Интенсификация тепломассообмена при ректификации атмосферного воздуха в аппаратах пленочного типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ Александр Александрович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В АППАРАТАХ ПЛЕНОЧНОГО ТИПА

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 СЕН 2015

Воронеж - 2015

005562055

Работа выполнена в ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)»

Научный руководитель Козлов Александр Валерьевич,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Лавров Николай Алексеевич,

доктор технических наук, доцент, ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», профессор кафедры «Криогенная, холодильная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»;

Туголуков Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», профессор кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государствен-

ный университет инженерных технологий»

Защита диссертации состоится «15» октября 2015 г. в 14,— ч. в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и на сайте http://vorstu.ru.

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дахин Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Возрастающая потребность в сжатых и сжиженых газах, продиктованная стремительным развитием нефтегазовой и горнодобывающей промышленности в районах, находящихся на значительном удалении от заводов по производству продуктов разделения воздуха, определяет необходимость повышения эффективности воздухоразделительных установок (ВРУ) малой производительности.

В основу работы таких ВРУ положен холодильный цикл высокого давления с дросселированием и расширением газа в детандере, при этом непосредственно разделение воздуха основано на методе ректификации. Сравнительно малые объемы перерабатываемого атмосферного воздуха позволяют рассматривать ректификацию как термодинамический процесс, протекающий в гетерогенной бинарной системе, сопровождающийся переносом тепла и массы между потоками паровой и жидкой фаз, состоящих из двух компонентов - азота и кислорода.

Эффективность процесса ректификации обусловлена как конструктивными, массообменными и динамическими характеристиками ректификационных колонн, так и правильным выбором рациональных режимов работы, при которых обеспечится максимальная интенсификация тепловых и массообменных процессов на контактном устройстве.

Исследованием тепломассообменных процессов в пленочных аппаратах и конструкций различных типов насадок занимались П.Л. Капица, В.В. Кафаров, Н.М. Жаворонков, В.А. Малюсов, A.M. Архаров, И.А. Архаров, В.П. Алексеев, В.М. Олевский и др. При этом экспериментально и теоретически обосновано использование для интенсификации тепломассобмена при ректификации воздуха пакетных гофрированных насадок.

В работе A.B. Козлова проведено исследование гидродинамических и массообменных характеристик различных структурных пакетных гофрированных насадок при ректификации воздуха, которое показало их высокую пропускную способность, малое гидравлическое сопротивление.

Исследование возможности интенсификации массобменных процессов в действующих ВРУ существенно осложняется особенностями применяемых технологических схем, в которых проявляются сильные взаимные связи между параметрами процесса.

В связи с этим актуальность и задача исследования определяются необходимостью изучения характера и закономерностей протекания тепловых и массообменных процессов в ректификационной колонне насадочного типа, а решае-

мая научная задача диссертационной работы заключается в идентификации параметров процесса ректификации атмосферного воздуха, соответствующих рациональным режимам работы ВРУ.

Цель работы — определение рациональных параметров процесса ректификации атмосферного воздуха в аппаратах пленочного типа для повышения эффективности ВРУ малой производительности.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- разработать математическое описание стационарных процессов в наса-дочной ректификационной колонне и программный комплекс, позволяющие учесть при численном моделировании процесса массопередачи влияние изменения составов паровой и жидкой фаз по высоте колонны на их термодинамические свойства;

- разработать способ измерения величины отбора дистиллята из верха ректификационной колонны с целью повышения достоверности экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса при ректификации атмосферного воздуха;

- провести экспериментальные исследования влияния изменения входных параметров на эффективность тепло- и массообменных процессов и получить критериальные зависимости для определения коэффициентов массоопередачи;

- идентифицировать входные параметры, соответствующие рациональному режиму работы ректификационной колонны, позволяющие интенсифицировать процессы тепло- и массообмена при ректификации атмосферного воздуха.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической основой исследования является теория тепло- и массопереноса в бинарных гетерогенных системах. Теоретической и эмпирической базой исследования явились методы теории и эксперимента в области тепломассопе-реноса. Обработка результатов проводилась с использованием методов математической статистики.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- математическое описание стационарных процессов в насадочной ректификационной колонне и программный комплекс, позволяющие учесть при численном моделировании процесса массопередачи влияние изменения составов паровой и жидкой фаз по высоте колонны на их термодинамические свойства;

- способ дискретного измерения величины отбора дистиллята из верха ректификационной колонны;

- полуэмпирические критериальные уравнения для расчета коэффициентов массопередачи в жидкой и паровой фазах в насадочной колонне и поправочный коэффициент в уравнении, связывающем величину теплового потока и температурный напор между стенкой змеевика испарителя и кубовой жидкостью;

