автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности смесительных тепломассообменных процессов и аппаратов

у I и V -

2 5 (И да

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи

ИЛЬЯСОВ СТАНИСЛАВ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМЕСИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛОМАССО ОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ (на примере пищевых и биотехнологических производств)

Специальность: 05.18.12 - Процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1995

УДК : 663/664.021.3/4.002.5 (043.3)

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте биологической техники (НПО "Биотехника")

Официальные оппоненты:

- Заслуженный деятель науки и техники РФ, та.-корр. Академии холода РФ, доктор технических наук, профессор Б.И. Леончик ;

- Чл.-корр. Инженерной академии РФ, доктор технических наук, профессор А.Ю. Винаров;

- Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор C.B. Мищенко.

Ведущая организация - АООТ " БИОМАШ "

Защита состоится " &" ¿Ж^^б-Г/РЛ 1995 г. на заседании диссертационного Совета Д. 063.51.05 при Московской Государственной Академии пищевых производств (МГАПП) по адресу: 125080. Москва, Волоколамское шоссе. 11, ауд. ЛЛ9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПП. Автореферат разослан " " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д. 063.51.05, д.т.н. И .Г.Благовещенский.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для пищевых, биотехнологических и др. смежных производств совершенствование существующих, создаваемых вновь и перспективных технологических и физико-химических сис-тем(линий, операций, типовых процессов) предполагает повышение эффективности разнообразных процессов тепло- и массопереноса.

Функционирование этих систем определяет показатели качества продукции и сопряжено с комплексными затратами, влияющими в конечном счете на экономические показатели производств.

Концепция сбережения ресурсов и энергии должна быть преобладающей на всех стадиях функционирования перспективных технологий, при их разработке, аппаратурном оформлении и эксплуатации. Необходимо исходить из целостности системы процессов, использовать методические подходы системных анализа и синтеза, а также по возможности обобщения закономерностей функционирования и развитии систем, в т.ч. в различных смежных отраслях.

Выше сказанное в полной мере относится к производствам, перерабатывающим растительное и др. сырье, выпускающим продукцию многоцелевого назначения, применение которой обеспечивает функционирование и повышение эффективности ряда технологий в пищевой и других отраслях промышленности. К такой продукции относятся, например фурфурол и синтетические жирные кислоты.

Фурфурол является продуктом биотехнологической переработки растительного сырья (кукурузных початков, овсяной и рисовой шелухи, хлопковых коробочек и др.). Он является ценным селективным растворителем для различных масел, сырьем для производства лекарственных препаратов, а также широко используется для получения полимерных и др. материалов. Правительством РФ определена необходимость существенного роста объема производства фурфурола (до 15 тыс.т в год).

Синтетические жирные кислоты (СЖК), обеспечивают экономию тысяч тонн пищевых жиров, их используют в пищевой и биотехнологической промышленности при производстве синтетических моющих средств, туалетного и хозяйственного мыла, парфюмерно-косметических изделий, белково-витампнньгх концентратов и др. ценных веществ. Получение СЖК основано на окислении нефтяных парафинов.

Исследования, результаты которых обобщены в данной диссертации, выполнены при научном руководстве и непосредственном участии

ее автора с учетом задач, соответствующих Государственной научно-технической программе России 0.10 "Технология, машины и производства будущего" (1992 г.); раздел 2: "Технологическое оборудование и комплексы, производственная аппаратура, инструмент, оснастка" (разработка научных основ, исследование и создание на этой основе новых технологий, технологического оборудования и комплексов производственной аппаратуры и оснастки в области пищевой и перерабатывающей промышленности др.). •

Признаком, объединяющим эти исследования, является то, что базовыми являются массо- и тепломассообменные процессы, в т.ч. сопровождающиеся химическими реакциями, осуществляемые преимущественно в гетерогенных (паро-жидкостных, газожидкостных) системах. При этом для получения продукции высокого качества регламентированы допустимый уровень температуры, а также время контакта фаз с учетом кинетики процессов.

Научная концепция исследований: на основе обобщения и анализа информации о тепломассообмене и гидродинамике при межфазном взаимодействии многокомпонентных потоков, а также в результате выполнения специально поставленных экспериментальных исследований обосновать,разработать и осуществить технические решения, позволяющие повысить эффективность (прежде всего интенсифицировать) производства продукции, например, фурфурола, синтетических жирных кислот и др.

Цель и задачи исследования:

При определении цели данной диссертации принимались во внимание:

■ задачи, соответствующие вышеуказанной Государственной технической программе РФ;

. актуальные потребности повышения эффективности промышленных преимущественно тегеюмассообменных аппаратов пищевых и биотехнологических производств;

• возможности практической реализации результатов исследования, способствующих научно-техническому прогрессу.

Основными задачами исследования определены следующие.

1. Научное обобщение и анализ:

информации об эффективности тегагомассообменных, особенно смесительных, теплотехнологических аппаратов, выбор системы показателей их эффективности;

информации о современных направлениях и методах интенсификации тепломассообмена в смесительных аппаратах, которые могут обеспечить повышение эффективности пищевых, биотехнологических и др. производств.

2. Обоснование выбора объектов и разработка методов их исследования (производства фурфурола, синтетических жирных кислот и др.).

3. Обоснование методов интенсификации тепломассообмена в теплотехнологических преимущественно в смесительных аппаратах (в тарельчатых разделительных, в реакторах).

4. Исследование тепломассообмена в аппаратах по п.З.

5. Разработка и практическая реализация новых технических решений, направленных на повышение эффективности смесительных и других аппаратов, а также предложений обеспечивающих повышение эффективности производства, охрану окружающей среды при эксплуатации технологических систем в пищевой, биотехнологической и др. отраслях промышленности.

Научная новизна:

• теоретически и экспериментально обоснована эффективность применения для количественной оценки интенсивности обновления межфазной поверхности предлагаемой новой величины - фактора, определяемого отношением величины межфазной поверхности ко времени контакта фаз;

• на основе обобщения и анализа обширной информации о гидродинамике и тепломассообмене в двухфазных системах, характерных для контактных устройств, например, используемых при ректификации, в т.ч. новой, полученной экспериментально на специальных установках в условиях, максимально соответствующих натурным, доказана возможность достижения высокой равномерности структуры системы и существенной интенсификации межфазного тепло- и массо-обмена, обоснованы необходимые для этого параметры режима и конструктивные решения;

• в результате анализа и использования современных представлений о механизме переноса теплоты и массы вещества при взаимодействии струйных потоков с межфазной поверхностью, например, жидкости, теоретически обоснован и экспериментально на крупномасштабной установке изучен новый метод интенсификации (в несколько раз) массообменных процессов, сопровождающихся химическими реакциями, например, окисления,определена область значений рациональных параметров режима;

• на основе теории тепломассопереноса при пленочных, особенно при турбулентно-пленочных течениях, определена целесообразность постановки и проведения экспериментов на аппарате-контакторе, обеспечивающим, как доказано, кроме ускорения (в десятки раз) межфазного взаимодействия, высокое качество продукта.

Практическое значение полученных результатов:

При сравнении эффективности тепло массообменных аппаратов предложены для практического применения вышеуказанный

фактор, позволяющий оценивать интенсивность обновления межфазной поверхности, а также технико-экономические критерии;

• разработана многоцелевая наклонно-противоточная тарелка для контактных тепло- и массообменных аппаратов, эффективность которой существенно (в 2,5 раза) выше ранее применяемых и превышает их по величине КПД (более 80%); обобщающие зависимости КПД тарелок от основных факторов и параметров, в т.ч. представленные в виде диаграмм, являются основой для инженерных расчетов соответствующих аппаратов;

• наклонно-противоточная тарелка рекомендуется для применения в ректификационых и адсорбционных колоннах, в скрубберах (особенно большого диаметра до 12 м) и др. смесительных тепло-массообменных аппаратах и др.;

• разработаны, в т.ч. с применением методов моделирования, основы инженерного расчета и принципы аппаратурного оформления смесительных тепломассообменных аппаратов-реакторов со струйным устройством и турбулентно-пленочных (совместно с "реактором-отстойником");

. в промышленных условиях испытан реактор окисления парафиновых углеводородов непрерывного действия оригинальной конструкции со струйным устройством, позволяющий значительно улучшить качество получаемого целевого продукта при сокращении времени проведения процесса окисления более в 2,5 раза;

• разработана и реализована математическая модель для расчета трубчатых реакторов;

• обоснованы предложения для применения результатов работы в различных отраслях промышленности при совершенствовании систем очистки газовых выбросов.

Все результаты исследования, инженерные разработки реализованы в промышленных условиях:

на Георгиевском и Волгоградском биохимзаводах, фурфуроль-ные колонны гидролизного производства;

на Нартаалинском химкомбинате, производство белхововита-минных концентратов с использованием гаприна;

на Шебекннском химзаводе, реактор для окисления парафиновых углеводородов до синтетических жирных кислот, опытно-промышленные испытания;

на Грозненском нефтеперерабатывающем заводе, контактор турбулентно-пленочного типа, промышленные испытания;

на опытном заводе ВНИИ поверхностно-активных веществ, однотрубный реактор оксиэтилирования неионогенных ПАВ, опытно-промышленные испытания;

на Кропоткинском химзаводе и предприятиях специализированного пуско-наладочного управления, эксплуатация аппаратов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждались на: заседании Президиума Центрального Совета НТО нефтяной и газовой промышленности им. акад. И.М.Губкина (Протокол 3 от 10. 02.78 г., г.Москва); Всесоюзном совещании по теории и практике ректификации (1978, 1984 г.г., г.Уфа); семинаре по проблеме: "Теоретические основы химической технологии" (13.12.81 г., г.Москва); расширенном заседании секции математического моделирования по гидродинамике и тепломассопереносу НТС Миннефтехимпрома СССР 19.06.80 г., г.Грозный); расширенных заседаниях ученого Совета Всесоюзного научноисследова-тельского института поверхностно-активных веществ (1978, 1979 г., г.Шебекино); 11-й научно-технической конференции ученых и проектировщиков (г.Северодонецк); 1-й региональной конференции: "Химики Северного Кавказа - народному хозяйству" (1987 г., г.Махачкала); расширенном заседании директоров гидролизных производств (1990 г., Г.Кропоткин); расширенном заседании ученого Совета Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института биологической техники (1990 г.,г.Москва); заседаниях Ростовского отделения Инженерной Академии Российской Федерации (1994 г., г.Ростов-на-Дону); Республиканской научно-технической конференции "Проблемы энергетики теп-лотехнологии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье" (январь, 1994 г., МГАПП); научном семинаре кафедры "Теплотехника" МГАПП (апрель, 1995 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований он ул и ковано 27 научных трудов, включая 3 изобретения и 2 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и документов, подтверждающих научную и практическую ценность работы.

