автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Сорбция в центробежных пленочных аппаратах и методы ее расчета

Pf 8 ОД

1 '6 ШОН 1895

Hn правах рукописи

Konen Сергеи Алп'ссгшдропич

СОРБЦИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ПЛЁНОЧНЫХ АППАРАТАХ И МЕТОДЫ ЕЁ РАСЧЁТА

05.17.00 — процессы л аппараты химической технологии

Автореферат диссертации на сопскаппа зелёной стаполш кандидата технических паук

Казань —1995

Работа выполнена на кпфедрдх охраны трудя и ок . удклющей среды, гндранлики — Казанского госудлрственного технологической

университета.

Научные руководителя: заслуженный деятель науки и

техники Республики Татарстан, доктор технических наук, цроф«ссор, Н.Х.Зиннатуллин; кандидат технических наук, доцент,

Ф.М.Гимранов. Официальные отгоне»ты: доктор технических наук,

профессор, Э.Ш.Телякоп;

кандидат технических наук, Ведущий научный сотруд ник, Б.Н.Мапошко

Ведущая организация: АО "ТАТНИИНЕФТЕМАШ'.г.Каэвнь ' Защита диссертации состоится 30 июня 1005 г.

J/OO

q на заседании диссертационного сонета Д063.37.02 Казанского j VcyAapcTüOiDioro технологического университета по адресу!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета Аьгореферат разослан "с§9 " MduP 1Q95 г. УчёныЛ секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ,

Общая характеристика работы

Дктупл>fc ocrь томъ» .„Повыше!г. ю эффективности работы anria~" ратпв возможно за счет внешнего подпола энергии, п частности с. помощью центробежных сил. Ток использование! цеитробелшыя полей, позволяет уменьшить время пребывания веществ в аппарате (что особенно важно дм тепловой обработки термолабилышх по — щасгп, улушпт, уирадляомостъ процессами ал С:ar иэмы ешт п«д~~ родинам ¡пееккх факторов, стабилизировать параметры пленки п сохранить пленочный режим. Народу с традиционным использованием центробожптлх аппаратов в химической/ «ефтедобы— мающей, фармацефтнческой, пищевой дромышленностп — omt нашли применение как абсорберы для очистки огхоходнщих газоа при решении эколошчесишх проблем^ особенна в условиях малотоннажного производства. На базе центробежных абсорберов раз — рабатывеиотсн: Сиорслкторы, системы жизнеобеспечения эгашалсех! космических кораблей, холодильное оборудование и т.д..

Созлдлие новых аппаратов, модернизация и оптимизация параметров действующего оборудования — требуют обоснованных методов как теоретического расчета параметров, так и экспериментального исследования его составных элементов.

Рябота аьш&лггена по коодпнациошшм плана« РАН по направлению ТОХТ (проблемы 227.1.1-3; 2.27.2.4.1) Цель работы. Целью данной работы является; — исследование абсорбции в тонких плёнках яиадкости текущих в цешробежном поло и иаучошю влияния на процесс различных топленых -эффектов;

— разработке методизш инженерного расчета процесса аб-• сорбции таза. пленкой жндч^ютт, текущей по поверхности массо-

"обменного элемента центробежного аппарата;

— внедрение результатов исследований в промышленную I расчётную практику. •

Метрам нссд'лдоппння. Достижение поставленной цели осуществлялось теоретическими и экспериментальными методам*: исследования. Теоретическая-часть основана на модели пограничного слоя. Решения систем осуществлялись методом интегральных соотношении, применённым к плёнкам конечной толщины. Полученные системы обыкновенных дифференциальных уравнений решались численно методом Рунге — Кутта— М<»эсона. Экспери — ментальные исследования основаны на апробированном метод« постоянного давления.

Нзучцаи нови.чна.В работе получены следующие результаты:

— проведены численные эксперименты абсорбции хорошо —

средне— и илохорастворямото газа (в сопряжённой постановке)

»

пленкой жидкости в центробежном поле осложнённой тепловыми эффектами; определены голгцнны пограничных слоёп, локальные характеристики процесса абсорбции в плёнке жидкости и газе, а также другие параметры, характеризующие процессы переноса в центробежной плёнке;-

— предложена методика аналитического расчета абсорбции плохо— растворимого гоза в центробежном поле, основанная на выполненных теоретических и экспериментальных исследованиях;

— разработана методика обработки экспериментальных данных процесса абсорбции согласованная с результатами численных экспериментов.

