Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздейств. на обрабат. вещества. Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздей. М. А. Промтов машины и аппараты с импульсными энергетическими
 Скачать 2.8 Mb.
|
|
М.А. ПРОМТОВ МАШИНЫ И АППАРАТЫ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ВЕЩЕСТВА МОСКВА «ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1» 2004 М.А. ПРОМТОВ МАШИНЫ И АППАРАТЫ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ВЕЩЕСТВА М.А. ПРОМТОВ МАШИНЫ И АППАРАТЫ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ВЕЩЕСТВА Учебное пособие МОСКВА «ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1» 2004 УДК 684.4.05(075) ББК Л11-5я73 П81 Рецензенты: Доктор технических наук, профессор Д.А. Баранов Доктор технических наук, профессор С.И. Дворецкий Промтов М.А. П81 Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые веще- ства: Учебное пособие. – М.: «Издательство Машиностроение-1», 2004. – 136 с. Учебное пособие рассматривает вопросы, связанные с интенсификацией химико- технологических процессов импульсными энергетическими воздействиями. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований физико-химических процессов в обрабатывае- мых средах при интенсивных импульсных воздействиях, описания конструкций машин и аппаратов с импульсным энергетическим воздействием различного характера на обрабатываемые среды. Учебное пособие предназначено студентам, магистрам, аспирантам и специалистам в области машин и аппаратов химических и смежных производств и технологий. УДК 684.4.05(075) ББК Л11-5я73 © Промтов М.А., 2004 © «Издательство Машиностроение-1», 2004 Учебное издание ПРОМТОВ Максим Александрович МАШИНЫ И АППАРАТЫ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ВЕЩЕСТВА Учебное пособие Редактор Т.М. Глинкина Компьютерное макетирование Е.В. Кораблевой Подписано в печать 5.04.04 Формат 60 × 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная Гарнитура Тimes New Roman. Объем: 7,9 усл. печ. л.; 7,8 уч.-изд. л. Тираж 400 экз. С. 273 M «Издательство Машиностроение-1», 107076, Москва, Стромынский пер., 4 Подготовлено к печати и отпечатано в издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14 ISBN 5-94275-121-8 ВВЕДЕНИЕ Интенсификация химико-технологических процессов (ХТП) является одной из важных задач нау- ки и техники. Основой увеличения производительности оборудования и снижения энергозатрат на про- ведение ХТП может служить создание и внедрение эффективных технологических аппаратов с малой удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые вещества. Подобные разработки базируются на принципиально новых инженерных решениях, теорети- ческих и экспериментальных исследованиях физико-химических процессов в обрабатываемых средах при интенсивных импульсных воздействиях. Научной базой для разработки аппаратов с импульсными энергетическими воздействиями на об- рабатываемые вещества должна стать новая методология, учитывающая взаимное влияние энергетиче- ских полей, физико-химических эффектов, трансформацию и инверсию видов энергетического воздей- ствия. Учитывая многогранность этих задач, актуальным является анализ комбинаций воздействий и их влияния на интенсивность ХТП. Проблемой, сдерживающей разработку аппаратов для интенсификации ХТП и методов их расчета, является недостаточность систематизации и комплексности в подходе к ин- тенсификации химико-технологических процессов при импульсных энергетических воздействиях, в ис- следовании комплекса физических, физико-химических и химических явлений, возникающих в обраба- тываемых веществах. Анализ физико-химических эффектов, возникающих при акустическом, механическом, электриче- ском, магнитном, тепловом, радиационном и химическом воздействиях на вещества показал, что эти воздействия вызывают изменение агрегатного состояния (полное или частичное), изменение физико- химических свойств сплошной фазы, дробление или коагуляцию дисперсных частиц, гомогенизацию