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 кон-
тактной 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 металло-
емкость и простота их конструкции, значительное увеличение коэф-
фициента 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 аппа-
рата [3]. Таким образом, эффективность протекания процессов тепло-
массообмена 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 пря-
моточными контактными конденсаторами наблюдается у циклонных              
и вихревых аппаратов. Кроме того, в настоящее время существующие 
контактные конденсаторы имеют повышенный брызгоунос и энталь-
пийную эффективность менее 90 %. Важным условием использования 
контактных вихревых аппаратов является определение оптимальных 
режимных и конструктивных характеристик работы. Поэтому появля-
ется необходимость в построении адекватной расчетной модели аппа-
рата с проведением ее детального анализа. 

Настоящая монография посвящена исследованию процесса кон-
денсации в контактном конденсаторе вихревого типа, созданном в Ка-
занском 
национальном 
исследовательском 
технологическом              
университете [81, 82]. 
В первой главе проведен сравнительный обзор существующих 
типов вихревых аппаратов. Рассмотрены сравнительные характери-
стики энтальпийной эффективности, достоинства и недостатки про-
мышленных аппаратов (традиционное колонное оборудование, абсор-
беры, вихревые аппараты), возможности применения этих аппаратов 
для процесса конденсации. Показан обзор гидродинамических моде-
лей, применимых к расчету контактных конденсаторов вихревого              
типа. 
Во второй главе дано описание установок и методик для прове-
дения физических экспериментов по контактной конденсации паров              
в аппарате вихревого типа и процесса распыливания жидкости цен-
тробежной форсункой с винтовым завихрителем малой производи-
тельности. Представлены результаты оценок погрешностей этих экс-
периментов. 
В третьей главе предложено решение поставленной и сформу-
лированной задачи по конденсации пара на отдельной капле в кон-
тактном конденсаторе вихревого типа. Показана характеристика дис-
персности капель распыленной жидкости из центробежной форсунки              
с винтовым завихрителем, а также результаты численного исследова-
ния скоростей и давления в контактном конденсаторе вихревого типа. 
В четвертой главе построена компьютерная модель контактного 
конденсатора вихревого типа, с помощью которой возможно рассчи-
тать 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 учеб-
ников, книг, научных статей, диссертационных работ, патентов              
на изобретения и полезные модели, материалы, которые использова-
лись 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 промыш-
ленности, в теплоэнергетике теплообменные и тепломассообменные 
аппараты применяются не только как самостоятельные, но и как со-
ставные устройства сложной технологической цепочки, поэтому важ-
ным фактором совершенствования различных процессов является              
повышение их эффективности.  
Традиционное колонное, насадочное или тарельчатое оборудова-
ние обладает низкой энтальпийной эффективностью и производитель-
ностью при прямоточном воздействии фаз. В работах [2, 3] дан сравни-
тельный анализ различных типов технологических аппаратов, который 
показал, что для ведения процессов полной конденсации  оптимальны-
ми являются насадочные (контактные) теплообменники [1, 2, 3]. 
Из существующих контактных аппаратов максимальную эн-
тальпийную 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 при-
знакам [3]: 
– по числу ступеней контактные теплообменники делятся  
на одно- и многоступенчатые (каскадные), при этом все ступени (кас-
кады) 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» превра-
щается в систему «пар–жидкость») [3, 6–9, 12]; 
– по характеру сил, используемых для создания взаимного дви-
жения теплоносителей. Движение теплоносителей определяется си-
лами гравитации, центробежной силой, давлением, поверхностным 
натяжением, электромагнитными силами или их комбинацией; 
– по способу образования и виду межфазной поверхности, кото-
рая может быть капельной, пленочной, пенной или пузырьковой. Ка-
пельная поверхность контакта обычно образуется путем разбрызгива-
ния жидкости форсунками в поток газа (пара). Типичным и одним              
из самых распространенных аппаратов этого класса являются форсу-
ночные камеры. Кроме форсунок могут применяться разбрызгиватели 
и оросители различного типа, поэтому аппараты этого класса получи-
ли название камеры орошения [8, 13]. Пленочная поверхность контак-
та образуется при течении жидкости в аппаратах с орошаемой насад-
кой [9, 13, 14]. Пенные аппараты – это аппараты, в которых поверх-
ность 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 проти-
воточным, 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]. 

