Абсорбция в центробежных пленочных аппаратах и методы ее расчета

Создание высокоэффективных аппаратов с малой материалоемкостьюцель любого исследования. Повышение эффективности аппаратов в рамках одного принципа работы возможно за счет внешнего подвода энергии, в частности с помощью центробежных сил. Так использование центробежных полей, воздействующих на фазы внутри аппаратов, позволяет наряду с увеличением производительности этих аппаратов, снизить межфазное сопротивление теплои массообмену, уменьшить время пребывания веществ в аппарате (что особенно важно для тепловой обработки термолабильных веществ), улучшить управляемость процессами за счет изменения гидродинамических факторов, стабилизировать параметры пленки и сохранить пленочный режим при больших расходах жидкой фазы, развить гидродинамику потоков влияющую на скорость течения тепломассообменных процессов и т. д.

Наряду с традиционным использованием центробежных аппаратов в химической, нефтедобывающей, фармацефтической, пищевой промышленности и т. д.- они нашли применение как абсорберы в задачах очистки отходящих газов при решении экологических проблем. На базе центробежных абсорберов разрабатываются: биореакторы, системы жизнеобеспечения экипажей космических кораблей, холодильное оборудование и т. д.

Создание новых аппаратов, модернизация и оптимизация параметров действующего оборудованиятребуют обоснованных методов как теоретического расчета параметров, так и экспериментального исследования его составных элементов.

Цель работы. Целью данной работы является:

— исследование абсорбции в тонких плёнках жидкости текущих в центробежном поле и изучение влияния на процесс различных тепловых эффектов;

— разработка методики инженерного расчета процесса абсорбции газа пленкой жидкости, текущей по поверхности массообменного элемента центробежного аппарата;

— внедрение результатов исследований в промышленную и научную практику.

Методы исследования. Достижение поставленной цели осуществлялось теоретическими и экспериментальными методами исследования. Теоретическая часть основана на модели пограничного слоя, построенной в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа. Решения систем осуществлялись методом интегральных соотношений примененным к плёнкам конечной толщины. Полученные системы обыкновенных дифференциальных уравнений решались численно на ЭВМ типа IBM РС-АТ386 методом РунгеКуттаМер-сона. Экспериментальная часть основана на методе постоянного давления. В результате экспериментальных исследований определено количество углекислого газа абсорбируемого пленкой воды в центробежном полев зависимости от частоты вращения гладкого конуса и расхода абсорбента. Проведено сравнение результатов теоретических исследований с данными экспериментов и предложена приближённая методика аналитического расчета процесса абсорбции.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:

— проведены численные эксперименты абсорбции хорошоередне-и плохорастворимого газа пленкой жидкости в центробежном поле осложнённой тепловыми эффектамиопределены толщины пограничных слоев, локальные характеристики процесса абсорбции в плёнке жидкости и газе;

— предложена методика аналитического расчета абсорбции плохо-растворимого газа в центробежном поле;

— разработана методика обработки экспериментальных данных процесса абсорбции согласованная с данными численных экспериментов;

Практическая ценность разработанных теоретических моделей заключается в возможности детального исследования гидродинамики, тепломассообмена двухфазных систем с целью проведения оптимизации технологических и режимных параметров аппаратов, осуществлять расчет размеров КЭ в зависимости от требований процесса и свойств обрабатываемых продуктов. Предложены методики инженерного расчета и экспериментальных исследований абсорбции газов.

Реализация в промышленности. Разработанные методики использовались при проектировании и внедрении центробежных пленочных аппаратов для производства оксиэтилированных алкилфенолов и абсорбционной очистки окислов азота при производстве спецпродуктов. В случае производства оксиэтилированных алкилфенолов реальный экономический эффект на один реактор составил 208 тыс.330 руб. в год (в ценах 1991 года). Гарантированный экономический эффект на один абсорбер составил 55 тыс. руб. в год (в ценах 1988 года).

Автор защищает:

— Результаты теоретического и экспериментального исследования изои неизотермической абсорбции хорошо-, среднеи плохораство-римых газов в центробежных пленках ньютоновских жидкостей.

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

— Инженерную методику расчета процеса абсорбции в центробежной плёнке ньютоновской жидкости, текущей по гладкому коническому элементу абсорбера.

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

Диссертационная работа состоит: из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Общий объём работы составляет- 211 страниц.

В первой главе осуществляется обзор применения центробежных пленочных аппаратов в промышленности и рассматриваются их основные конструкции. Проводится анализ существующих теоретических моделей, описывающих массообмен на границе раздела фаз. Осуществляется критический обзор опубликованных теоретических и экспериментальных исследований процессов теплои массообмена в полях массовых сил.

