автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка конструкций аппаратов для массообменных процессов с использованием сверхвысокочастотного электромагнитного излучения

Введение

ГЛАВА 1 «Аппараты для массообменных процессов и возможность применения СВЧ - излучения»

1.1 Традиционное массообменное оборудование нефтеперерабатывающей и химической промышленности

1.1.1 Аппараты для испарения технологических сред

1.1.2 Аппараты для проведения реакционных процессов

1.1.2.1 Аппараты для гетерогенно - каталитических реакций

1.1.2.2 Реакционные аппараты для некаталитических процессов

1.2 Новые типы реакционного оборудования

1.3 СВЧ - нагрев и его применение для интенсификации технологических процессов

1.3.1 Механизм СВЧ нагрева

1.3.2 Сверхвысокочастотные нагревательные установки

1.3.3 Сверхвысокочастотные устройства для химических процессов

Массообменные процессы в технологических аппаратах нефтепереработки, нефтехимической и химической промышленности, как правило, инициируются подводом тепловой энергии. При этом на первых стадиях передела нефти (нефтепереработке) преобладают процессы разделения жидких нефтяных фракций, сопровождающиеся термической и термокаталитической корректировкой составов. В нефтехимических синтезах поступившее после нефтепереработки жидкое и газообразное сырье подвергается сначала термическому, термокаталитическому воздействию, а затем уже процессам разделения - массообмена. В химической промышленности в инициированной теплоподводом массообмен вовлекаются и твердые неуглеводородные среды. От эффективности теплоподвода в промышленных массообменных аппаратах решающим образом зависит энергопотребление, от выдерживания необходимых температурных режимов существенно зависит селективность процессов, особенно высокотемпературных, а следовательно, эти факторы диктуют затраты на разделение и количество отходов.

В представленной работе предпринято исследование процессов воздействия сверхвысокочастотного магнитного излучения на теплоподвод к ряду технологических сред с целью создания нового класса аппаратов для массообменных процессов при переработке нефтяного и углеродсодержащего сырья.

Например, в широко используемом в технологических схемах нефтепереработки, нефтехимии и химической отрасли процессе ректификации многое зависит от способа теплоподвода. При ректификации термически нестойких веществ неизбежными последствиями являются термический распад, смолообразование, появление отложений на греющих поверхностях. Поэтому традиционно используют такие приемы, как понижение давления, снижающее температуру кипения термически нестойких веществ и снижение гидравлического сопротивления в ректификационных колоннах, уменьшение гидростатического давления столба жидкости в кипятильниках. При этом лучшим в настоящий момент решением является использование пленочных ректификационных колонн с регулярной насадкой и пленочных кипятильников, отличительной особенностью которых является движение в них жидкости в виде пленки.

Но такие решения по сути не затрагивают порождающий проблему пристеночного перегрева элементарный акт теплопередачи «греющая стенка - жидкость», а лишь изменяют конструктивными приемами динамику процесса. Для высоковязких жидкостей и жидкостей, содержащих включения твердых частиц, создание пленки вообще проблематично, поэтому вне сферы действия такого рода приемов остается широкий спектр технологических сред нефтепереработки.

Между тем, углубление переработки нефти ставит задачу получения возможно большего диапазона разделенных без деструкции ее индивидуальных составляющих. Можно предположить, что уменьшение воздействия температуры при процессах разделения нефти и их полупродуктов в повторяющихся циклах «нагрев в СВЧ-поле - разделение» в той или иной степени изменит составы фракций перед каждым последующим циклом за счет уменьшения продуктов термодеструкции.

Особый интерес представляет использование СВЧ -термотрансформации в так называемых хеморектификационных процессах нефтепереработки [2], поскольку используемые в этих процессах твердые катализаторы одновременно являются хорошими термотрансформаторами [55].

Для конструирования конкретных аппаратов для нагрева различных технологических сред нефтепереработки и нефтехимии в каждом отдельном случае необходим эксперимент с конкретным составом нагреваемой смеси, то есть расчеты аппаратов не могут быть проведены с достаточной точностью без экспериментальных данных, которые должны содержать физико-химические характеристики нагреваемых сред (проводимость, диэлектрическая проницаемость, теплоемкость и др.); кинетику нагрева, определяемую мощностью излучающего устройства.

Нами в качестве объектов исследования выбраны наиболее энергоемкие процессы - дегидрирование, выпаривание, обжиг, где нагреваемые среды находятся в газообразном, жидком и твердом состояниях.

Например, в промышленности синтетического каучука, где используется процесс дегидрирования олефинов, энергетические затраты на синтез мономеров составляют около 70 %, то есть они практически определяют эффективность производства в целом.

Подвод необходимого большого количества энергии в реакционную зону с использованием теплоносителей (нагретое сырьё, перегретый водяной пар, нагретая парогазовая смесь, продукты сгорания топлива) порождает серьезную проблему утилизации остаточного тепла. В случае дегидрирования бутенов необходимое тепло подводится за счёт разбавления исходного бутена большим количеством перегретого водяного пара. Температура пара на входе в реактор 700-750 °С, температура пара и контактного газа на выходе из реактора 600-650 °С, таким образом, тепловой коэффициент полезного действия (К.П.Д.) составляет величину лишь порядка 10 % [35].

Традиционные способы подвода тепла в рабочую зону (через теплопередающую стенку, с водяным паром) в определенных случаях ведут к частичному разложению продукта или к необходимости последующего отделения внесенной влаги, порождая экологические проблемы и ухудшая экономику химико-технологических систем.

