Гидродинамика и массообмен в аппаратах с циклическим режимом работы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Азизов, Сергей Борисович

• Азизов, Сергей Борисович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Азизов, Сергей Борисович

Основные условные обозначения

Введение

Глава 1. Современное состояние теории и практики процессов разделения газо(паро)жидкостных систем в циклических режимах

1.1. Гидродинамика и массоперенос в газо(паро)жидкостных системах при циклических режимах

1.2. Анализ существующих математических моделей процесса массообмена в циклическом режиме

1.3. Аппаратурное оформление процессов массообмена 34 в циклическом режиме

1.4. Цель и задачи исследования

Глава 2. Новые конструктивные разработки контактных массообменных устройств с циклическим режимом работы

2.1. Массообменный аппарат с беспереливными поворотными тарелками

2.2. Тарельчатый аппарат для тепло- и массообмена между газом(паром) и жидкостью в условиях контролируемых циклов

2.3. Способ проведения процесса массообмена в циклическом режиме с использованием байпасной линии

2.4. Тарельчатый массообменный аппарат для обработки газо(паро)жидкостных систем в циклическом режиме

Глава 3. Математическое моделирование рабочих стадий массообменного аппарата с циклическим режимом работы

3.1. Определение времени межфазного взаимодействия на контактных элементах колонны

3.2. Закономерности массопереноса при межфазном взаимодействии

3.3. Расчёт времени слива жидкости с тарелки

3.4. Расчёт «проскока» газа в период слива жидкости

3.5. Расчёт площади проходного сечения для газа(пара) при сливе жидкости

3.6. Определение концентрации газа(пара) на входе в контактную ступень с учётом «проскока»

Глава 4. Экспериментальное изучение процесса массообмена на примере абсорбции газов

4.1. Анализ кинетики процесса абсорбции в барботажных аппаратах

4.2. Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов

4.2.1. Схема и описание экспериментальной установки

4.2.2. Методика проведения эксперимента и обработка опытных данных

4.3. Результаты экспериментальных исследований

4.4. Идентификация математической модели процесса абсорбции на контактном устройстве, работающем в циклическом режиме

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидродинамика и массообмен в аппаратах с циклическим режимом работы»

Широкое распространение в последние десятилетия в химической и нефтехимической промышленности, энергетике получили аппараты барботажного типа для очистки газовых выбросов от вредных компонентов. Однако, промышленная эксплуатация таких аппаратов выявила ряд их существенных недостатков.

Один из них - низкая предельная скорость но газовой фазе (не превышающая 1.5 м/с), что исключает их использование при больших объёмах газовых выбросов, поскольку увеличение диаметра колонной аппаратуры этого тина ведёт к резкому снижению эффективности контактных устройств. В этой связи представ^ется перспективным использование для целей абсорбционной очистки больших объёмов промышленных газовых выбросов аппаратов, работающих в циклическом режиме.

Вместе с тем, несмотря на ряд исследований, позволяющих сделать вывод о перспективности такого конструктивного оформления абсорбционных аппаратов, отсутствие научно обоснованных метлой расчёта и проектирования сдерживает их промышленную реализацию. Поэтому представляет,. несомненный практический и научным интерес исследование основных характеристик барботажных аппаратов, работающих в циклическом режиме, с целыо выявления оптимальных режимов их работы. В рукополстс работой принимал участие кандидат технических наук, донемт Фарахоп М.И.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Азизов, Сергей Борисович

Выводы

1. Результат анализа работы колонных абсорбционных аппаратов с барботажными контактными устройствами показал ряд существенных недостатков, ограничивающих их промышленное применение для очистки крупнотоннажных газовых выбросов промышленных предприятий, в связи с чем в работе предложено решение проблемы путём использования аппаратов с циклическим режимом работы.

2. Разработаны различные вырианты конструкций абсорбционных аппаратов, работающих в циклическом режиме, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

3. Выполнен комплекс экспериментальных исследований режимных параметров работы контактных устройств предложенных аппаратов, в том числе времени рабочего периода и периода слива жидкости с контактного устройства.

