Закономірності гідродинамічних та масообмінних процесів очищення газових викидів содового виробництва у апараті з комбінованими контактними пристроями

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Закономірності гідродинамічних та масообмінних процесів очищення газових викидів содового виробництва у апараті з комбінованими контактними пристроями

Загальна характеристика роботи

гідродинамічний колонний масообмін

Актуальність теми. Кальцинована сода є одним із найважливіших продуктів хімічної промисловості України. Виробництво соди має ряд значних недоліків, зокрема, недосконалість технології та обладнання, що призводить до утворення великої кількості відходів, викидів в атмосферу та нераціональне використання сировини. З технологічного циклу содового виробництва виводяться газові потоки, які містять аміак, двоокис вуглецю, NO_x, SO₂, пил. Щорічно содові заводи СНГ викидають до 178 млн м³ забруднених газових потоків, тому, удосконалення технології, апаратури та виробництва з метою максимального використання сировини та енергоресурсів є питанням сьогодення.

Під час абсорбції у виробництві кальцинованої соди як промивач газів використовуються колонні апарати з простими та дешевими провальними тарілками, перфоровані крупними отворами. До недоліків тарілок слід віднести: нерівномірний розподіл рідини по перетину апарата і, як наслідок, нестійкий режим роботи, що призводить до проскоку неочищеного газу.

Удосконалення апаратурного оформлення процесу поглинання газів під час абсорбції у промивачі повітря фільтрів із використанням нового комбінованого контактного пристрою дозволить уникнути проблеми нерівномірного розподілу рідини на контактній ступені і підвищити ефективність масопередачі при порівняно незначному збільшенні гідравлічного опору.

Враховуючи важливість апаратурного оформлення для очистки газових викидів у содовому виробництві - розробка науково-практичних рекомендацій щодо удосконалення конструкції промивача повітря фільтрів для інтенсифікації процесу абсорбції на одній контактній ступені з метою поглинання аміаку та двоокису вуглецю є науково-практичною актуальною задачею, вирішенню якої присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі хімічної техніки та промислової екології НТУ „ХПІ” згідно з науковим напрямком дослідження закономірностей гідродинамічних та масообмінних процесів в комбінованому контактному пристрої, зокрема у промивачах повітря фільтрів у відділенні абсорбції виробництва кальцинованої соди. Здобувач був відповідальним виконавцем договору про творчу співпрацю між НТУ „ХПІ” та Державним науково-дослідним та проектним інститутом основної хімії „НІОХІМ” (м. Харків).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - встановлення гідродинамічних та кінетичних закономірностей, що протікають на провальних тарілках із застосуванням регулярних насадок, та створення перспективного, надійного високоефективного енерго- і ресурсозберігаючого обладнання.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі завдання:

- узагальнення науково-практичних даних щодо застосування провальних, сітчастих, струйних тарілок з різними насадковими елементами (регулярні рулонні, пластинчаті, не регуляні (зважені);

- розробка конструкції комбінованого контактного пристрою для колонних масообмінних апаратів;

- дослідження існування зон гідродинамічної системи в комбінованому контактному пристрої;

- аналіз впливу режимних та конструктивних параметрів на гідродинамічні та мосообмінні характеристики комбінованого контактного пристрою (ККП);

- отримати залежності для розрахунку основних робочих параметрів досліджуваної конструкції ККП та вдосконалення розроблених конструкцій; видати рекомендації щодо конструктивного оформлення.

- розробити науково обґрунтовану методику розрахунку колонного апарату з використанням комбінованого пристрою в залежності від параметрів технологічного процесу;

Об'єкт дослідження - процеси гідродинаміки та масопередачі на комбінованому контактному пристрої в колонному апараті;

Предмет дослідження - режимні та конструктивні параметри комбінованого контактного пристрою.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи залучали сучасні фізичні та фізико-хімічні методи аналізу. Фізичний експеримент проведено шляхом експериментальних досліджень гідродинамічних та масообмінних характеристик на лабораторній моделі з ККП. В процесі експериментальних досліджень використовувалися методи візуального спостереження поведінки газорідинної системи всередині ККП, визначення гідродинамічних характеристик газу та рідини методами інструментальних вимірювань, методи фізико-хімічного аналізу для якісного і кількісного складу сумішей. Графічна інтерпретація та статистична обробка результатів досліджень проводилася із застосуванням методів математичної статистики із застосуванням програмного пакету Statistica.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше встановлено закономірності гідродинамічних та масообмінних процесів абсорбції аміаку та двоокису вуглецю в колонному апараті з використанням ККП для поглинання газових викидів содового виробництва;

- вперше виявлено існування зон газорідинної системи: рушення газових потоків, формування турбулізації в насадці при скручуванні і завихренні газорідинного шару, однорідної високотурбулізованої піни, бризків в ККП;

