Массообмен в абсорбере с трехфазным псевдоожиженным слоем
На правах рукописи
Миронов Евгений Викторович
Массообмен в абсорбере
с трехфазным псевдоожиженным слоем
05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново 2007
Работа выполнена в Ивановском государственном химико-технологическом университете на кафедре «Машины и аппараты химических производств»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Блиничев Валерьян Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кваша Владимир Борисович
доктор технических наук, профессор
Липин Александр Геннадьевич
Ведущая организация: ОАО «ПКБ ПЛАСТМАШ», г. Краснодар
Защита состоится 27 декабря 2007 г. в _____час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГХТУ
Автореферат разослан «___» ноября 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор физико-математических наук Зуева Г.А.
Общая характеристика работы.
Актуальность проблемы. Задача развития, совершенствования и повышения эффективности технологического оборудования с двух и трехфазными системами и процессов массопереноса в них связана с глубокой проработкой физико-химических, гидродинамических, энергетических, кинетических характеристик и тепло-массообменных процессов в условиях нестационарного движения фаз с учетом конструктивных особенностей аппарата. Решение этой задачи возможно при комплексном рассмотрении нестационарного движения газовой и жидкой фаз и подвижной дисперсной фазы (элементов насадки или катализатора) в аппаратах интенсивного действия. Важен также единый методологический подход к расчету энергетических и кинетических характеристик, движущей силы процесса, тепло-массообменных характеристик и поверхности контакта фаз, позволяющий сократить трудозатраты по оценке качества конструкторских и проектных решений. Разработка методики расчета аппаратов с трехфазным слоем с учетом влияния их конструктивного оформления и реальной гидродинамики фаз является актуальной задачей.
Цель работы. Создание инженерной методики расчета процесса массопереноса в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем, включающей разработку физических и математических моделей, алгоритмов и программ расчета: кинетических характеристик, движущей силы и поверхности контакта фаз, процессов массопереноса в аппаратах с трехфазными псевдоожиженными слоями с учетом нестационарности движения фаз на единичном элементе насадки и в капле.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить анализ исследований по динамике движения газовой и жидкой фаз с энергетическими затратами на реализацию их движений;
- создать физическую и математическую модели движения фаз в секции с трехфазным псевдоожиженным слоем, алгоритм и программу для расчета кинетических характеристик и нестационарной поверхности контакта фаз;
- создать математическую модель и программу для расчета скоростей движения пленки жидкости по поверхностям насадки, стенок аппарата и в отверстиях газораспределительной решетки;
- создать математическую модель и программу для расчета движущей силы процесса массопереноса при нестационарной изотермической абсорбции на микроуровне в газовой ячейке и в секции аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем с учетом конвективного и диффузионного массопереноса.
Научная новизна работы:
- разработаны физическая и математическая модели движения газовой и жидкой фаз в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем, алгоритм и программа для расчета скоростей движения фаз с использованием полуэмпирической (К-) модели теории турбулентности;
- установлена взаимосвязь между масштабами энергоемких пульсаций газовой фазы и амплитудами пульсации жидкой и твердой дисперсной фазами, затратами потенциальной и кинетической энергии;
- разработана математическая модель и программа для расчета скоростей движения пленки жидкости по элементу поверхности: насадки, стенки аппарата и в отверстии газораспределительной решетки с учетом турбулентного характера движения газовой и жидкой фаз;
- согласно физической и математической моделей движения фаз в секции аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем и в газовых ячейках усовершенствована двухпараметрическая модель нестационарной абсорбции на микроуровне с учетом конвективного и диффузионного потоков как на границе раздела фаз в движущихся пленках и каплях жидкости, так и в целом по газовой ячейке.
Практическая ценность и реализация работы.
На основе разработанных математических моделей созданы алгоритмы и методика инженерного расчета по проектированию массообменных и пылеулавливающих аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем.
Разработанная методика расчета кинетических и массообменных характеристик использована при расчете процессов: процесса физической абсорбции и хемосорбции для очистки газовых выбросов в скрубберах производства нитроаммофоски для очистки газовых выбросов от NH3, NOx, HF, SiF4; SO2, и пыли в производстве синтетических моющих средств.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Ивановского государственного химико-технологического университета в курсах ПиАХТ и МАХП.
Автор защищает:
1. Энергетический подход к построению физической и математической модели движения газовой и жидкой фаз в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем.
2. Математическую модель, учитывающую амплитудно-частотные параметры трехфазной системы, алгоритм и программу расчета кинетических характеристик и мгновенной поверхности контакта фаз.
