автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка конструкции и метода расчета массообменного аппарата дисперсионно-пленочного типа

^ /

С^ §ШЮРУССШ ГОСЩКПШГпШ ТШи№1ШЖШ ИШШХЙШ?

Г л, \

да ымл

БОРШЙК Аккрой Лнэкеавдрозич

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ Н МЕТОДА РАСЧЕТА

тосоавттаго АППАРАТА шсгшратто'швттаго ШЛА

%

Специальность 08.17.08 - Процессы и ацщш пишчшгой технологии

АВТОРШУАТ даоовртащш и& сошжтв ученой ошганв кандидата чрвхшщвсашк паук

Шшж 1688

Работа выполнена в Белорусском государственном «ехиодо-гнчюмш университете.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор А.М.ЕРШОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Г.Д.ЛЯХЕВКЧ,

1

кандидат технических наук, доцент В.Н.ГУЛЖВ.

Оппонирующая организация - Гродненский институт азотной,

промдалениости и продуктов органического синтеза.

Защита диссертации оостоитоя " 20 и мая 1008 г. в часов на заседании Совета Д 0Z.Q8.0Z по защите диссертаций в Еедорусоком государственном университете по адресу: 220630, г.Ыинок, уд.Свердлова, 13а

С диссертацией мшшо ознакомиться в библиотеке Вэдо-' русского государственного технологического университета.

Автореферат разослан " 10" симр^ nJ ioaa г.

Ученый секретарь Совета Д 02.08.02 по аащнте диооертаций

¿с*/-

В.А.МАРКОВ

Ф

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ ДИССЕРТАЦИИ. В химической и смежных С ней отраслях промыаленности при проведении процессов абсорбции и ректификации наряду с колонными тепломасообиенными аппаратами тарельчатого и насадочного типов применяются роторные аппараты. В таких аппаратах образуется развитая поверхность контакта в газо(паро)-жидкостных системах, достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи и обеспечивается эффективная сепарация фаз. Однако, в большинстве своем, роторные конструкции требуют установки внешнего привода, что приводит к росту капитальных и энергетических затрат.

Перспективным техническим реиением в данном случае является создание бесприводных аппаратов, в которых для вращения ротора используется энергия газового потока. В этом направлении начаты поисковые исследования и разработки, однако появившиеся конструкции пока не очень совершенны по той причине, что гидродинамика и массообмен бесприводных аппаратов слабо изучены. Поэтому, задача разработки методов расчета и создания новых конструкций.роторных бесприводных массооб-менных аппаратов является весьма актуальной.

СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЬШ ТЕМАМИ. Работа выполнена в БГТУ в соответствии с планами госбюджетной и хоздоговорной тематики (ММ регистрации 01910018335 и 018600234С6).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель» настоящей работы является разработка' метода расчета роторных бесприводных мас-сообыенных аппаратов с получением'функциональных зависимостей для определения их технических характеристик, а также научное обоснование создания бесприводного массообменного аппарата, использущего для вращения ротора энергию газовой и жидкой фаз.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

1. Теоретический анализ механизма взаимодействия потока газа с преобразователями энергии роторно-диспергирующего устройства в многоступенчатом массообменном аппарате, установление взаимосвязи гидродинамических параметров с конструктивными с последующим научным обоснованием совершенствования таких аппаратов в направлении эффективного использования энергии фазовых потоков для обеспечения развитой по-

- г -

верхности контакта и повышения устойчивости работы в условиях применения коррозионных и смолооОразующнх сред.

2. Экспериментальное исследование структуры потоков в различных сечениях контактной ступени аппарата и частоты вращения ротора с последующей проверкой адекватности опытных и расчетных данных.

3. Экспериментальным методом установление зависимостей гидравлического сопротивления и Срызгоуноса на отдельной контактной ступени от скорости потока, плотности орошения, физико-химических свойств газо-жидкостных систем, геометрических размеров и получение функциональных выражений для расчета вышеуказанных параметров.

4. Исследование закономерностей массообмена на контактной ступени в целом и на поверхности пленки отдельно о получением расчетных зависимостей для определения эффективности массопередачи.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований составление рекомендаций по выбору оптимальных режимов проведения процесса и практическому применении дисперсионно-пленочных аппаратов в промышленности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

1. В диссертационной работе впервые выполнен теоретический анализ механизма взаимодействия газового потока в Оесприводном аппарате с преобразователями энергии и получены уравнения для определения мощности, передаваемой потоком газа ротору, а такие решена задача аналитического определения частоты вращения ротора с учетом влияния жидкой фазы.

2. Посредством стробоскопического метода установлена частота вращения ротора с учетом изменения расходных и геометрических параметров, подтвердившая справедливость результатов аналитического определения частоты вращения ротора.

3. Замерены профили скоростей в различных сечениях контактной ступени, позволившие выяснить структуру потока газа и характер взаимодействия фаз в отдельных зонах.

