УДК 66.02.071.7 На правах рукописи

ХУСАНОВ аЛИШЕР еВАДИЛЛОЕВИЧ
Структура потоков и массообмен в тепломассообменных аппаратах с

вращательно-вихревым взаимодействием фаз

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан

Шымкент, 2010

Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете

им. М.О. Ауезова.

Научный руководитель: д.т.н., профессор Сабырханов Д.С.
Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Муратов А.С.

к.т.н. Игнашова Л.В.

Ведущая организация: Таразский государственный университет им.М.Х.Дулати
Защита состоится 30 июня 2010г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5, ауд. 342 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5, главный корпус, ауд. 215.

Автореферат разослан «____»_______________ 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Волненко А.А.

Введение

Общая характеристика работы. Рост производства нефтехимической продукции осуществляется как за счет разработки новых установок и агрегатов большой единичной мощности, так и реконструкции действующих производств с модернизацией основных аппаратов. Особое значение имеет увеличение производительности абсорбционных и ректификационных колонн путем интенсификации массообменных процессов.

Необходимость снижения капитальных затрат при создании технологических установок большой единичной мощности и повышения эффективности существующих аппаратов при реконструкции действующих производств привела к созданию вихревых аппаратов прямоточного и противоточного взаимодействия фаз с регулярной насадкой, удельная производительность которых в несколько раз выше, чем у колонн барботажного типа.

Анализ современных методов очистки газов в двухфазной среде показывает, что наиболее предпочтительными являются центробежный и вихревой механизмы, позволяющие организовать очистку газов за счет сил инерции, центробежной силы и создания вихревого взаимодействия потоков. Действие аппаратов с регулярной подвижной насадкой основано на вихревом взаимодействий фаз, а изготовление специальных контактных элементов позволяет также обеспечить центробежное взаимодействие потоков.

Актуальность проблемы. В настоящее время созданы и успешно эксплуатируются аппараты с регулярной подвижной насадкой (РПН), сочетающие механизмы центробежного и вихревого взаимодействия потоков. Это приводит к существенной интенсификации процессов массообмена при сравнительно низких энергозатратах.

Вместе с тем аппараты РПН имеют резервы для повышения их эффективности. Так, изготовлением насадочных элементов в виде усеченных полых конусов с лопастями создается возможность организации дополнительной крутки вихрей, образующихся за обтекаемыми контактными устройствами, что позволит получить развитую межфазную поверхность, а, следовательно, интенсифицировать процессы массообмена.

Однако, в настоящее время отсутствуют теоретические и экспериментальные основы исследований структуры потоков, гидродинамики и массообмена в аппарате с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, доведенные до практического применения, что сдерживает их широкое использование в промышленности.

Разработка инженерной методики расчета аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием потоков на основе теоретического и экспериментального изучения структуры потоков взаимодействующих фаз и массообмена с последующей проверкой в промышленных масштабах является актуальной задачей, решаемой в данной работе.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ЮКГУ им. М.Ауезова Б-НГ-06-05-03 «Разработка методологии проектирования, конструирования и расчета высокоэффективных аппаратов и устройств общепромышленного назначения» на 2006-2010г.г.

Цель работы: разработка высокоэффективного тепломассообменного аппарата на основе организации вращательно-вихревого взаимодействия газожидкостного потока, научно-обоснованного метода расчета и рекомендаций по проектированию, а также внедрение созданной конструкции в промышленность.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- выявление механизмов образования и взаимодействия вихрей при обтекании регулярно размещенных контактных устройств в виде усеченных полых конусов в вертикальном и радиальном направлениях и установление условий обтекания потоками газа и жидкости;

- экспериментальное исследование продольного перемешивания потока жидкости в слое контактных устройств в виде усеченных полых конусов и вывод уравнения для расчета коэффициента продольного перемешивания жидкой фазы;

- теоретическая и экспериментальная оценка диаметра капель жидкости, а также толщины пленки жидкости на поверхности контактных устройств в виде усеченных полых конусов с тангенциальными лопатками;

- выявление гидродинамических закономерностей и эффективности процесса массообмена от режимных и конструктивных параметров аппарата с вращательно- вихревым взаимодействием фаз;

- разработка расчетных зависимостей для определения коэффициентов сопротивления сухого и орошаемого аппарата, коэффициентов массоотдачи в жидкой и газовой фазах;

- разработка математической модели процесса массопереноса с учетом коэффициента продольного перемешивания жидкости;

- практическая апробация основных результатов исследований в производственных условиях;

- создание методики расчета аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз и разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации разработанного аппарата.

Основная идея и внутреннее единство работы. Основная идея заключается в использовании закономерностей вихревого взаимодействия потоков с организованной закруткой вихрей в зоне их формирования для интенсификации процесса массопереноса во вращательно-вихревых аппаратах.

Результаты работы в виде теоретических и экспериментальных исследований структуры потоков и массообмена были использованы для обоснования режимных и конструктивных параметров аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, создания инженерной методики расчета, рекомендаций по проектированию и эксплуатации, и апробации в промышленных условиях, что подтверждает внутреннее единство выполненной работы.

Методы и объекты исследований. При выполнении работы использованы современные методы экспериментального исследования гидродинамики и массообмена, математического моделирования и численные эксперименты.

