автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Процессы переноса в аппаратах пленочного типа

г г

■ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОШЮП ШЖЧЕСХОЙ ТЕХНОЛОГИИ (мшт) им. ГЛ.В.ЛОМОНОСОВА Специализированный Совет Д.063.41.03

На правах рукописи

ашгов мпхаил. констлшшювич

ПРОЦЕСС!] ПЕРЕНОСА В АППАРАТАХ ПЛЕНОЧНОГО ТИПА.

Опенаальносгь 05.17.03 - Процессы к аппарат хн.'.ггееской

технологии

Автореферат ■ диссертации на соискание ученой степени доктора технически;* науя

:,Ьсию

Ребота выполнена* в Московской Государственной академии топкой химической технологии (ЦИТЗСГ) ич. Ü.B.Ломоносова. :

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, професоор Кулоз H.H. доктор технических наук, профессор Холпанов Л.П. доктор технических наук, профессор Коегоаян А.Е.

Ведущее предприятие: НИИ Синтез с КБ (г.Москва).

Защита диссертации состоится " марте IS94 г. в на заседании специализированного Совета Д.0В3.41.03 Московской Государственной академли тонкой химической технологии им. Ы.В.Л( могасова.

II757I, г. Москва, прослект Вернадского, дом 86.

С диссертацией коано ознакомиься в библиотеке ЛИТХТ им. . U,В.Ломоносова.

Ученый секретарь специализированного Совете ктн, доцецт . >

С.В.Бабич

- г -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Среди оборудования, приценяемого в химической и смежной с :й отраслях проимзлешюсти для проведения тепло-, массообиешпзс реакционных процессов, значительное место принэдьепиг аппарате«, которых течение одного из потеков происходит б вчде тонкой гид-ютной опенки. Последняя либо образуется естественный образом юнрииер, при конденсации паров), либо направленно формируется' 1И вводе жидкости в аппарат (в ходо дистилляции, выпаривания, шлообиена, хиничэских превращений и т.п.). При осуществлении :да технологических процессов Стеялонзпрягсекннх, а такие евпзан-х с переработкой веществ, не выдерживающих длительного зоздей-вия повышенных теиператур) использование пленочных аппаратов зличных конструкций является порой единственным способов Полунин качественных продуктов с приемлемыми выходзии.

Несмотря на большое число исследований в области пленочного чения жидкостей, инненернке методы расчета плгттных аппаратов учитывают ряд цоцентов, игнорирование которых приводит к суде-венныа оиибкац при определении их необходимых размеров и конеч-х результатов цроцзсса. В связи с этиа весьаа актуальный явля-ся уточнение механизма процессов переноса иыпульса, тепло и зе-гтва в аппаратах пленочного типа и разработка на этой основе годов их расчета, а тэкае создание нови конструкций для ког.к-гных технологических.процессов.

Работа выполнялась в соответствии с координационными плана:«;: СССР на 1586-1950 г.г. по направлению "Теоретические оснозг. гаческой технологии" - проблем 2-27 к научно-исследовательских 5от по направлению "Теоретические основы химической технологии'1 1391-1596 г.г.

Цель работы.-

Общая цель рзботы состоит в изучении зоэи'гоезязинкнх. сторон зночного течения, что позволяет подойти к обоснованному мате.ча-¡ескоау описание некоторых пленочных процессов и разработке рз-шальнпх ко;:стру:<ци" аппаратуры.

Конкретпиич цглякя являются: _- теоретическое и эз5нер5!Цснтал^кое исследование процессов

Автор в;'р-вг:пет глубо/суп благодарность с >сму Учителю к изучат консул: эяадегкку це-га;. неродной дь Ви профессор}« ¿.Г.Ки-:2ну зз г.О'иодь з работе.

•л-. - 8 - • " 1-.

переноса импульса, тепла и вещества в гадкостных плгнквх; ' •

- изучение структуры потока жидкэстьых кленок и разработка технологических а конструктивных методов воздействия на нее;

- разработка инженерша методов расчета тепло- и ыэссообмен-ной пленочной аппаратуры и химических реакторов;

- практическая реализация результатов исследований и разработок аппаратуры...

• ' Научная ноа/гне.

3 результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получено математическое описание ряда напряженных тепломассообменых и реакционных пленочных процессов, учитывающее гидродинамические и структурные характеристики течения пленок. Оснэшше конкретные научные результаты цогут быть сформулированы следующий образом:

- разработан а реализован в различных вариантах подход к установлению однозначной зависимости толщины жидкостной пленки, а также границ рениаа зчхлебывания от расходов жидкости и газа;.

- установлены гидродинамические закономерности течения кид-костаых пленок при взаимодействии с газовой (а такае с жндкоИ) средой при их прямоточном или противотсчкои дтюхении;

- пооаналпзировпна структура пленочного течения при различных варианта:: его оргзниэацил, получены функции распределения эле меню? потока по времени пребдзанин;

- ::ро7[е:мнстрировпн балансов:;!: хэрсктер тепло- и ыассоперено са при ламинарной двчксини ¡хидкостных пленок в реальных пленочнис аппар^чох, установлены границы перехода балансовой задачи в ске-зэнн;»; ■

- изучен гошгсперенэс в случае конденсации пара на охлакдае-ролерггности при переменной ее температуре по шсотс, показано

преивддасям противоточногс движезип хледоагентв в сравнении с прямоточным;

- разработаны модели тепло- и кэосоо.бменз для пленочной дис-тишщто бинарных смес*£ " улориввния растворов;

- устэновлей характер к дани количественные оценки вяияняй неравномерности времени пребывания элементов потоке на эффективность плепочкмх химических реакторов; хиявлены особенности кат»уг.. а&тичеексго списания в случае реакций нулевого порядка;

- пседлокеиа модель тепло- а массообмеьа £ теплонапряЕоишх пленочных химических реакторах; на Сазе ее математического описания изучено кппние технологически::, параметров на процесс и зияв-

пены его рабочие, режимы.

Практическая значкиость.

На основе проведенных научных исследований разработаны методы инженерного расчета тепломассообиенных пленочных аппаратов, предложены и реализованы рациональные конструктивные решения. Среди конкретных практических результатов:

- разработаны методы гидравлического расчета пленочных трубчатых и ротационных аппаратов;

- предложены технологические приемы и конструктивные реаения для синения поперечной неравномерности профиля скоростей в жид- . костной пленке;

- предложен ието'д расчета пленочных тепло- и ыассообменных аппаратов с учетом балансового характера переноса тепла и зещестзо;

- разработаны иемды описания и расчета ряда эффектов и процессов в жидкостных пленках: конденсация пара в одно- я двухходовых вертикальных теплообменниках и нз пучках горизонтальных труб; выпаривания растворов в эппаратзх - со стека-аде') пленкой и роторных пленочных; объемной химической реакции разных порядков;

- установлены закономерности процесса обе?во;;:пзош<ш годных растзоров в жидкостной пленке на вращающейся бэрэбане с получением твердого зедества; проведены промышленные испытания барабана диаметром 600 ш нз Скоропусковском опытном заводе по обезвохлвэниэ лаурилсульфата натрия с получение;.! твердого продукта;

- разработана конструкция многотрубного пленочного резктора для проведения геплонапряаенных процессов; изготовлен трехтрубный аппарат и готов к внедрении при необходимости увеличения производительности действующего с 1985 г. однотрубного реоктора для еуяь-фатировэпия лаурнлового спирта газообразным триоксидом серы.

Лгчное участие.,

Автор является научным руководителем и ответственным исполнителем п^дствЕленннх в диссертации робот. Все основные результаты получены лично авторов. При использовании материалов других исследователей приводится ссылки на соответствующие источники.

Автор зачитает:

Научную проработку различных аспектов пленочного течения и технологические решения, коькретко:

- необходимость учета поперечной неравномерности пузйпля скоростей в зждкосикой плеаке при анализе протекаоцах в ней процес-

' ■ \ - 5 - ■

сов тепло-, массоиереноса и химических Превращений;

- ОадаисозкЙ характер тепло- и массопере'носа в ламинарных кидкопнкх п.тоннах;

- зшыние на теплоотдачу при конденсации пара других стадий ; ' зеллопорсноса;

- способы регулирования структуры потока жидкостной пленки ■ и .повыаеиня эс-.+актиэностн пленочной аппаратуры;

-■ ■ •'.'" - методы модеаирования и расчета пленочных аппаратов раалич-л'/'ию; конструкций у. назначений;

./' -.результаты гидроданамаческих и тепло-, иассообиенных иссяе-: .м'доваиий аппарогоэ пленочного типа в лаборазориых условиях и при

,1фоивиленкых «списаниях; ; ■ - конструкции пленочных аипарагов для проведения напряженных ■:процессов й обезвоживания растворов. ' ■ Апробация работы..

