CC BY
86
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 66.011
А. Г. Мухаметзянова, Ю. М. Данилов, К. А. Алексеев,
К. А. Терещенко, А. А. Курбангалеев
ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО АППАРАТА
Ключевые слова: малогабаритный турбулентный аппарат, проектирование, база данных.
Приведены принципы формирования информационной базы данных на основе систематизации полученных экспериментальных и расчетных данных для проектирования оптимального малогабаритного турбулентного аппарата. Представлен фрагмент подобной базы данных и его описание.
Keywords: the small-sized turbulent device, designing, a database.
Principles of formation of an information database on the basis of ordering of the received experimental and settlement data for designing of the optimum small-sized turbulent device are resulted.
The fragment of a similar database and its description is presented.
В последнее время возрос интерес научных исследователей и производственников к малогабаритным трубчатым турбулентным аппаратам (МТТА). Эти аппараты сочетают высокую производительность при малом объеме, просты в изготовлении и эксплуатации и обеспечивают безопасность при работе с высокотоксичными и взрывоопасными веществами. Основополагающие теоретические исследования, разработка конструкций и внедрение МТТА в ряде отраслей промышленности были выполнены академиком Ал.Ал. Берлиным, профессором К.С. Минскером и др. учеными в 90-х годах прошлого столетия [1]. Казалось бы, за такой достаточно большой срок эксплуатации и в силу простоты конструкции эти аппараты должны быть хорошо исследованы, закономерности их работы изучены и формализованы в математическом виде. Однако существует необходимость продолжения начатых работ. Основанием для проведения научных исследований является недостаточность систематизации и комплексности в подходе к проектированию МТТА.
Под проектированием будем понимать процесс переработки информации, полученной в результате экспериментальных и теоретических исследований, в конечную информацию, необходимую для создания промышленного объекта.
Накопление информации о закономерностях работы МТТА характеризуется достаточно большими объемами и высокими темпами роста. Историю научного знания о МТТА можно описать, с одной стороны, как получение новых теоретических и эмпирических фактов [2], а с другой — как стремление упорядочить, сжать, сконцентрировать имеющиеся массивы данных, свести их к аналитическим формулам, описывающим многообразие результатов определенного типа [3]. Концентрированное представление информации (по сути база данных (БД)) отражает физическую реальность одновременно достаточно полно и достаточно компактно, становится инструментом научного исследования объекта, приобретает предсказательную силу. Здесь и далее под БД будем понимать специальным образом организованные данные о МТТА.
С одной стороны, упорядоченные и систематизированные данные (БД) это вспомогательный инструмент информационного обеспечения научных исследований, а с другой БД становится в один ряд с традиционными формами познания —
экспериментальными и теоретическими исследованиями. Концентрация объемов информации при помощи технологий БД приводит к появлению нового знания. Объединение в БД результатов различных теоретических и экспериментальных исследований и содержательный анализ такой информации открывают возможности для получения принципиально нового научного знания.
Этапы формирования информационной БД МТТА приведены на рис. 1.
Рис. 1 - Этапы формирования информационной базы данных о МТТА
Здесь будут обсуждаться вопросы сбора и организации данных, рассмотрение
последующих этапов выходит за рамки настоящей статьи.
Процесс формирования информационной БД должен начинаться с определения цели ее создания [4, 5]. Конечной целью формирования БД МТТА выступает предельная
систематизация полученных знаний, позволяющая определить оптимальные технологические и конструктивные параметры аппаратов для проведения конкретного химико-
технологического процесса, что позволит максимально интенсифицировать этот процесс и сократить затраты на его проведение.
В основе процесса создания базы данных лежат определенные принципы. Первый принцип заключается в необходимости исключать повторяющиеся (или лишние) данные, поскольку дублирование хранимой в БД информации создает условия не оптимального использования ресурсов и машинного времени. Второй принцип касается правильного выбора данных, предназначенных для хранения.
Приведем некоторую классификацию МТТА (рис. 2), которая позволит наметить структуру и облегчить выбор данных для наполнения БД. В соответствии с ней процессы, происходящие в МТТА, зависят от агрегатного состояния взаимодействующих сред и функционального назначения. Рабочей средой в этих аппаратах в большинстве случаев является жидкость. По расположению МТТА к горизонту различают горизонтальные, вертикальные, наклонные аппараты, что определяет свои закономерности и режимы течения среды.
