Абсорбция газов в аппаратах с волокнистой насадкой
На правах рукописи
ГРИБКОВА ЕВГЕНИЯ ВАЛЕРЬЕВНА
АБСОРБЦИЯ ГАЗОВ В АППАРАТАХ
С ВОЛОКНИСТОЙ НАСАДКОЙ
Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБ ОУ ВПО МГУИЭ).
Научный руководитель доктор технических наук,
профессор
Вальдберг Арнольд Юрьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор
Лагуткин Михаил Георгиевич
доктор технических наук,
профессор
Лыков Олег Петрович
Ведущая организация ОАО «Гипрогазоочистка»
Защита состоится « 20 » октября 2011 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени
Л.А. Костандова (Л-207).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.
Автореферат разослан « 19 » сентября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н. С.А. Трифонов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Одним из последствий техногенного влияния на окружающую среду в настоящее время является заметное ухудшение состояния атмосферного воздуха. К основным источникам загрязнения атмосферы относятся промышленные предприятия, транспорт, тепловые электростанции и т.п. Каждый из этих источников связан с выделением большого количества специфических токсичных веществ, различающихся как по фазовому, так и по химическому составу. Учитывая изложенное, защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными и аспирационными выбросами продолжает оставаться одной из главных проблем современности.
В области защиты атмосферного воздуха основное внимание уделяется разработке и внедрению установок по очистке отходящих газов от взвешенных частиц и газообразных компонентов. Для реализации процессов очистки газов от выше перечисленных компонентов используются различные виды оборудования, каждый из которых, как правило, применяется для улавливания определенного вида загрязнения. Одной из задач современного общества является разработка и внедрение в промышленных масштабах аппаратов комплексной очистки, которые бы обеспечивали улавливание многофазных многокомпонентных загрязнений.
Волокнистые фильтры-туманоуловители получили широкое применение при очистке газов от жидких взвешенных частиц (капель туманов) в производствах серной и фосфорной кислот, гальванических производствах и др. Вопрос эффективного улавливания аэрозолей однозначно решается применением таких аппаратов, однако, промышленная практика показывает, что при орошении фильтра соответственно подобранным абсорбентом наряду с улавливанием капель туманов, они достаточно эффективно способствуют абсорбции газообразных компонентов, содержащихся в отходящих газах, но теоретические и практические возможности протекания подобного процесса мало изучены и требуют дополнительного рассмотрения.
Таким образом, разработка методов инженерного расчета и перспективных конструкций волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей, а также внедрение их в промышленную практику, представляется весьма актуальным для дальнейшего развития техники газоочистки.
Цель работы – исследование особенностей гидродинамики волокнистых фильтров-туманоуловителей и основных характеристик массообменного процесса в случае орошения фильтра соответственно подобранным абсорбентом; получение расчетных зависимостей для определения гидравлического сопротивления волокнистых фильтров-туманоуловителей и характеристик массообменного процесса; разработка алгоритма и методики расчета волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей.
Научная новизна работы:
1. Показано, что наряду с улавливанием капель туманов, волокнистые фильтры-туманоуловители достаточно эффективно способствуют абсорбции газообразных примесей, содержащихся в отходящих газах, за счет орошения фильтра соответственно подобранным абсорбентом.
2. Обобщены литературные данные по аэродинамике различных видов волокнистых насадок и предложены зависимости для инженерного расчета гидравлического сопротивления волокнистых фильтров-туманоуловителей при орошении фильтра соответственно подобранным абсорбентом в условиях автомодельного режима, характерного для их работы.
3. Получены эмпирические зависимости для расчета объемных коэффициентов массоотдачи и высоты единицы переноса для плохо и хорошо растворимых газов, определены рациональные режимы работы волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей, при которых обеспечивается достижение максимальных значений коэффициентов абсорбции газов.
4. Разработана и защищена патентом насадка из сетки трикотажного плетения
(Пат. 2411079 РФ; опубл. 10.02.2011, Бюл. № 4), обладающая развитой удельной геометрической поверхностью и сравнительно невысоким удельным гидравлическим сопротивлением.
Практическая значимость. Получены основные гидродинамические и массообменные характеристики волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей.
Предложен алгоритм и методика расчета волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей.
Полученные результаты использованы ОАО «НИИОГАЗ» (г. Москва) при реконструкции четырех установок очистки отходящих газов травильного и гальванического участков Московского монетного двора Гознака; ФГУП «СоюзпромНИИпроект» (г. Москва) при проектировании установок для очистки газов, образующихся в процессах термического обезвреживания отходов производства и потребления; ООО «Иматек и К»
(г. Минск, Республика Беларусь) при разработке и производстве фильтров для очистки вентиляционных выбросов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на:
Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, г. Москва, 21 – 24 апреля 2009 г.; I Международной конференции РХО им. Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности», г. Москва, 29 – 30 сентября 2009 г.; 15-ой Международной выставке химической промышленности и науки «Химия 2009», г. Москва, 28 сентября – 2 октября 2009 г.; Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, г. Москва, 21 – 23 апреля 2010 г.; 19-ом Международном конгрессе проектирования химических процессов, г. Прага, Чехия,
28 августа – 1 сентября 2010 г.; III Международной межотраслевой конференции по вопросам газоочистки в энергетике, черной и цветной металлургии и цементной промышленности «Пылегазоочистка-2010», г. Москва, 28 – 29 сентября 2010 г.; Международном ИНТЕРНЕТ Форуме и 10-ом Международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития», г. Москва, 30 ноября – 1 декабря 2010 г.; Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, г. Москва, 19 – 22 апреля 2011 г.; 8-ой Международной конференции инженерной экологии, г. Вильнюс, Литва, 19 – 20 мая 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них: 7 статей в научно-технических журналах, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 тезисов докладов, 1 описание патента и 1 учебное пособие, список которых приведен в конце автореферата.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных исследований по гидродинамике и массообмену в волокнистых фильтрах-туманоуловителях, показывающие возможность одновременного улавливания капель туманов и абсорбции газообразных компонентов, содержащихся в отходящих газах, за счет орошения фильтра соответственно подобранным абсорбентом.