'V.:' Основные результаты работы докладывалась на следучдах оове-; рациях и к^иуервнциях; Воёеолэном ервеадияи "Тенаомассообаеиное '' '.Оборудование-Вб" (Москва, Х988 г.); 2-ой нэучцо-гахническо'К кон-' "(ференцни "Гидродинамика, тепло- шссообаенные процессы в жидких '•'пленках" (Еолггфия, Бургас, 5989); 8-ой Республиканской конферел-

ч

'.га, "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппа-

ратов ;шжчеснлх производств" (Днепропетровск, 1091;; П-ой Все-coJàHof: конференции "Хииреактор-П" (Харьков, Алушта, 199!}). ,

Аппаратура и технологии получения анионных иоверхпостао-ак-тивных B.eqecïïB экспонировалась, вя выставке "Химия-ЭЙ", Москва, 1992 Публикации. - ■ /

.Основное содержание диссертационной работы изложено в 53 публикациях, ji юи числе в двух авторских свидетельствах. .

... ■ ¡Ёшнецц&ан работы

:2иссер'А'ациойаая pstfosa состоим ив введения, пя^и глав, основных зкяодов, списка литературы и приложен;;?.. Основное содержание •Р.збогы/Л0->эзево на 847 страницах иаиииоиисиого текста, siswiaet ,85'йКС2НК9в„.й4. таблзды. и список литературы из 152 навасвовоний. ' В'при^ояотгах для тфвдой. ие'& глав 'вризедени.-иатсизгачеокае si- '. кле:-;кя яр к выводе некоторьл '1'орыул, представлены анты внедрения. ОЗций-об^еа прйлегеняй. сосаамяет 101 страницу. / . ,

• . ' ' ' Содержание g;iocep^au!iaa7io!I_ijngorij .

Крайне вкродеШ круг ягоЗзеи (тем. бот,en - .xmpesi&s: гехиоло-гических .зодач), возникающих при g из .тазе пленочного нечиы-ч, де-

*ет ксвозмозиым рассмотрение всех их в одной работе. Поэтому в гссертации зналнзируотся различные стороны почта иск.гочптельно )?л!нарных пленочных течений, вопросы не волнового и турбулентно) течений лить затронуты. Теп не мекеэ, разработанные а диссер-щии подходы к анализу и инженерному расчету течения ламинарных генок могут быть использованы такжп применительно к другим вари-гава пленочных точений.

В первой главе рассмотрены гидродинамические закономерности ■чения пленок ньютоновских и неньютоновских жидкостей в условиях зимодействия их с газовым потоком и в его отсутствие, а такие вместиое течение двух пленок - в щелевом канале и свободное, и этом интенсивность взаимодействия жидкостной пленки с газовой идкой) средой количественно оцененз величиной /() ,

е 'tfs/p - напряжение трения на границе жидкость-газ, j¡ , ¡S отность и толщина пленка кидкости, д - ускорение силы тяжести.

3 случае существенного гидродинамического воздействия гозо-го потока нэ пленку происходит изменение ее яЬлщины & при несенном расходе" жидкости У , что связано с изменением аивого чения и гидродинамических характеристик газового потока. Для збилизчрованного течения нидкоотной пленки установлена однознач-i связь иезду S и расходами газа Vr и кидкости V . Разра-санный подход позволяет учесть различные вырэнения вззиаодей-зия газа и поверхности пленки (направление и величину нэпряке-I трения trS!c нз границе гэз-нидкость). В частности, при ис-гьзовании формулы Блазиусэ с эмпирической поправкой Уолласа + BOO &/с( ) для волновой пленки о нротявоточным ^движением ia упомянутая связь , V" и & имеет вид: _ , Р. 0Q4Q3 J/tPr (/+3C0¿/d){/,Sa!+S) Г

2,4 i 2 J>6№-26)*# L ¿rtf-SS)*

сь: C¿ - диаметр пленочного трубчатого аппарата; 9 и ^ -еретические вязкости жидкости и гзга;^ и JOr - плотности кости и газа.

Из (I) при дзух известных величинах (например 2Г к ) ет быть найдена третья (в данном случае S ).

С помощью уравнения (I) могут быть установлены границы реаь-аахлебызэния - его начала, когда за счет воздействия газового < эка останавливается (нулевая-скорость) поверхностные слои плен-

ки, и его завершения - скорость (расход) газа, при которой вся ! ' жидкость увлекается газовш потоком вверх.

Разработанный.метод определения границ рабочих режимов восходящего прямотока применен к реальному процессу сульфатированая ■ лзурилового спирта смесью воздуха с газообразным триоксидом серы (см. гл. 5).

, На ряс. 1 и в табл. I приведены профили скоростей жидкости . в пленке - их характерный, вид и математическое описание - для раз-■ ■■ личных вариантов-организации течения жидкостных пленок. Б диссер-' . тацик оценена степень неравномерности профиля скоростей и предло-• йены технологические приемы и конструктивные решения ее понижения. ; 7 7 .';.,■„. Показано, что при существенном воздействии газового потока Расход жидкости увеличивается в раз при неизменной

' средней толщине,пленки и лябом угле атаки газа. Этот, вывод исполь-'"'■;* дуется в главе 8" при оценке тепловой нагрузки пленочных аппаратов.

С цель» повуаения общности математического описания пленом- • . .. '•" йыя двиганий 'рассмотрено совместное течение двух ззаимно нераство-' -;'рюшх жидкостей '»••щелевых каналах толщиной а такие течение

7 кйдкостных пленок (плотностью и вязкостью^«/ ) в среде бо-7 лее легкой.кидкости (Л£) вязкостью . Возникающее в последнем . . 7. случае тормохе-Еле характеризуется величиной , содернащей

. ' нзпряязЕие трения на границе легкой и тяжелой глтдкостей Хгр : •

Уаг ___4 С9)

и зависящей от доли и соотношения • При

течение пленка тяазлой .-кидкости (ТЗ) эквивалентно ее течению в щели, где на стенке и на поверхности ЛН одинаковые значения £сги£гр - по 0,5. При^е течение пленки ТЗ не зависит

~ д)'о? отношения - этот случай соответствует сво-

/ .. . бедному течению пленит Т2 по поверхности.

Царгду со стабилизированным течением пленки рассмотрены также зйЕокем'зрьос-си ее'двиаевия на разгонном участке. Получено при-,„. «яйге.якса "для. длгкк участка ■ гидродинамической стабилизэ- •

•"ций, па::лоаи отдельные условия подачи жидкости через щелевой■ канал, . ари-козорвх эта длина, кйк и высота последнего, аяшк.'аг.'ьььй

во второй главе рассмотрена' проблема Фои«фвчноС;вераэдои$р-г;ост:! профиля скоростей для различив вариантов течении жидкост-• ной пленки, 'цредставлевик'.-* таблице т; и паСдеак выра^гта г,ля .

Ä-n'OiiOiSZäJi

-i..

Способ ОЭГйиПЗЭиЛй течзкия плени и __реаиц__[__

•iUK?s;;c: ¿.г л ■Г -г -ц ¿V

tr ¿щ;

свободное гразкта-7'."овное - лэиикзр-

;рзв«'гзцаоакое о зоздеЕс-гяие» гзго- -■joro С020К2. - .13-»«кврний.

с "пзостальзьЕГлНпе«' ьз сгзнкэ - ла'аГ;-

з поле цзнтробея- -цой силы - Ло^мась-

Нй

свободное u::0i=K09 - sjpöj- • ленгный

йя^"о?.азе 1'рзвма-"tíOKTioe - ПЛаСТИЧ-

НИЙ -,

. Профиль скорости

(2)

С8)

(4)

. яоетоплЕМичази свободное гррс?-{дхлйгзпзез):) i 'хэцйслйос- - пл5с-:s:T.~i*oorî» г тИча&'й

i

Прииечание

Ge* О

trsea

Wo -скорость

h3 rpfiШ1-де двух пленок

IrSuT'

sorted »

J0áu¿$ 00

y (5) C7)

(8)

о То

a > i - ДШ18-тачтная

0¿ I - noeß-допластйчнея

Рис. I, Профили скоростей при различных иариантах гравитационного пленочного течения;

1,2 - восходящий прямоток I); 3,4 - противоток жидкости и газа; 5 -свободное течение пленки = 0); 6 - бингемов-сквя жидкость; 7 - течение с "проскольз1ыаниеи";

/8,9 - нисходящий прямоток Л ^ 0).

плотности распределена! элементов потока по времени пре-

бывашп £ в пленочном аппарате (таблица 2). В основу определе-' ния ?) половина формула

(10)

¿гг

тг^ ыг .

где о!"У - объемный расход слоев кндкости с временем прерывания от Г" до (эти слои толщиной на некоторой -коорди-

нате у движутся со скоросхь» И^ , определяемой по одной из, формул (2)43); 1Г/1 - полный пленочный поток лздкосм.

Кривые зависимости произведения ^{01 ^У^ли/л/ дли цеко-зорых случаев течения хидкоогных пленок представлены на рис. 2. Здись ¡/"¿-/я/капе" минимальное врекя пребывания'слоев жидкости в апперате длиной /С , движущиеся с максимальной скорость» У/мегас •

■У-^Ч' - 10 -

m

?ио.

