Интенсификация абсорбционной очистки газовых выбросов в аппаратах с объемной сетчатой псевдоожиженной насадкой

В первой главе представлен литературный обзор, посвященный теоретическим и практическим аспектам применения аппаратов с псевдоожиженной насадкой в массообменных процессах. Рассмотрены конструктивные схемы аппаратов и характеристики применяемых насадочных тел. На основе проведенного анализа поставлены задачи исследований.

Во второй главе дано описание экспериментальной полупромышленной установки и методика гидродинамических исследований аппарата с новой объемной сетчатой псевдоожиженной насадкой ОСПН. Колонна диаметром 400 мм была оснащена провальной тарелкой со свободным сечением 12% на которую поочередно насыпалась сетчатая насадка двух модификаций. Гидродинамические исследования проводились на системе «воздух-вода» в диапазоне скоростей по газу 1-3 м/с и нагрузок по жидкости 1-5,5 м3/м2ч. Установка была оснащена приборами замера расхода газа и жидкости, гидравлического сопротивления, высоты газожидкостного трехфазного слоя и количества удерживаемой в слое жидкости. Проведена оценка ошибки замеров.

Основываясь на опыте использования нерегулярных насадок из объемных текстильных структур с высокоразвитой поверхностью, получаемых трикотажным способом из синтетических мононитей [2], был разработан и изготовлен принципиально новый тип сетчатых насадок. Насадочные тела (рис. 1) изготавливались из серийно выпускаемого полиэтиленового рукава: они просты по конструкции и методу изготовления и имеют низкую стоимость. Достоинства такой насадки состоят в том, что она имеет развитую удельную поверхность контакта фаз, малую насыпную плотность, обладает большой порозностью (свободным объемом) и способностью накапливать значительное количество жидкости внутри объема насадки. Основные характеристики нового типа сетчатых насадок представлены в табл. 1.

Таблица 1

Насадка ОСПН I-ой модификации Насадка ОСПН II-ой модификации

Рис. 1. Образцы насадочных тел

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований аппарата, оснащенного провальной тарелкой без насадки и с исследуемой насадкой ОСПН.

Наличие на провальной тарелке сухой сетчатой насадки увеличивает гидравлическое сопротивление аппарата всего на 20-75 Па в диапазоне скоростей газа 1,5-3,5 м/с, следовательно, сухая насадка обладает крайне низким гидравлическим сопротивлением.

При обработке полученных данных по скорости перехода сетчатых насадок в режим развитого псевдоожижения принимались во внимание работы, выполненные проф. Таратом Э.Я. с сотрудниками* для расчета скорости начала псевдоожижения неорошаемой шаровой псевдоожиженной насадки:

С использованием полученных экспериментальных данных уравнение (1) было преобразовано с учетом принципиального отличия нового типа насадочных тел от известных шаровых насадок (насадка из полиэтиленовых сеток имеет ячеистую структуру, а шары - закрытую внутреннюю полость).

В качестве определяющего параметра вместо диаметра шара dш в уравнении (1) была принята величина, обратная удельной поверхности насадки - Fуд (м2/м3), а вместо плотности шаров ш введена насыпная плотность насадки из полиэтиленовой сетки н. Тогда с учетом полученных экспериментальных данных уравнение для расчета скорости перехода всей насадки в режим развитого псевдоожижения примет вид:

Отклонение расчетных значений скоростей неорошаемой насадки ОСПН двух модификаций не превышает 5% от экспериментальных значений. В работе выполнен большой объем экспериментальных исследований основных гидродинамических параметров аппарата с провальной тарелкой без насадки и с насадкой ОСПН двух модификаций.

Исследования аппарата с насадкой ОСПН.

Опытным путем установлены два основных гидродинамических режима работы новой насадки ОСПН:

1) при скорости газа более 1 м/с насадка находилась в подвижном состоянии (из-за низкой насыпной плотности), пристеночные слои насадочных тел переходили в движение и начинали перемещаться в центральную часть аппарата, но их движение у стенок было заторможено - режим начала псевдоожижения;

2) с увеличением скорости газа w=1,8-2,2 м/с насадочные тела полностью переходили во взвешенное состояние, они концентрировались в центральной части аппарата, при этом возрастало количество удерживаемой жидкости в газожидкостном слое и, как следствие, увеличивалась его высота - режим развитого псевдоожижения.

Каждая из двух изученных модификаций насадки переходит в режим развитого псевдоожижения при различных скорости газа и удельной нагрузки по жидкости (рис.2).

Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки ОСПН от скорости газа в колонне для сетчатой насадки двух модификаций (при Lуд=2,14 м3/м2ч)

Рис.3. Зависимость скорости перехода орошаемой насадки двух модификаций в режим развитого псевдоожижения от удельной нагрузки по жидкости

При обработке экспериментальных данных первоначально изучили зависимость скорости перехода в режим развитого псевдоожижения wкр от нагрузки по жидкости Lуд для насадок ОСПН двух модификаций (рис.3). При обработке экспериментальных данных по wкр для различных модификаций сетчатой насадки целесообразно было ввести учет удельной поверхности каждой насадки Fуд, что позволило с точностью 10% получить расчетное уравнение:

В соответствии с этим уравнением можно разграничить два режима работы колонны.

Гидравлическое сопротивление аппарата является одним из основных факторов при расчете схем абсорбции и выборе оборудования, так как от него зависят энергетические затраты на проведение процесса.

Гидравлическое сопротивление аппарата равно сумме гидравлических сопротивлений орошаемых тарелки и насадки:

где- гидравлическое сопротивление орошаемой провальной тарелки, Па;

- гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ОСПН, Па.

Для расчета гидравлического сопротивления провальной тарелки рт было выбрано известное уравнение, предложенное Молокановым Ю.К.*, которое показало в наших опытах наилучшую сходимость экспериментальных и расчетных значений рт (±25%).

Гидравлическое сопротивление исследуемой сетчатой насадки определялось, как разница сопротивления аппарата и тарелки. Опытные значения для насадки ОСПН I-ой модификации представлены на рис. 4. Аналогичные зависимости получены для насадки второй модификации. Опыты показали незначительное увеличение гидравлического сопротивления насадки ОСПН с ростом скорости газа от 1,6 до 2 м/с.

Рис.4. Зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки pн от скорости газа w при различных удельных плотностях орошения Lуд (насадка I модификации).

Обработка всего объема экспериментальных данных по насадкам обоим модификациям в широком диапазоне скоростей газа и нагрузок по жидкости позволила получить общее уравнение для рабочего режима работы аппарата с орошаемой насадкой ОСПН:

Отклонение значений гидравлических сопротивлений насадки ОСПН двух модификаций , рассчитанных по уравнению (5) с экспериментальными значениями не превышало ±15%.

*Молоканов, Ю.К. О гидравлическом сопротивлении решетчатых и дырчатых тарелок провального типа / Ю.К. Молоканов // Химическая промышленность. - 1962. - №4. С. 291-294

Известно, что при вынужденном движении жидкости безразмерный перепад давления зависит от числа Рейнольдса и может быть выражен числом Эйлера:

При критериальной обработке полученных результатов в качестве характерного размера вместо эквивалентного диаметра насадки в критерий Re для газовой фазы с учетом сложной объемной структуры насадки нами была введена величина удельной поверхности сетчатой насадки Fуд,

а для жидкой фазы - количество удерживаемой в трехфазном слое жидкости :

Полученное критериальное уравнение для определения гидравлического сопротивления орошаемой насадки из полиэтиленовых сеток ОСПН двух модификаций, имеет вид:

Полученное уравнение с точностью 25% для систем близких по физико-химическим свойствам к системе «воздух-вода», позволяет рассчитать гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ОСПН.

Важным гидродинамическим параметром, влияющим на процесс массообмена, является объем находящейся в слое жидкости. Поэтому в данной работе проведены исследования методом отсечки влияния скорости газа и плотности орошения на объем задержанной жидкости, представленной в виде высоты статического слоя жидкости hст

().

Известно, что на величину объема задерживаемой жидкости оказывает влияние свободное сечение провальной тарелки. Поэтому на рис. 5 представлена зависимость высоты статического слоя жидкости от скорости газа в отверстиях провальной тарелки, что позволяет исключить влияние свободного сечения. псевдоожиженный насадка полимерный сетка

Рис.5. Зависимость hст от скорости газа в отверстиях wотв при различных удельных нагрузках по жидкости для двух режимов работы провальной тарелки с насадкой ОСПН I-ой модификации.

Для всей совокупности экспериментального материала получена общая расчетная зависимость для определения объема удерживаемой жидкости через hст в рабочем режиме:

Величины , рассчитанные по уравнению (10) при сопоставлении с экспериментальными величинами дают сходимость 15%.

Вторым важным гидродинамическим параметром является газосодержание трехфазного слоя . Поскольку сетчатая насадка принципиально отличается от ранее исследованных типов насадок, то применение известных уравнений для определения газосодержания трехфазного слоя орошаемой насадки нуждалось в проверке. Нами был использован поэтапный подход к изучению газосодержания трехфазного газожидкостного слоя. Сначала была исследована провальная тарелка со свободным сечением 12%, и на втором этапе - та же тарелка с насыпанной на нее поочередно насадкой ОСПН двух модификаций.