Диссертация изложена на 286 стр., включает 79 рис., 14 табл., список литературы из 349 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ

Обобщеная характеристика экономической эффективности использования основных производственных фондов (Э) определяется соотношением:

О I

э =- - , (1)

ПМ Ф/ПМ

где: <Згод - выпуск продукции за год, Ф • ее среднегодовая стоимость, ПМ - производственная мощность.

Показатели эффективности оборудования, в т.ч. характеризующие его использование, отражаются первым сомножителем

(коэффициентом использования).

При осуществлении технологических процессов (ТП), основанных на осуществлении химических реакций, количество продукции (М), полученной к моменту времени Т* :

М=М0 [ I - ехр (-Вт*)] (2)

где: Мо - количество продукции, которое теоретически может быть получено при переработке всего сырья,

В - коэффициент.

Из этого соотношения следует, что:

ТП должен быть прекращен в определенный момент времени, т.к. полная переработка сырья невозможна;

количество сырья должно приниматься с запасом (больше, чем Мо);

наибольшая эффективность (скорость) соответствует началу процесса.

Аналогичная зависимость между стоимостями (С) продукции, соответственно м и Мо :

С = Со [ I - ехр (-Вт )] (3)

Доход ( О ) от реализации продукции за вычетом эксплуатационных расходов ( 3 ) :

В = С-3 (4)

причем часто 3 = А*Т

где - эксплуатационные расходы за единицу времени.

Существенно отметить тесную взаимосвязь между производительностью аппарата, качеством и себестоимостью продукта.

На эффективность работы химико-технологических аппаратов в общем случае оказывают влияние следующие основные факторы:

• термодинамические (константы химического и фазового равновесия, определяющие направление процессов, скорость процессов, селективность);

• кинетические (константы скорости и энергии активации, порядки реакций);

• массообменные (коэффициенты массопередачи);

« теплообменные (коэффициенты теплопередачи, поверхности внешнего теплообмена);

• гидродинамические (характеристики межфазной поверхности и перемешивания).

В этом перечне определяющими являются гидродинамические факторы.

При расчетах, связанных с выбором оптимального времени пребы-ванги частиц, при котором обеспечивается завершение процесса,

применяют коэффициент заполнения объема аппарата (Ка) и коэффициент использования объема аппарата (КИО) Т| , причем:

Ка = У/У,.

л = Уз/У = Уь/У .

У - рабочий (полезный) объем аппарата, У а - общий обьем аппарата, и

Уэ, Уь - соответственно, объемы эталонного и исследуемого аппаратов.

В качестве эталона часто рассматривают аппарат идеального вытеснения или периодического действия той же производительности, что исследуемого аппарата.

Показатель определяется рядом соотношений, полученных для оценки работы каскада аппаратов идеального перемешивания при сравнении с работой аппарата идеального вытеснения. С помощью

Т] не возможно определить долю рабочего объема, занятого частицами, время пребывания которых не соответствует необходимому. Для оценки действительных функций распределения частиц по времени необходимо привлечение экспериментальных данных.

Таким образом, оценка эффективности даже простых элементов рассматриваемых технологических систем обычно является сложной многофакторной задачей, доя решения которой с количественным результатом необходима разработка показателей эффективности, например, отдельного аппарат, а также привлечение часто обширной информации, получаемой экспериментально.

На основании системного подхода, развитого в работах профессора В.П.Майкова, рассмотрены различные оценки эффективности работы тепло-и массообменных структур. Показано, что наиболее строгой и научно-обоснованной оценкой эффективности работы таких структур является технико-экономическая оценка. При этом она эквивалентна термоэкономической оценке, а энергетическая -термодинамической оценке. Предложенные критерии оценок могут быть использованы на практике. В частности, автором использован критерй для построения диаграмм, опредляющих оптимальные условия работы наклонно-противоточных тарелок

е = (Р0 Куу)/(Сэн 1чУ + Во с), (5)

где Куу - характеристика интенсивности процесса - коэффициент массопередачи, отнесенный к единице рабочего объема аппарата, кг/м3с;

- общая мощность, подведенная к единице объема аппарата; С- удельные капитальные затраты, руб/м5;

Ро масштабный коэффициент, приводящий выражение (1) в безразмерную форму записи, руб/кг;

Сэн - стоимость единицы подводимой энергии, руб/Дж;

Ъо- комплекс нормативных коэффициентов, 1/с.

При межфазном тепломассообмене в газо (-паро)-жидкостных системах на интенсивность переноса определяющее влияние оказывают гидродинамические факторы.

Согласно теории академика В.В.Кафарова для двухфазных потоков характерно наличие межфазной турбулентности, источником которой является возникновением вихрей, пораждаемых нестабильностью свободной поверхности или поверхности раздела. Необходимые и достаточные условия для ее возникновения:

1. Различие скоростей движения каждой фазы, "пронизывание" пограничных слоев газа и жидкости вихрями из-за проявления трения между потоками; вихреобразование приводит к резкому возрастанию поверхности фазового контакта; снижается относительное

влияние межмолекулярных характеристик; возникшая на межфазной поверхности турбулентность определяется как развитая свободная турбулентность. Образуется газо-жидкостная эмульсия - подвижная система газо-жидкостных вихрей, в слое которой происходит развитие и обновление межфазной поверхности, что в итоге обеспечивает сильное увеличение интенсивности массо- и теплообмена по сравнению с барботажным слоем при одинаковых потоках жидкости.

2. К интенсивному образованию вихрей приводит также различие плотностей и поверхностного натяжения движущихся потоков, которые являются функциями концентрации и температуры. Определяющее влияние на межфазный обмен оказывает гидродини-мическая обстановка. Согласно теории В.В.Кафарова перепад давления в дауфазной системе характеризует интенсивность образования межфазной поверхности. Отношение перепада давления при отсутствии жидкой фазы к этому перепаду может рассматриваться как критерий.

Очевидно, что разность этих перепадов достаточно велика при значительных плотностях орошения. Это теоретическое положение подвержено обширными экспериментальными данными. Получен ряд аппроксимирующих соотношений между указанными перепадами - сопротивлениями, параметрами режима и величинами, характеризующими свойства фаз.

Такие соотношения по своей сущности являются полуэмпирическими, что ограничивает возможности их применения для расчета тепломассообмена в условиях, отличающихся от тех, при которых они получены.

На основе нализа переноса количества движения, теплоты и массы

вещества через элемент межфазной поверхности ((11^ ) в условиях ее обновления с привлечением теории размерности нами предложен новый критерий интенсивности обновления межфазной поверхности.

Принятые при этом исходные положения следующие:

1.Коэффициент кинематической вязкости (V), температуропроводность ( а ) и коэффициент молекулярной диффузии массы вещества (О) имеют одинаковую размерность (м2 * С"1), что позволяет их аналогом (по размерности) рассматривать фактор-отношение величины межфазной поверхности (Р) к времени контакта фаз (т),

т.е. БУт. Это отношение может быть использовано в качестве частного размерного критерия обновления межфазной поверхности.

2. Возможен переход к безразмерной модификации критерия интенсивности обновления (%). Соответственно, при анализе переноса: количества движения Р/(х*"У), переноса теплоты ~~

переноса массы, ~

3. Строго говоря, величина % зависит от ряда параметров процесса, однако во многих относительно простых и практически важных случаях можно приближенно рассматривать и анализировать функции вида где

Ке

- число Рейнольдса. В качестве иллюстрации целесообразности применения предложенного критерия можно привести следующий пример.

На рис. 1 приведены зависимости , %ц,т(Кв) , получен-

ные при испытаниях водовоздушного скруббера промышленного размера. Гидродинамика барботажа на тарелках зависит от той или иной конструкции контактного устройства тарелки. Кривые соответствуют одной и той же конструкции контактного устройства и идентичным условиям проведения процесса. Одному и тому же числу Рейнольдса соответствует экстремум (максимум) комплекса.

6,5

6,0

5,5

I 5,0

^ 4,5 | 4,0

§3,5 3,0

-

V2

1

Рис.1. Зависимость критерия

X от числа Рейнольдса для контактных устройств типа -1.

1-Хг<Ке);

3 4 5 6 7 Число Рейнольдса. Ле • 10 2

При этом максимум %ма1ссг расположен выше максимальных значений для %макст и %максо • Кривые эквидистантны, что следует из

приближенной аналогии процессов. Число Re , соответствующее экстримумам кривых, опредедляет оптимальную скорость воздушного потока в свободном сечении скруббера, равную 1,23-1,25 м/с. Такая же скорость рекомендована для аналогичных контактных устройств, как характеризующая оптимальный режим. На рис. 2 представлена зависиммость %r(Rc) различных типов.

для контактных устройств трех

7,0

„ 6,0 ó

™ 5,0

a" 41° 3.

S 3,0 ñ 2,0

2

V

i 1 i ú

3 1 ( i

Jr 1 ....t. t 4 i

3 4 5 6 Число Рейнольдса. Re-IO 2

Рис. 2. Зависимость критерия

X от числа Рейнольдса для контактных устройств типа 1,2, 3.

1 - %г(Ие);

2-Хг (Ке);

3-Хг(Яе).

Из рисунка видно, что при различной пропускной спобности скруббера по газовой фазе и с учетом наиболее выгодных технологических условий проведения процесса можно подобрать соответствующий тип контактного устройства. Устройство типа - 3 менее эффективно, по

сравнению с устройствами типа - 1 и типа - 2. При Кб <360 использование устройства типа - 2 оказывается предпочтительнее по сравнению с устройством типа - 1. А в области 360< Ие <700 наиболее целесообразным является использование устройства типа -1.

Таким образом, для сравнительной оценки интенсивности обновления межфазной поверхности, существенно влияющей на эффективность тепломассообмешшх устройств, может быть рекомендован

предложенный критерий % ■ Интенсификация тепло- и массопереноса во многих случая является важнейшим среством повышения эффективности различных теплотехнологических процессов и аппаратов. Современные теоретические представления и результаты практических разработок в этой области обобщены в ряде монографий

В.В.Кафарова, В.И.Муштаева, В.К.Мигая, И.М.Федоткина, Л.С.Аксеяьруда, Т.Шервуда и да.

Учитывая направленность данной диссертации отметим общие тенденции интенсификации прежде всего в смесительных аппаратах. Существенно подчеркнуть межотраслевой характер этих тенденций. Для интенсификации тепло- и массопереноса в газожидкостных (парожидкостных) системах принципиально целесообразны прежде всего воздействия, обеспечивающие обновление межфазной поверхности, турбулнзацию пограничных слоев взаимодействующих фаз. Для этого могут быть созданы активные гидродинамические условия (движение фаз при высоких относительных скоростях, перемешивание,кавитирование, наложение пульсирующих воздействий, вскипание жидкой фазы и др.).