- входные параметры, соответствующие рациональному режиму процесса ректификации атмосферного воздуха, поддержание которых позволило повысить среднюю производительность ВРУ малой производительности по продукционному азоту на 9 %.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- разработано математическое описание и программный комплекс, отличающиеся учетом при осуществлении численного моделирования стационарных тепловых и массообменных процессов в насадочной ректификационной колонне влияния изменения составов паровой и жидкой фаз по высоте колонны на их термодинамические свойства и особенности взаимосвязи параметров процесса, определяемые применяемой технологической схемой в ВРУ малой производительности;

- разработан способ дискретного измерения величины отбора дистиллята из верха ректификационной колонны, позволяющий повысить достоверность результатов экспериментальных исследований тепловых и массообменных процессов при ректификации атмосферного воздуха, отличающийся учетом одновременного измерения уровня жидкости как в трубном пространстве конденсатора-испарителя ректификационной колонны низкого давления, так и в емкости для сбора продукта за счет использования разработанного устройства измерения уровня, инвариантного к изменению давления и концентрации жидкости, на которое получен патент РФ на изобретение № 2550311;

- впервые для расчета коэффициентов массопередачи в жидкой и паровой фазах при ректификации атмосферного воздуха в колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой ВРУ малой производительности получены полуэмпирические критериальные уравнения и уточнен вид уравнения, описывающего процесс теплообмена при кипении кубовой жидкости в испарителе в широких диапазонах изменения входных параметров;

- определены входные параметры, соответствующие рациональному режиму работы ВРУ малой производительности, что позволило за счет интенсификации тепло- и массообменных процессов в ректификационной колонне повысить среднюю производи гольиость ВРУ по продукционному азоту на 9 %.

Достоверность рез; ов исследования обеспечивается корректным применением п.:.;о к ф; читальных законов тепло- и массопереноса; использованием шфооироьанных численных методов; практикой применения рассматриваемого в диссертации математического описания на действующей ВРУ.

Практическая значимость работы состоит в определении рациональных параметров процесса ректификации атмосферного воздуха, что позволило интенсифицировать тепломассообмен на контактном устройстве ректификационного аппарата пленочного типа и повысить производительность ВРУ малой производительности по продукционному азоту на 9 %.

Научные положения диссертации реализованы в виде патентоспособного объекта (Патент РФ на изобретение № 2550311) «Устройство измерения уровня криогенной жидкости» инвариантного к изменениям концентрации жидкости и давления в аппаратах ВРУ.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 3. «Исследование термодинамических процессов и циклов применительно к установкам производства и преобразования энергии», п. 7. «Экспериментальные и теоретические исследования процессов совместного переноса тепла и массы в бинарных и многокомпонентных смесях веществ, включая химически реагирующие смеси» и п. 9. «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты» из паспорта специальности 01.04.14 -Теплофизика и теоретическая теплотехника.

Апробация и реализация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Наука, техника, инновации - 2014», (Брянск, 2014); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития химии, нефтехимии и нефтепереработки», (Нижнекамск, 2014); Всероссийских научно-практических конференциях ВАИУ и ВУНЦ ВВС «ВВА» (Воронеж, 2011-2014); на научных семинарах кафедры криогенной техники, систем кондиционирования и метрологического обеспечения ВУНЦ ВВС «ВВА» (Воронеж, 2011 - 2014).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 научных работах, из них 2 в реферируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ. Получен патент РФ на изобретение № 2550311.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1,3-5] - разработка математического описания и вычислительного алгоритма; [2] - разработка алгоритма определения рациональных режимов процесса ректификации атмосферного воздуха; [6 - 9] - разработка автоматической системы сбора параметров процесса ректификации, разработка экспериментальной установки; [10] -разработка устройства измерения уровня жидкости в аппаратах ВРУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 124 страницы текста, 30 рисунков и 5 приложений. Список литературы содержит 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулирована научная задача, определены цель, объект, предмет и задачи исследования, отражена его научная новизна, дано описание основных разделов диссертации.

В первой главе рассмотрены основные подходы к описанию процессов, протекающих в насадочных ректификационных колоннах. Осуществлены синтез и анализ моделей для описания структуры потоков в колонных аппаратах пленочного типа. Рассмотрены модели для описания механизма массопередачи на основе представления о межфазной турбулентности с учетом явлений адсорбции, двухпленочная модель, разработанная Льюисом и Уитменом, модель пограничного диффузионного слоя, модель проницания и обновления поверхности. Проанализированы современные подходы к описанию кинетики процесса тепло-и массопередачи. Представлены общие принципы разработки математического описания тепловых и массообменных процессов, отмечена существенная значимость экспериментальных данных, полученных в ректификационном аппарате действующей ВРУ.