4. Получены функциональные расчетные зависимости для определения гидравлического сопротивления, Срызгоуноса и эффективности массопередачи.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

1. На основе комплексных исследований создана новая конструкция роторного дисперсионно-пленочного аппарата Саз

- з -

внешнего привода для проведения процессов сепарации, многоступенчатой абсорбции и ректификации с меньшими знерготичес-гаши затрата«!, чем в типовых насадочных и тарельчатых колоннах.

2. Получены расчетные зависимости зля определения основных рабочих параметров аппарата.

3. составлены рекомендации 'проекяировг&кам по шбору оптимальных условий работы с применением как обычных здкос-тей. таг? и коррозионных и склонных к смолообразованию.

4. Разработанная конструкция вентилятора-сепгратсра, как прототипа роторного дисперсдонио-шшоянсго аппарата, проста успешные опытно- прсмышепные испытания при очистке вентвыбросов гранбашни цеха производства карбамида на Сево-родонецком ПО "Азот" и рекомендована к внедрению.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Разработанная конструкция дисперсионно-пленочного массообменного аппарата благодаря низкому гидравлическому сопротивлению я 'отсутствию привода позволит сократить энергетические н капитальные расходы, а такде расширит использование Оеспрнводнш аппаратов как в типовых процессах абсорбции и ректификации, тж и в случаях применения коррозионко-активных и сиолсобра-сувзи сред в огне- и пожароопасных производствах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ЕЫНСХЛЗ&Е НА ЗАЩИТУ:

- аналитический метод расчета частоты вращения ротора;

- новая конструкция бесприводного роторного дисперсионно-пленочного нассосбыениого аппарата, обеспечивающая эффективный контакт Фаз при более низких гндравааиескзи сопротивлениях. чей в типовых насадочных и тарельчатых аппаратах;

- закономерности распределения скоростей газа в различных сечениях ступени контакта и частоты врак&эпия ротора;

- вавксаисетп гидравлического сспротивлешш а бризгоу-поса па гаитакпоЛ ступени от расходных и гешэтрячесшзд па-рг^троз, а такз гяз!жстп гидкой Фаза;

- с2зсс1гошриос?и 1'гзсссобизпа па ступоян контакта ь цэ-"си н па поверхности шгзака отдельно:

— - вроптагоо сбеспэчеяЕО для расчгта пзфозшк^сшаш апггсесс&гэпйнх яс^жегерзспк еазгрстз.

ЕШЩ СКПССАТЕЛЛ. Г^г-этся сш-тгоЯ усг-гегг:::. чсо-резкгсзегта и ксс£эгозг&пз зжаагоса гето-

реу. а ""атхтз и аЗрйЗзт!« ксзучжй!* рссугьггэоз сеу^сттлз-

- 4 -

ни с участием научного руководителя.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ. Результаты работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях БГТУ, на научно-технической конференции "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно. 1934). на 3-й научно-технической конференции стран СНГ "Процессы и оборудование экологических производств" (Волгоград, 1995).

ОПУБЛИКОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. По теме диссертации опубликовано 5 статей, 2 тезисов докладов на научно-технических конференциях, получен патент на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 4 глав основной части. выводов, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, иллюстрирована 36 рисунками, библиография включает 116 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор конструкций массообменньи аппаратов и контактных устройств, использующих энергию потока газа для вращения ротора или диспергирующего устройства. Ц?и этом внимание уделялось изучению гидродинамических и иассообменных характеристик аппаратов различных конструкций; а также определению затрат мощности на вращение диспергирующих устройств.

Благодаря анализу литературных источников удалось выя-' вить достоинства и недостатки имеющихся конструкций. К числу достоинств следует отнести обеспечение развитой поверхности контакта при диспергировании гидкой фазы на мелкие капли без использованы внешнего привода. Вместе с тем установлено, что в каждой контактной ступени преобразователи энергии гаг зоаого потока (ыноголопастныв колеса, пропеллеры, конуса с лопастями) закреплены и враааются на индивидуальных осях. При этой в случае применения загрязненных, коррозиокво-активных или смодообразующих сред, когда значительно увеличиваются склы трения в подшипниках, крутящего момента, создаваемого одним преобразователей энергии, безусловно ожжется недостаточно для вращают диспергирущего элемента, что приведет к парусэшдо работы аппарата в цалои. Серьезным упущением является в то. что для сообщения вравши ротору по го-

- б

5

а

пользуется энергия движущейся.жидкости.

исходя из выявленных недостатков, нами разработана усовершенствованная конструкция роторного бесприводного дисперсионно-пленочного массооб-мекного аппарата, схема которого представлена на рис.1, он содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, общий вал 2. размещенный по оси аппарата. контактные ступени, каждая из которых включает вентиляторное колесо 3, опорный конус 4, диспергирующий диск б с вертикальными лопатками б и разгонными лопатками 7, сливной конус 8. переходящий в газовый патрубок 9 и переливное устройство, выполненное в виде переливных Г-ооразных трубок 10. нижние концы которых отогнуты по ходу вращения диспергатора.