Определяющими факторами интенсификации процессов теп-
ломассообмена в контактных конденсаторах являются отсутствие вы-
сокой относительной скорости пара (газа) и жидкости, развитая по-
верхность контакта, высокая дисперсность и масса сред в реактивном 
пространстве, равномерность распределения скоростей, достаточное 
время контакта сред, противоточный или спутный характер взаимного 
движения контактирующих сред. Области применения контактных 
аппаратов приведены в табл. 1.2 [3, 6, 9, 12, 18, 19]. Но из-за ограни-
ченности методов расчета и моделирования при разработке контакт-
ных аппаратов часто используют данные, полученные эксперимен-
тальным путем. 
 
Таблица 1.2 
Области применения контактных аппаратов 
 

Область 

применения

Аппараты

Полые

С трубой Вентури

Барботажные и пенные

Погружного горения

Тарельчатые

С нерегулярной подвижной на-

садкой

С регулярной насадкой

С подвижной насадкой

С внешним подводом 

энергии

Со встречными потоками

Нагрев:

газа
+
+
+
−
+
+
+
+
+
+

жидкостей
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

твердых час-
тиц
+
−
−
−
−
−
−
+
−
+

 
 

Окончание табл. 1.2 

Область 

применения

Аппараты

Полые

С трубой Вентури

Барботажные и пенные

Погружного горения

Тарельчатые

С нерегулярной подвижной на-

садкой

С регулярной насадкой

С подвижной насадкой

С внешним подводом энергии

Со встречными потоками

Охлаждение:
газа
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

жидкостей
+
+
+
−
+
+
+
+
+
+

твердых час-
тиц
+
−
−
−
−
−
−
+
−
+

Выпаривание 
жидкостей
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

Конденсация 
паров
+
−
+
−
+
+
+
+
−
−

Нагрев (охлаждение) 
для кристаллизации

растворов

+
−
+
+
+
−
+
+
+
+

Примечание: знаком "+" обозначена возможность применения

 
 1.2. Существующие конструкции контактных аппаратов 
 
Полые колонные аппараты применяются для охлаждения газов 
до точки росы и ниже, например скрубберы (рис. 1.1). В данных аппаратах 
могут устанавливаться форсунки грубого распыла, что позволяет 
работать на оборотной воде, содержащей некоторое количество 
взвеси. Газовый поток в таком скруббере может подаваться как сверху, 
так и снизу, вода распыливается форсунками, размещенными              

таким образом, чтобы все поперечное сечение скруббера было перекрыто 
факелами разбрызгиваемой жидкости. 
 

Рис. 1.1. Полый скруббер:

1 – корпус; 2 – распыливающие форсунки; 3 – каплеотбойник.

Потоки: I – запыленный газ; II – очищенный газ;

III – жидкость для очистки; IV – шлам

При подаче газа сверху достигается более равномерное распределение 
газа по сечению колонны и интенсифицируется процесс его 
охлаждения. Гидравлическое сопротивление составляет 150–300 Па
[7–9, 20, 21]. Надежных данных по расчету коэффициентов теплопередачи 
в подобных форсуночных скрубберах до 1983 г. не было, поэтому 
при расчетах приходилось пользоваться коэффициентами теплопередачи, 
полученными экспериментальным путем при исследовании промышленных 
установок [9–11, 22].

К недостаткам полых скрубберов можно отнести [9, 15]: 
1. Энтальпийная эффективность ≈ 0,5. 
2. Низкая скорость газа ≈ 0,8–1 м/с, ограниченная уносом жидкости (
достоинство для конденсаторов).

3. Высокий расход энергии на распыливание жидкости.
Барботажные и пенные аппараты с ситчатыми и провальными 
тарелками (рис. 1.2, 1.3) применяют для нагрева и охлаждения газа 
и жидкостей, выпаривания жидкостей, конденсации паров, нагрева 
(охлаждения) для кристаллизации растворов.