Процесс контактной конденсации в аппарате смешения вихревого типа

 
 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
Л. Н. Москалев, С. И. Поникаров 
 
 
 
 
ПРОЦЕСС КОНТАКТНОЙ 
КОНДЕНСАЦИИ В АППАРАТЕ 
СМЕШЕНИЯ ВИХРЕВОГО ТИПА 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2018 

УДК 66.02:532.527 
ББК 34.7

М82

 
 Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Л. Г. Григорян 
д-р техн. наук, доц. Р. Г. Сафиуллин 
 

М82

Москалев Л. Н.
Процесс контактной конденсации в аппарате смешения вихревого типа : монография / Л. Н. Москалев, С. И. Поникаров; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 160 с.

ISBN 978-5-7882-2489-3

 
Посвящена изучению процесса тепломассообмена в вихревых контактных аппаратах. Изложены результаты физических экспериментов 
и моделирования в универсальном моделирующем пакете ChemCAD 
и в программном обеспечении Wolfram Mathematica процессов контактной конденсации в аппарате вихревого типа, а также распыливания 
жидкостей центробежной форсункой с винтовым завихрителем. 
Предназначена для бакалавров, магистров и аспирантов направлений подготовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудования», 
18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии». Будет также интересна научным и инженерным работникам, изучающим вопросы моделирования 
технологических систем и процессов, протекающих в тепломассообменном оборудовании. 
Подготовлена на кафедре машин и аппаратов химических производств. 
 

 

ISBN 978-5-7882-2489-3
© Москалев Л. Н., Поникаров С. И., 2018
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 66.02:532.527 
ББК 34.7

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ..................................................................................................... 6 

Глава 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНТАКТНЫХ 

АППАРАТОВ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ. 

ГИДРОДИНАМИКА В КОНТАКТНЫХ АППАРАТАХ 

ВИХРЕВОГО ТИПА ................................................................................. 9 

1.1. Обзор и классификация теплообменных контактных  

аппаратов ............................................................................................... 9 

1.2. Существующие конструкции контактных аппаратов .............. 12 

1.2.1. Вихревые контактные аппараты .......................................... 26 

1.2.2. Конденсаторы смешения ...................................................... 35 

1.3. Гидродинамическая модель закрученного потока газа (пара)  

в контактном аппарате вихревого типа ............................................ 47 

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 

ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ В КОНТАКТНОМ 

КОНДЕНСАТОРЕ ВИХРЕВОГО ТИПА И РАСПЫЛИВАНИЯ 

ВОДЫ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКОЙ С ВИНТОВЫМ 

ЗАВИХРИТЕЛЕМ ................................................................................... 52 

2.1. Экспериментальные исследования процесса конденсации в 

контактном конденсаторе вихревого типа ....................................... 52 

2.1.1. Описание экспериментальной установки ........................... 52 

2.1.2. Конструктивная характеристика экспериментальной  

установки контактного конденсатора вихревого типа ................ 55 

2.1.3. Методика проведения экспериментов ................................ 62 

2.1.4. Оценка погрешности эксперимента .................................... 72 

2.1.5. Результаты оценки погрешностей экспериментальных 

измерений в аппарате вихревого типа .......................................... 73 

2.2. Экспериментальные исследования процесса распыливания 

воды центробежной форсункой с винтовым завихрителем ........... 76 

2.2.1. Описание экспериментальной установки ........................... 76 

2.2.2. Методика проведения экспериментов ................................ 78 

2.2.3. Результаты экспериментальных исследований .................. 79 

2.2.4. Результаты оценки погрешностей экспериментов 

исследований процесса распыливания воды центробежной 

форсункой с винтовым завихрителем малой  

производительности ....................................................................... 84 

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА 

НА КАПЛЕ РАСПЫЛЕННОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ.......................... 86 

3.1. Постановка и формулировка задачи для отдельной капли  

в контактном конденсаторе вихревого типа .................................... 88 

3.2. Численное исследование распределения скоростей и давления 

пара в закрученном потоке аппарата ................................................ 90 

