автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка методов исследования структуры потоков дисперсной системы "жидкость-твердое" и создание массообменных аппаратов с циркуляционным слоем



;; Пр е с :т'iii^r Г-'

Л. " -----3. " "" • •

V ¿4 i'" ) С

4¿

РОССИЙСКИЙ МИКО-ТЕХНОЛОШЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ПОЛТАВЦЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ ДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ "ЖДКОСТЬ-ТВЕРДОЕ" И СОЗДАНИЕ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ С. ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ СЛОЕМ

05Д7.08 - пропессы и аппараты химической'

На правах рукописи

УДК 66.096.5-954:521.643

технологии

. ДИССЕРТАЦИЯ, на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 1998

.....Введение и постановка проблемы . ..............5

Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ 3-х ФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Гидродинамика трехфазных систем............17

1.2. Структура потоков в секционированных аппаратах

с перемешиванием .................26

1.3. Теория массообмена в системах Т:Ж....... . 30

1.4. Массообменные аппараты в системе Т:Ж:Г......35

Глава П. СТРУКТУРА ПОТОКОВ В СЕКЦИОНИРОВАННОМ АППАРАТЕ

2.1. Технологическая конечность отклика ........40

2.2. Механизм образования отклика ......................42

2.3. Геометрическая прогрессия состава объема ступеней .45

2.4. Двухпараметрическая модель ступенчатого проиесса с идеальной циркуляцией и спектр

времени пребывания частиц ....... ..........47

2.5. Матричное моделирование отклика ступеней ..... 55

2.6. Линейно-переменный массив частей отклика СЦМ ... 60

2.7. Передаточная и П-образная функции ступенчато-шркуляпионной модели..............61

2.8. Уровни иерархии типовых математических моделей . . 71

2.9. Определение параметров СЦМ из эксперимента .... 78

2.10. Двухпараметрическая модель ступенчатого процесса

с экспериментальными коэффютентами ....... 78

Глава Ш. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ

3.1. Физическая модель процесса . ...........85

3.2. Решение краевой задачи нестационарной массопроводности процесса регенерации ...... 89

3.3. Анализ решения математической модели........90

Глава 1У. МАССООБМЕН В СЕКЦИОНИРОВАННОМ ТВС

4.1. Кинетика проточного проиесса ...........95

4.2. Кинетика непроточного процесса .......... 99

4.3. Кинетика многоеекиионного проточного процесса . . 103

4.4. Кинетика секционированного противотока......106

Глава. У. СЕКЦИОНИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ВИХРЕВОГО СЛОЯ

5.1. Трехфазный вихревой слой .............114

5.2. Гидравлическое сопротивление слоя

и его пределы существования...........116

5.3. Структура 3-х фазного потока в плоских шркуляторах ...................130

5.4. Производительность затопленных шркуляторов . . . 140

5.5. Противоточное. взаимодействие фаз .........146

5.6. Движение твердой фазы в секционированном слое . . 155 5.?. Движение жидкости в секционированном слое .... 157

Глава У1. ЭКСПЕБШЕНТАЛЬНУЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. TBC

6Д. Движение одиночного газового пузыри ....... 160

6.2. Скорость движения гранул в TBC .......... 162

6.3. Односекщонный периодический проточный процесс . . 163

6.4. Лабораторный периодический непроточный процесс . . 166

6.5. Проточный многосекционный процесс . .......167

6.6. Межсекционное движение потоков...............169

6.7. Производительность затопленного отркулятора . . . 174

6.8. Осмотическая прочность ионитов в TBC ....... 175

Глава УП. ПРОМЬШШЕННЫЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ АППАРАТЫ

И УСТАНОВКИ .