Все вышеперечисленное определяет исполнения МТТА, которые различаются
конструктивными особенностями рабочей зоны и способом подачи компонентов.
Анализ литературных источников [1] показал, что МТТА нашли применение в различных отраслях промышленности при проведении процессов смешения, диспергирования, эмульгирования, совмещенных реакционно-тепломассообменных процессах. Задача
увеличения скорости этих процессов обычно сводится к увеличению одного или нескольких параметров, обозначенных дифференциальным уравнением:
<1М = кЭРМ,
где Э - движущая сила процесса; Р - единица площади или объема; к - коэффициент скорости протекания технологического процесса; 1 - время, М - количество перенесенного вещества, импульса или энергии. Для повышения интенсивности процесса необходимо увеличивать параметры к и Э. Так же повышение площади поверхности Б для процессов диспергирования и эмульгирования может служить основным критерием, характеризующим интенсивность процесса. Увеличение параметров к и Э требует увеличения кинетической энергии для
создания больших скоростей относительного движения фаз и уменьшения времени обновления межфазной поверхности. Увеличение кинетической энергии потока в МТТА реализуется за счет создания пульсаций давления, скорости и развитой турбулентности.
МТТА
Назначение
Смешение ДисперпироЕ ание Эыуль гэроЕ ание Теплообмен Химическая реакция
Расположение
Г орт онгальное Вертикалное НаКЛСНИОС
Агрегатное состояние
________фаз_________
Жидкость-жидкость Жидкость -газ Г аз-жидкость Жидкость -ТБ. тело
ко наличие турбулизаторов потока
Без турбупнз атороЕ С турбулиз алией потока иэЕходе е аппарат
С турбулиз алией потока е рабочей часли
\г
Конструктив ны е особенности
п о орг аниз алии теплооблз гкэ
Адиаб атич еосий 3 ОШГЫИ Кожухотру бчапый
по организации поде ода компонентов
Ц ентр =кТЬНЫЙ одноточечный
Вб од по внешнему
КОЛЫГ\"
Р а~гтт а.~гь тгьтт~г ввод
Конетрулспия С КОНИЧеСКИМ р =. ттирднтг ел:
Струйный
ввод
-СЕЛ)
1ч
I
“-ей
.Ль' 1ти.'
по конструктив ноа ! V выполнению рэьочей части
Цилинд^ш- ческии
С внез эоншл расширением
Диффузор- конфузор
Квазиид еаль -ного с?.з ешення
Рис. 2 - Классификация МТТА
Системный анализ сущности, определение кинетики и лимитирующих стадий химикотехнологических процессов смешения, диспергирования, эмульгирования и совмещенных реакционно-тепломассообменных процессов, протекающих в МТТА, позволил определить выходные параметры, подлежащие оптимизации.
Качество смешения взаимно растворимых жидкостей в МТТА можно оценивать величиной коэффициента перемешанности усм, который характеризует неравномерность распределения концентрации компонентов [6]. Энергетические затраты на эксплуатацию МТТА могут быть оценены потерей полного давления Ар. Степень энергоемкости на единицу
обрабатываемой среды служит величина скорости диссипации кинетической энергии турбулентности Є
Основными параметрами качества процессов диспергирования и эмульгирования является средний диаметр капель и пузырей дисперсной фазы 632-
Скорость массообменных процессов, как правило, лимитируется скоростью массопереноса в сплошной среде и оценивается коэффициентом массоотдачи Д
При протекании химических реакций с выделением тепла необходимо обеспечить хороший теплосъем, что характеризуется коэффициентом теплоотдачи а.
Непрерывные реакционные процессы в МТТА требуют контролируемого времени пребывания компонентов в зоне протекания реакции, которое можно оценить с помощью дисперсии времени пребывания элементов потока в аппарате о2.
Эти выходные параметры зависят от конструктивных и режимных характеристик. Наиболее значимыми для МТТА конструктивными характеристиками являются: диаметр
рабочей части аппарата О и длина секции рабочей части L, отнесенные к радиусу патрубка основного компонента, число секции аппарата N . Для аппаратов с внезапным расширением и диффузор-конфузорной конструкции также важным параметром является угол наклона образующей диффузорной части секции у
Под режимными характеристиками будем понимать скорость основного компонента
— Р2и2
и,, среднюю плотность потока ри = —-—— и относительный массовый расход компонентов
р,и,
— т т = —: т
,
На основе приведенной классификации МТТА сформируем БД МТТА, иерархическая структура которой приведена на рис. 3.
