автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование и аппаратурное оформление процесса гранулирования серы

?ГП OA

-? ОНТ -:4Vf> _____________________________

На правах рукописи

Яюовлс& Павел Вкхторовип

МОДЕЛИГОВАНИЕ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПГОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ СЕРЫ

Специальность: 05.17.08 "Процахы и аппараты химической тсаюлоппг"

Автореферат диссертации на сонсханис учёюй сгакни кяндндяга технических наук

ТАМБОВ - 1996

Работа выполнена в Астраханской государственном техническом университете

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

) Щербаков Артемий Захарович )

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, профессор Долгунин В.Н. кандидат технических наук, с.н.с. Шевчик А.П. *

Ведущая организация - Астраханский научно-исследовательский и проектный институт газовой промышленности.

Защита диссертации состоится

± С КТлЛ Дл-^ 1996 г.

в ауд. 60, ул.Ленинградская, 1 в /^¿^часйв на заседании диссертационного совета: К 064.20.01 Тамбовского государственного технического университета. Отзывы в двух экземплярах, скреплённые гербовой печатью, просим направлять по адресу:

392620, г.Тамбов, ул.Советская ,106,ТГГУ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТТТУ . Автореферат разослан 3 199

Л.

Учёный секретарь диссертационного Совета В.И.Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.В последние годы значительно возросло производство элементарной серы. В связи с этим возникла проблема выбора её товарного вида. Товарная сера должна удовлетворять требованиям экологической чистоты, отсутствия загрязнений серы, возможности длительного хранения, использования автоматических дозирующих систем.

Одной из наиболее актуальных проблем при погруэо-раэгрузочных и транспортных работах с комозой серой является пыпеобраэование. Унос пыли приводит к потерям серы, наносит вред окружающей среде, создаёт опасность воспламенения и взрыва. Уменьшить количество пыли позволяет производство гранулированной серы.

Высокая стоимость установок зарубежных фирм и отсутствие отечественных разработок обусловили необходимость создания собственных аппаратов грануляции серы. Особенности материала и требований, предъявляемых к готовой продукции, ограничивают область применения результатов исследований в области гранулирования друг",« материалов.

В связи с этим возникла необходимость проведения исследований с целью изучения процесса водной грануляции, оптимизации технологических параметров, разработки методики проектирования установок по производству гранулированной серы. Таким образом, тема диссертационной работы представляется актуальной с научной и практической точек зрения.

Цель работы. На основании теоретических я экспериментальных исследований процессов затвердевания капель расплава серы в водном грануляторе разработать рекомендации для проектирования установки по производству гранулированной серы.

Научная новизна. Предложена математическая модель процесса, учитывающая локальные изменения коэффициентов теплоотдачи. Модель впервые позволила объяснить причины изменения размеров и расположения усадочной раковины, формы гранул, существенно влияющих на качественные показате-

ли. Впервые исследовано влияние конвективных течений в. капле на процесс охлаждения.

В результате теоретического и экспериментального исследования установлено, что качественные показатели (Форма гранул, влагосодержание, прочность, кинетика сушки) определяются режимом теплообмена. Вьщелены три режима работы аппарата, соответствующие различным качественным показателям образующихся гранул,- впервые предложен безразмерный комплекс, позволяющий прогнозировать качество гранул в зависимости от режимов работы аппарата.

Экспериментально определена минимальная высота слоя охлаждающей вода из условия достаточной прочности частично затвердевших гранул.

В результате исследования процесса диспергирования расплава серы впервые получены зависимости, позволяющие рассчитать конструктивные размеры гранулятора расплава серы и описывающие гранулометрический состав получаемого продукта.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные уравнения и методика расчёта необходимы при проектировании установок по производству гранулированной серы. Рекомендации могут найти применение при проектировании и эксплуатации систем транспортировки жидкой серы.

Результаты исследований использованы и внедрены при проектировании опытно-промышленных установок производительностью 8 и 25 тонн в сутки для Астраханского газоперерабатывающего завода.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Всесоюзной конференции "Проблемы изучения, охраны и рационального использования природных ресурсов Волго-Ахтубинской пойыы и дельты реки Волги" в 198Э году, научно-технических семинарах "Гидродинамика и теплообмен в машинах и аппаратах" и "Проблемы механики машин" в 1995 году, международной конференции "Каспий.Настоящее и будущее", на ежегодных научно-технических конференциях Астраханского государственного технического университета 19871996 гг.