Во второй главе рассматривается вопрос разработки математического описания стационарных процессов в ректификационной колонне насадочного типа со структурной пакетной гофрированной насадкой, выполненной из алюминиевой фольги с круглым гладким профилем. Разработан программный комплекс, позволяющий учесть, в сравнении с известными моделями, изменение теплофизических свойств пара и жидкости, возникающих в результате изменения их состава по высоте насадочной части колонны и связь параметров процесса, определяемую применяемой технологической схемой рассматриваемой ВРУ малой производительности, работающей по циклу высокого давления.

В качестве объекта моделирования была выбрана насадочная ректификационная колонна высокого давления, изображенная на рис. 1, установленная в экспериментальном блоке разделения воздуха станции СКДС-70М.

Работа колонны, состоящей из конденсатора 1, куба колонны 2 с испарителем 3, отгонной (секция № 1) и концентрационной (секция № 2) секций, разделенных зоной питания, на режиме производства жидкого азота осуществляется следующим образом. Воздух высокого давления (ВВД), предварительно охлажденный, разделяется на два потока. Первый поток поступает из детандерного теплообменника в нижнюю часть ректификационной колонны. Второй поток, охлаждаясь в основном теплообменнике, подается в змеевик испарителя и подогревает кубовую жидкость, за счет чего происходит ее кипение. После змеевика ВВД поступает к регулировочному вентилю Р-1, где дросселируется, и в виде парожидкостной смеси поступает в среднюю часть ректификационной колонны. Образующийся пар при кипении кубовой жидкости в испарителе смешивается с

потоком воздуха, поступающим из детандерного теплообменника и, поднимаясь вверх по колонне, контактирует с жидкостью, стекающей вниз. В результате тепломассообмена пар обогащается низко-кипящим компонентом азотом, а жидкость - высоко кипящим компонентом кислородом. Часть азота отводится из верха колонны в виде продукта, а другая часть поступает в конденсатор, где сжижается за счет теплообмена с поступившей в межтрубное пространство из испарителя ректификационной колонны кубовой жидкостью.

При описании процессов приняты следующие допущения: теплообмен с окружающей средой отсутствует; дав-

Вохтух высокого давления из блока комплексной ОЧИСТКИ И ОС\'11!КИ

Рис. 1. Расчетная схема насадочной ректификационной колонны: 4, 5 — регулировочный вентиль

ление во всех точках ректификационной колонны одинаково; температура, скорость и давление ВВД, протекающего по змеевику испарителя, одинаково постоянны; кубовая жидкость идеально перемешена; поток воздуха из детандерного теплообменника поступает в колонну при температуре конденсации; потоки, поступающие в ректификационную колонну, представляют собой бинарную смесь азота и кислорода, массопередача в секциях разделения эквимолярна; температура пара и жидкости, концентрации азота в них постоянны по сечению колонны; весь пар, поступающий в конденсатор, полностью конденсируется, а стекающая жидкость не переохлаждается.

Математическое описание включает в себя:

1. Уравнения общего материального баланса и баланса массы по низкоки-пящему компоненту для всей колонны (рис. 1)

-Ж+Р, + + =0, (1)

-№„. + Ъу^ + + -= о . (2)

2. Уравнения, описывающие процесс массообмена в насадочных секциях ректификационной колонны (рис. 2)

(3)

ах.

шю

с,

БоК:,,

аь ц х ' ' '

(4)

(5)

(6)

(7)

Л+ДЛ

. _ Г1, 0 < Л < А, ' _ [2, И2 < И < Н ' 3. Уравнения, описывающие процессы в испарителе:

- общего материального баланса и баланса массы по низкокипящему компоненту

А/С77 ~ ^ ¡¡СП " ' " >

~ (*нсп У йен ^ ^ '

(8) (9)

у\иП = ГХ^>т)\ (Ю)

- уравнения, описывающие процесс теплообмена между кубовой жидкостью и воздухом высокого давления, протекающего по змеевику испарителя

Рис. 2. Секция разделения № 1 т к - количество молей низкокипящего компонента, перешедшего из жидкости в пар, т0, - количество молей высоко-кипящего компонента, перешедшего из пара в жидкость

атв,

Ш л л с11

^АТввд -Тсг)~аиспс12(Тст -Т„сп)=0 ,

- "ввд^^ввд ~ТСг ) = 0 >

с

Я/

) >

ВВД ' 1 ВВД

■ уравнения, определяющие производительность испарителя по пару

( _ \ т д/

СТ£Р

= у Г .М-1=1

Цч /V; ^исп^р = ^ аиаи

м

~ /5{Рввд'хаш) ' ^¡м ~ /(М1! 1Сп) '

(П) (12)

(13)

(14)