Весьма интенсивный тепло- и массообмен характерен для струйных пленочных течений взаимодействующих фаз.

Для интенсификации теплопередачи в рекуперативных аппаратах известны также многочисленые в основном достаточно обоснованные предложения: турбулизация потоков теплоносителей, т.ч. за счет рациональной конфигурации каналов, осуществление по возможности фазовых превращений, наложение акустических, пульсаци-онных, магнитных и электрических полей и др. Очевидно, что при решении комплексных теллотехнологических задач с учетом также химических реакций, сопровождающих тепло- и массоперенос, необходимо учитывать возможность существенного влияния на эффективность процесса температуры, выбор и применение катализатора, предварительную обработку взаимодействующих веществ (например, концентрирование).

Разумеется, что во многих случаях наиболее целесообразно комбинирование методов и средств интенсификации.

ЮБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Тепломассообмеиные разделительные аппараты тарельчатого типа.

Установлено, что эффективность существующих промышленных тепломассообменых аппаратов тарельчатого типа, в т.ч. применяемых для разделения растворов, существенно снижается при увеличении диаметра тарелок, расстояния между ними, удельных нагрузок по паровой (газовой) и жидкой фазам. Возможности прогнозирования влияния этих и др. факторов на эффективность аппаратов ограничены сложностью проблемы масштабного перехода. Для всех тарелок, являющихся контактными устройствами, характерно наличие градиента статических давлений (ГСД) в направлении движения жидкости, что вызывает "гидравлическую неравномерность" по пути жидкой фазы от входного к сливному устройству.

Нами экспериментально для клапанных перекрестно-прямоточных

(КП) тарелок и тарелок: из 8 - образных элементов показано, что негорнзонтальность расположения их полотна может способствовать росту эффективности (КПД) до 57%. Аналогичные результаты получены также и для других "традиционных" тарелок барботажного типа.

При выполнении сравнительных исследований (КП)и( 8 ) тарелок соблюдались следующие условия моделирования:

- используемая модель должна представлять собой часть промышленного аппарата с сохранением натуральных размеров основных конструктивных элементов;

- критерий Рейнольдса по газовой фаза в модели и образце должен быть одинаковым;

- плотность орошения и распределение орошающей жидкости должны быть одинаковы в модели и образце;

- размеры модели должны был. таковы, чтобы исключить влияние стенок аппарата, а также концевых эффектов (участков входа и выхода газа и жидкости);

- выбор модельной системы: газ - жидкость должен быть обоснован.

По мнению профессора В.М.Рамма такие положения сводят

моделирование, по существу, к испытанию элемента промышленного аппарата.

При изучении межфазного тепло- и массообмена в качестве модельных нами использованы модельные системы "Вода-воздух" и "толуол-о-ксилол".

Эффективность тепло- и массообмена между водой (1в= 320, ..328 К) и воздухом = 288...295 К) оценивались по величине КПД:

Г|т= ( Г, -Гг)! (Гв -1'г), (6)

4< и " и

где индексы и соответствуют начальным и конечным значениям температуры.

При ректификации второй системы определяли КПД по Мерфи:

л = - Ум)/( У™ - (7)

где Ум - мольная доля вещества в газовой (паровой) фазе, соответствующая равновесию;

индексы " N+1 « и " N " означают номера предшествующей (нижней) и верхней тарелок.

Для определения теплоты и массы вещества, которыми обменивались фазы по результатам общепринятых измерений и анализа проб составляли балансовые соотношения, относительная погршность которых не превышала 5%.

При опредлении коэффициентов теплообмена (X и массообмена

Р величины теплоты (С)) и массы вещества (IV!) относили к площади "зеркала" барботажа одной тарелки, к среднелогарифмическим разностям температуры и концентрации соответственно. Величины

и М! находили для всей колонны, а затем относили к одной тарелке, т.е. опредшши усредненные значения ОС и (3 . Технико-экономические критерии тарелок оценивали на основе соотношения (5).

Показана правомерность применения в приближенных инженерных расчетах формулы Льюиса.

Результаты опытного определения КПД и 6 для 7 типов "традиционных"тарелок при изменении расходов фаз показали ограниченные возможности повышения их эффективности и представлены в диссертации.

В связи с этим предложена для изучения новая конструкция так называемой наклонно-противоточной тарелки. При этом за основу принят принцип наклона полотна в сторону слива жидкости и встречного ввода газа в жидкостный слой.

Рис. 3. Эскиз части полотна наклонво-противоточкой тарелки и схема движения газового и жидкостного потоков. Величины А, Б. В, Г, Д определяются в зависимости от "жнвого"сечения тарелки.

Эскиз части полотна наклоннопротивоточной тарелки и схема движения потоков показаны на рис. 3.

В полотне тарелки -1, наклоненной под строго определенным углом

§1 просекаются направляющие контактные элементы - 2, выполненные в форме незамкнутого диска (эллипса), отогнутые под углом 5г в направлении движения жидкости.

Принцип работы тарелки следующий. Жидкая фаза поступает на входной участок тарелки, наклоненной по опредленным углом и движется в сторону сливного устройства самотеком, тем самым устраняется гидравлическая неравномерность барботажного слоя по длине пути жидкости. Поток газа (пара) истекает из направляющих контактных элементов навстречу движущейся жидкости, а его кинетическая энергия максимально расходуется на развитие межфазной поверхности контакта; при этом образуется барботажный слой равномерной структуры с высокой степенью газонасыщения.

Для оценки интенсивности межфазного тепломассообмена для

трех типов тарелок экспериментально определен фактор 17/х . При этом использовали гидравлическую модель с прозрачными стенками.

Удельную поверхность межфазного контакта -а(м2/м3) определяли в результате обработки фотоснимков газо-жидкостного слоя.

Объем барботажного слоя на тарелке (V© ):

Уст = Гст * На , м3 (8 )

где: - площадь "зеркала" барботзжа, м2 ;

На - высота барботажного слоя на тарелке, м.

Поверхность межфазного контакта (К) в объеме барботажного слоя, формирующегося на соответстующей тарелке:

¥ = Уа*а,мК (9)

Время контактирования газовой фазы с жидкостью (время пребывания газовой фазы в барботажном слое) рассчитывали по уравнению:

x = НаАУ°г, с , (10)

где \УРГ, скорость газа при входе в барботажный слой, непосредственно у полотна тарелки, м/с.

Опытные данные представлены на рис. 4 и преварительно свидетельствуют о явном превышении эффективности наклонно-

противоточной тарелки над эффективностью тарелок (КП) и (в).

Удельная поверхность межфазного контакта для на-клонно-противоточной тарелки, составляет в среднем величину 600 -800 м2/м3, для "традиционных" тарелок (клапанной перекрестно-

прямоточной и из 8 -образных элементов) величина удельной поверхности контакта фаз не превышает 200-250 м2/м*.

Результат послужил основанием для выбора предлагаемой тарелки в качестве объекта дальнейших исследований.

а

2 &

я ©

О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 Скорость газа в свободном сечении колонны (\¥к), м/с

Рис.4. Зависимость фактора (Р/т) от скорости газа в свободном

сечении колонны при плотности орошения Ъ = 34 м3/м ч. 1 -наклонно-противоточная тарелка; 2 - клапанная перекрестно-

прямоточная тарелка; 3 - тарелка из 8 - образных элементов.

Тепломассообменые аппараты - реакторы.

В связи с отмеченной выше актуальностью задачи интенсификации окисления углеводородов при производстве СЖК, следующим объектом исследования определен колонный окислительный аппарат. В таких аппаратах окисление в частности парафина, осуществляется кислородом воздуха в присутствии катализатора (перманганата калия, активных окислов марганца, а чаще всего мар-ганцево-натриевого) при температуре 393 К с последующим постепенным понижением температуры до 378 К. Окисление в промышленности проводится как периодически так и непрерывно.

При проведении периодического процесса единовременная загрузка применяемых окислительных колонн составляет около 30 тонн смеси свежего и возвратного парафина в соотношении 1 : 2. Расход воздуха составляет около 1800 м3/ч. Окисление ведется до кислотного числа 70 мг КОН на I г оксидата, что соответствует степени превращения исходного парафина 30-35%. Продолжительность периодического процесса окисления составляет 18-20 часов.

Рядом принципиальных преимуществ характеризуются колонны, работающие в непрерывном режиме, представляющие собой секционированные аппараты, разделенные на секции перфорированными решетками (тарелками) непровального типа.

Один из таких аппаратов колонного типа непрерывного действия был обследован нами. Этот аппарат смонтирован на базе периодической колонны (52/9) на НовокуйбышеЕСКОм НПЗ и состоит из пяти секций, четыре из которых являются рабочими, а пятая представляет собой абсорбер. Секции отделены друг от друга снтча-тыми тарелками кепрсвального типа с "живым" сечением 2% Каждая секция снабжена теплообмеными устройствами змеевикового типа.

Техническая характеристика колонны К-52/9 приведена в диссертации.

Экспериментально установлено преимущество аппарата-ректора, работающего непрерывно, особенно по величине карбонильного числа. Данные об изменении кислотных чисел также приведены в диссертации.

Полный переход на непрерывный способ окисления при существующем аппаратурном оформлении процесса связан с трудностями, обусловлеными большой продолжительностью процесса и громоздкостью аппараты для контактирования воздуха с парафином.

Сокращение времени окисления, а, следовательно, и применение более компактных аппаратов означает не только снижение капитальных и эксплуатационных затрат, но и возможность перехода на непрерывный способ производства синтетических жирных кислот. Для

Каждая секция снабжена теплообмеными устройствами змеевикового типа.

Техническая характеристика колонны К-52/9 приведена в диссертации.

Экспериментально установлено преимущество аппарата-ректора, работающего непрерывно, особенно по величине карбонильного числа. Данные об изменении кислотных чисел также приведены в диссертации.

Полный переход на непрерывный способ окисления при существующем аппаратурном оформлении процесса связан с трудностями, обусловлеными большой продолжительностью процесса и громоздкостью аппараты для контактирования воздуха с парафином.

Сокращение времени окисления, а, следовательно, и применение более компактных аппаратов означает не только снижение капитальных и эксплуатационных затрат, но и возможность перехода на непрерывный способ производства синтетических жирных кислот. Для этого необходимо существенное увеличение скорости процесса окисления.

В результате анализа кинетики этого процесса и результатов экспериментов, выполненных с целью поиска методов интенсификации окисления на традиционных принципах, установлена целесообразность поиска новых "нестандартных" решений задачи.