среды. Правильно выбранное и управляемое воздействие способствует интенсификации ХТП. В этой книге даны основы методологии интенсификации ХТП при импульсных энергетических воздействиях на обрабатываемые вещества. На основе анализа методов организации ХТП показано, что пульсационная форма организации процесса оказывается более эффективной по сравнению с традици- онными схемами, проведена классификация видов воздействий. Анализ физических воздействий и фи- зико-химических эффектов, возникающих в результате этих воздействий, позволил выявить общие за- кономерности их проявления. Приведены описания принципа действия и конструкций машин и аппара- тов с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. ПРЕДИСЛОВИЕ Увеличение скорости технологического процесса и производительности технологического обору- дования, снижение его энерго- и материалоемкости, улучшение качества продукта – это основные цели, которые ставят перед собой проектировщики и конструкторы при разработке новых или модернизации известных конструкций машин и аппаратов. Для достижения этих целей разрабатывается и изготавли- вается новое высокоэффективное оборудование, применяются различные физико-химические эффекты и явления на основе научно-технического прогресса и новых технологических подходов в производстве различных продуктов. Одними из наиболее эффективных способов и методов при решении подобных задач являются им- пульсные энергетические воздействия на обрабатываемые вещества. Технологическое оборудование, использующее в эти эффекты, активно применяется в различных отраслях промышленности, особенно в химической и смежных с ней технологиях. Основное назначение данной работы – это ознакомление студентов, магистрантов, аспирантов и специалистов, работающих в области химической технологии, с возможностями использования машин и аппаратов с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. В предла- гаемой книге автор старался систематизировать и разработать методологию применения импульсных энергетических воздействий и проиллюстрировать их использование на конкретных конструкциях. Цель предлагаемого пособия – это сформировать творческий подход при проектировании и разработке технологического оборудования, использовать явные и скрытые возможности и энергетические эффек- ты при его работе. АВТОР ПРИНОСИТ БЛАГОДАРНОСТЬ РЕЦЕНЗЕНТАМ ПРОФЕССОРУ БАРАНО- ВУ Д.А. И ПРОФЕССОРУ ДВОРЕЦКОМУ С.И., А ТАКЖЕ ДОЦЕНТУ КОРМИЛЬЦИ- НУ Г.С. ЗА ВНИМА- ТЕЛЬНОЕ ПРОЧТЕНИЕ РУКОПИСИ, СОВЕТЫ И ЗАМЕЧАНИЯ, ПРОФЕССОРУ КОНОВАЛОВУ В.И. ЗА КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ, НЕОЦЕНИМУЮ ПОМОЩЬ И СОВМЕСТНУЮ РАБОТУ НАД НЕ- КОТОРЫМИ РАЗДЕЛАМИ. Введение Интенсификация химико-технологических процессов (ХТП) является одной из важных задач науки и техники. Основой увеличения производительности оборудования и снижения энергозатрат на проведение ХТП может служить создание и внедрение эффективных технологических аппаратов с малой удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обраба- тываемые вещества. Подобные разработки базируются на принципиально новых инженерных ре- шениях, теоретических и экспериментальных исследованиях физико-химических процессов в обра- батываемых средах при интенсивных импульсных воздействиях. Научной базой для разработки аппаратов с импульсными энергетическими воздействиями на обра- батываемые вещества должна стать новая методология, учитывающая взаимное влияние энергетиче- ских полей, физико-химических эффектов, трансформацию и инверсию видов энергетического воздей- ствия. Учитывая многогранность этих задач, актуальным является анализ комбинаций воздействий и их влияния на интенсивность ХТП. Проблемой, сдерживающей разработку аппаратов для интенсификации ХТП и методов их расчета, является недостаточность систематизации и комплексности в подходе к ин- тенсификации химико-технологических процессов при импульсных энергетических воздействиях, в ис- следовании комплекса физических, физико-химических