автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Совершенствование пленочных тепломассообменных аппаратов вакуумной ректификации термически нестойких веществ

РГб од

1 2 СиН Ю

На правах рукописи

КЛЫКОВ Михаил Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ВАКУУМНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ ТЕРМИЧЕСКИ НЕСТОЙКИХ

ВЕЩЕСТВ

Специальность 05. 04. 09. Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 1998

Работа выполнена на кафедре Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки Салаватского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кузеев И. Р.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН РБ,

доктор технических наук, профессор Панов А. К. .

кандидат технических наук, доцент Науширванов Р. Г.

Ведущее предприятие: АО " УФАОРГСШТЕЗ"

Защита состоится «8» октября 1998 года в 17 часов на

заседании диссертационного совета Д 063.09.04. при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « ^ » сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор технических наук Ибрагимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При ректификации термически нестойких еществ вредные последствия термического воздействия, такие как ермический распад, смолообразование, появление отложений на реющих поверхностях зависят от двух факторов - температуры и лительности ее воздействия. С понижением давления снижается емпература кипения термически нестойких веществ и приобретают ажную роль гидравлическое сопротивление ректификационных колонн и идростатическое давление столба жидкости в кипятильниках.

Общий метод разрешения указанных проблем заключается в спользовании пленочных ректификационных колонн с регулярной асадкой и пленочных кипятильников, отличительной особенностью оторых является движение в них жидкости в виде пленки.

Одной из сложных проблем при создании пленочных аппаратов вляегся обеспечение равномерного распределения жидкости по рошаемым поверхностям, от успешного решения которой зависит ффективйость оборудования.

Настоящая работа посвящена разработке методов расчета ехнологических параметров пленочных аппаратов, изучению акономерностей распределения и перемешивания жидкости в насадках из офрированных сеток с учетом масштабного фактора, оптимизации онструкции насадки с цепью снижения удельного расхода материала, эвершенствованию пленочных испарителей с целью повышения адежности работы распределительных устройств.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР Л СССР по проблеме 2.27 "Теоретические основы химической техно-огии" на 1986-91 годпо направлению 2.6 - "Разработка новых высокоин-гнеивных аппаратов, методов их расчета и внедрение в химическое

производство", а также в соответствии с Государственной научно-технической программой АН Республики Башкортостан. "Экология Башкортостана. Комплексные исследования" на 1992-97 год.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование механизма растекания и перемешивания жидкости в слоях насадок из гофрированных сеток с учетом масштабного фактора; экспериментальное исследование механизма влияния макро- и микрогеометрии регулярных насадок из гофрированных сеток на гидродинамику потоков и массообмен в слоях насадок, оптимизация конструкции регулярной насадки из гофрированных сеток и совершенствование пленочных испарителей с цепью повышения их качества, разработка методов расчета технологических параметров пленочных испарителей и колонн с насадкой из гофрированной сепси.

Методика исследований. Теоретические исследования распределения и перемешивания жидкости в слоях насадок из гофрированных сеток при неравномерном орошении проводились на разработанных диффузионных моделях, решение которых осуществлялось аналитическими и численными методами.

Закономерности распределения жидкости в пленочных испарителях с распределительными устройствами, реализующими принцип распределения жидкости с отрицательной обратной связью по парообразованию, изучались на разработанных статической и динамической моделях с использованием численных и аналитических методов.

Проверка теоретических моделей осуществлялась в экспериментах на физических моделях в лабораторных и промышленных условиях. При обработке результатов опытов использовались методы математической статистики.

Научная новизна. Установлено, что растекание жидкости в слоях регулярных насадок из гофрированных сеток зависит от макро- и микрогеометрии насадок и подчиняется анизатропной диффузионной

иод ели. Получено численное решение анизатропной диффузионной »одели растекания жидкости при многоточечном орошении с условием, сто растекание жидкости прекращается при достижении минимальной жоросга течения жидкости, которое подтверждено результатами жспериментов с насадками из гофрированных сеток.

Разработана модель продольного перемешивания жидкости в слоях засадки, в соответствии с решением которой увеличение коэффициентов эастекания жидкости в насадке снижает влияние масштабного фактора на тродольное переметив ание жидкости.

Определена активная поверхность регулярной насадки из гофрированной сетки.

Разработана конструкция регулярной сетчатой насадки с треуголь-шми и трапецеидальными гофрами, в которой интенсивно растекается жидкость, найдены оптимальные конструктивные ее размеры.

