автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процесса абсорбции аммиака высокой концентрации в вихревом аппарате для производства кальцинированной соды

На правах рукописи

Балыбердин Алексей Сергеевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ АММИАКА ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ВИХРЕВОМ АППАРАТЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАЛЬЦИНИРОВАННОЙ СОДЫ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань, 2004 г

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Махоткин Алексей Феофилактович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Маминов Олег Владимирович

кандидат технических наук, с.н.с. Реут Валерий Иванович

Ведущая организация: ОАО «Сода» г. Стерлитамак

Защита диссертации состоится « 12 » ноября 2004 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул., К. Маркса, 68 (зал ученого совета, А-330).

Автореферат разослан « » Окл/м^йуиЗ-у 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

С. И. Поникаров

2

[42> 6

2110232

Общая характеристика диссертационной работы.

Актуальность темы. Производство кальцинированной соды и химических продуктов на ее основе занимает значительное место в структуре химической промышленности России и стран СНГ. Усовершенствование содового производства до последних лет было направлено на улучшение технологии и модернизацию основного производственного цикла, в основном, за счет увеличения габаритов аппаратов, поскольку они оснащены контактными устройствами, в которых рабочие скорости контактирующих фаз невелики. Дальнейшее увеличение мощности производства в таких условиях возможно только за счет увеличения числа аппаратов. Поэтому разработка и исследование высокоэффективных вихревых контактных устройств и аппаратов на их основе является актуальным. Это позволит сократить материалоемкость производства, повысить эффективности тепломас-сообменных процессов, исключая потери ценных продуктов в окружающую среду.

Целью данной работы является: Разработка новых контактных устройств, способных обеспечить повышенную производительность и эффективную работу тепломассо-обменных установок в условиях значительного изменения расходов газа по высоте аппарата и существенного изменения нагрузки во времени, что характерно для тепломассо-обменных аппаратов содового производства; исследование основных гидродинамических и теплообменных характеристик новых контактных устройств, обеспечивающих пониженное гидравлическое сопротивление и повышенную единичную мощность.

Научная новизна. Получены экспериментальные результаты и эмпирические зависимости разработанных вихревых контактных устройств, обладающие пониженным гидравлическим сопротивлением и высокой пропускной способностью по газовой и жидкой фазе. Выполнено обобщение закономерностей массоотдачи в газовой фазе в системе аммиак-вода для насадочных, барботажных, вихревых и распылительных аппаратов.

Практическая ценность. Разработаны технологическая схема, способ и новые вихревые контактные устройства для интенсификации смеси аммиака и диоксида углерода высокой концентрации, применительно к производству кальцинированной соды, позволяющие при действующей производительности снизить материалоемкость абсорбцион-

Выражаю благодарность кандидату технических наук, доценту Петрову Владимиру Ивановичу за совместное создание первых образцов промышленных вихревых контактных устройств и участие в руководстве работой

РОС И >'9 БАЛЬНАЯ С.!

юобРК

ных аппаратов в семь раз и повысить экологическую безопасность всего производства. Аппарат для санитарной очистки газовых выбросов внедрен в производство кальцинированной соды г. Красноперекопск.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных методов экспериментальных и теоретических исследований, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных и подтверждается положительными результатами промышленных испытаний новых аппаратов.

Реализация работы. Разработанный аппарат внедрен в производство на Крымском содовом заводе г. Красноперекопск. Методика расчета аппаратов используется в учебном процессе.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной методической конференции «Экология - образование, наука и промышленность», Белгород - 2002 г., Второй международной научно-практической конференции «Экология: Образование, наука промышленность и здоровье», Белгород - 2004 г., Юбилейной научно-технической конференции «Автоматика и электронное приборостроение», Казань - 2001 г., Научных сессиях КГТУ, Казань - 2001 -2004 гг.,

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных трудов. Получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 133 наименований и приложений. Общий объем диссертации 208 страниц машинописного текста, включая 69 рисунков и 1 таблицу.

Содержание диссертационной работы

В первой главе проведен анализ физико-химии процесса абсорбции смеси аммиака и диоксида углерода высокой концентрации. Выполнен критический анализ действующих технологий и аппаратов производства кальцинированной соды.