2. Зависимости для инженерного расчета гидравлического сопротивления волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей, в условиях автомодельного режима, характерного для их работы.
3. Эмпирические зависимости для расчета объемных коэффициентов массоотдачи и высоты единицы переноса для плохо и хорошо растворимых газов.
4. Алгоритм и методика расчета волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей.
Достоверность полученных результатов исследований подтверждена данными, полученными на опытных стендах МГУИЭ и аттестованной испытательной лаборатории ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Измерительные приборы для экспериментальных исследований были сертифицированы и аттестованы согласно требованиям ГОСТ и технических условий.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, содержащих обзор литературы и постановку задачи исследования, описание экспериментальных установок и методик проведения экспериментов по гидродинамике и массообмену, анализ и обработку результатов экспериментальных исследований и рекомендации по расчету волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 195 страниц, в том числе 177 страниц машинописного текста, 57 таблиц, 65 рисунков, список использованной литературы из 120 наименований и 5 приложений на 18 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в диссертации; сформулированы цели и основные задачи исследований, научная новизна работы; отмечены основные положения, выносимые на защиту; показаны практическая ценность результатов, полученных в процессе исследований, и формы их апробации; приведены сведения о публикациях автора и структуре работы.
В первой главе представлен анализ литературных данных, посвященный теоретическим и практическим аспектам применения насадочных аппаратов при абсорбции газовых компонентов и волокнистых фильтров-туманоуловителей при улавливании взвешенных частиц в технологических системах очистки газовых выбросов.
Приведены конструкции современных насадочных аппаратов и элементов насадок, дана их классификация, основные геометрические характеристики, достоинства и недостатки, направления развития и совершенствования. Рассмотрены основные методы расчета гидродинамических и массообменных характеристик насадочных аппаратов.
Дана классификация волокнистых фильтров-туманоуловителей и рассмотрены методы расчета их гидравлического сопротивления и эффективности каплеулавливания.
На основе проведенного анализа определены основные задачи исследования.
Во второй главе дано описание экспериментальной установки абсорбера с волокнистой насадкой производительностью 1000 м3/ч, разработанного на базе конструкции волокнистого фильтра-туманоуловителя, и методика проведения гидродинамических и массообменных испытаний.
Абсорбер представляет собой горизонтально расположенный аппарат квадратного сечения (0,450,45 м), в котором поперек газового потока установлено шесть кассет с насадкой, последняя из которых по направлению газа используется в качестве каплеуловителя, предотвращающего унос абсорбента очищенным газом (рис. 1).
 |
| Рис. 1. Общий вид абсорбера с волокнистой насадкой: 1 – корпус; 2 – кассета; 3, 4 – крышка; 5 – форсунка горизонтального подвода жидкости; 6 – форсунки вертикального подвода жидкости |
 | Рис. 2. Общий вид кассеты с металлической сеткой трикотажного плетения: 1 – каркас; 2 – сетка |
В качестве насадки применены кассеты с металлической сеткой трикотажного плетения (рис. 2). Насадка имеет следующие основные геометрические характеристики: диаметр проволоки d – 0,3 мм; удельная геометрическая поверхность S0 – 212,6 м2/м3; порозность – 0,98 м3/м3; насыпная плотность нас – 121,7 кг/м3.
Гидродинамические и массообменные исследования проводились на системе «смесь воздуха с углекислым газом СО2 – водный раствор соды Na2CO3» при температуре около 20°С в диапазоне скорости воздуха в свободном сечении аппарата г от 0,14 до 1,37 м/с. Отрабатывались три способа подвода орошения: фронтальное (перед слоем насадки), поперечное (сверху насадки) и комплексное (фронтальное и поперечное – одновременно). Расход орошающей жидкости Vж при фронтальном орошении составлял от 0,1 до 2,0 м3/ч, при поперечном – от 0,1 до 0,6 м3/ч в расчете на одну форсунку. Толщина слоя насадки Н изменялась от 0,26 до 0,65 м.
Экспериментальная установка оснащена приборами контроля и регулирования объемного расхода воздуха и орошающей жидкости через форсунки горизонтального и вертикального подвода, абсолютного давления воздуха на входе в аппарат, гидравлического сопротивления аппарата, концентрации СО2 на входе и выходе из аппарата, концентрации и рН орошающей жидкости, температуры газа и жидкости. Проведена оценка ошибки замеров.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований абсорбера с волокнистой насадкой.
В результате гидродинамических исследований определено гидравлическое сопротивление абсорбера р (Па) при различных значениях скорости воздуха в свободном сечении аппарата и расхода орошающей жидкости (рис. 3).
| р, Па | |
| 250 200 150 100 50 0 |  |
| 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 г, м/с | |
Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления абсорбера с волокнистой насадкой от
скорости воздуха в свободном сечении аппарата и расхода орошающей жидкости (Н=0,65 м):
– абсорбер без насадки и без подачи орошения; – абсорбер с одной кассетой (каплеуловителем) без подачи орошения; – абсорбер с кассетами и каплеуловителем без подачи орошения;
– абсорбер с кассетами и каплеуловителем при фронтальном орошении (Vж=2,0 м3/ч);
П – абсорбер с кассетами и каплеуловителем при поперечном орошении (Vж=1,8 м3/ч);
Ї – абсорбер с кассетами и каплеуловителем при комплексном орошении (Vж=3,8 м3/ч)
При скорости воздуха в свободном сечении аппарата г=0,14–1,37 м/с и расходе жидкости при комплексном орошении Vж=2,3–3,8 м3/ч удельное гидравлическое сопротивление абсорбера р/Н составляет порядка 60–370 Па/м, при этом гидравлические потери на входе и выходе газового потока, а также сопротивление каплеуловителя, составляют не более 30%.