Кривые ¿тинэгик распределения злг:;зкгоБ жидкостной 'клеаая iiO времени прьЗкпипл в затрате: а - ньютоновская гкдксст пои „нглнчаэ. ъоидеМспда па нее рт'огою зозгоув; б - к*эгоктзская K?ssocïb, тсчсцае с ооко газ; s - тсезд-ятсгична? гадком;»; v." тяд:.:осхх,.

Cl

сп

n

i ti

J

- Il -

i

«VI §

Л

? к

5,? ^ Ч,

I

О

'И «

а> ш (I? Р4

'А

в

.3

вы им»

I t:S!UR а, ою

тл г-ь . о о е<

О ОЯ О, И

. и о «

4V1

Ъ Ч

^ л\ Л ti,

I

сз м

t~r >-ч

"S. \

Ml

«i А:

U

ч.

s

«3

I»

—ч *

У

03

«i

X

i «i

Í»" >

V

я

v

? г

V а

s 41

Ví tí"

s а. tí

14

H

ч

4

«у

"5:

V.

J

•4

К»

УГ

ю i-f

«V»l

sfe í

4> : 1

I^Y.

V»

ы

<

■s:

■i

I

J

£

V fe

tú y-r

í-«Viíi

Й "N

1 i!

s>

к •s»

.<ч ♦

ÍJ.

г

Е

При пленочной течении ньэтоновских жидкостей наиболее равномерным профиль скорости получается при противотоке жидкости и газа (рис. I). Здесь кривые (см. рис. 2а) менее всего отклоняются от характерной для идеального вытеснения (ИВ) (дельта-функция Дирака) и имеэт "скачок", связанный с удвоением в области . "Наихудаее" распределение (далее всего от режима ИВ) получается для восхо; • щего прямотока в начале его возникновения, когда - 1,0 и профиль скорости - вогнутая кривая. "Скачок" на кривых распределения при организации течения пленки с "проскальзыванием" зависит от коэффициента проскальзывания ^м/рдВ* ч объясняется отсутствием в рабочей пленке'слоев, движущихся с нулевой скоростью. Соответственно профилям скоростей при течении неньзтонззских жидкостей, кривые меньше всего отклоняются от режпа 13 для псевдопластичных (рис. 2в) жидкостей (по сравнения с ньютоновскими и, тем более, дила-тантными) и бингамовских жидкостей с болыгим пределом текучести '¿о (рис. 2г).

В диссертации зависимости типа и для других случаев течения пленки (турбулентный рении, движение в поле центробелкой силы и т.д.).

функции распределения использованы в главе 5 при

оценке результирующего эффекта химической реакции в пленочном ап- ; карате. Заметим, что модель тейлоровской дт;4узии с ее эффектив- I ным коэффициентом при учете неравномерности профиля скорости в об- 1 щем случае работает пяохо: сна ограничена медленной скоростью хи- I ыпческих реакций. |

Третья глава посвящена исследование механизма ^еплопереноса в пленочных аппаратах и разработке подходов к их расчету. Заметим, что существующие методы расчета тепло- и нассообменных аппаратов, как правило, не учитывают стадию подвода (отвода) тепла с потоком.

С целью получения обобщенного математического описания процесса теплоотдачи от стенки к ламинарной жидкостной пленке нами | решено уравнение теплопереноса !

¡9г& ¡38

дуг ос ~оГг

(I1?)

с граничными условиями

и - 0, & ( X , 0) = о

= о, (12)

¿у,

при различной гидродинамической воздействии на нее газового потока и соответствующей ему профиле скорости У (у) . Здесь д(2.,уУ-

Тст* температура яидкостк в точке с продольной

£ а нормальной (к стенке) у координатами, Тег - температура стенки, Т0 - начальная температура жидкости.

На основе этого решения найдены выражения для локального коэффициента теплоотдачи от стенки к еидкостной пленке

У+Мехр(-Рфс(И)

и тепловой нагрузки О. поверхности р=ёН , орошаемой жидкостью в виде пленки толщиной ¡У ;

Я "Суэ£е?\Ц:р(ТсГ-Та)[/-£ехр С20)

Значения конотант А/ %М , Р и £ при некоторых значениях приведены в таблице 3-

Таблица а.

Константа Значения Ж

-4,5 -0,5 0 1,0 1,5 5,5 10,5

У 1,936 1,923 1,890 1,891 1,930 1,938 1,938

м 1,112 0,8826 0,693 1,205 1,133 1,060 1,049

р 10,55 13,81 19,55 4,958 7,057 9,233 9,546

в 1,020 0,97*7 0,9128 1,1788 1,098 1,045 1,038

4 1,292 1,539 1,885 0,7257 0,9644 1,177 1,205

Из выражений (19) и (20) с соответствующими значениями констант следует, что влияние вторых слагаемых в квадратных скобках для лаыиьарных пленок при лобом воедсЙствии газового потока незначительно, так что зтлаи слагаемыми вполне моино пренебречь в случае реальных длин -хруб (порядка 1-2 ы). Это означает:

(1) - коэффициент теплоотдачи ©^ для ламинарных пленок обратно пропорционален их толщине 6 , поскольку коэффициент А/ с точностью до 1,3% постоянен;

(2) - тепловал нагрузка О. определяется, пошшо разности темпе-.-" рэтур ( 'То ), Расходом кидкости (V» 30) и ее теплоемко-, схьз. Я;шш1 словами, тепловая нагрузка О. определяется пропускной способностью потоковой стадии ), то есть подводом (отво-

дом) тепла с потоком жидкости - ионно говорить о балансовом характере теплообмена.

Этот вывод подтверждают проведенные нами опыты по нагреванию воды в отсутствии газового потока в пленочном аппарате диаметром 70 мм и длиной 1,05 и. Сопоставление опытных и расчетных значений тепловой нагрузки О. приведено в таблице 4.

Таблица 4

Температура зтенки, Тст.°С Температура жидкости на входе в аппарат Темпера-; тура жидкости на васоде из аппарата С Критерий Рейнольд-са Тепло ■полученное жидкостью Расчетное значение по Вт i —и. Расхождение, %

94,5 89.4 75.5 37,7 11,5 30,3 91,9 78,8 73,8 763 783 1361 4170 7250 7250 4370 8Ь90 7770 4,9 15,7 8,2

Таким образом, в случае ламинарных пленок коэффициент тепло->тдачи, рассчитываемый по ье.гачине тепловой нагрузки Q. , передает быть кинетической характеристикой процесса, а отражает лига, (зсход яидкостной пленки. Именно поэтому б экспериментально установленных зависимостях типа

A/u*J-fiemPs/' caí)

■начете m близко к единице:

Авторы J! m /7 Область применения

ег . 0,00085 S/5 0,344 1600 ^ Я£ 3200 WUke 0,00724 14/15 0,344 fíe > 3200

Диапазоны значений Яб сзидегельствупт о том, Что балансо-ый характер теплообмена сохраняется такне' для. волновых и турбу-ентных пленок (естественно, в случае достаточно длинных труб).

Предлагаемый нами метод расчета пленочных теплообиенных ап-аратоз базируется на понятии эквивалентного коэффициенте тепло-тдачи V , учитывающего две стадии переноса тепла: подвода (от-ода) тепла с потоком этдкости; кондукции в пленке. Яри ?том едини е отдельных стедий переноса тепла на эффективность теплоотдз-и в целой от стенки к жидксстнсй пленке- удобно анализировать с омодао концерта пропускных способностей: стадии подвод? (отзо-з) тепла с дкост ним пленочным :ю?оеул с.СгС повгрхкостгой годая {.filF ) зз счет :;г.ндуг.-ц;;к {г эо'ь:спрт:.«:ч-оЙ трактовке в те;>-снех козффицдента Кглтлчзчи </. ).

Для простейшей гипотетической структурно-конфигурационной схемы (идеальное перемешивание аидкостной пленки в продольном направлении) полная пропускная способность процесса теплообмена (У/-*) весьмэ просто зависела бы от пропускных способностей обеих стадий:

——(22), или к*= у ^р . (23)

Из формулы (23) видно, что эквивалентный коэффициент теплоотдачи V всегда меньше коэффициента теплоотдачи о£ и величины . При больших значениях &с/р (по сравненио с оС ) величина М определяется коэффициентом теплоотдачи ©С . Для реальных гке ламинарных пленочных течений значение (порядка

Зт/(112К)), как правило, немного больше (гс/р , так что слагаемым //а1 в знаменателе (23) можно пренебречь. Тогда очевидно &с/рг , то есть величина V отракэет чисто балансовый характер теллопереноса и закономерно изменяется прямо пропорционально ¿г .

'Анализ формулы (22) такке показывает, что при определенном гнзчения & положительное воздействие пропускной способности &с ка величину МР становится меньше негативного влияния от уменьшения пропускной способности Л^Р^/£ , и поэтому на зависимостях мР-Ст должна появиться нисходящая ветвь.