МТТА
Назначение
Расположение
Агрегатное состояние фаз
Конструктивные особенности
Организация подвода компонентов
Конструктивное выполнение рабочей части
Конструктивные и режимные характеристики
Показатели эффективности работы МТТА
Рис. 3 - Иерархическая структура базы данных
Процесс создания БД требует больших затрат времени на сбор имеющейся и получение недостающей информации. Основная доля информации может быть получена с помощью численного моделирования. При этом могут быть использованы как авторские разработки [7], так и коммерческие пакеты прикладных программ (111111), например PHOENICS, FLOW3D, ANSYS Star CD, FLOWVISION и др. Мощным инструментом для получения информации является ШШ FLUENT [8].
В настоящей работе численно моделировалось турбулентное течение однофазной и двухфазной среды путем решения осредненных уравнений Навье-Стокса (Reynolds Averaged Navier-Stokes - RANS) с полуэмпирическими моделями турбулентности. Точность полученных результатов в значительной степени зависит от выбранной модели турбулентности и от шага расчетной сетки. На основе проведенных ранее исследований о применимости ряда моделей RANS и влияния качества сетки на точность расчета и сравнении полученных параметров турбулентного течения с экспериментальными данными и с существующими обобщенными зависимостями установили, что наиболее точно характерные особенности струйных течений в МТТА отображает стандартная k-s модель турбулентности с корректировкой эмпирических констант.
Детальное описание метода решения, постановки задачи, условий однозначности и др. выходит за рамки настоящей статьи.
Численное решение уравнений движения однофазного и двухфазного потоков позволило получить по всему объему исследуемых МТТА поля следующих искомых величин: осевой, радиальной и тангенциальной скоростей, объемных долей фаз, давления, удельной кинетической энергии турбулентности, ее диссипации, температуры, а так же других характеристик, которые выражаются через эти величины.
В настоящий момент выполнен этап заполнения базы данных для горизонтально расположенных МТТА различных конструкции, предназначенных для процессов смешения жидких компонентов.
Рассмотрим фрагмент БД для горизонтального расположения МТТА, предназначенного для процесса перемешивания двух взаимно растворимых жидкостей диффузор-конфузорной конструкции с центральным одноточечным способом организации ввода компонентов. Этот фрагмент изображен на рис. 4.
В шапке таблиц (рис. 4) находится описание конструктивного выполнения рабочей части МТТА, а первый столбец сообщает о способе организации подвода компонентов. Такая организация позволяет максимально сократить число необходимых таблиц. Совокупность шапки таблицы и первого столбца достаточно полно описывает возможное конструктивное исполнение МТТА, которое заключает в себе пять блоков входных, выходных и регулирующих параметров.
Каждый блок несет следующую информацию: выходные параметры аппаратов, значения производных этих параметров, расчеты дополнительных значений (описанные ниже)
в зависимости от изменения режимных и конструктивных характеристик (pU, m, D, L и N), значения которых приведены в третьем столбце. Лри этом в одном блоке переменной является только одна характеристика, остальные принимают значения эталонного аппарата.
Конструктивные и режимные характеристики эталонного аппарата были приняты при обобщении информации об оптимальном проектировании отдельных видов МТТА [9]. Так
приняли pU = 2, m = 0.5, D = 3.58, L = 6.1 и N = 4. Лределы их изменений произвольны и
могут принимать минимальные и максимальные значения для химической технологии.
В некоторых случаях может потребоваться определение значений параметров, данные о которых не содержится в БД. Частично эту проблему можно решить использованием рядов Тейлора, которые позволяют при наличии трех значений параметра x определить функцию его изменения f(x) в окрестности точки с определенной точностью:
f(x) = fn + a(x - xt) + b(x - Xj )2 + O(h2)
где Л - шаг изменения параметра х; X/, Ъ/ - известные значения параметра и функции в точке / (/=1,П).