разработанных теоретических моделей заключается л возможности детального исследования тепломассообмена двухфазных систем с целью проведения оптимизации технологических и режимных параметров аппаратов, осуществлять расчет размеров КЭ в зависимости от требований процесса" л свойстп обрабатываемых продуктов. Разработаны методики инженерного расчета и экспериментальных исследопагпгй абсорбции газов.

Реализация п промышленности,Результаты исследований использовались при проектировании и внедрении центробежных пленочных аппаратов лля производства ожсаэишграватшк ал ты ~ фенолов и абсорбционной очистки окислов азота и уело пнях опытного произподстаа. В случае производства оксиэтилированных алкилфенолоп реальный экономический эффект па один реактор составил 203 тыс. 330 руб. о год (в цепах 1091 года). Гарап— тироваиный экономический эффект на один абсорбер составил 55 тыс. руб. в год (п цепах 1080 года).

Аптор длгцигттпет: г

— .Результаты теоретического и экспериментального исследования изо— и неизотермической абсорбции- хорошо—, средне— и плохорастворимых газов и центробежных пленках жидкостей.

— Методы теоретического расчета интегральных параметров центробежных абсорберов с гладкими коническими .рабочими элементами.

— Инженерную методику расчёта ироцеса абсорбции п плёнке жидкости, текущей по гладкому коническому массообменяому эле— менту н центробежном поле.

— Методики экспериментальных исследований и обработки данных, полученных при изучении абсорбции плохорастворимого газа в центробежной пленке жидкости.

Апробация роботы. Основные результаты работа докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Казанского государственного технологического университета в 1986—1995 г.г., Всесоюзной конференции по интенсивным и безотходным технологиям и оборудованию в г.Волгограде (1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ и получено три авторских свидетельства.

Об-ьбм работы. Диссертационная работа состоит: из введения, пяти глав, выводов, списка использованной лите^тгуры и приложения. Общий объём работы составляет— 211 страниц, в том числе рисунков 68, таблиц 6, приложение на 12 страницах.

Содержание работы.

Первая глппа, состоящая из трёх разделов, посвящена краткому обзору конструкций центробежных тепло— массообмегагых аппаратов и теоретических исследований по изучению протекающих в них явлений переноса. На основе обзора сформулирована цель работы и обосновал выбор теорепгческой модели пограничного слоя, как наиболее фнзичиой.

Теоретическая часть исследований построена па следующих уравнениях в частных производных:

&

(3) (II

записанных в специальной ортогонально!! системе координат, жёстко связанной с вращающимся симметричным массообмешпдм элементом (см.рис.1).

Ряс.!

Метод интегральных соотношений, применяющийся к плёнкам конечной толщины сводит процесс решения уравнений пота (1) — (4) к задаче Коти. Профиля напряжений, скоростей, вязкости!, концентраций в поперечном направлении аппроксимируются рядами вида:

где коэффициенты а, находятся из граничных условий задач или по справочным данным (например в случае аппроксимации температурной зависимости вязкости абсорбента).

Вторая глава, включающая три раздела, посвящена численному моделированию процесса абсорбции нлохорастворимого газа в отсутствии теплоты растворения. Кроме того в ней рассмотрено влияние (экспоненциального, линейного, параболического) профилей, концентраций на характер развития ДПС. Модели для жидкой фазы построены на уравнениях:

• первый и второй разделы — {1),(2),(4);

• третий — (1) —(4)'.

Грашгчные условия уравнений:

« (1),(2)~ обычные (условие прилипания на стенке, отсутствие динамического взаимодействия с газовой фазой и т.д.);

♦ (3)— на твёрдой поверхности— граничное условие первого рода, а поверхности раздела— учтены теплообмен и испарение плёнки жидкости в бесконечную газовую среду;

♦ (4)— выполнение закона Генри на границе раздела фаз.

Остальные граничные условия— традиционные.

