Этап 1. Математические модели интенсифицированного переноса в двухфазных средах: газ(пар)–жидкость; твердая фаза–жидкость; жидкость–жидкость

Рассмотрены проблемы и задачи по снижению энергозатрат в тепломассообменных установках на предприятиях нефтегазохимического комплекса. Изложены теоретические основы энергосбережения и модернизации промышленных установок. Основное внимание сосредоточено на ректификационных тарельчатых и насадочных колоннах, работа которых характеризуется большими затратами энергии. Приведены конструкции некоторых новых насадок, и дана оценка их энергоэффективности. Представлены результаты расчетов колонны ректификации с различными тарелками и насадками, и сделаны выводы о наиболее эффективных конструкциях контактных устройств.Рассмотрены уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи от гладкой поверхности, полученные с применением моделей турбулентного пограничного слоя Прандтля и Дайслера. Показано, что учет возмущений в пограничном слое (шероховатость стенки, выступы, кольцевые накатки) можно выполнить параметрически за счет корректировки динамической скорости, толщины вязкого подслоя и пограничного слоя. Приведены результаты расчетов средних значений коэффициентов теплоотдачи (в безразмерном виде чисел Нуссельта и Стантона) и их сравнения с известными экспериментальными данными. Получена математическая модель турбулентного переноса жидких аэрозольных частиц с применением подхода, когда перенос тонкодисперсной фазы условно представляется как диффузионный процесс с применением уравнений из теории массопередачи. Основной параметр в такой постановке - коэффициент скорости переноса частиц (турбулентной миграции), который является аналогом коэффициента массоотдачи. Показано использование моделей структуры потока с объемным источником массы оседающих частиц в хаотичном насадочном слое и сетчатых демистерах. Получены выражения для расчета длины зоны сепарации и эффективности процесса с учетом входного участка и обратного перемешивания газового потока. Представлены результаты расчетов эффективности сепарации аэрозолей, энергетического коэффициента и их сравнения с опытными данными. Развит подход к определению коэффициентов тепло- и массоотдачи от дисперсных частиц путем модификации гидродинамической аналогии. Получены уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи в сплошной фазе при ламинарном режиме обтекания твердых частиц, а также коэффициентов массоотдачи в каплях. Проведено сравнение с экспериментальными данными различных авторов. Получены полуэмпирические выражения для расчета средних коэффициентов тепло- и массоотдачи в пленочных блоках оросителей. Использованы уравнения гидродинамической аналогии Чилтона - Кольборна, модели Прандтля, обобщения гидродинамической аналогии, а также критериальные выражения и экспериментальные данные различных авторов. Показано, что наилучшее согласование с экспериментом обеспечивают уравнения, полученные с применением развития гидродинамической аналогии и модели Прандтля. Разработан способ повышения эффективности термических деаэраторов и декарбонизаторов ТЭС, который заключается в применении массообменного турбулентного устройства с хаотичной мелкой насадкой. Перед входом насадки в слой в воду подаются воздух (декарбонизация) или водяной пар (деаэрация). Хаотичная насадка создает интенсивный турбулентный режим взаимодействия воздуха (пара) с водой и его дробление на мелкие пузырьки, благодаря чему значительно повышается удельная площадь поверхности контакта фаз, обеспечивается высокая эффективность массопередачи (извлечения растворенных газов). Для расчета турбулентного смесителя построена математическая модель структуры потока с применением однопараметрической диффузионной модели и полуэмпирического коэффициента обратного перемешивания. Учет межфазного переноса растворенных газов осуществляется с помощью объемного источника массы. Приведено уравнение для определения источника массы и расчета его параметров. В частном случае сделан переход к ячеечной модели, и получено выражение для вычисления профиля концентраций растворенного газа по длине канала с насадкой. Приведен пример расчета эффективности турбулентного смесителя при удалении растворенного углекислого газа из воды на ТЭС. Даны рекомендации по использованию рассмотренного технического устройства.