Во второй главе Рассмотрены пути интенсификации теплообмена в процессе абсорбции аммиака высокой концентрации. Проведен анализ массообмена и обобщены закономерности массоотдачи в газе от скорости газа для различных аппаратов системы

аммиак-вода. Зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе от скорости газа для различных массообменных аппаратов, включая вихревые аппараты (рис.1), описывается единым обобщающим уравнением:

р^А-УУ*-1 (1)

где р - коэффициент массоотдачи, м/с-, А - коэффициент учитывающий тип аппарата; IV - скоростьгаза, м/с.

Обобщение стало возможным при отнесении коэффициента массоотдачи к площади поверхности контакта фаз.

1

о i

еа

001

0 001

0 01 0 1 1 10 100 Wii/c

Рис. 1 Зависимость коэффициента массоотдачи, отнесенного к поверхности контакта фаз, для различных аппаратов от скорости газа 1 - насадочная колонна; 2 - барботажный аппарат; 3 - вихревой аппарат;4 - труба Вентури.

В третьей главе разработана конструкция ступени для абсорбции смеси аммиака и диоксида углерода высокой концентрации. Такая ступень должна состоять из двух тарелок: рабочей и сепарационной, расположенной над рабочей. Анализ различных конструкций тарелок показывает, что в качестве рабочей ступени аппаратов абсорбции газов необходимо использовать вихревые контактные устройства (ВКУ) с нисходящим взаимодействием фаз, а для сепарационной тарелки применять контактные устройства с цилиндрическим контактным патрубком. На рис. 2 представлена разработанная ступень.

Рис. 2 Разработанная рабочая ступень вихревого абсорбера аммиака высокой концентрации для производства кальцинированной соды 1 - корпус; 2 - тарелка; 3,5- гидрозатвор; 4 - патрубок, выполненный в виде навитой трубы; 6 - завихритель; 7 - газовый патрубок; 8 - цилиндрический патрубок;

9 - отбойник.

Исследования, проведенные в диапазоне по расходу газа 200-1300 м3/ч; расходу жидкости 0,25-6,0 м3/ч, показали (рис. 3), что гидравлическое сопротивление новой конструкции контактного устройства при величине Ь/й = 30 кг/кг и рабочей скорости в за-вихрителе 10 м/с в шесть раза меньше чем тарелки дырчатого типа при этой же скорости газа и ¿/С = 15 кг/кг. Полученные результаты описываются следующими эмпирическими уравнениями: для сухого контактного устройства:

АР = 1,50''2 (2)

для орошаемого контактного устройства:

ДР = 1,7Ж2 (3)

где АР - гидравлическое сопротивление, контактного устройства, Па', \¥ - скорость газа в завихрителе, м/с.

На рис. 4 представлена зависимость брызгоуноса сепарационной тарелки от изменения расхода жидкости ¿ = 0,25-3 мг/ч и скорости газа в завихрителе )¥ = 10,8-28,9 м/с. Уравнение, обобщающее данные интервалы расходов жидкости и скоростей газа имеет вид:

L, кг/ч

Рис. 4 Зависимость брызгоуноса сепарационной тарелки от расхода жидкости.

1-2=150 — ,2- с = 400 —.

Рис. 3 Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газа при больших массовых нагрузках по жидкой и газовой фазам.

1 - сопротивление сухого ВКУ. 2 - сопротивления ВКУ с нисходящим прямотоком при £=б—; 3 - сопротивление ВКУ с восходящим

прямотоком при l=б—; 4 - Известное контактное

устройство с дырчатыми тарелками при l=

£ = 0,9е(0'002+"'13) (4)

где Z, - расход жидкости кг/ч, Е - массовый брызгоунос кг/ч.

Процесс абсорбции смеси аммиака и диоксида углерода высокой концентрации сопровождается интенсивным выделением тепла, поэтому необходимо исследование теплообмена. На рис. 5 представлена сравнительная зависимость коэффициента теплоотдачи для ВКУ с рубашкой и ВКУ с навитым патрубком, которая описывается эмпирическими уравнениями (5), (6).