Условия сопряжения уравнений (1) —(4) базируются на учёте влияния температуры на равновесную концентрацию и вязкость абсорбента. Интегральные кривые и локальные характеристики тепло— массообмена и т.д.) — удовлетворяющие выше

перечисленным граничным условиям представлены в диссертации на 22 рисунках,

Трэтьп гдодд посвящена численному анализу неизотерми—

1еской абсорбции, осложнённой теплообменом с окружающей средой. Модель основана на уравнениях (!") — (4), записанных для хидкой фазы.

Граничные условия для уравнений (1},(2)— как в предыдущем глучае.

Условия сопряжения уравнений (3) —(4):

«5 - г>0< = ¿тя + =~ШМС)++ ь, о; (6)

5 = а~Л!/-{Т) = д%. (7)

Остальные граничные условия— обычные для такого рода адач. Результаты решсмтя системы (1) — (4) и зависящие от них окалыше параметры переноса тепла и массы в диссертации редставлены на 16 рисунках.

Четпйргпп глппа посвящена исследованию процесса абсорбции 5за в центробежном поле с учётом сопротивления газовой среды. I од ель построена на 6 уравнениях вида (1),(2),(4) записанных для зух фаз. Граничные условия уравнений типа (1),(2) выглядят бедующим образом:

5 - - т„:У{л - ^ - (0)

3 = 0:т = тр.

для уравнений сохранения массы — условие четвёртого рода:

Остальные условия обычные. Интегральные крив и и и кальиыа параметры процесса представлен! в диссертации на 10 |суиках.

Пятая глава, посвмЦада. описанию схемы экспериментальной установки, методике проаэдения экспериментальных исследований, обоснованию выбора исследуемой системы газ—жидкость в экспериментах^ методике обработки полученных экспериментальных данных, приближённому аналитическому расчёту интегральных параметров абсорбции.

В задачу экспериментальных исследований входило как получение новых опытных данных по абсорбции газа в плёнку жидкости, гак и сравнение результатов теоретических исследований с данными экспериментов. На специально созданной экспериментальной установке проведены.опыты пс изотермической абсорбции углекислогс газа водой, текущей по внутренней поверхности гладкого конуса I стационарном центробежном поле. Опыты проведены при следующих параметрах:

I. диапазон изменения расхода абсорбента (30—120) Ю

V с

II. частота вращения КЭ 25—65 (1/с);

П1.температуры фаз 6 —40- ('с).

В разделе, посвященном методике обработки экспериментальных данных приведён вывод расчётной формулы, для определения осреднённого коэффициента массоотдачи в жидкости по данным экспериментов. Вывод основан на совместном аналитическо! решении уравнения (4) и законов баланса массы. Конечное выражение осреднённого коэффициента массоотдачи имеет следующи вид:

/ /7 \ Оо Рп С* "^о____

а

и>

С помощью выражения (10) осуществл«не; обработка»1 экспе-С' ишенталышх данных. Осредненные теоретические знлченш? созффшщентов массоотдачи находились в результате численного штегрирования по поверхности массообмена соответствующего ло~ сального зннчения. Кроме этого, результаты теоретических расчётов :равшпзялись с опубликованным^ экспериментальными данным« футих авторов.

В результате аппроксимации интегральных кривых, опнсы— шощих поведение ДПС в жидкости, после интегрирования по но — ¡ерхносги массообмена полнено следующее выражение теоре — гического потока абсорбируемого газа:

2Яр%в? 8Г}^

(11)

з котором "характерный масштаб модели" ¿ш, содержащий "иод — ;троечный" параметр б определяется выражением:

4/

4/ 4/

¡г/у _ е/ъ 'к 0

.4/

и

(12)

Величина I, находится да эксперимента при условии равен ста а теоретического (И) и экспериментального потоков абсорбируемого паза. Определяя е из выражения (12), появляется возможность распространения теоретических расчётов на подобные процессы «б — :орбции с другими геометрическими размерами КЭ.

Пвадожшие..содержит схему экспериментальной устмпиики, таблицу экспериментальных и теоретических данных, акты внедрения и использования результатов рйпоты с расчётом зконо--чнческшо эффекта.

Основные результаты и выводы

1.Решена задача изотермической абсорбции в центробежно поле плёнкой жидкости, текущей по внутренней поверхности гладкого конуса, используемого в качестве массообменного злемеш центробежного аппарата.