Рнс.1. Роторный дисперсионно-• пленочный массообменный аппарат. 1 - корпус; 2 - вал; 3 -вентиляторное колесо; 4 опорный конус; 5- диспергирующий диск; 6 - вертикальные диспергирующие лопатки ; 7 -разгонные лопатки; 8 - сливной конус; 9 - газовый патрубок; 10 - Г-оОразные передив-¡шэ трубки

1[ри работе аппарата восходящий поток газа на входе в газовые патрубки 9 на каждой ступени воздействует на лопатки вентиляторных колес 3. вызывая вращение общего вала 2 с диспергирующими дисками 5. Под действием статического напора в сливных конусах 8 жидкость по-переливным Г-образным трубкам 10 сливается на диспергирующие диски б по ходу их вращения, где ей сообщается дополнительная энергия вращательного движения. В результате возникновения и действия центробежных сил жидкая фаза диспергируется и перемещается к стенке аппарата с образованием на ней пленки, стекающей в сливной конус 8, откуда по переливным Г-образным трубкам 10 попадает на нижележащую ступень контакта. Взаимодействие фаз осуществляется в результате ион-такта капель и струй жидкости С газом в пространстве между дисками 5 н стенкой корпуса 1. а такге между пленкой жидкоо-тн на стенка корпуса 1 и закручэнннм газовый потоком.

Наличиэ сотого вала, проходт^го через каждую ступень

- в -

контакта, позволяет суммировать крутящий шыент всех вентиляторных колес и подучить усилие, достаточное для преодоления трения в подшипниках даже в случае применения смолообра-зуащих сред. Применение г-ооразных переливных трубок позволяет использовать анергия двикения кидшсти для вращения диспергирующих дисков и увеличить частоту их вращения.

В заключении первой главы сформулирована постановка задачи научных исследований настоящей диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты комплексных исследований частоты вргйяения ротора и структуры потоков в беспроводном роторном ыассообменном аппарате, так как они откосятся к числу важнейпих параметров, влияющих на гидродинамические и маасообмениые характеристики роторных аппаратов.

На первоначальном этапе нами проведен теоретический анализ механизма взаимодейстзия потока газа с вращающимся вентиляторный колесом. С этой целью была рассмотрена плоскость вращения вентиляторного колеса (рис.2) и установлено, что вектор палкой скорости газа \t/i изменяется по радиусу лопаток и равен суша векторов осевой Vi и окружной Ui состав-ляхйциу,. Шея информацию о распределении вектора W*. мсешо определить осевую и окружную силы давления rasa и, проинтегрировав по радиусу лопаток, определить мощность от действия этих сил.

Так 1сак закон изменения скорости U/i неизвестен, ревониэ нами выполнено с применением теории элементарных струй, позволяющей соединить результаты импульсной теории идеального ветроколеса и теории профиля сил, действующих на ветроколе-со. На рис.2 представлены три сечения газового потока: 0 -перед вентиляторным колесом, 1 - в плоскости вентиляторного Рас.г. Профиль скоростей га- колеса. 2 - после вентиляторного колеса, соответственно.осевые и окружные скорости в этих плоскостях будут Vo , Ví , Va .

ва к сил,действующих на лопасть вентиляторного колеса

- п -

Uo. U 'i . Li г, а их приращения ■ (икдуотивкые скорости) по отношения к \}о и Uo - Vu . Vit , Uü,'IIa. Дяя элементарного кольцевого объема газового потока, заключенного между двумя трубками тога и рассекающего диск ветроколеса радиуса Rix по окружности радиуса % и толщиной &Z запишем законы сохранения импульса и момента импульса:

dJ= 2-fl-r-cCz-yr-CVo- Vii)-Vzi (l)

dM=2-n-?-dz-$r(\/<,-\/iL)-Uzl-Z (2)

Рассмотрим также силы cLX и dУ (рис.2), действующие на элементы лопаток при их движении внутри кольцевого объема. Действия указанных сил приводят к возникновению осевой <tT и окружной dü составляющих, а также вращательного момента dH dT=La-(CyCOSp + CK-s inp)Sr-W//Z 'вл-cLz (3)

dM=L»'(CySinp - Сх• cosp)-Sr■ yf/г бл-dz-z (4)

Решая совместно уравнения (1)-(4) получим соотноаения для определения индуктивных скоростей

V,¿/(1- \/ü)~6'Сп/(8 Z -sinzp) (б)

и*/{ 2- 7 + U и) ~ г> • Ct /(&■ г • Sinß-C osß) (6)

где Сп= CyCOSß + Cx-Sinß^ Ct — Су sinp - С* • cosp'

2 = ( (x) R6k)/\Ja - быстроходность ветроколеса: ¿=(L/\-ö\)/(fl-RSK) - конструктивный коэффициент. Уравнения (5),(6) в отличие от уравнений, полученных на основании теории элементарных струй, учитывают влияние окружной составляющей скорости газа Uo.