Для ВКУ с рубашкой:

а = 4Ю2£0'4 (5)

Для ВКУ с навитым патрубком:

а = 6242Z,0,56 (6)

где а - коэффициент теплоотдачи, ВтЦ^м1гр^\ L - расход хладагента, мъ/ч

Экспериментальное исследование массоотдачи в газовой фазе проводилось методом адиабатического увлажнения воздуха для контактных устройств с нисходящим способом взаимодействия фаз. На рис. 6 показана зависимость массоотдачи в газовой фазе от скорости газа в ВКУ, которая описывается уравнениями (7), (8) в интервале скоростей газа в завихрителе ^ = 10 + 40 м/с и расходов жидкости £ = 0,5 + 5 м3/ч. ВКУ с контактным патрубком:

р^^ОЗт1™?* (7)

где Д, - объемный коэффициент массоотдачи, 1/с; (V - скорость газа в завихрителе, м/с\Ь — расход жидкости, мг/ч. ВКУ без контактного патрубка:

Д, =0,0107 иг1-*?*4 (8)

где Д, - объемный коэффициент массоотдачи, \jc\W - скорость газа в завихрителе, м/с; Ь - расход жидкости, мъ/с.

Для проверки эффективности ВКУ в содовой промышленности на Крымском содовом заводе г. Красноперекопск была испытана опытно-промышленная установка, в которой, в качестве абсорбента использовался бикарбонатный маточник. Исследования проводились при абсолютном давлении на выходе из абсорбера 84-130 мм рт. ст., и различных расходах по жидкости (0,72-1,7 мг/ч) и газу (44-128 нмг/ч). Разработанная конструкция опытного абсорбера представлена на рис. 7. На рис. 8 показана зависимость эффективности трехступенчатого аппарата от концентрации аммиака в газе.

Ь,м>/ч

Рис. 5 Зависимость коэффициента теплоотдачи от

расхода хладагента. 1 - опытно-промышленные испытания ВКУ с рубашкой 2 - экспериментальные исследования ВКУ с навитым патрубком

IV, м/с

Рис. 6 Зависимость объемного коэффициента массоотдачи в вихревом устрой- Рис. 7 Схема экспериментального вихревого аппарата для ис-стве от скорости газа при ¿=о,5 — питаний в промышленных условиях

4 1 - аппарат трехступенчатый; 2 - царга нижняя; 3 - вихревое

1 - ВКУ с контактным патрубком контактное устройство; 4 - гидрозатвор;

2-ВКУ без контактного патрубка 5 - смотровое стекло.

410 С„ г/м'

ВПВФЛ

ВЕПС

(ПГСП)

Рис. 8 Зависимость эффективности трехступенчатого аппарата от концентрации аммиака в газе

ГишПГКЛ-1

ВАЕ

-ЛЛЛЛАЛ—1-

Рис 9 Разработанная опытно-промышленная технология абсорбции аммиака высокой концентрации в вихревых аппаратах.

Промышленные испытания показали, что эффективность составляет 90% и практически не зависит от концентрации аммиака на входе в аппарат.

В четвертой главе разработаны основы нового подхода к интенсификации процесса абсорбции смеси аммиака и диоксида углерода высокой концентрации. Предложенный способ интенсификации основан на циркуляции рассола через первые вихревые ступени по ходу газа. На рис. 9 представлена разработанная технологическая схема абсорбции аммиака. Расчеты показали, что применение циркуляции при абсорбции аммиака высокой концентрации ведет к значительному увеличению движущей силы абсорбции.

Рассматривая конструктивное оформление технологии абсорбции аммиака с циркуляцией аммонизированного рассола нужно отметить, что вихревой абсорбер (ВАБ) сильно нагружен по жидкой и газовой фазам. Предлагаемая конструкция аппарата позволяет обеспечить высокую пропускную способность и минимальное гидравлическое сопротивление (рис. 10).

Принцип действия рабочей тарелки основан на перекрестном взаимодействие контактирующих фаз, а сепарационной тарелки на восходящем прямотоке. Другие аппараты отделения абсорбции ВПВФЛ, ВПГКЛ-2 предназначены для санитарной очистки газовых выбросов. Расчеты показали, что для выполнения санитарных норм достаточно трех ступеней контакта фаз.

Достижение санитарных норм выбросов возможно при отсутствии брызгоуноса между тарелками. Естественно, что любой, даже весьма малой величины, брызгоунос аммиачного рассола недопустим. Поэтому любые, даже самые эффективные по минимуму брызгоуноса, вихревые устройства, в промышленных абсорберах должны комплектоваться вместе с фильтрами для улова брызг. Примером конструкции аппарата для санитарной очистки газовых выбросов в производстве кальцинированной соды является ВПВФЛ (рис. 11).