Обоснованы требования для разработки процесса и аппарата:

- проведение процесса в аппарате полного вытеснения;

- равномерное распределение концентраций реагентов в зоне реакции;

- термостатировйние соответствующих реакционных зон;

- сокращение времени окисления парафинов;

- повышение качества получаемого оксидата;

- непрерывность процесса.

Очевидно, что должны быть обеспечены равномерность распределения реагентов в активном объеме аппарата и максимально развитая поверхность контакта. Показано, что для получения развитой поверхности межфазного контакта необходимо ообеспечить высокие относительные скорости движения потоков. Так как, объемные соотношения реагентов при окислении парафина, включая гомогенный катализатор, различаются почти на четыре порядка, то задача их интенсивного смешения, а главное равномерного распределения в единице реакционного объема решить за счет обеспечения высоких (десятки метров в секунду) скоростей движения воздуха.

В связи с необходимостью получения дополнительной информации для создания принципиально нового высокоинтенсивного аппарата полного вытеснения на стенде с прозрачными стенками цилиндрической камеры выполнены специальные эксперименты. При этом в верхней части цилиндра располагалась смесительная камера со сменными осесимметричнымк соплами для достижения необходимой.

скорости истечения воздуха и воронкообразный отражатель,

в который через трубопровод подавали жидкую фазу (воду). Нижняя часть цилиндра (патрубка) была погружена в поддон, что

обесппечивало гидродозатор. Внутренний диаметр цилиндра (1вг =

0,05 м, длина И/ц = 4 м.

Удельная поверхность 3 (м2/м3) межфазного контакта в цилиндрическом патрубке определяли, как и в предыдущем случае, путем обработки фотоснимков газожидкостной структуры, с учетом

варьирования скорости истечения воздуха из сопла - Расход

воды, подаваемой в воронкообразный отражатель, составлял 10 л/ч.

Межфазную поверхность, образованную в цилиндрическом патрубке, определяли из уравнения:

К = У„*а,м2, (II)

где Уп = /в" внутренний объем цилиндрического патрубка, занимаемой газожидкостной структурой, м3.

Время пребывания газожидкостного потока в патрубке оценивали путем введения в начальный момент времени з воронкообразный отражатель трассера - растворитель метилоранжа.

Н а рис. 5 представлена зависимость фактора ( К/т ) от скорости воздуха, истекающего из сопла.

Из рисунка 5 следует, что фактор ]?/X принимает относительно небольшие значения при

50 м/с. В интервале изменения С от

50 до 200 м/с изменение фактора (К/X ) незначительно, при этом он достигает области наибольших значений.

Проведенные предварительные опыты явились предпосылкой для создания и исследования оригинальной конструкции опытно-промышленного реактора для окисления парафиновых углеводородов (Рис. 9).

С учетом преимуществ процессов, осуществляемых в условиях активной гидродинамики, определена целесообразность разработки

и

Т 2 И £

<я

е

о

О 50 100 150 200 250 Скорость истечения воздуха из сопла, м/с

Рис.5. Зависимость фактора (Г/т) от скорости истечения воздуха из сопла \Ус.

также реактора, в котором осуществляется взаимодействие потоков жидкости при их турбулентно-пленочном движении.

Кроме обоснования общих принципов устройства такого реактора многоцелевого назначения поставлена конкретная задача учесть актуальнсть совершенствования технологии алкияирования.

В основу разработку контактора сернокислотного алкилирования турбулентно-пленочного типа положен принцип достижения высокой скорости обновления межфазной поверхности между контактирующими реагентами. В качестве критерия, - характеризующего скорость обновления единицы межфазной

поверхности, принят фактор ( Я/т )

Схема и описание работы такого реактора, также являющегося объектом наших исследований, описаны ниже (Рис. 11).

Методика исследования особенностей тепломассопереноса, осложненного химическими реакциями, в объеме такого реактора основана на выполнении экспериментов в натурных условиях с привлечением достижений пленочных течений.

Актуальной является также задача разделения эмульсий, образуемых, например, в результате сернокислотного алкилирования в турбулентно-пленочном реакторе. Для эффективного решения такой

<"1

О О

/

(

/

о; Г

1

задачи с учетом многоцелевого применения в диссертации разработана безнасосная система "реактор-отстойник".

В диссертации также приведены методика и результаты моделирования движения (циркуляции) потоков в таких системах.

Для изучения особенностей жидкостного оксиэтгошрования неионногенных ПАВ с целью разработки новой высокоэффективной аппаратуры непрерывного действия в диссертации представлены угочненая математическая модель процесса и алгоритм ее реализации.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. РАЗРАБОТКА НОВЫХ АППАРАТОВ

Смесительный аппарат с тарелками наклонно-противоточного типа.

Для разработки рационального варианта нового многоцелевого аппарата, основными элементами которого являются тарелки наклонно-противоточного типа, в разделе 2, при разработке наклонно-противоточной тарелки следует исходить из того, что наряду с устранением гидродинамической неравномерномерности

барботажного слоя, можно достигать одновременно необходимого времени пребывания (контакта) фаз в зоне барботажа.

В основу разработки тарелки (НП) положено сочетание наклона по лотна в сторону слива жидкости со встречным вводом газа в жидкостный слой, т.е. с противоточным движением потоков. Схема и принцип действия такой тарелки подробно описаны в диссертации.

В результате движения по наклонному основанию тарелки устраняется гидродинамическая неравномерность барботажного слоя. На всей рабочей площади тарелки формируется гидродинамический равномерный барботажный слой.

При встречном движении газовой и жидкостной фаз на тарелке формируется газожидкостный слой пленочно-ячеистой структуры с весьма развитой поверхностью межфазного контакта, так как кинетическая энергия газа расходуется на турбулизацию потока; достигается необходимое время контакта между газовой и жидкими фазами так как встречный ввод газа обеспечивает необходимую задержку жидкости, а формирующийся барботажный слой высокой степени газонасыщения обеспечивет необходимое время пребывания газовой фазы; существенно возрастает эффективность тепло- и массообмена между газовой и жидкой фазами.

В полотне тарелки - 2, наклоненном в сторону сливного устройства

под углом (XI, просекаются направляющие контактные элементы - 3, выполненные в форме незамкнутого диска (эллипса), отогнутые под

углом ОС2 , в направлении движения жидкости (рис. 6). Угол отгиба

элементов и их диамеггр выбираются такими, чтобы зазор между верхней кромкой элемента и нижней кромкой полотна не превышал 6 -8 мм. Для большинства двухфазных систем размер газовых пузырьков находится именно в этом интервале, поэтому при таком зазоре практически исключается провал жидкости через прорези тарелки, даже при весьма небольших нагрузках по газовой фазе. Форма каждого контактного элемента позволяет вводить газ в слой жидкости по образующей окружности (эллипса) с раскрытием дуги 300 340 Свободное сечение тарелки для прохода газовой фазы определяется соотношением между диаметром контактных элементов, их формой и количеством на единицу рабочей площади полотна тарелки. Контактные элементы располагаются равномерно по площади полотна тарелки, в шахматном порядке.

На специальном экспериментальном стенде определены поля скоростей газового потока при его движении через контактные элементы различной формы, что позволило считать наиболее рациональной, обеспечивающей высокую равномерность поля скоростей, форму эллипса. Получена обширная новая информация о

зависимости от плотности орошения (ГД скорости газа в свободном

Рис.6. Схема однопоточной наклонно-противоточной тарелки и принцип ее работы. 1 - корпус колонны; 2 - полотно тарелки; 3 - направляющие контактные элементы; 4, 5 - переливные устройства.

——г— ——»- —— газ; --- жидкость.

(\Ук ), живого сечения ( ^ ) и наклона полотна тарелок, длины пути жидкости, ряда величин, необходимых для определения конструктивных размеров и параметров работы аппарата:

статистического напора слоя жидкости ( Йс) , высоты барботажного

слоя ( Но) . Опытные данные в полном объеме представлены в диссертации.

Анализ этих данных, соответствующих \Ук = 0,4 - 1,6 М/С;

Ь = 8 - 90 м3/(м ч); Д = 20 - 60 мм/м; Ь = 7 -

14% показал, что при любом сочетании параметров Ь, Д, {о и с учетом аналогичного характера изменения при варьировании

скорости газа \Ук, высота газо-жидкостного слоя по пути жидкости по тарелке остается неизменной. Этот факт (с учетом неизменности

Ьс по Тл ) свидетельствует о равномерности газонасыщения барботажного слоя, формирующегося на всей рабочей площади наклонно-противоточной тарелки.

Статистическая обработка фотоснимков газо-жидкостного слоя позволила опрелить средний объемно-поверхностный диаметр

пузырьков газа(ячеек пены) (1п и газонасыщение слоя Б. Затем находили удельную поверхность межфазного контакта по приближенному уравнению:

а = 6 е /й п (12)

Показано, что для оценки межфазного контакта в барботажном слое, формирующимся на наклонно-противоточной тарелке могут быть использованы известные уравнения:

ай0 = 0,64 \¥е0-6 в3 (цж/цг), (13) аЬо =0,5 Ш^5 Ег0'2 \¥е°>6 (14)

Входящие в уравнения (12), (14) параметры:

Я - удельная поверхность межфазного контакта, м2/м 3; Ие ,¥г ,\Уе - безрамерные числа Рейнольдса, Фруда, Вебера;

р.ж/|Хг- отношение динамических вязкостен жидкости и газа;

Ьо = 11с Ьа = На - статистическое давление и высота барботажного слоя на тарелке.

Как отмечалось выше, на наклонно-противоточной тарелке формируется барботажный слой равномерной структуры, благодаря чему перераспределение скоростей газового потока при его выходе из слоя не происходит. Сам же барботажный слой как бы редуцирует газовый поток, оказывает сепарирующее действие на жидкую фазу.

При испытании одной из модификаций наклонно-противоточной тарелки в идентичных условиях с клапанной перекрестно-прямоточной

и из 8-образных элементов установлено, что при одних и тех же нагрузках по газу и жидкости на наклонно-противоточной тарелке высота барботажного слоя в 3,5 - 4 раза превышала высоту слоя для других указанных тарелок. Кроме того, в этом случае, унос жидкости для наклонно-противоточной тарелки был на 10% меньше, чем для клапанной перекрестно-прямоточной тарелки и почти в 2 раза

меньше, чем для тарелки из 8-образных элементов. Этот факт подтверждает сепарирующее действие барботажного слоя, формирующего на наклонно-противоточной тарелке. Величина

относительного уноса жидкости при изменении \Ук в указанных пределах составляла 0,2 ... 10%.