________Публикации .По, материалам исследования опубликовано-5

печатных работ, 1 патент на изобретение и 2 положительных решения на выдачу патентов.

Структура и объём работы._Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 2 приложений и содержит 146 страниц машинописного текста, 31 рисунок, список литературы, состоящий из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается история вопроса, актуальность, научная и практическая новизна, значимость исследований в избранном направлении.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопросов конструирования и расчётов технологических режимов

*

аппаратов по производству гранулированной серы. Приведён анализ способов получения гранулированной серы, теоретических и экспериментальных работ по исследованию процессов диспергирования и теплообмена в установках грануляции серы.

Анализ представленных работ показал, что качественные характеристики гранулированной серы зависят от конструктивных и технолологических параметров установок. В то же время надёжных зависимостей показателей качества от условий диспергирования расплава и теплообмена в грануляционной колонне в настоящее время нет. Имеющиеся результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса затвердевания капли в грануляторе недостаточны для проектирования данных аппаратов.

В конце первой главы формулируются цели и задачи исследования .

Во второй главе рассматривается исследование процесса затвердевания жидкого шара, движущегося в потоке хладагента.

Процесс охлаждения условно разделён на два этапа. Первый этап начинается с момента погружения жидкой капли в поток хладагента. Анализ литературы показал, что наличие касательных напряжений на границе раздела капля-вода, об-

условленных движением капли, могут сопровождаться конвективными токами внутри капли.

Второй этап наступает с появлением твёрдой корки на поверхности капли, когда движение жидкости в капле прекращается и теплообмен ограничивается нестационарной теплопроводностью в твёрдой и жидкой фазах с условиями Стефана на границе раздела фаз.

На втором этапе процесс затвердевания жидкой капли описывается системой дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности для жидкой и твёрдой фаз з сферических координатах, движения и сплошности при вынужденном движении (1 этап охлаждения), граничными условиями 3-го рода на поверхности, 2-го рода в центре и условиями Стефана на границе раздела фаз. Система уравнений составлена в предположении, что тепловой поток направлен в радиальном направлении. Получено численное решение с использованием неявной разностной схемы, для чего дифференциальные уравнения представляются в конечно - разностном виде:

БЫ * [T(i - 1, х + Дт) * (1 + 2 * Дг / г) + T{i + 1, х + Ах) ] + T(i, т + Ах) * {1 - 2 * Fol * (1 + 2 * А г / г)) = T(i, х); (1)

Fo2 * [T(i - 1, х + Ах) ♦ (1 + 2 * Ar / г) + T{i + 1, х + Ах) ] + T(i, х + Ах) * (1 - 2 » Fo2 ♦ (1 + 2 ♦ А г / г)) = T{i, х); (2)

Уравнение текущей границы из условия Стефана: Х=

(3)

Условия на поверхности гранул:

[1 + 2 * Fo • (1 + Bi)] • Т{х + Ах) - 2 * Fo * [Т(х + Ах, 2) + Bi * Т(х + Ах, f)] - Т{х, 1) = 0; (4)

Условия в центре гранулы:

[1 + 2 * Fo] * Т(х + Ах, п - 1) - 2 » Fo * Т(х + Ах, п) - Т(х, п - 1) = 0; (5)

где: Ео и 31- сеточные значения критериев Фурье___и Био.

В начальный момент времени распределение температур считается равномерным и принимается Т(т=0) = ТГлКПЛава.

При расчёте температурного поля используются локальные значения коэффициента теплоотдачи. Таким образом учитывается неравномерность температурного поля, связанная с различными условиями теплообмена на поверхности гранул.

Исследование процессов на математической модели показало, что значения скоростей движения расплава внутри капли пренебрежимо малы, а температура начала кристаллизации на поверхности достигается при различных режимах работы гранулятора ( в пределах исследованных диапазонов изменения определяющих параметров - Тсес»^=120+155оС, Твоаы=10*-70°С ) за время 0.1 сек. и менее. Это позволило сделать вывод о слабом влиянии конвективного движения на распределение температур в капле. Таким образом, система уравнений может быть ограничена уравнениями нестационарной теплопроводности .

В результате выполненных расчётов получены данные об изменении толщины затвердевшего слоя серы в зависимости от времени охлаждения и полярного угла, температурные поля в капле для различных моментов времени.

В третьей глазе рассматриваются схемы экспериментальных установок и. методика проведения лабораторных исследований, производится оценка погрешности экспериментов.

При проведении экспериментов исследовались процессы диспергирования расплава и застывания капель расплава в грануляционной колонне.