и химических явлений, возникающих в обраба- тываемых веществах. Анализ физико-химических эффектов, возникающих при акустическом, механическом, элек- трическом, магнитном, тепловом, радиационном и химическом воздействиях на вещества показал, что эти воздействия вызывают изменение агрегатного состояния (полное или частичное), изменение физико-химических свойств сплошной фазы, дробление или коагуляцию дисперсных частиц, гомо- генизацию среды. Правильно выбранное и управляемое воздействие способствует интенсификации ХТП. В ПОСОБИИ ДАНЫ ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХТП ПРИ ИМ- ПУЛЬСНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ВЕЩЕСТВА. НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ ХТП ПОКАЗАНО, ЧТО ПУЛЬСАЦИОН- НАЯ ФОРМА ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ОКАЗЫВАЕТСЯ БОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ПО СРАВНЕНИЮ С ТРАДИЦИОННЫМИ СХЕМАМИ, ПРОВЕДЕНА КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ВОЗДЕЙСТВИЙ. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЭФ- ФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭТИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ПОЗВОЛИЛ ВЫЯВИТЬ ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ. ПРИВЕДЕНЫ ОПИСАНИЯ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЙ МАШИН И АППАРАТОВ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕ- СКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ВЕЩЕСТВА. 1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИМПУЛЬСНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ 1.1. МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 1.1.1. Основные понятия Под интенсификацией производственных (технологических) процессов в широком смысле по- нимают получение прямого или косвенного экономического эффекта за счет увеличения произво- дительности, КПД, уменьшения энерго- и материалоемкости оборудования, длительности лимити- рующих стадий, повышения качества продукта, эргономических и социальных показателей. Все перечисленные параметры являются технико-экономическими и социальными характеристиками (целевыми функциями) интенсификации. При интенсификации ХТП предпринимают целенаправлен- ное изменение какой-либо группы факторов, которые оказывают влияние на целевые функции. Все эти технико-экономические показатели во многом взаимосвязаны друг с другом. Так уменьшение длительности лимитирующих стадий технологического процесса обычно приводит к увеличению производительности, уменьшению энерго- и материалоемкости, способствует росту КПД. В настоящее время одним из перспективных методов интенсификации химико-технологических процессов и повышения эффективности технологического оборудования (ТО) признаются методы, ос- нованные на импульсных энергетических воздействиях с применением различных физико-химических эффектов, использующих внутренние и внешние источники энергии. Различают два вида задач интенсификации [1]: 1) совершенствование существующих химико-технологических систем (ХТС); 2) разработка принципиально новых ХТС. Под химико-технологической системой понимают химико-технологические процессы, реализуемые в технологическом оборудовании. Системой называется множество находящихся в отношениях и связях между собой элементов, представляющих единое целое и предназначенное для достижения какой-либо цели [2]. Любой эле- мент системы рассматривается как система более низкого порядка, а сама система – как элемент системы более высокого уровня. Анализ и синтез систем основаны на понятиях иерархичности, т.