Насадка характеризуется невысоким удельным гидравлическим сопротивлением и значительно превосходит широко применяемые в настоящее время насадки в удельной поверхности при меньшей материалоемкости, а также, что немаловажно, в технологичности (простоте изготовления, удобстве монтажа и обслуживания). Например, в сравнении с металлическими кольцами Палля диаметром 25 мм насадка из металлической сетки трикотажного плетения обладает в 1,25 раз большей удельной поверхностью, в 1,1 раза большей порозностью, в 3,7 раза меньшей материалоемкостью и имеет в 1,2 раза меньшее удельное гидравлическое сопротивление.
В результате массообменных исследований определен объемный коэффициент абсорбции К’pv [кмоль/(м3·с·Па)] при различных значениях скорости воздуха в свободном сечении аппарата и расхода орошающей жидкости (рис. 4–5). В среднем для колец Рашига и Палля коэффициент К’pv при абсорбции СО2 карбонатно-бикарбонатными растворами достигает 1,1110–7–2,7810–7 кмоль/(м3·с·Па) при скорости газа от 0,15 до 1,25 м/с и нагрузке по жидкости порядка 20 м3/(м2·ч). При использовании насадки из металлической сетки трикотажного плетения при скорости воздуха в свободном сечении аппарата г=0,14–1,23 м/с и нагрузке по жидкости 18,8 м3/(м2·ч), соответствующей расходу жидкости при комплексном орошении Vж=3,8 м3/ч, коэффициент К’pv изменяется от 1,5310–7 до 4,7210–7 кмоль/(м3·с·Па), что позволяет сделать вывод об интенсификации (в 1,4–1,7 раза) процесса массопередачи. Повышение коэффициента абсорбции обусловлено развитой удельной геометрической поверхностью насадки. Визуальные наблюдения течения жидкости в слое насадки, показали, что ячеистая структура насадки, образуемая петлями кулирной глади, позволяет получить расслоение жидкости на тонкие пленки при продуве газа и способствует постоянному их обновлению, что сильно интенсифицирует процесс.
| К’pv, кмоль/(м3·с·Па) | К’pv, кмоль/(м3·с·Па) | ||
| 6·10–7 5·10–7 4·10–7 3·10–7 2·10–7 1·10–7 0 |  | 6·10–7 5·10–7 4·10–7 3·10–7 2·10–7 1·10–7 0 |  |
| 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 г, м/с | 2,0 2,5 3,0 3,5 Vж, м3/ч | ||
| Рис. 4. Зависимость объемного коэффициента абсорбции СО2 раствором Na2CO3 от скорости газа: – Vж=2,3 м3/ч; Ѓ – Vж=2,8 м3/ч; – Vж=3,3 м3/ч; П – Vж=3,8 м3/ч | Рис. 5. Зависимость объемного коэффициента абсорбции СО2 раствором Na2CO3 от расхода жидкости: – г=0,14 м/с; – г=0,27 м/с; – г=0,41 м/с; П – г=0,55 м/с; – г=0,69 м/с; Ї – г=0,82 м/с | ||
Так как скорость протекания химической реакции между растворенным газом (СО2) и активным компонентом водного раствора соды (Na2CO3) лимитируется скоростью перехода СО2 из газовой фазы в жидкую (скоростью растворения) и скоростью реакции гидролиза[1], то зависимость коэффициента К’pv от скорости газового потока носит экстремальный характер – проходит через максимум (см. рис. 4). Это объясняется тем, что с ростом скорости газового потока уменьшается время пребывания газа в контактной зоне аппарата, а также снижается парциальное давление СО2 над жидкостью (и его растворимость) вследствие увеличения гидравлического сопротивления аппарата. Таким образом, можно говорить о рациональной скорости газа в абсорбере, которая составляет от 0,8 до 1,0 м/с. Установлено также что, коэффициент К’pv возрастает с повышением расхода жидкости (см. рис. 5), что вызвано более интенсивным обновлением пленки жидкости в слое насадки.
В четвертой главе представлены анализ и обработка результатов экспериментальных исследований абсорбера с волокнистой насадкой; предложены алгоритм и методика расчета волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей; проведена оценка относительных энергозатрат на проведение массообмена в жидкой фазе в абсорберах с волокнистой насадкой.
Общее гидравлическое сопротивление абсорбера с волокнистой насадкой по аналогии с волокнистым фильтром-туманоуловителем при двухфазном потоке может быть рассчитано как сумма гидравлического сопротивления неорошаемой (сухой) насадки, гидравлического сопротивления, обусловленного подводом орошающей жидкости, и суммарных потерь гидравлического сопротивления на входе-выходе аппарата и в каплеуловителе:
. (1)
| сух | |
| 40 30 20 10 0 |  |
| 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Reг | |
Рис. 6. Зависимость сух от Reг: 1 – металлическая сетка трикотажного плетения (результаты
исследований); 2 – гофрированная полипропиленовая сетка; 3, 4, 5 – сеточные пакеты из
металлической проволоки; 6 – монель-металл; 7 – сетки пропиленовые; 8 – иглопробивной
войлок из полипропиленовых волокон; 9 – сетки из лавсана; 10 – ПВ-5; 11 – Т-2
Величина гидравлического сопротивления неорошаемой (сухой) насадки определяется по формуле[2] :
, (2)
отражающей квадратичную зависимость гидравлического сопротивления сухого слоя волокнистой насадки от скорости газа, что характерно для турбулентного (скоростного) движения газового потока, а коэффициент гидравлического сопротивления сух учитывает взаимное расположение волокон в слое.
