автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Совершенствование оборудования в технологиях переработки биомассы дерева на основе вихревых контактных ступеней

На правцх рукописи

ЛЕДНИК СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ ДЕРЕВА НА ОСНОВЕ ВИХРЕВЫХ КОНТАКТНЫХ СТУПЕНЕЙ

05.21.03 — Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Красноярск - 2013

005051506

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты промышленных технологий» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Войнов Николай Александрович

Официальные оппоненты:

Левин Борис Давидович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», профессор кафедры промышленной экологии, процессов и аппаратов химических производств

Иванченко Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», доцент кафедры химии

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Защита состоится « 26 » апреля 2013 года в 13:°° ч на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, аудитория Ц-110 (зал заседания).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, Сибирский государственный технологический университет, учёному секретарю.

E-mail: dissovetsibgtuO 1 @mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « ^ » 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор

Исаева Елена Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тепло- и массообменное оборудование для системы «газ (пар)-жидкость» широко используется в технологиях по переработке биомассы дерева, включающих в себя облагораживание и аэрацию гидролизатов древесины, очистку газовых и паровых потоков, водных стоков и рабочих жидкостей, получение этанола, биотоплива и других продуктов ректификации, охлаждение, испарение, концентрирование сред, конденсацию паро-газовых потоков, гашение устойчивых пен, центробежное осаждение и т. д.

Однако вследствие большой загрязненности рабочих сред, наличия низких скоростей потоков в установках, а также недостаточно высокой интенсификации протекающих в них процессов, не всегда при использовании стандартного оборудования удается достигнуть существенного снижения капитальных и текущих затрат, получить конкурентно способную продукцию при внедрении технологий.

Большими перспективами при совершенствовании тепло- и массооб-менного оборудования обладают вихревые контактные ступени, обеспечивающие устойчивый газо-жидкостный слой, с развитой межфазной поверхностью, устраняющие застойные зоны и унос капель жидкости из зоны контакта. Например, при производстве этанола из гидролизатов древесины 60 % пара от его общего расхода затрачивается на проведение ректификации в бражных колоннах. Большой расход энергозатрат вызван как низкой концентрацией этанола в питании, так и несовершенством используемых контактных ступеней, которые из-за наличия застойных зон забиваются отложениями и теряют работоспособность, а из-за низкой скорости потоков газа и жидкости имеют большие габариты и высокую металлоемкость. Использование вращающихся потоков на тарелках позволяет устранить указанные недостатки, а установка вихревого испарителя в линии подачи пара в бражную колонну обеспечит снижение расхода теплоносителя.

Вихревые контактные ступени востребованы, например, в скрубберах при очистке больших потоков газовых выбросов с низкой концентрацией вредных компонентов, на очистку которых требуются большие расходы абсорбента, достигающие 1000 м3/ч и более, а также в абсорберах при переработке промышленных сред. Перспективны вихревые ступени для совершенствования воздушных конденсаторов и дефлегматоров ректификационных установок, позволяющие, вследствие интенсификации теплоотдачи со стороны воздуха, не только снизить габариты оборудования, но и уменьшить расход теплоносителя.

Наиболее предпочтительными для создания вращения фаз на ступени являются контактные устройства тангенциального типа, отличающиеся простотой конструкции, высокой производительностью по жидкости. Однако извест-

ные контактные устройства и вихревые контактные ступени на их основе, реализующие большие расходы по жидкости, не совершенны и, в основном, находятся на уровне патентных разработок. Вследствие чего требуются всесторонние исследования вихревых контактных ступеней как в плане их конструирования и расчета, так и совершенствования, применительно к оборудованию, установленному в технологиях по переработке биомассы дерева.

Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности гидродинамики, тепломассопереноса во вращающемся газожидкостном слое рабочих и модельных сред.

Объект исследования. Объектом исследования являются вихревые контактные устройства и ступени, применительно к совершенствованию оборудования, установленного в технологических линиях.

Цель и задачи исследования: Разработка вихревых контактных ступеней для совершенствования тепло- и массообменного оборудования, используемого в технологических линиях по переработке биомассы дерева.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

- разработать и исследовать варианты вихревых контактных устройств (завихрителей) и выявить наиболее эффективные из них;

- на основе выбранных контактных устройств разработать вихревые контактные ступени и изучить их параметры, включающие: пропускную способность, режимы течения, гидравлическое сопротивление, газосодержание, межфазную поверхность, диаметр пузырьков газа, угловую скорость вращающегося газожидкостного слоя;

- исследовать массоотдачу в газо-жидкостном слое, разработать конструкцию вихревой ступени бражной колонны, получить зависимости, необходимые для расчета и масштабирования;

- исследовать теплоотдачу при кипении и нагревании рабочих сред, во вращающемся газо-жидкостном слое и предложить конструкции вихревого испарителя, вихревого конденсатора и дефлегматора бражной колонны;

- оценить технико-технологические показатели усовершенствованного оборудования, установленного в технологических линиях при получении этилового спирта-ректификата на основе гидролизата древесины, а также в канифольно-терпентинном производстве.

Научная новизна: Предложен новый подход к организации течения вращающейся газо-жидкостной смеси на ступенях тепломассообменного оборудования, в том числе и для бражной колонны, исключающий образование застойных зон и несмоченных участков в зоне контакта. Изучены гидродинамические параметры новых вихревых контактных устройств и ступеней, включающие: пропускную способность, режимы течения, гидравлическое сопротивление, газосодержание, межфазную поверхность, диаметр пузырьков газа, угловую скорость вращающегося газожидкостного слоя (также получены зависимости для их определения, учитывающие физические параметры рабочих сред).

Впервые исследована массоотдача в газо-жидкостном слое на вихревых ступенях, найдены критериальные уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи и зависимости для определения эффективности. Установлено, что интенсивность массоотдачи во вращающемся слое превышает значения, полученные на ступенях ректификационных и абсорбционных колонн барбо-тажного типа, в 2 раза.

Впервые изучена теплоотдача при кипении во вращающемся газожидкостном слое, получена зависимость для расчета величины коэффициента теплоотдачи, а также предложено в качестве теплового насоса бражных колонн использовать вихревой испаритель. Достигнуто увеличение интенсивности теплоотдачи при кипении во вращающемся слое (в сравнении с барботажным режимом) в 1,7 раза.

Практическая значимость: Разработаны конструкции вихревых контактных устройств и ступеней применительно к аппаратам, установленным в технологических линиях переработки биомассы дерева, обеспечивающие работоспособность на загрязненных рабочих средах, снижение габаритов и металлоемкости оборудования. Предложены конструкции вихревой ступени бражной колонны, вихревого испарителя и конденсатора, пригодные к эксплуатации при наличии высокотемпературных теплоносителей, больших нагрузках по жидкости и газу. Получены патенты на конструкции вихревой контактной ступени тепломассообменной колонны и дефлегматора бражной колонны.