В свою очередь, используя соотношения (6) и (б), можно определить мощность, передаваемую потоком газа вентиляторному колесу:

2 i

PsK^n-Rst-Sr-fZ-a- <>(1-Уй>й*г-4Ьш <7)

' г

Разработанная методика для определения мощности Р&-позволила перейти к решению задачи нахождения частоты вращения ротора в орошаемом аппарате, выполненному нами на основе баланса мощностей:

ПсРбк = Рр - (8)

Рассеиваемая мощность. Рр передается жидкой фазе и идет на сообщение ей кинетической энергии, теряется на трение при движении жидкости по диспергирующим дискаы, затрачивается на преодоление сил трения в подщпниках, а также вря треййй

- а -

вращающихся вертикальных лопаток диска о газовый поток.

Превалирующая доля мощности Рр передается жидкой фаза и теряется на трение в подшипниках. Переданную жидкости мощность мояцо определить с помощью зависимости

Рук. - Со* <((*>■ ЯрХ + Ир)/£ • Пс (9)

а мощность, теряемую на трение в подшипниках, по уравнению Рп = г-Ь-$"-ъ™-Ь1) (Ю)

Ввиду того, что данная методика требует большого количества вычислений, решение сказалось возместим с применением ЭВМ по специально разработанному нами итерационному алгоритму. прилаженному в диссертации.

Для того, чтобы воспользоваться аналитическим методом расчета частоты вращения, необходимо кмать информацию о распределении скоростей потока газа в плоскости перед вентиляторным колесом. Кроме того, знание структуры потоков в коктакгвой зоне всегда способствует объяснению механизма явлений при анализе результатов по брызгоуносу и эффективности массообмена.

С этой целью нами проведены экспериментальные исследования профилей скоростей газа с помощь» шогоканального зонда в 3-х сечениях контактной ступени, которые показали, что из-за возникновения после вентиляторного колеса окружной составляющей скорости наблюдается' перераспределение массы восходящего по ступени контакта газа от центра к пристеночным областям.

С целью проверю! адекватности разработанной математической ыетодшш реальному процзссу и получения дополнительно змпнротэских зависимостей были проведена экспериментальные исследования частоты вращэния ротора. Из апробированных способов измерения частоты вращения ваш пршшт стробосгапичес-кий метод, но влияющкй на достоверность результатов. Исследования проводились ка установке, схема ¡»торой показала на рис.3. При этоы плотность орошэшш изменялась в пределах 0.6 - 2.Б 1сг/(с-иг). скорость газа на сечение аппарата от 1 до 3.5 м/с. В качестве кэдкости использовались раствора глицерина в вода, газа - воздух. Условии масштабного перехода изучались на 2-х моделях аппарата с дешзтраш корпуса 146 Ш И 240 им.

Результаты исследований приставлены на рис.4. согласно истории частота врацония существенно зависит от старости га-

зоеого потока и плотности оролення. с ростом газовых нагрузок увеличивается д;йк»стческоо давление газа на лопатки вентиляторного колеса, возрастает крутящий момент на валу и угловая скорость вращения ротора, а, значит, улучшается и диспергирований жидкости. С ростом жэ

плотности срошетш возрастает инерция ротора, что приводит к ааютноцу снижения частоты вращения. Необходимо обратить вникание на то. что при Ь/г до 2.6 и/с на сечение увеличение лшшйнш размеров способствует росту частоту вращешш и расги-ретааз диапазона устойчивой работы аппарата. Данный зффега1 достигается за счет более развитой площади поверхности лопаток вентиляторного гл-леса, а значит, силы давления газового потока н плеча ее действа. Кроне того лр;п;э-венве Г-сбравкш перелнвшх трубе.:, шстив конца шгсрих ориентированы по холу вращения дксперифуади дисков, позво-

Ркс.З. Схема этперкмэатадыюй установки. 1 - дисперсионно-пленочный аппарат; 2 -газодувка о воздухопроводами; 3 - задвип-ка; 4 - диафрагма; 5 - насос с трубопроводами; 0 - Сак>. 7 - ротаметр; 8 - кран; 9 - стосбоскоп; 10 - микроманометр; 11 -

объемный сепаратор; 13 - влагомер; 14 -многоканальный зонд

12 -, мерный стакан; переключатель; 1Б -

Рко.4. Зависимость »шсла оборотов ротора от скорости газа. 1 - а - 1.8 КГ/(0-Мг); 2 - 0,83; 3 --0,5. /ж - 1 1'Ла-С; D.~ - 146 ум

ляет увеличить частоту вращения оТ]7 да 16 X по сравнении с прямыми передивными трубками обычны* конструкций.

При. сравнительной.^ оценке теоретических и экспериментальных. рвзУДЬ/гато^ отклонение расчетных и опытных данных не превышало 35,Х>., что-свидетельствует о правильности разработанной нами-аналитической, методики определения частоты вращения ротора.

На основе исследований получена также эмпирическая зависимость для расчета числа оборотов ротора.

Пр = ехр(259)-^-^ ОГ (И)

4 Среднее квадратичное отклонение экспериментальных и расчетных значений не превышает 7 X.