Объектом исследования явились лабораторные и промышленные установки с тепломассообменным аппаратом с вращательно-вихревым взаимодействием фаз.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований выявлена возможность значительного повышения эффективности процессов массообмена путем создания в одной контактной ячейке центробежного и вихревого взаимодействия фаз при обтекании контактных устройств в виде усеченных полых конусов. При этом:

- исходя из условия равновесия сил динамического напора газа и жидкости и силы сопротивления, оптимизировано известное уравнение для оценки частоты вращения газожидкостного потока при прохождении контактных устройств в виде усеченных полых конусов применительно к сухому и орошаемому аппарату;

- с учетом местной закрутки потоков, при прохождении лопастей контактных устройств и, исходя из анализа сил, действующих на пленку жидкости с образованием струй и последующим распадом их на капли под действием вращающихся вихрей получены уравнения для определения средних значений толщины пленки и размера капель;

- с использованием положений теории о локальной изотропной турбулентности и диссипации энергии предложены расчетные уравнения коэффициентов продольного перемешивания жидкости, массоотдачи в жидкой и газовой фазах в аппаратах с вращательно-вихревым взаимодействием потоков;

- с учетом выявленных гидродинамических закономерностей взаимодействия вихрей и воздействия на них местной закрутки, получены зависимости для расчета коэффициентов сопротивления регулярно размещенных контактных устройств в виде усеченных полых конусов с тангенциальными лопатками в однофазном и двухфазном потоках, гидравлического сопротивления сухого и орошаемого аппарата и количества удерживаемой жидкости;

- дано математическое описание процесса массопереноса с учетом структуры потоков по диффузионной модели для жидкой, и по модели идеального вытеснения для газовой фазы в контактных зонах аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием потоков.

Научные положения, выносимые на защиту:

- модель взаимодействия тороидальных вихрей при обтекании контактных устройств в виде усеченных полых конусов, регулярно размещенных в контактной зоне аппарата;

- расчетные зависимости для определения частоты вращения потоков в зоне формирования вихрей;

- формулы для расчета средней толщины пленки на поверхности контактных устройств, диаметра капель, образующихся при дроблении струй;

- уравнение для расчета коэффициента продольного перемешивания жидкости;

- уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в жидкой и газовой фазах;

- рекомендации по выбору параметров рационального размещения элементов насадки в объеме рабочей зоны аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз;

- методики расчета, проектирования и эксплуатации промышленных газоочистных аппаратов с вращательно-вихревым взаимодействием фаз.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, базирующихся на научных открытиях закономерностей вихревого движения потоков в области механики газа и жидкости и теоретических основ массообменных процессов, полностью подтверждены результатами собственных исследований, полученных на лабораторных и промышленных установках с использованием современных методов и приборов, а также сопоставлением с литературными данными.

Практическая ценность работы. Разработана конструкция тепломассообменного аппарата с регулярными контактными устройствами (РКУ) в виде усеченных полых конусов для вращательно-вихревого взаимодействия потоков, защищенная предварительным патентом РК № 14786.

Разработана методика расчета, рекомендации по проектированию и эксплуатации аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием потоков для проведения процессов массообмена, в основу, которой положены результаты экспериментальных и теоретических исследований структуры потоков и параметров массоотдачи.

Апробация практических результатов. Разработанная и исследованная конструкция аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз внедрена на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» в технологической схеме получения сульфата хрома (основного) при абсорбции диоксида серы монохроматными щелоками с эколого-экономическим эффектом 4,66млн. тенге в год и для определения области применения проведены промышленные испытания аппарата на СП «Газалкент стекло» в цехе очистки отходящих газов от сушильного барабана в производстве стекла, которые показали высокую эффективность очистки (до 97%) пылегазовых выбросов.

Апробация работы: Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Проблемы химической технологии неорганических, органических, силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров» (Шымкент, 2002); «Процессы, машины и аппараты промышленных технологий» (Шымкент, 2006); «Современные проблемы инновационных технологий в образовании и науке» (Шымкент, 2009); «Wyksztalcenie i nauka bez granic» (Przemysl-2009, Республика Чехия); «Преспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие технологии» (Шымкент, 2010).

Личный вклад автора состоит в создании новой конструкции аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, анализе и обобщении литературных данных, разработке инженерных методов расчета, рекомендаций по проектированию и эксплуатации промышленных установок, выводов и заключений.
Основная часть

Во введении дана оценка современного состояния решаемой научной проблемы, основание и исходные данные для разработки темы, обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы, сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки и метрологическом обеспечении диссертации, актуальность и новизна темы, связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами, цель, объект и предмет, задачи исследования, методологическая база, положения, выносимые на защиту, практическая ценность и апробация практических результатов.

В первом разделе проведен анализ механизмов интенсифицирующих протекание процесса тепломассообмена и исследований структуры потоков в тепломассообменных аппаратах.

Рассмотрены принципы работы аппаратов с регулярной насадкой, действие которых основано на наиболее эффективных механизмах массообменных процессов и методы расчета гидродинамических, массообменных характеристик и математического описания структуры потоков тепломассообменных аппаратов центробежного и вихревого действия, а также дан анализ конструкций аппаратов для реализации механизмов вращательного и вихревого взаимодействия потоков.

Во втором разделе дано описание экспериментальной установки с аппаратом вращательно-вихревого взаимодействия фаз и методик исследования гидродинамических параметров. Схема аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз приведена на рисунке 1.