Разработаны более надежные конструкции распределительных устройств для прямоточных и противоточных пленочных испарителей, в соторых реализуется, неиспользуемый ранее для пленочных испарителей, зринцип регулирования распределения жидкости по трубам с лрицательной обратной связью по парообразованию в них.

Разработаны статическая и динамическая модели распределения кидкости по трубам пленочных испарителей.

На разработанные насадки и испарители получены свидетельства на »обретения.

На защиту выкосится:

- математические модели растекания и перемешивания жидкости в лоях насадок из гофрированной сетки при неравномерном орошении с ■четом масштабного фактора;

- конструкция насадки из гофрированной сетки с треугольными и рапецеидальными гофрами;

- конструкции распределительных устройств распределения жидкости в прямоточных и противоточных пленочных испарителях;

- статическая и динамическая математические модели распределения жидкости в прямоточном и противоточном пленочных испарителях;

Практическая ценность.

1. Разработана эффективная конструкция насадки из гофрированной сетки с треугольными и трапецеидальными гофрами.

2. Разработаны конструкции распределительных устройств распределения жидкости в прямоточных и противоточных пленочных испарителях повышающие качество аппаратов.

3. Разработанная насадка и пленочные испарители внедрены в ряде процессов вакуумной ректификации термически нестойких веществ:

"Регулярная насадка" по а. с. № 1149479 и "Выпарной пленочный аппарат" по а. с. № 993967 использованы в апреле - мае 1997 года при реконструкции колонны и кипятильника блока ректификации диэтаноламина в ОАО "Салаватнефтеоргсинтез". В сравнении с базовым объектом - колонной с насадкой Панченкова в комплекте с термосифонным кипятильником - отбор целевого продукта повысился с 40% до более чем 80%, содержание диэтаноламина в кубовом остатке снизилось с 30% до 12-20%.

Ректификационная колонна с регулярной насадкой в соответствии с а. с. № 697161 внедрена в мае 1990 года в цехе ректификации ДМАА производства фенилона Кустанайского ПО "Химволокно". Низкое гидравлическое сопротивление ректификационной системы и высокая разделяющая способность насадки обеспечивают снижение количества вредных отходов.

Пилотная вакуумная ректификационная установка, включающая прямоточный пленочный испаритель (по а. с. № 993967), колонну с регулярной сетчатой насадкой (по а. с. № 1139479) внедрены 10. 07. 89 на опытном заводе ВНИТИГ в производстве нитроортоксилолов в

соответствии с Госзаказом № 011-С-88-90 этап "Разделение смеси изомеров нитроортоксилолов". Низкое гидравлическое сопротивление рекшфикационной системы и малое время пребывания продуктов в зоне действия высоких температур снижают термическую деградацию обрабатываемых продуктов, их осмоление, что повышает эффективность ^¿пользования сырья и снижает количество вредных отходов.

Насадка по а. с. Ко 1139479 внедрена в декабре 1987 года в колонне К-2 производства полиизобутилена ПО "Салаватнефтеоргсинтез". Эффект от внедрения заключается в углублении переработки путем снижения отходов производства, снижении расходов сырья - изобутилена.

Пленочный испаритель по а. с. № 965439 внедрен в единичное производство цеха 22 установки полиизобутилена ПО "Салаватнеф-георгсинтез" в 4 квартале 1986 года. Эффект от внедрения заключается в повышении качества продукции и производительности колонны, увеличении срока межремонтного пробега.

Достоверность п обоснованность полученных результатов обеспечивается апробированной методикой экспериментальных исследований, сравнением экспериментальных и расчетных данных, полученных при моделировании процессов, использованием методов математической статистики при их обработке, промышленным испытанием разработанных образцов оборудования. Основные положения работы, выводы и рекомендации подтверждены опытом промышленной эксплуатации колонн с разработанной насадкой и пленочных испарителей.

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались и обсуждались на конференциях, семинарах и совещаниях: V Всесоюзная конференция по теории и практике ректификации. (Северодонецк, 1984); Всесоюзное совещание. "Тепломассообменное оборудование - 88". (Москва, 1988); Межвузовская научно - практическая конференция. "Экономический рост: проблемы развития науки, техники и совершенствование производства". (Стерлитамак, 1996); Всероссийская

научная конференция. "Актуальные вопросы механики, электроники,

физики земли и нейтронных методов исследований". (Стерлитамак, 1997); Десятая Всероссийская конференция по химическим реактивам. (Москва -Уфа: Реактив, 1997). Пленочные испарители демонстрировались на ВДНХ СССР, автор награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР и знаком "Изобретатель СССР".