Положения, выносимые на защиту: В рамках специальности 05.21.03 -Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 17 - Оборудование, машины и аппараты и системы автоматизации химической технологии биомассы дерева) на защиту выносятся:

- разработанные вихревые контактные ступени и усовершенствованное на их основе оборудование, установленное в технологических линиях при получении этилового спирта-ректификата на основе гидролизата древесины, и в канифольно-терпентинном производстве;

- критериальные и графические зависимости для определения основных характеристик вихревых контактных ступеней; а также данные, обеспечивающие масштабирование и расчет разработанных конструкций вихревой ступени бражной колонны, вихревого испарителя, дефлегматора и конденсатора;

- технико-технологические показатели вихревых аппаратов, рассчитанные для объектов, установленных в технологических линиях переработки биомассы дерева.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных научно-технических конференциях: «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах (ЭПАХПП)» (Воронеж, 2011), «Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и

б

оборудование в химической, нано- и биотехнологии» (Москва, 2011); всероссийских научно-практических конференциях: «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2009, 2011); «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2010), «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 9 статей в рецензируемых научных журналах и 2 патента Российской Федерации, 1 положительное решение на выдачу патента.

Вклад автора: Планирование и проведение экспериментов по исследованию гидродинамических параметров, тепломассообмена; обработка и анализ результатов; участие в проектировании лабораторного оборудования; подготовка публикаций.

Структура работы. Диссертация изложена на 137 страницах, содержит 25 таблиц, 67 рисунков, 7 приложений, включает введение, четыре главы, выводы и список использованных источников в количестве 127 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и её вклад в создание и совершенствование тепломассообменного оборудования в технологических линиях переработки биомассы дерева.

В первой главе - литературном обзоре - представлен анализ тепломассообменного оборудования, установленного в технологических линиях переработки биомассы дерева. Показано, что вследствие большой загрязненности рабочих потоков жидкости, пара и газа исходными компонентами и продуктами химических реакций, наличия низких скоростей потоков в установках, не достаточно высокой интенсификации протекающих в них процессов, сдерживается внедрение технологий в производство.

Сделан вывод о перспективности использования вихревых контактных ступеней для совершенствования тепломассообменного оборудования в технологических линиях переработки биомассы дерева. Проведена классификация вихревых аппаратов и установок, рассмотрены их конструкции и зависимости для расчета.

Во второй главе приведены параметры экспериментальных исследований. В качестве рабочих жидкостей использовались: бражка с содержанием 2 % этанола, барда, техническая вода и пары скипидарной смеси. Расход воздуха на контактных ступенях достигался до 100 м3/ч,

паровоздушной смеси, водяного пара —до 0,1 кг/с.

Конструктивные параметры исследованных типов вихревых контактных устройств представлены в таблице 1 и на рисунке 1, а вихревые контактные ступени и камеры представлены на рисунке 2.

Таблица 1 - Параметры вихревых контактных устройств

Тип устройства

Характеристики

Рисунок

И = 5 мм; 5=10 мм; п = Ь = 10 мм; б — 10 мм; п =

1)3= 110 мм; О, = 110 мм

а) (б) (в) (г) (д)

Рисунок 1 - Схемы исследованных вихревых контактных устройств

(а) (б) (в) (г)

1 - цилиндрическая обечайка; 2 - горизонтальная перегородка; 3 - завихритель; 4 — крышка; 5 - центральный сливной стакан; 6 - отверстие для ввода жидкости; 7 — переливной стакан

Рисунок 2 - Схемы исследованных вихревых ступеней (а, б) и камер (в, г)

1т = 5 мм; в = 10 мм; п = 4

Р3 = 110 мм;

У8 1) = 12 мм; в = 2,5 мм; п :

Ук8 1ч = 7 мм; 5 = 4,5 мм; п =

Р3= 110 мм; Р3 = 120 мм

Ь36 Ь = 2 мм; б = 4 мм;

ЬкЗб Ь = 2 мм; б = 4 мм;

п = 36; Р3 = 160 мм; п = 36; Р3 = 140 мм

Р36 11 = 3 мм; б = 1,2 мм; п = 36; Р3 = 82 мм;

Рк40 Ь = 3 мм; з = 2,2 мм; п = 40; Р3= 162 мм

Примечание: И - высота канала, мм; в - ширина канала на выходе, газа, мм; __п - число каналов; Р3 - диаметр завихрителя, мм

В третьей главе представлены результаты исследования гидродинамических, тепломассообменных и технологических параметров вихревых контактных ступеней и контактных устройств, указанных в таблице 1.

Гидродинамические параметры вихревых ступеней. На основании измеренных, значений угловой скорости вращающегося газо-жидкостного

слоя и тепломассообменных параметров ступеней подтверждены данные (Войнов H.A., Жукова О.П., Николаев H.A. Гидродинамика вихревой ступени с тангенциальными завихрителями. Теоретические основы химической технологии. 2010, т. 44, Лг° 2, С. 225) о наличии трех основных режимов течения смеси на контактных ступенях: барботажного, пленочного и кольцевого. При кольцевом режиме течения газо-жидкостная смесь приобретает вращательное движение с начальной угловой скоростью, равной 0,5 - 1,0 с"1, в зависимости от технологических параметров.

Струи газа, выходящие из каналов завихрителя, диспергируются в жидкость, с образованием пузырьков газа (пара). При увеличении силы инерции во вращающемся газожидкостном слое, по оси ступени образуется полость в виде воронки. Вследствие чего часть жидкости переливается со ступени в переточное устройство, что приводит к снижению массы жидкости на ступени и росту ее угловой скорости.

При скорости газа, равной ип, струи газа не внедряются во вращающийся газо-жидкостный слой, что обуславливает наличие пленочного режима течения с раздельным течением газа и жидкости. При этом режиме наблюдается отток газовых пузырьков из жидкости.

Для оценки скорости газа в каналах завихрителя, при которой происходит переход из барботажного в кольцевой режим течения, была использована теорема об изменении кинетического момента J, в предположении, что трение о стенки и дно ступени много меньше сил вязкого трения, а жидкость является цилиндром массой m и радиусом R, что позволило записать

J~f = Mep^Mla. (1)

Момент, обеспечивающий вращение газожидкостного слоя, Мвр

-R.-coscc, (2)

где рг - плотность газа, кг/м3; г)к - критическая скорость газа, обеспечивающая переход в область кольцевого течения, м/с; f — площадь сечения каналов для прохода газа, м2; R3 - радиус завихрителя, м; а - угол наклона канала, град.

Момент инерции цилиндра, М„„

MUH=m-R2, (3)

где И - радиус вращающегося цилиндра газожидкостной смеси, м; ш - масса жидкости на ступени, кг.

Тогда в установившемся режиме, когда угловая скорость постоянна в каждом сечении вращающегося слоя и, соответственно, ускорение равно нулю, можно записать

((рг-и1)12\/-К3-со5а = т-Я2. (4)

Отсюда скорость газа в каналах завихрителя 1)к, при которой происходит смена барботажного режима в кольцевой примет вид:

2-V

\РЖ-Ь-<Р)+Рг-<Р) R2__

рг R, /-cosa

(5)

где рж - плотность жидкости, кг/м'; (р - газосодержание; V - объем газожидкостной смеси, участвующей в движении, м3.

Согласно уравнению (5), чем больше отношение параметра m/f, меньше радиус завихрителя и угол наклона каналов для прохода газа, тем больше требуется скорость газа в каналах завихрителя для обеспечения кольцевого режима течения на ступени.

Сопоставление экспериментальных данных uk, полученных при исследовании угловой скорости газо-жидкостиого слоя на контактных вихревых ступенях, с расчетными, показало, что они различаются между собой от 20 до 60 %. Это обусловлено (помимо перечисленных допущений, принятых при выводе уравнения) также проскальзыванием газо-жидкостных слоев.