3. Математическую модель, алгоритм и программу расчета движущей силы процесса массопереноса и массового потока в газовой и жидкой фазах, учитывающих амплитудно-частотные характеристики движения фаз, равновесие и химическое взаимодействие фаз.
4. Инженерную методику расчета нестационарного изотермического процесса абсорбции и хемосорбции, учитывающую одновременный конвективный и диффузионный массоперенос на границе раздела фаз в пленках и каплях жидкости.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научных конференциях: международная научная конференция «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (г. Иваново, 2007); седьмая международная научная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования» (г. Иваново, 2005г.); XVIII международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ – 2004» (г. Москва, 2004г.); международных студенческих научных конференциях «Фундаментальные науки – специалисту нового века» (г. Иваново, 2002 – 2004 гг.); второй китайско-российско-корейский международный симпозиум по химии и технологии новых материалов (г. Иваново, 2003г.); третья международная научно-практическая конференция «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (г. Пенза, 2001г.); пятая международная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования» (г. Иваново, 2001г.); Third international students’ conference «environment, development, engineering» (Poland, Cracow, 2001г.); международная конференция и пятый международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Москва, 2001г.); международная студенческая конференция «Развитие, окружающая среда, химическая инженерия» (г.Иваново, 2000г.); международная научная конференция «Жидкофазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии» (г. Иваново, 1999 г.).
Структура и объём диссертационной работы.
Работа состоит из введения, шести глав, содержащих обзор литературы, постановку задачи исследований, разработку физических и математических моделей, алгоритмов и программ расчета, описание методик экспериментов, обработку результатов исследований и представление адекватности, области использования и рекомендации по промышленному внедрению; общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 181 страницах, включает 37 рисунков, 3 таблицы, библиография 121 наименование и 5 приложений.
Основное содержание работы.
В первой главе представлен литературный обзор, посвященный проблемам физического и математического моделирования движения газовой, жидкой и твердой дисперсной фаз, расчета кинетических характеристик, движущей силы и массопереноса в трехфазном псевдоожиженном слое.
Решению проблем физического и математического моделирования аппаратов с трех- и двухфазными системами посвящено большое количество исследований различных школ. Особенно в этом направлении необходимо отметить работы Гельперина Н.И., Айнштейна В.Г., Кваши В.Б., Захарова М.К. (Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова); Мухленова И.П., Тарата Э.Я., Островского Г.М., Абиева Р.Ш. (Санкт-Петербургский государственный технологический институт); Балабекова О.С., Сабырханова Д., Шарыгина М.П. (Технологический университет г. Чимкент); Кутепова А.М., Тимонина А.С., Покусаева Б.Г., Соломаха Г.П., Бляхера И.Г., Живайкина Л.Я. (Московский государственный университет инженерной экологии) по исследованию гидродинамики, тепло- и массопереноса в двух- и трехфазных системах. Проблемам математического моделирования аппаратов с двух- и трехфазными системами с учетом иерархической структуры процессов посвящены работы Кафарова В.В., Дорохова И.Н., Мешалкина В.П., Гордеева Л.С., Вальдберга А.Ю. (Российский государственный химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева). Решению фундаментальных проблем моделирования двухфазных химических реакторов посвящены работы Слинько М.Г., Вязьмина А.В., Каминского В.А. (Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова), Малюсова В.А., Шкадова В.Я., Дильмана В.В., Кулова В.Я. (Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова); Холпанова Л.П. (Институт проблем химической физики РАН); Мошинского А.И., Юдаева В.Ф. (ФГУП РНЦ «Прикладная химия», г. Санкт-Петербург), Полянина А.Д. (Институт проблем механики РАН, г. Москва), Накорякова В.Е. (Институт теплофизики им С.С. Кутателадзе СО РАН г. Новосибирск), С.П. Рудобашта (Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина).
Отмечено, что в настоящее время значительное место в теории и в практике занимают эмпирические и полуэмпирические, а также балансовые модели массообмена. Отсутствуют работы, в которых в рамках единого системного подхода при математическом описании движения фаз были бы использованы энергетические и амплитудно-частотные характеристики, в том числе и с движущейся границей фазового перехода.
Анализ процесса массопереноса в двухфазной системе газ-жидкость в условиях быстрообновляемой поверхности раздела фаз показывает необходимость учета конвективного переноса в жидкой и газовой фазах. Поверхностная конвекция оказывает большое влияние на интенсификацию процессов массопереноса в жидкой и газовой фазах, как при турбулентных, так и при переходных режимах.