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 48 научных трудах, в том числе 29 работ в центральных изданиях, из них 11 изобретений.

Структура в объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех гнав и основных результатов и выводов, изложенных на 150 страницах машинописного -текста (включая иллюстрации, таблицы и список использованных источников из 129 наименований), а также 75 страницах приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию пленочных тепломассообменных аппаратов, который показывает, что такие аппараты обладают низким гидравлическим сопротивлением, отнесенным к теоретической ступени контакта. Наиболее полно преимущества пленочных аппаратов с регулярными насадками проявляются при изготовлении насадок из гофрированных сеток. Однако, отсутствуют сведения о механизме влияния на основные рабочие характеристики насадок макро- и микроструктуры орошаемых поверхностей каналов в насадках.

Эффективность работы пленочных аппаратов с регулярной внутренней структурой сильно зависит от распределения орошающей жидкости. Неизвестен механизм растекания жидкости в слоях регулярных

насадок из гофрированных сеток и отсутствуют обоснованные методики выбора числа точек орошения аппаратов с такими насадками.

Трубчатые пленочные аппараты, в сочетании с пленочными массообменными колоннами, позволяют создать ректификационные системы с низким гидравлическим сопротивлением. Существенным недостатком пленочных испарителей является ненадежная работа устройств для распределения обрабатываемой жидкости, содержащей механические примеси и смолы.

Во второй главе разработаны математические модели растекания и перемешивания жидкости в слоях насадок из гофрированных сеток с учетом масштабного фактора.

Теоретическими исследованиями установлено, что растекание и перемешивание жидкости в горизонтальном направлении зависят от макро- и микрогеометрии насадок и подчиняются диффузионной модели:

„ЙУ, „ ....

5„Ех=0\Уг; 5,Еу=0«гЕ. (2)

Получено аналитическое решение анизотропной диффузионной модели растекания жидкости при многоточечном орошении и неограниченном растекании жидкости из каждой точки орошения, а гакже численное решение с условием, что растекание жидкости прекращается при достижении минимальной скорости течения.

Перемешивание жидкости, стекающей по насадке из гофрированной :епси, происходит в результате турбулентной и молекулярной диффузии в «сидкой пленке и за счет неоднородности поля средних скоростей течения 1 ленки. Трехмерная модель продольного перемешивания примет вид: - дс дидс дадс

+ ц—=—Си—) +—Си—1 +—Се —1 • /2 3}

£и

дг'

д2и д2и |

где т=тО/К2; u=wz/wzcp; Х=х/К; у = у/Я;

Е^гО/Я2;!, =5^/114^ 5, =5У/6УСР- (2.5)

- безразмерные параметры.

Модель продольного перемешивания жидкой фазы можно представить в виде уравнения одномерной диффузии для средней по

сечению колонны концентрации с:

^ ф_

5У—и<р—, Е3ф=Нп+¥!,П). (2.6)

Тогда для двух колонн с равными начальными и граничными условиями в безразмерных параметрах, но с различными коэффициентами растекания 1)1 и Т>2 или различного диаметра 2111 и 21Ъ получим:

/^орг); (2.7)

Е,»1=(«1 • (2-8)

Из анализа уравнений (2.7) и (2.8) следует, что увеличение коэффициентов растекания жидкости в насадке снижает влияние масштабного фактора на продольное перемешивание жидкости.

Принятые обозначения

с - концентрация, КМоль/ы3; О - коэффициент растекания жидкости в горизонтальных направлениях х, у, м; Е*. ь » - коэффициенты турбулентной диффузии в направлениях х, у, г, м2/с; Ец- безразмерный коэффициент продольного перемешивания, обусловленный неравномерным полем скоростей жидкости и ее перераспределением; К - радиус колонны, м; \\'х,х - скорость жидкости в направлениях х, у, г, м/с; х, у их - горизонтальные и вертикальная координаты, м; 5? - доля объема жидкости в насадке; индекс ср относится к осредненному значению параметров.

В третьей главе изложены методики экспериментальных исследований, приведены результаты экспериментов, часть которых направлена на проверку адекватности разработанных моделей.