2. Проведено исследование влияния профилей концектрацн (экспоненциальный, линейный, параболический) на параметры мае-сообмена в области развития ДПС. Результат исследования— моделирование массообмена на основе параболы и экспоненты приводит к близким результатам, но моделирование с помощью экспоненциального профиля увеличивает трудоёмкость вычислительно! процесса. ■ „

3.Рассмотрен сопряженный тепло — и массоперенос в центро ■ бежной стационарной гладкой ламинарной плёнке жидкости с учётом её испарения и теплообмена в окружающий газ. В модсл учтено влияние процесса теплообмена на изменение движущей сил! абсорбции.

4. Рассмотрена неизотермическая абсорбция газов в пленк вязкой жидкости с учётом теплообмена и испарения в окружающут среду. Задача решена с учётом влияния измененяющейся температуры абсорбента на движущую силу процесса абсорбции.

5. Численно решена задача изотермической абсорбции газа центробежном поле с учётом сопротивления газовой среды граничных условий четвёртого рода.

На основе решении моделей сделаны <:м'ду;ои\и*'. тл>Т,ды: > длина формирования ДПС может служить ¡'масштабным па-'"

раметром оценки приближения системы к рш'уовесию; »абсорбция-практически прекращается на длине, рапной 3.5 — 4.0 . д\игам облает формирования ДПС в жидкости; 5 в случав абсорбции хорошо — н среднерастворимых пиши, их концентрация у границы раздела фаз является переменной величиной, изменение которой — необходимо учитывать; » общий характер изменения потока абсорбируемого газа вдоль КЗ совпадает с аналогичными результатами, полученными для гравитационных плёнок; »при приближении процесса абсорбции к равновесному сос -тоштю критерий Шервуда стремится к постоянному числовому зпаченгао, ровному 40/11; »критерий Шервуда в газовой фазе остаётся постоянным вдоль образующей контактного 'элемета |КЭ) и в случае Бс = 1 рагк-н '), причем толщины динамического и ДПС в газе соападлют, »температура поверхности плёнки жидкости усдеиае1 вирри ~

ияться раньше, чем заканчивается формирование ДПС; »ДПС не описывается однозначной функцией вдоль образующей КЗ, а зависит от теплообмена н испарения я окружающую сре^у и тепловыделений при абсорбции; » протяжённость формирования ДПС может служить мосштппш/ параметром при проектировании КЗ центробежных аппаратов 6. Апробирована экспериментальная установка, основавши нч методе постоянного давления и предназначенная для иссл^лотяши ^сольных злементов центробежных аппаратов.

13

• 7. Предложены методики проведения экспериментов и обрп ботки .-жсш?ряментал ыл-jx донных в < лучае al . • <5ции Плохо растпориш >к 1У(зов. По предложенным методикам пронедены экс перименты водной абсорбции двуокиси углерода в центробежнс поле.

8. На основе решения моделей предложена простая методш аналитическ! го расчета процесгп абсорбции на гладких КЭ плёкоч ны* апиарптпч.

9. Приведйшоя инженерная методика была использоьана nj расчёте массообменных элементом и оптимизации режимов pnCoi центробежного «шп^рата а сопортенсттмпднии технологии произ водс.тва окси.тгилиронанных алкгифенолон, инедр<>ннлт на ОПУ— в г.Ал;>метьепске {ТПУ "Тптнсфтхчцюмхим"! Реильиын зкономп чгв<тшй эффект составил более 20Ü тыс. руб. и год ни аппарат (ci Приложение).

10. С помощью приведенной методики был разработан испытан центробежный аппарат для поглощения четырёхокиси ало водой с целью получения оксида озота с концентрацией 50—70% о п тзовой фазе, необходимого для опытного производства НИИХ (ч/я В —2^Ы).Гпря1гтировпнпый экономический аффект < зкгклувтоцнн одного абсорбера состшшл 55 тыс. руб. а год.

Условные обозначения Перемгцшле:

V- скоросгь;./> » Cl)Xf. SintJ — gGCST} - продольна« сосглвляпшаи мае toriort nt.v\\ о>-частота'прлщтшя КЭ:г] полегши угла прп вершин« конусп-.

