Об итогах 1 года гранта РНФ 18-79-10136 -П Теоретические методы моделирования и разработки энергоэффективных импортозамещающих аппаратов очистки и глубокой переработки углеводородного сырья на предприятиях топливно-энергетического комплекса

В ходе выполнения гранта РНФ 18-79-101-36-П «Теоретические методы моделирования и разработки эффективных импортозамещающих аппаратов очистки и глубокой переработки углеводородного сырья на предприятиях топливно-энергетического комплекса» за первый год были получены следующие результаты:

На основе рассмотрения широкого класса химико-технологических процессов на предприятиях топливно-энергетического комплекса решен ряд актуальных научно-исследовательских и научно-технических задач с применением и развитием методов математического моделирования и экспериментальных исследований. ПОЛУЧЕНО: - на основе применения и развития приближенного метода математического моделирования переноса импульса и теплоты в теплообменных аппаратах с поверхностными интенсификаторами получены выражения средних коэффициентов трения и теплоотдачи. Представлены результаты расчетов и сравнения с известными экспериментальными исследованиями для труб с поверхностными проволочными вставками, с спиральным оребрением и прямоугольными выступами для трансформаторного масла, воды. С применением хаотичных насадок разработаны способы интенсификации явлений переноса в средах с повышенной вязкостью для увеличения эффективности теплообменников и значительного снижения их массогабаритных характеристик. Насадки обеспечивают переход от ламинарного режима к турбулентному в трубе при числах Re более 50-150 и значительному повышению α- (в 15-16 раз). - Даны выражения для числа Нуссельта, полученные ранее авторами на основе применения моделей турбулентного пограничного слоя, связанные с гидравлическим сопротивлением насадки. Показано, что за счет объемного интенсификатора требуемая поверхность теплопередачи снижается до 17 раз. Для моделирования температурного профиля в трубе с насадкой использовано дифференциальное уравнение теплопереноса в цилиндрической системе координат. Представлены результаты численного решения уравнения теплопереноса и сравнение полученных температурных профилей с экспериментальными данными. ПОЛУЧЕНО: - С применением модели турбулентного пограничного слоя в газовой фазе для орошаемых блоков насадок решена научно-техническая задача расчета переноса импульса, тепла и массы водяного пара в градирнях. В результате получены выражения для чисел Нуссельта и Шервуда для контактных устройств различных конструкций. Полученные выражения могут использоваться в расчетах пленочных блоков оросителей с применением гидравлического сопротивления, а также в расчетах абсорберах. - Представлены результаты решения системы уравнений и сравнения профилей температур и влагосодержания по высоте насадки с известными экспериментальными данными. Даны результаты расчетов в виде графиков по эффективности охлаждения газов с различными и регулярными насадками с интенсификаторами в скрубберах.Сделаны выводы о наиболее эффективных конструкциях насадок по теплогидравлическим характеристикам.- Разработана математическая модель и алгоритм расчета конденсационного охлаждения газов в турбулентном барботажном слое на тарелках различных конструкций. Полученный алгоритм позволяет выполнять расчеты режимных и конструктивных характеристик барботажных тарелок охлаждения газов с применением результатов гидравлических исследований. ПОЛУЧЕНО: - Представлены результаты численного решения системы уравнений по полям температур, влагосодержанию, концентрации частиц, и сравнение с известными экспериментальными данными. Даны сравнительные характеристики насадок, а также научно-технические решения по модернизации скрубберов, очистки газов от аэрозолей, внедренные в промышленности. - Показано преимущество режима прямотока при сильном взаимодействии газа с пленкой жидкости в шероховатом канале. Приведены примеры расчетов эффективности осаждения частиц аэрозольных на пленку в режимах слабого и сильного взаимодействия пленки с газовым потоком. Сделаны выводы о режимах применения таких аппаратов газоочистки. Даны