Для практического определения величины г)ь при которой происходит смена режимов течения в диапазоне исследованных технологических параметров (рисунок 3) получено уравнение:

о„ = 3,1 • {f / F)-0'37 • (m / SУ'4 • (1 / cos a)0'5, (6)

где F = л -D3- h, м2; S - площадь основания слоя жидкости на ступени, м2.

Уравнение (6) применимо при R3 > 0,055 м, величине отношения коэффициентов динамической вязкости жидкости и газа (|!ж /|1Г) = 55-78, отношении Dc/D3 = 1,5 - 2,3 и удельной нагрузки по жидкости L/f < 0,7 м3/(м2-ч).

Установлено, что увеличение удельной нагрузки по жидкости от 0,7 до 2,5 м3/(м2-ч) приводит к росту ик в 1,5 раза, вследствие гашения крутки газо-жидкостной смеси потоком жидкости.

60

40

20

0

п- •—о. д - 1,

з!

о 4.

7,5 10 12,5 15 m/S, кг/м1 Экспериментальные точки на системе барда-воздух: 1 - завихритель h = 5 мм, s = 10 мм, п = 4, f/F = 0,155; 2 - h = 5 мм, s = 10 мм, п = 8, f/F = 0,23; 3 - h = 12 мм, s = 2,5 мм, п = 8, f/F = 0,058; 4 - h = 10 мм, s = 10 мм, п = 8, f/F = 0,23 Рисунок 3 - Зависимость критической скорости газа от параметра m/S

Переход из кольцевого режима течения газожидкостного слоя в пленочный, на исследованных контактных ступенях с тангенциальными завих-рителями, осуществляется при соотношении скоростей uk/un ~ 0,4 - 0,5. Установка ребер шириной 0,012 м на стенке контактной ступени увеличивает критическую скорость газа на 20 %.

Гидравлическое сопротивление. Проведено измерение гидравлического сопротивления устройств, представленных в таблице 1. Общее гидравлическое сопротивление ДРо6щ вихревой ступени с тангенциальными завихрителя-ми, с относительной погрешностью 15 %, поддается расчету по уравнению:

ЬРобщ = + АРм + АРл + АРш, (7)

где ДРсух - гидравлическое сопротивление сухой контактной ступени, Па; ДРМ - гидравлическое сопротивление, вызванное столбом жидкости на ступени. Па; ДРИН - гидравлическое сопротивление, вызванное силой инерции, Па; ДР>. - гидравлическое сопротивление, вызванное силами вязкого трения, Па.

Для определения величины коэффициента сопротивления сухой ступени использовалась известная зависимость

i = (2-APj l{pa-v2\ (8)

где и - скорость газа в каналах завихрителя, м/с.

Как установлено, существенное влияние ширины зазора каналов и их количества на величину что имело место в работе (Войнов H.A. и [др.]. Гидродинамика ступени с тангенциальными завихрителями. Химическая промышленность сегодня. 2009, № 6, С. 37 - 43), наблюдается при сравнительно небольших диаметрах контактного устройства. Вклад сил инерции и вязкого трения в общее гидравлическое сопротивление составляет не более 15 %.

Изменение коэффициентов гидравлического сопротивления £, исследованных заверителей, в зависимости от скорости газа, представлены на рисунке 4. Выявлено, что наибольшее сопротивление из исследованных конструкций имеет завихритель типа Р36,

вследствие его относительно малого диаметра, в сравнении с другими. Высокое сопротивление конструкции типа A4 вызвано местными сопротивлениями входа и выхода каналов завихрителя.

о О -А8;

»oj ? .0.0.0 ф -BIO;

+ Л -VS;

+ " ..... 4-

к t + - Vk8;

ж к* — ® • Pk40.

>

@ <г © 9

........Д...... А А Л л л Д

_____ ■

5 15 25 35 45 55 65 75 о, м/с

Рисунок 4 - Изменение коэффициента сопротивления сухой ступени от скорости газа в каналах исследованных завихрителей

Наименьшим сопротивлением обладает конструкция типа У8, выполненная из профилированных пластин, с дополнительной вставкой, которая образует полости с пониженным давлением. В этой связи можно предположить, что наличие пониженного давления за кромками пластин завихрителя препятствует отрыву пограничного слоя газа на выходе из каналов, что ведет к снижению вихреобразования, а следовательно, к снижению турбулентной составляющей коэффициента сопротивления.

Величина коэффициента сопротивления для исследованных вихревых контактных устройств в диапазоне скоростей газа, характеризующих кольцевой режим течения, составляет от 0,8 до 2,5 и, при этом, слабо зависит от скорости газа. Влиянием диаметра завихрителя на величину сопротивления контактной ступени можно пренебречь при его радиусе Л3 > 0,055 м. Определение коэффициента сопротивления сухой контактной ступени поддается расчету по соотношению

с? = <5 + <?

Ь Ъвх Ъвых г>г Ь/

тур ■

(9)

где ^ = 0,5 (1 - (// Р„ ))4, £вых = (1 - (/ / Р, ))2, - площадь сечения каналов,

м2; £г = 0,2; - турбулентная составляющая коэффициента сопротивления, которая для исследованных нами завихрителей изменялась от 0,3 до 1.

Характерные зависимости гидравлического сопротивления контактной ступени от скорости газа в каналах завихрителя показаны на рисунке 5.

ЛРм-10-3,Па

+ А4; о &

<> д А8; V«; о ь.

о о В10; РЗй; с + ; А Д

в \'к8; Рк40. О о* к- -ос т <0 в »» &

'а

С

5 15 25 35 45 55 65 75 ь,м/с сухая ступень

3

2,5 2

1,5 1

0,5 0

|

Л А 1

д ..........Г"" 4'

А О-Л 8;

V « Д-У ¡4;

»•Д -Ц1», - .....От 1Чч40.

-_.fi Р, 1 I

0 10 20 30 40 50 60 70 ь,м/с при высоте столба жидкости Н = 0,016 м

Рисунок 5 — Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газа в каналах завихрителя на системе «барда — воздух»

Газосодержание и среднеповерхностный диаметр пузырька. При кольцевом режиме течения величина газосодержания, в основном, определяется инерционной и динамической силами и несущественно зависит от конструктивного выполнения каналов контактного устройства. Снижение величины газосодержания с ростом скорости газа в каналах завихрителя, рисунок 6, вызвано уменьшением диаметра пузырьков газа, а также за счет частичного внедрения газа во вращающийся газо-жидкостный слой.

