Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования„Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)“На правах рукописиГородилов Александр АндреевичИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССАТЕПЛОМАССООБМЕНА В КОНТАКТНЫХАППАРАТАХ С РЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКОЙ05.17.08 – Процессы и аппараты химической технологииДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководителькандидат химических наук, профессорБеренгартен М.Г.Москва  20161СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕГЛАВА1.7ГАЗОЖИДКОСТНЫЕПРОВЕДЕНИЯПРОЦЕССОВАППАРАТЫДЛЯ11ТЕПЛОМАССООБМЕНА(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)1.1.Типы газожидкостных контактных аппаратов с насадкой111.2.Виды насадок и их основные характеристики121.3.Конструктивныеспособыинтенсификациипроцессов20регулярных271.4.1.

Течение плёнки жидкости по гладким вертикальным и28контактного теплообмена на регулярных насадках1.4.Особенностигидродинамикиплёночныхнасадокнаклонным поверхностям1.4.2. Течение плёнки жидкости по насадкам и поверхностям с32комплексной геометрией1.5.Особенности контактного теплообмена между газом и41жидкостью на насадках1.5.1. Массообмен в процессе контактного теплообмена421.5.2. Коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи431.6.Выводы из обзора литературы471.7.Постановка задач исследования50ГЛАВА2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕУСТАНОВКИИ51МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ГОФРИРОВАННОПРОСЕЧНОЙ НАСАДКИ2.1.Конструкцияихарактеристикиновойрегулярной51Экспериментальный стенд №1 для исследования течения53гофрированно-просечной насадки2.2.плёнки жидкости по единичному элементу гофрированно-2просечной насадки2.3.Экспериментальнаяустановка№2дляисследования55тепломассообмена в блоке гофрировано-просечной насадкиГЛАВА3.РЕЗУЛЬТАТЫИССЛЕДОВАНИЯ62ГИДРОДИНАМИКИ ПЛЁНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИПО ПОВЕРХНОСТИ ГОФРИРОВАНО-ПРОСЕЧНОЙ НАСАДКИГЛАВА4.ИСПЫТАНИЙРЕЗУЛЬТАТЫБЛОКАТЕПЛОМАССООБМЕННЫХРЕГУЛЯРНОЙ75ГОФРИРОВАНО-ПРОСЕЧНОЙ НАСАДКИ4.1.

Методика обработки результатов эксперимента754.2. Результаты экспериментальных исследований784.3. Результаты сравнительных испытаний ГПН-насадки с89другими конструкциями насадокГЛАВА 5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОНТАКТНОГО АППАРАТА100С ГОФРИРОВАННО-ПРОСЕЧНОЙ НАСАДКОЙ5.1. Исходные данные1005.2. Выбор скорости газа и линейной плотности орошения1005.3. Определение объема насадочной части аппарата1025.4.

Проверка сходимости теплового баланса1085.5. Определение объемной плотности орошения1095.6. Определение мощности вентилятора110ЗАКЛЮЧЕНИЕ112ЛИТЕРАТУРА113ПРИЛОЖЕНИЯ127Приложение 1. Экспериментальные данные по массообмену127Приложение 2. Акт о внедрении результатов работы на ООО137«Каскад»Приложение 3. Акт о внедрении результатов работы в ФГБОУ ВО138СПбГУПТДПриложение 4.

Патент РФ «Регулярная насадка для тепло- и1403массообменных аппаратов»Приложение5.ПатентРФтепломассообменный аппарат».«Горизонтальныйнасадочный1414УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯA – постоянный множитель в уравнении; амплитуда волн, м;a – удельная поверхность насадки, м2/м3;b – ширина элемента насадки, м;C – теплоемкость, Дж/(кг∙град);c – толщина элемента насадки, м; теплоёмкость, Дж/(кг∙оС);D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе, м2/с;d – диаметр, м;E – относительная погрешность;F – F-фактор, Па0,5; площадь сечения аппарата в плане, м2;f – площадь поверхности, м2;G – массовый расход газа, кг/с;g – ускорение свободного падения, м/с2;H – число перетока;h – высота, м;I – энтальпия газа, Дж/кг;L – объемный расход жидкости, м3/с;Lисп – количество жидкости, испаряющееся на насадке в единицу времени,м3/с;l – длина, м;m – показатель степени в уравнении;n – количество элементов насадки по ширине аппарата;Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;q – удельное количество передаваемой теплоты, Вт/м3; объемная плотностьорошения, м3/(м2∙ч);r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг,s – расстояние между соседними выступами шероховатости, м;S – расстояние между соседними отверстиями в оросительном устройстве, м;5T – температура теплоносителя, оС;V – объем насадки, м3;w – фиктивная скорость газа, м/с;Х – влагосодержание газа, кг/м3;Г – линейная плотность орошения, м3/(м∙с);Гз – количество жидкости, перетекающее через щели на заднюю сторонуэлемента насадки в единицу времени, отнесенное к ширине плёнкижидкости, м3/(м∙с);П – смоченный периметр, м;α – поверхностный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙оС);βf – поверхностный коэффициент массоотдачи, м/с;βV – объемный коэффициент массоотдачи, кг/(м3∙с∙кг/кг сух.