Диапазон изменения режимных параметров: скорость газа W_г=1-5м/с; плотность орошения L - 050 м³/м²ч; конструктивных параметров: размер контактных устройств в нижнем основании усеченного конуса d_=0,08м; угол наклона секторов относительно оси конуса =60^о, относительно образующей конуса _=45^о, шаг между контактными устройствами по вертикали t_в/d_р=15, в радиальном направлении t_р/d_р=1,5-4.

а) б)

1 – корпус аппарата, 2 – контактные устройства в виде усеченных полых конусов, 3 – опорно-распределительные решетки

Рисунок 1 – Рабочая зона аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз с регулярными контактными устройствами в виде усеченных полых конусов

Визуальные наблюдения за структурой потоков и фотосъемка, анализ полученных экспериментальных данных гидравлического сопротивления аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз в зависимости от скорости газа W_г и различных плотностях орошения L свидетельствуют о наличии трех гидродинамических режимов: пленочно-капельного, развитой турбулентности и брызгоуноса. Из этих режимов наиболее предпочтительным по степени турбулизации потоков, однородности ее распределения в контактной зоне при допустимном каплеуносе является режим развитой турбулентности (W_г=3,0-4,5м/с).

Исследования зависимости гидравлического сопротивления аппарата от вертикального шага t_в/d_р показывают, что на кривой имеется один экстремум гидравлического сопротивления, соответствующий t_в/d_р=3,5 (рисунок 2).

Получение экстремума гидравлического сопротивления объясняется достижением синфазного режима, характеризующегося повышенным энергопотреблением за счет совпадения времени пролета вихрей от элемента к элементу и времени образования вихрей за контактными элементами. В синфазном режиме, за счет увеличения мощности образованных вихрей, производится большая работа по дроблению жидкости на мелкие капли и созданию высокоразвитой межфазной поверхности. При нарушении синфазного режима гидравлическое сопротивление снижается.

Сравнение кривых для аппаратов РКУ и РПВКр показало анологичный характер при W_г = 4 м/с. Это говорит о том, что природа образования вихревого движения одинакова, однако затраты энергии в аппарате РПВКр выше за счет вращения самих насадочных элементов.

L= 30 м³/м² ч, t_p/d_р = 2,

1, 2 – для РКУ при W_г = 2 м/с и W_г = 4 м/с; 3 - для РПВКр при W_г = 4 м/с, соответственно

Рисунок 2 - Зависимость гидравлического сопротивления аппаратов с РКУ и РПВКр от вертикального шага между контактными устройствами t_в/ d_р

И

L= 30 м³/м²∙ч, t_в/ d_р = 3,5,

1 - при W_г = 2 м/с; 2 - при W_г = 4 м/с

Рисунок 3- Зависимость гидравлического сопротивления аппарата с РКУ от радиального шага между контактными устройствами t_p/ d_р

зменение радиального шага t_р/d_p между гирляндами с насадкой от 1,5 до 2 приводит к резкому снижению гидравлического сопротивления аппарата (рисунок 3) и более плавному при t_р/d_p>2. Это также характерно для аппаратов с регулярной подвижной насадкой различных типов. Объяснением этому (согласно известного открытия) является то, что при t_р/d_p<2 определяющим частоту образования вихрей

является зазор между элементами насадки в радиальном направлении, а при t_р/d_p>2 ширина (диаметр) обтекаемых элементов.

Исследование количества удерживаемой жидкости h₀ показали идентичный характер с кривыми гидравлического сопротивления в зависимости от скорости газового потока, плотности орошения и шагов размещения контактных устройств в вертикальном и радиальном направлениях

Проведенные нами исследования коэффициентов продольного перемешивания Е_ж показали, что Е_ж с увеличением скорости газа W_г возрастает.

Зависимость коэффициентов продольного перемешивания жидкой фазы от конструктивных параметров (рисунок 4) контактных устройств, идентично гидравлическому сопротивлению. С увеличением вертикального шага между контактными устройствами с t_в/d_р=1,5 до t_в/d_р=3,5 наблюдается рост коэффициентов продольного перемешивания жидкой фазы. Можно полагать, что каждый контактный элемент в рабочей зоне является источником турбулизации, тем самым повышает степень турбулентности всего газожидкостного слоя в целом, и в частности потока жидкости. Уменьшение продольного перемешивания жидкости при вертикальном шаге более t_в/d_р ≥3,5 объясняется тем, что нарушается режим одновременного вихреобразование, это приводит к уменьшению мощности и числа взаимодействующих вихрей, следовательно, Е_ж уменьшается.


t_р/d_p=2; W_г=4м/с;

1 - при L=20 м³/м²∙ч,

2 - при L=50 м³/м²∙ч;

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента продольного перемешивания жидкости Е_ж аппарата с РКУ от вертикального шага t_в/ d_р

С увеличением радиального шага t_р/d_p коэффициент продольного перемешивания Е_ж снижается, особенно при t_р/d_p<2. Это связано с увеличением порозности насадок в сечении аппарата, в результате чего снижается ее удерживающая способность.