Зависимость газосодержания от параметров вихревой ступени имеет вид:

<р « о~0'4 (НЮСУ'3 • (<т / <т0)0'25 > (Ю)

где а - коэффициент поверхностного натяжения рабочей жидкости; о0 - коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре 20 °С. <Р 0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

10 15 20 25 30 35 чм/с

Экспериментальные точки на системе бражка - воздух при И = 0,005 м; э = 0,01 м; п = 8: 1 - т = 1 кг, Н = 0,016 м; 2 - т = 3 кг, Н = 0,045 м; 3 - т = 5 кг, Н = 0,078 м. Экспериментальные точки при Ь = 0,005 м; в = 0,010 м; п = 4: 4 - т = 1 кг, Н = 0,016 м; 5 - т = 3 кг, Н = 0,045 м; 6 - т = 5 кг, Н = 0,078 м

Рисунок б - Зависимость газосодержания от скорости газа в каналах завихрителя при/№=0,15-0,23

Величина средиеповерхностного диаметра пузырьков воздуха для разных типов вихревых контактных устройств представлена на рисунке 7. с(„-103, м

10 8 6 4 2 0

5 15 25 35 45 55 V, м/с

Рисунок 7 - Зависимость средиеповерхностного диаметра пузырька от скорости газа в канапах на системе бражка - воздух

В области кольцевого режима течения диаметры пузырьков, при одинаковой массе жидкости на ступени для исследованных типов вихревых кон-

□ - А4-И -А4- т = 2 кг; т = 3 кг;

; \ ♦ „.........\ с,...... Л, = 7 5-о"0'89 .................. 0-А8-А8н т = 2 кг; т = 3 кг;

: \> ........#......... ф О Л ................с» < ф- Д-У8 ........Л-.У.8..г т = 4 кг; т = 2 кг; т = 3 кг;

® ® : о о { О-В10 @-В1П т = 4 кг; - т = 2 кг;

4 5 @-вю - т = 4 кг.

--------

тактных устройств, практически совпадают и поддаются расчету по известной зависимости:

¿„ = 3,48-(г'/(?'•/>;■*')>" •

(П)

Диссипация энергии, входящая в уравнение (11), рассчитывалась по формуле е = Ищ/т , где расход энергии на преодоление сил внутреннего трения МШ1 определялся с учетом подаваемой жидкости Ь на ступень и силы инерции.

В области кольцевого режима течения наблюдается удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных значений йп для различных типов завихрителей (рисунок 8).

"'. м

Ф о О - А4; О - А8; А -N'8:

<> О А О О - В10.

С > -С а о Д 0 □ <5-

<¡„-101

1

0 ф ф о Щ-А4; ф.-А8; Д-\'8;

д< о □ о- вю. Д

-о ^ <г н

20

30 40 о. м/с 20 30 40 "»"б

при т = 2 кг при т = 4 кг

Рисунок 8 - Зависимость диаметра пузырька газа в жидкости на ступени от скорости газа в каналах завихрителя, для вихревых контактных ступеней на системе «воздух - вода». Линия расчет согласно (11)

Межфазная поверхность. Изменение межфазной поверхности вращающегося газо-жидкостного слоя от скорости воздуха показано на рисунке 9.

а-10~3,м~'

1

0,8 0,6 0,4

о___

о л

&

0 . / 0/а В-А4;

> О -А8;

А - У8; О -В1а

а-103,м'

20

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

л в

О у Уш 'И -А4;

л Ф -А8; А -V«;

о-вю.

V, м/с

30 40 о, м/с 20 30 40

при т = 2 кг при т = 4 кг

Рисунок 9 - Зависимость межфазной поверхности от скорости газа в каналах завихрителя, для вихревых контактных ступеней

С увеличением скорости газа в каналах завихрителя и уменьшением объема жидкости на контактной ступени, величина межфазной поверхности возрастает а ~ у0,45 и составляет, в зависимости от уровня жидкости на ступени, (0,4 - 1>103 м"1.

Угловая скорость. Величина угловой скорости со в периферийной области вращающегося газожидкостного слоя на контактной ступени с различ-

а) экспериментальные точки на системе бражка - воздух: 1 - Ь = 0,8; 2 - Ь = 1,6; 3 — Ь = 2,25 м3/ч; б) экспериментальные точки на системе бражка — воздух: 1 - и = 50; 2-1) = 80 м/с

Рисунок 10 — Зависимость угловой скорости вращения газо-жидкостного слоя от. скорости воздуха (а) и расхода подаваемой технической воды (б) для завихрителя У8, при высоте столба жидкости Н — 0,07 м

С ростом расхода газа и уменьшением массы жидкости на ступени, величина угловой скорости возрастает, а с увеличением расхода подаваемой жидкости - снижается. Зависимость угловой скорости вращающегося газожидкостного слоя для кольцевого режима течения от технологических параметров ступени имеет вид

со » и0'8 • Е

-0.4

■ т

-0,4

(12)

где Ь - расход жидкости на ступени, м /с.

Н, мм

Расчет пропускной способности вихревой контакт- ¡20 ной ступени проводился согласно зависимости 80

¿=а-/-р8-(Ш+Р~), (13)

где ДН — перепад уровней жидкости на ступени, м; Рин -величина разряжения составила от 15 до 120 мм вод. ст., а -коэффициент расхода составил а = 0.92.

40

0

О - 1; Д-2; —15—=—

□ -3.

—А -Аг-

О 10 20 30 40 И/С Экспериментальные точки: 1 — Ь = 0,64; 2 -1,36; 3 - 2,0 м3/ч, при и = 30 - 90 м/с

Рисунок 11 - Зависимость высоты слоя жидкости над отверстиями от соотношения массовых расходов

Согласно данным, представленным на рисунке 11, исследуемые контактные ступени обладают высокой пропускной способностью по жидкости, отношение расходов жидкости и газа ЬЛЗ достигает величины 50.

Массообмен на контактной вихревой ступени. Экспериментальные данные по массообмену в широком диапазоне изменения скорости газа, расхода подаваемой жидкости и высоты слоя жидкости на ступени показывают большое влияние на интенсивность массообмена (рисунок 12).

ß„ 10 ~2, ч'1

О-1; □

Д-3; х -4; \ 8 1

" ж - 5. б л \ чЛ —Р □ х/ X *

1 £ Кол > ьцевой Плеш чпьш

°30 40 50 60 70 °>Л1/с

Экспериментальные точки при Ь — 1,6 - 2 м3/ч: 1 - И — 34 мм; 2 — Н = 55 мм; 3 -Н = 70 мм, 4 - Н = 85 мм; 5 - Н = 100 мм; К - кольцевой режим, П - пленочный

Рисунок 12 - Зависимость изменение величины объемного коэффициента мас-соотдачи на ступени с завихрителем У8 от скорости воздуха в каналах

Введя в известное уравнение (14), полученное на основе модели идеального смешения, параметры Д, • V; г = / • Д,; с = с!с \ 70 = с„ /с*

% = у{сн-ск) + рЛс-ск), 04)

где с„ - начальная концентрация кислорода, кг/м3; ск - конечная концентрация кислорода, кг/м3; с* - равновесная концентрация кислорода в жидкости, кг/м3. Получена зависимость в безразмерном виде

о»

Ввиду наличия в уравнении (15) безразмерного параметра, обработка экспериментальных данных проведена в координатах ßvV/L = f(Re, H/h), что показано на рисунке 13, и получена зависимость (16), которая обобщает данные по массоотдаче на ступени с завихрителем V8 и Vk8

О)-Я2,

■Бс0'- —

(16)

где А = 2-10"3, п = 0,24 при кольцевом режиме и А = 0,55 10 3, п = 0,38 при пленочном режиме; са - угловая скорость, с'; V - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м^с; Бс - Критерий Шмидта

Для кольцевого режима течения газо-жидкостной смеси, на ступени величина критерия Шервуда имеет следующую зависимость от критерия Рейнольдса

5/2 =

1/4

А

со-я:

(17)

10 20 30 40 50 70 100 Ке1° Экспериментальные точки с заверителем У8: 1 - Н = 34 мм; 2 - Н = 55 мм; 3 - Н = 70 мм, 4 - Н = 85 мм; 5 - Н =100 мм. Экспериментальные точки с завихрителем Ук8: 6 — Н = 0,11 м;7-Н = 0,07 м. Пунктирная линия - смена режимов

Рисунок 13 - Изменение безразмерного параметра от центробежного критерия Рейнольдса на ступени при скорости газа о = 30 -90 м/с, Ь - 0,3- 2,2м3/ч

где рг - поверхностный коэффициент массоотдачи, м2/с; с1„ - средне поверхностный диаметр пузырька; -коэффициент молекулярной диффузии газа в жидкости м2/с.