Исследования по массопереносу, выполненные для двухфазной системы, не затрагивают сложную гидродинамическую обстановку в аппаратах интенсивного действия, генерируемую турбулентностью с вихрями, составленными из волновых пакетов с широкими амплитудно-частотными спектрами, характерными для промышленных аппаратов.
Выполненный анализ литературных источников показал недостаточно глубокую проработку физических и математических моделей в трехфазном псевдоожиженном слое и двухфазных системах на микро и макроуровнях, наличие большого количества допущений, ставящих под сомнение адекватность физических и математических моделей реальным физическим и химическим процессам, отсутствие в физических и математических моделях взаимосвязанного характера движения газовой, жидкой и твердой фаз (элементов насадки) и влияния на это движение конструктивных особенностей аппарата.
Вторая глава посвящена расчету основных энергетических характеристик системы (турбулентная кинетическая энергия, скорость диссипации кинетической энергии, потенциальная энергия и потенциальная мощность газового потока), которые определяют амплитудно-частотные характеристики, величины коэффициентов турбулентной и эффективной диффузии и поверхность контакта фаз в трехфазной псевдоожиженной системе.
В качестве объекта для определения величин значений кинетических характеристик и поверхности контакта фаз выбран аппарат – абсорбер с трехфазным псевдоожиженным слоем (псевдоожиженные газовым потоком подвижные элементы шаровой насадки с движущейся по ним и стенке аппарата пленке жидкости и подвижные капли жидкости, сорванные с движущихся пленок жидкости или образованные в результате дробления струй).
Абсорбер представляет собой цилиндро–конический аппарат, включающий: циклонную (вихревую) газораспределительную камеру; 23 секции с подвижной шаровой насадкой и с крупнодырчатыми (отверстиями диаметром 620 мм), щелевыми или трубными решетками; сепаратор; расширитель, включающий устройство с тангенциально расположенными лопатками для отделения капель от газового потока.
Формализация конструктивного оформления аппарата с псевдоожиженным слоем насадки проводилась следующим образом, аппарат разбивался на ступени (газораспределения, контактная, сепарационная), каждая ступень, в свою очередь, разделялась на зоны. Газораспределительная ступень представлялась как: ядро, основной тангенциальный поток, пристенная зона. Контактная ступень подразделялась на прирешеточную зону, пристенную зону, зону псевдоожижения и зону орошения.
В каждой зоне выделялись элементы, обтекаемые газовым потоком (капли жидкости первичного и вторичного дробления, элементы шаровой насадки с пленкой жидкости, перемычки между отверстиями с пленкой жидкости в решетке) и каналы (между элементами насадки, каплями, стенкой и элементами насадки, в отверстиях решетки) (рис.1).
Для зон орошения и псевдоожижения определялись диаметры газовых ячеек и каналов между каплями и элементами насадки. Газовая ячейка (рис.1 в) представляет собой единичный элемент насадки с движущейся пленкой жидкости, обтекаемый газожидкостным (капельным) потоком или каплю жидкости, окруженную газовым потоком. Зоны (орошения, псевдоожижения, ядро и основной тангенциальный поток в газораспределителе) дополнительно по высоте зоны разбивались на «псевдотарелки». Исходя из расхода жидкости, удерживающей способности слоя и скоростей газового потока в данных локальных областях по кривой дробления капель в потоке газа с учетом режимов критической деформации и распыления и числа We, определялись диаметры капель первичного дробления, их число и поверхность.
Структура трехфазного псевдоожиженного слоя была формализована, как ряд «псевдотарелок». Высота тарелки принималась равной диаметру газовой ячейки в соответствии с порозностью локальной зоны и диаметром насадки (dШ). Количество элементов насадки (NШ) в аппарате, амплитуда пульсаций стохастически образующихся агрегатов из элементов насадки по высоте слоя и порозность псевдоожиженного слоя определяют расстояние между «псевдотарелками» по вертикали (hТ), между элементами насадки по горизонтали(dГ) и количество элементов насадки на одной «псевдотарелке» (lЭ). Число «псевдотарелок» (mТ) зависит от динамической высоты слоя и связано с порозностью.
а б в
Рис. 1. Физическая модель трехфазного псевдоожиженного слоя и газовой ячейки
1 – газораспределительная решетка, 2 – контуры циркуляции, 3 – элементы подвижной насадки, 4 – стенка аппарата, 5 – агрегаты с нисходящим движением, 6 – агрегаты с восходящим движением, 7 и 8 – «псевдотарелки»
Каждая тарелка в зависимости от режима псевдоожижения и диаметра агрегатов разбита по горизонтали на n агрегатов и k их элементов, совершающих на данной высоте слоя периодически расширение и сжатие с определенными частотами и амплитудами.
