WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

БАХОНИН АЛЕКСЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТОВ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

У ф а - 2003 2

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Бакиев Тагир Ахметович;

кандидат технических наук Шулаев Сергей Николаевич.

Ведущее предприятие - Закрытое акционерное общество «Стерлитамакский нефтехимический завод».

Защита диссертации состоится 27 мая 2003 года в 15 - 30 на заседании диссертационного совета Д 212. 289. 05 Уфимского государственного нефтяного технического университета по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 24 апреля 2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Комплексную проблему энергосбережения и рационального использования природных ресурсов в нефтепереработке, нефтехимии и химической промышленности необходимо решать, переходя на технологии нового типа, создать новые классы аппаратов, использующие физические явления, которые открывают дополнительные возможности повышения энергомассообмена.

Явление нагрева материалов в электромагнитном излучении СВЧ - диапазона позволяет использовать технологические среды с достаточной диэлектрической проницаемостью как накопители энергии СВЧ - поля для их саморазложения, катализа или передачи тепла. При этом трансформация электрической энергии в тепловую происходит за счет возбуждения СВЧ - полем колебаний молекул технологической среды - диэлектрика, что значительно интенсифицирует энергообмен, исключая теплоподвод через стенку и слои вещества.

Интенсификация энергомассообмена особенно актуальна для таких энергоемких процессов, как ректификация в нефтепереработке и нефтехимии, дегидрирование в нефтехимии, термическое разложение карбонатов в химической промышленности, на которых базируется получение углеводородных топлив, синтетических каучуков, кальцинированной соды.

Разработка теоретической базы и основ для проектирования промышленных массообменных аппаратов нового класса для таких процессов на основе явления СВЧ - нагрева создает возможности уменьшения энергопотребления, значительного повышения экологической безопасности и улучшения условий труда.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ На основе проведенных исследований разработать конструкции аппаратов для процессов испарения, дегидрирования углеводородов и обжига известняка, использующих электромагнитное излучение сверхвысокочастотного диапазона.

Предложить методы согласования параметров СВЧ-излучения с физикохимическими характеристиками технологических сред, с материалом и конфигурацией аппарата.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ 1. Обоснованы конструктивные особенности аппаратов для испарения жидкости и реакционных гетерофазных процессов на основе обнаруженного эффекта увеличения скорости испарения жидкости в СВЧ - поле при помещении в обрабатываемую среду аккумулирующих излучение твердых веществ- термотрансформаторов, обеспечивающих подвод энергии с равномерным распределением ее в объеме.

2. Найдено, что наиболее эффективными термотрансформаторами СВЧ-излучения являются смеси оксидов металлов, обладающие высокой поглощающей способностью, большой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплопередачи.

3. Предложен метод согласования конструктивных параметров массообменного аппарата с параметрами СВЧ-излучения (частота, тип волны) и физико-химическими характеристиками технологических сред (проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемость, однородность), состоящий в достижении полного поглощения излучения при его равномерном распределении по объему массообменной зоны.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1) методику подбора веществ - эффективных термотрансформаторов по их электрофизическим свойствам (проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемость, однородность);

2) метод расчета конструктивных параметров реакционных устройств с термотрансформатором СВЧ - излучения;

3) Конструкции аппаратов для процессов испарения, дегидрирования углеводородов и обжига известняка с использованием термотрансформатора сверхвысокочастотного электромагнитного излучения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ 1. Разработаны основы проектирования промышленных аппаратов для проведения технологических процессов с использованием термотрансформаторов электромагнитного излучения.

2. Аппараты с термотрансформаторами СВЧ - излучения для проведения гетерогенно-каталитических реакций и реакции разложения известняка характеризуются более высокой эффективностью, экологической безопасностью, чем известные промышленные, и использованы предприятиями ГУНПП «МАГРАТЕП» г. Фрязино Московской области и ФГУП «ВНИИ ТВЧ им. В.П.

Вологдина» г. Санкт-Петербурга на стадии проектирования опытно- промышленных установок.