Для расчета величины сух были использованы экспериментальные данные, полученные в результате гидродинамических испытаний абсорбера с волокнистой насадкой производительностью 1000 м3/ч. При определении гидравлического сопротивления сухого слоя насадки исключались гидравлические потери на входе и выходе газового потока, а также сопротивление каплеуловителя. Относительная погрешность коэффициента гидравлического сопротивления насадочного слоя сухого абсорбера сух формируется из погрешностей измеряемых величин, входящих в формулу (2), и составляет 2,45%.
Известно, что коэффициент сух, характеризующий гидравлическое сопротивление сухого слоя насадки, зависит от критерия Рейнольдса в газовой фазе
(3)
лишь до определенного критического значения, после которого (с увеличением скорости газового потока) наступает автомодельный режим и коэффициент сух сохраняет практически постоянное, независимое от критерия Рейнольдса значение.
Обработка экспериментальных данных, проведенная в виде зависимости сух от критерия Рейнольдса в газовой фазе Reг, представлена на рис. 6. На рисунке также показаны значения величины сух, рассчитанные на основании литературных данных для различных видов волокнистых насадок.
Из рисунка видно, что при критерии Рейнольдса в газовой фазе Reг<15 не достигается автомодельного режима и коэффициент сух зависит от Reг. Очевидно, этот режим является переходным, т.е. промежуточным между ламинарным (характерен для низкоскоростных фильтров) и автомодельным (характерен для высокоскоростных фильтров).
В результате обработки экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению насадочного слоя сухого абсорбера для переходного режима установлена степенная зависимость, действительная при Reг<15:
сух=158,12·Reг–1,46. (4)
Ошибка при расчете гидравлического сопротивления насадочного слоя сухого абсорбера по формуле (2) с учетом зависимости (4) не превышает ±12,9%.
Автомодельный режим достигается при критерии Рейнольдса в газовой фазе Reг>15, при котором величина коэффициента гидравлического сопротивления становится практически постоянной и в среднем составляет сух=2,92 (см. рис. 6). Согласно рисунку, значения сух, рассчитанные на основании литературных данных для различных видов волокнистых насадок, при Reг>10 располагаются в интервале от 3 до 6, а при Reг<10 возрастают и достаточно резко. Таким образом, критическое значение критерия Reг, соответствующее началу автомодельного режима для волокнистых насадок, при котором величина сух сохраняет практически постоянное значение, независимое от критерия Рейнольдса в газовой фазе, лежит в интервале 10<Reг<15. Следует иметь ввиду, что разброс значений сух, взятых из литературных данных, в сторону увеличения во многих случаях объясняется не учетом дополнительного увеличения гидравлического сопротивления за счет узлов ввода и отвода газового потока из насадочного аппарата.
Величину гидравлического сопротивления, обусловленного подводом орошающей жидкости, определяли как разность между общим гидравлическим сопротивлением орошаемого аппарата и общим гидравлическим сопротивлением сухого аппарата:
. (5)
Для расчета гидравлического сопротивления, обусловленного подводом орошающей жидкости, было выбрано известное уравнение, предложенное Кафаровым В.В.[3] :
. (6)
В условиях автомодельного режима, характерного для работы волокнистых фильтров-туманоуловителей, величину А=ж/2 можно представить в виде зависимости от параметра двухфазного потока:
. (7)
Обработка экспериментальных данных, проведенная в виде зависимости А от (L/G)2·(г/ж), при фронтальном орошении представлена на рис. 7. Относительная погрешность параметра А формируется из погрешностей измеряемых величин, входящих в формулу (6), и составляет 2,45%.
Графическое исследование зависимости (7) для фронтального орошения, проведенное в логарифмических координатах, показало, что все экспериментальные значения А ложатся на ряд параллельных прямых, каждая из которых характеризует определенную плотность орошения (см. рис. 7). Оказалось, что tg=0,73 (– угол наклона прямых к оси абсцисс).
| А | |
| 105 104 103 102 101 100 10–1 |  |
| 10–6 10–5 10–4 10–3 10–2 10–1 (L/G)2·(г/ж) | |
Рис. 7. Зависимость величины А от (L/G)2·(г/ж) для фронтального орошения:
– Н=0,65 м, L=493,8 кг/(м2·ч); – Н=0,65 м, L=2469,1 кг/(м2·ч); – Н=0,65 м,
L=4938,3 кг/(м2·ч); – Н=0,65 м, L=7407,4 кг/(м2·ч); П – Н=0,26–0,65 м, L=9876,5 кг/(м2·ч)
Обработка экспериментальных данных, проведенная в виде зависимости А/[(L/G)2·(г/ж)]0,73 от L/Lс показала, что tg=–1,39. Окончательное выражение для определения величины А с учетом влияния плотности орошения для фронтального способа подвода орошающей жидкости имеет вид:
. (8)
Полученная зависимость (8) действительна при 592,6G5925,9 кг/(м2·ч) и 493,8L9876,5 кг/(м2·ч). Отклонение значений рж при фронтальном орошении, рассчитанных по уравнению (6) с учетом зависимости (8), от их экспериментальных значений не превышает ±19,0%.
Результаты исследования гидравлического сопротивления абсорбера при поперечном орошении показали, что оно возрастает не только с увеличением плотности орошения (как при фронтальном способе подвода орошающей жидкости), но и с увеличением толщины насадочного слоя. Основываясь на этом, величину А для поперечного орошения можно представить в виде зависимости от параметра двухфазного потока и симплекса геометрического подобия H/d:
. (9)
Обработка экспериментальных данных, проведенная в виде зависимости А от (L/G)2·(г/ж), при поперечном орошении представлена на рис. 8.