-отримано функціональні залежності висоти пінного шару, гідродинамічного опору контактної ступені, коефіцієнта масовіддачі для розрахунку основних робочих параметрів досліджуваної конструкції колонного апарату з ККП;

- на основі отриманих емпіричних залежностей запропоновано науково обгрунтовану методику розрахунку колонного апарату із застосуванням ККП;

Практичне значення отриманих результатів. Для хімічної промисловості обґрунтовано рекомендації щодо удосконалення конструкції колонних апаратів з використанням нових комбінованих пристроїв. Результати експериментальних досліджень, що представлені у вигляді графічних залежностей, регресійних рівнянь та методики розрахунку колонного массообмінного апарата і конструкцій нових комбінованих контактних пристроїв передано для впровадження в Державному науково-дослідному та проектному інституті основної хімії „НІОХІМ”, де використовуються під час проектування нового масообмінного обладнання для поглинання газових викидів содового виробництва.

Розроблено та захищено патентом України конструкцію колонного масообмінного апарату із використанням комбінованого контактного пристрою (№73238 C2 UA МПК (2005) В01D47/04.), що дозволяє забезпечити роботу апарату в пінному режимі при підвищенні ефективності масопередачі при порівняно незначному збільшенні гідравлічного опору.

Результати роботи використовуються на кафедрі хімічної техніки та промислової екології НТУ „ХПІ” при викладанні спеціальних дисциплін, у курсовому та дипломному проектуванні за спеціальністю 6.070220 - «Обладнання хімічних виробництв та підприємств будівельних матеріалів», 6.070221 - «Обладнання переробних та харчових виробництв».

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що основні результати роботи що становлять її сутність, розроблено здобувачем особисто. Серед них: аналіз джерел літератури, патентний пошук, аналітичне дослідження, підбор і апробація методик дослідження, підготовка і виконання експериментального дослідження, узагальненні отриманих розрахункових та експериментальних результатів. Розробка нового ККП з застосуванням регулярної насадки, методика інженерного розрахунку колонного апарата з ККП та постановка задач дослідження виконані сумісно із науковим керівником..

Апробація результатів дисертації. Основні положення і матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на: Наукова конференція молодих вчених, аспірантів та студентів "Розроблення, дослідження, створення продуктів функціонального харчування, обладнання і нових технологій для харчової та переробної промисловості" (Київ, 2003 р); "Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних проблем екологічної безпеки" (Перспективи формування Пан'європейської Екологічної мережі) (Чернівці, 2004, 2005, 2006 рр.); Конференція молодих вчених "Сучасні проблеми екології" (Запоріжжя, 2004 р.); Международная научно-практическая конференция „Экология: образование, наука, промышленность и здоровье” (Россия., Белгород 2004 р.); ХIII международная научно-практическая конференция «Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье» (Харьков, 2005 г.), І Міжнародній (ІІІ Всеукраїнській) конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології (Київ, 2008 р.), ХIII Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів, та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство» (Київ, 2010) та на науково-технічних семінарах викладачів, співробітників, аспірантів, студентів на кафедрі хімічної техніки та промислової екології НТУ „ХПІ” (2003-2010 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено у 13 наукових публікаціях, з них: 4 статті у наукових фахових виданнях ВАК України, 1 патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, 4 додатків, списку літератури. Загальний обсяг дисертації становить 153 сторінок; з них 56 рисунків по тексту; 2 таблиць за текстом; 5 додатків на 17 сторінках; списку використаних літературних джерел з 102 найменувань на 9 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність дисертаційної роботи, сформульовано її мету і задачі, визначено об'єкт, предмет і методи дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи.

У першому розділі наведено результати патентного пошуку та аналітичний огляд існуючих конструкцій колонних апаратів із застосуванням комбінування різних масообмінних елементів: провальних та сітчастих тарілок з регулярними (пакетними) та нерегулярними (насипаними валом) насадками та ін., а також наведено апаратурне оформлення відділення абсорбції виробництва кальцинованої соди. Узагальнено розглянуто питання гідродинаміки та масопередачі для різних масообмінних тарілок, насадок, та комбінованих контактних пристроїв, визначено напрямки вивчення гідродинаміки і масообміну. Розглянуто вимоги та тенденції створення нових комбінованих контактних пристроїв, які можуть працювати за інтенсивних режимів.

На підставі комплексного підходу проведено постановку завдання дослідження: виявити закономірності гідродинамічних та масообмінних процесів у комбінованому контактному пристрої (ККП) з використанням провальної тарілки та регулярної насадки; в результаті досліджень розробити методику розрахунку основних параметрів промивача повітря фільтрів із застосуванням ККП для процесу абсорбції виробництва кальцинованої соди. Це дозволить отримати науково обґрунтовані розрахункові залежності для визначення гідродинамічних параметрів, величини бризковіднесення, коефіцієнтів масопередачі, що враховують особливості нового комбінованого контактного пристрою.

