Гидравлические характеристики вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов

Abstract

Дисертаційна робота присвячена теоретичному обґрунтуванню та експериментальним дослідженням вихрових потоків, удосконаленню методів розрахунку гідродинаміки вихрових розпилювальних протитечійних масообмінних апаратів та рекомендацій з проектування та вибору параметрів роботи таких апаратів. Запропоновані уточнені фізична та математична моделі, що пояснюють процеси формування протитечійного руху у робочій частині вихрової масообмінної камери вихрового розпилювального протитечійного масообмінного апарата. Експериментально вивчені гідродинамічні характеристики різних режимів роботи вихрового розпилювального протитечійного масообмінного апарата для створення умов стійкої роботи вихрових розпилювальних протитечійних масообмінних апаратів. Вивчено вплив режимів роботи вихрового розпилюючого протитечійного масообмінного апарата на інтенсивність бризковіднесення та вплив цього процесу на ефективність роботи вихрових розпилюючих протитечійних масообмінних апаратів. Теоретичні розрахунки були підтверджені результатами експериментальних досліджень, тобто розроблена математична модель може бути застосована для моделювання стійкого протичейного, вздовж радіуса вихрової масообмінної камери, руху вихрових потоків газу та крапель рідини. Розроблена інженерна методика проектування вихрових розпилювальних протичечійних масообмінних апаратів. Отримані наукові результати впроваджені у навчальний процес кафедри «Процеси та обладнання хімічних та нафтопереробних виробництв» Сумського державного університету та кафедри «Процеси та апарати нафтопереробки» Багдадського технологічного університету.

Целью диссертационной работы является разработка уточненной методики определения гидродинамических характеристик вихревого распыливающего противоточного массообменного аппарата, а именно полей радиальных и тангенциальных составляющих скоростей вихревого газового потока и вихревого потока капель жидкости. Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и экспериментальным исследованием вихревых потоков, совершенствованию методов расчета гидродинамики вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов и рекомендаций по проектированию и выбору параметров работы таких аппаратов. Интенсификация химико-технологических процессов и повышение эффективности технологического оборудования являются одними из приоритетных задач развития науки и техники. Основой повышения качества продукции, увеличения производительности и снижения энергозатрат на проведение химико-технологических процессов служит разработка высокоэффективных технологических аппаратов с оптимальной удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые вещества. Выросший интерес к использованию вихревых потоков в массообменной технике объясняется возможностью значительно ускорить массообмен за счет турбулизации течений, создания развитой поверхности контакта фаз, а также распыла жидкости на капли. Такие подходы позволяют не только ускорить массообмен, а также уменьшить затраты на производство и эксплуатацию этого оборудования. На основании литературного обзора и анализа гидродинамических параметров работы вихревых противоточных массообменных аппаратов разных типов выявлены недостатки их конструкций, определены направления усовершенствования и обоснованно возможность уменьшения габаритных размеров массообменного оборудования путем использования противоточного движения вихревых потоков газа и капель жидкости и интенсификации процессов внутри аппарата за счет применения усовершенствованного метода гидродинамического анализа условий такого вихревого движения. Получила дальнейшее развитие математическая модель расчетов гидродинамических параметров однофазного и двухфазного вихревых потоков с возможностью определения полей скоростей этих потоков в произвольной точке рабочей камеры вихревого распыливающего противоточного массообменного аппарата. На основе теоретического анализа силового воздействия на капли жидкости центробежных сил, вовлекающих капли в движение от центра к периферии вихревой камеры, и аэродинамических сил, которые действуют на капли в направлении от периферии к центру, и в основе которых лежит разработанная методика определения скоростей вихревого газового потока с поперечным градиентом окружных скоростей газа, разработаны рекомендации по созданию гидродинамических условий в массообменной камере вихревого распыливающего противоточного массообменного аппарата, обеспечивающих устойчивое, противоточное вдоль радиуса движение вихревых потоков газа и капель жидкости, что позволяет повысить эффективность массообменных процессов. Разработана методика определения времени вовлечения капель при различных условиях ввода жидкости в вихревой газовый поток, которая лежит в основе рекомендаций по расчету распыливающего устройства вихревого распыливающего противоточного массообменного аппарата. По результатам экспериментальных исследования получены гидродинамические характеристики различных режимов работы вихревого распыливающего противоточного массообменного аппарата с целью создания условий устойчивой работы вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов. Разработана инженерная методика проектирования вихревых распыливающих противоточных массообменных аппаратов. Полученные научные результаты внедрены в учебный процесс кафедры «Процессы и оборудование химических и нефтеперерабатывающих производств» Сумского государственного университета и кафедры «Процессы и аппараты нефтепереработки» Багдадского технологического университета.

This dissertation is devoted to the theoretical justification and experimental studies of vortex flows, the improvement of hydrodynamics calculation methods of the vortex atomizing countercurrent mass transfer units, and recommendations for the design and selection of the parameters of such devices. Physical and mathematical models explain the processes of counter-movement formation in the working section of the vortex mass transfer vortex chamber of the spray countercurrent mass transfer apparatus. The hydrodynamic characteristics of the various modes of operation of the atomizing vortex countercurrent mass-transfer device were experimentally studied in order to create stability conditions of the vortex atomizing countercurrent mass-transfer apparatus. The influence of the operation modes of the atomizing vortex countercurrent mass transfer apparatus on the drop entrainment intensity and its impact on the performance of the atomizing vortex countercurrent mass-transfer apparatus are being studied. Theoretical calculations have been confirmed by experimental results. A mathematical model is applicable for modeling persistent counter motion of vortex flows of gas and liquid droplets along the radius of the vortex mass transfer camera. The engineering practice of designing atomizing countercurrent mass-transfer apparatus has been developed. The obtained research results are introduced into the academic process at the Department "The Processes and Equipment of Chemical and Refining Industries" of Sumy State University and at the Department "Refining Processes and Devices" of Baghdad University of Technology.