Используя единый подход к определению гидравлического сопротивления насадочной зоны сухой и орошаемой насадки, получены уравнения для расчета гидравлического сопротивления:

(1)

Коэффициент сопротивления сухого контактного устройства =_с учитывает степень взаимодействия вихрей в вертикальном и радиальном направлениях, потери давления на трение газа о поверхность насадочных элементов и на изменение траектории движения газового потока:

(2)

Коэффициент сопротивления орошаемого контактного устройства =_L учитывает степень взаимодействия вихрей в вертикальном и радиальном направлениях, потери давления на трение газа о поверхность жидкости и изменение плотности орошения:

(3)

Погрешность полученных расчетных данных по сравнению с экспериментальными данными составили не более для сухого 13% для орошаемого 15%.

Используя известный подход, для расчета скорости стекания струй, и учитывая их диаметр во вращательно-вихревом газожидкостном слое, диаметр капель, образующихся при распаде струй жидкости, определим из условия равновесия сил, действующих на каплю:

(4)

Корректирующий коэффициент в уравнении (4) получен в результате статистической обработки фотографий. Погрешность расчетных и экспериментальных данных составил 25%.

Исходя из анализа сил, воздействующих на лопасти контактных устройств в виде усеченных полых конусов, получена зависимость для расчета частоты вращения газожидкостного потока при прохождении им лопастей для орошаемого:

(5)

и для более точного расчета частоты вращения газового потока сухого аппарата, нами предложена аналогичная зависимость за исключением слагаемого жидкой фазы (_ж ∙W_ж²).

Используя известное соотношение между гидравлическим сопротивлением и величиной столба жидкости, удерживаемой газовым потоком, предложена формула для расчета количества удерживаемой жидкости (КУЖ) в аппарате с вращательно-вихревым взаимодействием потоков в следующем виде:

(6)

Погрешность полученных расчетных данных по сравнению с экспериментальными данными составила не более 11%.

В предположении, что продольное перемешивание жидкости осуществляется турбулентными пульсациями, с учетом положений теории изотропной турбулентности, диссипации энергии, определяемой отношением мощности газового потока к массе жидкости, масштаба пульсаций и вращательно-вихревого взаимодействия фаз выражение для коэффициента продольного перемешивания имеет вид:

(7)

Расчеты по этим уравнениям и сравнение с экспериментальными данными показали, что погрешность составила 13%.

В третем разделе описана методика экспериментального исследования процесса массообмена и аппаратура для его проведения.

Массоотдачу в газовой фазе изучали в процессе адиабатического испарения воды в воздух, а массоотдача в жидкой фазе исследовалась в процессе десорбции кислорода из воды.

Исследования показали, что с ростом скорости газа и плотности орошения L коэффициенты массоотдачи и растут. Это объясняется тем, что при повышении скорости газа в аппарате происходит турбулизация потоков, за счет которой снижается диаметр образованных капель и растет межфазная поверхность.

Так как основная доля жидкости в аппарате представлена в виде капель, то с увечением плотности орошения L их количество растет, а следовательно растут и коэффициенты массоотдачи.

Как видно из рисунка 5 а,б, изменение кривых и от вертикального шага происходит аналогично кривым (рисунок 2) и (рисунок 4). При шагах расположения насадок, соответствующих режиму одновременного вихреобразования, наблюдаются максимальные значения коэффициентов массоотдачи и .

а) в газовой фазе б) в жидкой фазе

t_р/d_p=2; W_г=4м/с; 1, 2 - аппарата РКУ при L = 30м³/м²ч и L = 50м³/м²ч,

3 - аппарата РПВКр при L = 50м³/м²ч.

Рисунок 5- Зависимость коэффициентов массоотдачи и аппаратов РКУ и РПВКр от вертикального шага между элементами насадками t_в/ d_р
В этом режиме за счет появления большого количества вихрей, дробящих капли и пленки межфазная поверхность и, следовательно, процесс массообмена значительно интенсифицируется. При других шагах расположения насадок, наблюдается снижение коэффициентов массоотдачи, что связано с нарушением синфазности.

Аналогично происходит изменение характера кривых= для аппарата РПВКр (рисунок 5а кривая 3), однако их численные значения несколько ниже чем для предлагаемого нами аппарата.

Проведенные эксперименты по исследованию зависимостей коэффициентов массоотдачи от радиального шага между контактными устройствами показали, что характер изменения кривых и также аналогичен кривым (рисунок 3). При изменении радиального шага от 1,5 до 2 наблюдается резкое падение значений коэффициентов массоотдачи. Дальнейшее увеличение радиального шага от 2 до 4 приводит к более плавному уменьшению и . Это объясняется тем, что при значениях радиального шага от 2 до 1,5 возрастает количество вихрей, формируемых в зазоре между контактными устройствами, которые турбулизируют двухфазный поток. При шагах t_р/d_p>2 количество вихрей стабилизируется и падение значений и происходит незначительно.

Согласно структурно-поэлементного подхода, основанной на структуре потоков, раздельно определятся скорость переноса вещества к каждому компоненту (пузырьку, капле и пленке) дисперсной фазы, а потом рассчитывается их суммарная величина. Принимая аналогичный подход, для коэффициента массоотдачи в жидкой фазе имеем:

(8)

Капельная составляющая коэффициента массоотдачи, с учетом диаметров капель (уравнение (4)), рассчитывается на основе нестационарного процесса переноса с эффективным коэффициентом диффузии. Полученное уравнение имеет следующий вид:

(9)

Пленочная составляющая коэффициента массоотдачи для нестационарного процесса массопереноса с эффективным коэффициентом диффузии с учетом толщины пленки примет следующий вид

(10)

Для расчета толщины пленки на контактных устройствах с учетом вращательно-вихревого взаимодействия фаз предложена формула:

, (11)

Для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе в зависимости от режимных и конструктивных параметров аппарата с РКУ на основе первого закона Фика получена формула:

(12)

Погрешность расчетов массообменных характеристик, при обработке экспериментальных данных составила - 11% ;-18%.

