Совмещение методов физического и математического моделирования при определении основных гидродинамических параметров работы противоточных тарелок

Исследования гидродинамики, массообмена и теплообмена на пенных тарелках колонных аппаратов, продолжаются более ста лет и не показывают тенденции к снижению интенсивности. Продолжают разрабатываться и испытываться новые конструкции пенных тарелок как универсальных, так и оптимизированных для узкой области применения в конкретном процессе. В процессах очистки газов от пыли противоточные провальные тарелки имеют преимущества по сравнению с перекрёстноточными с переливными устройствами из-за меньшей склонности к загрязнению отверстий и более простой конструкции аппарата. Процессы взаимодействия сред в пенном режиме весьма сложны, поэтому многие параметры, необходимые для расчета, могут быть описаны только эмпирическими уравнениями. Для противоточных пенных тарелок, где, в отличии от перекрёстноточных, высота пенного слоя не регулируется высотой перелива, особенно сложным является определение высоты слоя чистой жидкости на тарелке. Для сокращения затрат на физическое моделирование все большее распространение получают исследования пенного режима методами вычислительной гидродинамики (computational fluid dynamics, CFD-моделирование), однако, к настоящему моменту они не достаточно широко применялись для противоточных тарелок. Целью является восполнение недостающих научных данных для проектирования промышленного пенного аппарата с противоточными тарелками и брызгоуловителем (туманоуловителем) и расчёта остаточного содержания загрязняющих веществ в газовых выбросах. Задачи: 1. Экспериментальное исследование гидродинамических режимов работы пенного аппарата с противоточными тарелками, в том числе с ранее не исследованными типами тарелок; 2. Проверка возможностей известных методик CFD-моделирования для симуляции пенного слоя на противоточных тарелках, адаптация известных методик для противоточной тарелки; 3. Исследование брызгоуноса и влияния его дисперсности на эффективность очистки газа. Научная новизна. 1. Впервые проведено физическое моделирование работы противоточных тарелок с фиксированными клапанами и определены гидродинамические параметры режимов их работы. 2. Выполнено CFD-моделирование методом объемной доли жидкости (volume of fluid, VOF), с использованием программного пакета OpenFOAM для пенного слоя на противоточных тарелках. 3. Выполнено CFD-моделирование методом взаимопроникающих сред (модель «Эйлера-Эйлера») с использованием программного пакета ANSYS для пенного слоя на противоточных тарелках. Методика расчета коэффициента лобового сопротивления C_D адаптирована для моделирования противоточной пенной тарелки. 4. Разработана методика расчета эффективности очистки газа в аппарате с противоточными пенными тарелками и проволочным (сетчатым) туманоуловителем, учитывающая дисперсионный состав частиц капельного уноса. Теоретическая и практическая значимость. 1. Проведены экспериментальные исследования противоточных тарелок с фиксированными клапанами, определен рекомендуемый диапазон нагрузок по газу и жидкости. Показаны преимущества данных тарелок по сравнению с известными типами противоточных тарелок. 2. Проведено моделирование гидродинамики противоточной пенной тарелки с использованием известных методик CFD-моделирования в различных программах, определены границы применимости известных методик. 3. Предложена методика CFD-моделирования противоточной пенной тарелки с использованием модели взаимопроникающих сред с определением коэффициента сопротивления пузыря CD. 4. Предложена методика проектного расчета пенного аппарата с учетом влияния дисперсионного состава брызгоуноса на эффективность туманоуловителя и остаточное содержание загрязняющий веществ в выбросах. 5. Результаты работы будут использоваться проектными организациями при проектировании и расчёте пенных аппаратов мокрой очистки газа. Основные положения, выносимые на защиту. 1. Результаты экспериментальных исследований и рекомендации по использованию противоточных пенных тарелок с фиксированными клапанами. 2. Результаты компьютерного моделирования и рекомендации по использованию известных CFD-моделей для пенных тарелок. 3. Методика CFD-моделирования противоточной пенной тарелки, на основе модели взаимопроникающих сред «Эйлера-Эйлера» с расчетом коэффициента лобового сопротивления в зависимости от скорости и объемных долей фаз. 4. Методика расчета общей эффективности очистки газа в пенном аппарате с пенными тарелками и проволочным туманоуловителем с использованием экспериментальных данных по дисперсионному составу частиц капельного брызгоуноса.