Методология построения структуры математической модели гидродинамики и кинетики массопередачи для системы пар — жидкость

Развитие современной химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности ориентировано на создание агрегатов большой единичной мощности, работающих без резерва.

Массообменной колонной аппаратуре в решении этой задачи отводится одно из первых мест. В настоящее время созданы промышленные массообменные аппараты, обеспечивающие переработку сырьевых потоков по нефти до 9 млн т в год, по каталитическому крекингу до 2 млн т в год и т. д. В этих условиях диаметр ректификационных колонн достигает 12 м при высоте несколько десятков метров.

Расчет и проектирование таких аппаратов должны опираться на современные представления о моделировании массообменной колонной аппаратуры, обеспечивающие оптимальные число тарелок и диаметр аппарата, а также минимальные энергозатраты на единицу целевого продукта.

При конструировании крупномасштабных массообменных аппаратов, снабженных барботажными тарелками с переливом, используется несколько приемов, направленных на повышение эффективности массообмена в пределах площади тарелки. В частности, одним из направлений является интенсификация локального процесса массообмена между газом и жидкостью в точке, что достигается увеличением газосодержания пены или, что-то же самое, поверхности контакта фаз. Второе направление используется в основном для повышения эффективности тарелок диаметром свыше 1200 мм и предусматривает продольное и поперечное секционирование площади барботажа на ряд участков меньшего размера. При этом предполагается, что потоки на этих участках распределены равномерно и тем самым обеспечиваются условия высокоэффективной работы тарелок в целом.

Ряд отечественных ученых используют эти направления совместно и пути дальнейшего повышения эффективности с использованием такого подхода практически исчерпаны.

Известны также контактные устройства, в которых пар выходит из-под прорезей в сторону слива. При этом устройства для прохода пара могут быть выполнены в виде пластин, язычков, клапанов и т. д. Однако произвольное расположение прорезей по всей площади барботажа не обеспечивает высокоэффективного режима движения пенного слоя, близкого к режиму идеального вытеснения. Предлагается также для увеличения эффективности всех типов тарелок осуществлять направленный ввод парового потока в жидкость путем ориентации элементов на полотне тарелки (язычки, клапаны, пластины, колпачки и т. д.) в строго определенных местах площади барботажа и под определенным углом к потоку жидкости.

Однако анализ показал, что вышеуказанные конструктивные приемы на полотне тарелки приводят к высокой эффективности аппарата в целом при условии движения жидкости на всех тарелках по высоте аппарата в одном направлении (прямоточное движение жидкости).

Широкое распространение получил также способ интенсификации технологического процесса, не требующий изменений в конструкции аппарата, путем создания нестационарности температурных полей (для реакторов) либо парожидкостных потоков (для массообменных аппаратов).

В таком случае появляется возможность целенаправленного формирования полей концентрации, температур, давлений, которые способствуют значительному снижению энергозатрат, повышению качества продукта, увеличению мощности действующего и вновь проектируемого производства, снижению металлоемкости оборудования при минимальных капиталовложениях.

Системный подход к исследованию структуры парожидкостных потоков позволяет осуществлять целенаправленное конструирование тепломассообменных аппаратов и реакторов.

Стратегия системного подхода к исследованию диффузионных процессов основана на предварительном анализе априорной информации о физических особенностях процесса и качественном анализе структуры математических зависимостей, которые могут быть положены в основу описания процесса массообмена на тарелках барботажного аппарата. Процесс массопередачи включает рассмотрение его на микрои макроуровнях (молекулярное и макромолекулярное взаимодействие).

На микроуровне рассматриваются все элементы дисперсной фазы (пузырь, капля) и все явления, происходящие как в объеме, так и на межфазной границе. Явления, происходящие на микроуровне определяют гидродинамическую обстановку в локальном объеме аппарата. На макроуровне исследуется совокупность явлений, характеризующих гидродинамическую обстановку в аппарате в целом. Исходными факторами, определяющими специфику этого уровня, служат конструктивные особенности аппарата.

Совместное влияние трех факторов — перемешивания потоков, возмущений, вносимых с входными потоками, и геометрических особенностей объема аппарата — приводит к формированию определенной топологии потоков в масштабе аппарата (структуре парожидкостных потоков).

В процессе изменения гидродинамической структуры потока в масштабе аппарата изменяются и ее основные количественные характеристики: распределение глобул сплошной и дисперсной фаз по траекториям, по времени пребывания в аппарате, удерживающие способности по сплошной и дисперсной фазам, распределение включений дисперсной фазы по размерам и т. п.

Авторами учебника был изучен ряд направлений по интенсификации процесса тепломассопередачи за счет равномерного распределения сплошной и дисперсной фаз в объеме аппарата конструктивными приемами и за счет организации движения потоков фаз по строго определенному нестационарному закону.

Как известно, поверхность контакта фаз на барботажных тарелках массообменных аппаратов образуется за счет уменьшения кинетической энергии газового потока, проходящего через слой жидкости, т. е. обусловливается гидравлическим сопротивлением «мокрой» тарелки.