Эти проблемы можно решить, только разработав технологию нового типа, где будут использоваться принципиально иные массообменные аппараты. При разработке таких аппаратов должны использоваться как традиционные для нефтехимической промышленности физические явления, так и нетрадиционные, к которым относится, в частности, электромагнитное излучение СВЧ - диапазона. Применение последнего известно в промышленной практике на предприятиях пищевой промышленности и при сушке материалов, в литературе описаны исследования на лабораторном уровне, показывающие большие возможности СВЧ-метода по эффективному энергопереносу. Поэтому исследование воздействия СВЧ-излучения на технологические среды актуальное и в теоретическом, и в практическом плане, необходимо для создания новых устройств с эффективным энергопереносом для переработки технологического сырья.

Для современных СВЧ-генераторов К.П.Д. преобразования электрической энергии в энергию электромагнитного излучения СВЧ-диапазона достигает 60 %, а само электромагнитное излучение может практически полностью трансформироваться в тепловую энергию в облучаемом веществе.

Это и явилось основным мотивом выбора электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона для исследования возможности испарения жидких сред, каталитического дегидрирования углеводородов и обжига известняка, поскольку усматривалась возможность использования таких веществ, эффективно преобразующих энергию электромагнитного поля в тепловую, в качестве рабочих теплопередающих тел.

Проведенные исследования по использованию электрофизических методов показали эффективность использования энергии сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний, так как достигаемый при этом объёмный нагрев веществ - компонентов процесса, в частности катализатора, известняка, а так же и специальных добавок (веществ, эффективно преобразующих в тепло энергию СВЧ-поля), позволяет значительно интенсифицировать процесс нагрева, повысить экономические его показатели.

Использование в качестве энергоносителя электромагнитного излучения дает существенные преимущества: безынерционность воздействия, высокий К.П.Д. нагрева, превышающий К.П.Д. традиционных способов.

Исследования проводились согласно плану научно-исследовательских работ УГНТУ по проблеме перевода нефтехимических технологий на энергосберегающие и экологически безопасные.

Результатом работы является создание возможности кардинальной модернизации изучаемых производств, значительно повысив экологическую безопасность и уменьшив энергопотребление, с сохранением той же сырьевой базы и используемых катализаторов.

На защиту выносятся:

1. Конструкции аппаратов для процессов испарения при нефтепереработке, для процессов дегидрирования углеводородов и обжига известняка с использованием сверхвысокочастотного электромагнитного излучения.

2. Принципы проектирования промышленных аппаратов для проведения химико-технологических процессов с использованием термотрансформаторов и электромагнитного излучения

3. Способ применения термотрансформаторов электромагнитной энергии для интенсификации нефтехимических процессов, в частности процессов дегидрирования углеводородов, разложения карбоната кальция, а также способ испарения жидких сред с помощью термотрансформаторов в СВЧ - поле.

4. Методы подбора веществ - термотрансформаторов, используемых для интенсификации тепло-массообмена в технологических процессах, проводимых под действием СВЧ - излучения.

5. Метод согласования параметров СВЧ-излучения с физико-химическими характеристиками технологических сред и конфигурацией аппарата.

6. Результаты исследований зависимости энергопередающих функций термотрансформаторов от их электрофизических свойств

Таким образом, на основе проведенных исследований разработаны конструкции аппаратов для процессов испарения, дегидрирования углеводородов и обжига известняка, использующие электромагнитное излучение сверхвысокочастотного диапазона. Предложены методы согласования параметров СВЧ-излучения с физико-химическими характеристиками технологических сред и конфигурацией аппарата.

Разработаны методы подбора веществ - термотрансформаторов, используемых для интенсификации тепло-массообмена в технологических процессах, проводимых под действием СВЧ - излучения. Использованы как нерасходуемые в процессе термотрансформаторы - инертные материалы, так и расходуемые вещества с физико - химическими свойствами, обеспечивающими высокую степень превращения электромагнитной энергии в тепловую.

Результаты исследования влияния на процесс испарения воды оксидов металлов представлены на рисунке 2.6.

Вода

Вода со смесью оксидов металлов

10 15 20 25 Время, мин

30 35

Рисунок 2.6 - Экспериментальная зависимость влияния на испарение присутствия смеси оксидов металлов

Сопоставляя полученные зависимости (рисунок 2.6) с зависимостями, изображенными на рисунке 2.3, можно увидеть существенно большее влияние оксидов на скорость испарения, то есть расстояние между кривыми по оси У, равное разнице количества испаренной влаги за один и тот же промежуток времени с термотрансформатором и без него, при использовании оксидов на 43 % больше.

Проведенные эксперименты позволили выбрать в качестве наиболее эффективных термотрансформаторов смеси оксидов металлов.

Далее были проведены исследования влияния соотношения «количество испаряемой жидкости - масса термотрансформатора».

Для этого при испарении жидкости использовали термотрансформатор с различной массой при фиксированной мощности воздействия СВЧ-излучения. В качестве термотрансформатора использовалась смесь оксидов металлов известного состава, приведенного выше (с. 64).

Стеклянный стакан 1 (рисунок 2.7) с исследуемой средой 2 и термотрансформатором 3 устанавливается на поставку 4 в резонаторе 5 микроволной печи 6. Подставка служит для того, чтобы исследуемый образец находился напротив волноводов 7 и подвергался наибольшему воздействию электромагнитной энергии СВЧ диапазона. Перед запуском устанавливаем максимальный уровень мощности магнетрона печи - 850 Вт.

В каждом опыте менялась масса загружаемого термотрансформатора, а начальная масса воды оставалась неизменной - 0,45 кг. Эксперимент длился до остатка в количестве 0,2 кг жидкости. Результаты приведены в таблице 2.5.