При изучении межфазного тепло- и массообмена и А И /о изменялись в вышеуказанных пределах. Экспериментально при

=0,3 -0,2 м/с установлено, что (X слабо зависит от Ъ, А и /0 ,

однако при изменении \Ук от минимального до максимального значения возрастает почти в два раза. Абсолютное значение для • тарелок (НП) достигало 8 кВт/(м2*К), что существенно (в 1,5 - 1,7 раз) превышает а для ситчатых тарелок, полученных при идентичных

условиях. Первичные данные о величине (X (по результатам более 400 опытов), а также о проверке возможностей использования формулы Льюиса (более 90 опытов) приведены в диссертации. Показано, что

равенство

о/р =СР (где - Ср объемная изобарная удельная теплоемкость воздуха) соблюдается с точностью ± 6%. Принципиальное значение для обоснования рекомендаций о широком применении тарелок (НП) имеют показанные в диссертации экспериментальные результаты определения КПД тарелок (по Мэрфи).

80

&<г

о. к о Р.

СО

н

л Ь

ё 60

га

а

С

I

о

40

20

н

ЬС и

-ел

СП

1

/

3 7-С Гк

У 1"ЗГ] к

0 // л к \

\ \

\

0,5

1,0

1,5

2,0

Скорость газа в свободном сечении колонны, , м/с

Рис.7. Сравнение показателей эффективности работы тарелок (К.П.Д.) различных конструкций, исследованных в идентичных условиях. 1,2,3,4 - тарелки, соответственно: наклонно-противоточная, клапанная

перекрестно-прямоточная, из 8-образных элементов, ситчатая с отбойными элементами.

При изменении 1Ц А и /о в пределах вышеуказанных значений

величина Т| по данным около 400 опытов оставалась на весьма высоком уровне: от 85 до 92%.

На рис.7 представлены показатели эффективности тепломассообмена для исследованных тарелок.

Из рисунка видно, что значения эффективности по Мерфи для наклонно-противоточной тарелки мало зависят от скорости газа, что свидетельствует о достаточно широком диапазоне ее эффективной работы. Для других конструкций, как значения эффективности, так и диапазон эффективной их работы оказывается значительно меньше. Кроме того, для определения оптимальных условий работы наклонно-противоточной тарелки произведены расчеты критерия технико-

экономической эффективности 0, результаты которых представлены

и обсуждены в диссертации. По сравнению с тарелками других типов

величина 0 для наклонно-противоточных тарелок больше в 1,5...4,5 раза.

На основании обобщения экспериментальных данных построены диаграммы, позволяющие решать практические задачи создания эффективных аппаратов. (См. рис.8).

Реакторы со струйным устройством

Широко известно, что существование струйных и пленочных течений, особенно при повышенных скоростях относительно движения фаз, позволяет существенно (в несколько раз или на порядок) интенсифицировать тепломассоперенос (при выпаривании, ректификации, экстрагировании, сорбции, сушке и др.). Расчет новых или модернизированных аппаратов для осуществления высокоинтенсивных тепломассообменных процессов в условиях струйных и (или) пленочных течений может выполняться на основе известных уравнений материального и теплового (если в объеме аппарата происходит теплообмен) баланса.

Общие исходные принципы расчета тепло-и массообменных аппаратов о писаны в многочисленных источниках.

Обычно балансовые, гидравлические соотношения, фундаментальные уравнения термодинамики и общей теории тепломассопереноса, а также химические соотношения позволяют на стадии проектирования определить расходы основных взаимодействующих веществ, изменение параметров режима, оценить расходы энергии.Однако для выполнения полных, в т.ч. сравнительных, конструктивных расчетов новых аппаратов необходимы также соотношения, описывающие кинетику процессов переноса, сведения о свойствах веществ, о влиянии параметров режима, условий и длительности контакта взаимодействующих фаз на качество продукции и технико-экономические показатели.

Во многих случаях для определения таких соотношений и сведений необходимо выполнение экспериментов, для постановки которых могут потребоваться значительные затраты.

При этом также могут возникать не всегда успешно преодолимые трудности масштабного перехода.

Сказанное определило целесообразность при решении задачи создания новых и модернизированных реакторов - смесительных тепломассообменных аппаратов для осуществления

высокоинтенсивных ранее недостаточно изученных процессов взаимодействия исходных веществ на первом этапе выполнить оценочные расчеты по соотношениям, установленным нами в результате обобщения научной информации, а затем провести эксперименты в условиях максимально соответствующим натурным.

Рис.8. Диаграммы, определяющие оптимальные условия работы наклонно-противоточных тарелок, имеющих различное "живое"сечение. 1,2,3,4,5,6,7,8,9 - наклон полотна тарелок, соответственно, равен: 60, 55, 50, 49, 35, 30, 25, 20 мм/м.

В диссертации приводится обобщенная информация, качающаяся современных теоретических положений в области гидродинамики тепло- и массообмена при пленочных и струйных течениях. На ее основе оказалось возможным выполнить предварительные расчеты рассматриваемых процессов. Соотношения позволили оценить: коэффициенты перемешивания в пленках при волновом течении, толщину пленки при различных режимах течения, среднюю скорость ее движения, поток массы вещества на поверхностях пленки и капли жидкости, скорость движения пульсирующей капли, вероятную дисперсность капель, интенсивность межфазного массообмена в системе "жидкость-жидкость", в т.ч. при осцилляции капель. Определены также особенности массообмена при наличии химических реакций. Кроме того, рассмотрены результаты экспериментального изучения взаимодействия высокоскоростных струй с непроницаемой поверхностью.

Нами разработан полупромышленный вариант шестисекционного аппарата (реактора ) окисления парафиновых углеводородов для проведения непрерывного процесса. Схематично аппарат показан на рис.9.

В аппарате процесс осуществляется следующим образом. Смесь парафина и катализатора в жидком состоянии при температуре 393 К подается через трубопровод 7 в воронкообразный отражатель 8. Воздух подается под давлением до 1,5 105 Па в сопло 6, расположенного соосно с воронкообразным отражателем 8, истекает из него со скоростью не менее 50 м/с и вступает в контакт со смесью парафиновых углеводородов и катализатора.

При этом в смесительной камере 5 образуется газожидкостная система пленочко-ячеистой структуры с высокоразвитой поверхностью межфазного контакта с равномерным распределением реагентов в единице объема. Газожидкостная система поступает в цилиндрический патрубок 4 и опускается по нему выходя в кольцевое пространство, образованное корпусом аппарата I и цилиндрическим патрубком 4, через раструб 9, попадает в первую нижнюю секцию окислительной колонны. В каждой из секций происходит отвод тепла реакции теплообменными поверхностями 3 и поддерживается необходимая для процесса температура. "Жизнеспособность" газожидкостной структуры зависит от времени, определяющего глубину окисления, а время окисления регулируется скоростью истечения воздуха из сопла и соотношением начальных скоростей реагентов, соответствующих их объемным расходам.

В пределах каждой секции интенсивно протекают процессы тепло- и массопереноса, также химическая реакция превращения парафиновых углеводородов. Перфорированные тарелки, имеющие различное "живое" сечение, позволяют инициировать развитие межфазной

йтработанний воздух и аб-газы

Свежий' воздух

II

_/|^Парафин + катализатор

-1С

не не

НС НС

НС-НС

1:

Г,5 7

О—О

Оксидат

Щ-^

1 - корпус аппарата;

2 - секционирующие перего-

родки (тарелки сетчатого типа с переменным "живым" сечением);

3 - теплообменники змееви-

кового типа;

4 - цилиндрический патру-

бок;

5 - смесительная камера;

6 - сопло;

7 - трубопровод для подачи

парафина и катализатора;

8 - воронкообразный отража-

тель;

9 - раструб;

10 - штуцер для вывода окси-

данта;

11 - штуцер для отвода отра-

ботанного воздуха и абгазов.

Рис.9. Аппарат (реактор) со струйным устройством для проведения непрерывного процесса окисления парафиновых углеводородов.

поверхности в нижних секциях аппарата и сепарировать жидкую фазу от газовой за счет увеличивающего "живого" сечения в верхних секциях аппарата.

Отметим, что в патрубке 4 создаются наиболее благоприятные условия для протекания процесса в диффузионной области, а в кольцевом пространстве реактора и в каждой из его секций создаются наиболее благоприятные условия для протекания процесса в кинетической области.

В реакторе использованы ситчатые тарелки. Первая тарелка имеет "живое" сечение 3%, вторая 6%, третья 9%, четвертая 12% и пятая 15%. Такое редуцирование реакционной смеси позволяет обеспечить "мягкий" гидродинамический режим работы аппарата по всей его высоте, с хорошей сепарацией отработанного воздуха от жидкой реакционной массы.

Кроме того, рассчитан, разработан и изготовлен реактор-контактор для проведения высокоинтенсивного массообмена в условиях турбулентно-пленочного течения фаз (Рис.10).

Он работает следующим образом. Охлажденные до 273-275 К изобутан и серную кислоту предварительно смешивают в камере - 1 и направляют одним сплошным потоком по трубопроводу - 2 к диафрагме - 3. Сплошной поток, состоящий из кислоты и изобутана, поступает в диафрагму, инжектируется через нее со скоростью 1-20 м/с и поступает в расширитель - 4, где его скорость снижается до 0,1 - 0,2 м/с относительно наибольшего сечения расширителя. Другой поток -бутан-бутиленовую фракцию также охлаждают до 273-275 К, подают в трубопровод - 5 в виде пленки распыляют в сплошной поток диспергатором - 6. Щель диспергатора и скорость истечения потока бутан-бутиленовой фракции рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить необходимую величину "длины вылета затопленной струи" в сплошной поток, с учетом линейной скорости движения последнего. При этом достигается развитая поверхность межфазного контакта с высокой скоростью обновления единицы ее поверхности. Условную поверхность межфазного контакта, с учетом эффективной длины вылета затопленной струи, определяли из соотношения:

/ = 0,785 (D*-d*),M*, (15)

где: D - диаметр расширителя в наибольшем его сечении, м; d - диаметр диска диспергатора, м.

Время контакта со стороны сплошного потока ( Тксп) оценивали, как

ББФ

ис.10. Контактор сернокислотного алкилирования турбулентно-леночного типа. 1 - смесительная камера для серкой кислоты и зобутана; 2 - трубопровод; 3 - инжектирующая диафрагма; 4 - корпус онтактора (расширитель); 5 - трубопровод для подвода бутан-утиленовой фракции (Б Б Ф); 6 - диспергатор.

тксп = 5щ/\¥сп, С, (16)

;е 5щ - условная толщина пленки потока бутан-бутиленовой эакции, равная ширине щели диспергатора, м;

^сп - линейная скорость сплошного потока в наибольшем сечении штактора, м/с;

ремя контакта со стороны бутан-бутиленовой фракции (Тк б6Ф );

тк ббф = (В - d)/2*cosa*WD6бф, С, (17)

(е: WDббф- действительная скорость истечения бутан-бутиленовой ракции, м/с;

СХ - условный угол отклонения затопленной струи потока бутан-бутиленовой фракции,0.