Анализ экспериментальных данных исследования динамики слоя стереометрическим методом показал, что с ростом высоты псевдоожиженного слоя частота пульсаций уменьшается, а амплитуда увеличивается. Частота и амплитуда в поперечном сечении слоя постоянны для агрегатов при их восходящем или нисходящем движении на данной высоте. Рост амплитуды пульсации, по-видимому, происходит как за счет увеличения объема газового пузыря, так и за счет роста диаметра каналов, в которых движутся агрегаты, что приводит к уменьшению частоты пульсаций. В трехфазном псевдоожиженном слое больше высоты слоя от решетки 200 мм появляются низкочастотные пульсации (рис.2). С увеличением плотности орошения с 25 м3/м2ч до 90 м3/м2ч пульсационный режим движения в псевдоожиженном слое часто переходит в циркуляционный по всей высоте слоя.
Движение газовой и жидкой фаз представляют собой взаимосвязанные колебательные течения, направленные навстречу друг друга. Механизм пульсационного движения фаз обусловлен нелинейным характером локальных инерционных сил в трехфазной псевдоожиженной системе, а также сил, действующих на деформирующейся границе газ-жидкость.
Рис.2. Изменение частоты пульсаций в трехфазном псевдоожиженном слое по динамической высоте слоя
Размер газовой ячейки определяется в зависимости от объема псевдоожиженного слоя, количества элементов насадки, общей и локальной порозности в слое при размещении их по равностороннему треугольнику(i=1) или квадрату(i=2).
. (1)
Диаметр канала между элементами равен:
. (2)
Количество «псевдотарелок» определяются:
. (3)
В третьей главе выполнен расчет локальных скоростей и коэффициентов диффузии трехфазного псевдоожиженного слоя и поверхности контакта фаз.
Изменение частоты пульсации трехфазного псевдоожиженного слоя по высоте происходит согласно универсальной структуре, называемой обратным (перевернутым) «генеалогическим древом».
Так как механизм турбулентного переноса импульса, массы и тепла один и тот же, то коэффициент турбулентной диффузии DT и коэффициент турбулентной вязкостиТ должны быть близки по величине и определяться по одной методике:
. (4)
Эта формула позволяет наиболее полно учесть энергетические, частотные и конструктивные параметры аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем. Величина коэффициента турбулентной диффузии на границе раздела фаз в газовой ячейке может изменяться по экспоненциальному (или линейному) закону в зависимости от количества волн в волновом пакете. Уравнение для расчета коэффициента эффективной вязкости TijГ в случае экспоненциального закона распределения имеет вид:
, при i=1,2,3 (каналы); (5)
при j=1,2,3 (элемент насадки). (6)
Ввиду того, что перенос импульса и массы в трехфазном псевдоожиженном слое определяется по средней величине из i, j-тых волновых движений, суммарный коэффициент турбулентной диффузии в газовой фазе в зависимости от числа волновых пакетов равен:
. (7)
Коэффициент эффективной диффузии в жидкой фазе принят изменяющимся по экспоненциальному (или линейному) закону от коэффициента турбулентной диффузии на границе раздела фаз до коэффициента молекулярной диффузии на поверхности насадки или аппарата:
. (8)
На границе раздела фаз коэффициенты турбулентной диффузии определяются для жидкости – волновым движением при обтекании пленки жидкости газовым потоком, обтеканием элементов насадки, протеканием газовой фазы по каналу между элементами насадки и обтеканием капель жидкости, дроблением возникающих турбулентных вихрей, бомбардировкой пленки каплями, срывом капель с поверхности пленки, соударением и вращением элементов насадки.
Определение поверхности контакта фаз. Для расчета поверхности контакта фаз принимаем известное положение, согласно которому поверхность пленки покрыта регулярными конусообразными трехмерными волнами с соответствующими амплитудами и частотами.
Кинетическая энергия расходуется на процесс волнообразования и на преодоление сил поверхностного натяжения. Таким образом, поверхность образующейся капли равна:
, (9)
здесь 
– энергия единичной волны.
Рис.3. Изменение поверхности контакта фаз (S) в трехфазном псевдоожиженном слое (Dа=0,19м, dнас=27мм, Но=0,2м, wг=3,5м/с, П=50м3/м2ч). QFN – поверхность пленок жидкости, Skont – поверхность капель.