Величина поверхностного коэффициента массоотдачи для кольцевого режима составила: (0,1- 0,9)-10"3 м/с.

Эффективность исследованных вихревых контактных ступеней по Мерфри (рисунок 14), в зависимости от уровня жидкости на ступени, составила от 0,3 до 0,8. Более высокие значения эффективности, полученные на ступени с завихрителем \Пс8 по сравнению с У8, вызваны достижением большей угловой скорости вращения газо-жидкостной смеси.

30 40 50 60 70 80 »»-»«/с

Экспериментальные точки для конструкции У8 при Ь - 1,6-1,8 м3/ч: 1- Н = 34 мм; 2 - Н = 55 мм; 3 - Н = 70 мм; 4 - Н = 85 мм; 5 - Н = 100 мм. Экспериментальные точки для конструкции Ук8: 6 - Н = 110 мм; 7 - Н = 70 мм. Пунктирная линия - данные для ступени с завихрителем У8 без перегородки Н = 0

Рисунок 14 — Зависимость эффективности контактной ступени от скорости газа в каналах завихрителя

Теплоотдача на вихревой ступени. Характерные значен™ коэффициента теплоотдачи при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое, в зависимости от удельной тепловой нагрузки, представлены на рисунке 15. Согласно полученным данным, закономерности изменения величины коэффициента теплоотдачи при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое не противоречат известным данным при кипении в открытом объеме жидкости. Интенсивность теплоотдачи возрастает с увеличением скорости газа в каналах контактного устройства и удельной тепловой нагрузки.

Величина коэффициента теплоотдачи при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое на контактной ступени в 1,7 раза выше, в сравнении с барботажным режимом, и может быть рассчитана при атмосферном давлении по зависимости

««»и ш10 > Вт/(лг ■ К)

25 20 15

10 100

X ж ж Ж X

ПК а к Г

X тг А

А-2; "С х-3: tP

Ж-4.

«»„=0,022

/ 712 N

со ■ R

•-,(18)

где X — теплопроводность, Вт/(м К); 9 = (уж2^)ш - приведенная толщина, м.

Полученные данные были использованы при расчете техниче-

150 200 q • 10 "J, Вт/м2 Экспериментальные точки на системе барда-воздух при скорости воздуха в каналах завихрителя: 1 - и = 17,4; 2 - г) = 32,6; 3 -v = 42,7; 4 - v = 49,3 м/с. Пунктирная линия -кипение неподвижного объема жидкости

Рисунок 15 — Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении в газожидкостном вращающемся слое на вихревой ступени от. удельной тепловой нагрузки при атмосферном давлении

ских показателей оборудования.

В четвертой главе представлены результаты практического применения полученных данных. Разработаны вихревые контактные устройства (рисунок 16) с удлиненным профилем канала, обеспечивающим интенсивное вращение пара (газа), которые имеют сравнительно низкое гидравлическое сопротивление, а рекомендуемые соотношения ГЛР = 0,05 - 0,4 обеспечивают кольцевой режим течения.

(а) (б)

1 - основной профиль; 2 - вставка; 3 - заглушка Рисунок 16 - Профили тангенциального завихрителя

Размещение между профилированными пластинами вставок (рисунок 16 б) позволяет существенно снизить сопротивление завихрителя, а также обеспечивает полости для перемещения газа (пара) в осевом направлении вихревого аппарата, что важно при конструировании вихревого испарителя, представленного далее. Наличие заглушек на профилированных пластинах завихрителя (рисунок 16 в) обеспечивает каналы для прохода жидкости непосредственно в зону контакта с газом, что интенсифицирует процесс.

Разработаны конструкции вихревых ступеней для тепломассообменного оборудования, работающие при больших нагрузках по жидкости и газу.

Применительно к производству этанола на гидролизате древесины, разработана и рассчитана вихревая ступень бражной колонны производительностью по бражке 80 м3/ч (рисунок 17). При скорости пара по сечению аппарата 3,8 м/с, диаметр колонны составил 1,2 м, а ее металлоемкость, по сравнению с колпачковой промышленной бражной колонной, снижена на порядок.

1 - корпус; 2 - центральный слив ной стакан; 3 - верхняя ступень; 4 - нижняя ступень; 5 - внутренний завихритель; 6 - внешний завихритель; 7 - внешний переливной стакан; 8 -кольцевые вставки; 9 - внешняя вихревая камера; 10 - внутренняя вихревая камера; 11 -центральный переливной стакан

Рисунок 17 -Схема контактной ступени бражной колонны

На ступенях устранены застойные зоны и созданы условия для устойчивой их работы в кольцевом режиме, без «захлебывания» и пульсаций жидкости, в широком диапазоне изменения нагрузок.

Предложен способ снижения затрат пара на бражную колонну путем получения вторичного пара из барды в испарителе (тепловой насос) вихревого типа (рисунок 18).

пар в колонну Л

вторичный

пары самоиспарения гидролизата

первичным пар ^

1 - завихритель; 2 - завихритель; 3 - трубка для подачи барды; 4 - корпус; 5 -винтовая шероховатость; 6 - рубашка для подачи теплоносителя.

Рисунок 18 - Схема вихревого испарителя

Первичный пар, перед подачей в кубовую часть бражной колонны, поступает в тангенциальный завихритель испарителя, приобретает там вращательное движение, обеспечивает на внутренней поверхности аппарата вращающийся газо-жидкостный слой из барды (бражки) и преобразовывается во вторичный пар.

Наличие сил инерции, вызванных завихрителем, обеспечивает равномерное распределение жидкости по всей теплопередающей поверхности, устраняет образование, на ней несмоченных пятен и отложений.

Согласно расчетным показателям, в испарителе диаметром 1 м и длиной 3 м (при движущей силе процесса 30 °С, вызванной, например, парами самоиспарения гидролизата) достигается расход вторичного пара 0,56 кг/с, что составляет экономию пара на бражную колонну 20 %. При увеличении полезной разности температур (например, путем использования высокотемпературных газовых выбросов), экономия первичного пара на бражную колонну возрастет.

К основным преимуществам вихревого испарителя можно отнести наличие небольшого количества рабочей жидкости в зоне парообразования, что позволяет перерабатывать термолабильные, токсичные и взрывоопасные вещества. Также обеспечивается беспрепятственный доступ к очистке тепло-передающей поверхности испарителя (за счет устранения традиционного пучка труб и наличия уплотнения в нижней части рубашки), предотвращается образование несмоченных пятен, накипи, прогорания стенки при высокой полезной разности температур, что обеспечивает высокий теплосъем и уменьшает габариты испарителя.

Разработан вихревой конденсатор в канифольно-терпентиновом производстве (рисунок 19) для конденсации паров скипидарной смеси производительностью 1,2 кг/с, в котором теплосъем осуществляется при вращении кипящей жидкости (воды) на внутренней поверхности стаканов.