Для реальной структуры потока иидкостиой пленки без обратного перемешивания, но с известной неравномерностью профиля скорости, зависимость У от пропускных способностей отдельных стадий имеет вид

■&)]. М

формула (24) для л'обых режимов течения - ламинарного (при приведенных визе закономерностях течеыш пленки толщиной 5 ), всльовсго, турбулентного (при своих кош:ретных выражениях для толщины нленки О) - устанавливает зависимость эквивалентного коэффициента теплоотдачи к от плотности оролешш Г= . На рис. 8 такая зависимость продемонстрирована для нагревания пленки воды при ее средней температуре 60°С в тру?«х разной высоту..Мок-' не констатировать наличие .максимумов нэ кривых - в полном соответствии с привб„сш;ым акае предолазиниса этого лчфск-18.

n-/OvtAt*/c

. Рис. 3. Расчетные и опытные зависимости эквивалентного коэффициента теплоотдачи от. рзсхода яидкости. Вставка: опытные данные Ересслера.

Наличие цаксииуыа на кривых ¿F-(2с (или V-Г > подтверждено экспериментальными данными ряда авторов. В частности, Брее-слерои получены кривые, изображенные на вставке рис. 3, но без удовлетворительного объяснения причины поникеняя a/F с рос-TOU Сг .

Убедятельйыы лодхрерэдекиеа рассмотренного механизиа переноса тепла и, следовательно, необходимости учета обеих стадий теп-лоперёноса при нагревании пленок води, является .экспериментальные денные Пак Ада псе. Из рис. 4 представлены опытные дэиике в авторской интерпретации однти уравкзн.геи лг'= 513 Г (для труб различной длины) а в ношей обработке в виде заапслиости А*//я Ыг/ от величины юоизведсшш Гс в натуральной (не логарифшческой) системе координат. Из рис. 4 видно, что область балансовой задачи (яирная прнцак - диагональ на рисунке) огрекиченз значенияш плотностей ороаееия, зависящими от вызовы труб. Б случае длинных (// 1,83 и) труб балансовой характер теплообмена сохраняется до Г = 240С0 нг/а-ч = G, 7P-IO"0 мй/с5 что отЕстетзуег критерию Яз лг^до 50С00,, ico есть и ? •?ур<5улевтаг плен.-гах.

Анализ' гкспсры'сага.тг.'иас дсникх' но квссолерейооу в гидкост-

м'час К

а

К - 51Ъ Г

1/3,

%01

"о ДА .

Т&4-'

6 0 .2 Ч 6 ъ Ю"

Г кг/(м час)

г

Рис. 4. Опытные данные по теплоотдаче и жидкостный

иленквм в обработке Мак ¿даиса (а) и автора Сб).

ных пленках такае выявил его балансовый характер со всеми характерными зависимостями интенсивности ¡.¡ассопереноса от плотности ороиения. Поскольку коэффициент ди^узии в зидкости J) по крайней мере на 2 порядка меньше коэффициента температуропроводности а , то смещение границы балансовой задачи з область меньших значений критерия fíe С* 80) вполне логично.

Балансовый характер теплообмена в стенающих плеь.гах позволяет по новому объяснить увеличение интенсивности теплообмена в случае ламинарных пленок с волнообразованием, в том числе я при конденсации паров не охлаядаемых поверхностях. Известно, что при наличии волнообразования на поверхности пленки ее средняя толщина на меньше, чем гладкой ламинарной пленки при том ке расходе жидкости. Так кок расход последней пропорционален кубу толщины пленки & , то при одицзковой средне', толщине ef рвсход жидкости в пленке с волнообразованием в 1,07^=1,225 раз больше, чем в случае гладкого ламинарного течения. Количественное увеличение расхода на 22,(а с ним и тепловой потоковой нагрузки) лежит точно в пределах, .установленных экспериментально-Сот 21 до 23f>).

Интенсивность передачи т^пла от конденсирующегося пэра к охлаждаемой поверхности з значительной степени зависит от стадии отвода тепла от этой поверхности. Тем не менее при расчете тепло-обменных аппаратов, в которых одним из теплоносителей является конденсирующийся пар, тироко используют яыразения для коэффициента теплоотдачи, полученные Нуссельтом при условии портолпе?да температуры стеики. по зысоте элементов аппарата, в реально работающих теплообменниках это условие обычно не соблюдается и расчет необходимой поверхности теплообмена с применением формулы Нуссель-тз приводит к существенным погрешностям, особенно при значительном изменении температуры вдоль поверхности. Нами цроведен анализ и предложен метод'расчета процесса конденсации пара с учетом всех взаимосвязанных стадий тешгопереносе: через плейку конденсата, через стенку, от стенки к теплоносителю и отводом тепла с последним.

Система дифференциальных уравнений, опиенве)щих вышеперечисленные стадии переноса тепла (рис. 5), а гакне стадия конденсации пзра, имеет вид: • ■ конденсация пзра • ■ •

da гп - (25)

Рис. 5 Схема течений конденсатной пленки на охлаждаемой поверхности.

Рис. 6..Изменение толщини пленки конденсата при различных способах охлаждения поверхности; 1,4 - прямоток: I - 0,01; Pi = = 5,28; ра « 0,035; 4 -»*'= 0,351; р<т 2,60iPj* = 0,291; 2,5 - :фивые Дус-сельта: 2 - 0,01; 5 -0,351; 3,6 - противо-' ток: 3 - 0,01; А =5,28; Рл= 0,035; 6 - 0,351: Pf - 2,60; рлш 0,291.

теплопередача через планку конденсата

J,

da'-fir-^iciz-,

еику

6ег -6л)ёе1* ;

теплопередаче через стенку Jcr

olfr

(25)

(27)

теплоотдача от стенки к теплЗносителз

ыа (вг )ос1г.- С28)

отвод тепла о теплоносителей

а!С1*±&лслс{£. (гэ) •

В этих уравнениях: - теплота конденсации пара при температуре насыщения Т ; ^ и 2Г - теплопроводность и объемный расход пленки конденсата; с^ - коэффициент теплоотдачи от.стенки к хладоагенту; и && - температуры (переменные по высоте) поверхностей стенки (си. рис. 5); - кассовый расход хладоагента;

- его теплоемкость (принимается постоянной в рабочем диапазоне температур); £ - температура хладоагента (переменна по высоте). | Здесь знак "плзс" (а долее - верхний знак) относится к прямотоку, I а "минуо" (далее - низший) - к противотоку хладоагента и стекав-щей пленке конденсата.

Решение эрой системы уравнений при граничных условиях

Я » 0, £ = О, О. я 0; для прямотока 2 = О ; (30)

для противотока X. ; позволяет получить связь толщины пленки конденсата <Г.с расстоянием Я. (отсчитано сверху);

где Сггв&мСл/£ ; Зст/Яст* частичный коэффициент теплопередачи; $гип~ гипотетическая толщина пленки конденсата: для прямотока $гип ш&о для противотока 8Ги/>'&ре{6*-

-¿¿тАЖ) '/&; ¿/5 7"-^! ¿И ■

При интегрировании (31) в. общем случае получаем связь толщины пленки с расстоянием

При Уу— (температура стенки со стороны пара постоянна) и бт »Л интегрирование (51) приводит к известной формуле Нуссельта, я при у/ о® и (гт »V? к зависимости 2 ~ . Изменение толщины плеш л конденсата при различных способах

охлаждения поверхности показано на рис. 6 в безразмерных коорди--. ьатах ^ _ и • '1РИ 3X011 2 качестве параметров про-

цесса приняты безрезмерные комплексы; У"5относительная остаточная двигсуцая сила процессз теплопереноса, где i¿ -температура хладоагента на выходе из аппаратаа./аЪЬ'] ;

Рл^грёгШ^/с*»)- т }

Из сопоставления кривы:-: на ряс. 6 следует, что при противо-точном движении теплоносителя значение толдины пленок конденсата всегда ыеныае, чем рассчитанные по формуле Нуссельта, а при прямоточном - больае (исклэчая короткий верхний начальный участок -его протяженность уменьшается при понижении У*). Заметим, что кривые 2 и 5, отвечающие формуле Нуссельта, отранают частный случай полученного выракення (32) при = 0; р£ в оа .

Еа основе выявленных закономерностей коми разработан метод расчета одноходовыхл двухходовых вертикальных конденсаторов, учи-тываодпй (наряду с другими ¿.акторами) и направление движения хладоагента по отношению к стекаоцей конденсзтной пленке. Результата .чайного расчета необходимой поверхности теплообмена по предлагаемой методике при противоточноа и прямоточном движении теплоносителя з сравнении с общепринятой (на основе формулы Нуссельта) представлены в таблице 5.

Таблица 5

Метод Частичный коэффициент теплопередачи

расчета ¿V, Вт/а%

1767 1767 3500

Противоток 58,7 81,3 72,1

Прямоток 62,3 ' 98,8 87,0.