4. Проведены экспериментальные исследования абсорбции трудно- и хорошо- растворимых газов на контактных устройствах исследуемых аппаратов в широком диапазоне нагрузок по фазам и времени пребывания жидкости на ступенях контакта, позволившее выявить оптимальный диапазон работы устройств, обеспечивающей максимальную эффективность процесса массообмена.

5. Полученные экспериментальные результаты подтвердили возможность повышения эффективности процесса абсорбции в аппаратах с циклическим режимом работы и возможность промышленной реализации аппаратов большого диаметра без снижения их эффективности.

6. Разработана математическая модель процесса массообмена на контактных устройствах аппаратов, работающих в циклическом режиме и показано её хорошее согласование с экспериментальными результатами.

7. Представлена научно-обоснованная методика расчёта и проектирования абсорбционных аппаратов барботажного типа, работающих в циклическом режиме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Азизов, Сергей Борисович, 2007 год

1. Шпорхун В.И., Тютюнников А.Б., Марченко А.Н. // Сб.: Состояние производства колонной аппаратуры и основные пути её дальнейшего развития. -М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1966.

2. Малюсов В.А. Новые процессы и аппараты для разделения и очистки веществ // ТОХТ. 1987. - Т. 21, № 1. - С. 26-34.

3. Cannon M.R. Controlled cycling improves various processes // Ind. Eng. Chem. 1961. - V. 53, N 8. - P. 629.

4. Соммерфельд Д.Т. Контролируемая циклическая ректификация // Хим. промышленность. 1968. № 1. - С. 51-57.

5. Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р., Назаров Н.С. Исследование циклической ректификации в тарельчатой колонне // ТОХТ. 1977. - Т. 11, №4.-С. 491-502.

6. Конобеев Б.И., Фандеев М.А. Эффективность тарельчатых экстракторов, работающих в режиме с контролируемыми циклами // ТОХТ. -1982.-Т. 16, №2.-С. 147-154.

7. Семинар по проблеме «Теоретические основы химической технологии» // ТОХТ. 1974. - Т. 8, № 2. - С. 940-942.

8. Полоцкий JI.M., Свиридов Н.Д. Массообмен в циклическом режиме в насадочных колоннах и колоннах с ситчатыми провальными тарелками // Промышленность синтетического каучука: Научно-технический реферативный сб. 1977. - № 8. - С. 5-6.

9. Промышленные испытания циклической экстракции триоксанабензолом / Фандеев М.А., Павликов Р.З., Конобеев Б.И. и др. // Хим. промышленность. 1984. № 3. - С. 170-172.

10. Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Конобеев Б.И. Исследования средней эффективности и коэффициента полезного действия ступениректификационных аппаратов циклического действия // ТОХТ. 1986. - Т. 20, № 5. - С. 579-583.

11. Малагамба Л.Г., Березин Б.В. Исследование перемешивания жидкости в условиях циклической ректификации. Свердловск. Уральский политехнический ин-т. - 1979. - 12 с. Деп. в отделении НИИТЭХИМ, г. Черкассы. - № 151 хп- Д80.

12. Беме Б. Оптимальные циклические режимы в процессах разделения: Автореф. дис. .канд. техн. наук / М., Московский ин-т хим. машиностр. -М., 1975.- 16 с.

13. Gerster J.A., Scull Н.М. Performance of tray columns operated in the cycling mode // AlCh. E. Journ. 1970. V. 16, N 1. - P. 108-111.

14. McWhirter J.R., Lloyd W.A. Controlled cycling in distillation and extraction // Chem. Eng. Progr. 1963. - V. 59, N 6. - P. 58-63.

15. May R.A., Horn F.J.M. Stage efficiency of a periodically operated distillation column // IEC Process design and development. 1968. - V. 7, N 1. -P.61-64.

16. Эффективность контактных устройств с пульсирующими потоками/ Колтунова J1.H., Позин Л.С., Аэров М.Э. и др. // ТОХТ. 1978. - Т. 12, № 3. -С. 323-328.

17. Малета В.П., Дубовик В.А., Таран В.М. Исследование циклической ректификации в тарельчатых исчерпывающих колоннах. Киев. Киевский технологический ин-т пищевой промышленности. - 1986. - 35 с. Деп. в УкрНИИНТИ, Киев. - № 187-Ук, 1988.