Для описания промышленных аппаратов разработана методика расчета. Основные расчетные уравнения представлены ниже:

а/

ч N

ТИТ жт

ж

Щ

ш

/* /Рассол

/ Рисом

3/

Рис. 10 Схема вихревого абсорбера 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - дншце; 4 - тарелка рабочая; 5 - тарелка сепарационная; 6 - ВКУ рабочей тарелки; 7- ВКУ сепарационной тарелки; 8 -гидрозатвор; 9 - патрубок входа газа; 10 - патрубок выхода газа; 11 - патрубок подачи чистого рассола; 12 - патрубок подачи циркуляционного рассола; 13 - патрубок подачи рассола после про-мывателей; 14 - патрубок выхода жидкости.

Рис. 11 Схема вихревого промывателя (ВПВФЛ) 1 - корпус, 2 - днище; 3 - патрубок входа газа; 4, 7

- гидрозатвор; 5 - патрубок; 6,10 - завихритель; 8, 9 - контактный патрубок; 11 - брызгоотбойник; 12

- сепарационная тарелка; 13 - рабочая тарелка; 14 патрубок выхода рассола; 15 - патрубок входа рассола; 16 - переток; 17 - тарелка брызголовушки;

18 - патрубок выхода газа; 19 - крышка брызголовушки; 20 -фильтр.

рю, =(1 + 0,002([ЛГаС/]'-85,х

4,54-

1711,34 273,16 + /;

г + 0,394^(273,16 + 4)-

+1,141®

ч

I (

-0,126

г

г!

//

а,

' 0,771

/-• /-' /-> \ 1 | со2 | ин2о

\0,т 1,98 0,814

(10)

(П)

д = Ск

' 1,98

г^1

иш3 | "со2 | ^н-р 0,771 1,98 0,814

У,=\-а,-р, (13)

17,0317>1

= . ..„^.ч (14)

__17,031 Р^

(17,031а, + 44.01Д +18,015/,) 44,01/'*'

С =_!___П5)

с°2 (17,031а,+44,01Д +18,015/,)

где , (7*'02 - равновесные значения содержания аммиака и диоксида углерода в парогазовой фазе над жидкостью / -й тарелки, кг/кг [АгЯ3]^,[ЛгаС/]' - содержание аммиака и ИаС1 в жидкости н.д.

Уравнения материальных балансов:

= Ст[ --¿С01 -(16)

с =Ь0+С'т +БрагУ-Ой-±С^' (17)

м

где ¿С02, ¿Нр - количество абсорбированных и сконденсированных компонентов,

кг/с,

хх, щ - содержание аммиака и диоксида углерода в выходящей из абсорбера жидкости, кг/кг;

а, > А > ~ объемные доли содержания аммиака, диоксида углерода и паров воды в парогазовой смеси на / -и тарелки, м1/мъ; Ь0 - количество выходящей из абсорбера жидкости, кг/с;

- количество парогазовой смеси входящей в абсорбер, кг/с; С""'9' - количество парогазовой смеси МДС, поступающей на ] тарелку, кг/с.

Основными источниками выбросов аммиака в производстве кальцинированной соды являются некоторые технологические аппараты отделения абсорбции и карбонизации.

В диссертации предлагается использование для аппаратов санитарной очистки отходящих газов вместо ситчатых тарелок, тарелки с вихревыми контактными устройствами (рис.12).

! Выход газа

I

Вход рассола

гГ6Д ШШ'И'Тд^О!

Вход газа

1РРРРРР

^Выход рассола

09 С, г/м>

Рис. 13 Зависимость степени газоочистки от концентрации аммиака в газе

Рис. 12 Схема санитарного промывателя газа

4-

„„ 0 01 02 03 04

1 - санитарный промыватель СПГКЛ-1; 2 - ВКУ; 3 с„ г/»>

- гидрозатворы; 4 - патрубок выхода рассола; 5 - рис 14 Зависимость степени газоочистки от кон-

патрубок выхода газов; 6 - патрубок очищенного центрации н^ в газе, газа.

Газообразный аммиак в составе отходящих газов поступает в аппарат через входной патрубок и попадает на тарелку с ВКУ. На тарелке в зависимости от требуемой производительности по газу, может быть расположено различное количество ВКУ. Максимальное количество - 100 шт., что соответствует производительности по газу 25,0-40,0 тыс. м3/ч. Вихревые контактные устройства просты по конструкции, легкосъемные и не требуют трудоемкой разборки аппарата и демонтажа тарелок. Установка ВКУ на тарелках может быть осуществлена через люк-лаз имеющейся на аппарате.