3. Разработанные методики обработки технологических сред и разложения карбоната кальция под действием СВЧ - излучения используются в учебном процессе в УГНТУ на кафедре «Общая химическая технология».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно - практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2001);

межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2001» (Ухта, 2001); межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2002» (Ухта, 2002).

ПУБЛИКАЦИИ По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе патента РФ, 3 статьи в периодической печати, 5 тезисов докладов.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 143 страницы машинописного текста, в том числе 48 рисунков, таблиц, список использованных источников из 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее научная и практическая значимость, сформулированы основные цели и задачи исследований, основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе дан краткий анализ конструктивных особенностей традиционного массообменного оборудования, теплообменных аппаратов для нагрева и испарения жидких технологических сред. Рассмотрены аппараты для проведения реакционных гетерогенно-каталитических и некаталитических процессов. Отмечены основные недостатки, присущие рассмотренным типам оборудования и осуществляемым в них процессам, в частности, недостаточно эффективный подвод в энергии для проведения процесса, низкий КПД реакционных устройств.

В качестве альтернативы приведены конструкции нетрадиционных для промышленности аппаратов, работа которых основана на применении физических методов воздействия на технологические среды, например, электродуговые плазмотроны, плазмохимические реакторы. Особое внимание при этом уделено информации о применении нагрева материалов в электромагнитном сверхвысокочастотном (СВЧ) поле для интенсификации технологических процессов. Описан механизм СВЧ - нагрева веществ, показаны основные электрофизические характеристики материалов, влияющие на скорость их нагрева.

Из литературного обзора сделаны следующие заключения:

1. Наиболее эффективно энергию СВЧ-поля поглощают вещества – диэлектрики (полупроводники) в твердом агрегатном состоянии. При проведении химико-технологического процесса в СВЧ-поле с использованием твердых веществ ими будет вноситься в процесс основное количество тепловой энергии.

2. В отличии от традиционных способов нагрева, из-за проникновения СВЧ - волны в глубь объекта происходит преобразование СВЧ-энергии не на поверхности, а в объеме, и поэтому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева.

3. Отсутствие теплоносителя обеспечивает беспримесность процесса и безынерционность регулирования, а изменяя частоту, можно добиваться нагрева различных компонентов среды.

4. Основным недостатком имеющихся реакционных аппаратов этого типа является небольшой температурный диапазон применения, до 200 0 C.

5. Поскольку электромагнитное излучение СВЧ-диапазона доводится до реагирующих веществ через оболочку реактора, реакторы изготавливаются из материалов, проницаемых СВЧ-излучением.

6. Рассмотренные в обзоре реакционные аппараты пока можно использовать только в лабораторных исследованиях.

7. Следует использовать ограничивающие объем реактора металлические стенки из термостойкого металла как резонатор СВЧ - генератора, что упрощает конструкцию, обеспечивая надежность и безопасность, требующуюся в условиях промышленной эксплуатации.

8. Значительный потенциал для осуществления неравновесных процессов с технологическими средами заложен в возможности концентрирования энергии СВЧ - поля в массе твердого вещества без ограничения верхнего температурного предела. Перспективно аккумулировать и передавать тепло через твердую технологическую среду, участвующую в процессе как в виде инертной, так и в виде реакционной среды, в первую очередь, это значимо для высокотемпературных эндотермических процессов.

9. СВЧ - излучение довольно широко используется для нагрева ряда технологических сред, а в последние годы и для проведения каталитических превращений, однако широкий ряд каталитических процессов, особенно протекающих при больших температурах, остается не исследованным на предмет создания реакторов с таким подводом энергии.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований по интенсификации технологических процессов за счет применения СВЧ-излучения с использованием материалов, преобразующих энергию СВЧ-поля в тепловую. В качестве материалов, трансформирующих СВЧ-энергию в тепловую, использовались как среды и компоненты технологического процесса, так и дополнительные инертные включения.