3.3. Характеристика дисперсности капель распыленной жидкости  

из центробежной форсунки с винтовым завихрителем .................. 92 

3.4. Поведение полидисперсного закрученного потока жидкой  

фазы в контактном конденсаторе вихревого типа .......................... 95 

3.4.1. Устойчивость капель к деформациям и разрушениям ...... 95 

3.4.2. Движение капли в газовом потоке ...................................... 97 

3.4.3. Тепломассообмен одиночной капли ................................. 100 

3.5. Результаты и обсуждения численного моделирования  

движения капли в закрученном потоке пара ................................. 104 

Глава 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  

КОНТАКТНОГО КОНДЕНСАТОРА ВИХРЕВОГО ТИПА. 

СОПОСТАВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ  

С РАСЧЕТНЫМИ ДАННЫМИ ........................................................... 106 

4.1. Описание модели контактного конденсатора вихревого типа  

в моделирующем пакете ChemCAD ............................................... 106 

4.2. Анализ влияния температуры охлаждающей жидкости на 

производительность контактного конденсатора вихревого типа 108 

4.3. Энтальпийная эффективность контактного конденсатора 

вихревого типа .................................................................................. 121 

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ КОНТАКТНОГО КОНДЕНСАТОРА 

ВИХРЕВОГО ТИПА В ХИМИЧЕСКОЙ  

ПРОМЫШЛЕННОСТИ ........................................................................ 127 

5.1. Описание технологической схемы абсорбции процесса 

производства технического формалина ......................................... 127 

5.2. Описание компьютерной модели поглощения метанола и 

формальдегида из контактного газа ............................................... 129 

5.3. Проверка адекватности модели поглощения метанола и 

формальдегида из контактного газа ............................................... 132 

5.4. Результаты применения контактного конденсатора вихревого 

типа в процессе абсорбции технического формалина .................. 137 

Заключение ............................................................................................. 143 

Библиографический список .................................................................. 145 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время все отрасли российской промышленности 
ориентированы на создание высокоэффективных, компактных, а главное, потребляющих минимальное количество энергии установок.              
Также немаловажным аспектом любого процесса является экономия 
сырьевых ресурсов с сохранением или повышением эффективности 
оборудования. Таким образом, современное оборудование должно 
быть максимально эффективным в плане проведения целевого              
процесса.  
Одной из важнейших проблем предприятий химической промышленности РФ является неэффективное использование энергии              
и сырьевых ресурсов, а также негативное влияние выбросов (газообразных, жидкостных) на экологию. На многих химических предприятиях в окружающую среду выбрасывается значительное количество 
вредных веществ. Например, метанол и метандиол (формальдегид, 
растворенный в воде).  
Одним из источников выброса метандиола и паров метанола              
в атмосферу являются абсорбционные газы, образующиеся как побочный продукт в производстве технического формалина. Обезвреживание этих газов, содержащих ценные компоненты (метиловый спирт              
и формальдегид), проводится путем сжигания на факелах. Однако эти 
компоненты не успевают сгорать и попадают в окружающую среду, 
что влечет за собой экологическое загрязнение. Следовательно,              
для устранения показанной проблемы необходимо предварительно 
снизить или полностью исключить метандиол и пары метанола              
перед сжиганием, возвращением их на начальный этап всей технологической цепочки производства, что приведет не только к устранению 
экологических проблем, но и к сбережению сырья. 
Во всех отраслях промышленности применяется такой класс 
технологического оборудования, как поверхностные и контактные теплообменники, и один из его подклассов – конденсаторы. Однако              
если поверхностные конденсаторы применяются во всех отраслях 
промышленности из-за протекания процесса без соприкосновения 
сред, то широкое применение контактных конденсаторов ограничено 
из-за необходимости подбора рабочих сред, так как в процессе происходит их смешивание. Но, несмотря на ограничения применения контактных конденсаторов, в химической промышленности имеются              