Графическое исследование зависимости (9) для поперечного орошения, проведенное в логарифмических координатах, показало, что все экспериментальные значения А ложатся на ряд параллельных прямых, каждая из которых характеризует как определенную плотность орошения, так и толщину насадочного слоя (см. рис. 8). При этом tg=0,73.
| А | |
| 104 103 102 101 |  |
| 10–4 10–3 10–2 10–1 (L/G)2·(г/ж) | |
Рис. 8. Зависимость величины А от (L/G)2·(г/ж) для поперечного орошения:
П – Н=0,26 м, L=2963,0 кг/(м2·ч); Ѓ – Н=0,52 м, L=2963,0 кг/(м2·ч);
Ї – Н=0,65 м, L=2963,0 кг/(м2·ч); – Н=0,52 м, L=5925,9 кг/(м2·ч);
– Н=0,65 м, L=5925,9 кг/(м2·ч); – Н=0,65 м, L=8888,9 кг/(м2·ч)
Обработка экспериментальных данных, проведенная в виде зависимости А/[(L/G)2·(г/ж)]0,73 от L/Lс показала, что tg=–1,31, а А/{[(L/G)2·(г/ж)]0,73·(L/Lс)–1,31} от H/d, что tg=0,09. Окончательное выражение для определения величины А с учетом влияния плотности орошения при поперечном орошении имеет вид:
. (10)
Полученная зависимость (10) действительна при 592,6G5925,9 кг/(м2·ч), 2963,0L8888,9 кг/(м2·ч) и 0,26H0,65 м. Отклонение значений рж при поперечном орошении, рассчитанных по уравнению (6) с учетом зависимости (10), от их экспериментальных значений не превышает ±21,3%.
Величина гидравлического сопротивления абсорбера при комплексном орошении рассчитывалась по уравнению (1), где рж равно сумме гидравлических сопротивлений, обусловленных фронтальным и поперечным подводом орошающей жидкости:
. (11)
Полученная зависимость (11) действительна для следующих диапазонов изменения, входящих в нее величин: 0,14г1,37 м/с, 592,6G5925,9 кг/(м2·ч), 493,8Lфр9876,5 кг/(м2·ч), 2963,0Lпоп8888,9 кг/(м2·ч) и 0,26H0,65 м. Отклонение между расчетными и экспериментальными значениями гидравлического сопротивления абсорбера с волокнистой насадкой при комплексном орошении не превышает ±13,9%, что вполне допустимо для практических расчетов. Следует отметить, что при расчете общего гидравлического сопротивления абсорбера с волокнистой насадкой суммарные потери гидравлического сопротивления на входе-выходе абсорбера и в каплеуловителе рпот были рассчитаны согласно рекомендациям Идельчика И.Е.
Таким образом, полученные зависимости позволяют с достаточной точностью проводить оценочные расчеты гидравлического сопротивления абсорберов с волокнистой насадкой для систем близких по физико-химическим свойствам к системе «воздух–вода».
В результате обработки экспериментальных данных по поглощению СО2 водным раствором Na2CO3 в абсорбере с волокнистой насадкой производительностью 1000 м3/ч получены значения объемного коэффициента абсорбции К’pv [кмоль/(м3·с·Па)].
Скорость абсорбции СО2 карбонатно-бикарбонатными растворами почти полностью определяется сопротивлением жидкостной пленки, по-видимому, вследствие сравнительно низкой растворимости СО2. Так как основное сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе, сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь, а коэффициент К’pv определить по величине коэффициента массоотдачи в жидкой фазе жv (1/с):
К’pv=жv/mpc. (12)
Для диапазона скорости газа г=0,14–0,82 м/с и расхода жидкости Vж=2,3–3,8 м3/ч (удельный расход жидкости qуд=2,3–38,0 л/м3 газа) получено уравнение для оценки жv:
. (13)
Отклонение значений коэффициента массоотдачи в жидкой фазе, рассчитанных по уравнению (13), от экспериментальных значений жv не превышает ±23,9%.
Таким образом, по величине жv можно определить объемный коэффициент абсорбции К’pv и по основному уравнению массопередачи вычислить требуемый объем насадки. Зная объем насадки и площадь сечения абсорбера, нетрудно определить толщину насадки Н, необходимую для заданного разделения.
В качестве массообменной характеристики абсорберов с волокнистой насадкой выбрана общая высота единицы переноса (ВЕП) в газовой фазе hог (м), которую рассчитывали из известного уравнения:
hог=Vгм/(Кyv·F). (14)
Экспериментальные данные по ВЕП в газовой фазе при поглощении СО2 раствором Na2CO3, рассчитанные по формуле (14), были обработаны в виде зависимости от критерия Рейнольдса в газовой фазе Reг. Графические зависимости hог=f(Reг), построенные в логарифмических координатах при различных расходах жидкости (рис. 9), показывают, что ВЕП в газовой фазе при поглощении СО2 раствором Na2CO3 зависит от скорости газа и расхода жидкости, причем показатель степени при Reг составляет 0,34.
| hог, м | Рис. 9. Зависимость ВЕП в газовой фазе при поглощении СО2 раствором Na2CO3 от критерия Рейнольдса для газовой фазы при различных расходах жидкости: Ї – Vж=2,3 м3/ч; Ѓ – Vж=2,8 м3/ч; – Vж=3,3 м3/ч; П – Vж=3,8 м3/ч | |
| 1,2 0,6 0,3 |  | |
| 2 4 8 16 Reг | ||
Для диапазона скорости газа г=0,14–0,82 м/с и расхода жидкости Vж=2,3–3,8 м3/ч получена зависимость для оценки hог:
, (15)
в которой критерий Рейнольдса в газовой фазе Reг находится по формуле (3), а критерий Рейнольдса в жидкой фазе определяется выражением:
. (16)
Полученная зависимость (15) действительна при 2,86Reг16,73 и 47,40Reж78,15. Отклонение значений ВЕП в газовой фазе, рассчитанных по уравнению (15), от экспериментальных значений hог не превышает ±19,0%.