У другому розділі описано експериментальні установки, конструкції досліджуваних контактних елементів, методики проведення експерименту та первинна обробка експериментальних даних.

Дослідження проводилися на лабораторному стенді кафедри хімічної техніки та промислової екології НТУ „ХПІ” (рис.1), який складається з царги бази, встановленого на неї циліндричного апарату, діаметром 0,25 м і висотою 2,0 м (нижня царга, дві змінні царги та верхня царга-ковпак). Діаметр колони вибрано, виходячи з мінімального впливу пристінного ефекту на закономірності роботи комбінованого контактного пристрою. До нижньої царги на опорний диск із середини кріпляться три штанги довжиною 1,5 м в отвори, що розташовані на площині диску з кроком 120^о. Між другою змінною царгою та царгою-ковпаком передбачено притисне кільце із заглибленнями 5 мм, які розташовані з кроком 120^о відповідно до опорного диску нижньої царги для закріплення штанг. Всі контактні елементи, в тому числі і стабілізатор одягаються на штанги.

Рис.1 Принципова схема лабораторного стенду:

1 - царга-ковпак; 2 - оглядові вікна; 3 - пробовідбірник; 4 - штуцер для підключення дифманометру або пробовідбірника; 5 - нижня царга; 6 - камерна діафрагма; 7 - насос; 8 - царга-база; 9 - V- подібні дифманометри, що заповнені водою; 10 - провальна тарілка; 11 - стабілізатор пінного шару - регулярна насадка; 12 - штанги з закріпляючими трубками; 13 - ротаметри.

Для закріплення тарілок на штангах знизу та зверху передбачено трубки. Така конструкція колони, а також пристроїв дозволяє заміряти міжтарілчасту відстань і робити заміну контактних пристроїв без розбирання апарату.

Досліджувані контактні пристрої представляли собою комбінування дірчастих провальних тарілок та двох типів регулярних насадок, загальний вигляд та конструктивні параметри яких приведено на рис. 2, 3.

Рис. 2. Загальний вигляд ККП з насадкою Н1:

1 - регулярна насадка; 2 - дірчаста провальна тарілка;

3 - гофрована перфорована смуга; 4 - отвори; 5 - фрагмент розташування ламелей в насадці; 6 - регулярна насадка;

7- фрагмент розташування закручених ламелей. Рис. 3. Загальний вигляд ККП з насадкою Н2:

1 - регулярна сітчаста насадка;

2 - дірчаста провальна тарілка.

Використовувалися регулярні насадки двох типів: перший тип Н1 - виконана із смуг гофрованого перфорованого матеріалу, причому сусідні смуги розташовано так, що перехрещуються. Висота блоку насадки h_бл = 0,05м, кут нахилу гофри в ламелі до горизонту б = 45є, кут гофрування в = 90є, висота гофри h=0,04 м. Другий тип Н2 представляє собою регулярну сіткову насадку. Висота блоку насадки h_бл = 0,05м, кут нахилу гофри в ламелі до горизонту б = 45є, кут гофрування в = 90є, висота гофри h=0,0032 м. В якості провальних тарілок використовувалися дрібнодірчасті тарілки з отворами d_e= 0,005 м, S₀ від 0,18 м²/м² до 0,50 м²/м² , та крупнодірчасті d_e= 0,012-0,07 м, S₀ від 0,2 м²/м² до 0,49 м²/м² . Розташування насадки над полотном тарілки міняли в діапазоні від 0,05 до 0,90 м.

Фіксувалися наступні параметри режиму: витрати води і газу в установці - нормальним камерними діафрагмами в комплекті з дифманометрами; тиск газу перед діафрагмою і під тарілкою та насадкою - скляними V-подібними манометрами з водяним наповненням; гідравлічний опір сухого контактного пристрою - мікроманометром і гідравлічний опір контактного пристрою (провальна тарілка з регулярною насадкою та без неї) - скляними V-подібними дифманометрами з водяним заповненням. Візуально визначали висоту газорідинного шару на тарілці.

Дослідження гідродинаміки було проведено в системі повітря-вода в широкому інтервалі зміни навантажень, витрати рідини міняли від 3,5 до 20 м³/м² •год за умови швидкості газу в повному перетині від 1,0 до 5 м/с.

Бризковіднесення визначали за допомогою трасера (NaOH). Дослідження процесу масовіддачі в рідкій фазі проводили при абсорбції двоокису вуглецю водою, по газовій фазі - абсорбцією аміаку.

Описано методики первинної та завершальної обробки експериментальних даних на ПЕОМ. Обробка даних проводилася шляхом лінійної апроксимації логарифмічних залежностей та регресійного аналізу. Проведено оцінку похибки експериментальних даних.