(S=QFN+Skont)
Поверхность капель, генерируемая в результате взаимодействия турбулентного газового потока с пленкой жидкости, в слое насадки определится по следующей формуле:
. (10)
Общая волновая поверхность межфазного контакта в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем, согласно рассчитанным спектрам пленок и капель, может быть выражена в виде зависимости:
. (11)
Расчет толщины пленки жидкости производится по формулам:
н = Uг * lнас / гт * (гт/g)1/3 на элементе насадки; (12)
а-р = Uж * lапп / гт * (гт/g)1/3 на стенке аппарата и в отверстиях решетки. (13)
Определение средней скорости течения пленки жидкости по поверхности элемента насадки, в отверстии газораспределительной решетки и на стенке аппарата выполнено для условий динамического равновесия, когда сила тяжести пленки и вышележащего газожидкостного слоя уравновешиваются силой внутреннего трения и трением на границе фаз. На поверхности насадки, решетке и стенке аппарата принято условие прилипания, на границе раздела фаз – равенство касательных напряжений при турбулентном режиме. Скорость движения пленки жидкости на поверхности насадки и по стенке аппарата рассчитывается по формуле:
V=g/(kTmax ) · ek[(kr-1)e-kr +1]+ (-rs)/(kжмах) · ek(1-e-кr). (14)
Скорость движения пленки жидкости в отверстии решетки определяется по формулам для движения жидкости по стенке аппарата с учетом действия вышерасположенного столба жидкости:
Vжпл = Vж + (2g·Hслсл/ж). (15)
Разработаны алгоритмы расчета скорости стекания пленки жидкости по поверхности насадки, стенке аппарата и в отверстии решетки.
Расчет по трехслойной схеме течения пленки жидкости, выполненной Даклером и Бергелином, дает аналогичные результаты с расчетом по нашим алгоритмам. Сравнение результатов расчета профилей скоростей в турбулентной пленке, свободно стекающей по вертикальной поверхности, проведенных по уравнению данной работы и уравнению Кутателадзе и Стырковича показывает: способ определения скоростей течения турбулентной пленки по данным математическим моделям и основные существующие способы расчета параметров пленки дают сопоставимые результаты.
В четвертой главе для расчета движущей силы на микроуровне качестве элементарного объема аппарата принята газовая ячейка, ограниченная поверхностью нулевого градиента концентрации абсорбируемого компонента. В центре газовой ячейки расположен элемент шаровой насадки с движущейся по нему пленкой жидкой фазы, обтекаемый газожидкостным потоком.
Основой математической модели процессов физической абсорбции и хемосорбции в газовой ячейке аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем принята следующая система балансовых уравнений:
- газовая фаза
; (16)
- жидкая фаза
. (17)
где t - время средне- или высокочастотного пульсационного цикла в потоке, соизмеримого с временем прохождения газовым потоком поверхности контакта фаз (пленки жидкости или капли).
Для замыкания системы дифференциальных уравнений согласно рассмотренной физической модели, принимаем следующие начальные, граничные условия и условия сопряжения:
- по газовой фазе. 
; 
; 
; 
; (18)
- по жидкой фазе 
; 
; 
; 
; (19)
- на межфазной поверхности 
;
|r=(R+)+0
|r=(R+)-0 + 
. (20)
Из условий (на межфазной поверхности) – первое условие дает связь концентрации абсорбируемого компонента в газовой и жидкой фазах через коэффициент распределения по линейной зависимости (система подчиняется закону Генри), а второе – является условием равенства диффузионных и конвективных потоков на границе раздела фаз газ-жидкость.
Кроме вышеуказанных, при разработке модели приняты следующие допущения: тепловой эффект хемосорбции незначителен, процесс испарения и конденсации пленки жидкости отсутствует.
Для решения задачи используем пространственно временную сетку. Заменяя преобразованную задачу ее конечно-разностным аналогом и используя в качестве итерационной продольно-поперечную экономичную схему Писмана-Рекфорда, которая аппроксимирует дифференциальные уравнения на каждом полушаге, получим систему алгебраических уравнений. По разработанному алгоритму составлена программа расчета. В результате расчета получены профили концентраций в газовой и жидкой (пленке и капле) фазах, значения диффузионного и конвективного потоков, эффективность «псевдотарелок» по высоте.
На рис. 4 и 5 показано изменение безразмерной концентрации в газовой и жидкой фазе для газовой ячейки с каплей и элементом насадки. Время процесса соответствует времени прохождения газовым потоком единичного элемента. C=Cт/С0 – безразмерная концентрация. Кривые соответствуют шагам по угловой координате от 0 до. 20-ая позиция г в газовой фазе и 1-ая позиция ж в жидкой фазе соответствуют границе раздела фаз, 1-ая позиция г в газовой фазе – радиусу газовой ячейки, 10-ая позиция ж в жидкой фазе – центру жидкой капли или поверхности элемента насадки.