Исследованиями подтверждено, что растекание жидкости в регулярной насадке из гофрированной сетки подчиняется диффузионной модели, найдены коэффициенты растекания жидкости в зависимости от геометрических размеров гофр. Определена минимальная скорость течения жидкости, при которой прекращается ее растекание в насадке. Экспериментально подтверждена теоретическая зависимость коэффициентов продольного перемешивания жидкости при неравномерном орошении от диаметра аппаратов с регулярной насадкой из гофрированной сетки.

Получена зависимость для гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки. Коэффициент гидравлического сопротивления насадки снижается с ростом ширины гофрированной сетчатой ленты. Предельные нагрузки для регулярных насадок из гофрированных сеток с различными размерами гофр удовлетворяют уравнению Шервуда с постоянными коэффициентами при подстановке в качестве свободного сечения каналов их сечения в местах стыковки рулонов насадки.

Химическим методом определена активная поверхность регулярной насадки из гофрированной сетки, которая на 20% - 65% меньше геометрической и снижается пропорционально числу точек контакта гофр в единице объема насадки. Коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе в слоях регулярных насадок из гофрированных сеток при угле наклона орошаемой поверхности до 82° к горизонту не зависят от ширины граней гофр и высоты пакетов насадки и пропорциональны средней скорости пленочного течения жидкости в степени 0,95. В условиях ректификации на системах бензол - н-гептан, диэтиленгликоль - триэтиленгликоль, н-окги-ловый - н-гептиловый спирты в диапазоне давлений от 26 до 100 кПа для насадки с удельной геометрической поверхностью от 628 до 1099 м3/м3 число теоретических тарелки на 1 м высоты составляет от 3,5 до 5,0 1/м, а гидравлическое сопротивление от 0,1 до 2,0 кПа на 1 м высоты слоя насадки в диапазоне фактора нагрузки от 1 до 3 кг^-м-^с-1.

Из результатов исследований следует, что выбор насадки с удельной геометрической поверхностью меньше 628 м2/м3 позволит эффективнее использовать эту поверхность.

В четвертой главе приведены результаты разработки и исследования усовершенствованных конструкций насадки и пленочных испарителей.

Разработана конструкция регулярной сетчатой насадки с треугольными и трапецеидальными гофрами (рисунок 4.1). Проведена оптимизация параметров насадки методом планирования эксперимента.

В качестве обобщенного параметра оптимизации [Со, 1/(кг°>5-м-°-5'С-1)] выбрано отношение удельной геометрической поверхности насадки к одной теоретической тарелке пт и фактору нагрузки Р: Со =аг/(п.т I7), (4.1)

Уравнение регрессии: Со=55,00+3,64Х.+4,05X2-6,79Хз (4.2) то Найдено оптимальное значение

параметров насадки: размер ячеек сепси в свету Х»=0,63х0,63 мм; удельная

Усовершшсяздванная насадка поверхность насадки Х2= аг - 420 м>/м>;

фактор нагрузки Хз =Р=4,36 кг°<5"М-°<5-с-'.

Исследовано растекание жидкости в слоях насадок. Жидкость, огибая прерывистые линии контакта гофр, совершает движение подобно броуновскому, а растекание и радиальное перемешивание жидкости подчиняется диффузионной модели. Минимальная скорость жидкости, при которой прекращается растекание, возрастает пропорционально удельной поверхности насадок и размера ячеек сетки и резко снижается со снижением поверхностного натяжения жидкости. Коэффициенты растекания жидкости в насадках с треугольными и трапецеидальными гофрами почти в два раза выше, чем в насадках только с треугольными

офрами. Получено уравнение для коэффициентов растекания жидкости в асадке поперек гофрированных полос :

DSy=(mo sin а)/

4m,

eos2 а

(4.3)

це а - угол наклона гофр к вертикали.

Расчетные и экспериментальные значения Dy хорошо согласуются.

Найдена экспериментальная зависимость коэффициентов со проявления слоя насадки от режимов движения газового потока. Переход от аминарного режима движения к турбулентному наступает при числе ейнольдса в интервале от 1800 до 2000.

Проведено испытание насадки в процессе вакуумной »ектификации гяиколей при остаточном давлении 1,33 кПа в габораторной колонне диаметром 0,1 м, числе точек орошения 400 1/м2 [ высоте пакетов насадки 200, 400 и 1000 мм. Увеличение высоты гакетов насадки с 200 до 1000 мм практически не влияет на число •еоретических тарелок на 1 м высоты слоя, в то время как наблюдается нижение гидравлического сопротивления примерно на 10%. В диапазоне фактора нагрузки от 1,0 до 4,5 кг^-м-^-с1 число теорети-[еских тарелок на I метр высоты слоев насадки составляет от 8 до 3 1/м.