7.1. Лабораторные аппараты . ..................179

7.2. Деаэраторы . ...................187

7.3. Экстракторы .................188

7.4. Сверхскоростные ионообменные фильтры .......189

7.5. Карусельный массообменный аппарат....... . 194

7.6. Ступени ионообменных аппаратов..........195

7.7. Способ посадки слоя.....................196

7.8. Влажный пар как газовая фаза TBC.........199

7.9. Дроссели и клапана . ...............200

7.10. Гидрататор.. ..........................201

7.11. Классификация аппаратуры и вспомогательных устройств . . . . .... . . . ■■« . . ......202

7.12. Оптимизация прртивоточного процесса

регенерации КУ-2-8 в циркуляционном слое.....203

7.13. Непрерывный ионообменный катализ..........206

ЛИТЕРАТУРА . . .......................209

ПРИЛОЖЕНИЕ .........................222

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс современного состояния науки в химической технологии покоится на трёх составляющих: интенсификация процесса, углубление теории, конструирование аппаратуры. Направленность данной работы отвечает требованиям теории и практики основных мас-сообменных процессов как в России, так и за рубежом: переход к новым технологическим системам, повышение единичной мощности аппаратов при одновременном уменьшении их габаритов, а также повышение эффективности использования математической теории в прикладных целях.

Так называемые трёхфазные системы: твёрдые частицы - жидкость - газ, используются в производстве с момента возникновения промышленных методов переработки сырья, гранулированных материалов, растворов и паст, каталитических продуктов и применяются в различных отраслях промышленности. Использование метода псевдоожижения и его реализация в последовательно соединённых ступенях составляют важный фактор интенсификации медленных диффузионных процессов. Недостаточное развитие исследований трёхфазных систем объясняется большими трудностями лабораторного моделирования гетерогенного (дважды!) взаимодействия фаз, которое однако имеет ряд неоспоримых преимуществ: возможность контакта фаз неопределённо длительное время с максимальной поверхностью взаимодействия; исключение конкурентных влияний и ограничений друг на друга гидродинамики и массопереноса; сравнительно простое конструктивное оформление; высокое соотношение Т:Ж, создающее, может быть, единственную возможность дяя низкорасходного и экономичного ведения непрерывных процессов. Кроме того, прогресс в развитии химической технологии современного производства осуществляется под тяжелейшим прессом экологических проблем: замкнутое во-

допользование, сокращение стоков, расходные коэф^ишенты, приближающиеся к стехиометрическим, и т.д., решение которых часто зависит от уровня исследований трехфазных систем.

АКТУАЛЬНОСТЬ. Современная химическая технология характеризуется широким применением вероятностно-статистических методов исследования и расчета химических и массообменных процессов на основе анализа структуры потоков с использованием метода функций распределения элементов потока по времени пребывания в аппарате (ЕВП). Метод функций ЕВП особенно эффективен джя расчета и проектирования химических и массообменных процессов с линейной зависимостью кинетики от потенциала переноса и линейной равновесной характеристикой, а также в ситуациях, когда пробные возмущения по составу индикатора хорошо приближаются к $ -функции Дирака или идеальному ступенчатому воздействию.

Однако в случаях нелинейности указанных параметров метод функций внешнего ЕВП теряет свою эффективность, так как в этих случаях необходимо знание распределения частиц по их возрастам, отсчитываемых с момента входа частип в каждой секции аппарата. Кроме того, при анализе структуры потоков дисперсных сред, нанесение идеального импульсного возмущения типа 8 -функции Дирака практически невозможно.

В связи с этим возникает актуальная проблема создания эффективных методов расчета и конструирования химических и массообменных процессов с нелинейными параметрами при условии нанесения неидеаяьных пробных возмущений по составу дисперсной фазы. Данная проблема особенно актуальна для процессов с твердыми частицами, где изменение поля концентрации в каждой из них происходит с начала и до конца процесса и существенным является каждый отрезок времени пребывания на каждой ступени процесса. Более того в аппа-

ратах с внутренней циркуляцией частиц определяющим становится время и число рециклов до выхода частицы из ступени. Б таких условиях промышленные аппараты с кипящими и движущимися слоями, характеризуются неидеальным перемешиванием фаз. Поэтому отсутствует удовлетворительное математическое описание для расчета ступенчатых процессов в системах Т:Ж и Т:Ж:Г. По этим же причинам лишь формально применяется математический аппарат нестационарного массо-переноса дяя систем "жидкость-твердое" с линейными и нелинейными зависимостями коэффициента диффузии Ъ , которая наблюда-

ется в переработке самых различных материалов, пластических масс и т.д. Это сдерживает и разработку новых образцов массообменных аппаратов, реализующих нетрадиционные направления организации подобных процессов, например, с вихревой циркуляцией.