Расчет на осноев 81,0

формулы Нуссельта 61,3 91,3

Примечание: Конденсируется 2,833 кг/с паров бензола под дэвлениец 400 ш рт.ст. ( Г«= 60,6°С) холодной водой с Ю°С.

Они подтверждают сделанный ранее (ча основании анализа изменения толщины пленки) вывод о преимуществе противотока теплоноси-ч теля и стекающей плевки конденсата по сравнения с их прямотоком. При уменьяения (то есть при большей оззнозти температур ¿у и ■££ ) различие в эффективности прямотока и противотока возрастает, превышая 20Г» при 0,1. При. увеличе ши разница в эффективности противотока и прямотока увеньтается и при 'Р* — 1

становится равной нулю. В этой случае температуре по-

верхности конденсации постоянна) расчет по предлагаемой нами методике совпадает с общепринятым на оснозе формулы Нуссельта.

Предыдущий анализ позволил подойти к расчету двухходовых вертикальных" конденсаторов, учитывающий перемекну.-э по высоте температуру труб. Расчет показал, что оптимальное деление трубного пучка зависит от коэффициента теплоотдачи. При невысоких зпачени ях трубное пространство надо делить поровну (как это всегда делалось). Но при больших (более 1000 Вт/(м%)) оптимальная доля прямотока иень'де 0,5. Так, при 4000-6000 Вт/(ц2К) оп-

тимальная доля прямотока понимается до 0,8*0,2.

В ходе анализа нами был тэкхе упорядочен расчет среднего ко-, эффициента рядности в горизонтальных пучках труб при конденсации пара на их нарукной поверхности."

Пленочные аппараты широко применяются при упаривании растворов (в частности, в производстве твердой каустической соды), при дистилляции бинарных и многокомпонентных смесей (в производстве органоалкоксисиланов), при отгонке растворителей (например, толуола из полимера в производстве синтетического каучука) и в ряде других процесоов. Используемые в настоящее время методики расчета необходимых размеров таких аппаратов имеют ряд недостатков. В частности, не учитывается утончение пленки испаряемой кидкости вдоль теплообмеьной поверхности, не принимается во внимание постоянное увеличение толщины конденсатной пленки (при обогреве конденсирующимся паром) с другой стороны поверхности теплообмена. В четвертой главе сделана попытка учесть основные из этих эффектов: приводится достаточно полное математическое описание тепло- и массооб-менных процессов, позволяющее находить необходимые размеры пленочных аппаратов путем решения системы уравнений численными методами. Рассмотрены та ira е упрощенные представления процессов дистилляции бинарных смесей и упаривания растворов, при которых возможны аналитические решения систем.уравнений, описывающих эти процессы.

При непрерывной дистилляции бинарной смеси (рис. 7) в пленочном аппарате (тонкостенная труба диаметром 2) ), обогреваемом конденсирующимся паром с температурой 7* , систеьу уравнений (25)-(2°) переноса тепла от пара к испарнеыой .тадкостной пленке долина быть реаеиа совместно с уравнениями массообаена при испарении и материальных балансов.

Обозначения и направления потоков, их геплофягичсские характеристики, а такие выделенный контур приведены на ркс. 7. Здесь:

Урс/Ь 4

(10,ур

Км/Цр-уИГ

х+вх

Рис. *?. Схема тепло- и мзссообмеьа в пленочной дистилляторе.

у - концентрация кизкокипящего компонента (НКК) в паре в произвольной сечении X равна усредненной для паров, образующихся ниже этого сечения. Теплопроводность пленки конденсата у) .и теплоемкость испаряемой годности С будем считать постоянными, гидродинамическое воздействие, парового потока на испаряемую пленку игнорируем. Будем полагать, что при исгсеренки -¿идкости с концентрацией X образуется пар с равновесьоК концентрацией .

• Е диссертации подробно записаны уравнения материального баланса для выделенного контура I, которые совместно с урпвненияии (25)-(28) приводятся к виду

¿X _ #Г (ур -СС)+А>м (#/> -у)г.

о1и (ур-х) '/Ж) -

-■.71" '{х)

(35)

(34)

Система уравнений (25), (33) и (34) совместно с уравнениями материального баланса

С55)

и граничными условиями

2 = О И/- И^

г> У. £ = о

полностью описывает процесс дистилляции яидких смесей при принятых допущениях.

Решение полученной системы возможно лишь численными методами, так как входящие в них величины -6 , г , Ур , А,- и ^ являются сложными (нелинейны!!!) функциями ос .

Расчеты показали, что при обычных условиях проведения процесса пленочной дистилляции (А^.— Ю5 ВтЮ~3*10~~кмоль/(м2с Л = I), Т-= 10*20 К, 300-103 йс/кг) изменение концентрг-ции сс по длине аппарата за счет массообыена меяду жидкостью и неравновесным с ней паром значительно менызе, чем за счет ее частичного испарения. Лишь при малых удельных тепловых потоках фа(у-£) , сопоставимых с величиной , необходимо учиты-

вать оба эффекта. 11 только при значениях ^ , значительно меньших произведения л^/ £ , на перзый план выступит пленочная ректификация.

Аналитические решения упомянутой выше системы уравнений, воз-мокнце при сильных упрощающих допущениях, приведены в таблице 3. Принятые при этом допущения (иногда весьма грубые: ¡/р ясо/?4т£ ,

) для некоторьк бинарных жидких смесей оказываются вполне оправданными.

Проведено сопоставление результатов расчета по различным формулам - между собой и с реальной высотой аппарата в опытах при частичном испарении смеси н.пропянол-н.бутапол в пленочном дпстк.г-тяторе с постоянной по высоте аппарата тепловой нагрузкой ^ Бт/и2. Показано, что в сравнительно узком диапазоне ргбочих концентраций (Э,ЕЫ*0,229) для оценки высоты дистиллятора с. постоянно!; тепловой нагрузьой ^ может быть использована л.обая из приведенных вике формул. Для оценки выезты азсжалляторе при ^£фcoл6¿ воэ-йОйНО использование ¿зрмула (37).

При пепо.тьзоззюп Формул (88)-(41) расчетная высота И полу-

ицй. €

н-

Условия теплопередачи

к'т-СОЛ 4 6

* сол 4 г ¿,/а?сзс+а!

1SC0Л6¿

Зависимость

Зависимость -¿=¿(00)

У-

дюбвя

любая

любая

Вид расчетной формулы Номер 1 формулы

М х/АЬ-Хм) Г / ' ✓ + ¿г 2Гд(Т-а-уР £)1?р -л* (37)

2г Г, г(с-4)ас*+о! 1с^г1 V I (38)

(39)

/ £ , V/» ъ г, /зс*> \е-у 1' {'-¿с*] J (40)

_ \VhZ- г J 1 (41)

чается несколько меньае реальной. Это полно объяснить принятым при выводах допущением о том, что при испарении кпдкости состава сс образуется пар с равновесной концентрацией yfc .

Проведенный анализ решения системы уравнений численным мзто-дом был выполнен для Ефремовского завода СК применительно к отгонке растворителя (толуола) от полимера. Выявлены параметры процессе, определяющие эффективность этого процесса.

Аналогичный метод расчета пленочных аппаратов при упаривании растворов солей в стекающих пленках одобрен отделом пленочных вы-парвых аппаратов УКРНЖЯХШИ'а (г.Харьков) и принят им для внесения в методику теплового и гидромеханического расчета испарителей со стекающей пленкой.

Среди конкретных процессов в пленочных аппаратах нами изучено получение твердого продукта (лаурилсульфата натрия - JICH) путем обезвоживания его водных растворов в виде кидкостных пленок на обогреваемых поверхностях. Применение пленочных аппаратов других конструкций оказалось невозможным из-за пенообразования и перехода раствора в высоковязкое пастообразное состояние при удалении части воды. На основе выявленных на лабораторной установке закономерностей процесса обезвояивэния в пленках был изготовлен опытно-промышленный барабан диаметром 600 мм. Его промысленные испытания, проведенные в цехе й S Скоропусковского завода (г.Сергиев Посад), подтвердили возможность получения твердого продукта. Планируется серийное изготовление таких барабанов для обеспечения высокой производительности установки.

В пятой главе изучено влияние различных параметров- и структуры потоков на эффективность химических реакторов, предложены оптимальные варианты ведения ряда реакционных процессов и разработаны методы расчета пленочных реакторов.

При определении необходимых размеров пленочных реакторов (даже в простейшх случаях) нередко базируотся на средней скорости течения пленки и, соответственно, равном для всех слоев пленяй времени пребывания (модель идеального вытеснения ИЗ). Бо второй глазе показано, что из-за неравномерности профиля сяоростей по толщине пленки структура аидкостного потека существенно отличается от характерной для модели ¡13. Там не приведены выражения.для плотности распределения Vfé) элементов потока по времени пребывания в зоне реакции.