Проведено испытание насадки в процессе вакуумной ректификации тиколей и аминов в промышленных и полупромышленной колоннах в иапазоне изменения диаметров аппаратов от 0,1 до 0,8 м и числе точек рошения 260 1/м2 (таблица 4.1).

При оптимальном факторе нагрузки F, для усовершенствованной асадки с оптимальными геометрическими размерами, параметр Со, ассчитанный для режима полного орошения в колонне № 3, на 25% иже, чем для насадки Зульцер (таблица 4.2).

В связи с меньшей геометрической поверхностью и большим вободным объемом насадки с треугольными и трапецеидальными офрами предельные нагрузки повышаются от 30% до 50%, а

гидравлическое сопротивление, приходящееся на одну теоретическую тарелку, снижается от 10% до 15%, в сравнении с насадкой Зульцер. Высокие коэффициенты растекания жидкости позволяют снизить число точек орошения на единицу сечения колонны и применять более простые и надежные распределительные устройства.

Таблица 4.1 - Рабочие характеристики насадки с треугольными и

трапецеидальными гофрами

№ колонны Давление на верху колонны, кПа Диаметр колонны, м Число теоретических тарелок на метр высоты насадки, 1/м Перепад давления на теоретическую тарелку, Па Фактор нагрузки,

Режим с отбором дистиллята

1 1,3 0,25 6,0 23 1,2

5,6 17 1,0

2 3,2 0,80 5,3 19 1,0

4,3 10 0,6

3 2,6 0,80 4,3 46 1,6

4,6 20 0,9

Режим полного орошения

3 1,3 0,8 4,5 66 2,4

3,3 245 4,4

Примечание: В колоннах № 1 и 2 система диэтаноламин-триэтаноламин; в колонне № З-диэтиленгликоль-триэтиленгликоль-тстраэтиленгликоль.

Таблица 4.2 - Параметр Со для насадки с треугольными и трапецеидальными гофрами и насадки Зульцер при оптимальном факторе нагрузки

аг, м2/м* Б, кг0.5-м-0-5-<г1 Их, 1/М Со, 1/кг0.5-М-0.5-С-«

Насадка с треугольными и трапецеидальными гофрами

420 4,4 3,3 29,2

Насадка Зульцер ВХ

500 2,4 5,0 41,7

Насадка Зульцер СУ

700 1,75 10,0 40,0

Разработана новая конструкция распределительных устройств для трямоточных и противоточных пленочных испарителей, в которой реализуется принцип регулирования распределения жидкости по трубам с отрицательной обратной связью по парообразованию в них (рисунок 4.2).

В таких испарителях увеличение расхода жидкости в какую-либо грубу (например, за счет градиента уровня жидкости на трубной решетке) увеличит парообразование в ней за счет роста коэффициента теплоотдачи эт трубы к жидкости и снижения температуры кипения при относительном снижении содержания высококипящих компонентов в iape. Увеличение парообразования увеличит давление под колпачком или татрубком с диафрагмой, что вызовет понижение уровня жидкости на тереливе и снизит расход жидкости в эту трубу (рисунок 4.3).

1-цилиндрическая греющая камера: 2-теплообменные трубы; 3 - трубная >ешетка; 4, 5-штуцер а для ввода и вывода теплоносителя; 6, 7 - штуцера щя выхода и входа обрабатываемой жидкости; 8 - штуцер для выхода (торичного пара; 9 - патрубки; 10 - колпачки; 11 - штуцер для подцер-кания над колпачками давления, равного давлению вторичного пара на (ыходе из аппарата; 12 - диафрагмы; 13 - вставка пленкообразователя. *исунок 4.2 - Противоточный (а) и прямоточный (б) пленочные ютарители, в - вставка пленкообразователя с патрубком и диафрагмой

Разработана статическая модель распределения жидкости по трубам прямоточных и противоточных пленочных испарителей, произведен анализ равномерности распределения жидкости по трубам испарителей в зависимости от градиента уровня жидкости на трубной решетке, сопротивления диафрагм патрубков или теплообменных труб движению парового потока. Распределительные устройства обеспечивают поступление жидкости во все трубы испарителя даже в том случае, когда разность уровней жидкости на трубной решетке превышает уровень жидкости на переливе в трубы более чем на порядок.

