Исследование процесса химической абсорбции с помощью компьютерной модели на лабораторных работах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Волжский политехнический институт

Исследование процесса химической абсорбции с помощью компьютерной модели на лабораторных работах

Климова Елена Владимировна,

кандидат наук, доцент

Тишин Олег Александрович,

доктор наук, профессор, профессор

Представлена математическая модель стационарного режима работы насадочного хемосорбера. Изложена методика проведения лабораторной работы на компьютерной модели. Представлены результаты компьютерных экспериментов.

Математическое моделирование давно является основой для проведения научных исследований и не ограничивает исследователя в экспериментах. Благодаря техническому прогрессу компьютерное моделирование позволяет за время, отведенное на лабораторную работу, провести множество вычислительных экспериментов, проанализировать результаты и принять решение.

Использование компьютерных моделей также позволяет сократить затраты на приобретение дорогостоящего лабораторного оборудования, снижается уровень безопасности работ в учебных лабораториях, появляется возможность исследования объектов, процессов или явлений, непосредственное изучение которых по тем или иным причинам невозможно в стенах учебного заведения [1].

Лабораторная работа выполняется в рамках изучения дисциплины «Процессы и аппараты защиты окружающей среды». Химическая абсорбция или хемосорбция один из способов очистки газовых выбросов промышленных предприятий, применяется в том случае, когда концентрация улавливаемых примесей мала. Одной из проблем является удержание уловленных компонентов (абсорбат) в абсорбенте. Благодаря химической реакции вместо абсорбата в жидкой фазе остаются не летучие компоненты, при этом поглощающая способность не падает.

Для хемосорбции газовых загрязнителей наиболее подходящими считаются насадочные (используются при небольших количество газовых выбросов) и тарельчатые колонны (при большом количестве газовых выбросов). В насадочных колоннах обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом, чем в полых распылителях, благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств [2]. Насадочные и тарельчатые колонны наиболее распространены в промышленности.

В лабораторной работе моделируемым объектом является насадочный абсорбер очистки воздуха от диоксида серы (см. рис. 1). В нижнюю часть колонны подается для отчистки воздух с диоксидом серы, в верхнюю часть колонны - водный раствор NaOH. Диоксид серы абсорбируется водой на поверхности насадки и в жидкой фазе реагирует с гидроксидом натрия, образуя соль и воду. Из нижней части колонны отводят водный раствор NaOH и Na₂SO₃, из верхней - очищенный воздух.

Рис. 1 Насадочный абсорбер для отчистки воздуха от SO₂

Компьютерная модель разработана в среде Mathcad. При моделировании приняты следующие допущения: жидкая и газовая фазы движутся в режиме идеального вытеснения; насадка хорошо смачивается во всем объеме; газ распределяется равномерно по всему сечению колонны. Рассматривается стационарный режим работы хемосорбера.

Математическая модель, используемая в лабораторной работе, представлена дифференциальными уравнениями изменения концентрации поглощаемого компонента в газовой фазе, изменения концентрации реагента в жидкой фазе [3]:

;

.

хемосорбер модель газовый жидкий

Местный коэффициент ускорения процесса сорбции представлен формулой [3]:

.

Равновесная концентрация поглощаемого вещества в жидкой фазе [4]:

.

Значения концентраций необходимо выразить в нужной размерности по следующей схеме [4]: C_{A_i} \to y_{A_i} \to x^*_{A_i} \to C^*_{A_i}.

Скорость движения жидкой фазы определяется из условия смачивания всей поверхности насадки (коэффициент смачиваемости насадки равен единице). Минимальная плотность орошения, при которой обеспечивается полная смачиваемость поверхности насадки, равна [5]:

.

Скорость движения газовой фазы в колонне определяется из уравнения [5]:

.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе и средний коэффициент диффузии вещества в растворах рассчитывались по формулам, приведенным в литературных источниках [5]. Характеристики насадки А, В, a, p и q взяты из справочных данных [5,6].

Гидравлическое сопротивление насадки определяется по уравнению [6]:

.

Сопротивление сухой насадки равно:

.

Коэффициент \lambda_c учитывает не только потери на трение, но и дополнительные потери давления в местных сопротивлениях, возникающие в потоке газа при движении по искривленным каналам реального слоя насадки.

Установлено, например, что для слоя насадки, состоящего из беспорядочно засыпанных колец Рашига при ламинарном режиме движения газа в слое, когда Re<40 [6]:

,

при турбулентном режиме движения газа, когда Re>40:

.

Лабораторная работа состоит из 2 этапов: знакомство с математической моделью; выбор насадки по результатам вычислительных экспериментов.