е. отдельные уровни системы определяют аспекты ее функционирования. Результат взаимодействия всех уровней системы определяет ее работу. Наличие отношений и связей между элементами, обра- зующими систему, позволяет ей выступать в качестве единого целого во взаимоотношениях с внеш- ней средой. Для интенсификации ХТП необходимо рассматривать механизмы, способствующие ускорению ос- новных технологических стадий с получением продукта требуемого или повышенного качества (иногда можно, значительно выигрывая в скорости технологического процесса, несколько терять в качестве продукта). Возможны несколько вариантов результатов интенсификации ХТП: 1) интенсификация способствует ускорению ХТП при ухудшении качества продукта, например, ускорение процесса отстаивания за счет увеличения скорости потока жидкости в проточном отстойнике приводит к увеличению производительности, но не позволяет полностью разделить гетерогенную жид- кость; 2) интенсификация способствует ускорению ХТП при неизменном качестве продукта; например, увеличение скорости омывания дисперсных частиц при растворении ускоряет процесс, но предельная концентрация раствора не позволяет изменить содержание количества вещества в объеме жидкости; 3) интенсификация увеличивает скорость ХТП и улучшает качество продукта; например, интенси- фикация процесса эмульгирования позволяет получить эмульсию с меньшими размерами частиц. Для количественной характеристики интенсивности ХТП используют выражение , St M i = (1.1) которое показывает количество перенесенного вещества (энергии) М, кг (Дж) через единицу площади (объема) S, м 2 (м 3 ) за единицу времени t, с [3 – 5]. Сформулировав зависимость i от основных геометрических и режимных параметров ХТС, физиче- ских параметров обрабатываемой среды, определяют необходимость увеличения или уменьшения ука- занных параметров для увеличения i [9]. Критерий i получен на основе линейных кинетических уравнений, которые в ряде случаев не охватывают всего многообразия и сложности явлений тепло- и массопереноса [6, 7]. Линейные законы переноса типа kSF dt dM = , где F – движущая сила процесса; k – коэффициент ско- рости технологического процесса, могут быть использованы для анализа процесса интенсификации только в предположении о незначительности отклонения рассматриваемого процесса от состояния тер- модинамического равновесия и малости градиентов потенциалов переноса. Для анализа нелинейных соотношений между потоком переноса и градиентом потенциала используют принципы термодинамики необратимых процессов [8, 9]. Для большинства тепломассообменных, ряда гидромеханических процессов при инженерных реше- ниях по выбору факторов, на которые необходимо воздействовать для увеличения i, можно использо- вать пропорциональность М параметрам S, F и k. Обычно для интенсификации тепломассообменных процессов применяют перемешивание, организацию потоков и специальные физические эффекты. Для интенсификации механических и гидромеханических процессов необходимо активное влияние на дви- жение отдельных элементов жидкости, газа и твердых тел [1, 3 – 5, 10 – 14]. 1.1.2 Метод формального анализа параметров, влияющих на интенсивность ХТП Рассмотрим метод на примере интенсификации процесса теплообмена [3]. Интенсивность теплообмена можно выразить как к н 2 1 к н к н к н lg 3 , 2 1 1 lg 3 , 2 t t t t t t t t K t K St Q i t i ∆ ∆ α + λ δ + α ∆ − ∆ = ∆ ∆ ∆ − ∆ = ∆ = = ∑ , (1.2) где K – коэффициент теплопередачи; S – поверхность теплообмена; t – время; ∆t – средняя разность температур; ∆t н , ∆ t к – начальная и конечная разность температур между теплоносителями; α 1 , α 2 – коэффициенты теплоотдачи; δ i – толщина стенки, осадка, загрязнений; λ i – теплопроводность стенки, осадка, загрязнений. Эту зависимость можно использовать для составления наглядной схемы действий по интенсифика- ции конкретного теплообменного процесса, обозначив ↑ – необходимость увеличения и ↓ – необхо- димость уменьшения того или иного параметра. Зависимость (1.2) можно записать в виде i ↑ = ∆t н ↑, ∆t к ↓, α 1 ↑, δ i ↓, λ i ↑, α 2 ↑. (1.3) Такая схема наглядно показывает направление изменения тех или иных параметров процесса или конструктивных характеристик аппарата для интенсификации процесса теплообмена. Необходимо увеличивать коэффициенты теплоотдачи α 1 и α 2 для обоих теплоносителей, теплопро- водность материала аппарата