Толщина слоя насадки Н определяется как произведение ВЕП в газовой фазе hог на общее число единиц переноса (ЧЕП) в газовой фазе Nог, определяемое по известной зависимости:
. (17)
Таким образом, полученные зависимости позволяют рассчитывать объемные коэффициенты массоотдачи и общую высоту единицы переноса в газовой фазе для абсорберов с волокнистыми насадками при поглощении плохо растворимых газов с точностью достаточной для практических расчетов.
В пятой главе представлены результаты гидродинамических и массообменных испытаний промышленного волокнистого фильтра-туманоуловителя производительностью 10 000 м3/ч, установленного в гальваническом цехе ММПО «Красный Октябрь» для комплексной очистки вентиляционных газов от аэрозольных частиц (капель тумана) и паров соляной кислоты НСl, а также серной кислоты H2SO4, показывающие возможность одновременного улавливания в таких аппаратах газообразных компонентов и взвешенных частиц, содержащихся в отходящих газах.
В качестве волокнистой насадки использовалась гофрированная полипропиленовая сетка. Насадка имеет следующие основные геометрические характеристики: диаметр проволоки d – 0,3 мм; удельная геометрическая поверхность S0 – 268 м2/м3; порозность
– 0,98 м3/м3; насыпная плотность нас – 18,4 кг/м3. Толщина насадки Н=1,0 м. Для орошения фильтра использовали 10%-ный водный раствор NаОН. Объемный расход воздуха изменялся от 5350 до 8300 м3/ч, суммарный расход орошающей жидкости – от 0,00260 до 0,00338 м3/с, концентрация паров HCl на входе в абсорбер – от 200 до 2500 мг/м3.
Гидродинамические испытания волокнистого фильтра показали, что при скорости воздуха в свободном сечении аппарата 1,0 м/с и расходе жидкости при комплексном орошении 0,00338 м3/с насадка имеет гидравлическое сопротивление порядка 300 Па/м. Произведено сопоставление значений гидравлического сопротивления волокнистого туманоуловителя при комплексном орошении, полученных экспериментальным путем и рассчитанных по полученным в работе зависимостям. Отклонение между расчетными и экспериментальными значениями не превышает ±19,5%.
Анализ данных, полученных в результате массообменных испытаний, свидетельствует о более эффективном улавливании в скруббере паров НСl по сравнению с аэрозольной фазой (каплями тумана НСl). Эффективность улавливания паров составляет в среднем 73,7%, а капель тумана – 56,5%. Общая эффективность улавливания НСl равняется приблизительно 73%. Увеличение эффективности улавливания капель тумана (как соляной кислоты, так и других аэрозолей) в данной конструкции аппарата может быть достигнуто за счет замены одной из кассет фильтрующей перегородкой, например, из иглопробивного войлока с диаметром волокон 0,02–0,07 мм.
Согласно полученным данным, с увеличением скорости газового потока наблюдается увеличение коэффициента абсорбции К’pv приблизительно до 1,1510–6 кмоль/(м3·с·Па) при скорости воздуха 1,6 м/с. Произведена обработка экспериментальных данных по поглощению паров НСl раствором NаОН. Так как основное сопротивление массопередаче при абсорбции хорошо растворимых газов сосредоточено в газовой фазе, сопротивлением в жидкой фазе можно пренебречь, а коэффициент К’pv определить по величине коэффициента массоотдачи в газовой фазе pv [кмоль/(м3·с·Па)]:
К’pvpv. (18)
Для диапазона скорости газа г=1,03–1,60 м/с и расхода жидкости Vж=0,00260–0,00338 м3/с (удельный расход жидкости qуд=1,28–2,26 л/м3 газа) получены следующие уравнения для оценки pv и hог:
; (19)
. (20)
Полученная зависимость (20) действительна для следующих диапазонов: 21,02Reг32,65, 29,79Reж38,73. Отклонение значений коэффициента pv, рассчитанных по уравнению (19), от экспериментальных значений не превышает ±18,2%, а отклонение значений hог, рассчитанных по уравнению (20), от экспериментальных значений не превышает ±14,8%.
Полученные зависимости позволяют рассчитывать объемные коэффициенты массоотдачи и общую высоту единицы переноса в газовой фазе для абсорберов с волокнистыми насадками при поглощении хорошо растворимых газов с точностью достаточной для практических расчетов.
На операции травления были проведены исследования по улавливанию тумана H2SO4. При объемном расходе воздуха 6000 м3/ч (г=1,15 м/с) и суммарном удельном орошении 1,56 л/м3 концентрация H2SO4 была снижена с 8,0 мг/м3 до 0,2 мг/м3, т.е. была достигнута эффективность осаждения 97,5%. Проведенные исследования показывают, что при начальных концентрациях выбросов соляной и серной кислот, соответствующих нормальным условиям эксплуатации гальванических и травильных ванн, фильтр обеспечивает необходимую эффективность очистки отсасываемого от них воздуха.
Величину эффективности улавливания взвешенных частиц в абсорберах с волокнистой насадкой можно оценивать вероятностно-энергетическим методом с использованием известных зависимостей. При этом величина d50 (м) обратно пропорциональна значению робщ (Па)*
[4] *:
, (21)
т.е. повышенное значение гидравлического сопротивления слоя насадки должно способствовать более высокой эффективности осаждения взвешенных частиц за счет инерционных сил.