Если превращение реегегта определяется только продолжателъ-ностыз химической реакции , то ¡концентрация непсорзагиройоз-

aero вещества в уходящей яидкостном потоке C¿ определяется по формуле ее

c6'j С (с) (42)

/г* Тки*

где Ztfutf ~ :-::ni:i:Joxbное (по гидродинамическим условиям) время

пребывания элементов потокз в реакционной зоне.

В общем случае необратимой химической реакции произвольного порядка л 4 I, характеризуемой кинетическим соотношение« -aíc/<¿/z's¿>c/7 . концентрация во времени изменяется по закону

С =С/'п + (л-/)*? (43)

где Са и У - начальная концентрация и константа скорости реакции.

Для реакции перзого порядка

C-C0e3cp(-¿Z). (44)

Для реакций порядка ñ ¿ 1 мо^но,найти время Сп , за которое химическая реакция заканчивается полностью. Ток, например, для реакции нулевого порядка (/7=0) mCo/tf . а для реакции по.товрного порядка (л = 1/2) "¿/Са/л* . Очевидно, что в как-дож элементарном слое кидкосги при Г ? реакция пройдет пол--ностыо, так что концентрация реагирующего вещества на выходе для всех слоев с > Z^y равна пула. Поэтому в качестве верхнего предела интегрирования при л I в^(42) додано выступать :

C¿ «/ "с/е) (45)

Для химических реакций первого порядна и выле (Л эг I) понятие Z/7 теряет'смысл из-за асимптотического характера изменения c/lí) • Здесь удобно оперировать временем , за которое

концентрация вещество уменьшается вдвое.

Соотношение меаду временем пребывания жидкостной пленки в аппарате (зоне реакции) и'временем, необходимый для осуществления химической реакции до заданной степени превращения, удобно характеризовать безразмерным параметром Ря&ми* /С*/ ' Х1ШЯ~ ческих реакций различных порядков выражения для и р при-

ведены в таблице 7.

Результирующий эфбект процесса в гчучае химических реакций разных порядков рассмотрен отдельно для различных вариантов'течения мидчостной пленки. При этом принят следуэщнй порядок расчета;

- для выбранного варианта течения г'дкост-ной пленки определяли по (42) или (45) концентрацию в уходящем потоке для реакций разных порядков, используя одно-из кинетических уравнений

- 28 - Таблица V

Порядок реакции

0 1/2 I 8/2

г* (S-fflfô en г У ¿(fê-4) / M Со

р B/iZUut/ A' Vrtij* /¿Тми* ¿Z'sfi/U&Z

Со £п2 au?-s)

- находили зависимость концентрации*^ от длины реактора ' работающего з резиые идеального вытеснении;

- сравнением полученных выражений для Са устанавливали зависимость коэффициента пересчета

• С46)

от параметров ппоцгссз; мнояктель характеризует увеличение

-необходимой длины реактора для заданной степени превращения при переходе от аппарата ИВ. к реальному с неравномерным профилем скорости.

Для всех рзсмотренных вариантов точения ждкостних пленок (таблица I) найдены формулы для в случае химических реакций различных порядков. Часть пз них приведена з таблице 8. Кривые зависимости Л''6от параметрар для некоторых вариантов организации химических превращений в реакторах пленочного типа прс-дставлены из рис.З.

В случае реакций порядков меньив первого кривые ограничены значениями р, при которых реакция протекает полностью (в частности, для реакции нулевого порядка концентрация реагента разка нулю у se при р= 2).

Инициальное значение У = О,ES характерно для ламинарной пленки при зароаденип восходящего прямотока кбе - 1,0) и.больших значениях р . Игнорирование поперечной неравномерности профиля скорости в этом случае дзет втрое заниженную длину рабочей зоны.

При сильном воздействии газового потока кз пленку ЦС(б\-* минимальные значения 0,5. В отсутствии воздействия газа

( (т£ = 0) профиль скорости еще более равномерен и минимальные значения поднимаются до 2/3. Дм реакций второго порядка влияние профиля скорости проявляется меньше.

Разработан метод расчета плеыочяых аппаратов при протекании

„ _ _ вичислс'е.

в них объемной химической реакции. Он включает длины реактора в реаиае ИВ и ее последующую корректировку путем деления кз поправочный коэффициент з соответствии с формулой (43). Последний определяет по приведенным выие формулам или на рисунка 0.

Этот метод детально проработан для достаточно проекта рзак-, г:пй, однако он иоает Сыть пршенен и для более слоеных случаев химических преврэееалй в аакератах различных конструкций.

- 29 - Таблица 8 ,

ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ^ ЯРЯ РАЗЛИЧНЫХ , ; , . & ВАРИАНТАХ-Т2ЧЕНЙЯ 'ПЛЕНКИ ~

ЛАМИНАРНАЯ ПЛЕНКА .

0бЛ8СТЬ

реак- приме-

цИ51' 1.1. Свободно стекающая пленка (без газа): ¿г = О- V = О нения

Порядок

0 0<рС2

4/2 Я 0,75 (2-12 ) р Ойр ¿3,«'

■ Л р 3 К/ Ч п Гп-Р^ (2т-А!1 Г У р&2 . .АрМ"" ^ 2т.1! (т*7)Ш) - ¡т*г)! ~ (2 т-О1.! (-рб п2Г*г1 2 т И (т* 2!! [ 1-; Р ^ оо

2 ,л и[р/(гЯ7р)] [(Гм' Кг" Цр*[рг//2¿л [(^р-МЯТр-*Ц]} 0$ ргоо

1.2. Противоток жидкости и газа: 0 & (те « 0,5; ^ = 0- А'фВ-йеУУ-Ое)1

1/1-2 г-Збе

I/1 - г (8-36«) г,

К< (/-^Н*

¡¿^ 2т!! 1т»2 (т.г)Гт*<) '

ч I- рЬгГ* 1 . У Д.___Р&З *.

[ 2 А ) (¡¿Щи Н ЗА I ' 2т;! (т «•£).'

0{р<ЬА ШР< 2

0£ р{ «"

2 р" (\fttp ,У)(УГЙ> «ЛЧ-2А | },1

■ " . Продолжение табл. 8

Прямоток жидкости и газа: бе э-1,0; ? * 0; )/(■/-&)3

К* -ёШр ^[ШЯар- ш\- {\Ы']}

о ¿- [ц:

/Л- '^-Се / -Р ^Г^лп _

р&»2 , , (-р£пг'Г') г.( (2АГ(.репг1

(т*3)!т*0 "" (т*г)( гтН (т+г)!

о

- 2 А*р' ¿п ^^Р ^НуТЖр+'/Ггл )? _ ^ (И+2Ар -11-2А Ш

1.4. Течение пленки с проскальзыванием у стенки: ц/>0; Ое = О

0 (/£-_ 2 Г, - р и 2 (Ч-*-!)1 (1 р\3/:"| 3 *' ■! —< 2

к'-.ч .

¡Л__ з«р*г . ^ К- " ЗГ«(/+ЛрЙ12 _ (ч^)* £ (2пч!!! Г лгМ)1/^7 ^ гт!! 0<Р^СО

1

т?о I™2 (п*г)(т*й— Ст+г)! Ц

П.ТУРБУЛЕНТНА Я ПЛЕНКА ,/г ПЛ. Свободно-отекающая пленка: Се = 0; у => 0; 5**% 'о /V

о

0 4р<2

ченип лапидарной плевкк и хиияческих реакций разных порядков.

1-8 - нулевой порядок рсакцл'л (тошсие липжО: Т. -¿Г£= 1,01; V = 0; г - 1,5; 0; 3 - -9,5; 0; 4 - 0;0; 5-0; 0,4;. 6 0; I; 7-0; 2.; 8-0; С-18 - первые порядок резкц^и (мирш.;е линии): 9 -4,5; у«',* 0; 10 - 10,5; 0; Ц--+#о ; 0;' 12 --9,5; 0; 13 - -4,5; 0; 14 ~ 0; 0; "'15 - 0; 0,2; 16 -0; 0,5;

I'''—X8 - второй порядок реакцзй (штриховые иизй); 17 - бе - -4,5; ^ = 0; 18 - 0; 0.

Для «-рбулеагяо отеквэцих адекск при условиях риг сшива ну -до осрйднеквьк скоростей по осям гп и у ■ ,?р?ваенис г-ер гл дип потоке реагирующего (ссгяогно (4*)} досох ксо

Турбулентная корреляция •<: найдена из бзлаюа вторых гло—

центов пульсаций концентрации для случал течения жидкости с постоянными физическими свойствами:

Реиение уравнения (47) я предположении о непроницаемости стенки и отсутствии испарения в газовуэ фазу приводит к решении, приближавшемуся к модели КЗ. Это означает полное выравнивание концентраций реагента в направлении, нормальном к поверхности отекания пленки - бэ счет интенсивного массопе-реноеа с элективный коэффициентом турбулентной диффузии, на несколько порядков презцщо- , ющим молекулярный перекос. Проблеме учета неравномерности профиля скоростей в случае турбулентных пленок (особенно при больсих значениях Де ) перестает быть актуальной.