В третьому розділі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень процесу гідродинаміки у ККП різних модифікацій (провальні тарілки з регулярними насадками розташованими безпосередньо на полотні тарілки та в міжтарілчастому просторі у верхній зоні коливання пінного шару). Описано режими взаємодії фазових потоків та характер їх розподілу по висоті контактного пристрою. Визначені оптимальні конструктивні параметри ККП. Наведено рівняння що описують поведінку пінного шару у вигляді мікроскопічних рівнянь безперервності, Нав'є-Стокса, кутових витрат та завихрення для течії.

Газова фаза надходить до ККП знизу (рис.4), проходить через отвори 1 провальних тарілок, взаємодіючи з рідкою фазою і потрапляє у вигляді постійно руйнуючих та оновлюючих пухирців та плівок в регулярну насадку 2, де приймає направлений під кутом рух. При цьому, завдяки конструкції насадки в центрі насадки, відбувається різнонаправлений до площини насадки рух всієї газорідинної фази з утворенням вихрів, а в основному об'ємі - за рахунок нахилених ламелей - обертальних рух навколо осі апарату різнонаправлено для кожної наступної ламелі.

Рис. 4. Схема руху фаз у ККП:

а) загальний вигляд ККП: 1 - провальна тарілка, 2 - насадка, 3 - колона;

б) скручування газорідинних потоків, в) завихрення газорідинних потоків.

Пінний шар в комбінованому контактному пристрої складається із газової та рідинної фаз, що задовольняють рівнянню руху і може розглядатися як суцільне середовище.

Дослідження структури пінного шару показало, що його структура у значній мірі залежить та змінюється від параметрів гідродинамічного режиму. Відомо, що в пінному режимі та в режимі вторинного піноутворення потоки, що взаємодіють знаходяться у вигляді різних комбінацій структурних елементів - пухирців, струменів і крапель, а при використанні насадки - і у вигляді плівки.

Під час проведення досліджень встановлено наступні зони газорідинного шару комбінованого контактного пристрою (рис.5): для газорідинної системи без використання насадки при роботі дрібнодірчастих тарілок газорідинний шар не однорідний, включає в себе пустоти (великі газові пухирці), канали, мішки та факели, спостерігається також сильне розгойдування газорідинного шару, що призводить до оголення полотна тарілки в деяких місцях і сприяє проскакуванню газу.

При застосуванні насадки Н1 (рис. 6,7) отримано однорідну газорідинну високоструктуровану турбулізовану структуру. За допомогою насадки Н1 вдалося досягти скручування газових та рідинних потоків і відповідно рівномірного розподілу по всій площі перетину апарату, нівелювання байпасування та розгойдування газорідинного шару, збільшити висоту піни, зменшити зону бризків та збільшити тим самим поверхню масообміну.

Застосування насадки Н2 обумовило значне зменшення зони бризків, оскільки ця насадка за рахунок своєї конструкції та вхідних ефектів, що в ній створюються на кінці кожної ламелі та нитки сітки, розподіляє захоплені бризки по всій геометричній поверхні і створює додаткову поверхню масообміну. Виявлено, що насадка Н2 повністю руйнує пінний шар, який потрапляє всередину, тому краще встановлювати її як бризковловлювач (рис.8).

Для досягнення найбільшої висоти газорідинного шару та однорідної піни у вигляді сот були проведено дослідження щодо визначення основних конструктивних параметрів комбінованого контактного пристрою з використанням насадки Н1 (рис. 9, 10, 11, 12). В результаті досліджень було встановлено, що оптимальними є такі параметри: висота блоку 30-60 мм, кут нахилу гофри до вертикальної осі 20-45^о, кут між гранями гофри 80-100^о, висота грані гофри 15-60 мм, ламель перфорована отворами 2-3 мм з кроком 6-9 мм в залежності від технологічних умов процесу.

Рис.5. Газорідинний шар без вико-ристання насадок на крупнодірчастих тарілках:

А - звичайний режим; Б - розгойдування газорідинного шару. 1 - зона рушення газових потоків; 2- зона газорідинного шару; 3 - зона бризків.

Рис.6. Газорідинний шар в ККП з використанням насадки Н1 (дрібно-дірчасті тарілки): 1 - зона рушення газових потоків; 2- зона турбулізації газорідинного шару; 3- зона однорідного газорідинного шару; 4- зона бризків; 5 - формування зони турбулізації газо-рідинного шару в регулярній насадці (вигляд зверху).



Рис.7. Газорідинний шар в ККП з використанням насадки Н1 (крупно-дірчасті тарілки): 1 - зона рушення газових потоків; 2 - зона турбулізації газорідинного шару; 3 - зона однорідного газорідинного шару; 4 - зона другої турбулізації шару; 5 - зона бризків; 6 - формування зони турбулізації газорідинного шару в регулярній насадці (вигляд зверху) Рис.8. Газорідинний шар в ККП з використанням насадок Н1+Н2 (крупно-дірчасті тарілки): 1 - зона рушення газових потоків; 2 - зона турбулізації газорідинного шару; 3 - зона однорідного газорідинного шару; 4 - зона другої турбулізації шару; 5 - зона бризків; 6 - формування зони турбулізації газорідинного шару в регулярній насадці Н2, гасіння піни (вигляд зверху)

Газовміст і поверхня контакту фаз грають найбільш важливу роль при вивченні процесів що відбуваються в системах газ-рідина, та визначають ефективність роботи контактного ступеня масообмінного апарату.