Во второй главе теоретически исследуется абсорбция плохорастворимого газа в отсутствии теплоты абсорбции, изучается влияние различных профилей концентрации на расчетные параметры массообмена, рассматривается задача абсорбции (десорбции) плохорастворимого газа в случае нагрева (захолаживания) плёнки жидкости с учётом изменения её вязкости в зависимости от температуры, теплообмена и испарения в окружающую среду.

В третьей главе теоретически рассмотрен процесс неизотерми-ческой абсорбции с учётом влияния тепла растворения на движущую силу абсорбции.

В четвёртой главе построена модель и проведён численный машинный эксперимент процесса абсорбции газа в центробежном поле с учетом сопротивления массопереносу со стороны газовой среды.

В пятой главе приводится схема и описание экспериментальной установки по изучению элементов центробежных абсорберов, методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных, методика инженерного расчета элементов центробежных абсорберов и проведено сравнение опубликованных и полученных экспериментальных данных с результатами теоретического исследования.

Приложение содержит схему экспериментальной установки, таблицу экспериментальных данных, документы о внедрении.

Работа выполнена на кафедрах гидравлики и охраны окружающей среды Казанского государственного технологического университета. Тема выполненной работы сооответствует координационным планам АН РФ «Теоретические основы химической технологии» на 1985;1990 по проблеме 2.27Л Л.7 «Разработка и исследование тепломассообмен-ных аппаратов роторного типа для получения химических продуктов и утилизации отходов» -РАН-на 1991;1995 годы по проблеме 2.27.1 Л.3 «Гидродинамика, теплои массообмен при тонкопленочном течении жидкостей в поле центробежных сил», а также по проблеме 2.27.2.4.1 «Абсорбция и десорбцияабсорбция с химическими реакциями в плёнках жидкостей, текущих в поле центробежных сил» .

Автор признателен кандидатам технических наукВредневу В.М., Гаврилову Е. Б. и Булатову A.A. за помощь и консультации по проблемам, которые возникали в процессе работы.

I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

ВЫВОДЫ:

1.Предложена конструкция экспериментальной установки для исследования элементов центробежных абсорберов, основанная на методе постоянного давления.

2.Разработана методика обработки экспериментальных данных и получены расчётные формулы для определения интегрального потока абсорбируемого газа, коэффициентов массоотдачи, критерия Шервуда, среднерасходной концентрации.

3.Показано, что как и в случае гравитационной плёнки, при расчёте движущей силы процесса абсорбции в центробежной плёнке необходимо применять срвднелогарифмическую концентрацию.

4.Разработана простая методика инженерного расчёта, не требующая численного машинного эксперимента, массообменных элементов центробежных абсорберов. Учёт особенностей геометрии массообменно-го элемента осуществлён на основе полученного «характерного масштаба модели» — / .

5.Проведены исследования процесса абсорбции двуокиси углерода водой в центробежном поле при следующих параметрах:

— диапазон измерения расхода абсорбента.(30−120)"Ю-6? ;

— чисел оборотов КЭ .250−600

— температуре фаз .6−40 (°С).

Теоретические значения интегрального потока абсорбируемого газа, в случае водной абсорбции двуокиси углерода, описывают экспериментальные значения с погрешностью до 20% (см. Приложение, табл.1 Л).

6.Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных показал их адекватность при всех рассмотренных режимных параметрах.

7.Показано, что при абсорбции газа в центробежном поле локальный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе возрастает (при одинаковых гидродинамических условиях) с увеличением начальной температуры абсорбента. Причём его рост пропорционален ехр (0.023-го), что совпадает с экспериментальными данными для гравитационных пленок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

:

Центробежные тепломассообменные аппараты из-за своих преимуществразвитой гидрои газодинамики потоков, малого гидравлического сопротивления и отсутствия застойных зон, ограниченного времени контакта веществ с нагретыми частями аппарата, возможности использования тепломассообменных элементов в качестве насосов, высоких коэффициентов теплои массопередачи и т. д.- находят всё большее применение в малотоннажном производстве продуктов в таких областях промышленности, как химическая, нефтедобывающая, биологическая, а также холодильной и космической технике, при решении проблем экологии и т. д.

В данной работе, посвященной теоретическим и экспериментальным исследованиям абсорбции на гладких конических элементах НА, получены следующие результаты:

I.Решена задача изотермической абсорбции в центробежном поле плёнкой жидкости, текущей по внутренней поверхности гладкого конуса. Процесс, в рамках модели пограничного слоя, условно рассматривается в двух взаимозависимых областях:

— Формирования ДПС в жидкости:

— установления равновесия массообмена.