Действительная скорость истечения бутан-бутиленовой фракции определяется из соотношения:

W>66* = а* \¥рббф, м/с, (18)

где WD66tj> - расчетная скорость истечения бутан-бутиленовой фракции, м/с;

а - эмпирический коэффициент, учитывающий сопротивление среды при вылете затопленной струи бутан-бутиленовой фракции; диаметр струи условно принимали равным ширине щели диспергатора.

Коэффициент ä при скорости движения сплошного потока

Wen = 0,12 м/с и величине (D - d)/2 = 0,15 М был равен 1,9.

Для эффективного проведения контактирования необходимо соблюдать условие:

Хксп = Ткббф (19)

При проведении экспериментальных исследований скорость движения сплошного потока в наибольшем сечении контактора оставалась постоянной и составляла 0.12 м/с. Варьировали скорость истечения бутан-бутиленовой фракции.

Объем изготовленного для проведения экспериментов реактора составлял около 0,1 м3. Высокая эффективность аппаратов турбулентно-пленочного типа подтверждена результатами экспериментов, приведенных ниже.

4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Производство фурфурола

В условиях производства фурфурола на ректификацию поступает азеотропная трехкомпонентная смесь: метанол-вода-фурфурол. Эту смесь исследовали на приборе Розанова.

Расчет основных фурфурольных колонн должен основываться на анализе кривых равновесия и кривых простой перегонки, построенных

в треугольных диаграммах для системы вода-фурфурол-метанол. Такие диаграммы в диссертации представлены. Они построены в результате анализа литературных экспериментальных данных. Приведены также данные для коэффициента распределения метанола в зависимости от состава жидкости для кривых равновесия. Эти данные позволили уточнить метод расчета основных фурфурольных колонн, который также приведен в работе.

На Кропоткинском химзаводе разработанные нами наклонно-противоточные тарелки внедрены в основную фурфурольную колонну в апреле 1988 года и успешно эксплуатируются.

Для определения оптимальной конструкции тарелки ввода питания (фурфуролсодержащего конденсата) использовали математическую модель, разработанную автором с сотрудниками. Фурфурольное отделение Кропоткинского химзавода располагает тремя основными фурфурольными колоннами: ОФК-3, снабженная наклонно-противоточными тарелками, ОФК-2, снабженная чешуйчатыми тарелками и ОФК-3 - также оснащенная наклонно-противоточными тарелками. До внедрения наклонно-противоточных тарелок, взамен колпачковых, наиболее эффективно работающей считалась колонна ОФК-2. Все три колонны имеют диаметр 2,2 м, число тарелок - 42, межтарельчатое расстояние - 0,5 м, ввод питания в колонну ОФК-3 осуществляется на 24 тарелку. Колонны оснащены смотровыми окнами и соответствующими приборами для снятия гидродинамических и тепло- и массообменных параметров. Одним из основных показателей эффективности работы колонн является суммарная потеря фурфурола в лютере, конденсаторе смешения в метанольной фракции. Такая суммарная потеря фурфурола для колонны ОФК-3, за время ее эксплуатации, в среднем равна 148,1 т/год, а для колонны ОФК-2 - 450,87 т/год. Это означает, что при стоимости одной тонны фурфурола 700 $ экономия за счет сокращения потерь фурфурола на одной колонне составляет 212000 $ в год, а общий экономический эффект - 320500 $. Кроме того, отсутствие фурфурола в метанольной фракции (для ОФК-3) позволяет улучшить экологическую обстановку. Метанол является сопутствующим целевым продуктом.

Для определения расхода пара в фурфурольных колоннах с наклонно-противоточными тарелками построена номограмма, связывающая параметры: число тарелок в исчерпывающей части колонны, концентрацию фурфурола на тарелке питания, концентрацию фурфурола в лютере, количество отбираемой водно-фурфурольной фракции и эффективность работы тарелок. При разработке соотношений, по которым построена номограмма, были использованы эксплуатационные данные.

Так как расход пара и: эффективность работы тарелок величины взаимосвязанные, то при построении номограммы, задаваясь величиной эффективности работы тарелок, можно определить величину расхода пара и, наоборот, по эксплуатационной величине расхода пара можно определить реальную эффективность работы тарелок.

Номограммой пользуются следующим образом. Найдя на оси номограммы величину (Хп /Хо ), (здесь Хп - концентрация

фурфурола в кипящей жидкости на тарелке питания, % мае.; Хо -концентрация фурфурола в лютере, % мае.;) движемся по горизонтали вправо до пересечения с кривой, соответствующей фактическому числу тарелок в исчерпывающей части колонны, затем-опускается вниз до пересечения с прямой, соответствующей величине эффективности

работы тарелок (Т| ). Далее движемся влево до пересечения с линией, соответствующей количеству отбираемого дистиллят и, поднимаясь вверх, определяем расход водяного пара.

Как видно из рисунка 11 расход водяного пара составляет около 39 кг на 100 кг конденсата при эффективности тарелок 83%. При расходе конденсата 21 т/ч расход водяного пара равен 8 т'ч, а реальная эффективность работы наклонно-противоточных тарелок составляет более 80%, что находится в полном соответствии с эксплуатационными показателями колонны ОФК-3.

Номограмма, представленная на рисунке 11, является документом, регламентирующем процесс при эксплуатации основных фурфурольных колонн с наклонно-противоточными тарелками.

Производство синтетических жирных кислот Так как, СЖК получают путем окисления парафиновых углеводородов, целесообразно обоснованное промышленное применение разработанного нами и описанного выше аппарата со струйным устройством (рис. 9), обеспечивающего существенную .интенсификацию этого и других тепломассообменных процессов, в т.ч. сопровождающихся химическими реакциями.

Химизм образования кислот, образующихся при окислении парафинов различного состава можно выполнить по зависимости: N

Ci= San ...100 * K¡ * Mi ,%мас. (20) n=Lc 7n2 + l,5n +22B

Здесь C¡ - концентрация индивидуальных кислот ( Í -той кислоты в сумме образующихся кислот;

Рис.11. Номограмма для определения расхода пара в фу-рфурольных колоннах с нак-лонно-противо-точными тарелками

Число тарелок 27 25?Л 21

;>0 '¿5 30 35

Количество отбираемого дистиллями, кг на 100 кг конденсат а

М- число атомов углерода в высшем углеводороде окисляемого парафина;

П- число атомов углерода в молекуле углеводорода;

Ьс - число атомов углерода в низшем углеводороде окисляемого парафина;

(Хп - массовая доля п - го углеводорода; *

Кл - принимает значения: К = 2,2; К = 1,7; Кз = Кд =...= К0-5 = 1,0; К„-1 = 0,9; К,-з = 0,6; К„.2 = 0,4; К.-1 = 0,1; К. = 0,1.

Зависимость получена на основе обработки обширного материала о кинетике и механизме реакций жидкофазного окисления парафиновых углеводородов, а также многочисленных практических данных, с учетом различных свойств парафинов. Результаты расчета по формуле сопоставлены с экспериментальными данными, отмечена вполне удовлетворительная их сходимость.

Разработанный реактор исследовали на полу-промышленной установи? принципиальная схема которой и реактор струйного типа приведены н<. Т1ис.12. Ранее, на этой же установке другими авторами были наследованы реакторы традиционного типа, секционированные различными конструкца,ми тарелок.

Сырье - свежий и возвраты.«! парафины, в соотношении 1:2 в смеси с катализатором Мп-Ка мыла жирных кислот, с концентрацией от 0,10 до 0,15% мае. подавали в воронкообразный отражатель - 17 реактора -0 1. Расход сырья (С) изменяли оТ 10 до 14 л/ч. Свежий воздух подавали под давлением от 0,6 * 103 до 1,5 * 103 Па в сопло - 15. Расход воздуха изменяли от 6 до 10 м /ч. Для реакторов без струйного устройства воздух, сырье и катализатор подаьали в нижнюю секцию реактора.

На рис.13 представлены характерные экспериментальные данные об изменении кислотных, эфирных, карбонильных чисел, времени окисления и температуры по высоте реактора при его различном конструктивном оформлении.

Из анализа графиков следует, что процесс окисления парафинов в реакторе со струйным устройством протекает в режиме полного вытеснения. Повышенные значения кислотных чисел, пониженные эфирных и карбонильных чисел свидетельствуют об улучшении качества оксидата. Время окисления парафинов сокращается в 2,5 раза. Изучалось влияние скорости истечения воздуха из сопел в среднем от 50 до 200 м/с на качество получаемого продукта. Обоснована целесообразность принимать ее от 50 до 70 м/с.

-НЁ—

[Пара шин [катализатор

Отработанный гоздух и абгазн в печь на сжкгзннэ

1 - реактор;

2 - пеногаситель;

3,4 - емкости с окисленным парафином;

5 - сырьевая емкость:

6 - емкость для низко-

11 - секционирующие перегородки (тарелки ситчатого типа с переменным "живым "сечением:

12 - теплообменники:

13 - цилиндрический патрубок

14 - смесительная камера: молекулярных кислот: 15 - сопло:

7 - конденсатор: 1 б - трубопровод для подачи

8 - дозирующий насос: парафина и катализатора:

9 - центробежный насос: 17 - воронкообразный

10 - подогреватель отражатель: парафина: 18. - раструб:

19 - вывод оксидата: На омыление 20 - отвод абгазаов.

Рис. 12. Принципиальная схема установки непрерывного процесса окисления парафинов

70

Г, 0

50

4 0 30

20 10 0

80

70

60 50

40 20

20

1С

0

20

св X

X О

ы

и 2

V es

св

к

о S 6Г о 3 X л и

о ю а.

<Я К

а

О

5

5. к ■е

О

т

К ^

0

1 10

н о

о

1<к.ч.

-- Л ^.-гсгр / 1» 7 а,_ L-1 TL

J щ

2- / 1 3

/ Щ t'

* X Í

о? К X и К и S Ж

о

ЕС

S и а. ta

0 I 2 3 4 5 6

З.ч 1

К i.-—— гЧ'

Ж с л

7 4

ЙГ 0 п 6

8>

1 1

0 I 3 4 5 е

18 15

■12

9 6

3

0

403 393

/

2 \ / f

\ > f \ 3

А i Í i

Á у. \ ñ

г) 5

0 1 2 3 4 5 6

(U

о. о

(ч

ж

Св 0J

а а

с«

н <я а

<и

с s

Н

383 373

363 353

343

333

A ¿a- ib h* >1°

4 \

ir ft

\

í 9

l

0 1 2 3 4 5 6 Число секций в

колонне, (П)

1 - 3 - колонна без струйного устройства; 4 - 6 - колонна со струйным устройством;

1-(_L ) ситчатые тарелки; 2 -( А ) ситчатые тарелки с отбойниками; 3 - ( □ ) колпачковые тарелки; 4,5,6 - скорость истечения воздуха из сопла,

Число секций в колонне, (П) crt / Г^ \

4 ' соответственно, равна: 50 ^ \J )

150 ( • ), 200 ( О ) м/с.