газ капля жидкости
Рис. 4. Изменение безразмерной концентрации (С) в газовой и жидкой фазах при физической абсорбции SO2 в газовой ячейке, t=0,0077с. (Dа=0,19м, dнас=27мм, Но=0,2м, wг=3,5м/с, П=50м3/м2ч, =0,00074)
газ а пленка жидкости
газ б пленка жидкости
Рис. 5. Изменение безразмерной концентрации в газовой и жидкой фазах при физической абсорбции SO2 в газовой ячейке, а - t=0,0077с., б - t=0,0761с.
(Dа=0,19м, dнас=27мм, Но=0,2м, wг=3,5м/с, П=50м3/м2ч, =0,00074)
В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований.
Экспериментальная установка состоит из двухсекционной абсорбционной колонны диаметром 190 мм. В исследованиях использовались решетки щелевые провального типа со свободным сечением 25%, 50% и 75%. В качестве насадки применяли полые полиэтиленовые шары диаметром 27 мм, вспененные полипропиленовые шары диаметром 40 мм. Статическая высота слоя насадки в различных экспериментах составляла 100, 200 и 300 мм. Скорость ожижающего агента изменялась в пределах от 1 до 4 м/с, а плотность орошения составляла 25, 50, 70 и 90 м3/м2ч.
Для определения гидродинамической структуры жидкостного потока в качестве трассера использовали однонормальный раствор KCl. Изменение концентрации определялось при помощи кондуктометрического датчика. Гидродинамическую структуру слоя и степень продольного и поперечного перемешивания газового потока определяли методом газового трассера. В качестве трассера использовали газ гелий. Кривые отклика обрабатывались по методу моментов с получением значений среднего времени пребывания, дисперсии, скоростей движения фаз, коэффициентов продольной и радиальной диффузии, удерживающей способности по фазам и числа ячеек идеального перемешивания.
Движение элементов меченой насадки фиксировали методом высокоскоростной киносъемки с последующей обработкой кадров киносъемки. При этом определялись траектория элемента насадки, средняя восходящая и нисходящая скорость ее движения, скорость вращения элементов меченой насадки, а также амплитуды и частоты пульсаций поверхности слоя.
Измерение толщины пленки жидкости, на движущимся элементе насадки, осуществлялось методом емкостного зонда. Спектральный анализ осуществляли по осциллограммам мгновенных пульсаций толщины пленки жидкости на стенке аппарата и подвижном элементе шаровой или кольцевой насадки. Обработка данных выполнялась на базе быстрого преобразования Фурье. В результате получали спектры: модуля и плотности мощности, характеризующего энергетический вклад от конструктивных элементов аппарата и агрегатов из элементов насадки.
Величина статической поверхности контакта фаз определялась химическим способом посредством абсорбции CO2 12% раствором NaOH. Величина динамической поверхности контакта фаз определялась стереометрическим методом. Мгновенная удельная межфазная поверхность в псевдоожиженном слое орошаемой насадки растет с увеличением скорости ожижающего агента и плотности орошения. При малых плотностях орошения мгновенная удельная поверхность контакта фаз, измеренная в верхней части слоя, имеет небольшие значения (88 - 260 м2/м3), для мгновенной удельной поверхности контакта фаз над решеткой (в целом по слою) характерны значительно большие величины (880 - 1100 м2/м3).
Определены гидродинамические параметры и коэффициенты математических моделей при Re газа от 2000 до 70000, Re жидкости от 100 до 3000 и We от 1,7 до 821 для аппаратов объемного контактирования диаметром 0,19 и 1,8 м с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки. Наибольший энергетический вклад обеспечивают частоты, определяющие конструктивные параметры аппарата, размеры каналов в агрегатах насадок и каналов между насадками. Анализ амплитудно-частотных характеристик трехфазного псевдоожиженного слоя выявил наличие следующих классов частот: низких (от 0.5 (1.5) до 15 1/с), средних (от 15 до 75 1/с) и высоких (от 75 до 350 1/с и выше при обтекании капель). Соответственно в газовой фазе для низких частот характерны следующие масштабы пульсаций от 9.5*10-3 до 1.5*10-3 м, для средних – от 1.5*10-3 до 3*10-4 м, для высоких – от 3*10-4 до 3*10-5 и меньше. В жидкой фазе амплитуды пульсаций пленки жидкости имеют следующие значения: для низких частот от 3.9*10-3 до 2.1*10-4 м, для средних от 2.1*10-4 до 1*10-5 м, для высоких от 1*10-5 м. и менее. Пульсационная скорость газа изменялась - от 0,1 до 1,1 м/с; скорость жидкой фазы - от 0,022 до 0,5 м/с; коэффициенты радиальной диффузии газа от 10-4 до 0,8х10-3 м2/с; продольной - от 0,005 до 0,035 м2/с; жидкой фазы - от 0,0005 до 0,027 м2/с; диаметры капель - от 0,00004 до 0,0045 м при их числе, соответственно, от 758320 до 1162 шт. Частота пульсаций поверхности трехфазного псевдоожиженного слоя изменяется от 1 до 4 1/с, амплитуда от 0,4 до 0,03 м; скорости восходящего и нисходящего движения насадки от 0,2 до 0,5 м/с.
