МЕТОДИКА И ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ КОНТАКТНЫХ АППАРАТОВ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты коэффициентов объемной теплоотдачи в «газожидкой» фазе. Рекомендуется методика определения коэффициента объемной теплоотдачи, позволяющая определять оптимальные условия протекания процесса выпарки в исследуемой технологической системе.

ABSTRACT

The article presents the results of volumetric heat transfer coefficients in the “gas-liquid” phase. A method for determining the volumetric heat transfer coefficient is recommended, allowing one to determine the optimal conditions for the evaporation process in the technological system under study.

Ключевые слова: процесс выпаривания, природный газ, тепло- и массообмен, теплоотдача, выпарная установка.

Keywords: The process of evaporation, natural gas, heat and exchange, heat output, the evaporating.

Контактные выпарные аппараты позволяют выпаривать раствор без нагревательных элементов, так как основным источником тепла являются топочные (дымовые) газы, полученные в топках (погружных горелках), работающих на газообразном и жидком топливе.

В контактных аппаратах обеспечивается большая поверхность соприкосновения фаз, хорошее перемешивание и эффективный тепло-и массообмен между греющим газом и упариваемым раствором [1,5].

Коэффициент использования теплоты сгорания топлива при выпаривании в этих аппаратах достигает 90-95%.

Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называется теплоотдачей.

Тепловой процесс характеризуется теплообменом между газовой и жидкой фазами. Основным показателем при этом является коэффициент теплоотдачи.

Важной характеристикой теплообменных процессов является коэффициент теплоотдачи α, зависящий от теплофизических свойств теплоносителя, его агрегатного состояния, геометрии стенки, её температуры, а также от гидродинамических условий движения теплоносителя – режима и скорости [2].

В инженерной практике для упрощения процедуры расчета коэффициентов теплоотдачи пользуются так называемыми обобщенными переменными – критериями подобия, которые отражают совместное влияние их совокупности на явление.

К таким критериям относятся следующие:

1. Критерий Нуссельта, характеризуемый отношением между потоком теплоты от жидкости к поверхности тела (теплоотдачей) и потоком теплоты теплопроводностью в жидкости у стенки;

2. Критерий Рейнольдса, характеризует гидродинамический режим потока, являясь мерой отношения сил инерции и молекулярного трения;

3. Критерий Прандтля, характеризует подобие физических свойств теплоносителей и является мерой подобия полей температур и скоростей в потоке [3,7].

Определение коэффициента теплоотдачи от газовой фазы к жидкой -  достаточно трудная задача, поскольку в этом случае нет возможности фиксировать поверхность нагрева барботажных аппаратов. Определить поверхность нагрева непросто. Введем понятие объемного коэффициента теплоотдачи от газовой смеси к жидкости. Коэффициент теплоотдачи a определяется из уравнения [1,4]:

и зависит от факторов:  .

Здесь, задачу определения коэффициента  теплоотдачи можно решать методом обратной задачи математической физики. Особенность барботажного аппарата состоит в том, что  сквозь жидкость, находящуюся в аппарате, барботирует газовая среда. Газ в своем составе имеет около 70% азота, некоторую часть карбоната ангидрида и определенную часть влаги. Проходя через аппарат, газ насыщается влагой вплоть до 50 %, а содержание других компонентов составляет примерно 50%. Равновесие состоит в том, что пульпа может имеет температуру, соответствующей температуре кипения, определяемой равновесному давлению паров воды в БВА.

Проведено множество исследований, посвященных определению коэффициентов теплоотдачи при кипении и выпаривании для случая соприкосновения жидкости с нагревающей неподвижной поверхностью. Однако вопросы теплоотдачи от газа к жидкости в БВА изучены недостаточно. Более того, для таких аппаратов не применимо понятие фиксированной поверхности нагрева. Поэтому мы оперируем объёмным коэффициентом теплоотдачи от греющего газа к выпариваемой жидкости. Для этого нами использована методика решения обратных задач. При этом путем введения в математическую модель данных, полученных на экспериментальной установке, осуществляется поиск коэффициента тепло-отдачи, обеспечивающего соответствующее значение выходной температуры газовой фазы.