Третья глава диссертации посвящена исследованиям гидродинамических характеристик бесприводного аппарата.

Как известно, гидравлическое сопротивление определяет энергозатраты на перемещение газа в колонных аппаратах, а брызгоунос жидкости газовым потоком ограничивает предельно допустимые газовые нагрузки. Поэтому, одним из этапов нашей работы явилось исследование влияния расходных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление контактной ступени и брызгоунос жидкости, получение расчетных зависимостей. связывающих указанные параметры.

Опыты проводились на установке, схема которой показана на рис.3. При этом плотность орошения изменялась в пределах от 0,2 до 3 кг/(с-мг). скорость газа на сечение аппарата от 2 до 4 м/с. В качестве жидкости использовался раствор глицерина в воде, а газа - воздух. Опыты были проведены на моделях аппарата с диаметрами корпуса 145 мм и 240 мм.

Исследованиями установлено, что гидравлическое сопротивление ступени контакта аппарата в указанных диапазонах варьирования расходных параметров не превышает 130 Па и значительно ниже сопротивления статических барботажных ыассооб-ыэнтк тарелок.

Результаты исследований влияния расходных параметров на брызгоунос представлены на рис.5. Согласно приведенным графикам, величина относительного брызгоуноса возрастает с повышением газовых нагрузок, что связано с увеличением сил динамического воздействия газа на жидкость;и ^уменьшением размеров образующихся кап.О'ДЬк.. СI по£ыгш:еы ^ко-оаэтности орове-ння величина относительного брызгоуксеа.скйяззтся. что можно

объяснить прежде всего замедлением вращения ротора и диспергированием жидкости на крупные капли.

4,5 3,0 1.5

2,7 3,0 3,3 1е/г, и/с

Рис.5. Зависимость величины относительного Орызгоуноса от скорости газа. 1 - Яг - 1.6 кг/(с • м4); 2 - 0,4. 1 мПа-с; Од - 145 мм

Увеличение вязкости жидкости также способствует снижению брызгоуноса, что обусловлено действием сил вязкостного трения, приводящим к росту размеров образующихся капель.

Увеличение ' линейных размеров моделей приводит к не-брызгоуноса. Данный эффект вращения дисков и

которому росту относительного связан с увеличением окружных скоростей времени динамического контакта движущихся к стенке аппарата капель жидкости и газового потока.

В результате аппроксимации опытных дачных получены зм-пирнчесгам зависимости для расчета относительного брызгоуио-" са ■

, I /<(3 -¿525- -ч53

-А сш

и гидравлотеского сопротивления

др= ехри&у^Г- ОТ (13)

Средние квадратичьие отклонения расчетных и экспериментальных данных не превышают 10 X.

В четвертой главе приведены результаты исследования массосбыешйк характеристик ступени контакта и дан их анализ.

С учетом характера взаимодействия фаз внутри аппарата выделены 4 условные зоны массообмена на каждой ступени контакта: 1-я зона находится над поверхностью диспергирующего диска; 2-я' зона расположена в области диспергирующих лопаток; 3-я занимает свободное пространство между корпусом аппарата н диспергирующими лопатками; 4-я - у внутренней поверхности стенки аппарата. Принимая во внимание результата исследований полей скоростей потока газа, дана оценка массообмена в этих зонах.

При исследовании массообменных* характеристик аппарата нами использована ыетодгаса. основанная на адиабатотеском испарении воды в воздушный поток. Экеперимзнты проводились на

установке, схема которой представлена на рис.3. Относительная влажность воздуха измерялась гигрометром "Волна 1М". к датчику которого попеременно подавался воздух до и после поступления на ступень контакта, температура воздуха на линии подачи фиксировалась термометром. По экспериментальные значениям относительных влазаяостей и температур рассчктава-лись величины влагосодерааний и эффективность иассообизна по иввестнш формулам.

Результаты исследований приведены на рис.6, согласно которому эффективность, иаосообмена контактной ступени сопоставима с КПД статичссгаш контактных тарелок и составляет

0,4-0.65 в рабочих диапазонах' фазовых нагрузок. Причем при скоростях газа 3-3,3 м/с на сечение аппарата аФ5еотивность иассо-обмека достигает максимальных значений, что объясняемся интенсивным дроблением гшдкости и усиленной турбулизацней фаз во 2-ой и 3-ей зонах иаесооб-мэна. Кроме того, благодаг ря увеличению энергии диспергируемой жидкости. интенсифицируются процесса переноса в верхней части 4-ой зоны при контакте газа с раэрупащажся о стенку капляиа. Воврас-ташш нагрузок по газу свыше 3,2 и/с приводит к замедлено скорости роста эффективности массообмена, что связано с сокращением времеш! пребывания газа в контактной зоне и пош-сеюшу брызгоуноссы.

С ростш плотности орсгаения наблюдается падение эффективности иасссюбиена, что можно объяснить прежде всего ухудшением диспергирования жидкости, а. следовательно, и уменьшением поверхности контакта во 2-ой. 3-ей и 4-ой золах взаимодействие фаз. Увеличение &е Л1шейних разиеров аппарата приводит к росту эффективности массообызна (рис.б), что связано с повышением окружных скоростей вращения диспергируемой кщкости к удлинением траекторий движения капель.