18. Массообменные процессы с регулируемыми циклами / Конобеев Б.И., Фандеев М.А., Арутюнян Г.Р. и др. // ТОХТ. 1976. - Т. 10, № 2. - С. 190-196.

19. Гельперин Н.И., Полоцкий JI.M., Потапов Т.Г. Исследование работы колпачковой тарельчатой ректификационной колонны в циклическом режиме // Химическое и нефтяное машиностроение. 1975. - № 8. - С. 15-16.

20. Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р. Некоторые вопросы гидродинамики и массообмена в процессе ректификации с контролируемыми циклами // В сб.: XI Менделеевский съезд по общей химии. Теоретические основы химической технологии. Алма-Ата, 1974. - С. 24-26.

21. Гельперин Н.И., Полоцкий JI.M. Исследование работы ректификационной колонны с колпачковыми тарелками в циклическом режиме // Труды Московского ин-та тонкой хим. технологии. М., 1974. - Т. 4, № 1.-С. 149-151.

22. Арутюнян Г.Р. Циклическая ректификация в тарельчатых и насадочных аппаратах: Автореф. дис. .канд. техн. наук. /М., 1984. -23 с.

23. Исследование работы ректификационной колонны с колпачковыми тарелками в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий JIM., Потапов Т.Г. и др. // Труды Московского ин-та тонкой хим. технологии. М., 1975. -Т. 5,№2.-С. 191-194.

24. Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Конобеев Б.И. Удерживающая способность и оптимальные периоды подачи фаз при ректификации в циклическом режиме // ТОХТ. 1987. - Т. 21, № 4. - С. 546-548.

25. Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Назаров П.С. Модель процесса циклической ректификации в тарельчатых аппаратах // ТОХТ. 1987. - Т. 21, №2.-С. 166-170.

26. Baron G., Wajc S., Lavie R. Stepwise periodic distillation -II. Separation of a binary mixture // Chem. Eng. Science. 1981. - V. 36, N 11. - P. 1819-1827.

27. Эффективность работы тарелок струйного типа при секционировании потока жидкости / Косьмин В.Д., Лебедев Ю.Н., Молоканов Ю.К. и др. // Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования. Научно-техн. сб. 1975. - № 2. - С. 3-5.

28. Gautreaux M.F., O'Connell Н.Е. Effect of length of liquid path on plate efficiency // Chem. Eng. Progr. 1955. - V. 51, N 5. - P. 232-237.

29. Данилычев И.А., Плановский А.Н., Чехов О.С. Исследование массообмена в жидкой фазе на ситчатых тарелках с учетом продольного перемешивания // Хим. промышленность. 1965. - № 10. - С. 461-465.

30. Дильман В.В., Ручинский В.Р. Повышение эффективности массообменных аппаратов // Изв. АН СССР. ОТН. Металлургия и топливо. -1961.-№4.-С. 160-165.

31. А. с. 226550 (СССР). Массообменный аппарат для взаимодействия газа с жидкостью / Гурьянов А.И., Азизов Б.М., Галеев А.Ф. и др. // Бюл. изобр. 1968. - № 29.

32. А. с. 921590 (СССР). Массообменный аппарат / Поникаров И.И, Азизов Б.М., Ахметов Т.Г. и др. // Бюл. изобр. 1982. - № 15.

33. Levis W.K Rectification of binary mixtures // Ind. Eng. Chem. 1936. -V. 28,N4.-P. 399-402.

34. Гельперин Н.И., Пебалк B.JI., Костанян A.E. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. М.: Химия, 1977.-261 с.

35. Ветохин В.Н. Разделение многокомпонентных смесей // В сб.: Процессы и аппараты химической технологии, сер.: Итоги науки и техники. -М., 1973.- 107 с.

36. Розен A.M., Крылов B.C. Проблемы масштабного перехода при разработке массообменной аппаратуры // ТОХТ. 1967. - Т. 1, № 3. - С. 297305.

37. Shulman H.L., Mellish W.G., Lyman W.H. // AlCh. E. Journ. 1971. V. 17, N3.-P. 631-640.

38. Рамм B.M. Абсорбция газов. M.: Химия, 1976. - 655 с.