Промышленные испытания, проведенные в условиях Крымского содового завода г. Красноперекопск показали, что эффективность газоочистки предлагаемого аппарата практически не зависит от концентрации аммиака в газе и составляет 99,9% (рис. 13), а эффективность газоочистки от сероводорода повышается с увеличением концентрации

сероводорода в газе (рис. 14). Предлагаемый аппарат устойчиво работает в широком диапазоне изменения нагрузок.

Выводы

1. На основании экспериментального исследования гидродинамики и тегагамассо-опередачи разработаны новые вихревые устройства, обеспечивающие высокую пропускную способность по газовой и жидкой фазе при минимальном гидравлическом сопротивлении.

2. Получена эмпирическая зависимость массоотдачи в газе от скорости газа для на-садочных, барботажных, вихревых и распылительных аппаратов в системе аммиак-вода.

3. Разработан способ интенсификации процесса абсорбции смеси аммиака и диоксида углерода высокой концентрации, на основе циркуляции аммонизированного рассола через первые по ходу газа ступени абсорбции и применении вихревых устройств на всех ступенях абсорбера производства кальцинированной соды.

4. Выполнены исследования, позволяющие рассчитать и спроектировать промышленные аппараты для увеличения производительность технологии производства кальцинированной соды, уменьшения капитальных затрат и потерь аммиака в окружающую среду.

5. Проведенные промышленные испытания разработанных вихревых контактных устройств показали их высокую эффективность. Разработанный санитарный промыватель газов для абсорбции аммиака внедрен в производство на Крымском содовом заводе г. Красноперекопск.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. А. С. 2232043 «Вихревой тепломассообменный аппарат»./В. И. Петров, А. С. Балы-бердин, И. М. Замдиханов, А. В. Петров, И. А. Махоткин. Бюллетень № 19, 2004 г./

2. Петров В. И., Балыбердин А. С., Замдиханов И. М., Трандафил К. И., Махоткин А. Ф., < Шамсутдинов М. А. О значимости брызгоуноса в теплоомассобменных процессах и аппаратах очистки отходящих газов. Международная методическая конферен-ция«Экология - образование, наука и промышленность». Сб. докладов. Белгород,

2002, с.213-216.

3. В. И. Петров, А. С. Балыбердин, И. М. Замдиханов, А. Ф. Махоткин. Интенсификация абсорбции оксидов азота. // Вторая международная научно-практическая конференция. «Экология: Образование, наука промышленность и здоровье». Вестник БГТУ, № 8, 2004 г., с. 140-142.

4. В. И. Петров, А. С. Балыбердин, И. А. Махоткин. Интенсификация процессов абсорбции легко растворимых газов. // Вторая международная научно-практическая конференция. «Экология: Образование, наука промышленность и здоровье». Вестник БГТУ, № 8,2004 г., с. 142-143.

5. Ильясов Ш. Г., Петров В. И., Замдиханов И. М., Балыбердин А. С., Махоткин А. Ф. Разработка вихревого аппарата для абсорбционного процесса с большим тепловым эффектом химической реакции. Юбилейная научно-техническая конференция «Автоматика и электронное приборостроение», Сб. докладов, КГТУ, Казань, 2001г. с.12б-

6. Репин В. Б., Балыбердин А. С., Васильев А. П., Генералов А. Ю., Колпащикова И. Е., Махоткин И. А. Применение интерферометра РЭЛЕЯ для измерения эффективности работы промышленных массообменных аппаратов. «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Сб. материалов XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции, Ч. II, Казань, 2004, с. 155-156

7. Махоткин А. Ф., Петров В. И., Балыбердин А. С., и др. Разработка и внедрение вихревого абсорбера очистки дымовых газов в процессе обезвреживания сточных вод. / Научно-технический отчет № 2143,2000 г.

127.

Соискатель

А. С. Балыбердин

РНБ Русский фонд

2006-4 1436

Заказ 268 Тираж $0 экз

Офсетная лаборатория КГТУ

420015, Казань, ул К Маркса, 68 ' < <

I . '

\ «а - *

16

. 1 С,112С0Л