Так как при абсорбции хорошо растворимых газов в волокнистых фильтрах с увеличением скорости газового потока наблюдается стабильный рост коэффициента массопередачи, то эффективность каплеулавливания в этом случае можно повышать за счет увеличения скорости газа вплоть до 2 м/с. Испытания промышленного волокнистого фильтра показали, что при производительности аппарата от 6000 м3/ч (г=1,15 м/с) до 10 000 м3/ч (г=1,93 м/с) и удельном орошении до 2 л/м3 каплеунос составляет 5,3–27 мг/м3, т.е. весьма незначителен.
В случае же поглощения плохо растворимых газов существует ограничение по скорости газа, связанное с падением роста коэффициента абсорбции при увеличении скорости газового потока выше некоторого предела (см. рис. 4). При этом, экстремальный характер указанной зависимости объясняется сравнительно низкой растворимостью таких газов. Таким образом, повышение эффективности каплеулавливания в волокнистых фильтрах-туманоуловителях при одновременной абсорбции плохо растворимых газов может быть достигнуто увеличением толщины насадочного слоя.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Показано, что наряду с улавливанием капель туманов, волокнистые фильтры-туманоуловители достаточно эффективно способствуют абсорбции газообразных примесей, содержащихся в отходящих газах, за счет орошения фильтра соответственно подобранным абсорбентом.
2. Обобщены данные по аэродинамике различных видов волокнистых насадок и предложены зависимости для инженерного расчета гидравлического сопротивления волокнистых фильтров-туманоуловителей при орошении фильтра соответственно подобранным абсорбентом в условиях автомодельного режима, характерного для их работы.
3. Получены эмпирические зависимости для расчета объемных коэффициентов массоотдачи и высоты единицы переноса для плохо и хорошо растворимых газов, определены рациональные режимы работы волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей, при которых обеспечивается достижение максимальных значений коэффициентов абсорбции газов.
4. Установлено, что при абсорбции хорошо растворимых газов с увеличением скорости газового потока наблюдается стабильный рост коэффициента массопередачи; в случае же поглощения плохо растворимых газов существует ограничение по скорости газа, связанное с падением роста коэффициента массопередачи при увеличении скорости газового потока выше некоторого предела. При этом, экстремальный характер указанной зависимости объясняется сравнительно низкой растворимостью таких газов.
5. Предложен алгоритм и методика расчета волокнистых фильтров-туманоуловителей, решающих задачу комплексной очистки газов от взвешенных частиц и газообразных примесей.
6. Разработана и защищена патентом насадка из сетки трикотажного плетения
(Пат. 2411079 РФ; опубл. 10.02.2011, Бюл. № 4), обладающая развитой удельной геометрической поверхностью и сравнительно невысоким удельным гидравлическим сопротивлением.
7. Проведенная оценка относительных энергозатрат на проведение массообмена в жидкой фазе как отношение объемного коэффициента массоотдачи к удельному гидравлическому сопротивлению слоя насадки показала преимущество насадки из сетки трикотажного плетения по сравнению с широко используемыми в настоящее время насадками.
8. Результаты работы использованы при реконструкции действующих и проектировании новых установок очистки отходящих газов от аэрозолей и газообразных компонентов (ОАО «НИИОГАЗ», ФГУП «СоюзпромНИИпроект», г. Москва; ООО «Иматек и К», г. Минск, Республика Беларусь).
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВЕП – высота единицы переноса, м; ЧЕП – число единиц переноса; А=ж/2 – отношение коэффициента гидравлического сопротивления, обусловленного подводом орошающей жидкости, к квадрату доли насадки занятой газом; d – диаметр проволоки, м; d50 – диаметр частиц, улавливаемых в аппарате с эффективностью 0,5, м; F – площадь поперечного сечения аппарата, м2; 
– массовая скорость газа, кг/(м2·ч); Н – толщина насадочного слоя, м; hог – общая высота единицы переноса (ВЕП) в газовой фазе, м; К’pv – объемный коэффициент массопередачи в газовой фазе, кмоль/(м3·с·Па); Кyv=Кpv·Р – объемный коэффициент массопередачи в газовой фазе, кмоль/(м3·с); L – плотность орошения, кг/(м2·ч); Lфр, Lпоп – плотность орошения при фронтальном и поперечном орошении, кг/(м2·ч); (L/G)2·(г/ж) – параметр двухфазного потока; Lс – стандартная плотность орошения, принятая равной 1000 кг/(м2·ч); mpc – константа фазового равновесия, м3·Па/кмоль; Nог – общее число единиц переноса (ЧЕП) в газовой фазе; Р – общее давление в аппарате, Па; p’, p” – парциальное давление газа на входе и на выходе из аппарата, Па; р* – равновесное давление газа над жидкостью, Па; р – гидравлическое сопротивление, Па; р/Н – удельное гидравлическое сопротивление, Па/м; рж – гидравлическое сопротивление, обусловленное подводом орошающей жидкости, Па; рсух – гидравлическое сопротивление сухого (неорошаемого) насадочного слоя абсорбера, Па; рпот – суммарные потери гидравлического сопротивления на входе-выходе абсорбера и в каплеуловителе, Па; робщ – общее гидравлическое сопротивление орошаемого абсорбера, Па; рсухобщ – общее гидравлическое сопротивление сухого (неорошаемого) абсорбера, Па; qуд – удельный расход жидкости, л/м3 газа; Reг=г·d·г/(·г) – критерий Рейнольдса в газовой фазе; Reж=ж·d·ж/(·ж) – критерий Рейнольдса в жидкой фазе; S0 – удельная геометрическая поверхность насадки, м2/м3; Vгм – молярный расход газа, кмоль/с; Vж – объемный расход жидкости, м3/ч; =1– – плотность упаковки насадочного слоя, м3/м3;
жv – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, 1/c; pv – коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кмоль/(м3·с·Па); – порозность насадочного слоя, м3/м3; – доля насадки занятая газом, м3/м3; г, ж – динамическая вязкость газа и жидкости, Па·с; г, ж – плотность газа и жидкости, кг/м3; нас – насыпная плотность насадки, кг/м3; ч – плотность частиц, кг/м3; г – скорость газового потока в свободном сечении аппарата, м/с; ж – скорость жидкости в свободном сечении аппарата, м/с; сух, ж – коэффициент гидравлического сопротивления сухого (неорошаемого) слоя насадки и коэффициент гидравлического сопротивления, обусловленный подводом орошающей жидкости.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Вальдберг А.Ю. Исследование абсорбции СО2 в волокнистом туманоуловителе / А.Ю. Вальдберг, Е.В. Полиенова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2009. – № 3. – С. 37–39.