Изучение работы диспергирующего устройства сводилось к определению влияния технологических параметров работы устройства на гранулометрический состав.

При исследовании процесса затвердевания определялись минимальная высота столба воды, необходимая для образования твёрдой корки, влияние высоты столба воды, температурных режимов устройства на основные качественные показатели

гранул ( прочность, влагосодержание, кинетику сушки, форму гранул ).

В ходе экспериментов изменялись температура плава серы (115Н-165.5°С) и охлаждающей воды, высота столба воды от поверхности до выпускного устройства, расстояние от диспергирующего устройства до поверхности воды.

Диапазон изменения вышеназванных параметров: температура плава серы , температура охлаждающей вода - 20+125°С, размер капель определяется требованиями международных стандартов и ГОСТом и находится в пределах 1-5-6 мы.

Для экспериментального исследования процесса грануляции серы были спроектированы и изготовлены 4 стенда, моделирующие указанные процессы и отличающиеся диапазоном изменения технологичкеских параметров. Схема одного из них представлена на рис.1.

Установка, представленная на рис.1 , состоит из грануляционной колонны (1), имеющей форму опрокинутой пирамиды и заканчивающейся в нижней части телескопической системой (2), позволяющей плавно регулировать высоту столба воды. Под выпускным отверстием расположен сетчатый транспортёр (3), на котором отделяются гранулы. Вода с транспортёра и из переливной системы грануляционной колонны стекает в бак (4). Регулирование температуры воды осуществляется с помощью электронагревателей и системы подпитки из водяной магистрали, слива. Вода из бака в колонну подаётся циркуляционным насосом из термостата. Диапазон изменения высоты столба воды ЗОСН-600 мм.

Выравнивание температурного поля в пределах грануляционной колонны производится за счёт перемешивания и непрерывного добавления вода заданной температуры.

Обогрев плавильной ёмкости производится маслом, протекающим по каналам между двойными стенками. Масло нагревается в термостате до требуемой температуры, поддерживаемой затем автоматически и подаётся циркуляционным насосом в плавильную ёмкость. Корректировка температуры плава серы до требуемого значения производится в термостабштизи-

рухмцей головке, обогреваемой паром. Диспергирование -плава-----------

серы происходит при выпуске её через сменное сопло.

Схема экспериментальной установки

Жидкая сера

Рис. 1

Температура расплава при разогреве и масла на входе и выходе из плавильной ёмкости, температуры охлаждающей воды контролируются хромель-капелевыми термопарами в количестве 14 шт..

Измерение влагосодержания гранул выполнялось массовым способом. В основу испытаний на динамическую прочность положены рекомендуемые способы, имитирующие условия транспортировки. Количество "мелочи" находилось взвешиванием образцов после просеивания.

В четвёртой главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований и анализ полученных данных.

Обработка. экспериментальных данных велась методами теории обобщённых переменных. За определяющий размер при-

нят диаметр отверстий гранулятора. Определяющая температура - температура расплава серы в грануляторе.

Учитывая влияние сил, действующих на струю плава, использованы следующие критерии:

М-Вебера,Ьр-Лапласа, М-критерий, характеризующий инерционные свойства газовой среды и жидкости.

На рис.2 представлены экспериментальные данные в виде зависимости (сШ)) как функция комплекса (Ьр) (Я)и и аппроксимирующая линия, полученная методом наименьших квадратов. Зависимость описывает экспериментальные данные распределения" среднего диаметра гранул с максимальным отклонением 7% с доверительной вероятностью 0.95.

с! / О = 2.2 * Ьр"0'01 * И"0"25 (б)

В результате аппроксимации, представленной на рис.3, получена зависимость величины Я, представляющей собой долю капель, диаметр которых больше, чем с^Хым (минимальный стандартный диаметр).

Я = ехр (( -<1/<1о )** ) (7)

Рис.2 Аппроксимация экспериментальных данных по определению среднего диаметра гранул.

Рис.3 Аппроксимация экспериментальных данных по гранулометрическому составу.

В результате исследования процесса охлаждения капель расплава получены следующие результаты.

Наибольшее влияние на влагосодержание оказывает размер гранул. Так, при температуре расплава 125 °С и температуре воды 40°С увеличение среднего диаметра от 1.5 мм до 4 мм приводит к возрастанию процентного количества воды от в грануле 0.5% до 1%. Наибольший рост происходит при увеличении среднего размера от 1.5 до 2.5 мм. Аналогичные изменения происходят и при других режимах работы. Эта особенность объясняется механизмом усадки материала.