З досліджень багатьох авторів відомо, що зростання газовмісту до =0,9 призводить до „захлинання” апарату. Це можна пояснити тим, що при досягненні критичного значення газовмісту = 0,75 - 0,8 відбувається інтенсивне злиття пухирців, що чинить зміну режиму протитечійного руху, та зменшення поверхні контакту фаз. Під час застосування насадки Н1 в пінному шарі відбувається секціонування апарату, що призводить до затримування росту газовмісту.

Рис. 9. Залежність висо-ти газорідинного шару від висоти Н1(h_бл), мм : S_o=0,18 м²/м², d_o=5мм, L_o=5 м³/м²год, 1 - w_г=2,5м/с;

Рис. 10. Залежність висоти газорідинного шару від кута нахилу гофра Н1(б),

2 - w_г=3,0м/с.

S_o=0,18 м²/м², d_o=5мм,

L_o=5 м³/м²год, 1 - w_г=2,5м/с; 2 - w_г=3,0м/с



Рис. 11. Залежність висоти газорідинного шару від кута гофрування Н1 в,є:

S_o=0,18 м²/м², d_o=5мм,

L_o=5 м³/м²год, 1 - w_г=2,5м/с;

2 - w_г=3,0м/с

При дослідженні висоти газорідинного шару в ККП з'ясувалось (рис. 9), що висота газорідинного шару зростає зі зростанням висоти блоку регулярної листової насадки Н1. Це обумовлено тим, що при використанні насадки вдалося досягти рівномірного розподілу турбулізованої піни завдяки вирівнювання концентраційних профілів, закручування газорідинних потоків, і тим самим уникнути масштабних пульсацій шару піни та утворення проскоку газу без взаємодії з рідиною. Подальше зростання висоти насадки приводить до пропорційного зростання гідравлічного опору, а підвищення ефективності роботи відбувається повільніше.

Із зростанням кута нахилу гофри насадки до горизонту (рис. 10.) - висота газорідинного шару поступово зменшується а гідродинамічний опір ККП зростає. Це зумовлено тим, що відбувається різке спрямування напряму руху газорідинної системи під кутом до горизонту та часткове руйнування пінного шару.

При дослідженні куту гофрування листової ламелі (рис.11.) висота пінного шару Н досягала максимумів при в = 70ч120є. Залежність висоти пінного шару від висоти грані гофри показує (рис.11.), що межа h, в якій ефективно працює ККП, обумовлена стабілізаційним ефектом пінного шару при зростанні висоти грані до 50 мм та подальшим зменшенням висоти в результаті мінімізації впливу на піну, що призводить до „заклинання” ККП.

Рис. 12. Залежність висоти газорідинного шару від висоти грані гофри Н1 h: S_o=0,18 м²/м², d_o=5мм,

L_o=5 м³/м²год, 1 - w_г=2,5м/с;

2 - w_г=3,0м/с

Визначення оптимальної висоти Нст розташування насадки Н1 над полотном тарілки, показало, що для дрібнодірчастих тарілок Нст - 10-35 мм, для крупнодірчастих Нст - 60-80 мм.

При визначенні співвідношення між вільним перетином провальної тарілки S_o та вільним перетином стабілізатору е виходили із необхідності досягти максимальної продуктивності контактного пристрою. Численні досліди показали, що цій меті в найбільшій мірі відповідає значення співвідношення е /S_o = 1,5 (для насадки Н1).



Рис. 13. Залежність висоти газорідинного шару від швидкості газу в повному перетині апарата: S₀ = 0,26 м²/м²; d_е = 0,005 м; L₀: - 10 м³/м²год; 1 - без стабілізатору, 2 - із стабілізатором стільникового типу, 3 - ККП із насадкою Н1

Рис.14. Залежність висоти газорідин-ного шару від швидкості газу в повному перетині аппарата із насадкою Н1: S₀ = 0,33 м²/м²; d_е = 0,04 м.

Дослідження технологічних факторів, які визначають висоту газорідинного шару в комбінованому контактному пристрої показало, які найбільш характерними параметрами що впливають на висоту газорідинного шару є швидкість газу, діаметр отворів тарілки, та вільний перетин апарата.