Для оценки эффективности массообмена с учетом структуры потоков использована модель идеального вытеснения по газу и диффузионная модель по жидкости.

Уравнения материальных балансов для газовой и жидкой фаз в безразмерном виде запишутся в следующем виде:

(13)

(14)

Для решения системы примем следующие граничные условия:

при , (15)

при (16)

Эта задача доведена до аналитического решения

в жидкой фазе

(17)

и в газовой фазе

, (18)

которая позволяет рассчитать изменение концентрации компонента по высоте аппарата, результаты расчетов приведены в виде графической зависимости (рисунок 6).

L=20 м³/м² ·ч; t_p/b = 2

1 - W_г=2 м/с; 2 - W_г=3 м/с; 3 - W_г=4 м/с; 4 - W_г=5 м/с; 5 - W_г=6 м/с;

Рисунок 6 - Распределение концентрации компонента в газовой фазе по высоте аппарата



В четвертом разделе приведены результаты промышленных испытаний, рекомендации по проектированию и эксплуатации и инженерная методика расчета аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз.

Аппарат с вращательно-вихревым взаимодействием фаз прошел промышленные испытания в схеме абсорбции газов, отходящих от печи сжигания серы непрерывного действия в производстве сульфата хрома (основного). Степень абсорбции, достигла ~98,9%. Аппарат с вращательно-вихревым взаимодействием фаз внедрен с эколого-экономическим эффектом 4,66млн. тенге в год.

Для определения области использования предлагаемой конструкции аппарата РКУ нами также проведены исследования процесса пылеулавливания в промышленных условиях на СП «Газалкент стекло». Эффективность очистки пылегазовых выбросов составила 97%.
Заключение

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований определены условия значительной интенсификации массообменных процессов в контактной зоне аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз за счет совмещения в них центробежного и вихревого взаимодействия газового потока с капельно-пленочной жидкостью.

2. Определены гидродинамические режимы работы аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз: пленочно-капельный, развитой турбулентности и брызгоуноса, зависящие от скорости газового потока и от плотности орошения. При этом режим развитой турбулентности определен как наиболее рациональный по степени турбулизации газожидкостного потока и величине минимального брызгоуноса.

3. При изменении шагов размещения контактных устройств в вертикальном направлении установлен шаг t_в/d_р=3,5 при котором достигается синфазный режим (режим одновременного вихреобразования), характеризующийся экстремальными значениями гидравлического сопротивления, количества удерживаемой жидкости и коэффициентов продольного перемешивания по жидкой фазе. При изменении радиального шага подтверждено наличие двух механизмов вихреобразования, разграниченных критическим шагом t_р/d_р=2. При меньших значениях шагов процесс вихреобразования зависит от величины зазора, а при значениях шагов больше 2 приводит к механизму формирования, где определяющим является ширина (диаметр) обтекаемых элементов.

4. Исходя из равновесия сил, воздействующих на лопасти контактных устройств в виде усеченных полых конусов, получено уравнение для расчета частоты вращения газового потока в отсутствии орошения и при наличии жидкой фазы.

5. На основании анализа сил, действующих на пленку жидкости стекающей по наклонной поверхности в условиях воздействия на нее закрученного потока определена ее толщина, а, исходя из условия равновесия динамического напора, действующего на поверхность раздела фаз и капиллярного давления, получено уравнение для определения среднего диаметра капель.

6. С учетом выявленных гидродинамических закономерностей вращательно-вихревого взаимодействия фаз предложены уравнения для расчета коэффициентов сопротивления регулярно размещенных контактных устройств в виде усеченных полых конусов в однофазном и двухфазном потоках, гидравлического сопротивления, количества удерживаемой жидкости и коэффициентов продольного перемешивания жидкой фазы.

7. На основании диссипативного подхода получены уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в газовой и жидкой фазах, а для оценки эффективности массообмена с учетом структуры потоков предложена модель, учитывающая идеальное вытеснение по газу и диффузионное взаимодействие по жидкости, доведенная до аналитического решения, заключающегося в расчете концентрации компонента по высоте аппарата.

8. На основании полученных расчетных уравнений и результатов лабораторных и промышленных испытаний аппарата с вращательно-вихревым взаимодействие фаз разработана научно-обоснованная методика расчета, проектирования и эксплуатации.

9. Аппарат с вращательно-вихревым взаимодействием фаз прошел промышленные испытания и внедрен на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» в схеме абсорбции сернистых газов, отходящих от печи сжигания серы непрерывного действия в производстве сульфата хрома (основного) с эколого-экономическим эффектом 4,66 млн. тенге в год и для определения области применения проведены промышленные испытания аппарата на СП «Газалкент стекло» в цехе очистки отходящих газов от сушильного барабана в производстве стекла, которые показали высокую эффективность очистки пылегазовых выбросов до 97%.