Рис. 4 - Фрагмент БД
Для реализации этого метода необходимо найти значения центральных аппроксимаций первой а и второй Ь производной (они отображаются в строках «Аппроксимация производных») по формулам:
а = (&-) = ^ - Ъ"
и п 2Л
Ь = 1Ъ = К - 2ГП + %
2 д2х 2Л2
При изменении величин режимных или конструктивных характеристик в строках «Расчет дополнительных значений» третьего столбца значения параметров эффективности будут автоматически пересчитываться.
Таким образом, проведена классификация МТТА по характерным особенностям, которые должны учитываться при его расчете. На основе этой классификации проведен анализ, выбор и обоснование критериев входных, варьируемых управляющих и выходных параметров для расчета МТТА. Разработана иерархическая структура базы данных (БД) МТТА. Сформирована информационная БД, содержащая выходные характеристики процессов, протекающих в МТТА при варьировании входных и управляющих параметров. Информация для БД получена в результате численных экспериментов. Выполнен этап
заполнения базы данных для горизонтально расположенных МТТА различных конструкций, предназначенных для процессов смешения жидких компонентов. БД является открытой для расширения.
Примененный комплексный подход к формированию информационной базы данных позволяет систематизировать знания о входных, выходных и управляющих параметрах МТТА. Это, в свою очередь, будет способствовать созданию пользовательского интерфейса, системы управления БД и выдаче рекомендаций по оптимальной конструкции аппарата и режимов его работы в соответствии с требованиями технического задания.
Литература
1. Берлин, Ал.Ал. Новые унифицированные энерго- и ресурсосберегающие высокопроизводительные технологии повышенной экологической чистоты на основе трубчатых турбулентных реакторов / Ал.Ал. Берлин, К С. Минскер, К.М. Дюмаев. - М.: ОАО НИИТЭХИМ, 1996.- 188 с.
2. Минскер, К. С. Трубчатые турбулентные реакторы вытеснения - новый тип промышленных аппаратов / К.С. Минскер, В.П. Захаров, Ал.Ал. Берлин. // ТОХТ - 2001. - т.35. - №2.
3. Захаров, В.П. Смешение жидких потоков в трубчатых турбулентных аппаратах диффузор-конфузорной конструкции / В.П. Захаров, Р.Г. Тахавутдинов, А.Г. Мухаметзянова, Г.С. Дьяконов, К.С. Минскер, Ал.Ал. Берлин. - Вестник Башкирского университета - 2001. - №3. - С.28 - 31.
4. Крёнке, Д. Теория и практика построения баз данных / Д. Крёнке. - СПб: «Питер», 2003. - 800 с.
5. Хомоненко, А.Д. Базы данных: Учебник для высших учебных заведений / А.Д. Хомоненко, В.М. Цыганков, М. Г. Мальцев; под ред. проф. А. Д. Хомоненко. - Спб.: КОРОНА, 2000. - 736 с.
6. Данилов, Ю.М. Оценка эффективности перемешивания жидких компонентов в малогабаритных трубчатых турбулентных аппаратах / Ю. М. Данилов, А. Г. Мухаметзянова, Р. Я. Дебердеев, Ал. Ал. Берлин. // ТОХТ - 2011. - т.45. - №1. С. 1-4
7. Дьяконов, Г.С. Численное моделирование течений в трубчатых турбулентных аппаратах / Г.С. Дьяконов, А.Г. Мухаметзянова, Ю.М. Данилов, А.Н. Бергман, И.М. Ильина. // Вестник КГТУ - 2002. -№1-2. - С.267-272.
8. www.fluent.com
9. Тахавутдинов, Р.Г. Трубчатые турбулентные предреакторы для проведения процессов инициирования при каталитическом синтезе полимеров / Р.Г. Тахавутдинов, А.Г. Мухаметзянова, Г.С. Дьяконов, К.С. Минскер, Ал.Ал. Берлин // Высокомолекулярные соединения - 2002. - Т.44. - №7.
- С.1094-1100.
© А. Г. Мухаметзянова - канд. техн. наук., доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, asia@kstu.ru; Ю. М. Данилов - д-р техн. наук, проф. каф. высшей математики КНИТУ; К. А. Алексеев - студент каф. машины и аппараты химических производств КНИТУ; К. А. Терещенко - студент той же кафедры КНИТУ; А. А. Курбангалеев - ассистент каф. теоретической механики и сопротивления материалов КНИТУ.