Одновременно с этим масштабы промышленного производства характеризуются интенсивным использованием природных ресурсов и нарастанием количества отходов, загрязняющих окружающую среду. Одним из главных источников загрязнения водоемов стали сточные воды химической и энергетической отраслей, при переработке которых наибольшее затруднение представляет очистка воды от смеси органических и минеральных компонентов.

Б Кузбассе, который является крупным топливо-энергетическим, химическим и горно-металлургическим комплексом страны, данная проблема стала критической. За длительный период с 1973 года по настоящее время Правительство много раз рассматривало неблагоприятную экологическую ситуацию в регионе. В то же время применение высоко производительных способов и аппаратов в системе Т:Ж решает наиболее острые природоохранные вопросы экологической практики.

Таким образом, разработка методов исследования структуры потоков дисперсной системы "Жидкость-твердое" и создание массообмен-

ных аппаратов с циркуляционным слоем представляется весьма актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами НИР АН СССР по направлению "Теоретические основы химической технологии" на 1981-1985 и 1986-1990 гг. по проблеме 2.27.2.6 "Разработка новых высокоэффективных аппаратов, методов их расчета и внедрение в химическое производство"; комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР п.593 от 15.10.81 г."Массообмен-ные пронессы в системах с твердой фазой", а в последнее время -региональной программой "Сибирь" СО АН СССР $383Д4 от 17.04.86г.

ЦЕЛЬЮ работы является моделирование структуры потоков густой суспензии детерминированного ступенчатого процесса, а также создание класса массообменных аппаратов с пиркулядаоннш трехфазным слоем и петлеобразным движением сорбента.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработан и математически обоснован сигнал трассера П-об-разной формы (П-сигнал), параметры которого впервые связаны с параметрами исследуемого процесса. Входящий в ступень поток замещен равным потоком сигнала в течение времени внутреннего решкла в ступени. На основе выбранных параметров П-сигнала определена величина его дозы, все частицы которой находятся в одинаковых условиях взаимодействия фаз в ступени.

2. Раскрыт механизм образования отклика в циркуляционной модели при ее испытании П-сигналом, основой которого является, уменьшение первоначальной дозы сигнала в течение каждого решкла с одновременным образованием: П-образной части в выходящем из ступени потоке и П-образной порпии в рабочем объеме ступени, причем последовательный ряд значений частей и поршй образует убывающие геометрические прогрессии.

3. Разработан метод моделирования входящего в аппарат потока сташонарной дискретной послед-оЕательностью доз, на каждую из которых перенесены форма и закономерности изменения дозы трассера сигнала в рабочем объеме ступени. Показано, что суммарный объем порпий стационарного ряда убывающей геометрической прогрессии равен рабочему объему единичной ступени плоского шркулятора, а суммарный объем частей - объему первоначальной дозы входящего потока.

4. Введено отражение ступенчатого процесса с трехфазным циркуляционным слоем комбинированной ступенчато-щркуляшонной моделью (СИМ). -

5. Исследована структура диркуляшонного потока с поршневым течением и неидеальным перемешиванием густой суспензии в детерминированном ступенчатом пропессе, содержащая внутренние спектры времени пребывания частиц, время задержки отклика и состав порпий частиц в ступенях и межсекиионннх перетоках. Разработано матричное представление структуры потока и отклика на П-сигнал для^--ой ступени процесса.

6. Найдены передаточные функшш для одно- и многоступенчатых циркуляционных систем, составные объем и время отклика, а также спектр величины его частей.

7. Решена задача нестационарного массопереноса в шаре при линейной изотерме равновесия, не проходящей через начало координат. Найден метод совмещенного расчета констант кинетики и равновесия для систем Т:Ж путем компьютерной поддержки лабораторного эксперимента.

8. Разработан метод аналитического расчета числа ступеней противоточного процесса на основе матрицы состава порций ступени, внутреннего распределения времени пребывания частиц и прямоточно-

го взаимодействия фаз в ступени.

9. Установлена область густых суспензий с постоянным контактом частиц друг с другом при пневматическом перемешивании, а также найдены условия и предел существования моно- и бикипящего трехфазного циркуляционного слоя с густой суспензией. Найден метод секционирования протиеоточного аппарата с последовательно соединенными плоскими пневматическими циркуляторами с прямым и петлеобразным движением жидкости.