Оценка полноты решений поставленных задач. Результаты теоретических исследований, их оценка, теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей образования и взаимодействия вихревых потоков, массообменных процессов, апробация в промышленных условиях полностью соответствуют поставленным в диссертации задачам. Задачи решены, цель достигнута.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты исследования гидродинамики и параметров массообмена аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз, методика расчета, рекомендации по проектированию и эксплуатации промышленных аппаратов могут быть рекомендованы научным, инженерно-техническим работникам различных отраслей промышленности, проектным и научно-исследовательским институтам для модернизации существующих и разработки новых аппаратов, преподавателям вузов при изучении курсов «Процессы и аппараты химической технологии», «Технологическое оборудование отрасли», «Моделирование процессов химической технологии».

Исходными данными по конкретному использованию результатов являются: расходные характеристики газового и жидкостного потоков, рекомендации по проектированию и эксплуатации аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием потоков.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Разработанный аппарат с вращательно-вихревым взаимодействием фаз внедрен на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» в схеме абсорбции газов, отходящих от печи сжигания серы непрерывного действия в производстве сульфата хрома (основного) с эколого-экономическим эффектом 4,66 млн. тенге в год и проведены промышленные испытания аппарата на СП «Газалкент стекло» в цехе очистки отходящих газов от сушильного барабана в производстве стекла, которые показали высокую эффективность очистки пылегазовых выбросов (до 97%).

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Аппарат с вращательно-вихревым взаимодействием фаз позволяет реализовать центробежный и вихревой механизмы взаимодействия газовой и жидкой фаз и в сравнении с известными конструкциями тепломассообменных аппаратов имеет более высокую эффективность и сравнительно низкие энергозатраты. Методика расчета основных гидродинамических закономерностей и параметров массоотдачи базируется на известных законах механики газа и жидкости и вновь открытых закономерностях вихревого взаимодействия потоков, что свидетельствует о высоком научном уровне выполненной работы.

Условные обозначения: d_р–диаметр контактного устройства, м; h–высота кон­тактного устройства, м; n – число оборотов, об/с; r – радиус, м; S – площадь, м²; U_ж–скорость жидкости, м/с;  –порозность насадки м²/м²;  - параметр; коэффици­ент; –коэффициент динамической вязкости, Пас; _г и _ж–коэффициенты кинема­тической вязкости газа и жидкости, м²/с; _г и _ж–плотность газа и жидкости, кг/м³; –поверхностное натяжение, Н/м; _э–газосодержание, м³/м³; –модифициро-ванное число Рейнольдса; Е_ж-коэффициент про­дольного перемешивания жидкости, м²/с; –число Рейнольдса; -диффузионное число Пекле; - число Стантона; - число единиц переноса; РКУ- аппарат с регулярными контактными устройствами; РПВКр- аппарат с регулярными вращающими насадками круглой формы.
Список опубликованных работ по теме диссертации

1. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С., Калдыбаева Б.М. Аппарат с регулярными контактными устройствами для очистки пылегазовых выбросов // Проблемы химической технологии неорганических, органических, силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров: Тр. Межд. науч.-практ.конф. Т.3. - Шымкент, 2002-С.193-196.
   
2. 
   Предварительный патент РК №14786 от 25.07.02, МПК B 01 J 19/32. Аппарат с контактными устройствами /Хусанов А.Е.,Сабырханов Д.С., Калдыбаева Б.М. – 5с: ил.
   
3. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С. Результаты промышленных испытаний и внедрение аппарата с регулярными контактными устройствами в цехе очистки пылегазовых выбросов в производстве стекла //Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2004. - № 5 (40). – С.133-135.
   
4. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С. Расчет влияния структуры потоков на процесс переноса смеси вязкого газа и вязкой жидкости //Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2005. - № 8 (48). – С.169-172.
   
5. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С., Худайкулов С.И. Математическая модель распыления жидкой фазы в аппарате с регулярными контактными устройствами //Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2006. - № 1 (50). – С.120-124.
   
6. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С., Калдыбаева Б.М., Худайкулов С.И. Влияние контактных устройств на степень гашения энергии газового потока в газоочистном аппарате //Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2006. - № 1 (50). – С.125-129.
   
7. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С., Сыдыков Ж.Е. Теоретическое определение скорости капли во вращающихся потоках // Процессы, машины и аппараты промышленных технологий: Тр. Межд. науч.-практ.конф. - Шымкент, 2006-С.35-37.
   
8. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С., Мауленов А. Определение толщины пленки жидкости, движущегося по поверхности контактного устройства в тепломассообменных аппаратах // Современные проблемы инновационных технологий в образовании и науке: Тр. Межд. науч.-практ.конф. - Шымкент, 2009-С.55-59.
   
9. 
   Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С. Механизм продольного перемешиваниия потока жидкости в тепломассообменных аппаратах и вывод уравнений для расчета коэффициента продольного перемешивания жидкой фазы // Современные проблемы инновационных технологий в образовании и науке: Тр. Межд. науч.-практ.конф. - Шымкент, 2009-С.59-62.
   
10. 
    Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С. Исследование продольного перемешиваниия потока жидкости в аппарате с вращающимся взаимодействием потоков // Materialy V Miedzynarodowej Nfukowi-Praktycznej Konferencji.- Przemysl: Nauka I Studia.-2009.- V.45-48.
    
11. 
    Хусанов А.Е., Сабырханов Д.С., Калдыбаева Б.М. Экспериментальное исследование гидродинамики аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз //Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2010. - № 3 (82). – С.51-55.
    