ДР^ APj+l -сопротивление диафрагм колпачков, Па; Н(, Н)+1 - уровень жидкости на переливе, м; & -ускорение свободного падения, м/с2;

рж -плотность жидкости, кг/ м3; АН - разность уровней жидкости около наиболее нагруженной и наименее нагруженной трубы, м.

Рисунок 4.3 - Схема распределения жидкости по трубам испарителя Разработана динамическая модель распределения жидкости по

трубам прямоточных и противоточных пленочных испарителей.

Дифференциальное уравнение первого порядка представляет собой

уравнение изменения уровня жидкости в распределительной камере в

результате изменения расхода жидкости на входе в аппарат:

талн лп

'~аГ

(4.4)

где Т1 - площадь сечения распределительной камеры (площадь трубной решетки за вычетом занятой распределительными устройствами), м2; I - время, с.

Уравнением второго звена является уравнение расхода жидкости на перепиве. В узком интервале изменения входной величины уравнение второго звена можно представить линейной зависимостью:

ддет=к2дн, (4.5)

где Кг - коэффициент усиления, м2/с.

Уравнение третьего звена учитывает изменение сопротивления труб или диафрагм при изменении расхода жидкости в трубы:

где Д[ДР/(£Рж)]- изменение уровня жидкости на переливе за счет изменения расхода жидкости, стекающей в трубы, м,

Кз - коэффициент, с/м2; г - время запаздывания кипения жидкости, с.

Временная характеристика звена:

Т^Ь/ЗУср, (4.7)

где уф - средняя скорость течения жидкости в теплообменных трубах, м/с;

Ь - длина теплообменных труб, м.

Звенья, входящие в структурную схему (рисунок 4.3а), являются ¡»ответственно интегрирующим, усилительным и апериодическим, а их передаточные функции могут быть представлены выражениями:

Передаточная функция системы:

К

Т3Р + 1

3-с".

ШР)

А<3С1 Л<2К Т.Т,

Т3Р + 1

ер2+

Т,

+т,

(4.8)

(4.9)

Р + К3Т1е"'# +1

О»

н

Т 1_

I- \Уз(Р) I—

н - 0»„

—дН

М

б

Рисунок 4.4 - Структурная схема распределительных устройств пленочных испарителей с синхронными (а) и асинхронными (б)

переходными процессами в трубах Из уравнения (4.9) следует, что устойчивой работы системы можно достичь при Т1->0, применяя специальную конструкцию колпачков или патрубков, тесно прилегающих друг к другу и заполняющих всю площадь распределительной камеры. Это подтвердилось при испытании физической модели испарителя. Опыты показали, что при КзТг<0,5 с пульсации исчезают. В рассматриваемых опытах 0^т£0,ЗТз.

Проведено испытание прямоточного и противоточных пленочных испарителей в промышленных условиях, производительность по вторичному пару соответствует расчетной, отсутствуют отложения на греющей поверхности труб, что указывает на эффективную работу распределительных устройств. При прочих равных условиях производительность по вторичному пару усовершенствованных испарителей в два и более раза выше, чем кипятильников с принудительной циркуляцией жидкости.

5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1 Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что растекание жидкости в слоях регулярных насадок из гофрированных сеток зависит от макро- и микрогеометрии насадок и подчиняется анизотропной диффузионной модели;

-получено численное решение анизотропной диффузионной модели растекания жидкости при многоточечном орошении с условием, что растекание жидкости прекращается при достижении минимальной скорости течения жидкости, которое подтверждено результатами экспериментов с насадками из гофрированных сеток;

-коэффициенты поперечного перемешивания жидкости в регулярных насадках из гофрированных сеток пропорциональны коэффициентам

1астекания, скорости жидкости в продольном направлении и обратно [ропорциональны обшей задержке жидкости в объеме насадки.

2. Разработана модель продольного перемешивания жидкости в лоях насадки, в соответствии с решением которой увеличение :оэффициентов растекания жидкости в насадке снижает влияние гасштабного фактора на продольное перемешивание жидкости.

3. Предельные нагрузки для регулярных насадок из гофрированных еток с различными геометрическими размерами гофр удовлетворяют равнению Шервуда с постоянными коэффициентами при подстановке в ачестве свободного сечения каналов их сечения в сужениях в местах тыковки рулонов или пакетов насадки.