С другой стороны, известно, что движение жидкости по горизонтальной плоскости тарелки обусловлено наличием градиента уровня жидкости и, следовательно, градиента гидравлического сопротивления по длине пути жидкости. При этом пенный слой (или эквивалентный слой светлой жидкости) имеет форму «вогнутой чаши» с минимальной толщиной в геометрическом центре тарелки (рис. 3.1, а).

Рис. 3.1. Структура и характер движения пенного слоя на тарелке колонны.

Разность уровней составляет 4 — 20 мм ст. Н2О и зависит от диаметра тарелки и нагрузок по фазам. Это приводит к неравномерной локальной эффективности массообмена по длине пути жидкости, и с увеличением диаметра тарелки эта неравномерность возрастает. Возникновение такого типа неравномерности, называемой «продольной», связано с характерными процессами, происходящими на тарелке.

Жидкость поступает на-рабочую часть тарелки, свободно перетекая через приемную планку высотой Л|, взаимодействует с газом и постепенно переходит в пену, но на участке, равном (5 — 6) А), возле приемной планки продолжает свое движение в виде «клина» светлой жидкости. На участке (4 — 5) h у сливной планки слой пены тормозится и происходит обратный процесс — разрушение пенного слоя и образование «клина» светлой жидкости. На этих участках плотность пены значительно выше, чем в центре рабочей части тарелки, что и приводит к неравномерной локальной эффективности массообмена по длине пути жидкости. Кроме продольной неравномерности в структуре пенного слоя на тарелке наблюдается эффект, который принято называть «поперечной неравномерностью». Появление этого типа неравномерности объясняется, помимо возникающего у вертикальной неподвижной стенки «клина» светлой жидкости, формой барботажной тарелки. Наблюдается этот эффект не только на круглых тарелках, но и на прямоугольных лотках, у которых длина соизмерима с шириной.

Движение слоя пены на барботажной тарелке (рис. 3.1, б) осуществляется в «канале» переменного сечения, образованном цилиндрическими стенками колонного аппарата: до середины тарелки слой пены движется в расширяющемся «канале», вторая половина пути жидкости происходит в сужающемся «канале». Если бы пенный слой подчинялся законам течения идеальной жидкости, то на первой половине пути жидкости его скорость уменьшилась бы до величины, определяемой отношением минимальной ширины потока к максимальной, причем профиль скорости по сечению тарелки остался бы равномерным. При дальнейшем течении жидкости все изменения должны произойти в обратном направлении. Но так как слой пены не подчиняется этим законам, то в действительности на барботажной тарелке происходит следующее: ядро потока вдоль продольной оси движется равномерно и однонаправленно от входной перегородки к сливной независимо от изменения поперечного сечения «канала». Слева и справа от ядра потока (практически на участке, ограниченном линией, соединяющей концы перегородок, шириной Ь) поток имеет противоположное направление движения — рециркулирующий поток. Эта картина движения пенного слоя была получена рядом исследователей экспериментально и наиболее отчетливо наблюдается на тарелках диаметром свыше 1200 мм. Описанное движение пенного слоя и приводит к поперечной неравномерности в структуре потока жидкости, значительно снижающей эффективность работы барботажной тарелки.

Таким образом, можно заключить, что повышение эффективности барботажных тарелок можно достичь путем устранения продольной и поперечной неравномерностей в структуре потока жидкости, т. е. организацией режима движения пенного слоя, близкого к режиму идеального вытеснения, при котором достигается максимальная разделительная способность.

Так, например, рост эффективности ситчатой барботажной тарелки достигался за счет направленного ввода парового потока в жидкость в строго определенных местах площади барботажа: в зонах, прилегающих к приемной и сливной перегородкам по направлению движения основного потока жидкости к сливу; в зонах, прилегающих к боковым стенкам колонны по направлению, повторяющему конфигурацию боковых стенок колонны.

Способ повышения эффективности барботажных тарелок, осуществляемый путем направленного ввода парового потока в строго определенных местах площади, наиболее перспективен, так как позволяет исключить все виды неравномерностей, выровнять профиль скоростей в продольном и поперечном направлениях и достичь структуры потока жидкости, близкой к идеальному вытеснению.

Этот метод и следует взять за основу при автоматизированном конструировании барботажных тарелок массообменных аппаратов.

Основными этапами, предшествующими поиску оптимального конструктивного решения, являются:

• 1) создание автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) с комплексом программ для определения и обработки исходной информации от объекта исследования;
• 2) определение структуры математической модели потока жидкости;
• 3) получение аналитических зависимостей параметров математической модели от гидродинамических условий на тарелке;
• 4) создание и отработка методики по определению параметров математической модели структуры потока жидкости на тарелке.

Как показал анализ литературных источников, для поиска оптимальных конструктивных параметров необходимо использовать плановое ведение экспериментальных работ. Поэтому создание АСНИ для обработки экспериментальных данных является неотъемлемой частью этой большой и трудоемкой работы. Ниже рассмотрены все этапы оптимального конструирования на примере нормализованных ситчатых тарелок с переливом.