процессы, в которых их использование оправдано. Например, абсорбция, каплеулавливание, улавливание паров топлива при заливке 
в авто- или железнодорожные цистерны, создание вакуума, контактная конденсация хлора, охлаждение ацетилена и газов при получении 
аммиачной селитры, в установках деминерализации и очистки сточных промышленных вод, в производстве минеральных удобрений и 
других технологиях [1–9]. В теплоэнергетике контактные конденсаторы используются для утилизации тепловой энергии уходящих газов 
котельных, дизельных и газотурбинных установок; для получения нагретой воды в контактных водонагревателях; для деаэрирования воды, 
испарительного охлаждения и конденсации пара в барометрических       
конденсаторах выпарных установок [3]. 
Преимуществами контактных конденсаторов являются высокая 
интенсивность процессов тепломассообмена, незначительная металлоемкость и простота их конструкции, значительное увеличение коэффициента теплопередачи и уменьшение габаритов. Интенсивность 
процесса взаимодействия рабочих сред осуществляется не только              
за счет подбора определенных физико-химических характеристик,              
но и созданием наиболее благоприятных гидродинамических условий, 
что может существенно повысить съем тепла с единицы объема аппарата [3]. Таким образом, эффективность протекания процессов тепломассообмена напрямую зависит от конструкции применяемых              
устройств.  
В химической промышленности аппараты смешения являются 
одновременно и конденсаторами, и каплеуловителями. Например,              
в 
производстве 
метанольного 
формалина: 
конденсация 
паров              
или улавливание непрореагировавших капель метанола и метандиола.  
Из существующих контактных конденсаторов максимальная 
эффективность и малые габариты аппаратов при сравнивании с прямоточными контактными конденсаторами наблюдается у циклонных              
и вихревых аппаратов. Кроме того, в настоящее время существующие 
контактные конденсаторы имеют повышенный брызгоунос и энтальпийную эффективность менее 90 %. Важным условием использования 
контактных вихревых аппаратов является определение оптимальных 
режимных и конструктивных характеристик работы. Поэтому появляется необходимость в построении адекватной расчетной модели аппарата с проведением ее детального анализа. 

Настоящая монография посвящена исследованию процесса конденсации в контактном конденсаторе вихревого типа, созданном в Казанском 
национальном 
исследовательском 
технологическом              
университете [81, 82]. 
В первой главе проведен сравнительный обзор существующих 
типов вихревых аппаратов. Рассмотрены сравнительные характеристики энтальпийной эффективности, достоинства и недостатки промышленных аппаратов (традиционное колонное оборудование, абсорберы, вихревые аппараты), возможности применения этих аппаратов 
для процесса конденсации. Показан обзор гидродинамических моделей, применимых к расчету контактных конденсаторов вихревого              
типа. 
Во второй главе дано описание установок и методик для проведения физических экспериментов по контактной конденсации паров              
в аппарате вихревого типа и процесса распыливания жидкости центробежной форсункой с винтовым завихрителем малой производительности. Представлены результаты оценок погрешностей этих экспериментов. 
В третьей главе предложено решение поставленной и сформулированной задачи по конденсации пара на отдельной капле в контактном конденсаторе вихревого типа. Показана характеристика дисперсности капель распыленной жидкости из центробежной форсунки              
с винтовым завихрителем, а также результаты численного исследования скоростей и давления в контактном конденсаторе вихревого типа. 
В четвертой главе построена компьютерная модель контактного 
конденсатора вихревого типа, с помощью которой возможно рассчитать аппарат без проведения физических экспериментов. Показано 
преимущество этого аппарата перед аналогами. 
В пятой главе раскрыто применение контактного конденсатора 
вихревого типа в химической промышленности. 
Библиографический список содержит 156 наименований учебников, книг, научных статей, диссертационных работ, патентов              
на изобретения и полезные модели, материалы, которые использовались авторами при подготовке работы. 
 