Разность температур между температурой расплава и охлаждающей водой определяет темп охлаждения. При низких температурах воды образующийся в начальный момент времени поверхностный слой имеет большую прочность по сравнению с условиями его формирования при высоких температурах воды. Пластическая деформация этого слоя мала, что приводит к большей усадке внутреннего объёма. Как видно из рис.4, рост количества капиллярной влаги характерен для низких температур воды и расплава.

2<а<3мм

Мглочь.Уо ^ы- 130 °С

»я) л « в » »ю»

Цюдь/С

Рис.4 Зависимость влагосодер- Рис.5 Процентное содержание жания от режимных параметров "мелочи" после испытаний. 0-^=135°С; о-^^ЗОХ-Д -^=125°С.

При высоких температурах охлаждающей волы, она проникает в образующуюся полость, вскипает и разрушает оболочку гранул. Влагосодержание этих образований наименьшее, но они не удовлетворяют другим требованиям стандартов.

Результаты испытаний на динамическую прочность представлены на рис.5. Влияние среднего диаметра на количество "мелочи" зависит от температуры расплава. Увеличение температур расплава и воды приводит к снижению прочности поверхностного слоя, его деформации. В результате этого уменьшается объём усадочной раковины и влагосодержание.

Анализ качественных показателей гранул в зависимости от параметров работы установки позволил выделить три основные зоны: зона интенсивного охлаждения, сопровождающегося стеклованием, рабочая зона, в которой получаемые гранулы удовлетворяют требованиям стандартов и зона, в которой происходит разрушение гранул.

Получен безразмерный комплекс, определяющий границы этих зон:

В1 * ( <5о / с1 )0№ * ( 1 / 0 ) (8)

Комплекс включает критерий Вл., относительный диаметр гранул 60/6., безразмерную температуру - с£).

Представленные зоны удовлетворяют значениям параметра:

1 зона - В1 * ( <Зо / <1 ) М8* ( 1 / 0 ) < 32; (9)

2 зона - 32 < В1 * { с5о / с1 ) шв* ( 1 / 0 ) <36; (10)

3 зона - В1 * ( (¿о / <1 ) ое&* ( 1 / 0 ) >36. (11)

Работа установки в первом и третьем режимах нежелательна, так как продукция получается низкого качества.

Обработка результатов экспериментальных исследований по определению высоты столба воды, необходимой для образования прочной корки на поверхности гранул, позволила предположить, что прилипание гранул не происходит при достижении толщины корки на поверхности капли какого-то определённого значения. Для проверки данной гипотезы проведён сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами расчётов.

___________На графике(рис.6)

нанесены линии времени образования прочной корки (эксперименты) и теоретического времени, необходимого для формирования твёрдого слоя различной толщины, в зависимости от температуры воды. Сопоставление данных кривых позволило сделать следующие выводы. 3 интервале температур 0 - 2,3+2,5 сек. от погружения капли в воду, независимо от температу-и экспериментальной кривых ры охлаждающей воды, тзёр-

толщины затвердевшего слоя дой оболочки на поверхно-

сти не образуется. Экспериментальная линия имеет вид горизонтального отрезка и не согласуется с результатами вычислений. Затем, при дальнейшем охлаждении, экспериментальная кривая и теоретические линии идут эквидистантно.

Объяснить данное явление можно, используя теорию кристаллизации расплавов. Для 1фисталлизации необходимо наличие двух условий: переохлаждение жидкости и появление центров кристаллообразования. Анализ температурных полей, полученных с помощью численной модели, показал, что первое условие выполняется на поверхности капли уже через 0,1-Ю,2 сек. Таким образом, фазовый переход из жидкого в твёрдое состояние ограничивается временем, необходимым для образования центров кристаллизации. Наблюдается зависимость данного временного интервала от температурных режимов, но её количественная оценка затруднена из-за сопоставимости изменения времени с погрешностью измерения.