. Рис.13. Изменение кислотных, эфирных, карбонильных чисел, температуры и времени окисления по высоте реактора при его

различном конструктивном оформлении. G = 10 n/4;V = 6,0 м3/ч; концентрация катализатора Mn:Na равна 0,1% мае.

^""IL aá— 0 A-J.it

1 1

Непрерывная работа реактора со струйным устройством в течение 2-х месяцев показала, что накопления продуктов переокисления не происходит, внутренняя поверхность реактора, патрубка и змеевиков была чистой, на днище аппарата также не было никаких осадков. Для традиционных конструкций реактора характерно наличие отложений и осадков, что является одной из основных причин их преждевременной остановки.

Таким образом, из приведенного анализа видно существенное преимущество реактора со струйным устройством, по сравнению с традиционными конструкциями реакторов.

ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И

РАЗРАБОТОК В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ

Наклонно-противоточные контактные тарелки Рассмотрены вопросы промышленного применения наклонно-противоточных тарелок, в частности, их применение в абсорберах, десорберах, скрубберах, рекгификациотшх колоннах: атмосферных, работающих под давлением и под вакуумом.

На основе обследования ректификационных колонн нефтеперерабатывающих заводов был выполнен расчет приведенных затрат при применении в этих колоннах тарелок различных конструкций. В результате расчетов установлено, что применение наклонно-противоточных тарелок взамен тарелок, используемых в настоящее время, сократит приведенные затраты в среднем в 2 раза для вакуумных колонн и в 2,5 - 3 раза для атмосферных колонн и колонн, работающих под давлением.

Наклонно-противоточные тарелки внедрены в рабочий проект реконструкции вакуумной колонны К-5 Грозненского нефтеперерабатывающего завода им. А.Шерипова, а также изготовлены и смонтированы в скруббере, предназначенном для улавливания экологически вредных веществ на Вишневском комбинате нерудных строительных материалов. Кроме того, наклонно-противоточные тарелки внедряются на Георгиевском биохимзаводе, Нарткалинском химкомбинате, Волгоградском биохимзаводе.

Контакторы турбулентно-пленочного типа

В диссертации приведены результаты анализа работы современных реакторов (контакторов) сернокислотного алкилирования. На основании теоретических предпосылок рассмотрен механизм реакции сернокислотного алкилирования, влияние физических факторов на процесс, был сделан важный вывод: процесс сернокислотного алкилирования можно интенсифицировать путем достижения высокой

скорости обновления поверхности между контактирующими реагентами. В этом случае время протекания процесса "может измеряться секундами или даже долями секунды, а повышение при этом температуры не ухудшит качества получаемого продукта. Это послужило основанием для обоснования выбора разработанного нами контактора турбулентно-пленочного типа в качестве аппарата, позволяющего повысить эффективность сернокислотного алкилирования, осуществляемого при производстве алкилбензина (Рис.10).

При этом достигнута поверхность межфазного контакта с высокой скоростью ее обновления, а продолжительность непосредственного контакта реагентов составляла 0,01 - 0,04 с.

Контактор турбулентно-пленочного типа прошел опытно-промышленные испытания на Грозненском НПЗ им. Н.Анисимова. Установлено, что проведение реакции сернокислотного алкилировани в контакторе турбулентно-пленочного типа позволяет по сравнению с контакторами с механическим перемешиванием реагентов увеличить почти в 50 раз производительность реакционной зоны, на 2 пункта увеличить октановое число алкиблензина, более чем на 10% от суммарного количества алкилата увеличить выход фракции с началом кипения 458 К, при этом непредельные углеводороды в продуктах реакции отсутствуют.

Годовой эффект от внедрения опытно-промышленного образца контактора турбулентно-пленочного типа объемом 0,1 м3 составил 66000$.

Высокая интенсивность межфазного обмена в объеме таких аппаратов позволяет считать их перспективными для многих отраслей промышленности, особенно при необходимости существенной интенсификации йассообменных процессов в системах "жидкость-жидкость".

К таким процессам, например, относятся экстракционные процессы. Для повышения эффективности применения турбулентно-пленочных контакторов многоцелевого назначения могут быть предусмотрены -отстой и разделение образующихся эмульсий, обеспечивающие получение товарного продукта.

На физической модели нами выполнено исследование системы "реактор-отстойник". При этом также реализована методика, предполагающая электрогидравличесхое моделирование. Для расширения области применимости экспериментальных результатов и упрощения задачи их получения в качестве модельных сред использованы система "вода-четыреххлористый углерод". Для системы реактор-отстойник (контактор типа КСГ) получена аналитическая зависимость для расчета оптимального расстояния

между контактором и отстойником, которую использовали при монтаже системы на Ново-Ярославском НПЗ.

Возможности повышения эффективности трубчатых реакторов

Рассмотрена задача интенсификации реакций в трубчатых реакторах за счет определения оптимальной величины скорости движения реакционных потоков. В связи с этим ее можно отнести к группе вышеописанных задач, посвященных поиску рациональных гидродинамических условий.

Определены возможности интенсификации процесса жидкофазного оксиэтилирования неионогенных поверхностно-активных веществ на основе окиси этилена. Процессы жидкофазного оксиэтилирования являются весьма экзотермичными, проводятся они, как правило, в реакторах трубчатого типа и под давлением. Для увеличения производительности трубчатого реактора можно, например, выполнять его многотрубным по типу кожухотрубчатых теплообменников или проводить процесс в одной трубке, выполненной в виде змеевика с повышенной линейной скоростью реакционного потока.

Для сравнения различных вариантов аппаратурного оформления процесса оксиэтилирования проведено исследование с помощью уточненной математической модели:

АСаШ = -a[CR + BiCt + B2(Cro- Cr - Ci)]CACk= I га I;

dCRld£ = -a* Ca *CR* Ck; a = pCM* k0* W1;

dCi/di = a(CR - BiCi) CA Ck; Bi = ki/k0; B2 = ki/ko; \ (21)

<ПШ = Qp/(Cp* pCM)l rA I - (4KDTX)/ (3600*Cp*GCm)

при I - 0: CA = Can , CR = Crn , Q = 0 , T = Т»,

К = exp(^nK'o - Eo/RT).

Здесь CA,CR,Ci,Ck, - концентрация окиси этилена, спиртов, этоксилатов с одним молем окиси этилена, катализатора,

соответственно, моль/кг; рСм ~ плотность реакционной смеси, кг/м3;

ко, ki,k2 - константы скорости реакций по соответствующим

стадиям; W- линейная скорость реакционного потока, м/с; Qp ~

теплота реакции, кДж/с; Ср - теплоемкость реакционной смеси,

Дж/(моль град); D и d - наружный и внутренний диаметр

Очищенный газ в атмосферу

Рис. 14. Принципиальная схема "скруббер-отстойник" 1 - дымовая труба; 2 - скруббер; 3 - отстойник; 4 - фундамент; циркулярный насос; 5 - переливные утройства; 7 - тарелки; газовый коллектор; 9 - перегородки; 10 - шиберы; 11 - вход; дымовых газов; 12 - запорные вентили; 13 - воздуходувка повышения напора. .

реакционной трубки, м; в см р2сход реакционной смеси, м3/с; Т -температура, К; £ - длина, м.

В диссертации приведены зависимости критерия Рейнольдса и коэффициента теплопередачи от длины реактора при скорости реакционного потока 0,05-1,2 м/с, полученные с помощью математической модели (21).

Критерий Рейнольдса оказался в среднем в 3 -5 раз больше при скорости потока 1,2 м/с; значительно больше при повышенных скоростях и коэффициент теплопередачи.

Установлено, что интенсификация отвода реакционного тепла оксиэтилирования, протекающего в трубном реакторе, с увеличением линейной скорости потока реагентов - наиболее доступный, дешевый и технологичный способ; энергетические затраты при этом незначительны.

При реализации процесса жидкофазного оксиэтилирования под давлением до 5 * 10б Па в однотрубном реакторе с повышенной линейной скоростью реакционной смеси снимаются, обусловленные давлением, трудноста конструктивных решений, которые присущи кожухотрубчатым аппаратам, и обеспечивается равномерность реакционной массы.

Эффективность работы широко распространенных практически во всех отраслях промышленности теплообменников, реакторов в большинстве случает может быть существенно увеличена за счет борьбы с отложениями на теплопередающих поверхностях, а также их периодической своевременной очистки.

В связи с этим нами выполнено обобщение информации о современных методах очистки поверхностей теплопередающих стенок, позволившее составить рекомендации, краткое содержанке которых приводится в Приложении (ПАЮ) к диссертации.

Совершенствование очистки газовых выбросов

Разработанные нами аппараты (колонны с тарелками наклонно-противоточного типа, со струйными устройствами) могут быть эффективно использованы в установках для систем очистки газовых выбросов. Это положение в диссертации аргументировано на основе анализа информации о современных тенденциях совершенствования таких систем, к весьма перспективным относятся системы мокрой очистки.

На рис.14 показана разработанная принципиально новая система для мокрой очистки пыле-газовых выбросов, состоящая из скруббера и отстойника, расположенных соосно, которая позволяет улавливать 95 -90% экологически вредных веществ из пыле-газовых выбросов.

заключение

В диссертации изложены научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на повышение эффективности смесительных тепло- и массообменных аппаратов, применение которых, как основного оборудования, определяет эффективность промышленных

линий в пищевой, биотехнологической и др. смежных отраслях промышленности, влияет на ускорение научно-технического прогресса в них.

Основные теоретические и экспериментальные, в т.ч. методические, разработки представляются межотраслевыми. Конкретная направленность прикладных исследований и практической реализации результатов работы преимущественно связана с крупномасштабными производствами пищевых и биотехнологических производств (фурфурол, СЖК).

В обзорной и методической части диссертации приводится информация, касающаяся общей оценки экономической эффективности технологических систем и их элементов, факторов, влияющих на эту эффективность.

Рассмотрены также особенности локальных критериев оценки отдельных тепломассообменных и теплообменных аппаратов (термодинамических, технологических, технико-экономических, энергетических и др.), что позволило сделать вывод о сложности и часто неоднозначности результатов сравнения вариантов при практическом их применении. Сделано обоснование необходимости при анализе эффективности смесительных (контактных) аппаратов, особенно если они предназначены для осуществления взаимодействия газообразных и жидких потоков, количественной оценки интенсивности обновления межфазной поверхности. Для такой оценки

предложено использовать фактор (1 /т) или его безразмерные

модификации: Е/(Т*У), Г/(т*а), Г/(т*Б).