 
 

Глава 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНТАКТНЫХ 
АППАРАТОВ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ. ГИДРОДИНАМИКА  
В КОНТАКТНЫХ АППАРАТАХ ВИХРЕВОГО ТИПА 

 1.1. Обзор и классификация теплообменных контактных 
аппаратов 
 
В химической, нефтехимической, пищевой, газовой промышленности, в теплоэнергетике теплообменные и тепломассообменные 
аппараты применяются не только как самостоятельные, но и как составные устройства сложной технологической цепочки, поэтому важным фактором совершенствования различных процессов является              
повышение их эффективности.  
Традиционное колонное, насадочное или тарельчатое оборудование обладает низкой энтальпийной эффективностью и производительностью при прямоточном воздействии фаз. В работах [2, 3] дан сравнительный анализ различных типов технологических аппаратов, который 
показал, что для ведения процессов полной конденсации  оптимальными являются насадочные (контактные) теплообменники [1, 2, 3]. 
Из существующих контактных аппаратов максимальную энтальпийную эффективность (ε) имеют устройства с активными гидро- 
газодинамическими режимами, представленные в табл. 1.1 [1, 2].  
 
 
Таблица 1.1 
Показатели энтальпийной эффективности контактных аппаратов 
 

Тип аппарата
Ε

Форсуночная камера 
0,09–0,60

С орошаемой насадкой 
0,05–0,21

Ударно-пенный
0,09–0,42

Центробежный
0,21–0,64

 
С учетом специфики разнообразных технологических процессов 
в различных отраслях промышленности создано большое количество 
высокоэффективных типов аппаратов с непосредственным контактом 
газа и жидкости [6–11]. 

Все контактные теплообменники делятся по следующим признакам [3]: 
– по числу ступеней контактные теплообменники делятся  
на одно- и многоступенчатые (каскадные), при этом все ступени (каскады) взаимодействуют друг с другом; 
– по числу и типу взаимодействия фаз создаются двухфазные 
системы («газ–жидкость», «пар–жидкость», «жидкость–жидкость», 
«газ–твердые частицы», «пар–твердые частицы», «жидкость–твердые 
частицы», «твердые частицы–твердые частицы», «газ–газ», «пар–пар») 
и трехфазные системы (например, «газ–жидкость–твердые частицы»). 
В особых случаях взаимодействие фаз может изменяться по длине 
(высоте) аппарата (например, система «жидкость–жидкость» превращается в систему «пар–жидкость») [3, 6–9, 12]; 
– по характеру сил, используемых для создания взаимного движения теплоносителей. Движение теплоносителей определяется силами гравитации, центробежной силой, давлением, поверхностным 
натяжением, электромагнитными силами или их комбинацией; 
– по способу образования и виду межфазной поверхности, которая может быть капельной, пленочной, пенной или пузырьковой. Капельная поверхность контакта обычно образуется путем разбрызгивания жидкости форсунками в поток газа (пара). Типичным и одним              
из самых распространенных аппаратов этого класса являются форсуночные камеры. Кроме форсунок могут применяться разбрызгиватели 
и оросители различного типа, поэтому аппараты этого класса получили название камеры орошения [8, 13]. Пленочная поверхность контакта образуется при течении жидкости в аппаратах с орошаемой насадкой [9, 13, 14]. Пенные аппараты – это аппараты, в которых поверхность контакта фаз образована газо-жидкостной эмульсией, состоящей 
из ячеек пены [7, 8, 15–17]. Пузырьковая поверхность контакта фаз 
образована движением газа сквозь слой жидкости в виде отдельных              
пузырьков [6–8]; 
– по взаимному направлению потоков теплоносителей: с противоточным, перекрестным и смешанным движением сред; 
– по функциональному назначению: нагреватели, охладители, 
конденсаторы и кипятильники (испарители, выпарные аппараты); 
– по конструктивным признакам контактные теплообменники 
подразделяют на полые, с трубой Вентури, барботажные, погружного 
горения, тарельчатые, с неподвижной, подвижной и регулярной              
насадкой, со встречными струями и с внешним подводом энергии [3, 
8, 9, 12].