CC BY
123
УДК 614.8
А. А. Салин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ИСПАРЕНИЯ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ
Ключевые слова: соляная кислота, моделирование процесса испарения.
Исследованы особенности расчета тепло- и массообмена при моделировании процесса испарения. Рассматриваются два подхода: с использованием гипотезы об идеальном перемешивании вследствие естественной конвекции при испарении, а также с учетом скорости молекулярной диффузии в жидкой фазе.
Keywords: hydrochloric acid, evaporation process modeling.
The features of the calculation of heat and mass transfer in the simulation of the evaporation process were investigated. Two approaches were considered: using the hypothesis of ideal mixing due to natural convection during evaporation, as well as taking into account the rate of molecular diffusion in the liquid phase.
Введение
В качестве исходного параметра при оценке последствий аварийной разгерметизации емкостного технологического оборудования используется интенсивность испарения высвободившейся жидкости, поскольку от данной величины зависит количество поступившего с поверхности пролива опасного вещества и его распределение в окружающей среде. Сложность определения скорости парообразования однокомпонентной жидкости заключается в том, что ввиду испарительного охлаждения снижается температура поверхности пролива и меняются условия термодинамического равновесия на границе раздела фаз, чем и обусловлена нестационарность данного процесса. В случае испарения многокомпонентных жидкостей дополнительное влияние на интенсивность испарения оказывает изменение состава раствора ввиду различной летучести компонентов.
Многие из представленных в литературе математических моделей процесса испарения сводятся к использованию упрощенных аналитических зависимостей и эмпирических корреляций [1-5]. Довольно часто применяются допущения, что пролив имеет бесконечно малую толщину [6], а испаряющаяся жидкость является однокомпонентной [7, 8]. Однако, при моделировании испарения растворов, помимо снижения температуры, необходимо учитывать изменение состава жидкой фазы, что в большинстве случаев выполняется с использованием допущения об идеальном перемешивании.
Численные исследования испарения раствора соляной кислоты
Поскольку в ходе проведения лабораторных исследований выяснилось, что при моделировании испарения соляной кислоты гипотеза об идеальном перемешивании раствора может давать завышенные результаты [9], то для моделирования процесса парообразования данного раствора рекомендуется использовать иной подход - с учетом диффузии в слое жидкости, дополнительно принимая во внимание вынужденную конвекцию вследствие волнообразования. Поскольку моделирование конвективного переноса в жидкой фазе значительно осложнит математическое описание процесса испарения, то предлагается использовать поправку к коэффициен-
ту молекулярной диффузии [10], определяемую опытным путем.
Приведенная в работе [9] математическая модель была использована для проведения численных экспериментов для оценки последствий аварийного пролива размером 30x30м, с толщиной слоя 5 см при изотермии атмосферы над поверхностью жидкости. На рисунке 1 представлены временные зависимости интенсивности испарения хлористого водорода из пролива. Интенсивность испарения хлороводорода в значительной степени зависит от его концентрации в водном растворе. В случае расчета испарения по улучшенной модели (с учетом молекулярной диффузии вещества в жидкой фазе) можно видеть более резкое снижение интенсивности испарения с течением времени по сравнению с результатами, полученными с использованием допущения об идеальном перемешивании, что объясняется наличием сопротивления массопереносу в жидкой фазе.
Завышенная интенсивность испарения при использовании гипотезы об идеальном перемешивании [11] объясняется тем, что при данном подходе количество испарившегося компонента отводится от всей массы раствора, а не от тонкого поверхностного слоя, в котором концентрация испаряющегося компонента снижается в первую очередь. Поскольку расхождение результатов, полученных путем применения различных подходов, возрастает с увеличением скорости ветра, то можно сделать вывод, что процесс парообразования HCl лимитируется не столько отводом его от поверхности, сколько диффузией данного вещества в жидкой фазе. Зависимость интенсивности испарения от времени удовлетворительно описывается степенными функциями вида Jgs=at-b с величиной достоверности аппроксимации более 0,98.