Результата исследований аппроксимированы расчетной за-

0,50 0,45 0,40 0,35

2 Л,,

/

I

/

2,8 3,0 3,2 и/г,м/с

Рис.б. Зависимость эффективности массообмена от скорости газа для различных диаметров аппарата. 1 - оа - 145 мм; 2 - 240 мм; , ¡Тж." 1 мПа-с; 12- - 0,6 кг/(с-и )

впскмоОтьй:

ехрн,78)-\л/г -Ра

(14)

Разница между рассчитанными и зксперзшентальишн данни-!•"! на превышает 7 %.

Для интенсификации ыассообмена рекомендовано устанавливать диспергирующие лопатки под наклоном к плосглсти дшса, либо использовать конусообразные диспергирующие днсга! с расширением вверх. Предлагаемые конструктивные изменения позволят улучшить ^Фиктивность нассообмена по следузоицы причш;г.и: 1) в результате отклонения траекторий дышит капли жщкости будут достигать стенки аппарата на более высоком уровне, увеличивав поверхность образующейся пленки; 2) вследствие удлинения траекторий полета ^лель возрастет и вре;.'л пребывания жидкости в зоне контакта.

На заключительном этапе нашей работы на специально та-готовлешюй подели были проведены исследования нассообмена мезду стекгкщей пленкой шщкости ц-восходящим газовом пото-• кем. Полученные результаты позволили оценить долю пленочной (4-я зона) и дисперсной (2-я и 3-п вони) областей в общем балансе переданной массы. Установлено, что при скоростях газа до 2.5 м/с превалирует ыассообмэн между пленкой и газем. При скорости газа свылэ 2.Б м/с. вследствие более интвненв-пого дроОлеяия гздкости. доля вещества, перенесенного через поверхность пленки становится меньше ОД.

При сопоставлении и обобщении зкепергаленталышх данных из условия обеспечения устойчивой , работы аппграта при яаи-болыЕК !<Ш1 контактной ступени установлены диапазона пгмз-пен'.ш газовых нагрузок и плотности орошения.

Рэ,:смэядуешо режгаа работы роторного бссщшводяого кассообметюго аппарата

Плотность ороаэния,

КГ/(С-Ы*)

> 2 4.3-2 0.6-1.3 < О.б

Рокоыеидуеиая аюрость газа, • м/с

3,2-3.5 3,1-3.4 3,0-3.3 2.6-3.2

Гидравлическое сопротивление ступени контакта. Па

СО-133 7Б-1С£ Ю-85 35-66

КПД контактной ступенн

0,38-0,43 0,40-0,60 0,42-0,5-4 0,30-0,57

- и -

выводы

1. Отличительной особенностью исследуемого массообмен-ного аппарата для проведения процессов абсорбции, ректификации, сепарации и др. является наличие в нем роторного устройства, использующего для вращения энергию фазовых потоков и обеспечивающего устойчивое взаимодействие газо(паро)-жидкостных систем в интенсивном дисперсионно-пленочном режиме.

2. Теоретический анализ механизма взаимодействия газового потока в аппарате с вентиляторным колесом на валу ротора позволил получить расчетное уравнение (7) для определения мощности, .передаваемой ротору на каждой ступени контакта, и на основании принципа баланса мощностей впервые решить задачу определения частоты его вращения в орошаемом аппарате на ЭК4 по специально разработанному итерационному алгоритму. Сравнительная .оценка расчетных значений частоты вращения и опытных данных., полученных стробоскопическим методом, показала удовяэтщтлемщро сходимость результатов и тем самым подтвердила .справедливость математического моделирования.

.3. Экспериментально установлено, что при скоростях га-•ва до 3,2 м/с на сечение аппарата относительный брызгоунос не превышает 8 X, и это свидетельствует .о .повышенной пропускной способности нового аппарата по сравн&ни» с колонными аппаратами тарельчатого и насадочного типа.

4. Исследования на моделях с различными линейными размерам» г широком диапазоне изменений расхода фаз показали, что гидравлическое сопротивление контактной ступени не превышает 150 Па при максимальных нагрузках и значительно ниже сопротивления типовых контактных .тарелок. Данный фактор позволит использовать такие аппараты при проведении процессов

' ректификации даже под вакуумом, а процессов абсорбции и сепарации на установках с низкими и средними напорами газа.

5. Установлено, что эффективность массообмена отдельной ступени контакта роторного аппарата соизмерима с КПД Сарботажных тарелок при меньших энергетических затратах, причем при скоростях газа до 2.Б к/с на сечение аппарата доля переносимого вещества в пленка преобладает нал долей мас-соаереноса в каплях, а при скоростях свыез 2,6 и/с наоборот.