На первом этапе обучающимся выдаются исходные данные (по вариантам): тип насадки, температура очищаемых газов и абсорбента, объемный расход воздуха, конечная концентрация реагента в абсорбенте, начальная мольная концентрация загрязнителя в очищаемых газах, которые необходимо задать в математическую модель. Далее в зависимости от исходных данных и результатов промежуточных расчетов по данным из таблиц [5, 6, 7, 8, 9] задаются следующие параметры: характеристика насадки, плотность и динамический коэффициент вязкости воздуха и воды, процентная массовая доля SO₂ в воде соответственная парциальному давлению SO₂ в воздухе, диаметр колонны. В результате по окончанию расчетов определяются характеристики хемосорбера, при которых очищенный газ на выходе будет содержать не более 0.05 мг/м³загрязняющего вещества: высота насадочной части колонны, диаметр колонны, скорость абсорбента, гидравлическое сопротивление абсорбера, мощность, затрачиваемая на транспорт газа через колонну, которая рассчитывается по формуле:

.

На втором этапе промежуточные расчеты в математической модели выполняются автоматически. Обучающемуся необходимо при одних и тех же исходных параметрах очищаемых газов выбрать тип насадки, основываясь на мощность, затрачиваемая на транспорт газа через колонну, и объеме, заполняемым насадкой. При этом концентрация загрязняющего вещества на выходе не должна превышать 0.05 мг/м³.

На рисунке 2 представлены результаты расчета модели хемосорбера для трёх видов насадок: кольца Рашига 50 мм внавал (1), кольца Рашига 25 мм (2), Кольца Палля 50 мм (3).

Рис. 2 Изменение концентрации SO₂ в очищаемых газах по высоте абсорбера и хемосорбера

На лабораторной работе обучающийся приобретает навыки: расчета процесса очистки газовых выбросов с помощью вычислительной техники; работы с математической моделью объекта химической промышленности; принятия решений на основе результатов расчета математической модели.

Процесс информатизации образования повышает уровень активности и реактивности обучаемого, развивает способности альтернативного мышления, формирования умений разрабатывать стратегию поиска решений как учебных, так и практических задач, позволяет прогнозировать результаты реализации принятых решений на основе моделирования изучаемых объектов, явлений, процессов и взаимосвязей между ними [1].

Принятые обозначения

А, В - характеристики насадки для определения скорости газового потока; a - удельная поверхность насадки, м²/м³; С, С* - концентрация вещества в газовой фазе и в абсорбенте соответственно, моль/м³; D - средний коэффициент диффузии вещества в растворах, м²/с; - эквивалентный диаметр насадки, м; E - коэффициент Генри, мм.рт.ст.; g - ускорение свободного падения, м/с²; G - массовый расход газа, кг/с; H - высота слоя насадки, м; L - массовый расход абсорбента, кг/с; p, q - характеристики насадки для определения минимальной плотности орошения; P - давление газовой фазы, мм.рт.ст.; z - молекулярность реакции; - параметр, учитывающий ассоциацию молекул (для воды ); - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с; - порозность слоя насадки, м³/м³; - динамический коэффициент вязкости, Па?c; - плотность, кг/м³; - скорость потока, м/с; - предельная фиктивная скорость газа, м/с;

индексы: А - поглощаемый газ (SO₂), B - реагент (NaOH), v - вода, i - текущее значение, g - очищаемый газ, zh - абсорбент.

Список литературы

1. Григорьев С.Г. Информатизация образования. Фундаментальные основы / С.Г. Григорьев, В.В. Гриншкун: Учебник. Москва, 2005. 231 с.

2. Проектирование аппаратов пылегазоочистки / М.Г. Зиганшин, А.А. Колесник, В.Н. Посохин: пособие по проектированию. М.: «Экопресс - ЗМ», 1998. 505 с.

3. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции / П.В. Данквертс. Пер. с англ. М.: Химия, 1973. 296 с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов / А.Г. Касаткин. Стер. изд., перепечатка с девятого изд., 1973 г. М.: Альянс, 2014. 750 с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. 496 с.

6. Рамм В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1976. 656 с.

7. Рабинович В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. 3-е изд., перераб. и доп. СПб: Химия, 1991. 432 с.

8. Швыдский В.С. Очистка газов: справочное пособие / В.С. Швыд-ский, М.Г. Ладыгичев. М.: Теплоэнергетик, 2002. 640 с.

9. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. 4-е изд., стереотипное перепечатка со второго издания 1970 г. М.: Альянс, 2013. 752 с.

Размещено на Allbest.ru