4. Уравнения, описывающие процесс дросселирования в регулировочном вентиле Р-1

¡Л") _р _ ГЧЖ) '2 ВВД 1 2 >

;<П)

'яад = f^ (Рчвд. Тввд ) > '2 ' = Л(^АВД) > '2

5. Уравнения, описывающие процессы в конденсаторе: - уравнение баланса массы по низкокипящему компоненту

а кон У кон

'¡^ кон -Оуа= 0,

Укон ~ /'¡{^квду^кон) •

(15)

(16)

(17)

Уравнения (1) - (17) замыкаются с помощью граничных условий, при этом для системы уравнений (3)—(4) они вытекают из условий сопряжения секций разделения в зоне питания и секций разделения с конденсатором и испарителем:

- для секции разделения № 1

„-О, =Уис^исп + УрА, *,(А)Ц = дг2(й)[ ь -ь2 + (18)

- для секции разделения № 2

Л(А)Ц = У.СОЦ + - Хг^Чм = ■ О?)

Для уравнения (11) граничное условие примет вид

ТВВД(1)\М = ТВВД(0). (20)

Для расчета коэффициентов массопередачи в жидкой и газовой фазах использовалась модель пограничного диффузионного слоя, которая позволила учесть влияние как диффузионных свойств, контактируемых на поверхности насадки, пара и жидкости, так и гидродинамику их движения в колонне. Уравнения для определения массопередачи для жидкости и пара имеют вид

(21)

1 1 т_ 1 _ 1 _1_

Кп~ РУ+рх' Кж~тру+р/

Для определения константы фазового равновесия кривая фазового равновесия, как показано на рис. 3, аппроксимировалась линейной функцией у=тх+Ъ в окрестностях точки 0(у,.г), что позволило выразить ее через равновесные концентрации

У?-У?

х//=х-Ах,

Х/2=Х+ЛХ,

(22)

где Ах — величина изменения концентрации компонента в жидкости в окрестностях точки где предполагается линейная зависимость изменения концентрации компонента в паре от концентрации компонента в жидкости.

Для определения коэффициентов массоотдачи в жидкости и паре использовались выражения . Рп^кму 1

х„х х12Хр х""> Рис. 3. - Линеаризация линии равновесия прямой: ОС - линия равновесия

А =

Рх= Ржрж,

(23)

(24)

При определении диффузионного критерия Нуссельта для жидкой фазы в (24) с учетом ее ламинарного движения (Яеж<300) использовано предложенное

10

лк. =l,7Reu,J5Pr

Г.С. Борисовым, уравнение (25), а при определении диффузионного критерия Нус-сельта для пара в (24) использовано предложенное A.B. Козловым уравнение (26)

"С,Ш/иТ' (25) №'n=I.7Re5»Prr(%J^71. (26)

Для описания процесса конвективного теплообмена между ВВД и стенкой использовалась методика, которая позволяет учесть влияние как гидродинамических особенностей протекания воздуха высокого давления в змеевике испарителя, так и его теплофизические свойства.

Коэффициент теплоотдачи потока ВВД, учитывая, что в змеевике испарителя реализуется турбулентный режим течения (Re>104), определялся по формуле

"вид Nu=0,023R$8Pr0'4er . (27)

Размеры испарителя и змеевика ректификационной колонны позволяют рассматривать процесс кипения кубовой жидкости как процесс кипения в большом объеме, а тепловая нагрузка испарителя определяет пузырьковый режим кипения. Поэтому для описания процесса теплоотдачи использовалась логарифмическая зависимость коэффициента теплоотдачи от тепловой нагрузки, предложенная Д.А. Лабунцовым, которая отражает влияние на процесс кипения кубовой жидкости ее теплофизических свойств и давления в колонне

a„c„=Cq21. (28)

Связь коэффициента теплоотдачи и температурного напора между кубовой жидкостью и стенкой змеевика исправителя при этом определялась соотношениями

гр у. _ 1 ^ У— _ »

'ст-'исп --^Чисп ' о —о

ferп У

я

Ииспи исп1 исп

Ь = 0,075

Рнсп ~~ Рисп >

.(29)

Полученное математическое описание (1) - (20) совместно с уравнениями (21) - (26) для расчета коэффициентов массопередачи в секциях разделения и (27) - (29) для расчета коэффициентов теплоотдачи в испарителе позволяют моделировать стационарные процессы, протекающие в ректификационной колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой.

Для решения уравнений математического описания был разработан алгоритм математического моделирования и программно-моделирующий комплекс, который позволяет моделировать стационарные процессы в ректификационной колонне насадочного типа. Для определения термодинамических параметров потоков в процессе расчета использовалась разработанная программа, в основу которой положены экспериментальные данные для воздуха, кислорода и азота в однофазной области и на линии насыщения.

