Эффективность разделения гомогенных и гетерогенных смесей в модернизированных аппаратах газожидкостного контакта

Цель работы: комплексное повышение эффективности широкого класса тепломассообменных и сепарационных процессов в модернизированных аппаратах двухфазного контакта газ (пар)-жидкость на основе развития методов физического и математического моделирования. Задачи исследования: 1. Получение замыкающих соотношений по кинетическим характеристикам в системах дифференциальных уравнений процессов совместного переноса импульса, массы, теплоты и аэрозольных частиц в пленочных, барботажных, насадочных и вихревых контактных устройствах с интенсификаторами для определения эффективности процессов на основе данных по гидравлическому сопротивлению локальных областей и всей рабочей зоны промышленного аппарата. 2. Разработать математическую модель и алгоритм расчета эффективности тепломассообмена и турбулентной сепарации тонкодисперсной фазы (<20 мкм) в барботажном слое при очистке газов в скрубберах. 3. Разработать математическую модель абсорбции и десорбции газов при пленочном течении в вертикальных каналах с интенсификаторами и в аппаратах с регулярными и хаотичными контактами элементами (насадками) при слабом и сильном взаимодействии пленки с газовым потоком. Получить алгоритмы расчетов эффективности разделения смесей. 4. Разработать математическую модель тепло- и массообмена в турбулентном барботажном слое и численно исследовать эффективность процессов на контактных устройствах с тонким и высоким газожидкостным слоем при десорбции коррозионно-активных газов. 5. Получить алгоритм расчета эффективности разделения смесей при ректификации и абсорбции в барботажных колонах с учетом неравномерности распределения фаз. 6. Получить и обобщить экспериментальные данные на стендах и пилотных установках по гидравлическим и тепломассообменным характеристикам контактных устройств с интенсификаторами в пленочных и насадочных аппаратах. 7. Разработать математическую модель охлаждения воды и газов в пленочных градирнях и скрубберах с учетом поперечной неравномерности распределения фаз. Численное исследовать влияние неравномерностей профилей скоростей фаз на эффективность тепломассообмена и сепарации аэрозолей. Сделать сравнительную оценку современных отечественных и зарубежных контактных устройств оросителей градирен и скрубберах–очистки и охлаждения газов. 8. Внедрить разработанные математические модели, алгоритмы расчетов и научно-технические решения по модернизации аппаратов в проектных и научно- исследовательских организациях, на промышленных предприятиях и в учебном процессе технических вузов. Научная новизна диссертационной работы связана с определением параметров систем дифференциальных уравнений совместного переноса импульса, массы, теплоты и дисперсной фазы для систем газ (пар)-жидкость при турбулентном режиме в пленочных, вихревых, барботажных и насадочных аппаратах с интенсификаторамиявлений переноса, а также численным и аналитическим решением этих систем дифференциальных уравнений с получением расчетных зависимостей для эффективности совместных тепломассообменных и сепарационных процессов в модернизированных аппаратах. 1. На основе применения известного подхода, который заключается в замене интенсифицированной поверхности тепломассообмена на некоторую условную эффективную плоскую поверхность с осреднением явлений переноса, т.е. фактически с изменением граничных условий на поверхности, получены выражения в виде безразмерных комплексов для касательного напряжения трения на интенсифицированных поверхностях, как для однофазных сред, так и для системы газ-жидкость (пленочные и насадочные аппараты). Использованы модели турбулентного пограничного слоя Дайсслера и Ван-Дрийста, а также свойства консервативности законов трения к возмущениям, которые учитываются параметрически. 2. На трех опытных установках с колоннами диаметром 100, 200 и 600 мм получены экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению, предельным нагрузкам и эффективности тепломассообмена запатентованных контактных устройств с интенсификаторами (процессы ректификации, охлаждения воды воздухом, увлажнение воздухом водой). 