Бк 4

г "Н

V

н<

И к

I

жидкость на I орошение V

Ос

А1

Бз

1А

1

1

-Г"

вход воздуха

пары скипидарной смеси

конденсат

Нг*

и Д

1 - корпус; 2 - стакан; 3 - завихритель; 4 - штуцер для ввода пара; 5 - штуцер; б - трубопровод для подачи жидкости.

Рисунок 19 - Схема вихревого конденсатора

Оценка показателей вихревого конденсатора для конденсации паров скипидара показала снижение габаритов установки на порядок, в сравнении с кожухотрубчатым теплообменником.

Таким образом, применение разработанных контактных устройств и вихревых ступеней позволяет существенно повысить показатели усовершенствованного тепломассообменного оборудования.

Разработанные вихревые контактные ступени и усовершенствованное оборудование рекомендуется использовать при: аэрации и облагораживании рабочих жидкостей, гидролизатов древесины и ферментативных сред на их основе; очистке промышленных газов от вредных выбросов извести регенерационных печей, ферментеров, сушилок; очистке парогазовых смесей инверторов и нейтрализаторов, испарителей; получении этанола, биотоплива, скипидара и его производных и регенерации растворителей и экст-рагентов путем ректификации; обработке рабочих сред в абсорберах целлюлозно-бумажной, лесной и биохимической промышленности; проведении процессов охлаждения, нагревания, конденсации и испарения в технологических линия производства.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны конструкции вихревых контактных устройств с различным исполнением профиля, применительно к совершенствованию контактных ступеней ректификационных и абсорбционных колонн, а также осуществлен теоретический анализ и экспериментальные исследования их характеристик в широком интервале технологических и конструктивных параметров.

Наиболее эффективным вариантом контактных устройств, обеспечивающих устойчивую крутку газо-жидкостной смеси с развитой межфазной поверхностью обладают завихрители типа А8 и V8. Для поддержания кольцевого режима течения при масштабировании необходимо выдерживать следующие соотношения: (f/F), (m/S), Dc/D3 и L/f.

2. Разработаны вихревые контактные ступени для усовершенствованного оборудования и изучены их технологические параметры, получены зависимости для определения газосодержания, межфазной поверхности, средне поверхностного диаметра пузырьков газа и угловой скорости. Установлена величина межфазной поверхности, которая при кольцевом режиме составляет (0,4 - 1,0) • 103 м"1.

3. Предложена компоновка вихревой контактной ступени для бражной колонны высокой производительности по питанию и эффективности, исключающая образование застойных зон и отложений. Исследована массоотдача во вращающемся газо-жидкостном слое, получены зависимости для расчета величины коэффициентов массоотдачи и эффективности по Мерфри в зависимости от технологических и конструктивных параметров. Установлено, что интенсивность массоотдачи во вращающемся слое превышает значения, полученные на ступенях барботажного типа, до двух раз.

4. Разработана конструкция вихревого испарителя, применительно к производству этанола на гидролизате древесины, обеспечивающая снижение затрат пара. Для конденсации паров скипидарной смеси в канифольно-варочной колонне, предложена конструкция вихревого конденсатора, обеспечивающая снижение металлоемкости в пять раз и расхода теплоносителя, в сравнении с существующими теплообменными устройствами. Исследована теплоотдача во вращающемся газо-жидкостном слое, определены коэффициенты теплоотдачи при кипении и нагревании рабочих сред.

5. Проведена оценка технико-технологических показателей для усовершенствованного оборудования, установленного в технологических линиях при получении этилового спирта-ректификата на основе гидролизата древесины, а также в канифольно-терпентинном производстве, которая показала существенное преимущество усовершенствованного оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Войнов, H.A. Вихревая контактная ступень для бражных колонн / H.A. Войнов, С.А. Ледник, О.П. Жукова // Химия растительного сырья. -

2011. - № 4. - С. 295-300, автора - 0,17 пл.

2. Результаты внедрения и исследования контактных ступеней бражных колонн / H.A. Войнов, С.М. Воронин, О.П. Жукова, С.А. Ледник // Изв. вузов. Лесной журнал. - 2011. - № 4. - С. 93-97, автора - 0,2 п.л.

3. Войнов, H.A. Гидродинамика и массообмен на ступени с профилированными тангенциальными каналами / H.A. Войнов, С.А. Ледник // Химическая промышленность. -2011. - Т.88, № 5. - С. 250-256, автора-0,19 п.л.

4. Voinov, N.A. Hydrodynamics and mass transfer on a stage with profiled tangential channels / N.A. Voinov, S.A. Lednik // Russian Journal of Applied Chemistry. - 2011. - Vol. 84, № 12. - P. 2195-2201, автора-0,19 п.л.

5. Конденсация паровоздушной смеси в пленочном аппарате / С.А. Ледник, H.A. Войнов, О.П. Жукова, А.Н. Войнов // Теплоэнергетика. - 2012. -№ 1. - С. 75-80, автора - 0,23 п.л.

6. Condensation of steam-air mixture in a film-type apparatus / S.A. Lednik, N.A. Voinov, O.P. Zhukova, A.N. Voinov // Thermal Engineering. - 2012. - Vol. 59, № 1. - P. 75-80, автора - 0,23 п.л.

7. Массоотдача в газожидкостном слое на вихревых ступенях / H.A. Войнов, О.П. Жукова, С.А. Ледник, H.A. Николаев // Теоретические основы химической технологии. - 2013. - Т.47, № 1. - С. 1-6, автора - 0,15 п.л.

8. Mass transfer in gas-liquid on vortex contact stages / N.A. Voinov, O.P. Zhukova, S.A. Lednik, N.A. Nikolaev // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2013. - Vol. 47, № 1. - P. 55-59, автора - 0,15 п.л.

9. Войнов, H.A. Тепломассообмен на вихревой контактной ступени / H.A. Войнов, С.А. Ледник, О.П. Жукова // Химия растительного сырья. -

2012. - №4. - С. 209-213, автора -0,18 п.л.

10. Пат. №2465030 Российская Федерация МКИ B01/D 3/04. Дефлегматор бражной колонны / Войнов H.A., Ледник С.А., Жукова О.П., Плеханов Ю.В. -Заявка 2011127578/05 приоритет 05.07.11 - Опубл. 27.10.12. Бюл. № 30.

11. Пат. №2466767 Российская Федерация МКИ B01/D 3/30. Тепло-массообменная вихревая колонна / Войнов H.A., Ледник С.А., Жукова О.П., Воронин С.М., Войнов А.Н. - Заявка 2011102069/05 приоритет 30.03.11 -Опубл. 20.11.12. Бюл. № 32.

12. Решение о выдаче патента на изобретение от 15.03.2013 г. Заявка 2012109149/05 (013732) Российская Федерация, МПК B01D 3/30 (2006.01). Вихревая контактная ступень для контактирования газа или пара с жидкостью / Войнов H.A., Ледник С.А., Жукова О.П. (Россия); заявитель Сибир. госуд. технолог, ун-т./пат. проверенный Куличковой И.П.; заявл. 15.03.2013.