В результаті проведених досліджень та обробки експериментальних даних було отримано регресійну залежність для визначення висоти газорідинного шару в комбінованому контактному пристрої з використанням дрібнодірчастих Н₁ та крупнодірчастих Н₂ тарілок (1), (2) відповідно:

,м;(1)

, м;(2)

де, - швидкість газу у вільному перетині апарату, м/с; - вільний перетин ККП, м²/м²; - діаметр отвору тарілки ККП, м; - щільність зрошення, м³/м²год;

Відхилення розрахункових значень висоти газорідинного шару від експериментальних за формулами (1), (2) не перевищують 11% і 7% відповідно.

Гідравлічний опір комбінованого контактного пристрою та газорідинного шару, що створюється в ККП, залежить від режимних параметрів, зокрема від діаметру провальних тарілок, вільного перетину пристрою, масових витрат рідини та газу. Загальний вигляд гідравлічного опору контактного ступеня ККП із шаром піни визначається у вигляді рівняння:

. (3)

Де, - опір сухого ККП; - опір пінного шару в ККП; - опір що виникає в результаті дії сил поверхневого натягнення.

В результаті обробки даних отримано емпіричне відношення для визначення середнього гідравлічного опору контактного пристрою:

, Па. (4)

Величина середнього значення ?Р, що розрахована за формулою (4) відрізняється від експериментальних значень не більше ніж на 15%. Аналізуючи формулу (4), можна стверджувати, що на ?Р найбільший вплив мають вільний перетин та швидкість газу в повному перетині апарату, що підтверджується залежністю на рис. 15.

Рис. 15. Залежність гідравлічного опору від швидкості газу:

S₀ = 0,33 м²/м²; d_е = 0,04 м.

Важливою характеристикою для колонних апаратів є бризковіднесення. Оскільки в ККП досягалися режими високотурбулізованої газорідинної піни, спостерігалось явище бризко-віднесення. За результатами дослід-жень було визначено кількісну величину бризковіднесення, яка описується наступною емпіричною залежністю:

, г/м³.(5)

При встановленні регулярної насадки в верхній частині шару, заглибленої на 7-15 см, спостерігалося значне скорочення бризків.

Величина бризковіднесення на крупнодірчастих решітках з використанням двох насадок Н1 описується наступною регресійним рівнянням:

, г/м³: (6)

Отже, проаналізувавши залежності (5,6) можна зробити висновок, що найбільший влив на бризковіднесення в ККП має швидкість газу у вільному перетині, навіть при подвійній стабілізації пінного шару.

У четвертому розділі представлено результати вивчення закономірностей кінетики масопередачі в рідкій і газових фазах у ККП.

Рис. 15. Залежність коефіцієнта масо передачі в системі аміак-вода у комбі-нованому контактному пристрої від швидкості газу.:

L₀ = 5 м³/м²год; 1 - d_е = 0,005 м, S₀ = 0,18 м²/м² - без насадки Н1 2 - d_е = 0,005 м, S₀ = 0,18 м²/м² - із насадкою Н1 3- d_е = 0,05 м, S₀ = 0,20 м²/м² - із насадкою Н1



Рис 16. Залежність коефіцієнта масопередачі, віднесеного до площі тарілки від висоти газорідинного шару при різних швидкостях газу. Система аміак-вода; d_е = 0,05 м, S₀ = 0,20 м²/м²

В результаті обробки експериментальних даних було отримано залежність для визначення коефіцієнта масопередачі в газовій фазі K_s, м/год:

. (7)

Як видно із рис 15, 16, швидкість газу має суттєвий вплив на висоту газорідинного шару та коефіцієнт масопередачі в ККП. Розбіжність в розрахункових та експериментальних даних за рівнянням (7) склала ± 15%.

Отже, ефективність процесу масообміну в ККП що працює в режимі високотурбулізованої піни підтверджує, що його конструкція призводить до інтенсивного перемішування взаємодіючих потоків, стримування газовмісту і росту величини поверхні контакту фаз та швидкості їх оновлення.

У п'ятому розділі наведено рекомендації щодо удосконалення апаратурного оформлення для процесу абсорбції двоокису вуглецю та аміаку в промивачі повітря фільтрів у виробництві кальцинованої соди відділення абсорбції. Представлено вдосконалену конструкцію промивача повітря фільтрів з використанням нового комбінованого контактного пристрою. Обґрунтована методика розрахунку колонного апарату з використанням отриманих залежностей.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі інтенсифікації процесу масопереносу при використанні турбулентної взаємодії фаз у процесі абсорбції. Процес абсорбції реалізовано в колонному апараті з використанням комбінованого контактного пристрою. У процесі досліджень отримані наступні висновки:

1. Аналіз літературних джерел показав, що принцип комбінування провальних, сітчастих, струйних тарілок із різними насадковими елементами (регулярні рулонні, пластинчаті, не регуляні (зважені) в колонних апаратах все частіше використовується для різних масообмінних процесів.

2. Експериментально та теоретично обґрунтовано та розроблено конструкцію комбінованого контактного пристрою, яка складається із провальної тарілки та регулярної листової насадки Н1.