6. В результате обработки экспериментальных данных на ££М получены функционагьныэ вагшаюсти для расчета основных

рабочих характерно™«: вод:гашш относительного брызгоувоса (12). гидравлического сопротивления геэнтготноЯ ступени (13) и зффекптностн мзссообмзна (14). Полученныэ завкишоста истаю использовать при расчете бесприводных аппаратов для проведения ызсссобменкых процессов в гаво (паро) ::зптостшд системах с физико-Х1Шичес!сиш! свойствами близиаш к при-иенпепш при исследованиях.

7. Исследованиями профилей скоростей газа в харшстершх сечениях контактной ступени установлено, что в зоне фазового взанз содействия происходит перераспределение ыгсеы восходящего газового потока от оси к периферии аппарата. Псз-тсну для кнтенсифик-ацин Фззового массообмена предлгсшно диспергирующий диск выполнять коничесгаш с расшрениеу вверх, а для обеспечения более полной передачи энергии газового пото-кл ротору кольцевой зазор между вентиляторным ¡солесом и газовый патрубком рекомендовано принимать при проектировании шпшмальяо возможный.

3. Испытания опытного образца при ио'срой очксисэ отко-ДЯЕЦ5Х из грзнбагпи газов производства карбамида на Соверодо-неихи ПО "Азот" позволили значительно снизить выброс кгрбэ-уида в атмосферу и материальные затраты на гидрокш, тем са-!,гс! подтвердив перспэ'.сигоность пр'лменешш таких аппаратсв в прошшленностй.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

6л - сирина лопатки вентиляторного колеса, и: Су . С* - аэродштмичесшш коэфф:щиенты; Од ' дизивтр аппарата, и; б - относительный бризгоунос, X; &яс - массовый расход гид-кости. кг/с; Ы - число лопаток; /7с - число ступеней Контакта: Яр - число сборотоз ротора, шт"*; дР - потери давления. Па: - массовая плотность орошения. кг/(с-ы*); Хт - рад55ус трепня, м; йр - радиус диспергатора, и: г -опгасителькый радиус: - нагрузка на подшшнше. И: , Ни - относительные индуктивные скорости газа; ССр - радиальная с:сорос?ь жидкости, м/с; V/- - средняя скоросга газа, «/с; £ - эффективность «ассоосиепа; - динамическая вязкость зздакостя. Па-с; ^ - коэффициент трения; $г - плотность газа, кг/и"5; <*> - частота вращения. с"'.

- 16 -

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Боровик A.A.. Ершов А.11. Исследование рабочих характеристик роторного дисперсионно-пленочного масеообменного аппарата // Труды БГТУ. Вып.2. Химия и технология неорганических веществ. Серия И. - Ш.. 1QQ4. - С. 83-88.

2. Исследование работы энергоэкономичных и безопасных конструкций роторных ыассообменных аппаратов/ А.И.Ер-

. шов.А.А.Боровик // Тез.докл. научно-технической- конференции "Ресурсосберегагздие и экологически чистые технологии" -Гродно: 1994. - С. 178-179.

3. Боровик A.A.. Ераюв А.И. Исследование палей скоростей газового потока в роторном дисперсионно-пленочном ыаесо-сбианком аппарате // Труды / БГТУ. Вып. з. Химия и хилгчес-кая технология. Сер. Ш. - Ш.. 1906. - С.76-Ю.

4. Боровик A.A. Исследование влияния конструктивных параметров на рабочие характеристики роторного бесприводного ыасссюбмешюго аппарата // Труды / БГТУ. Вып. 4. Химия и химическая технология. Сер. Ш. - Ыя.. 199Ö. - С.66-60.

б. Боровик А. А.. Ершов А.И. Разработка матоиа'пгчвскхк методов расчета чазтоти вразцшш ротора беспркводпого дис-пэрсионно-плепочкого ыассообыешюго аппарата // Труди / ЕГТУ. Вып.4. Xiü-аа'и химическая технология. Сер. В. - Ш.. 19С6. - С.62-т.

6. Ерпоа А.И.. Боровик A.A. Исследование массообиапа на поверхности пдошш в апдарато роторного типа // Труды / БГТУ. Вып.5. XiüGffi и хшшгская технология. Сер. Ш. - Ш.. 1097. - С.65-93.

7. Пат. Н 187ß PS. В 01 о'з/зо. Роторный дшюрстаа-. по-плепотй иазсог&до:ашй аппарат / А.И.Ерзов, А.А.Ворсзга.

В.А.Шрказ (РБ). - 1030: Заявлено 23.12.93: Опубл. 16,03.07 Г. - 8 О.

- 17 -

ВЭЗШЕ

Барав1к Андрэй Аляксандрав1ч "распрацоука канструкцы1 1 нотада разл1ку масаабменнага аларата дысперс1йна-плеукавага тылу"

Масаабмен, ротар» куткасць, лапатка, с1ла. «агутнасць. сепарация, вынас. супращуленне, эфектыунасць. днспергавгп-не. Фаза, кропля. плеука

Мэта працц: распрацоука нетала разл1!су ротарных беспры-вадних масаабменных апаратау з атрдааннем залежнасцлу для устанаулення 1х тэхн1чных характаристык. а таксама навуковаэ абгрунтаванне стварэння ыасазбменнага аларата. як1 викарыс-тоувае для вярчэння рот ара энерПю фазавых патокау.