кинематический и динам нчкскмй ко-м^ицишгги вязкости фаэы; 1 -¿мверагуро; С - конщипрацнх абе зрйирувмого газа а фа_о;а - хо^ффидпыгг шисратуропропо/чкптч; кякрфициеит диффузии: текущая томцшм г<чгап жидкости; X 4 ^«»ффицнеит теплопроводности; 4— аяличила удельною отока тспла; [!— г.о-м)х|>нцни1П мнссиотднчи; ¿>а - расход />Гх о|>6«»гга; — длтм мвнтн* ДИС |гм. рис I); д/тна оНрплующвй конуса (от оси до кромки); р плошек тк Л, - тоилога абсорбции; I- касятнлыюв нмфилеиие; Бс~ чж.ло Лмлдча; 'У- иосгоани. 1 14-при.

Ошцштары;

3> а,и ж2'

Шослш;

О- шчялышя величина; г— гаэ; д— »пакость; р— параметр относится в ивордности 10, о - параметр откос« ¡ся к свободной поверхности плёнки [ндкоспс продельная »оппонента; 3- поперечная компонента; ' * —

занозвсно« значение; О— энлпвиие осрвднено по поеердиости КЭ.

Сокращения:

КЭ - контактный алсмснт (конус); ДПС — ^чффузиоиний пограничный слой.

Основное содержание диссертации отрешаю о следующих работах:

. 1420251 (СССР).Пароструйный вакуумный иасос/М.А.ДнульскнД. С.А.Кошц», Ф.Д.ПутилопскиГ1,Ф.М.Гнмраноп, — Опубл.в Б.И.,№32.

1493974 (СССР). Пароструйной вакуумный насос/ С.А. Конев, М.А. Диульс -кнй, Ф.М. Гнмранов, В.М. Бркдиев, Е.Б.Гаври-.ои, Ф,Д Путиловскнй. - Онубл. п Б.И., 1989,№29.

15.(6723 (СССР). Пароструйный вакуумный насос/ М.А. Днульскнй, С А, Конца, ф.Д, Путнловский, Ф.М. Гимранив.-Опубл. в Б.И., 1900, №В-С.А.Конев, Ф.М.Гимранов, А,Л. Бу.отс Н.Х. Лтпшгуллпн, МЛ. Днулхсжлй. Абсорбция га.юв 'гонхимн плёнками жидкости, текущими в иоле цяшробея —

15

ььгх сил. Мйжпуз. сборник ¿"¿Гипло- н массообмсш в химической техноло ' шн".Казань, 19!Ю.

5. Ф.М.Гиыршго», С.Л.Консп, А. Булатоп, Б.М. Бреднсв, Цоггробсжшл! пле ночиий мпссопбменный атшврат и его расчет.// Тез, докл. НТК "Интеи сншша и билшяодии» технологии и оборудование. Волгоград. 1991.

6. Ф.М.Гимрпкои, !Т.Х. Зшгндтуллнн, Д.Т, Ги.чрэнов, С.А. Конев, Т.Г, Фа эмлзянсЬ. Ноизотермцч»ское растекшшо жидкости но вргидающеГи пивсрхлхти. // Казак, хим. тсхнол. ин—т,— Казань, с. 159, Дон. в филиал НИИТЭХпма г. Черкассы, № 874-хп87.

7. С.А.Коиев, Ф.ГН,1'пмр.:топ, Н.Х. Зшшлтуллик, Е.Б. Гаярилов. Нензотерми чоская абсорбция газов центробожпон жидкой илиикой. Сб. Нкхспсифшииц. хим:рк>српх процессов персрлботкн нефтяных компонентов. Казань. 1093.

8. Сонершенстпоипцие технологии ¿хроизподегпя оксиэтнлированньпс влкил фенолов: Отчет о НИР (заключительный)/ Каз. хим. тсхаол. нн — т, рук. Ф.Г\ Гимранов, исполнитель С.А.Конеп - №1С6.00й7115.- Казань, ЮТ.-СО с.

Р Ф.М.Гнмрднов, Г.М. Зиннатулляпа, С.А. Коней, Б.М. Азиэст. ХемосорСтц1 труднорястиоримых газов в пленке жидкости.// МассооСм. проц. н аппарат хим. техн., мажвуз. теизт. сС. научи, тр.. Казань, КПУ, 1993.- с. 72 — 78.

Соискатель

Коиеа С~А,

Заказ М

Тираж 80' экз.