газа);Δ – зазор между соседними элементами насадки, м;ΔP – гидравлическое сопротивление насадки, Па;ΔТ – среднелогарифмическая разность температур газа и жидкости, оС;ΔХ – среднелогарифмическая разность влагосодержаний газа в ядре потока инад поверхностью плёнки жидкости, кг/м3;δ – толщина плёнки жидкости, м;ψ – поправочный коэффициент в уравнении движущей силы массообмена;Ω – поправочный коэффициент в уравнении движущей силы теплообмена;ε – удельный свободный объем насадки, м3/м3;μ – коэффициент динамической вязкости, Па∙с;ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;ξ – коэффициент гидравлического сопротивления насадки;ρ – плотность, кг/м3;λ – относительный объемный расход; длина волны, м;Φ – коэффициент смачивания;Fi – Плёночное число (Число Капицы);Ki – критерий Кирпичева;Ku – критерий Кутателадзе (критерий фазового перехода);6Le – критерий Льюиса;Me – критерий Меркеля;ReG – критерий Рейнольдса газового потока в слое насадки;ReL – критерий Рейнольдса жидкости;Reпл – плёночное число Рейнольдса;Reкр – критическое значение плёночного числа Рейнольдса, соответствующеепереходу от ламинарного режима течения к турбулентному;Sc – критерий Шмидта (диффузионное число Прандтля);Sh – критерий Шервуда (диффузионное число Нуссельта) рассчитанный поэквивалентному диаметру канала блока насадки;ShΔ – критерий Шервуда (диффузионное число Нуссельта) рассчитанный позазору между соседними элементами насадки;St – диффузионное число Стантона (Критерий Маргулиса);We – критерий Вебера.Индексы:…e – эквивалентный; …max – максимальная; …min – минимальная; …p –выступов гофр; …v – впадин гофр; …G – газ; …гф – гофр; …L – жидкость;…дейст – действительное значение; …кр– критическое значение; …н –насыщенного газа; …нас – насадки; …о – отверстий; …пар – пар; …п – паза наоросительном устройстве; …ш – выступов регулярной шероховатости; …Т –за счет теплообмена; …М – за счет массообмена; …‘ – значение величины навходе в аппарат; …“ – значение величины на выходе из аппарата.Сокращения:ГПН – гофрировано-просечная насадка;ППН – плоскопараллельная насадка;ТМО – тепломассообмен;7ВВЕДЕНИЕПроцессы тепломассообмена между газом и жидкостью находятширокоераспространениевхимической,нефтеперерабатывающейпромышленности, энергетике и т.д.

Значительный интерес представляетпроцесспередачинепосредственномтеплообменатеплотымеждугазомсоприкосновении.междунепосредственномгазовойииНаиболеежидкойсоприкосновениижидкостьюинтенсивнофазамиприпроцессыпротекаюттеплоносителейихпри(контактномтеплообмене) в насадочных контактных аппаратах. В аппаратах данного типаболее высокие значения коэффициентов теплопередачи могут быть полученыпри меньших удельных энергозатратах, что предопределяет их высокуюэнергоэффективность.

В то же время процесс контактного теплообмена нанасадках изучен недостаточно, а в литературе редко встречаются методикирасчетаконтактныхтеплообменныхсовершенствованиеоборудованиянепосредственномсоприкосновениидляаппаратов.контактногогазаиТакимобразом,теплообменажидкостивпринасадочныхаппаратах, а также более глубокое исследование этого процесса, являетсяактуальной задачей химической технологии.Цель работыПовышение эффективности процесса контактного теплообмена присоприкосновении газового потока и жидкости за счет использования насадкис гофрировано-просечной поверхностью.Научная новизна диссертацииУстановлено, что на поверхности плёнки жидкости, стекающей поповерхности исследуемой насадки, образуются стоячие волны, амплитудакоторых уменьшается до нуля с увеличением плёночного числа Рейнольдсадо Reпл ≈ 2200.8Установлено, что при подаче орошающей жидкости на одну сторонуэлемента ГПН-насадки, имеет место перетекание плёнки жидкости на другуюсторону через щели в поверхности насадки.

Установлена зависимостьколичества жидкости, перетекающей через щели с одной стороны элементаГПН-насадки на другую от плотности орошения.Выявлены стадии и установлены особенности механизма перетеканияплёнки жидкости с одной стороны элемента ГПН-насадки на другую, котороенаступает при значениях Reпл > 1320.Для оценки чувствительности регулярных насадок с перфорацией кравномерностиорошения,предложенбезразмерныйсимплекс,представляющий собой отношение количества жидкости, перетекающей содной стороны элемента насадки на другую, к общему расходу жидкости.Изучен процесс охлаждения воды атмосферным воздухом в аппарате сГПН-насадкой. Установлено, что расход орошающей жидкости не влияет накоэффициент массоотдачи при плотности орошения, соответствующейплёночному числу Рейнольдса: 320 < Reпл < 4400.Установлено,чтопредлагаемаянасадка,посравнениюсплоскопараллельной насадкой аналогичных размеров и конфигурации блока,обладает более высокой эффективностью, и позволяет осуществлять процессприскоростях газа,достигающих2,5м/с,приэтомобеспечиваяинтенсификацию процесса тепломассообмена в 1,5 – 2,5 раза при тех жерасходах теплоносителей.Практическая значимостьРезультаты работы могут быть использованы на предприятияххимической, нефтехимической и др.