и инкрустации λ 1 , начальную разность температур ∆t н ; уменьшать конеч- ную разность температур между теплоносителями ∆t к и толщину стенки теплопередающей поверхности и загрязнений δ i Анализ процесса и выявление лимитирующего уровня в соответствии с изложенным выше методом позволяют отобрать из формулы (1.3) факторы, соответствующие по масштабу лимитирующему уров- ню. Анализ формализованных зависимостей, описывающих механизм технологического процесса, не- обходимо проводить с учетом технической и экономической целесообразности изменения того или ино- го параметра. Для определения дальнейшего направления интенсификации рассмотрим уравнения теплопереноса и используем одно из известных выражений для α 1 и α 2 в виде критериальной зависимости ( ) 25 , 0 СТ 33 , 0 8 , 0 Pr Pr/ Pr Re A l λ = α . (1.4) Откуда, не учитывая (Pr/ Pr CT ) 0,25 , получаем 47 , 0 33 , 0 8 , 0 2 , 0 8 , 0 67 , 0 − − µ ρ λ = α p C l V A (1.5) Здесь λ – теплопроводность теплоносителя; l – определяющий линейный размер (например, толщина слоя теплоносителя); Re = µ ρ Vl – критерий Рейнольдса; ) /( Pr a ρ µ = – критерий Прандтля; V – скорость; ) ( ρ λ = p C а – коэффициент температуропроводности; ρ – плотность; С р – теплоемкость. Тогда формула (1.3) примет вид i = ∆t н ↑∆t к ↓δ ст ↓λ ст ↑λ загр ↑δ загр ↓λ 1 ↑V 1 ↑ρ 1 ↑C p2 ↑l 1 ↓µ 1 ↓λ 2 ↑V 2 ↑ρ 2 ↑C p2 ↑l 2 ↓µ 2 ↓(1.6) Индексы 1 и 2 относятся к характеристикам потоков двух теплоносителей. Программа интенсификации ХТП (1.6) включает в себя как режимно-технологические, так и аппаратно-конструктивные характеристики теплообменного процесса на различных уровнях иерар- хии ХТС. Рассмотрим программу интенсификации массообменного процесса [3]. Если использовать основное уравнение процесса массопереноса, то для наиболее распростра- ненных тарельчатых массообменных аппаратов фактор интенсивности можно определить по фор- муле i = υ / M = υ ∆ / C KS , (1.7) где М – масса вещества, перенесенного в единицу времени; ) ( ) ( c б с б H H nS n + = υ + υ = υ – объем та- рельчатого аппарата; n – число секций в аппарате; б υ , с υ – соответственно объем рабочей (напри- мер, барботажной) и сепарационной зон одной секции аппарата; S – площадь поверхности полотна тарелки; Н б , Н с – соответственно высота барботажной и сепарационной зон; K – коэффициент мас- сопередачи, отнесенный к 1 м 2 полотна тарелки; ∆C – разность концентраций (движущая сила про- цесса). Для противоточного аппарата, считая коэффициент массопередачи независящим от концентра- ции, запишем i = K ∆С/[n(Н б + Н с )]. (1.8) Из формулы (1.8) видно, что на величину фактора интенсивности оказывает влияние параметр K, характеризующий кинетику массообменного процесса, параметры ∆С и n, тесно связанные со статическими характеристиками процесса, в частности, с равновесием между фазами, определяемые термодинамическими свойствами компонентов системы, а также параметрами Н б и Н с . Последние зависят в основном от конструктивных особенностей аппарата и физико-химических свойств пере- рабатываемых продуктов. Если использовать понятие эффективности ступени контакта η, то i = ηK∆С/[n т (Н б + Н с )], (1.9) где n т – число необходимых теоретических ступеней контакта. Тогда алгоритм интенсификации массо- обменного процесса можно записать так: i ↑ = η↑K↑∆C↑n т ↓Н б ↓Н с ↓. (1.10) Если анализ показывает, что лимитирующим является молекулярный уровень, то необходимо искать пути увеличения коэффициента массопередачи K. Для того чтобы учесть энерго- и материалоемкость ХТC, введем в качестве параметра, характе- ризующего интенсивность ХТП, удельную производительность, т.е. производительность, отнесен- ную к количеству энергии и времени, затраченных на реализацию процесса, объем или площадь ап- парата: ( ) ( ) ⋅ ⋅ υ = 2 3 м м с Дж кг , S Et M u . (1.11) Метод формального анализа параметров, влияющих на интенсивность ХТП, показывает направле- ние общего подхода при первичном рассмотрении ХТС с целью ее модернизации. |