39. Исследование работы ректификационной насадочной колонны в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий JIM., Потапов Т.Г. и др. // Труды Московского ин-та тонкой хим. технологии. 1974. - Т. 4, № 2. - С 114-116.

40. Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р., Малюсов В. А. Описание циклической ректификации в насадочных колоннах с помощью математических моделей // ТОХТ. 1979. - Т. 13, № 4. - С. 499-510.

41. Розен A.M., Аксельрод JI.C., Дильман В.В. Некоторые вопросы масштабного перехода при разработке массообменных аппаратов // ТОХТ. -1967.-Т. 1,№4.-С. 446-458.

42. Розен A.M., Крылов B.C. Масштабный переход и гидравлическое моделирование промышленной массообменной аппаратуры // В сб.: Тепло- и массоперенос. Минск, 1972.-Т. 4.-С. 180-191.

43. Розен A.M., Лаповак Л.И., Елатомцев Б.В. К вопросу о гидравлическом моделировании противоточных аппаратов большого диаметра // Химическое и нефтяное машиностроение. 1964. - № 4. - С. 1418.

44. Дильман В.В. Влияние поперечной неравномерности движения на эффективность массопередачи при перекрестном токе // Химическая промышленность. 1965. - № 10. - С. 760-762.

45. Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии. Киев: Вища школа, 1973. - 280 с.

46. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико- технологических процессов (математическое описание процессов). М.: Химия, 1973. - 224 с.

47. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576 с.

48. Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1976.-463 с.

49. Таганов И.Н. Моделирование процессов массо- и энергопереноса. Нелинейные системы. Л.: Химия, 1979. - 208 с.

50. Furzer I.A., Duffy GJ. Periodic cycling of plate columns: discreate residence time distribution // AlCh. E. Journ. 1976. V. 22, N 6. - P. 1118-1125.

51. Duffy G.J., Furzer J.A. Mass transfer on a single sieve plate column operated with periodic cycling // AlCh. E. Journ. 1978. V. 24, N 4. - P. 588-598.

52. Эффективность контактных устройств с пульсирующими потоками / Колтунова Л.Н., Позин Л.С., Аэров М.Э и др. // ТОХТ. 1978. - Т. 12, № 3. -С. 323-328.

53. Колтунова Л.Н. Влияние циклической подачи фаз на эффективность массообменных аппаратов // ТОХТ. 1980. - Т. 14, № 5. - С. 643-649.

54. Колтунова Л.Н. Об эффективности массообменных аппаратов, работающих в режиме периодической подачи фаз // ТОХТ. 1983. - Т. 27, № 5.-С. 670-673.

55. Исследование контактных устройств ректификационной колонны, работающей в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий Л.М., Ленский М.С. и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1985. - № 3. - С. 22-23.

56. Расчет профиля концентраций жидкости на тарелках ректификационной колонны, работающей в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий Л.М., Логовинский С.Н. и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1978.- № 8 - С. 11-13.

57. Использование ячеечной модели при расчете циклического процесса ректификации / Малета В.Н., Таран В.А., Дубовик Т.В. // Изв. Вузов. Пищевая технология. 1987. - № 5. - С. 62-65.

58. Заявка 56-37841 (Япония). Способ и устройство для контактирования газа и жидкости // Изобретения в СССР и за рубежом. -1982.-вып. 16, №5.

59. Применение ячеечных моделей для расчета циклических колонн / Копыленко А.В., Таран В.М., Геращенко В.Н. и др. // VI Всесоюзная конференция по ректификации. Тез. докл. Северодонецк, 1991. - С. 116.

60. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979.439 с.

61. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1981. - 811 с.

62. Евстафьев А.Г. Ректификационные установки. М.: Машгиз, 1963. -163 с.

63. McWhriter J.R., Canon M.R. Controlled cycling distillation // Ind. Eng. Chem. 1961. - V. 53, N 8. - P. 632-634.

64. A. c. 472663 (СССР). Тарелка ректификационной колонны с контролируемыми циклами / Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р., Назаров П.С // Бюл. изобр.- 1975.-№21.

65. Патент 4381974 (США). Ректификационная колонна // Изобретения в СССР и за рубежом. 1984. - вып. 16, № 1.