4. Определена активная поверхность регулярной насадки из офрированной сетки, которая на 20% - 65% меньше геометрической и нижается пропорционально числу точек контакта гофр в единице объема асадки.

5. Коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе в слоях регулярных асадок из гофрированных сеток при угле наклона орошаемой оверхности до 82° к горизонту не зависят от ширины граней гофр и ысоты пакетов насадки и пропорциональны средней скорости леночного течения жидкости в степени 0,95.

6. Разработана усовершенствованная конструкция регулярной етчатой насадки с треугольными и трапецеидальными гофрами;

- найдены оптимальный номер сетки, фактор нагрузки и удельная гометрическая поверхность насадки, отвечающие минимуму расхода атериала сетки на единицу производительности и разделительной иособности насадки;

- коэффициенты растекания жидкости вдоль и поперек эфрированных сеток для насадки с треугольными и трапецеидальными эфрами почти в два раза превышают таковые для насадки только с

треугольными гофрами. Разработан метод расчета коэффициентов растекания жидкости в направлении поперек гофрированных сеток;

- проведено испытание усовершенствованной насадки в процессе вакуумной ректификации гликолей и аминов в лабораторной, полупромышленной и промышленной колоннах в диапазоне изменения диаметров аппаратов от 0,1 до 0,8 м и числе точек орошения от 260 до 400 1/м2. В широком диапазоне фактора нагрузки от 1,0 до 4,5 кг^'-м^-с-' число теоретических тарелок в одном метре высоты слоя насадки составляет от 8 до 3 1/м.

7. Разработаны новые конструкции распределительных устройств для прямоточных и противоточных пленочных испарителей, в которых реализуется принцип регулирования распределения жидкости по трубам с отрицательной обратной связью по парообразованию в них, повышающие качество аппаратов;

- разработаны статическая и динамическая модели распределения жидкости по трубам прямоточных и противоточных пленочных испарителей. Распределительные устройства обеспечивают поступление жидкости во все трубы испарителя даже в том случае, когда разность уровней жидкости на трубной решетке превышает уровень жидкости на переливе в трубы более чем на порядок;

- проведено испытание прямоточного и противоточных пленочных испарителей в промышленных условиях, производительность по вторичному пару соответствует расчетной, отсутствуют отложения на греющей поверхности труб.

8. Использование колонн с регулярной сетчатой насадкой с треугольными и трапецеидальными гофрами и усовершенствованных пленочных испарителей в процессах вакуумной ректификации термически нестойких веществ позволило повысить качество и увеличить отбор целевых продуктов, снизить количество отходов, повысить производительность установок и надежность оборудования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Klykov M. V., Rogozin V. I., Cvinukhov A. G., Panchenkov G. M. iterfacial contact area in a countercurrent mass transfer apparatus with netted acking // International Chemical Engineering. -1977. -Vo. I. -№ 1. -P. 112-114.

2. Клыков M. В., Свинухов А. Г. Растекание жидкости в слое сегча-ой насадки // Химия и технол. топлив и масел. -1978. -№ 7. - С. 40- 42.

3. Клыков М. В., Свинухов А. Г. Гидравлическое сопротивление и янамическая задержка жидкости в слоях сетчатой насадки // Химия и ехнол. топлив и масел. -1978. -№ 12. - С. 37- 40.

4. Клыков М. В., Свинухов А. Г., Панченков Г. М. Орошение ппаратов с регулярной сетчатой насадкой // Хим. пром. - 981. -Ко 6. -С. 44 47.

5. Клыков М. В., Свинухов А. Г., Измайлов Р. Б. Расчет продольного еремешивания жидкой фазы в колоннах с сетчатой насадкой при еравномерном орошении // Хим. пром. - 1982. - № 9. - С. 43 - 45.

6. А. с. № 965439 СССР, МКИ3 В 01 D 1/22 Пленочный выпарной .ппарат / М. В. Клыков, А. Г. Свинухов, Р. Б. Измайлов (СССР). -№ 2811096/ 23-26; Заявлено 17.08.79; Опубл. Бюл. № 38, 15.10.82.

7. А. с. № 993967 СССР, МКИ* В 01 D 1/22 Выпарной пленочный ппарат / М. В. Клыков, А. Г. Свинухов, Р. Б. Измайлов (СССР).