12. 
    Хусанов А.Е., Волненко А.А., Сабырханов Д.С. Расчет коэффициента массоотдачи в газовой фазе аппарата с вращательно-вихревым взаимодействием фаз // Преспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие технологии: Тр. Межд. науч.-практ.конф. - Шымкент, 2010-т.2.-С.176-178.
    

Түйін

Хусанов Алишер Евадиллоевич
«Фазалары айналмалы-құйынды әсерлесетін жылу-массаалмасу аппараттының ағындарының түзілуі және массаалмасу»
Техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін іздену диссертациясы

05.17.08 – Химиялық технологиялар процестері мен аппараттары

Зерттеу немесе әзірлеу нысаны - ағындарды айналмалы-құйынды әсерлестіруші аппаратты зерттеуге арналған лаборториялық және өнеркәсіптік қондырғы.

Жұмыс мақсаты: ағынның айналмалы -құйынды әсерлесуін ұйымдастырудың негізінде тиімділігі жоғары жылу-массаалмасу аппараттының ғылыми-тұжырымдалған есептеу әдісін және жобалауға ұсыныстар әзірлеу мен бірге, массаалмасу процессінің тиімділігін жоғарылату мақсатында құрылған конструкцияны өндіріске енгізу.

Жұмысты жүргізу әдістері немесе методологиясы. Жұмысты орындау барысында келесі әдістер қолданылды: сұйық фазасының құрылымдық құраушыларын зерттеуге арналған заманға сай диагностика әдістері; массаалмасу процессінің тиімділігінің мәндерін алуға арналған физикалық зерттеулер; математикалық үлгілеулер мен есептемелік тәжірибелер.

Жұмыс нәтижелері:

- №14786 ҚР алдын ала патентіменен қорғалған, ағымдардың айналмалы-құйынды әсерлестіруші жылу-массаалмасу аппаратының конструкциясын әзірлеу;

- ағып түсетін сұйық қабықшасына әсер етуші күштер талдауынан кесілген конус пішінді жанасу құрылғысынан өтердегі ағындардың шиырылуын ескеретін қабықшаның орташа қалыңдығын анықтауға арналған өрнек алынды;

-сұйық сорғаламасының ұзына бойына әсер ететін толқындармен тамшыларға шағылу шартынан, яғни уақыт бойынша амплитудасы шапшаң өршуші, сорғаламаның ағу жылдамдығы мен оның диаметрін анықтау өрнегі алынса, ал динамикалық тегеуріндер мен капилярлық қысымдар тепе-теңдігі шартынан тамшылардың орташа диаметрін анықтауға арналған теңдеу алынды;

- құйындардың өзара әсерлесуі және оларға жергілікті шиырғыштар әсерінен анықталған гидродинамикалық заңдылықтарын ескере отырып, конус пішінді жанасу құрылғысынан ағып өтуі кезіндегі газ ағынының айналу жиілігін, бір фазалы және екі фазалы ағындардағы жүйелі орналастырылған конустық тұтқамалардың кедергі коэффициентін, құрғақ және себеленген аппараттың гидравликалық кедергісін және тұтылған сұйық мөлшерін анықтауға арналған есептеу өрнегі алынды;

- ағындарды айналмалы-құйындық әсерлестіретін жылу-массаалмасу аппараттындағы сұйық фазасының ілгерілемелі араласуы және массаалмасу процесстерін тәжірибелік және теориялық зерттеулер жүргізіліп олардың есептік теңдеулері алынған;

-ағындарды айналмалы-құйынды әсерлестіруші жылу-массаалмасу аппараттын жобалау және пайдалану бойынша есептеу әдістемесі мен ұсыныстар әзірленген.

Негізгі конструктивті, технологиялық және технико-пайдалану сипаттамалары. Режимдік параметрлердің өзгеру аралығы: газ жылдамдығы W_г=2-5м/с; сұйықты себелеу тығыздығы L=10-50 м³/м²сағ; конструктивті параметрлердің: қиылған конустың төменгі тұғырындағы тұтқамалық элементтер өлшемі d_=0,08м; секторлардың керілген сымға қатысты қиғаштық бұрышы =60^о, конустық жасаушысына қатысты _=45^о, тұтқамалардың тік бағыттағы t_в/d_р=3,5, радиал бағыттағы t_р/d_р=2 адымдары.

Енгізу дәрежесі. Әзірленіп зерттелген ағындардың соққы-құйынды әсерлестіруші аппарат конструкциясы «Ақтөбе хромдық қосылыстар зауыты» АҚ хром сульфаты өндірісіндегі үздіксіз жұмыс істейтін күкіртті жағу пешінен бөлінген күкіртті газды тазалау схемасында енгізілді.

Енгізуге ұсыныстар немесе ғылыми-зерттеу жұмыстарының енгізілу нәтижесі. Есептеу әдістемесі, өнеркәсіптік аппаратты жобалау және пайдалану бойынша ұсыныстар өнеркәсіптің түрлі салаларындағы ғылыми, инженер-техникалық қызметкерлерге, жобалау және ғылыми-зерттеу институттарына жаңа аппараттарды әзірлеу және қолданыстағы газ тазалау жүйесін модернизациялау үшін, жоғарғы оқу орындарының оқытушыларына тиісті курстарды зерделеуге ұсынылуы мүмкін.

Жүргізілген жұмыс нәтижесінде 1 аппарат «Ақтөбе хромдық қосылыстар зауыты» АҚ-да енгізілді.