В третьей главе с целью изучения процессов тепло- и массообмена в насадоч-ной ректификационной колонне и проверки адекватности предложенного математи-

ческого описания разработана экспериментальная установка на базе технологического отделения станции СКДС-70М, принципиальная схема которой представлена на рис. 4. Экспериментальная установка включает ректификационную колонну высокого давления насадочного типа 2, ректификационную колонну низкого давления тарельчатого типа 3, теплообменную аппаратуру, детандерный агрегат 1, блок комплексной очистки и осушки воздуха и контрольно-измерительную аппаратуру.

4, 5, 6 - манометр; 7, 8 - датчик устройства измерения уровня жидкости; 3-12,3-11, 3-22, 3-17, 3-4, 3-1', 3-9 , 3-6 - запорный вентиль;

Р-1, Р-2, Р-4, Р-6 - регулировочный вентиль; П-7 - продувочный вентиль;

ТЕ-1 ... ТЕ-8-датчик температуры; FE-1 ... FE-2 - датчик расхода;

PDI-1...PDI-4 - датчик уровня; PI-1, PI-2 - датчик давления

Задача экспериментального исследования сводилась к сбору информации о характере протекания стационарных процессов в ректификационной колонне в широких диапазонах изменения входных параметров. При проведении эксперимента достигалось установившееся состояние, при котором расходы и температуры потоков питания, давление в колонне, уровень жидкости в испарителе и составы потоков пара и жидкости по высоте колонны остаются постоянными.

Определение состава потоков пара и жидкости в выбранных сечениях наса-дочной ректификационной колонны осуществлялось на основании информации о температуре в заданных точках и давлении в колонне с использованием специально разработанной программы.

Определение расхода пара, образующегося при кипении кубовой жидкости, производилось дискретным методом путем измерения промежутка времени,

12

за которое давление в колонне № 1 повышалось с известной величины Р( до известной величины Рг, при этом прекращались подача воздуха в колонну и отбор кубовой жидкости и продукционного азота.

Для определения производительности ВРУ и в целях повышения достоверности результатов экспериментальных исследований предложен способ дискретного измерения величины отбора продукционного азота, заключающийся в одновременном измерении уровня жидкости как в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя ректификационной колонны № 2 (рис. 5), так и в емкости.

Уравнение для определения производительности ВРУ имеет вид

--Ро-

О",

Повышение точности достигается как за счет исключения ошибки, возникающей в результате постоянно сопровождающегося изменения уровня жидкости в трубном пространстве конденсатора испарителя, так и за счет использования разработанного устройства измерения уровня инвариантного к изменению давления и концентрации жидкости, на которое получен патент РФ на изобретение №2550311.

>r,

(30)

Рис. 5. Способ измерения производительности воздухоразделительной установки: 1 - ректификационная колонна № 2; 2, 4 — датчик уровня; 3 - конденсатор-испаритель ректификационной колонны № 2; 5 - емкость; Р-6 - регулировочный вентиль; 3-6 — запорный вентиль

Информация с датчиков температуры и устройств измерения уровня жидкости в автоматическом режиме поступала на разработанный модуль сбора информации и по протоколу 115-232 передавалась на персональный компьютер для регистрации.

Результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений представлены в табл. 1, при этом достоверность теоретических результатов оценивалась по формуле, характеризующей арифметическое отклонение опытных данных от расчетных

V-

•100%.

(31)

Существенное расхождение в полученных экспериментальных и теоретических значениях величины производительности испарителя по пару объясняется

как примененной методикой определения величины теплового потока, не учитывающей влияния на эффективность процесса теплообмена при кипении кубовой жидкости свойств материала и поверхности трубки змеевика испарителя, так и выбранным способом экспериментального определения производительности.

Заниженные значения концентрации азота в паре по высоте секции разделения № 2 (Ь=377 мм, Ь=580 мм) объясняются как принятыми допущениями при разработке математического описания, так и используемыми в расчете формами критериальных уравнений для расчета коэффициентов массопередачи в секциях разделения (25) и (26).