рекомендации по режимным и конструктивным параметрам обеспечивающих эффективность газоочистки 99%. ПОЛУЧЕНО: - Получены массообменно-гидравлические характеристики пленочной рубчатой насадки в аппарате, из полиэтилена с дискретно-шероховатой поверхностью. Выполнены эксперименты на лабораторном макете насадочной колонны при различных плотностях орошения и скорости газа для тепломассообменного процесса. Построены зависимости удельного перепада давления, объемного коэффициента массоотдачи и эффективности массообмена от режимных параметров. - Записаны системы уравнения численной и приближенной математической модели тепломассообмена при контактном охлаждении газов и нагрева воды в восходящем дисперсно-кольцевым потоке газа и жидкости. Показан пример решения системы уравнений с вычислением конечных температур газа и жидкости и тепловой эффективности процесса тепломассообмена. Мат. модель позволяет вычислять тепловую эффективность при заданном температурном режиме на входе и расходах фаз и в результате выбирать конструктивные характеристики аппарата с восходящим движением пленки жидкости и газа в контактных устройствах. ПОЛУЧЕНО: - Экспериментально исследован процесс получения тяжелого вакуумного газойля соответствующего требованиям масляного производства методом непрерывной вакуумной ректификации. Наработано требуемое количество образцов легкого и тяжелого вакуумного газойля, определены их качественные показатели. Проведена экспериментальная оценка термической стабильности кубового продукта колонны. - выполнены исследования по определению параметров оптимального технологического режима работы, а также основных конструктивных и эксплуатационных характеристик. Использована регулярная сегментная гофрированная насадка с нанесенной на поверхность шероховатостью разработки. Результаты исследований использованы при разработке промышленной колонны. внедренной на нефтегазоперерабатывающем предприятии. ПОЛУЧЕНО: - Получены экспериментальные исследование влияния пульсаций потока на теплообмен в пучке труб. Экспериментальным путем получены закономерности теплообмена в пучке труб при пульсационном режиме течения потока. Мак. интенсификация теплообмена составила 3,23 раза. - Численный эксперимент проводился с помощью Ansys Fluent. На основании данных, полученных в результате численного эксперимента, была проведена оценка уменьшения площади теплообмена маслоохладителя при пульсациях потока. Уменьшение площади теплообмена маслоохладителя в зависимости от режима пульсации составило от 2,57% до 8,63%. - Критериальное уравнение было получено методом множественной линейной регрессии. Средняя погрешность с экспериментальными данными составляет 8,89%. ПОЛУЧЕНО:-Экспериментально установлена возможность использования карбонатного шлама водоподготовки ТЭС в качестве сорбционного материала для извлечения анионных синтетических поверхностно-активных веществ из сточных вод промышленных предприятий. Для изготовления сорбционных гранул испытаны различные виды связующего. Наилучшей адсорбционной способностью обладают гранулы карбонатного шлама с использованием в качестве связующего жидкого натриевого стекла (11,2 мг/г) и парафина (10,79 мг/г). Возможность их использования подтверждается изотермами адсорбции в статическом виде. - Исследован процесс адсорбционной очистки обратноосмотического концентрата от сульфат- и хлорид-ионов карбонатным шламом химводоподготовки в зависимости от рН среды. Установлено, что высокая адсорбционная емкость достигается в широком интервале рН (3-9), что позволяет очищать воду при ее разном солесодержании, как в кислой, так и в слабощелочных средах. - Рассмотрен процесс адсорбционной осушки природного газа разработанным гранулированным материалом на основе шлама химводоочистки Казанской ТЭЦ-1. Показано, что адсорбционная емкость материала по влаге достигает максимального значения 2,4 г/г. Рассчитаны технологические характеристики адсорбера периодического действия с неподвижным слоем гранулированного материала: диаметр, количество материала на одну загрузку, продолжительность адсорбции. Предложена технологическая схема рекуперационной адсорбционной установки осушки природного газа.