66. А. с. 1057050 (СССР). Массообменный аппарат для процессов в режиме с контролируемыми циклами / Копыленков А.В, Таран В.М. // Бюл. изобр.- 1988.-№44.

67. А. с. 572285 (СССР). Способ проведения процесса массообмена в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий Л.М., Потапов Т.Г. // Бюл. изобр.-1977.-№34.

68. А. с. 1072864 (СССР). Массообменная тарелка / Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Конобеев Б.И. и др. // Бюл. изобр. 1984. - № 6.

69. А. с. 1005804 (СССР). Способ проведения процесса ректификации в циклическом режиме / Арутюнян Г.Р., Конобеев Б.И., Малюсов В.А. и др. // Бюл. изобр.- 1983.-№ 11.

70. А. с. 1212451 (СССР). Массообменное контактное устройство / Таран В.М., Малета В.Н., Заднепряный В.А. и др. // Бюл. изобр. 1986. - № 7.

71. Baron G., Wajc S., Lavie R. Stepwise periodic distillation -I. // Chem. Eng. Science. 1981, V. 35. - Р. 859.

72. Baron G., Wajc S., Lavie R. Stepwise periodic distillation -II. Separation of a binary mixture // Chem. Eng. Science. 1981, V. 36, N 11. - P. 1819.

73. Matsubara M., Watanabe N., Kurimoto H. Binary periodic distillation scheme with enhanced energy conservation -1 // Chem. Eng. Science. 1985, V. 40,N5.-P. 715-726.

74. Matsubara M., Watanabe N., Kurimoto H. Binary periodic distillation scheme with enhanced energy conservation II // Chem. Eng. Science. - 1985, V. 40,N5.-P. 755-758.

75. A. c. 1214126 (СССР). Эмульгирующий насадочный массообменный аппарат / Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Курносенков С.И. // Бюл. изобр. -1986.-№8.

76. Математическая модель и алгоритм расчета полунепрерывного процесса абсорбции в тарельчатом аппарате / Размолодин Л.П., Протодьяконов И.О., Овчинников А.И. и др. // Журн. прикл. химии. 1978. -Т. 51, №3.-С. 627-630.

77. Протодьяконов И.О., Романков П.Г., Самсонов А.Г. // Журн. прикл. химии. 1972. - Т. 65, № 5. - С. 1146.

78. Ходоров Е.И., Вертепов П.С. // ТОХТ. 1974. - Т. 8, № 5. - С. 671.

79. А. с. 1360753 (СССР). Тепломассообменный аппарат / Копыленко A.B., Таран В.М., Заднепряный В.А. // Бюл. изобр. 1987. - № 47.

80. А. с. 1398883 (СССР). Тепломассообменный аппарат / Копыленко A.B., Таран В.М., Заднепряный В.А. // Бюл. изобр. 1988. - № 20.

81. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон A.C. Теоретическая механика в примерах и задачах. Т. 1. М.: Наука, 1972. - 512 с.

82. Кущенко B.C. // Тр. Ленингр. Технологии, ин-та им. Ленсовета. -1957.-вып. 41.-С. 92.

83. Польский Г.В. // Изв. Вузов. Пищевая технология. 1963. - № 6. -С.125.

84. Конобеев Б.И. К вопросу о количественном описании массопередачи // Докл. АН СССР. 1971. - Т. 197, № 4. - С 890-893.

85. Левич В.Г. Физико- химическая гидродинамика. М.: Изд. АН СССР, 1952.-538 с.

86. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 2. -М.: Физматгиз, 1959. 808 с.

87. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. -М.: Наука, 1964.-228 с.

88. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. -544 с.

89. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов. Т. 1. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1965. - 548 с.

90. Пери Дж. Т. Справочник инженера химика / Перев. с англ. под ред. акад. Жаворонкова Н.М. и чл.-корр. АН СССР Романкова П.Т. Л.: Химия, 1969, т. 1.-640 с.

91. Альперин В.З., Контик Э.И., Кузьмин A.A. Современные электрохимические методы и аппаратура для анализа газов в жидкостях и газовых смесях. М.: Химия, 1975, 184 с.