Таблица 1

Оценка достоверности теоретических результатов исследования

Наименование параметра Расхождение экспериментальных и теоретических значений <//, вычисленное по формуле (31),% Относительная погрешность измерения параметра при проведении экспериментальных исследовании, %

Концентрация азота в продукте 5,4 1,0

в паре в насадочной секции разделения при А=580 мм. 5,2 4,3

в паре в насадочной секции разделения при й=377 мм. 4,3 4,3

в паре в насадочной секции разделения при А=194 мм. 4,6 4,3

в кубовой жидкости 1,4 1,0

Производительность испарителя по пару 21,5 10

Отбор продукционного азота из верха ректификационной колонны 8,6 13

Температура ВВД на выходе змеевика испарителя 2,6 1,5

Удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетных значений потребовала проведения параметрической идентификации математического описания, задача которой была сформулирована как поиск наименьшего значения критерия, определяющего норму вектора рассогласования

<p=jiiyr-yrj -> min- (32)

I /=1 äeäMm>''m

В результате параметрической идентификации методом переменных направлений уточнен вид критериальных уравнений для жидкой и паровой фаз и определен поправочный коэффициент аIх''" в уравнении (35) для определения величины теплового потока от стенки змеевика испарителя к кубовой жидкости, что позволило снизить расхождение экспериментальных и расчетных значений

концентрации азота по высоте насадочной колонны и температуры ВВД на выходе змеевика испарителя до 1 %, по остальным параметрам - до 7 %: - критерий Нуссельта для пара

Шп =0,631 Яе^595

- критерий Нуссельта для жидкости

р 0.345 (н/

Рг" [А

(33)

(34)

■ вид уравнения для определения величины теплового потока кубовой жидкости

у __ гг п

1СТ <ИСП~а\

' = 3,03.

(35)

В четвертой главе было показано, что интенсификация процессов массопе-редачи в насадочной ректификационной колонне зависит как от величины флегмо-вого отношения, так и от величины нагрузки колонны по пару и жидкости.

В связи с этим задача идентификации параметров процесса ректификации, соответствующих рациональному режиму работы, была сформулирована как поиск регулируемых параметров процесса (рввд, Тввд, кисп, Рквд, Рввд) из области их допустимых значений, при которых выбранный критерий В (производительность ВРУ) принимает максимальное значение.

На поиск накладываются ограничения по концентрации азота, определяемой соответствующими требованиями, и предельной скорости пара, при достижении которой нарушается нормальный режим работы ректификационной колонны

У^ - <Уо< ^„о + £,а« > ®Г < <°,.реЬ • (36)

На рис. 6-11 представлены графики, показывающие зависимость изменения концентрации продукта от изменения входных параметров.

В результате идентификации с использованием разработанного программного комплекса определены значения параметров, соответствующие рациональному режиму работы ВРУ, представленные в табл. 2.

Рис. 6. График функции у„ = /(Д Ркъд) Рис. 7. График функции у„ = /(Рт.,,Ршл)

Рис. 8. График функции ув = /(Иисп,Ртд) Рис. 9. График функции ув —

Рис. 10. График функции ув =/{Рквд,Рвщ) Рис. 11. График функции ув

Таблица 2

Диапазоны входных параметров, соответствующих рациональному режиму работы ВРУ

Наименование параметра Диапазон изменения

Давление воздуха до регулировочного вентиля Р-1, МПа 16,4...16,8

Давление воздуха в колонне, МПа 0,35... 0,37

Расход воздуха высокого давления через змеевик испарителя при общей производительности компрессорных агрегатов, соответствующей номинальной, нм3/ч 340...355

Уровень жидкости в испарителе ректификационной колонны высокого давления, мм 140, не менее

Температура воздуха высокого давления на входе в змеевик испарителя, ° С минус 111... минус 108

Поддержание входных параметров ВРУ в диапазонах, представленных в табл. 2, позволило интенсифицировать тепломассообмен в насадочной части ректификационной колонны и повысить среднюю производительность по жидкому азоту на 9 % при значительной стабилизации концентрации азота в продукте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработано математическое описание тепловых и массообменных процессов, протекающих в ректификационной колонне насадочного типа, учитывающее характер взаимодействия параметров процесса, определяемый используемым видом технологической схемы в ВРУ малой производительности.

2. Разработан программный комплекс, реализующий расчет основных параметров процесса и позволяющий учесть влияние изменения состава пара и жидкости по высоте колонны на их термодинамические свойства.

3. Разработана экспериментальная установка на базе промышленной ВРУ для исследования тепломассообменных процессов в насадочной ректификационной колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой.

4. Разработан способ дискретного измерения величины отбора дистиллята из верха ректификационной колонны, позволивший повысить достоверность экспериментальных исследований.

5. Проведено экспериментальное исследование тепловых и массообменных процессов в ректификационной колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой.

6. На основании .теоретического и экспериментального исследования получены критериальные уравнения для определения коэффициентов массопере-дачи для жидкой и газовой фаз при ректификации воздуха в колонне со структурной пакетной гофрированной насадкой.

7. В результате параметрической идентификации разработанного математического описания определен поправочный коэффициент в выражении для определения величины теплового потока при кипении кубовой жидкости в испарителе ректификационной колонны.