Рис.6 Сопоставление оасчётной

В 5 главе предложена методика расчёта основных конструктивных и технологических параметров установки грануляции серы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

На основе исследования режимов работы аппаратов водной грануляции серы решена актуальная задача разработки конструкции аппарата и технологических режимов процесса, что позволяет получать продукцию, удовлетворяющую международным стандартам. В результате выполненных исследований получены следующие результаты:

1. Предложена математическая модель процесса застывания, учитывающая локальные изменения коэффициентов теплоотдачи. Модель позволила объяснить причины изменения размеров и расположения усадочной раковины, формы гранул, существенно влияющих на качественные показатели;

2. Установлено:

а) качественные показатели продукции (Фотааа гранул, влагосодержание, прочность) определяются условиями теплообмена;

б) существование трёх зон в режимах работы аппарата, соответствующих различным качественным показателям;

3. Впервые предложен безразмерный комплекс, позволяющий на стадии проектирования прогнозировать качественные показатели гранул в зависимости от режимов работы аппарата;

4. Экспериментально определена минимальная высота слоя охлаждающей воды из условия достижения минимально достаточной прочности частично затвердевших гранул. При этом уменьшается обводнённость гранул и сокращаются энергетические затраты системы охлаждения грануляционной установки;

5. Экспериментально доказана высокая эффективность термостабилизирующей головки дозатора;

6. Доказана возможность использования струйного истечения жидкой серы из дозатора, позволяющая значительно увеличить производительность грануляционной установки;

_____________ 7. Для диспергирования расплава серы получены:

а)зависимость, описывающая гранулометрический состав получаемого продукта,

б) зависимость, позволяющая рассчитать конструктивные размеры гранулятора расплава серы;

8. Предложенные режимы впервые реализованы в оригинальных конструкциях грануляционной колонны и гранулятора расплава, которые защищены патентами.

9. Получены технологические и конструктивные параметры грануляционной установки, обеспечивающие качество:

а) tpac^asa = 120+135 °С,

б) W«» = 20+45 °С;

в) йот. = 2.5+3 мм;

г).высота воздушной прослойки - 250+300 мм;

д) .высота слоя охлаждающей воды - 400+500 мм;

10. Разработана методика расчёта технологических параметров грануляционной установки;

11. Разработаны, изготовлены и испытаны грануляционные установки производительностью 8 и 25 тонн в сутки. Полученная продукция удовлетворяет требованиям качества.

Основной материал диссертации опубликован в следующих работах:

1. Яковлев П.В., Щербаков А.З., Овчинников З.А. Совершенствование технологического процесса производства товарной серы с целью снижения потерь серы //Всесоюз.сов.:Тез.докл. Проблемы изучения, охраны и рационального использования природных ресурсов Волго-Ахтубинской поймы и дельты реки Волги .Астрахань 20-23 марта 1989 г.- Астрахань,1989.-

с. 162-163.

2. Щэрбаков А.З., Яковлев П.В. Исследование процесса теплообмена при водной грануляции серы //Вестник Астраханского технического института рыбной промышленности и хозяйства. Сборник.-М.:ВНИРО,1993.- с 246-247.

3. Маркин В.К., Лубенко В.Н., Дзержинская И.С., Яковлев П.В. Повышение экологической безопасности при транспортировке серы АГПЗ // Междунар. конф.: Тез. докл. Каспий. На-

стоящее и будущее. Астрахань 17-20 ноября 1995 г.- Астрахань, 1995.-с. 215-217.

4. Маркин В.К., Плохов А.В., Овчинников В.А, Яковлев П.В. Проблемы перевозки серы водным транспортом // Конф. АГТУ.: Тез. докл. 40 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава. Астрахань 12-18 апреля 1996 г.- Астрахань, 1996.-с.124.

5. Маркин В.К., Овчинников В.А., Яковлев П.В. Исследование процесса грануляции серы. // Конф. АГГУ.: Тез. докл. 40 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава. Астрахань 12-18 апреля 1996 г.- Астрахань, 1996.-с.128.

6. Патент № 2042418 Российской Федерации, МКИ3 В 01 а 2/02. Грануляционная колонна / А.З.Щербаков, Ю.М.Бирюков, П.В.Яковлев.- № 4949740/26; Заявлено 27.06.91; Опубл. 27.08.95, Вкл. № 24, Приоритет 27.08.95, № 2286672 В 01 о 2/02(Франция).- 2 с.

7. Заявка 5004310/26, МКИ3В 01 J 2/02. Гранулятор / •А.З.Щербаков, Ю.М.Бирюков, П.В.Яковлев.- № 058778; Заявлено 02.07.91; Опубл. 03.02.94; Приоритет 02.07.91, № 874149 (СССР).- 2 с.

8. Заявка 5004076/26, МКИ3 В 01 В 1/04. Гравитационный сепаратор А.З.Щербаков, Ю.М.Бирюков, П.В.Яковлев.- № 06954; Заявлено ¿3.08.91; Опубл. 16.02.93; Приоритет 13.08.91, »4042511 В 07 В 1/04 (США).- 2 с.