Наряду с отмеченными ранее способами выравнивания профиля скоростей (воздействие газового потока, течеиие с "проскальзыванием", турбулизация плевки), весьма эффективным средством уменьшения негативного влияния поперечной неравномерности является секционирование аппарата при обеспечении полного перемешивания меяду секциям!. В диссертации дана количественная оценка эффективности секционирования для химических реакций разных порядков; предложен метод расчета такта аппаратов.

'Общепризнано и вьгае подтверждено, что эффективность химических реакторов существенно зависит от структуры потоков для реакций лэбого порядка. Однако, в литературе укоренилось мнение, что в случае реакций нулевого порядка структура потоков ко влияет но размеры реактора.- Это заблуждение, объясняется Формальным подходом к описанию кинетики химической реакции, не учитывающим ее -за в ер-сени е (получение нулевой концентрации) за определенное (от'раничейное) гремя, (¡а рис. 9 для реакция кулевого порядка на примере ячеечной модели (независимо от причин отклонения структуры-потоки от режима "3) продемонстрировано увеличение размеров реального реок-'юрз по срэзкевз:з с реакторам ¡53 при различнее степенях хиничес-•:01'0 'гоеврацгниа (I -С^/с^ ), значениях параметра р 'и числах // ячеек идеального перемешивания.

В ряде производств испольго?пкпе пдькочнах аппаратов для прозе;; ешш хсл-ч есяаг' р «экцвй с боль ста. теплозкделс-шеа яэлается

Рис. 9. Сопоставление реакторов с идеальный вытеснением и с продольным перемешиванием в случае реакций нулевого порядка. Числа у кривых: сплошных - число ячеек ИП; итри-хозых - значение р .

единственным способом получения высококачественного продукта. К числу таких производств относятся сульфирование и сульфзтирование органических соединений газообразным триоксидом серы, в частности, сульфатировакие лаурплового спирта триоксидом серы при получении лаурплсульфата натрия.

Реакция сульфативозания зысспх мирных кислот — РОЙ +S03 - Я ОР

протекает почти мгновенно и является сильно экзотермической: тепловой эффект реакции составляет примерно 120 кДх/моль спирта.

Для подазлепиа нежелательных побочных реакций на стадии суль-фотироваапя необходимо обеспечить постоянство температуры всей реакционной мзссы и исключить повторный контакт сульфозгента с продуктами сульфэтпровация. Тепло реакции отводится водой или другим хладоагевиом, причем лидирующей (наименьшей) пропускной способностью характеризуется стадия переноса тепло от реакционной массы к стопке реактора. Именно поэтому целесообразно применение пленочного аппарата, отличающегося высокой интенсивностью тепло-, переноса.

Наиболее э^-фектквнкич являются пленочные аппараты с восходящим прямотоком сульфируемой жидкости и гаэа (3-4;» в воздухе), в которых процесс теплэпереноза дополнительно интенсифицируется закруткой ждкости газовым потоком. Однотрубный реактор внедрен нэ Скоропусковском заводе (:.Сергкор Посад) в 1985 году п в 1582-1989 г.г. получен экономический эффект в размере I млн. 600 тис рублей в ценах 1987 г.

С целью создания производства высоко" (практически любой ра~

зуьшой, единичной мощности разработан многотрубный пленочный реактор. По представленной нашим институтом технической документации на Скоропусковском заводе изготовлен трехтрубный пленочный реактор, позволяющий узеличить мощность существующей установки. Он молсет быть аспольэован при организации процесса сульфирования злкилбензола на том хе заводе.

Пленочные аппараты такого типа могут быть применены и для ряда других теплонапряненных процессов: нитрования, елкилирозання и т.п.

ОСНОЗНиЗ вывода

X. Изучены гидродинамические закономерности течения пленок ньютоновских и неньютоновских жидкостей в условиях взаимодействия их с газовым потоком и в его отсутствии, с "проскальзыванием" относительно стенок аппарата и без него. Получены соотношения, описывающие профили скорости для различных случаев течения жидкостных пленок. Еайдены зависимости толщины пленки от расходов апдкос-ги'ц газа в пленочных трубчатых л ротационных аппаратах. Установлены границы режима захлебывания в этих аппаратах: начала захле-базавия - скорость гвза, при которой начинается обращенное течение поверхностных слоев ыидкостной пленки, и .конца захлебывания - скорость газа, при которой пленка полностью обращается газовым потоком, то есть возникновение восходящего прямотока.

2. Разработан метод расчета параметров течения ламинарной .шдкостной-пленки при воздействии газового потока з трубчатых и ротационных аппаратах, иетод позволяет провести гидравлический ¡¡¡зсчьт аппаратов как при их проектировании (размеры, число труб ц т.д.), так и при эксплуатации (определение толщины пленки при известных расходах ¡ладности и газа и заданном направлении их движения). . '

3. Изучено нисходящее ламинарное течение пленки тяжелой кид-(,ости по плоской поверхности з среде более легкой. Найдена величина тормозящего воздействия лаской жидкости на течение пленки «щелей. Показано, что течение кидкостной пленки при-зззямодей-!,:тьич с ГВ80В1Ш потокам исгет трактоваться как -астпый случай рас-г.-атрпгаеиого двухплсцючного течения при малой вязкости легкой -йдкусхк. • „

4. Проанализирована охр;к?ува потока жидкостной пленки при ¿азличных вариантах организации ее течойпе, получены зврааеаяя фуккиид рэс^рсдо^енн" элементов потока по времен« пребывания для

этих случаев. Предложены технологические приемы и конструктивные рененкя для скнасения поперечной неравномерности профиля скоростей и приближения реальной ситуации в аппарате к режиму идеального зктеснекип.

5. Изучены гидродинамические закономерности прямоточного и противоточкого двиЕвния двух кидкостей в щелевом канале. Разработан метод гидравлического расчета таких течений, позволяющий определять доли сечений, занимаемых кавдой из жидкостей ¡три заданных соотношениях их расходов.

6. Оценен вклад потоковой составляющей в общий перенос теп- ' ла и вещества; продемонстрирован балансовый характер тепло- и мас-сопереноса при ламинарном движении кидкостнкх пленок в реальных пленочных аппаратах. Установлена граница перехода балансовой задачи в смояаннуз. Предложены методы расчета пяе.ючццх тепло- и ызсссобменкых аппаратов с учетом балансового характера переноса тепла и вещестзз.

7. Изучена теплоотдача.при конденсации пара па охлаждаемых позед«зостях. Показано преимущество протчвоточного двкления хла-доз'Ьентэ по откоиен/го к стекающей пленке конденсата з сравнении с прямоточные. Разработан метод расчета одно- к двухходовых вертикальных теплообменников-конденсаторов.

8. Уточнен метод расчета коэффициента рядности при конденсации пара на пучках Х'сриз дтальиых труб. Предложен унифицированный график для расчета усредненного коэффициента рядности при различной разбавке труб в пучке.

9. Предложена модель тепло- и мсссообыекз для пленочной дистилляции бинарных смесей; разработан метод-расчета основных размеров (диаметре и длины ) аппарата. Приведены приближенные решения, отвечающее различным допущениям. Показанг что для оценки высоты дистил;. .тора при небольшой степени испарения (до ~0,5) возможно применение грибликекные формул.

10. Разработан метод теплового расчета испарителей - со свободно стекающей пленкой и роторного пленочного, учитывающий изменение интенсивности теплопередрчи вдоль поверхности теплообмена при утончении пленки вспаряеиоЁ лидкоз:.. и изменения ее геплофя-зических сзойстл. Метод

- передчк в отдел плеючны/ вапарзых аппаратов УКРНЗТСКШ!» а (г.Харьков) длч внесения в методику тетиного я гг.дроиеханическо-го расчета исспрзселей со стекаоще!! пленкой;

- прямекдк при анализе эф^.ггтиаи'/сгп ретерноге пленочного

-.••■■"..- 33 -

испарителя для отгонки толуола от полимера на Ефремоюком зэгеде СК.

II. Изучен процесс обезвоживания водных растворов леурил-. сульфата натрия в виде извлекаемой из ванны жидкостной пленки на вращающемся барабане с получением твердого продукта. Кэ Скорогус-ковском опытном заводе проведены промыгаеньке испытания бзребана диаметром 600 им с получением твердого продукта влахкостьэ до ?,<*.

ÍS. Изучено влияние неравномерности времеви пребывания элементов потока на эффективность пленочных химических реакторов при .проведении в,них объемных химических реакций рас.лп«ных порядков: нулевого, половинного, первого и второго. Разработан метод расче-.тв размеров таких аппаратов, учитывающий негативное влияние поперечной неравномерности профиля скорости. Показано, что игнорирование поперечной неравномерности профиля скоростей при расчете высоты реактороз ыоает приводить к значительным опибкам. Для химических реакций порядка от 0 до I з случае ламинарной пленки эта олиб-нз при несущественном влиянии газового потока на пленку ¡лихости может достигать 50£, при параллельном нисходящем движении газа и жидкости - 100/5, а . при восходящем прямотоке ладности и газз - быть выше J00JÍ.

