mixing In Bubbledolumnß: Sft&d of liquid Propertied. ~ J.;v.*, p.mr№>48. ßcscMoJJ- jC. Mtxiflj oW Con^iinJ in ChewCca/Reacfors. — V. a//I; p-1* "3k.

24. Гельперин Н.И., Пебалк В.Л., Костанян А.Е. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. М.: Химия, 1977. - 262 с.

25. Дильман В.В. О расчете массообменных аппаратов с учетом эффектов продольного перемешивания и схемы движения потоков при линейной равновесной зависимости. Теор. основы хим. технол., 1967, т.1, № I, с. IOO.

26. LevenspieC 0.; Smith W. Notes on the Diffusion-Type Model for ior\<jitudina.e mixing oj Fluids in Flov Chem. Pruj. 4957, p. 221 -233.

27. Розен A.M., Крылов B.C. Проблемы масштабного перехода при разработке массообменной аппаратуры. Теор. основы хим. технол., 1967, т.1, Иа- 3, с. 297-305.

28. Кафаров В.В., Выгон В.Г., Гордеев Л.С. Математический анализ ячеечной модели с обратным перемешиванием между ячейками. Теор. основы хим.технол., 1968, т. 2, № I, с. 69-75.

29. Костанян А.Е. Анализ двухпараметрической модели структуры потока в секционированных колонных аппаратах. Теор. основы хим.технол., 1977, т. II, № 2, с. 230-235.

30. Левеншпиль 0. Инженерное оформление химических процессов. /Пер. с англ./ М.: Химия, 1969. - 621 с.

31. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1971. - 496 с.

32. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физмат-гиз, 1959,- 699 с.

33. Хан Г., Шапиро С., Статистические модели в инженерных задачах М.: Мир, 1969 - 395 с.

34. Zuidzrweq F., Uc^iA.id CfliXing <W OscLtCodiOHs In Sparyecf KorLzoht&C Cy&ndric&C Ikssefe.-Procudinys of-the 4th £uropecui Symposium of thewiaut Rcacíóon £n<.ínt¿ri^p 1368, p. /S3-iSr.

35. Saie» V., LWhtyitC 0. Tn/o Phase How in РйсШ1.d. Би}. Chew., Í966, y.S, p.86-9o

36. Питерских Г.П., Валашес E.P. Экстракция в турбулентном потоке. Хим.пром., 1956, № 4, с. 35-41.

37. Кутателадзе С.С., Стырикович МЛ. Гидравлика газожидкостных систем. Л.: Наука, 1958, 366 с.

38. Галицкий И.В. Исследование гидродинамики и массообыена в реакторах с эжекционным диспергированием газа. Дисс. канд.техн.наук. - М.: 1978. - 202 с.

39. Задорский В.М. Интенсификация газожидкостных процессов химической технологии. Киев: Техника, 1979. - 168 с.74. ßeltbT, luíerjac¿a£ arca anoí sc&üvq-up of Cicjuid Contacte. SrLí.Churr. B^ WO/ vAS, dll, p. ÍS59- fS63.

40. Ицкович и.А. Программирование для ЭВМ "Напри".- М.: ита-тистика, 1975. 19i с.77. ticket 0.} (Curten U.jSuw R. $totfauscfif Cache and Enerqiedissipations dichte Au<.u/cJ6kcilxrr¿en \иг Ora* FCuSLyiq fails Rtaklorcn. - Cher*. Ivf.972, Ñ\ p. £03-303.

41. Ахназарова СЛ., Кафаров В.В. Оптимизация экспериментав химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. -319 с.

42. Иванова В.М. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1981. - 233 с.

43. Ермаков В.И., Шеин B.C. Использование планирования эксперимента при анализе процессов промышленности синтетического каучука: Обзор. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1973. - 48 с.

44. Разработка и исследование газожидкостного струйного реактора для кислородно-содовой варки целлюлозы: Отчет /Ярослав. политехи.ин-т; Руководитель работы И.В.Галицкий. Инв.Б 906641. Ярославль, 1980. - 44 с.

45. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1976. - 500 с.

46. Кафаров В.В., Выгон В.Г., Гордеев Л.С. Об оценке параметров математических моделей гидродинамической структуры потоков статистическими методами. Теор. основы хим.тех-нол., 1968, т.2, № 2, с. 266-273.

47. Пчелин А.Г. Специальные разделы высшей математики. ~ М.: Высшая школа, 1970, 406 с.

48. Зайдель А.П. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. - 108 с.

49. Коров Ю.М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки-и нефтехимии. М.: Химия, 1978. - 376 с.

50. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М.: Химия, 1980. - 280 с.

51. Басаргин Б.Н., Г^ущин Ю.И., Галицкий И.В. Уравнение характеристики струйного аппарата для системы жидкость-газ.В кн.: Массообменные и теплообменные процессы химической технологии, Ярославль, 1975, с. 39-45.

52. A.c. 593923 (СССР). Аэрирующее устройство /Лобанов A.M., Зайцев В.А., Зотов Б,Г., Басаргин Б.Н., Галицкий И.В., Кал-ганова Т.Г., Г^щин Ю.И. Опубл. в Б.И., 1978, № 7.

53. Басаргин Б.Н., Галицкий И.В., Гущин Ю.И. Исследование гидродинамики и массообмена в аппарате с эжекционным аэрированием объема. В кн.: Массообменные и теплообменные процессы химической технологии, Ярославль, 1975, - с. 45-50.

54. Басаргин Б.Н., Галицкий И.В., Г^щин Ю.И. Перспективы ис*-пользования струйных аппаратов в качестве диспергаторов для газожидкостных химических реакторов. В кн.: Массообменные и теплообменные процессы химической технологии, Ярославль, 1975, - с. 50-54.

55. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1981. - 560 с.