Сдано в производство 21 марта 2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. № 5/1. Заказ № 1667. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 Факс (391) 211-97-25 Тел. (391) 227-69-90

со

СО СО 8

СМ со

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение I высшего профессионального образования

| «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правахрукогш

Ледник Сергей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ ДЕРЕВА НА ОСНОВЕ ВИХРЕВЫХ КОНТАКТНЫХ СТУПЕНЕЙ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

I Диссертация на соискание учёной степени

00

^ кандидата технических наук

„

О Научный руководител:

доктор технических наук, профессо Войнов Николай Александрович

Красноярск - 2013

Содержание

С.

Введение....................................................................................................................4

1 Анализ тепломассообменных газо-жидкостных аппаратов в промышленных технологиях химической переработки древесины..............................................9

1.1 Обзор технологий и процессов......................................................................9

1.2 Обзор газо-жидкостного оборудования в технологических линиях переработки биомассы дерева........................................................................................... 12

1.3 Анализ вихревых устройств и ступеней......................................................20

1.4 Анализ известных расчетных параметров вихревых ступеней.................24

Выводы по главе 1 ..................................................................................................34

2 Методическая часть.............................................................................................35

3 Результаты исследований вихревых контактных ступеней.............................47

3.1 Основные гидродинамические параметры вихревых ступеней................47

3.2 Массоотдача на контактной ступени в вихревом вращающемся слое.....66

3.3 Теплоотдача на вихревой контактной ступени...........................................72

Выводы по главе 3...................................................................................................74

4 Практическое применение результатов исследования.....................................77

4.1 Разработка вихревых контактных устройств и ступеней...........................77

4.2 Разработанные вихревые контактные ступени............................................79

4.3 Совершенствование контактных ступеней бражной колонны с разработкой теплового насоса (вихревого испарителя)............................................................82

4.4 Разработка вихревого конденсатора в канифольно-терпентиновом производстве ......................................................................................................................89

Выводы по главе 4...................................................................................................90

Приложение А (Экспериментальные данные по гидродинамике).....................93

Приложение Б (Экспериментальные данные по массообмену).........................99

Приложение В (Пропускная способность)..........................................................101

Приложение Г (Исследование теплообмена)......................................................103

Приложение Д (Построение профиля завихрителя)..........................................108

Приложение Е (Расчет вихревой контактной ступени).....................................109

Приложение Ж (Расчет вихревого испарителя)................................................. 117

Библиографический список................................................................................... 125

Введение

Актуальность работы. Тепло - и массообменное оборудование системы «газ-жидкость» барботажного, эрлифтного и пленочного типов, широко используется в технологиях по переработке биомассы древесины, включая облагораживание и аэрацию гидролизатов древесины, и обработку ферментативных сред на их основе; очистку газовых и паровых потоков, водных стоков и жидкостей; получение этанола, биотоплива и других продуктов ректификации; охлаждение, испарение, и концентрирование рабочих сред; конденсацию паро-газовых потоков; гашение устойчивых пен и т. д.

Однако вследствие большой загрязненности рабочих потоков жидкости, пара и газа (лигнино-гуминовымии веществами и другими продуктами химических реакций), низких скоростей потоков в установках, а также не достаточно высокой интенсивности протекающих в них процессов, при использовании этого оборудования практически невозможно достигнуть существенного снижения капитальных и текущих затрат и получить конкурентно способную продукцию при промышленном внедрении как новых, так и усовершенствованных технологий.

Большими перспективами для совершенствования тепломассообмен ного оборудования обладают вихревые контактные ступени, на которых создается устойчивый вращающийся газо-жидкостный слой, с развитой межфазной поверхностью, устраняются застойные зоны и унос капель жидкости из зоны контакта, а также существенно интенсифицируется тепломассоперенос.

Например, при производстве этанола из гидролизатов древесины, 60 % пара от его общего расхода затрачивается на проведения ректификации в бражных колоннах. Большой расход пара вызван как низкой концентрацией этанола в питании, так и несовершенством используемых контактных ступеней и технологии производства. Контактные ступени бражных колонн, вследствие наличии на них застойных зон, быстро забиваются отложениями и теряют свою работоспособность, а низкие среднерасходные скорости потоков и невысокая эффективность укрепления обу-

славливают повышенный расход теплоносителей, большие габариты и металлоемкость брагоректификационных установок. В этой связи использование вихревой контактной ступени позволяет существенно интенсифицировать процесс.

Одним из недостатков действующих технологий производства этанола является слабое применение тепловых насосов (испарителей) для получения технологического пара тепловым потоком высокотемпературных и загрязненных паровых и газовых выбросов предприятий (пары гидролиз аппаратов и паров самоиспарения продуктов, отработанные газы извести регенарционных печей, дымовые газы при сжигании промышленных отходов и т.д.) из-за того, что в традиционных пленочных трубчатых испарителях не обеспечивается смачиваемость поверхности труб, а также затруднен доступ к их поверхности для очистки. Указанные недостатки устраняются при использовании вихревых испарителей, обеспечивающих устойчивый кипящий слой жидкости на теплопередающей поверхности с высоким градиентом температур.

Вихревые контактные ступени будут востребованы также в скрубберах для очистки больших потоков газовых выбросов с низкой концентрацией вредных компонентов, на очистку которых требуются большие расходы абсорбента, достигающие 800 м /ч и более, что позволить снизить габариты установок, их металлоемкость и обеспечить продолжительность работы.

Перспективны вихревые контактные ступени для совершенствования воздушных конденсаторов и дефлегматоров ректификационных установок. Вследствие интенсивности теплоотдачи со стороны воздуха они позволят не только снизить габариты устройств, но и уменьшить расход охлаждающей воды.

Наиболее предпочтительными для создания вращения фаз на ступени являются контактные устройства (завихрители) тангенциального типа, отличающиеся простотой конструкции, высокой производительностью по жидкости, доступным достижением требуемого периметра слива и сечения перетоков.

Однако известные вихревые контактные ступени, реализующие большие расходы по жидкости, единичны, несовершенны для выше указанных разрабо-

ток и, в основном, находятся на уровне патентных разработок. Вследствие чего требуются всесторонние исследования вихревых контактных ступеней как в плане их конструирования и расчета, так и - совершенствования их для нужд рассматриваемых производств.

Цель работы. Разработка вихревых контактных ступеней для совершенствования тепло- и массообменного оборудования, используемого в технологических линиях по переработке биомассы дерева.

Задачи исследования:

- разработать и исследовать варианты вихревых контактных устройств (завихрителей) и выявить наиболее эффективные из них.

- на основе выбранных контактных устройств разработать вихревые контактные ступени и изучить их параметры, включающие: пропускную способность, режимы течения, гидравлическое сопротивление, газосодержание, межфазную поверхность, диаметр пузырьков газа, угловую скорость вращающегося газожидкостного слоя;

исследовать массоотдачу в газо-жидкостном слое, разработать конструкцию вихревой ступени бражной колонны, получить зависимости, необходимые для расчета и масштабирования;

- исследовать теплоотдачу при кипении и нагревании рабочих сред, во вращающемся газо-жидкостном слое и предложить конструкции вихревого испарителя, вихревого конденсатора и дефлегматора бражной колонны;

- оценить технико-технологические показатели усовершенствованного оборудования, установленного в технологических линиях при получении этилового спирта ректификата на основе гидролизата древесины, а также в канифольно-терпентинном производстве.

Научная новизна работы.