3. Выполнена модификация гидродинамической аналогии Чилтона-Кольборна для потоков с градиентом давления, вызванного формой интенсификаторов на поверхностях обтекаемых тел (хаотичные и регулярные насадки, шероховатость поверхности каналов и др.), где подстройка параметров выполняется на основе баланса импульса в пограничном слое при известном среднем касательном напряжении. В результате получены выражения в виде чисел Нуссельта и Шервуда для различных контактных устройств при ламинарном и турбулентном режимах с одно- и двухфазными средами. 4. На основе применения модели локальной изотропной турбулентности для газожидкостных сред получены выражения для вычисления средних коэффициентов турбулентной вязкости в жидкой фазе за пределами пограничного слоя при пузырьковом режиме барботажа, а также при стесненном движении пузырей. Показано, что при стесненном движении пузырей коэффициент турбулентной вязкости снижается. Получено выражение для расчета коэффициента обратного (продольного) перемешивания в жидкой фазе барботажного слоя на основе использования модели Тейлора. 5. Разработаны алгоритмы расчетов эффективности сепарации тонкодисперсной фазы из газов в барботажном слое (мокрая очистка), на поверхность пленки в каналах с интенсификаторами, а также в насадочных слоях. Использованы модели турбулентно-инерционного осаждения частиц из газов. Получены расчетные выражения для эффективности сепарации. Численно исследовано влияние неравномерности профиля скорости газа в насадке на эффективность сепарации аэрозолей. 6. Для определения эффективности очистки жидкостей от труднорастворимых газов в насадочных десорберах и барботажных деаэраторах записаны системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса с объемными межфазными источниками. Выполнено численное исследование массопереноса растворенного кислорода в деаэраторном баке с барботажным устройством. Установлена связь режимных и конструктивных характеристик барботажа с эффективностью извлечения растворенного кислорода. Для насадочных десорберов получено решение для расчета эффективности массопередачи в явном виде, которое позволяет определять эффективность массопередачи при различных режимных и конструктивных характеристиках насадок в пленочном режиме. 7. С применением системы дифференциальных уравнений с частными производными представлена замкнутая математическая модель тепло-и массопереноса на тарелках с барботажным слоем при турбулентном режиме. Вычислены поля скоростей и концентраций и показана возможность учета неравномерностей распределения фаз, которые снижают эффективность процессов. Разработаны технические решения для повышения эффективности разделения смесей. 8. На основе модификации энергетического коэффициента Кирпичева получено выражение для оценки массообменно-энергетической эффективности контактных устройств в десорберах, которое позволяет на этапе предпроектной разработки выбирать рациональные типы насадок и режим их работы. 9. Записана двумерная система дифференциальных уравнений в частных производных с объемными межфазными источниками теплоты и массы для пленочных блоков оросителей градирни и скрубберов охлаждения газов. Выполнено численное решение системы уравнений с учетом неравномерного профиля скорости воздуха на входе. Установлено влияние неравномерности на тепловую эффективность охлаждения воды в градирне. 10. Получено соотношение тепловых эффективностей по жидкой и газовой фазам в пленочной градирне, которое позволяет при заданной эффективности по жидкой фазе использовать тепловую эффективность по газовой. Аналогичные соотношения получены для пленочных скрубберов охлаждения газов. 11. Получен показатель теплогидравлической эффективности градирен с различными типами контактных устройств. Даны результаты расчетов для отечественных и зарубежных конструкций и сделаны выводы о рациональных конструкциях для заданных условий работы. Отличительной способностью математических моделей, алгоритмов расчетов и полученных выражений для эффективности тепло-и массопередачи и сепарации аэрозолей в пленочных, насадочных и барботажных аппаратах является возможность вычислить эффективности процессов основываясь на результатах гидравлических испытаний контактных устройств без идентификации параметров модели по тепло- и массообмену. Полученные выражения значительно сокращают трудоемкость, затраты на экспериментальные исследования контактных устройств и время предпроектных разработок.