У вьш1ку праведзенай працы створана па узроун1 вынаход-к1 новая каиструкщт ротарнага беспрываднага масагбиеинага аларата а палепшаяым1 тзхн1ка-экаиам1чкым1 характарыстыкам1. Распрацавана анал1тычная методы)» разл1ку частаты вярчэння ротара у беспрывадным иасаабыенным апарацо; экспериментальна даследаваны прсфШ хуткасцяу газавата патоку у розных сочивах кантактнай ступен1 1 частаты вярчзния ротара; атршлэш змп1рычныя залелшасШ для разл1ку пирсканыносу, г1драул1чна-' га супраЩулення 1 зфектыунасц1 мэсаабмеиу 5 эадезшасц1 ад

, * V*

выдатюзвьгх 1 канструктыуных паргз-ютрау. 4

Распрацаваная каяструкцьы дзякуоты н1зкгму г1драул1чиа-ыу супрац1уденкэ 1 адсутнасШ привада дазвшЩь скарадщь кгп1тальшл 1 энергетычнш выдатк! 1 пазкрыць выкарыстан-по беспрывадных апаратау у працзсах абсорб'цы! 1 рэктыф1кацы1 ва умсвая выкгрыстаяня забрудзганых 1 сшлау твараль пых ася-роддзяу.

РЕ5ШЕ

Боровик Андрей Александрович "Разработка гонструвдш я метода расчета иассообмзнного аппарата дисперскснао-пленочпого типа"

!<зссообы9Н, ротор, старость, лопатка. сила, мощность, сепаранзш. унес,. сопротивление. эффектгюкость. диспергирований, фзза. капля, пленка.

Цел» работа: разработка ыатода расчета роторная беспроводных ызссосбменвыч аппаратов с полученк-эы завтаздзстей для

определения их технических характеристик. а также научное обоснование создания массообменного аппарата, использующего для вращения ротора энергию фазовых потоков.

В результате проведенной работы создана на уровне изобретения новая конструкция роторного бесприводного массообменного аппарата с улучшенными технико-экономическими характеристиками. Разработана аналитическая методика расчета частоты вращения ротора в бесприводкоы ыассообыенноы аппарате; экспериментально исследованы профили скоростей газового потока в различных сечениях контактной ступени и частота вращения ротора; получены эмпирические зависимости для расчета брызгоуноса, гидравлического сопротивления и эффективности ыассообмека в зависимости от расходных и конструктивных параметров.

Разработанная конструкция благодаря низкому гидравлк-часкому сопротивлению и отсутствия привода позволит сократить капитальные и энергетические расходы и расширит использование бесприводных аппаратов в процессах абсорбции и ректификации в условиях применения загрязненных и смагообразузо-цих сред.

SLM.5ARY Andrei Alexandrovich Borovik

"Design and calculation methods of a mass-transfer apparatus of a dlsporslve-fllm type"

Mass-transfer, rotor, volqolty, blade, power, capacity, saparatian, ablation, rosistanco, effectiveness, dispersion, phase, drop, film.

Aim of work: to work out a calculation method of . hen-drive mass-transfer appars^tusss and obtain dependence to determine their technical parsr&ters; to eivo solentifio substantiation of a cass-transfer apparatus in vhlch tho rotor is revolved by gas end fluid phases energy.

As a result of tho conducted work a nera design of a rotor non-driving isass-transfer ¿pparstus sith l&provcd teoh-nlcal-Goaicalc characteristics has bssn invented en cnaiiti-cal ir^ttod c£ calculation of relation frequency of a rotor

in ncn-driving mass-transfer apparatus has been tsorked out. profiles of- velocities of a gras current In different section of a contact degree and rotation frequency of a rotor have been experimentally Investigated, empirical dependences for calculation of splash-ablation, hydraulic resistance and effectiveness of mass transfer depending on the parameters of consumption and construction have been obtained.

Th9 worked out non-driving- construction with let hydraulic resistance will alio« to reduce capital aid energy expenses and enlarge the utilization of non-driving apparatus in the process cf sbsorbtlon and rectification in the polluted and rosinificatlonal environments.

БОРОВИК АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЩИ И МЕТОДА РАСЧЕТА ЦАССШВ4ЕННОГО АППАРАТА ДИСПЕРаЮННО-ПШЮЧНОГО ТИПА

Подписано в печать 31.03.08. Формат 60x80 1/16. Печать офсет-пая. Уаз.пэч.л. 1,3. Усд.кр.-огг. 1,3. Уч.-иад.л. 1,1. Тираж 70 зкз. Заказ Ш ■ Белорусский государственный технологический университет 220630, ЬЬшск, Свердлова, 13а. Отпачатако па ротапринте Белорусского государственного технологического университета. 220630, Минск, Свердлова, 13.