3. Виявлено та досліджено існування різних зон газорідинної системи: рушення газових потоків, турбулізація газорідинних фаз в насадці Н1 при скручуванні і завихренні газорідинного шару, однорідної високотурбулізованої піни, бризків в комбінованому контактному пристрої.

4. Досліджено гідравлічний опір комбінованого контактного пристрою у широкому діапазоні навантажень по фазах і від конструктивних параметрів. Визначено граничні навантаження й області роботи комбінованого контактного пристрою. Виявлено кореляційну залежність що дозволяє розрахувати гідравлічний опір та сумарне віднесення рідини комбінованого контактного пристрою за різних робочих параметрах.

5. Виявлено закономірності переносу маси для газової та рідкої фаз при абсорбції добре і важкорозчинних газів водою в комбінованому контактному пристрої. Отримано залежність для визначення коефіцієнту масовіддачі від основних режимних і конструктивних параметрів: швидкості газу у вільному перетині апарату, щільності зрошення, вільного перетину ККП, діаметру отворів дірчастої провальної тарілки та фізико-хімічних властивостей системи.

6. Визначені області роботи та конструктивні характеристики комбінованого контактного пристрою: швидкість газу в апараті 1 - 4 м/с, навантаження по рідині 1 - 15 м³/м²•год, вільний перетин 0,18-0,30 м²/м², діаметр отворів провальної тарілки 0,005 - 0,04 м, висота блоку насадки Н1 - 30-60 мм, кут нахилу грані гофри до вертикальної осі 20-45 град, кут між гранями гофри - 95 град, висота грані гофри 30-60 мм, гофрована ламель перфорована отворами діаметром 2-3 мм з кроком 6-9 мм в залежності від параметрів технологічного процесу. Висота розташування насадки Н1 над полотном тарілки: для дрібно дірчастих тарілок Нст - 10-35 мм, для крупно дірчастих Нст - 60-80 мм.

7. Обґрунтовану методику розрахунку колонного апарату з використанням нового комбінованого пристрою в залежності від параметрів технологічного процесу, яка відрізняється врахуванням конструктивних особливостей ККП;

8. На основі отриманих даних в роботі обґрунтовано рекомендації що до удосконалення конструкції колонних апаратів новими комбінованими пристроями. Результати експериментальних досліджень, що представлені у вигляді графічних залежностей, отриманих регресійних відношень та методику розрахунку колонного массообмінного апарата із конструкцією ККП передано для впровадження в Державному науково-дослідному та проектному інституті основної хімії „НІОХІМ”, а також використовуються при проведенні навчального процесу на кафедрі ХТПЕ в НТУ „ХПІ”.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Филенко О.Н. Улавливание компонентов газовых смесей на трубчастых решетках / В.Ф. Моисеев, О.Н. Филенко // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ”ХПІ”, 2003.- № 13 - С. 78-85.

Здобувачем проведено дослідження роботи комбінованого контактного пристрою при вловлювання важко розчинних газів.

2. Филенко О.Н. Структурные парметры пенного слоя на мелкодырчатых противоточных решетках со стабилизатором / В.Ф. Моисеев, О.Н. Филенко, П.В. Кузнецов // Східно-Європейський журнал передових технологій. - Харків: Технологічний центр, 2004. - № 4(10) - С. 84-88.

Здобувачем поведено дослідження структурних параметрів пінного шару. Вивчені закономірності газовмісту і параметри поверхні контакту фаз.

3. Филенко О.Н. Закономерности гидродинамики пенного слоя со стабилизатором / В.Ф. Моисеев, О.Н. Филенко, П.В. Кузнєцов // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ”ХПІ”, 2004.- № 39 - С. 64-71.

Здобувачем виявлено основні закономірності гідродинаміки пінного шару із стабілізатором на дрібнодірчастих протитечійних тарілках. Вивчено коливання газорідинного шару, встановлено функціональні залежності основних параметрів процесу.

4. Филенко О.Н. Взаємний вплив гідродинамічних і структурних параметрів на висоту газорідинного шару в комбінованому контактному пристрої. / В.Ф. Моісеєв, О.М. Філенко, А.Ю. Масікевич. // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ”ХПІ”, 2010.- № 44 - С. 78-82.

Здобувачем зроблено експеримент по дослідженні роботи комбінованого контактного пристрою що працює в режимі підвищеної турбулізації. Виведені розрахункові формули.

5. Пат. №73238 С2 Україна, МПК 7 B01D47/04. Пінний апарат / Шапорев В.П., Моісеєв В.Ф., Бубликова Є.В., Філенко О.М.; заявник та власник патенту Шапорев В.П., Моісеєв В.Ф., Бубликова Є.В., Філенко О.М.- № 2003109590; заявл. 24.10.2003 ; опубл. 15.06.2005, Бюл. № 6, 2005 р.

Здобувачем запропонувано колонний пінний апарат із використанням комбінованого контактного пристрою та його варіанти конструкцій.

