Дисертації

Дисертаційна робота присвячена дослідженню закономірностей процесу концентрування водних розчинів малолетких рідин у стікаючій плівці випаровуванням в перехресний потік нейтрального газу і використанню результатів цих досліджень для створення нової конструкції концентратора та методики його розрахунку. Такий концентратор дозволяє проводити безвакуумне концентрування розчинів при температурі нижче температури їх кипіння, що, зважаючи на високі температури кипіння мололетких рідин, дає можливість знизити енерговитрати й відмовитися від дефіцитних видів палива, що використовується для нагрівання розчину. Відповідно до мети та поставлених задач, дослідження мали характер комплексних, оскільки були використані як теоретичні так експериментальні методи, які знайшли своє застосування у концентруванні водних розчинів. Теоретичні дослідження проводили використовуючи метод математичного моделювання, який полягав у формулюванні спрощених фізичних уявлень про процеси, що вивчаються, і опис їх системою диференційних та інтегральних рівнянь. Розрахунки, пов'язані з моделюванням і обробкою експериментальних даних проводили за допомогою програмного забезпечення Microsoft Excel, Mathcad. У дисертації наведені результати моделювання гідродинаміки і тепломасоперенесення стікаючої плівки індивідуальної (однокомпонентної) рідини, що випаровується в перехресний потік нейтрального газу з використанням розробленої математичної моделі. Ці результати показали закономірності зміни товщини, швидкості стікання і температури плівки за її довжиною, а також температури газу над плівкою. Встановлено, що інтенсивність випаровування рідини з плівки при її перехресному напрямку руху щодо газового потоку більше, ніж при прямоточному напрямку і може перевищувати інтенсивність випаровування при протиточному напрямку. Температура плівки рідини, що випаровується в перехресний потік нейтрального газу, при віддаленні від її початкового перерізу досягає усталеного значення, а при подальшому збільшенні відстані від цього перерізу рідина повністю випаровується. Розроблено алгоритм розрахунку відстаней, на яких відбуваються ці явища. Температура газу над плівкою за довжиною плівки змінюється несуттєво, але за своїм характером ця зміна відповідає зміні температурі плівки, і також досягає усталеного значення. В ході експериментальних досліджень використовували методи фізичного моделювання із застосуванням теорії подібності, статистичної обробки експериментальних даних. Вхідні та вихідні параметри досліджуваних процесів на експериментальній установці визначали манометричним, термометричним і об'ємним методами вимірювання. А концентрацію водних розчинів гліцерину, який використовувався в якості модельної рідини, вимірювали ареометричним і рефрактометричним методами. На підставі експериментального дослідження тепломасоперенесення в стікаючій плівці води, що випаровується в перехресний потік повітря, встановлені значення коефіцієнта тепловіддачі від поверхні до стікаючої з неї плівки, а також коефіцієнтів тепло – і масовіддачі від плівки до повітряного потоку. Показано, що залежності коефіцієнтів тепло – і масовіддачі від початкового потоку рідини проходять через мінімум, відповідний 𝑅𝑒ж≈500, що свідчить про перехід від ламінарного режиму течії плівки до турбулентного в умовах, що розглядаються. Встановлено залежність цих коефіцієнтів від параметрів процесу тепломасоперенесення для обох режимів. На підставі математичної обробки експериментальних даних були отримані емпіричні рівняння для їх розрахунку. Отримані результати математичного моделювання та експериментального дослідження випаровування індивідуальної рідини зі стікаючої її плівки стали основою для розробки математичної моделі і дослідження процесу концентрування водних розчинів малолетких рідин в стікаючій плівці випаровуванням в перехресний потік нейтрального газу. За допомогою цієї моделі встановлено закономірності зміни складу розчину за довжиною плівки та інтенсивності процесу концентрування. Показано, що концентрація розчину на початку плівки змінюється лінійно, потім відбувається її різкий підйом, що триває до повного випаровування води. Такий характер зміни концентрації розчину за довжиною плівки пов'язаний з розподілом температури плівки. Різкий підйом концентрації відповідає усталеному значенню температури. Встановлено, що інтенсивність процесів концентрування зростає зі зменшенням початкового потоку розчину і його початкової концентрації, а також зі збільшенням початкової температури розчину, температури поверхні стінки, на якій стікає плівка й початкової температури повітря, що надходить в простір над плівкою. Зі збільшенням швидкості повітря інтенсивність концентрування падає. Проведено експериментальне дослідження процесу концентрування водних розчинів гліцерину в їх стікаючій плівці в умовах випаровування в потік повітря, в результаті якого визначені коефіцієнти тепло – і масовіддачі, що являються параметрами розробленої математичної моделі. Встановлено, що в дослідженому діапазоні зміни параметрів процесу для низько концентрованих розчинів гліцерину, як і для води, характерний перехід від ламінарного режиму стікання плівки до турбулентного, для розчинів з підвищеною концентрацією гліцерину такий перехід відсутній і плівка стікає тільки в ламінарному режимі. У дисертації на основі експериментальних досліджень показано прояв капілярних ефектів за умов стіканні плівки рідини, що випаровується в перехресний газовий потік, який виражається зменшенням ширини плівки. Також встановлені закономірності цього зменшення для плівок води й водних розчинів гліцерину залежно від параметрів процесу стікання. Для води і водних розчинів гліцерину така зміна ширини плівки може досягати 50-80%. Найбільший вплив на зменшення ширини плівки за таких умов дають початковий потік рідини та температура поверхні стікання. Для коригування поверхні випаровування плівки, визначеної на основі технологічного розрахунку, була введена величина ширини середньої поверхні випаровування плівки. Результатами експериментального дослідження впливу параметрів процесу стікання плівки води й водних розчинів гліцерину на ширину середньої поверхні випаровування стали узагальнені емпіричні закономірності, що пов'язують коригувальний коефіцієнт з основними параметрами процесу стікання. На основі проведених в дисертаційній роботі теоретичних і експериментальних досліджень закономірностей стікання і тепломасоперенесення в плівці рідини, а також моделювання процесу концентрування водних розчинів малолетких рідин в стікаючій плівці розроблена нова конструкція і методика розрахунку плівкового концентратора таких розчинів. Конструкція заснована на використанні плоско–паралельної (пластинчастої) насадки, що дозволяє забезпечити перехресну взаємодію стікаючої плівки рідини з газовим потоком. Елементи насадки (пластини) мають внутрішні порожнини, де проходить теплоносій, що нагріває плівку розчину, яка стікає з її зовнішньої поверхні. Методика розрахунку випробувана на конкретному прикладі розрахунку концентратора водного розчину гліцерину. Її апробація показала, що для підвищення концентрації цього розчину від 6 до 30% (мас.) з продуктивністю в 2,0 т/год необхідна робоча висота плоско – паралельної насадки рівна 1,62 м. Розроблену методику розрахунку такого апарату та ескізний проект на концентратор прийнятий Державним науково – дослідним інститутом хімічних продуктів у розробку директивного технологічного процесу та проектування фази регенерації відпрацьованої кислотної суміші виробництва нітратів целюлози. Результати дисертаційних досліджень впроваджені в учбовий процес при викладанні дисциплін "Процеси і апарати хімічних виробництв" та "Технологія виробництва спеціальних високомолекулярних сполук" на кафедрі хімічної технології високомолекулярних сполук Шосткинського інституту СумДУ.

Дисертації

Browse

Filters

Settings

Sort By

Results per page

Search Results