Выполнены эксперименты, показавшие, что использование этих величин, например, для оценок интенсивности обновления межфазной поверхности при барботаже воздуха через слой жидкости, вполне целесообразно.

Из многочисленных способов интенсификации тепломассообменных и теплообменных процессов выбраны наиболее надежные и доступные. К ним отнесены способы, основанные на влиянии скорости потоков на пространственно-временное развитие тепломассообменных процессов. С учетом потребностей вышеупомянутых производств в качестве основных объектов исследования определены жидкостные системы,

изучение которых относится к сложнейшим задачам и наиболее удачно осуществляется, особенно, если необходимы качественные прикладные результаты, с привлечением экспериментальных данных. Конкретные исследования и, соответственно, основные принципы методики их выполнения характеризуются сочетанием теоретических разработок, расчетных оценок и экспериментов.

Рассмотрены общие особенности работы различных контактных тарелок, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден новый принцип конструкции предложенной наклонно-противоточной тарелки. Эксперименты выполнялись на специальном стенде вначале с модельными системами ("воздух-вода"). Для оценки величины межфазной поверхности использовали фотосъемку, осуществляемую аппаратурой со специальной оптикой.

Аналогичная последовательность соблюдалась также при изучении тепломассообмена в случае обдува высокоскоростным воздушным потоком поверхности жидкости, а также массообмена в аппарате-реакторе турбулентно-пленочного типа. Значительное внимание было уделено разработке электро-гидравлической модели системы "реактор-отстойник" в связи с необходимостью повышения ее эффективности при разделении эмульсий, образующихся в реакторе. Результаты этих исследований послужили основанием для дальнейшего более полного изучения высокоинтенсивных процессов тепломассообмена. На специальном стенде подробно изучены гидродинамические особенности работы наклонно-противоточной тарелки, а также тепломассообмен при взаимодействии фаз. Получены обширные данные о влиянии основных параметров режима и других факторов на эффективность ее работы, которая оказалась выше всех ранее известных тарелок (КПД более 80%). Для определения оптимальных условий работы таких тарелок составлены обобщающие диаграммы. Эффективность аппаратов-реакторов со струйными устройствами, а также турбулентно-пленочного типа обоснована теоретически и экспериментально.

Полученные результаты позволили создать установки для их испытания и использования в производственных условиях:

- колонна с наклонно-противоточными тарелками для разделения смеси "метанол-вода-фурфурол" рассчитана, создана и испытана на Кропоткинском химическом заводе: получен фурфурол высокого качества при интенсификации процесса в 1,5 - 2 раза.

- колонна со струйным устройством для окисления парафиновых углеводородов, необходимых в ряде производств, например, при получении БВК; экспериментально показана возможность интенсификации окисления в 2,5 и более раз, а также установлено улучшение качества оксиданта; испытания проводили на Шебекинском химкомбинате. Кроме того, результаты работы со значительным

эффектом реализованы: на Грозненском нефтеперерабатывающем заводе (колонна вакуумная с наклонно-противоточными тарелками, контактор турбулентно-пленочный); реактор для оксиэтилирования; устройство для совершенствования очистки газовых выбросов. Таким образом, выполнены анализ, теоретические и экспериментальные исследования, обобщение которых составляет основу для инженерных расчетов и разработки комплекса промышленных высокоэффективных теплотехнологических аппаратов. Выпуск оборудования для внедрения в промышленность освоен АО "Маяк" (г.Кропоткин), осваивается АО "Оргтехника" (г.Лермонтов). В стадии оформления документы на продажу разработок в Японию, Тайвань, Польшу, Германию.

Экономический эффект от применения результатов. исследования, ожидаемый в 1996 - 1998 гг. около 10 млн.$ США.

Автор выражает глубокую благодарность академику Российской биотехнологической Академии А.М.Карпову и акдемическому советнику Российской инженерной Академии д.т.н. Е.А. Гайванскому за постоянную помощь при выполнении диссертации.

Основное содержание диссертации опубликовано:

1. Ильясов C.B. Высокоэффективные тепло- и массообменные аппараты. - Минводы, Наука, 1994. - 22,3 п.л.

2. Ильясов C.B. Повышение эффективности смесительных тепломассообменных процессов и аппаратов в пищевых и биотехнологических производствах. - Минводы, Наука, 1995. - 2 п.л.

3. Гидродинамические и тепломассообменные характеристики барботажных тарелок различных конструкций. В кн. Технология нефти. Катализ и адсорбция на цеолитах. Труды ГрозНИИ, вып.29, М., 1978. с. 257-266. (Соавторы: Гайванский Е.А., Мановян А.К., Ларина P.C.).

4. Разработка наклонно-противоточной барботажной тарелки. Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования в нефтеперерабатывающей и нефрехимической промышленности. М„ 1979. № 1, с. 7-8 (Соавтор: Гайванский Е.А.).

5. О повышении эффективности контакта фаз на клапанных прямоточных тарелках. - Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования в нефтеперарабатывающей и нефтехимической промышленности. М., 1979. № 1, с. 8-10 (Соавтор: Гайванский Е.А.).

6. Некоторые теоретико-физические аспекты и принципы конструктивного оформления аппаратов для смешения газовых и жидких сред. - Депонирована ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШем, № 627,

от 07.06.80. Реф. журнал ВИНИТИ, Св. т.9. реф. ЗИ-144-80. (Соавторы: Гайванский Е.А. и др.).

7. Гидродинамические условия осуществления циркуляции кислоты в системе реактор-отстойник установки сернокислотного алкилирования с горизонтальным реактором. В кн.: Алкилирование изопарафиновых и ароматичесхих углеводородов., - М. 1980, с.53-61. (Соавторы Ланцов В.Н. и до.).

8. Эффективная наклонно-противоточная тарелка для крупных тепло- и массообменных колонн. - Химическая промышленность, М, 1986, № 12, с.749-751 (45-47). (Соавтор: Гайванский Е.А.).

9. Пути устранения гидравлической неравномерности на контактных устройствах большого диаметра. - Депонирована ЦИНТИХИМНЕФТЕХИМом, № 124нх-85 Дел., БУ ВИНИТИ "Депонированные научные работы", М., 1986, № 3. (Соавторы: Гайванский Е.А. и др.).

10. Выбор критерия оптимизации процессов технологии. -Депонирована ЦНИИНЕФТЕХИМом, № 91нх-85 Деп., БУ ВИНИТИ "Депонированные научные работы", М., 1986, № 6. (Соавтор: Гайванский Е.А.).

11. Технико-экономические показатели работы контактных устройств при использовании их в ректификационных колоннах различного назначения. - Депонирована ЦНИИНЕФТЕХИМом, 49нх-86 Деп., БУ ВИНИТИ "Депонированные научные работы", М., 1986, № 6. (Соавтор: Гайванский Е.А.)

12. Оптимизация подачи питания в ректификационную колонну с высокоэффективными тарелками. - "Депонированные научные работы", М., 1986, № 6 (Соавторы: Гайванский и др.).

13. Оценка эффективности контактных устройств при их использовании в различных технологических процессах. Депонирована ЦНИИТЭИНЕФТЕХИМом, -№ 52нх-86 Деп., БУ ВИНИТИ "Депонированные научные работы", М., 1986 г. № 6 (Соавторы: Гайванский Е.А. и др.).

14. Интенсификация процесса окисления парафиновых углеводородов до синтетических жирных кислот. В кн.: Химики Северного Кавказа - народному хозяйству. Махачкала, 1987, с.24 (Соавторы: Гайванский Е.А. и др.).

15. Анализ результатов исследования уноса жидкости для контактных устройств различных конструкций. - Химическая промышленность, М„ 1988, № 125нх-85 Деп., БУ ВИНИТИ "Депонированные научные работы", М., 1986, М 4 (Соавторы: Гайванский Е.А. и др.).

16. Определение оптимальных условий работы тепломассообменных наклонно-противоточной тарелки. - Химическая

промышленость, М., 1988, № 1, с.43-45 (Соавторы: Гайванский Е.А. и ДР-)-

17. Новые высокоэффективные тарелки для ректификационных колонн гидролизных производств. - Гидролизная и лесохимическая промышленность, М., 1988, № 3, с.19-20 (Соавторы: Гайванский Е.А. и ДР-).

18. Расчет тепло- и массообмена на наклонно-противоточных устройствах при контактировании водно-фурфурольной, смеси с водяным паром. - В сб.: Передовой производственный опыт в медицинской и микробиологической промышленности, рекомендуемый для внедрения. Вып. 8, ВНИИСЭНТИ, М., 1989, с. 3537 (Соавтор: Гайванский Е.А.).

19. Повышение эффективности работы теплообменников: Защита окружиющей Среды: Обзорная информация. М., ВНИИСЭНТИ, 1989. Вып.47 - 39 с. (Соавтор: Гайванский Е.А.).

20. Промышленное применение тепломассообменных наклонно-противоточных тарелок: Системы управления, автоматизации и оптимизации технологических процессов: Обзорная информация. - М., ВНИИСЭНТИ, 1990. - Вып. I. - 35 с. (Соавтор: Гайванский Е.А.).

21. Опыт эксплуатации опытно-промышленной и промышленной фурфурольных колонн на Кропоткинском химическим заводе. - В сб.: Передовой производственный (научный) опыт, рекомендуемый для внедрения, М„ вып.4, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990, с.3-6. (Соавтор: Гайванский Е.А.).

22. Применение наклонно-противоточных тарелок в абсорберах, десорберах, скрубберах, ректификационных колоннах. - В сб. Передовой производственный (научный) опыт, рекомендуемый для внедрения, М„ вып. 4, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990, с.6-9. (Соавтор: Гайванский Е.А.),

23. Контактор сернокислотного алкилирования турбулентнопленочного типа. - Химическое и нефтяное машиностроение, М., 1991, №2, с.13-15. (Соавтор: Гайванский Е.А.)

24. Интенсификация и аппаратное оформление процесса оксиэлилирования неионогенных поверхностно-активных веществ. -Химическое и нефтяное машиностроение, М., 1992, № 6, с. 9-11. (Соавтор: Гайванский Е.А.).

25. Способ получения алкидбензина. А. С. СССР, № 976628, М. Кл. ЗС. 07. 2/6. (Соавторы: Гайванский Е.А. и др.).

26. Тепломассообменная тарелка. А. С. СССР № 718117, М. Кл. 2В 01Д 3/22. (Соавторы: Гайванский Е.А. и др.).

27. Непрерывный способ получения оксидата производства синтетических жирных кислот. А. С. СССР № 1531412, с 07 С 53/00 51/215 (Соавтор: Гайванский Е.А.).