В нефтепереработке и нефтехимии основные нефтяные фракции подвергают разделению, очистке, каталитической переработке, используя различные аппараты и реакционные устройства, в том числе многотоннажные адиабатические реакторы, требующие значительных энергозатрат на нагрев сырья и разбавителя - теплоносителя (водяного пара). Преимущество электродинамического реактора, использующего азот вместо водяного пара в качестве разбавителя, понижающего парциальное давление углеводородов, избавит от необходимости отделения влаги и увеличит экологичность процессов.

Например, в традиционной схеме производства бензол-толуольной фракции и стирола возможна замена при дегидрировании этилбензола реактора адиабатического типа на реактор с использованием СВЧ - излучения (рисунок 1).

Непрореагировавший бензол Серная Полиалкилбензолы кислота Сухой Бензол Очистка от АлкилироАлкилат бензол Осушка Ректификация сернистых вание соединений AlClЭтилен Непревращенный Газообразные этилбензол углеводороды Жидкие Стирол продукты ДегидрироРектификация вание с Бензол – СВЧ толуольная фракция Смола Рисунок 1 - Поточная схема производства бензол-толуольной фракции и стирола дегидрированием этилбензола Исследовалось влияние СВЧ - излучения на нерасходуемые в процессе среды, изучена кинетика нагрева технологических сред как объекта воздействия СВЧ - излучения. Как образец широко используемой в промышленности технологической среды использовалась дистиллированная вода.

Показана интенсификация процесса испарения при введении в жидкость твердых веществ неметаллов с различной пористостью (органического происхождения - частиц дерева и неорганического - частиц поливинилхлоридной смолы). Помимо использованных в данном эксперименте термотрансформаторов возможно применение и других веществ.

Изучалось влияние на процесс нагрева и испарения жидкостей в СВЧ-поле металлов в восстановленной и оксидной формах. На примерах висмута, свинца, алюминия, цинка показано, что введение такого термотрансформирующего вещества, как металл, не увеличивает скорости процесса испарения.

Этилбензол Исследование влияния на процесс испарения в СВЧ-поле оксидов металлов проводилось на примере смеси оксидов металлов: Cr2O3 - 48,5%; Fe2O3 - 24,85%; ZnO - 26,00%; SiO2 - 0,50%; Co2O3 - 0,15%.

Эксперименты проводили на лабораторной установке, представленной на рисунке 2. Влияние на процесс испарения воды оксидов металлов как термотрансформаторов представлено на рисунке 3. Из результатов эксперимента видно, что при введении в объем испаряемой воды термотрансформатора - смеси оксидов металлов - наблюдается наибольший эффект интенсификации процесса испарения.

4 2 1-стеклянная колба, 2-исследуемая среда, 3-термотрансформатор, 4- подставка, 5- резонатор, 6- микроволновая печь, 7-волновод, 8-холодильник, 9 -приемный стакан конденсата Рисунок 2 - Схема лабораторной СВЧ - установки для испарения жидкой среды в присутствии термотрансформатора 0,0,0,0,Вода РядВода со Ряд0,смесью оксидов 0, металлов 0,0 5 10 15 20 25 30 Время, мин Рисунок 3 - Экспериментальная зависимость влияния на испарение присутствия смеси оксидов металлов Масса сконденсировавшейся жидкости, кг Исследовалось влияние на процесс испарения массы термотрансформатора.

Для этого при испарении жидкости использовали термотрансформатор с различной массой при фиксированной мощности воздействия СВЧ-излучения (рисунок 4). В качестве термотрансформатора использовалась смесь оксидов металлов приведенного выше состава.

0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,Масса термотрансформатора, кг Рисунок 4 - Зависимость массы испарившейся жидкости от массы загружаемого термотрансформатора (длительность воздействия СВЧ излучения минут) Как видно из характера зависимости, увеличение массы трансформатора приводит к росту скорости процесса до некоторого значения и последующей ее убыли при увеличении массы термотрансформатора. Наибольшая скорость испарения получена при массе термотрансформатора, составляющей 44,4% от массы нагреваемой жидкости.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»