На поздних стадиях испарения отвод компонента от поверхностного слоя компенсируется его подводом из глубинных слоев жидкости. Совпадение интенсивности испарения при разных скоростях ветра обусловлено тем, что значение скорости ветра оказывает противоположное влияние на испарение: с одной стороны более высокая скорость увеличивает значение коэффициента массопередачи и интенсивность парообразования; с другой стороны, более высокая скорость ветра быстрее снижает концен-
трацию хлористого водорода в поверхностном слое жидкой фазы.
0,004 п 0,0035
^ 0,003 -;
Is ■
5 0,0025 -' 2 1
У 0,002 -1'
0 -1-1-
0 600 1200 1800 Время, сек
) с учетом диффузии в слое жидкости
0,0055 п 0,005
к
0,0045 -
^ 0,004
1s
5 0,0035
¡2
£ 0,003
§ 0,0025
I 0,002
Ё
К 0,0015 0,001
0,0005 0
0 600 1200 1800 Время, сек
б) с применением допущения об идеальном перемешивании
Рис. 1 - Интенсивность испарения HCl в зависимости от скорости ветра: — ■ ~ 1 м/с - 2.5 м/с---5 м/с
Из рисунка 1б видно, что в случае испарения водного раствора хлороводорода расчетные значения интенсивности оказываются завышенными в несколько раз, а значит применение гипотезы об идеальном перемешивании в данном случае ограничено. Однако, при моделировании испарения аммиачной воды [12] использование данного допущения позволяет с приемлемой точностью определять количество испарившегося вещества, что объясняется различием в интенсивности и удельной теплоте парообразования приведенных веществ.
Результаты
Для определения температуры и концентрации компонентов при моделировании испарения растворов предлагается использовать два подхода -либо применение допущения об идеальном перемешивании раствора, либо дополнение модели уравнениями для учета диффузии легколетучего компонента из объема жидкости к её поверхности.
В случае испарения соляной кислоты показана необходимость учета диффузии испаряющегося компонента от основного объема к поверхности пролива, поскольку расчет интенсивности парообразования, основанный на гипотезе об идеальном перемешивании, в данном случае может привести к завышенным оценкам последствий аварийных проливов.
Литература
1. D. Mackay, R. S. Matsugu, Canadian Journal of Chemical Engineering, 51, 434-439 (1973)
2. P. I. Kawamura, D. Mackay, Journal of Hazardous Materials, 15, 343-364 (1987)
3. P. Leonelli, C. Stramigioli, G. Spadoni, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 7, 443-450 (1994)
4. T. A. Cavanaugh, J. H. Siegell, K. W. Steinberg, Journal of Hazardous Materials, 38, 41-63 (1994)
5. S. Brambilla, D. Manca, Journal of Hazardous Materials, 161, 1265-1280 (2009)
6. А. В. Иванов, Дисс. канд. техн. наук, Московский гос. ин-т стали и сплавов, Москва, 1999. 243 с.
7. P. W. M. Brighton, Journal of Hazardous Materials, 23, 215-234 (1990)
8. G. Desoutter, C. Habchi, B. Cuenot, T. Poinsot, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52, 6028-6041 (2009)
9. А. А. Салин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров, Инженерно-физический журнал, 87, 3, 730-738 (2014)
10. S. R. Hanna, P. J. Drivas J Air and Waste Management Asso., 43, 298-309 (1993)
11. А. А. Салин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров, Вестник Казанского технологического университета, 16, 2, 208212 (2013)
12. А. А. Салин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров, Вестник Казанского технологического университета, 15, 12, 225-228 (2012)
© А. А. Салин - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, c888aa@mail.ru; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, galeev_ainur@mail.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, mahp_kstu@mail.ru.
© A. A. Salin - Candidate of Technical Sciences, Position: Assistant, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, c888aa@mail.ru; A. D. Galeev Candidate of Technical Sciences, Position: Assistant, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, galeev_ainur@mail.ru; S. 1 Ponikariov - Doctor of Engineering, Academic rank: Professor, Position: Chair of the Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, mahp_kstu@mail.ru.