8. С использованием разработанного программного комплекса идентифицированы параметры рационального режима работы ВРУ малой производительности на режиме производства жидкого азота.

9. Установлено, что поддержание параметров процесса в области их рациональных значений при эксплуатации ВРУ малой производительности позволяет интенсифицировать процесс тепломассообмена и повысить среднюю производительность на 9 % при существенной стабилизации концентрации продукционного азота.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Воробьев, A.A. Аналитическая модель насадочной ректификационной колонны воздухоразделительной установки малой производительности, работающей по циклу высокого давления [текст] / A.A. Воробьев, Д.П. Посанчуков, A.B. Козлов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2013. -№ 8. - С. 3-8.

2. Воробьев, A.A. Интенсификация тепломассообмена в насадочной ректификационной колонне воздухоразделительной установки малой производительности, работающей по циклу высокого давления [текст] / A.A. Воробьев, A.B. Козлов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2015. —№ 2. - С. 22-25.

Статьи и материалы конференций

3. Воробьев, A.A. Массопередача в насадочной ректификационной колонне воздухоразделительной установки [текст] / A.A. Воробьев, Д.П. Посанчуков // Проблемы и перспективы развития химии, нефтехимии и нефтепереработки: материалы междунар. НПК, посвященной 50-летию НХТИ: в 2-х т. - Нижнекамск: НХТИ (филиал) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», 2014. Т 1. - С. 14-17.

4. Теплоотдача в испарителе ректификационной колонны воздухоразделительной установки [текст] / A.A. Воробьев, Д.П. Посанчуков, A.B. Козлов и др. // Наука, техника, инновации - 2014: сб. ст. Междунар. НТК. - Брянск: НДМ, 2014. - С. 28-32.

5. Математическое моделирование процесса теплообмена в рекуперативном противоточном теплообменнике [текст] / Д.П. Посанчуков, A.A. Воробьев, О.Н. Ива-кин и др. // Приоритетные направления и актуальные проблемы развития средств технического обслуживания летательных аппаратов: сб. ст. по материалам Всерос. НТК. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014. - С. 215-219.

6. Воробьев, A.A. Двухуровневая система управления ректификационной колонны высокого давления экспериментального блока разделения воздуха станции СКДС-70М [текст] / A.A. Воробьев, A.B. Козлов, A.B. Мельников // Академические Жуковские чтения. Современные проблемы и перспективные направления развития средств наземного обслуживания общего применения: сб. науч. ст. по материалам Всерос. НПК. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014. С. 22-25.

7. Воробьев, A.A. Экспериментальное определение рабочей характеристики регулировочного вентиля блока разделения воздуха станции СКДС-70М [текст] / A.A. Воробьев, Д.П. Посанчуков, О.Н. Ивакин // Академические Жуковские чтения. Современные проблемы и перспективные направления развития СНО ОП: сб. науч. ст. по материалам Всерос. НПК. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014. - С. 25-28.

8. Автоматическая система сбора информации о состоянии объекта управления на базе микроконтроллера ATMEL MEGA 16 [текст] / A.A. Воробьев, A.B. Козлов, Д.П. Посанчуков и др. // III научные чтения имени A.C. Попова. Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией: сб. ст. по материалам Всерос. НТК. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014. - С. 288-290.

9. Воробьев, A.A. Применение комбинированной системы автоматического регулирования для управления работой испарителя ректификационной колонны [текст] / A.A. Воробьев, A.B. Козлов, Д.П. Посанчуков // Инновационные технологии в производстве, науке и образовании: Сб. тр. II Междунар. НПК: Грозный, 2012. Т. 2.-С. 88-96.

Патенты

10. Устройство измерения уровня криогенной жидкости [текст]: пат. 2550311 Рос. Федерация: МПК G01F 23/00 A.A. Воробьев, Д.П. Посанчуков, A.B. Козлов, А.И. Казьмин, А.Ю. Харламов; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации. -№ 2013148207/28; заявл. 29.10.2013, Бюл. № 13,- 9 с.

Основные обозначения: IV— поток кубовой жидкости, кг/с; Fi - поток, поступающий в нижнюю часть ректификационной колонны из детандерного теплообменника, кг/с; F2n и F/k - потоки пара и жидкости, поступающие в среднюю часть ректификационной колонны после дросселирования воздуха в регулировочном вентиле Р-1, кг/с; D— поток отбираемого продукта, кг/с; xw, уп, уг2 <пК xi/M, yD - концентрации низкокипящего компонента в потоках W, Fi, F/5, F2ok>, D соответственно, массовые доли; Li и G, - массовые расходы жидкости и пара в секциях, кг/с; x,(h) и y,{h) - концентрации низкокипящего компонента в жидкости и паре, массовые доли; А - координата по высоте ректификационной колонны, м; S- площадь поперечного сечения колонны, м2; а—удельная площадь поверхности массопередачи м2/м3; Кж и Кп- коэффициенты массопередачи для жидкости и пара, кг/(м2с); хР и уР - равновесные концентрации азота в жидкости и паре; Рввд и Ркщ - давления воздуха в змеевике испарителя и в колонне, Па; Я- высота насадочной части ректификационной колонны, А/ - высота секции разделения № 1, h2 - расстояние между нижними точками секций, м; Ъисп- количество жидкости, стекающей в испаритель из секции разделения № 1, кг/с; Оцеп- количество пара, образующегося при кипении кубовой жидкости, кг/с; хШ1, и