10. Разработана классификация режимов эрлнфтного течения 3-х фазного потока в вертикальном канале. ,

П. Найдены новые направления совершенствования масеообмен-ной аппаратуры с трехфазным вихревым слоем и петлеобразным движением сорбента.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ценность.

1. Разработаны инженерные методы и средства компьютерной поддержки расчета массообменных секционированных аппаратов с новой разновидностью кипящего слоя - циркуляционным трехфазным.

2. Предложены технико-экономические и экологические рекомендации по проведению промышленных процессов, позволившие увели--чить:

- производительность процесса гидратации конита с 500 т/год (периодический метод) до 2000 т/год (непрерывный процесс) ;

- скорость фильтрации воды с 20-50 м/ч двойным проходом до 296 м/ч одинарным без потери качества.

На основе рекомендаций удалось сократить: а)объем ионита в фильтрах непрерывного действия в И раз;

б) расход хлорида натрия при регенерации ионита в 2,2 раза;

в) сброс сточных вод в петлеобразных ионообменных установках - в десятки раз.

и

Одновременно предложено использовать в качестве псевдоожижаю-щего агента низконапорный влажный водяной пар давлением до 0,08 МПа и утилизировать его тепло непосредственно в самом процессе.

3. Разработан и обоснован класс секционированных горизонтальных аппаратов и группа петлеобразных сверхскоростных ионообменных фильтров непрерывного действия, защищенных авторскими свидетельствами.

4. Результаты работы реализованы в практике проектирования схем и оборудования (технические решения) и внедрены непосредственно в промышленноета:

- секционированная противоточная установка для дегидратации' катионита КУ-2-8 (а.с.633545 "Массообменный аппарат"), КНПО"Карболит" (ныне А0"Токем", г.Кемерово); .

- регенератор и экстрактор по восстановлению и промывке катионита КУ-2х8 (а.с.789158 "Ионообменная колонна с пневматическим перемешиванием") на КП0"Азот" (г.Кемерово);

- клапанное устройство, не разрушающее ионит, (а.с. 866316 "Клапан для подачи суспензии") на Ш10"Азот" (г.Кемерово);

- устройство для регулирования расхода ионита в фильтрах непрерывного действия (а.с.874111 "Устройство для регулирования расхода суспензии") на КШ5"Азоти (г.Кемерово);

- устройство для ввода газа в аппарат в производстве корунда (а.с.808089 "Устройство для ввода газа в аппарат") на П0"Ко-рунд" (г.Чернореченский);

- экстрактор для исследования кинетики взаимодействия мелкозернистых материалов с жидкостью (а.с.597388 "Лабораторный экстрактор") в науч.-иссл.отраслевой лаб.М каф-ры ПМАХП КузШ (г.Кемерово);

- лабораторная эрлифтная установка для определения произво-

дительности эрлифтов (а.с.648246 "Лабораторная эрлифтная установка") в науч.-иссл.отраслевой лаб.М каф-ры ШШП КузПЙ (г.Кемерово) ;

- экстрактор для извлечения веществ из мелкозернистых материалов различной природы (а.с.827098 "Аппарат для контактирования в системе твёрдое тело - жидкость - газ") в науч.-иссл.отраслевой лаб.М каф-ры ПМАХП КузПЙ (г.Кемерово);

- способ взаимодействия твёрдой и жидкой фаз в режиме густой суспензии в производстве катионита КБС, Ш0"Азот", науч.-ироизводетвенная фирма "Инновация" (г.Кемерово).

5. Материалы книги "Массообменные аппараты в системе "твердое тело - жидкость", части I и 2-я, могут быть использованы в качестве учебного пособия для колледжей и университетов по химической и пищевой технологии, а также в качестве справочника для инженерно-технических и научных работников указанных отраслей.

АПРОБАЦИЯ работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на УП и X конгрессах по химической технологии (Прага, 1981 и 1990гг), конгрессе по промышленной технологии в современной техносфере ЮСТМ'96 (Москва, 1996), на 8-й Всероссийской конференции "Физико-химические основы и практическое применение ионообменных процессов" (Воронеж, 1996), 7-й Всесоюзной конференции "Применение ионообменны