Экспериментальные исследования по двухфазным барботажным и двух- и трехфазным псевдоожиженным слоям показывают, что порозность в двух и трехфазных слоях по высоте изменяется. Изменение порозности в соответствии с полученными расчетными и экспериментальными данными принято по линейному закону.
Исследования процесса образования капель при обтекании единичного элемента насадки газовым потоком, совершающим возвратно-поступательные движения, выполняли на модельной установке. В результате обработки эксперимента определяли диаметр капель, который изменялся от 9 мм до 0,2 мм. Средний диаметр капель 1,5–2 мм., причем часть капель представляют из себя дисперсную систему из газо-жидкостных пузырьков с размерами на 1-2 порядка меньше чем диаметры капель.
Относительная погрешность расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 – 15%.
В шестой главе представлена блок-схема алгоритма инженерного расчета процессов физической абсорбции и хемосорбции.
| Начало | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ввод исходных данных | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Выбор типа аппарата | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Формализация аппарата на ступени, зоны, ячейки, каналы, обтекаемые элементы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет параметров газовой ячейки | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет энергетических и кинетических характеристик газовой фазы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет толщин пленок жидкости, расчет скоростей движении пленки, расчет энергетических и кинетических характеристик жидкой фазы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет волновых характеристик пленок жидкости и поверхности контакта пленок и капель | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет динамики движения элементов насадки, расчет параметров агрегатов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Уточненный расчет кинетических характеристик и поверхности контакта фаз | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет движущей силы процесса абсорбции в пленке и в капле жидкости | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет процесса абсорбции на «псевдотарелке» с определением массовых потоков в пленке и капле | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Переход на следующую | да | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| псевдотарелку | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Пройден весь слой | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Расчет общего поглощенного вещества на «псевдотарелках» и концентрации компонентов фаз на входе и выходе с «псевдотарелок» | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | Да | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Нет | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Изменение параметров (таких как U, П, числа ступеней, dнас) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Вывод основных результатов расчета: количества поглощенного вещества на «псевдотарелках» и концентрации компонентов фаз на входе и выходе из аппарата, общее количество ступеней и псевдотарелок и высоты аппарата | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Конец | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис.6. Сопоставление экспериментальных данных и расчетных значений выходных концентраций SO2 в аппарате с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки для Dа=0,19м, dнас=27мм, Но=0,2м, wг=3,0м/с, П=70м3/м2ч, Не=0,00074 и начальных концентрациях 200, 500, 1000, 5000, 10000 мг/м3
Выполненные расчеты по физической абсорбции и хемосорбции показали хорошую сходимость с результатами, полученными рядом авторов (Чаусовым М.В., Кареевой В.М., Квашой В.Б.).
Основные выводы.
- С позиции системного анализа выполнена формализация аппарата с трехфазной псевдоожиженной системой. В соответствии с классификацией уровней иерархии в аппарате выделены: ступени, зоны, газовые ячейки, каналы и элементы, обтекаемые газовом потоком.
- Разработаны физические и математические модели движения фаз в трехфазной псевдоожиженной системе. В основе физических моделей положено обтекание движущейся пленки жидкости пульсирующим газожидкостным потоком в слое подвижной шаровой насадки. Математическое описание газожидкостного и твердого дисперсного потока учитывает их энергетические характеристики и выполнено на основе формул полуэмпирической теории турбулентности и вынужденных колебаний трехфазной системы.
- Разработаны методики расчета с учетом конструктивных особенностей аппарата и его внутренних устройств энергетических и кинетических характеристик движения фаз и генерируемой при этом мгновенной (быстро обновляемой) поверхности контакта фаз на основе амплитудно-частотных характеристик волновых пакетов.
- Разработана математическая модель движения пленки жидкости по элементу насадки, вертикальной стенке аппарата и в отверстии решетки и получены расчетные уравнения для определения толщин и скоростей движения пленок.