Численное моделирование позволило сделать следующие выводы: локальный коэффициент массоотдачи в плёнке жидкости убывает к концу первой области и возрастает во второй, проходя через минимальное значение в точке смыкания ДПС с поверхностью конусакритерий Шервуда асимптотическн стремится к постоянному числовому значениюравному 40/11.

2.Проведено исследование влияния профилей концентрации (экспоненциальный, линейный, параболический) на параметры массообмена в области развития ДПС. Результат исследованиямоделирование массообмена на основе параболы и экспоненты даёт близкие результаты, но моделирование с помощью экспоненциального продля увеличивает трудоёмкость вычислительного процесса.

3.Рассмотрен сопряженный теплои массоперенос в центробежной стационарной гладкой ламинарной плёнке жидкости с учётом её испарения и теплообмена в окружающий газ. Модель строится в приближении пограничного слоя. Влияние температуры на изменение движущей силы процесса учтено гипотезой линейности абсорбента. В модели также учтено влияние температуры абсорбента на его коэффициент динамической вязкости. Задача рассматривается в следующих взаимозависимых областях:

— Формирования ТПС и ДПС;

— установления теплового равновесия и формирования ДПС;

— установления тепломассообменного равновесия.

На основе решения модели сделаны следующие выводы: длина формирования ДПС может служить масштабным параметром при оптимизации массообмена в плёнках жидкости на КЗ ЦА, является параметром, характеризующим приближение системы к равновесиюабсорбция практически прекращается на длине, равной 3.5−4.0 длинам области формирования ДПС в жидкости (здесь величина движущей силы процесса составляет менее 1% от первоначального значения). температура поверхности плёнки жидкости успевает выровняться раньше, чем заканчивается формирование ДПС;

4. Рассмотрена неизотермическая абсорбция газов в плёнку вязкой жидкости с учётом теплообмена и испарения в окружающую среду. Задача решена в предположении, что на свободной поверхности плёнки жидкости устанавливается равновесная концентрация абсорбируемого газа, связанная с локальной температурой поверхности в виде линейной зависимости. Модель построена в приближении пограничного слоя.

Численное решение уравнений модели позволило сделать следующие выводы: как в случае изотермической абсорбции, критерий Шервуда стремится к постоянному числовому значению, равному 40/11;

ДПС не описывается однозначной функцией вдоль образующей КЭ, а зависит от теплообмена и испарения в окружающую среду и тепловыделений при абсорбциипротяжённость формирования ДПС может служить масштабным параметром при проектировании КЭ ЦА;

5. Построена и решена модель процесса изотермической абсорбции газа в центробежном поле с учётом сопротивления газовой среды и граничных условий четвёртого рода. Модель охватывает случаи абсорбции плохо-, среднеи хорошорастворимых газов пленками жидкости в поле центробежных сил. Решение задачи осуществляется в двух взаимозависимых областях.

На основе решения модели сделаны следующие выводы: критерий Шервуда в газовой фазе остаётся постоянным вдоль образующей КЭ и в случае Бсг=1 равен 5. в случае абсорбции хорошои среднерастворимых газов, их концентрация у границы раздела фаз является переменной величиной, изменение которойнеобходимо учитыватьобщий характер изменения потока абсорбируемого газа вдоль КЭ совпадает с аналогичными результатами, полученными для гравитационных плёнокв случае Бсг=1- толщины динамического и ДПС в газе совпадаютсоотношение между членами (1-€аг)Л)гг и ф (1-£а)/Вгж-определяют отношение абсорбируемого газа к их условной градации на хорошо-, среднеи плохорастворимыеплохорастворимый газ, по мере его поглощения вдоль образующей КЭ проходит три стадии: хорошо-, среднеи плохораство-римую. Эти стадии меняются в зависимости от удаления от начальной точки возникновения абсорбции.

6. Разработана экспериментальная установка, основанная на методе постоянного давления и предназначенная для исследования элементов ЦА.

7. Предложены методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных в случае абсорбции плохорастворимых газов.

8. На основе модели плохорастворимого газа предложена простая методика инженерного расчёта гладких КЭ плёночных ЦА.

9. Приведённая методика инженерного расчёта была использована в оптимизации режимов работы реактора центробежного типа в совершенствовании технологии производства оксиэтилированных алкил-фенолов, внедрённого на 0ПУ-30 в г. Альметьевске (ТПУ «Татнефте-промхим»). Реальный экономический эффект составил 208 тыс. руб. в год на аппарат (по состоянию цен на 1990 г. см. Приложение).

10. С помощью приведённой методики были рассчитаны режимы эксплуатации роторных аппаратов для регенерации отработанных растворителей в опытном производстве НИИХП (п/я В-2281). Гарантированный экономический эффект от эксплуатации одного аппарата составил 55 тыс. руб. в год (состояние цен на 1986 год).