Газосодержание ц связано с относительной плотностью газожидкостного слоя k (=1-k). Во время опытов величина относительной плотности газожидкостного слоя экспериментально замерялась как отношение высоты газожидкостного слоя к высоте статического слоя жидкости hст (вычисленной из замера объема удерживаемой жидкости).

Анализ известных уравнений для расчета относительной плотности газожидкостного слоя показал наилучшее совпадение ( 10%) наших экспериментальных данных для провальной тарелки по k с уравнением Соломахи Г.П. и Оспанова М.Ш*.

При визуальном наблюдении в ходе проведения эксперимента работы провальной тарелки с сетчатыми насадками было установлено, что в режиме начала псевдоожижения влияние скорости газового потока на величину незначительно.

Рис. 6. Зависимость газосодержания трехфазного слоя с насадкой ОСПН I модификации от скорости газа при постоянной удельной нагрузке по жидкости для двух режимов работы.

Из анализа уравнения Соломахи Г.П. и Оспанова М.Ш. на величину относительной плотности газожидкостного слоя существенное влияние оказывает скорость газа в колонне (Fфактор=w) и удельная нагрузка по жидкости, выраженная через высоту статического слоя жидкости.

Влияние вязкости мL и поверхностного натяжения у жидкости на относительную плотность газожидкостного слоя в настоящей работе не исследовалось, поскольку было выполнено ранее в работе Оспанова М.Ш., что позволило в результате обработки всего объема экспериментальных данных по относительной плотности газожидкостного слоя получить следующую зависимость для рабочего режима:

Сходимость расчетных и экспериментальных значений составила 15%.

В четвертой главе описано исследование массоотдачи в жидкой фазе на провальной тарелке без насадки и с насыпанной на нее насадкой ОСПН II-ой модификации. Результаты испытаний приведены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость коэффициента массоотдачи в жидкой фазе для насадки ОСПН II - ой модификации от скорости газа в колонне

Как видно из данных, приведенных на рис. 7. использование комбинированного контактного устройства с насадкой ОСПН позволяет значительно увеличить коэффициенты по сравнению с провальной тарелкой.

Результаты обработки всего объема экспериментальных данных по массоотдаче в жидкой фазе привели к следующей зависимости:

Сходимость расчетных и экспериментальных значений составила 20%.

Для оценки относительных энергозатрат на проведение процесса абсорбции в аппарате с провальной тарелкой и в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем орошаемой насадки ОСПН был построен график зависимости отношения коэффициента массоотдачи к гидравлическому сопротивлению аппарата Дp от скорости газа w.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Оценка относительных энергозатрат на проведение процесса массообмена в жидкой фазе

Как видно из рис. 8. коэффициент массоотдачи в жидкой фазе с учетом вложенной энергии (р) для аппаратов с насадкой ОСПН II-ой модификации значительно больше, чем для провальной тарелки, т.е. наблюдается значительная интенсификация массообмена, видимо за счет увеличения удельной поверхности и за счет интенсивного ее обновления.

Последнее подтверждается тем, что с ростом скорости газа увеличивается отношение /р. Например количество затраченной энергии для аппарата без насадки и для аппарата с насадкой ОСПН II-ой модификации при Lуд=5,47 м3/м2ч и скорости газа 0,4 м/с отношение /р увеличивается на 26%.

В пятой главе рассмотрены области устойчивой работы абсорбционных аппаратов с различными типами насадок и даны рекомендации по использованию насадок ОСПН.

Предлагаемые насадки ОСПН целесообразно изготавливать из полимерных сетчатых материалов: полиэтилена (хлорсульфированного), который работоспособен до 1600С; из полипропилена, который устойчив в агрессивных органических и неорганических средах до 1400; или из термо- и химически стойких полиэфирных волокон, рабочие температуры которых до 1750С.

Данный тип сетчатых насадок можно рекомендовать к использованию для очистки промышленных газовых выбросов в условиях абсорбции оксидов азота (NOx) и диоксида серы щелочными растворами; извлечения из газовой фазы хлористого водорода (НСl) водой или щелочными растворами; очистки газа от сероводорода (H2S) водным раствором моноэтаноламина (МЭА); очистки вентиляционного воздуха от ацетона и других легколетучих растворителей. Кроме того, указанный диапазон температур делает возможным, в частности, их применение для интенсификации процессов теплообмена и снижения уноса жидкости в промышленных градирнях.

ВЫВОДЫ

1. Разработан принципиально новый тип насадок ОСПН, тела которой изготавливаются из полимерных сеток, имеющих высокую удельную поверхность, развитый свободный объем и низкую насыпную плотность [2], защищенный патентом № 2289472, опубл. Бюлл.№35, 2006.