Қолдану саласы: химия, мұнайхимия, тамақ, металлургия өнеркәсіптерінде және құрылыс материалдары өндірістерінде газ тазалу және массаалмасу процестерінде.

Жұмыстың экономикалық тиімділігі немесе маңыздылығы. Ағындардың айналмалы-құйынды әсерлестіруші аппаратты «Ақтөбе хромдық қосылыстар зауыты» АҚ-дағы хром сульфаты өндірісіндегі үздіксіз жұмыс істейтін күкіртті жағу пешінен бөлінген күкіртті газды тазалау схемасында енгізу 4,66 млн. тенге экологты-экономикалық тиімділік алуға мүмкіндік берді.

Зерттеу нысанын дамыту жөніндегі жорамалдық ұсыныстар. Ағындардың айналмалы-құйындық әсерлестіруші аппарат ортадантепкіш және ағынның әсерлесуінің құйынды механизмін жүзеге асыруға мүмкіндік бере отырып белгілі конструкцияларменен салыстырғанда едәуір жоғары тиімділікке және салыстырмалы төмен энергошығындарға ие. Осыған орай аппарат өнеркәсіпте кең таралу перспективасына ие.

RESUME

Khussanov Alisher Evadilloevich
‘Structure of streams and mass exchange in heat mass exchange apparatus with rotary – vortex interaction of phases’

Dissertation to get academic degree of candidate of engineering sciences in

05.17.08 –Processes and apparatuses of chemical technology.
Subject of Inquiry - laboratory and industrial units and dust collecting apparatus with the strike-vortex interaction of the flows.

Research Objective: development of the high efficient dust collector based on the aerosol flow rotary – vortex interaction, substantiated calculation method, project recommendations, and developed construction industrial introduction with the low consumption of the scrubbed water.

Research Methodology. The following methods were used: laser diagnostics for the liquid phase structural components study; mathematical modeling and numerical experiments.

Research Results:

- dust collecting apparatus with the rotary – vortex interaction of the flows construction was developed, Kazakhstan Republic Inventor’s Application № 14786.

- according to the force analysis, influencing the liquid downgoing film, we have developed an equation to determine its average thickness, which takes into account the flow swirling while passing the blades of the plated elements;

- equations for determining the velocities of the stream efflux and their diameter were obtained due to the condition of the liquid streams decay into drops by waves, propagated along the stream, having the most quick amplitude increasing in time; calculated expression for determination of the average drop diameter was obtained, due to the condition of the balanced dynamic head and capillary pressure;

- with allowance for the revealed hydrodynamic regularities of vortex interaction and influence of the local efflux on them we have obtained the calculated equations for determination of the gas stream rotation frequency at passing along the conic plated elements, resistance coefficient of the regular placed conic packing in the one-phase and two-phase flows, hydraulic resistance of the dry and sprayed apparatus and the quantity of the holding liquid;

- with use of positions of the theory of isotropic turbulence and dissipation the settlement equations of factors of longitudinal hashing of a liquid, mass exchange in liquid and gas phases in devices with rotary – vortex interaction of streams are offered energy;

- we have developed the calculation methods and recommendations for designing and operation of the apparatus with strike-vortex interaction of the flows for clearing of gases and processes mass exchange.

Main Design, Technological and Technical-Operational Features.

Regime parameters changing range: gas velocity W_g=3,5-4,5 m/sec; constructive parameters: the size of the packing elements in the lower ground of the cut cone d_р=0,08m; sector inclination angle relatively the cone forming α_р=45⁰, the step between the packed elements in the vertical t_в/d_р=3,5, in the radial direction t_р/d_р=2.

Introduction Degree. The developed and investigated construction of the apparatus with the strike-vortex interaction of the flows has been introduced in the Stock Company ‘Aktubinsk Chrome Compounds Manufacture’ in the gas purification scheme, discharging from the reactor of the continuous performance in the chrome anhydrate production.

Introduction Recommendations or the Outcome of the Research Introduction. Calculation methods, recommendations on the design and operating of the industrial apparatus may be suggested to the researchers, engineering – technical employees of different industrial fields, design and research institutions for redesigning of the clearing of gas systems and development of new apparatus, to the faculty staff of the Universities to teach the related disciplines.

Field of Application: Clearing of gases and processes mass exchange in the chemical, oil-chemical, nutrition, metallurgical industries and in the building materials production.

Economic Efficiency or the Research Value. Introduction of the apparatus with the rotary – vortex interaction of the flows in the gas purification scheme, discharging from the reactor of the continuous performance in the chrome sulfate production in the Stock Company ‘Aktubinsk Chrome Compounds Manufacture’ produced the total ecologic - economical effect of 4,66 million tenge.

Forecasting Suggestions of the Subject of Inquiry Development. Apparatus with the strike-vortex interaction of the flows acts with allowance of the strike, centre and vortex mechanisms of the flows interaction and in comparison with the existing dust collector’s constructions is more efficient and comparatively low power consuming. That’s why its prospects are promising for the general industrial propagation.

Подписано в печать 26.05.2010г. Формат бумаги 60х84 1/16.

Бумага типографическая. Печать офсетная. Объем 1,25пл.

Тираж 100 экз. Заказ 1744

Издательский центр ЮКГУ им. М.Ауезова, г.Шымкент.

пр. Тауке хана, 5