- На базе фундаментального двухпараметрического уравнения конвективной диффузии с учетом амплитудно-частотных характеристик волновых пакетов разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета движущей силы процесса массопереноса и массовых потоков газовой и жидкой фаз.
- На экспериментальной и модельной установках получены необходимые кинетические и массообменные характеристики для проверки адекватности расчетных параметров математических моделей. Подтверждена адекватность математических моделей массопереноса по экспериментальным данным и исследованиям других авторов.
- Разработана методика инженерного расчета процесса абсорбции и хемосорбции. Методика инженерного расчета использована при проектной проработки вариантов реконструкции промышленных абсорберов для очистки газовых выбросов от SO2, NH3, HF, NOх.
Обозначения: Dа – диаметр аппарата, dн – диаметр насадки, Hd – динамическая высота слоя, С – коэффициент сопротивления, k i,j – кинетическая энергия, i,j – энергия диссипации, U*,U’ – динамическая и пульсационная скорости, – поверхностное натяжение, fij – частота пульсаций, mвij – масса единичной волны, Aжij – амплитуда пульсаций, nвij – количество волн на поверхности, Nш – количество элементов насадки, – длина волны, – толщина пленки жидкости, lнас, lапп – масштабы энергоемких пульсаций для насадки и аппарата, k – коэффициент затухания, –касательные напряжения, – удельный вес, Rш – радиус элемента насадки, Rя – радиус газовой ячейки, W(Ci,T) – скорость химической реакции псевдопервого порядка, – константа Генри.
Результаты диссертационной работы изложены в 18 публикациях, основными из которых являются следующие:
- Миронов, Е. В. Моделирование процесса массопереноса в трехфазном псевдоожиженном слое / Миронов Е. В., Блиничев В. Н., Миронов В. П. // Международная научная конференция «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием». - Иваново, 2007. – т. 1, С. 259 – 265.
- Миронов, Е. В. Исследование кинетических характеристик для химико-технологических аппаратов с трехфазной системой (ТФС) / Миронов Е. В., Носков С. А., Миронов В. П. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. – Иваново, 2000. - т. 43, Вып. 6, С. 92-96.
- Миронов, Е.В. Определение движущей силы и кинетики процессов массопереноса в трехфазной системе на микроуровне / Миронов Е. В., Блиничев В. Н., Миронов В. П. // Успехи в химии и химической технологии. - М., 2004. - Т. XVIII, № 5 (45), С. 107 - 111.
- Миронов, Е. В. Исследование процесса массопереноса в трехфазной системе с учетом динамических и энергетических характеристик / Миронов Е. В, Блиничев В. Н., Миронов В. П. // Седьмая международная научная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования». - Иваново, 2005г. - С. 228 – 230.
- Mironov, Е. Modeling the Mass- and Heat Transfer in the Apparatus with Two- and Three Phase Systems / Е. Mironov, V. Mironov // Материалы Второго китайско-российско-корейского международного симпозиума по химии и технологии новых материалов. – Иваново, 2003. - С. 33 - 35.
- Миронов, Е. В. Исследование амплитудно-частотных и кинетических характеристик в аппаратах с трехфазной системой / Миронов Е. В., Миронов В. П. // Межвузовский сборник научных трудов «Процессы в дисперсных средах». – Иваново, 2002. - С. 131 – 135.
- Миронов, Е. В. Анализ эффективности экологических систем / Миронов В. П., Миронов Е. В. // Третья международная научно-практическая конференция «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов. - Пенза, 2001г. – С. 24 – 26.
- Миронов, В. П. Энергетический подход при расчете кинетических характеристик и поверхности контакта фаз в двух и трехфазных системах / Миронов В. П., Кокина Н. Р., Миронов Е. В. // Пятая международная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования». - Иваново, 2001. – С. 319 – 324.
- Mironov, Y. The power approach to calculation of kinetic characteristics and surfaces of contact of phases in two and three-phase systems / Yegeniy Mironov // Third international students’ conference «Environment, Development, Engineering». – Poland, Cracow, 2001. - P. 119 – 122.
- Миронов, Е.В. Теоретическое определение кинетических характеристик для химико-технологических аппаратов с трёхфазной системой (ТФС) / Миронов Е. В., Носков С. А., Прусов С. С. // Международная научная конференция «Жидкофазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии». – Иваново, 1999 г., - С. 73 – 75.
- Миронов, Е. В. Экспериментальное определение кинетических характеристик для химико-технологических аппаратов с трёхфазной системой (ТФС) / Миронов Е. В., Носков С. А., Прусов С. С. // Международная научная конференция «Жидкофазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии». – Иваново, 1999 г., - С.78 – 79.