2970927/ 23-26; Заявлено 05.08.80; Опубл. Бюл. № 5, 17.02.83. '

8. Клыков М. В. Закономерности распределения жидкости в слоях егулярных насадок из гофрированных сеток// Хим. пром. - 1984. - № 3. -î. 44 - 47.

9. А. с. 1095969 СССР, МКИ3 В 01 D 53/20. Способ изготовления улонов насадки / М. В. Клыков, М. А. Нафиков (СССР). -№ 3454875/ 236; Заявлено 21.06.82; Опубл. Бюл. № 21, 07.06.84.

10. Клыков М. В Совершенствование конструкции регулярных гасадок для массообменных колонн //Пятая Всесоюзная конференция по

теории и практике ректификации. Часть 2. сб. /ГосНИИметалпроект. -1984. -С. 10-12.

11. Клыков М. В., Измайлов Р. Б., Фомичева Л. А. Разработка и исследование пленочного испарителя с падающей пленкой //Пятая Всесоюзная конференция по теории и практике ректификации. Часть 2. сб. /ГосНИИметалпроект. -1984. - С. 10-12.

12. А. с. 1149479 СССР, МКИ3 В 01 О 53/20. Насадка для тепломассообменных аппаратов /М. В. Клыков, С. Н. Сандалов (СССР). -№ 3595802/ 23-26; Заявлено 26.05.83; Опубл. Бюл. № 22, 15.05.86.

13. Клыков М. В., Ларцев А. Б., Перлов Н. А., Пурис С. В. Совершенствование конструкций пленочных испарителей с цепью повышения их надежности //Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности: тезисы докладов 1-ой Всесоюзной науч. - техн. конф. сб. /УНИ; ВНИИнефтемаш. -1987. - С. 4 - 5.

14. А с. 1430135 СССР, МКИ* В 21 О 13/04. Способ изготовления гофр на длинномерной сетчатой заготовке /М. В. Клыков, Р. А. Абдрашитов (СССР). -№ 4213103/ 25-12; Заявлено 23.03.87; Опубл. Бюл. № 38, 15.10.88.

15. А. с. № 1428398 СССР, МКИ3 В 01 О 1/22 Выпарной пленочный аппарат / М. В. Клыков, М. 3. Максименко, Р. Б. Измайлов, В. А. Шальков (СССР). 3962829/31-26; Заявлено 09.10.85; Опубл. Бюл. №37, 07.10.88.

16. Клыков М. В. Гидродинамика потоков в слоях насадок из гофрированных сеток // Теппомассообменное оборудование: Всесоюзное совещание. - 88. сб. /ЦНТИхимнефтемаш. -1988. - С. 67 - 68.

17. Клыков М. В. Распределение жидкости в пленочных испарителях // Хим. технология. - 1989. - № 1 (163). - С. 67 - 72.

18. А. с. № 1581373 СССР, МК№ В 01 I 19/30 Способ монтажа регулярной насадки в аппараты колонного типа /М. В. Клыков,

И. Н. Сисин, Р. И. Насибуллин (СССР). 42368999/31-26; Заявлено 23.03.88; Опубл. Бюл. № 28, 30.07.90.

19. А. с. № 1790965 СССР, МКИ* В 01 Б 1/22 Пленочный выпарной аппарат/ М. В. Клыков, Н. В. Патрина (СССР). -№ 4802218/26-26; Заявлено 17.08.79; Опубл. Бюл. №4, 15.10.82.

20. Клыков М. В., Свечников А. В. Модернизация выпарных пленочных аппаратов // Экономический рост: проблемы развития науки, техники и совершенствование производства: межвуз. науч. -техн. конф. сб. - СтФ УГНТУ. - 1996. - С. 24.

21. Клыков М. В. Эффективность колонн вакуумной ректификации с регулярной насадкой //Химические реактивы, реагенты и процессымалотоннажной химии: десятая Всероссийская конф. по хим. реактивам, сб. / Реактив. - 1997. - С. 136.

22. Клыков М. В. Гидродинамика и массообмен в слоях насадки из гофрированных сеток //Актуальные вопросы механики, электроники, физики земли и нейтронных методов исследований: Всероссийская науч.

конф. сб. /СтФ УГНТУ. -1997. - С. 21 - 23.

Соискатель

М. В. Клыков

Лицензия ЛР№ 030678 от 22.01.96 Подписано к печати 30.06.98. Формат бумаги 60 х 84 1/16 Бумага ксероксная. Печать по методу ризографии. Тираж 100 экз. Зак.58.