Рекомендуемая методика расчета объемного коэффициента теплоотдачи заключается в следующем:

- в математическую модель вводятся исходные данные, полученные в ходе экспериментов на БВА;

- в математическую модель выпаривания пульпы вводятся значения ориентировочно выбранных величин объемного коэффициента теплоотдачи в пределах 0,78÷12 кВт/м³∙К;

- для выбранных величин объемного коэффициента теплоотдачи по  математической модели рассчитывается распределение температуры газа,  проходящего через слой жидкости, и фиксируется величина температуры выходящего из БВА газа;

-  расчет температуры выходящего из БВА газа выполняется для всех выбранных значений объемного коэффициента теплоотдачи;

- осуществляется поиск температуры газа, выходящего из БВА, и соответствующая температура газа - путем определения области наибольшего расхождения температур газа на физической и математической моделях;

- далее в выбранной области ведется поиск наиболее вероятного значения. В случае согласованности значений температур на физических и математических моделях фиксируется величина объемного коэффициента теплоотдачи [2,6]. 

Проанализируем коэффициент теплоотдачи для существующих установок. Для этого воспользуемся данными работы [5]: расход исходной пульпы - 10 кг/с; исходная влажность пульпы - 50%; температура исходной пульпы - 82 °С; температура парогазовой смеси из выпарного аппарата t_п.г = 90÷95ºС; общий объем выпарного аппарата - 68 м³, рабочий объем -  40 м³.

В табл. 1, приведены значения коэффициентов теплоотдачи и соответствующие им расчетные значения температур газа, выходящего из аппарата. Величина объемного коэффициента теплоотдачи соответствует 0,75÷ 0,80 кВт/м³∙ К, где t _{расч. п.г} = 89,53÷95,02 °С.                              

Таблица 1.

Значения коэффициента теплоотдачи

Также изучены показатели выпарной барботажной установки в промышленных условиях Алмалыкского ОАО «Аммофос» для выпаривания пульпы аммофоса [6]. Значения исходных данных: расход пульпы - 6,94 кг/с; температура продуктов сгорания на входе в барботер - 700 °C; начальная влажность пульпы - 65,0 %; температура парогазовой смеси выходящей из выпарного аппарата t_п.г = 77 °С; рабочий объем аппарата V_ва=6 м³.

Таблица 2.

Значения коэффициента теплоотдачи

По результатам расчетов (табл.2) для выбраного значения температуры на выходе из выпарного аппарата промышленной установки, равной 80-90°С и установлено значение коэффициента теплоотдачи в диапазоне 8-11  кВт/м³∙ К.

Результаты показывают, что величина объемного коэффициента теплоотдачи близок к показателям промышленных БВА, где  величина объемного коэффициента теплоотдачи колеблется в пределах 0,75¸11 кВт/м³∙ К. 

Список литературы:

1. Алабовский А.Н., Удыма П.Г. Аппараты погружного горения. – М.: МЭИ, 1994. - 256 с.  
2. Артиков А. Системное мышление в процессе создания и управления инженерными технологиями. Учебное пособие. Под редакцией Ю. Н.Абдуллаева. –Ташкент, 2023. -216 с.
3. Касаткин  А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Альянс, 2004. – 750 с.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». 10-е изд., перераб.и доп. - Ленинград: Химия, 1987. - 576 с.
5. Попов Н.П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений.- М.: Химия, 1974. - 128 с.
6. Рейпназарова З.Д., Артиков А.А. Математическая модель процесса выпаривания в рабочей зоне барботажного выпарного аппарата // Химическая промышленность. – Москва, 2008. т.85. – №6. – С. 310–313.
7. Таубман Е.И. Выпаривание. - М.: Химия, 1982. - 327 с.