Выявлено,- что для реакций порядка меньме первого существует доля пленки (вблизи стенки), в которой концентрация реагента рзг-на нулю. С учетом наличия тгаой зоны разработан метод росчетз размеров реактора - пленочного и с полным заполнением объема - при проведении з нем объемной химической реакции нулевого порядка.

13. Разрэботэка конструкция многотрубного пленочного реактора для сульфирования и сульфзтироззнпя органических соединений

уазообразным трноксидом серы. На Скоропусковском опытном ззводе ЕЮ проекту, представленному Ш'ПХГ, изготовлен трехтрубный пленоч-ркй реактор. Ведется подготовка к промыол&нккм испытаниям з процессе сульфирования влкилбензолэ.

14. Уточнена математическая модель тепло- и массообме-на з теплонапряденных пленочных химических реакторах. Изучено влияние технологических параметров на процесс и выявлены его рабочие режимы. Показана необходимость дзух зон охлаждения для обеспечения нормальных условий работы аппзрптя. Еиязлзн оптимальный гзбкто:: триоксидз серы в рззкцноннзи газе по сравнена со стехиоцетргчес-ким. Результаты анализа работы реактора но основе модзли учтены пои осуществлен:!!! процесса сульфатировад^п лаурилогого спирта газообразным трноксидом черы па Скоропусковском опытной заводе.

Основное содержание диссертация изложено в работзх:

1. Захаров .М.К., Айнчгейн В.Г., Т'.шаевв Л.:>!. Расчет высоты пленочных реакторов при ламинарной течении пленки// Теор. основы хнL. технологии.-1988.-Т.22.-С,194-199.

2. Захаров LI.IU, АГшатейн В.Г., Шелестян С.Г. Расчет и оптимизация пленочных химических реакюров// Хим. пром.-1991.-!!;б.-

С.377-380.

В. Захаров U.K., АЕнвтейн В.Г. Расчет пленочных реакторов при ламинарном течении пленки с проскальзыванием на стенке//Теор. основы хим. технологии.-199Й.-1.23.-Х? 5.-C.64C-S48.

4. Захаров ;,;.К. Расчет высоты пленочных реакторов при нисходящем ламинарном тзчении пленки с учетом воздействия на нее газо-зого потока// Теор. основы хим. технологии.-1989.-Т.23.-^5.-0.591-599.

3. Захаров 'J.K., АКниейв В.Г. О характеристиках взаимодействия газового потока и тонкой мдкостной пленки при ее гравитационном течении//Теор. основы хим.технологии.-1994.-Т.3S.

6. Захаров U.K., Харкац Е.Ю., Айнптейн В.Г. Расчет высоты пленочных реакторов при пластичном течении пленки бингамовской к;:дкости//Изз.вузов.Химия и хим.технология.-1994.-Т.37.-£ 2.

7. Захаров 'ч!.К., Айкмейн З.Г.,, Зиновьева U.A. Расчет высоты -пленочных реакторов при течении пленки псевдопластичлой кидкости// Изз. вузов. Химия и хим. технология.-1994.-Т.37.2.

8. Айвиейн З.Г., SaxapoB li.K. Оценка длины участка гидродинамической стабилизации.при гравитационном течении пленки жидкости// Теор. основы'хим. технологии.-I99C.-Т.24.-;,; 3.-С.355-397.

9. Захаров U.K., Айнатейн В.Г. Faciei уала подачи ьлдкости з ¡сбкочккй аппарат с нисходящей пленкой// Хнмич. и нефт. мааиностр. --I9P0.-;;; 12.-С.13.

10. Захаров Li.K., Айнитейн В.Г. Расчет высоты пленочных резк-торов при восходящем ламинарном течении пленки яидности под воздействием газового потока/'/ Теор. основы хим. техислогии.-1590.-Т.24.-й 2.-C.I70-I7S.

11. Захаров .U.K., Айнтаейн В.Г., Пригоркинэ К.». Оценка зг>. ^•.и-пвкосгл пленочного ротэцчонього реактора// Хпм. пром.-1:94,-•г- с •—

12. Захаров Ц.К., АПнотелн .8.Г. Совместное ламккэрное тьче->/.:з ьао:ггно нерастворимых ютоктей б узко/, щелк// Теор. ос? кокк хля. технолог;;:;. -I99S--T-S*>'5.-C.£e2~4S7.

13. Ззхзроз и.К. Течение плгнкп гяаелой кидкости в ыепэдвззг

ной легкой// Известия вузов. Химия и хим. технология.-I992.-T.35.-& Ю.-С.99-104.

14. Захаров U.K., Айнштейн В.Г. Определение высоты пленочных реакторов с учетом поперечной неравномерности потока при турбулент. ном гравитационном течении пленки жидкости// Хим. пром.-1990.9 — С.546-548.

15. Захаров U.K., Аладьез С.И., Иевелез З.В., Краснов ;.;.В. К расчету пленочных химических реакторов при турбулентном резшие течения нидкости//Теор. основы хп:;. технологии.-1994.-Т.23..-С.73

13. Захаров U.K., Шштейн В.Г. Влияние структуры потоков на .размеры химического реактора в случае реакций нулевого порядка// Теор. основы хим. техкологии.-1991.-Т.25.-!:> I.-G.51-55.

17. Гельшриь h.h., Захаров ü.k., Тишзева л.п., Мозгунова H.A., К реаениа Нуссельта по теплоотдаче в ламинарной гравитационной пленке// Изв. вузов. Химия и хим. технология.-I904.-T.27.-S 2.-С.243-246.

J8. Захаров U.K. Теплоотдача при конденсации пара на охлаждаемых поверхкостях//Теор.основы хим.технологии.-1993.-Т.27.-X 4.-С.348-352.

1.9. Захаров U.K., Айнптейн В.Г., Солопепков К.И. Расчет горизонтальных кояухотрубньх конденсаторов// Хим. пром.-1990.-£ 7.-С.423-425.

20. Гельперпн Н.Л., Захаров U.K. Расчет высоты пленочных дистилляторов// Химич,- и нефтяное ыаапностроелпе.-1982.-^ 2.-С.20-21.

2J. Захаров М.К., Руфель Х.А., Зэхэренко Б.З., Соловьева Г.И. Еуяьга Г.Е. Тепловой расчет испарителей со стекающей пленкой//Де-пон. з ОНИйТЗХЯ» 23.10.1990 г. fr 673-ХП50. Библиографический указатель ВШШ "Депонированные научные работы".-1991.-й I.-С.83-84.

22. Захароз :2.К., Еезелев В.В., Данилова-Дакильян Т.В., АЙн-□тейн З.Г- Влияние молекулярной диффузии вещества в жидкости на эффективность пленочных химических реакторов// !"зв. вузов. Химия и хим. технология. -1992.-Т.35.r£ 6.-С.93-97.

23. Захароз U.K., ¿йнитейн З.Г. К расчету секционированного пленочного реактора// Теор. оскозы хим. технологии.-1990.-т.24.-» 5.-С.519-625.

24. A.c. 1699593, 1ЛКИ В 01 ^ Ю/02. Укоготрубпый пленочный реактор// Кругляков б.с., Булавцеэ в.з., Захаров U.K., Афонин в.л. Опубл. в 3-II.-I99I.-fe 47. _________

25. Захаров /¡.К., Захарешсо Б.13, Конденсация пара на. охлаждаемых вертикальных поверхностях// Известия вузов. Химия и, химп- . ! чес кал технология. - I99L- Т. 34.-К.- СЛ07-Ш.

20. Захаров М.К., Шевелев Я.В. Продольное.перемешивание- в ; тонких жидкостных ламинарных пленках на внутренней поверхности 1 вертикальной цилиндрической труби// Известия вузов. Химия и химическая технология.- 1990,- T.33.-S6.- C.II8-I23.

27. Гельлзрин Н.И., Кругляков Б.С., Булавцев В.Б., Пебалк В.Л, Захаров М.К. Пленочный реактор для теллснппряяенных процессов в систеке газ-;кидкость// Тезисы докладов Всесоюзного совещания

" Тг п л о м а с с о о б м е iн о е оборудование - 88", МИНХйММ ALI, ЦИНТИХИКНЕфТЕМАЛ Москва, 1988. - С.5-6.

28. Захаров М.К., ^йнитейк В.Г, Влияние неравномерности профиля скорости на эффективность плеиочнух реактсров//локлады Всесоюзной конференции "Химреактор-П".- Харьков.- 1992.- 4.1.- С. 17117-3.

29. Захаров М.К. Влияние диффузии вещества в жидкости на эффективность пленочных химич' оких реакторов/Айоклады Всесоюзной конференции "Хи,»¡реактор - II".-Харьков.- 1992.-, 4,1.- C.I76-I79.

Заказ 21 Тираж 100' Бесплатно

Лтапрлнтная ;л;ртг им.М.В.Ломоносоза' ¡'.Пироговская ул. д. I