2. Получены расчетные уравнения для определения скорости перехода в режим развитого псевдоожижения неорошаемой и орошаемой насадки.

3. Предложено расчетное уравнение для раздельного определения гидравлического сопротивления провальной тарелки и сетчатой насадки. На основе полученных экспериментальных данных выбрано надежное уравнение для расчета гидравлического сопротивления орошаемой провальной тарелки . Установлено, что на величину гидравлического сопротивления орошаемой насадки рн оказывает влияние скорость газа в аппарате, удельная плотность орошения и удельная поверхность насадки, и получено критериальное уравнение для насадки ОСПН двух модификаций в рабочем режиме .

4. Проведены исследования газосодержания ц и относительной плотности газожидкостного слоя k=1-ц трехфазного слоя в аппарате и получена расчетная зависимость для нового типа насадок для рабочего режима .

5. Проведены исследования по влиянию гидродинамических параметров на объем задерживаемой жидкости в трехфазном слое и получено расчетное уравнение, характеризующее объем задерживаемой жидкости через величины слоя неаэрированой жидкости hст: для рабочего режима.

6. Проведены исследования массоотдачи в жидкой фазе и получено расчетное уравнение . Установлено, что использование комбинированного контактного устройства с насадкой ОСПН позволяет значительно увеличить коэффициенты по сравнению с провальной тарелкой.

7. Выполненная оценка относительных энергозатрат на проведение процесса массообмена в жидкой фазе как отношения коэффициента массоотдачи к гидравлическому сопротивлению вLS/Др показала преимущества аппаратов с псевдоожиженной насадкой ОСПН.

8. Предложен алгоритм расчета основных гидродинамических параметров аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем орошаемой насадки нового типа.

9. Проведена реконструкция малогабаритной вентиляторной градирни типа ГПН-50.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Кузнецова, Н.А. Исследование гидродинамики аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем, применяемых для очистки газовых потоков / Н.А. Кузнецова, М.Г. Беренгартен, М.И. Клюшенкова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2004. - №8. С. 3-6.

2. Насадка для тепломассообменных аппаратов : пат. 2289472 Рос. Федерация : МПК В01J 19/30, B01D 53/18 / Кузнецова Н.А., Беренгартен М.Г., Клюшенкова М.И. ; заявитель и патентообладатель Моск. гос. ун-т инж. экологии. - № 2005121229/15 ; заявл. 07.07.2005 ; опубл. 20.12.06, Бюл. №35 - 4 с. : ил.

3. Кузнецова, Н.А. Новые насадки для аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем / Н.А. Кузнецова, Р.Ф. Витковская, М.И. Клюшенкова, М.Г. Беренгартен // Тезисы докладов Международной конференции и V международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерная защита окружающей среды». М: МГУИЭ, 2001. - С. 124-126.

4. Кузнецова, Н.А. Сравнительный анализ насадок для аппаратов АПН / Н.А. Кузнецова, М.И. Клюшенкова, М.Г. Беренгартен // Материалы VI международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств». М: МГУИЭ, 2002. - С. 96-98.

5. Кузнецова, Н.А. Исследование гидродинамики новых сетчатых насадок / Н.А. Кузнецова, А.Г. Генерозов, М.И. Клюшенкова, М.Г. Беренгартен // VII международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств», Москва, 14-15 мая 2003 г. - С. 182-183.

6. Беренгартен, М.Г. Новые абсорбционные аппараты с трехфазным псевдоожиженным слоем в системах очистки газов / М.Г. Беренгартен, М.И. Клюшенкова, Н.А.Кузнецова // XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Казань, 21-26 сентября 2003 г., -Т.3., С. 63.

7. Кузнецова, Н.А. Характеристики псевдоожиженного слоя орошаемой насадки из полимерных материалов / Н.А. Кузнецова, М.Г. Беренгартен, М.И. Клюшенкова // VIII международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: Проблемы и Перспективы», Москва, 12-13 октября 2004 г., С.241-243.

8. Кузнецова, Н.А. Использование в системах очистки газовых выбросов аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем орошаемой насадки ОСПН / Н.А. Кузнецова, М.Г. Беренгартен, М.И. Клюшенкова // III международная научно-практическая конференция-выставка «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», Донецк, 23-27 мая 2006. г. - С. 192-197.

9. Кузнецова, Н.А. Реконструкция градирни с подвижной насадкой / Н.А. Кузнецова, А.С. Пушнов, М.Г. Беренгартен // Химическая техника, 2006, №1, С. 24-25.

Размещено на Allbest.ru