Предложен новый подход к организации течения вращающейся газожидкостной смеси на ступенях бражной колонны и другого теплообменного оборудования, исключающий образование застойных зон и несмоченных участ-

ков в зоне контакта. Изучены гидродинамические параметры новых вихревых контактных устройств и ступеней, включающие: пропускную способность, режимы течения, гидравлическое сопротивление, газосодержание, межфазную поверхность, диаметр пузырьков газа, угловую скорость вращающегося газожидкостного слоя (также получены зависимости для их определения, учитывающие физические параметры рабочих сред). Впервые исследована массоот-дача в газо-жидкостном слое на вихревых ступенях, найдены критериальные уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи и зависимости для определения эффективности. Установлено, что интенсивность массоотдачи во вращающемся слое превышает значения, полученные на ступенях ректификационных и абсорбционных колонн барботажного типа в 2 раза. Впервые изучена теплоотдача при кипении во вращающемся газо-жидкостном слое, получена зависимость для расчета величины коэффициента теплоотдачи, а также предложено в качестве теплового насоса бражных колонн использовать вихревой испаритель. Достигнуто увеличение интенсивности теплоотдачи при кипении во вращающемся слое (в сравнении с барботажным режимом) в 1,7 раза.

Практическая значимость. Разработаны конструкции вихревых контактных устройств и ступеней для проведения тепло- и массообмена в абсорбционных и ректификационных установках, обеспечивающие работоспособность на загрязненных рабочих средах при высоких нагрузках по пару (газу) и жидкости, а также снижение габаритов и металлоемкости усовершенствованного оборудования.

Предложены конструкции вихревого воздушного теплообменника и вихревого испарителя, пригодные к эксплуатации при больших удельных тепловых нагрузках и позволяющие использовать высокотемпературные теплоносители.

Разработаны и запатентованы конструкции вихревой контактной ступени и дефлегматора бражной колонны.

Положения, выносимые на защиту:

В рамках специальности 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 17 - Оборудование, машины

и аппараты и системы автоматизации химической технологии биомассы дерева) на защиту выносятся:

- разработанные вихревые контактные ступени и усовершенствованное на их основе оборудование установленное в технологических линиях при получении этилового спирта ректификата на основе гидролизата древесины, и в канифольно-терпентинном производстве;

- критериальные и графические зависимости для определения основных характеристик вихревых контактных ступеней; а также данные, обеспечивающие масштабирование и расчет разработанных конструкций вихревой ступени бражной колонны, вихревого испарителя, дефлегматора и конденсатора;

- технико-технологические показатели вихревых аппаратов, рассчитанные для объектов, установленных в технологических линиях переработки биомассы дерева.

Работа выполнена на кафедре «Машин и аппаратов промышленных технологий» Сибирского Государственного Технологического Университета.

Автор благодарит своего руководителя - доктора технических наук, профессора, профессора кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий (МАПТ)» СибГТУ Войнова Николая Александровича за постоянную и неоценимую помощь в реализации работы, доцента кафедры МАПТ Жукову Ольгу Петровну за помощь в обработке экспериментов и советы по написанию данной диссертации.

1 Анализ тепломассообменных газо-жидкостных аппаратов в промышленных технологиях химической переработки древесины

1.1 Обзор технологий и процессов

При химической переработке биомассы древесины многие процессы протекают в системе «газ (пар)-жидкость» или «газ-жидкость - твердые частицы», в тепломассообменных аппаратах, при больших нагрузках по жидкости и газу. Для их совершенствования, повышения эффективности, снижения металлоемкости и габаритов требуется поиск наиболее совершенных установок и конструкций контактных ступеней. Согласно данным, представленным в таблице 1.1, к рассматриваемым процессам и технологиям переработки растительного сырья относятся: абсорбция, осложненная химической и биохимической реакцией, ректификация, адсорбция, охлаждение, выпаривание, а также теплообмен при охлаждении, нагревании и кипении различных сред.

Таблица 1.1- Газо-жидкостные аппараты, процессы и технологии

Процесс Технология Аппараты

1 2 3

Физическая абсорбция, осложненная химической и биохимической реакцией 1. Аэрация рабочих жидкостей, гидролизатов древесины и ферментативных сред на их основе. 2. Очистка промышленных газов от вредных выбросов извести регенерационных печей, ферментеров, сушилок и т.д.. 3. Очистка парогазовых смесей гидролизного производства из инверторов и нейтрализаторов. 4. Озонирование рабочих средств, например, воды, загрязненной соединениями фенола в производстве древесно-волокнистых плит. 5. Обработка рабочих сред в целлюлозно-бумажной, лесной и биохимической промышленности. Абсорберы Скрубберы Биореакторы Аэротенки.

Адсорбция 1. Очистка, осветление и облагораживание гидролизатов древесины и сред на их основе. 2. Вывод продуктов метаболизма при культивировании микроорганизмов на питательных средах на основе гидролизатов древесины. Адсорберы

Продолжение Таблицы 1.1

Процесс Технология Аппараты

1 2 3

Ректификация 1. Получение этанола, биотоплива, уксусной кислоты, скипидара и его производных и т.д.. 2. Регенерация различных растворителей и экстрагентов. Ректификационные установки

Теплоперенос 1. Охлаждение рабочих сред и оборотной воды. 2. Конденсация паров и испарение жидкости. Теплообменники Испарители Конденсаторы Дефлегматоры

Центробежное осаждение 1. Очистка рабочих жидкостей и воды. Гидроциклоны

Флотация 1. Очистка воды от волокнистых частиц. 2. Сгущение дрожжей. Флотаторы

Пеногашение 1. Гашение устойчивых пен, дрожжевой суспензии. Пеногасители

Рассматриваемые выше процессы протекают в аппаратах, установленных в технологических линиях по охлаждению и облагораживанию гидролизатов и ферментативных сред на их основе, а также: оборотной воды; очистке газовых, паровых и жидкостных выбросов; ректификации в производстве этанола, биотоплива; восстановления растворителей после экстракции и получения других продуктов; охлаждения рабочих сред и оборотной воды; конденсации паров; испарения; сушке материалов.

Естественно, каждый процесс имеет свою специфику и аппаратурное оформление, однако для получения минимальных затрат аппараты, установленные в технологических линиях, должны обладать высокими тепло- и массо-обменными характеристиками и большой пропускной способностью по жидкости и газу (пару), что обеспечивает наименьшие габариты оборудования, низкие текущие и капитальные затраты.

Абсорбционные аппараты [1] используются для аэрации гидролизатов и жидких сред на их основе, проведения тепло и массообменных процессов. Так как при этом основное сопротивление массопереносу в рассматриваемых технологиях сосредоточено в жидкой фазе, требуются контактные устройства с

высокой интенсивностью перемешивания. В этой связи, как показывает анализ, наибольший интерес для совершенствования абсорберов представляют вихревые контактные ступени.

При озонировании рабочих жидкостей, например, в процессе подготовки воды или локальной очистки залповых выбросов в стоках, содержащих фенол, в частности, в производстве древесноволокнистых плит [2-4], также востребованы вихревые контактные ступени, обладающие развитой поверхностью контакта.

В целлюлозно-бумажном производстве [5-7] замена барботажных абсорберов на вихревые аппараты позволит существенно интенсифицировать процесс утилизации газов.

Вихревые контактные ступени могут быть успешно использованы в качестве скрубберов для очистки газов [8, 9], например, промышленных выбросов известковых печей биохими