6. Філенко О.М. Створення ефективних малогабаритних установок для очистки технологічних рідин. /В.Ф. Моїсеєв, О.М. Філенко. // Тези доп. Наукової конференції молодих вчених, аспірантів та студентів „Розроблення, дослідження, створення продуктів функціонального харчування, обладнання і нових технологій для харчової та переробної промисловості ” (Київ 22-24 квітня 2003р.) / Національний університет харчових технологій. - Київ: НУХТ, 2003. - С. 139.

Здобувачем представлено можливість створення малогабаритних установок з використанням комбінованого контактного пристрою.

7. Філенко О.М. Перспективы разработки современного оборудования с учетом экологической направленности / Є.В. Бубликова, В.І. Сіренко, В.Ф. Моісеєв, О.М. Філенко. // Тез. доп. ІІ Міжнародної науково-практичної конференції “Екологія: освіта, наука, промисловість і здоров'я”. - Белгород. - 2004. - с. 131-132.

Здобувачем проаналізовано екологічні недоліки діючого обладнання для масообмінних процесів та запропонувано методи підвищення його ефективності зі збільшенням екологічної безпеки.

8. Філенко О.М. Очистка стічних вод в лакофарбовій промисловості при виробництві фенол-формальдегідних смол/ В.Ф. Моісеєв, О.М. Філенко. // Тези доп. Третьої міжнародної наукової конференції "Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних проблем екологічної безпеки". Перспективи формування Пан'європейської Екологічної мережі / (Чернівці 21-26 травня 2004) Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича. - Чернівці: Зелена Буковина, 2004. - С. 375-377.

Здобувачем запропоновано замінити тарілки ковпачкового типу комбінованими контактними елементами, що дасть змогу інтенсифікувати процес очистки та зменшити металоємність колони.

9. Філенко О.М. Розвиток техніки пінних абсорбційних апаратів для пиловловлювання і газоочищення./ В.Ф. Моісеєв, О.М. Філенко, А.Ю. Масікевич, С.П. Негода. // Тези доп. четвертої міжнародної наукової конференції "Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних проблем екологічної безпеки", / (Чернівці 5-6 травня 2005) Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича. - Чернівці: Зелена Буковина, 2005. - С. 325-330.

Здобувачем проведено аналіз основних конструкцій стабілізаторів пінного шару. Запропоновано використовувати в якості стабілізатора пінного шару регулярну насадку, яка виготовлена із перфорованого листового матеріалу.

10. Філенко О.М. Гидродинамика высокоэффективного экологически-безопасного комбинированного контактного устройства для очистки отходящих газов./ В.Ф. Моісеєв, О.М. Філенко, Ю.В. Сиренко, П.В. Кузнєцов. // Тезисы док. ХIII международная научно-практическая конференция „Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. /(Харьков 19-20 мая 2005) Національний технічний університет ”ХПІ”.- Харків: НТУ”ХПІ”, 2005. - С. 541.

Здобувачем проведено аналіз та дослідження основних гідродинамічних характеристик, запропоновано ряд емпіричних рівнянь.

11. Філенко О.М. Апаратура для очистки технологічних газів від аміаку та вуглекислого газу у виробництві кальцинованої соди. / О.М. Філенко, В.Ф. Моісеєв, П.В. Кузнєцов. // Тези доп. п'ятої міжнародної наукової конференції "Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних проблем екологічної безпеки", / (Чернівці 5-6 травня 2006) Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича. - Чернівці: Зелена Буковина, 2006. - С. 311-313.

Здобувачем було запропоновано встановити в якості промивача повітря фільтрів відділення абсорбції новий пінний апарат з комбінованими контактними пристроями.

12. Філенко О.М. Вловлювання аміаку та парникових газів із застосуванням комбінованого контактного пристрою./ В.Ф. Моісеєв, О.М. Філенко. // Тези доп.: Першої Міжнародної (ІІІ Всеукраїнської) конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології, присвячена 11-річчю ХТФ, / (Київ, 23-25 квітня 2008), Національний технічний університет України «КПІ». - Київ: НТУУ «КПІ», 2008. - С. 318.

Здобувачем представлено узагальнені дані по поглинанню аміаку та двоокису вуглецю у виробництві кальцинованої соди..

13. Філенко О.М. Вплив конструктивних та режимних параметрів на роботу комбінованого контактного пристрою при вловлюванні парникових газів./ В.Ф. Моісеєв, О.М. Філенко. // Тези доповідей: ХIII Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів, та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство». / (Київ, 19-23 травня 2010), Національний технічний університет України «КПІ». - Київ: НТУУ «КПІ», 2010. - С. 270.

Здобувачем представлено результати дослідження поглинання двоокису вуглецю в залежності від швидкості газу, кількості зрошувальної рідини та вільного перетину апарату.

Размещено на Allbest.ru