2. Полиенова Е.В. Абсорбция газов в волокнистом туманоуловителе / Е.В. Полиенова // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. – М.: МГУИЭ, 2009. – С. 45–46.
3. Полиенова Е.В. Абсорбция газов в волокнистом туманоуловителе / Е.В. Полиенова, А.Ю. Вальдберг // Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности. I Международная конференция РХО им. Д.И. Менделеева: Сб. тезисов докладов – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. – С. 155–156.
4. Вальдберг А. Исследование абсорбции углекислого газа в волокнистом туманоуловителе / А. Вальдберг, Е. Полиенова // Journal of Environmental Engineering and Landscape Management. – 2010. – Vol. 18 (1). – P. 32–37.
5. Полиенова Е.В. Расчет коэффициента гидравлического сопротивления неорошаемого (сухого) слоя волокнистой насадки / Е.В. Полиенова, А.Ю. Вальдберг // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2010. – № 2. – С. 3–4.
6. Полиенова Е.В. Аэродинамическое сопротивление новой регулярной насадки для тепло- и массообменных процессов / Е.В. Полиенова, А.Ю. Вальдберг, Р.Ф. Витковская // Дизайн. Материалы. Технология. – 2010. – № 1 (12). – С. 59–63.
7. Полиенова Е.В. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера с волокнистой насадкой / Е.В. Полиенова // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. В 2-х т. Т. 1. – М.: МГУИЭ, 2010. – С. 144–146.
8. Вальдберг А.Ю. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера с волокнистой насадкой / А.Ю. Вальдберг, Е.В. Полиенова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2010. – № 7. – С. 8–10.
9. Polienova E. Absorption of gases in devices with a fibrous packing / E. Polienova, A. Waldberg // Materials of the 19th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2010 and 7th European Congress of Chemical Engineering ECCE-7. Summaries 2. Separation processes. Praha, Czech Republic. 28 August – 1 September 2010. – P. 483–484.
10. Полиенова Е.В. Комбинированная очистка газовых выбросов от жидких взвешенных частиц (капель туманов) и газообразных примесей в волокнистых фильтрах-туманоуловителях / Е.В. Полиенова, А.Ю. Вальдберг // III Международная межотраслевая конференция по вопросам газоочистки в энергетике, черной и цветной металлургии и цементной промышленности «Пылегазоочистка-2010»: Сб. тезисов докладов – М.: ООО «ИНТЕХЭКО», 2010. – С. 81–85.
11. Полиенова Е.В. Аэродинамические испытания новых регулярных сетчатых насадок для массообменных колонн / Е.В. Полиенова, К.П. Макеева, А.Ю. Вальдберг // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2010. – № 11. – С. 37–39.
12. Полиенова Е.В. Комбинированная очистка газовых выбросов от взвешенных частиц и газообразных примесей в волокнистых фильтрах-туманоуловителях / Е.В. Полиенова // Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития: Труды X Международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов. – М.: МГУИЭ, 2010. – С. 116–121.
13. Полиенова Е.В. Расчет основных характеристик массообменного процесса в абсорберах с волокнистой насадкой / Е.В. Полиенова, А.Ю. Вальдберг // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2011. – № 2. – С. 12–16.
14. Пат. 2411079 РФ, МПК В 01 J 19/32. Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов / А.Ю. Вальдберг, Е.В. Полиенова. – № 2009124614/05; заявлено 29.06.2009; опубл. 10.02.2011, Бюл. № 4. – 8 с.
15. Polienova E. Complex cleaning of gases in the fibrous filters / E. Polienova, A. Valdberg // The 8th International Conference «Environmental Engineering». Selected Papers. Vol. I. Environmental Protection. Vilnius, Lithuania. May 19–20, 2011. – P. 275–278.
16. Вальдберг А.Ю. Очистка и охлаждение газов в насадочных скрубберах: Учебное пособие / А.Ю. Вальдберг, Е.В. Полиенова, А.С. Пушнов. – М.: МГУИЭ, 2011. – 144 с.
Подписано в печать 12.09.2011. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Тираж 120 экз. Отпечатано на ризографе МГУИЭ.
105066 Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.
[1] Коуль А.Л. Очистка газа / А.Л. Коуль, Ф.С. Ризенфельд. – М.: Недра, 1967. – 394 с.
[2] Вальдберг А.Ю. Образование туманов и каплеулавливание в системах очистки газов /
А.Ю. Вальдберг, А.А. Мошкин, И.Г. Каменщиков. – М.: Изд. дом «Грааль», 2003. – 256 с.
[3] Кафаров В.В. Основы массопередачи / В.В. Кафаров. – М.: Высшая школа, 1972. – 496 с.
** Сафонов С.Г. Сепарация взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях:
автореф. дис…канд. техн. наук. – М.: МГУИЭ, 2010. – 18 с.