- концентрация азота в жидкости Lucnи паре Gncn, массовые доли; Рввд— расход воздуха высокого давления (ВВД), проходящего по змеевику испарителя, кг/с; Сввд - удельная теплоемкость ВВД, проходящего по змеевику испарителя, Дж/(кг К); Тпвлф - температура ВВД, проходящего по змеевику испарителя, К; а/на - коэффициент теплоотдачи ВВД, Вт/(м2 К); di и d2 - наружный и внутренний диаметры трубки змеевика испарителя, м; / - координата по длине змеевика испарителя, м; Тст и Тисп - температуры стенки змеевика испарителя и кубовой жидкости, К; гисп- удельная теплота парообразования кубовой жидкости, Дж/кг; Sucn- площадь поверхности теплообмена между жидкостью и змеевиком испарителя, м2; Тст..ср и аисп.ср - средние значения температуры стенки змеевика и коэффициента теплоотдачи кубовой жидкости, К и Вт/(м2 К); Llv - длина трубки змеевика испарителя, участвующего в теплообмене, м2; /;,„„ - уровень жидкости в испарителе, м; /ввд - энтальпия потока ВВД перед регулировочным вентилем Р-1, Дж; i/n>,

19

h'~/k> - энтальпии насыщенного пара и насыщенной жидкости после регулировочного вентиля Р—1, Дж; Слоя и Lkoh - количество пара, поступающего в конденсатор и количество жидкости, стекающей в секцию № 2, кг/с; и хкон - концентрации потоков пара Gkoh и Lkoh, массовые доли; ßy и [1Х - коэффициенты массоотдачи для газовой и жидкой фаз, (м/с); т - константа фазового равновесия; У'и - и У*-'« -равновесные концентрации, массовые доли; ßn и Рж коэффициенты массоотдачи для газовой и жидкой фаз, кг/(м2т); R - универсальная газовая постоянная, Тп, Мп - температура (К) и молярная масса пара (кг/моль); рж- плотность жидкости, кг/м3; Шж и Nun- диффузионные критерии Нуссельта для жидкости и пара; Ож и Dn-коэффициенты диффузии компонента в жидкости и паре, м2/с; \ш< - приведенная толщина пленки, м; dj - эквивалентный диаметр канала насадки, м; Яеж и Ren - критерии Рей-нольдса для жидкости и пара; Ргж и Ргп - критерии Прандгля для жидкости и пара; кввд— коэффициент теплопроводности ВВД, Вт/(м К); £/; - коэффициент, учитывающий влияние кривизны труб на теплоотдачу; qucn - плотность теплового потока от стенки к кубовой жидкости, Вт/м2; Utaf'k), Цист^К pm:if'K) и аИаРк> - коэффициент теплопроводности (Вт/(м К)), динамическая вязкость, (Па-с), плотность (кг/м3) и коэффициент поверхностного натяжения кубовой жидкости (Н/м); рисп0'' - плотность пара, образующегося при кипении кубовой жидкости, кг/м3; tD - временной интервал между моментами измерения уровней жидкости в конденсаторе-испарителе и емкости, с; - расход продукционного, азота, поступающего в емкость, кг/с, Д/гА-_„ = hK_u - hK_u - величина изменения уровня жидкости в трубном пространстве конденсатора-испарителя за время At, м; Д/га; = /гй,г - /га, - величина изменения

уровня жидкости в трубном пространстве конденсатора-испарителя за время tD, м; Sk и и Sut - площадь сечения трубного пространства конденсатора-испарителя ректификационной колонны № 2 и емкости, м; pD- плотность жидкости в трубном пространстве конденсатора-испарителя, кг/м3; - заданная концентрация азота в продукте, массовые доли; е^ — максимальное отклонение концентрации азота в продукте от заданной величины, массовые доли; со,, - линейная скорость пара, м/с; co„peö — предельная линейная скорость пара, м/с.

Индексы: П - пар, Ж - жидкость, / - номер секции разделения ректификационной колонны. / 1л

Подписано в печать 30.06.2015 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № /3/ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14