автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Массоперенос в абсорбере двухроторного типа

РУДЫХ СВЕТЛАНА ОЛЕГОВНА

МАССОПЕРЕНОС В АБСОРБЕРЕ ДВУХРОТОРНОГО ТИПА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

[ 3 [<ІАГі 20і2

Санкт-Петербург 2012

005016536

005016536

РУДЫХ СВЕТЛАНА ОЛЕГОВНА

МАССОПЕРЕНОС В АБСОРБЕРЕ ДВУХРОТОРНОГО ТИПА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» на кафедре машин и аппаратов химических

производств

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации Веригин Александр Николаевич

Абиев Руфат Шовкетович доктор технических наук, профессор, СПбГТИ (ТУ), кафедра оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, заведующий

Климов Виктор Владимирович кандидат технических наук, ОАО «ИркутскНИИХИММАШ», заместитель начальника отдела

Ведущая организация

ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза», г. Ангарск

Защита диссертации состоится 15 мая 2012 г, в 16.00, ауд. 62 на заседании диссертационного совета Д 212.230.06 при Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый Совет, тел. (812) 494-93-75, факс (812) 712-77-91, email: dissovet@lti-gti.ru.

Автореферат разослан "13" апреля 2012 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета ^ _

доктор технических наук, профессор ^Q^ М.А.Яблокова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время остро стоит проблема защиты окружающей среды от антропогенного воздействия. Для крупных городов и промышленных регионов наибольшую экологическую опасность представляют промышленные и выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу. Применяемое для их очистки оборудование в большинстве случаев является довольно материалоёмким и малопроизводительным. В то же время требования, предъявляемые к качеству очистки газовых выбросов, постоянно ужесточаются. Это обусловлено и жесткой конкуренцией производителей, и все более возрастающей ролью экологического контроля.

Поэтому, наиболее актуальной задачей аппаратурного оформления современных абсорбционных процессов является разработка эффективных аппаратов, отличающихся высокими качественными и количественными показателями.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов массопереноса в абсорбере двухроторного типа, разработанном на кафедре МАХП СПбГТИ (ТУ), создание на его основе физико-математической модели, связывающей основные геометрические параметры аппарата и свойства обрабатываемой среды с затратами мощности, необходимой для достижения заданных значений степени очистки газовых выбросов и разработка методики расчета аппарата.

Для достижения цели исследования в работе поставлены следующие задачи:

- создание физико-математической модели, связывающей основные геометрические размеры аппарата, свойства обрабатываемой среды и технологические параметры процесса;

создание экспериментальной установки для исследования массопереноса в абсорбере двухроторного типа;

- верификация модели и определение эмпирических констант;

- экспериментальное подтверждение эффективности использования абсорбера двухроторного типа в конкретных процессах очистки газовых выбросов с целью оптимизации технологических режимов и внедрения аппарата в производство;

- создание методики расчета аппарата.

Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные результаты, представленные в диссертации, основаны на применении теории массопереноса, гидродинамики перемешивания двухфазных сред «газ-жидкость», методов теории подобия, теории планирования и проведения

эксперимента, методов статистического анализа данных, а также методов исследования кинетики абсорбционных процессов.

Достоверность научных положений и полученных результатов диссертации подтверждается результатами проведенных натурных экспериментов, практическими результатами применения двухроторного аппарата при очистке газовых выбросов от оксидов азота, высокими значениями коэффициента достоверности аппроксимации для предложенных зависимостей.

Научная новизна работы:

- на основе анализа структуры газожидкостного слоя создана новая модель массопереноса в абсорбере двухроторного типа;

- модель является универсальным подходом к расчету двухроторных аппаратов, работающих при использовании пенного режима. Она основана на рассмотрении структуры газожидкостного слоя в зависимости от скорости диссипации энергии и учитывает свойства среды, технологические параметры массопереноса и геометрию аппарата;

- предложен новый более эффективный способ очистки нитрозных газов раствором карбамида.

Новизна подтверждается патентом РФ на изобретение № 2440176.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработанная методика расчета роторного аппарата может быть использована при проектировании аппаратов для очистки газовых выбросов (например, нитрозных газов);

- созданная экспериментальная установка используется в учебном процессе на кафедре Машины и аппараты химических производств Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета);

- предложена и внедрена на предприятии ОАО «АЗКиОС», технология очистки нитрозных газов с использованием двухроторного аппарата, которая позволила значительно сократить опасные выбросы в атмосферу.

На защиту выносятся:

- полуэмпирическая физико-математическая модель, связывающая основные геометрические параметры аппарата, свойства среды и технологические параметры процесса;

- результаты экспериментальных исследований очистки нитрозных газов с использованием двухроторного аппарата;

- рациональная система очистки отходящих газов от оксидов азота с использованием двухроторного аппарата.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

были представлены: на всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); на конференции политехнического симпозиума «Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона» (г. Санкт-Петербург, 2008 г., 2010 г.); на XII научно-практической конференции «Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты» (г. Кемерово, 2009 г.); на всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения (Левинтерские чтения)» (г. Самара, 2009 г.); на всероссийской научной молодежной школе-конференции «Химия под знаком СИГМА исследования, инновации, технологии» (г. Омск, 2010 г.); на XIX международной конференции по химическим реакторам «CHEMREACTOR-19» (Австрия, г. Вена, 2010); на 18th Annual RACI Environmental and Analytical Division R&D Topics Conference (Австралия, Тасмания, г. Хобарт, 2010 г.); на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2010» (г. Одесса, 2010 г.); на научно-технической конференции «Неделя науки - 2011» Санкт-Петербургского технологического института (технического университета) (Санкт-Петербург, 2011 г.); на научно-технической конференции, посвященной 183-й годовщине образования СПбГТИ (ТУ) (Санкт-Петербург, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе одна работа в журнале, рекомендуемом ВАК, один патент.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Материал диссертации изложен на 140 страницах (из них 25 — приложения), содержит 29 рисунков, 85 формул и список литературы из 129 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее научная и практическая значимость, сформулированы основные задачи исследований и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проанализированы основные факторы, которые влияют на интенсивность массопереноса.

Показано, что в роторных аппаратах, где фазы взаимодействуют в поле центробежных сил при интенсивном перемешивании газожидкостного слоя, с развитой и быстро обновляемой межфазной поверхностью, наряду с принудительным током жидкости от одной ступени контакта к другой, достигается наибольшая интенсивность массообмена.

На основании проведенного анализа существующих массообменных аппаратов, предложена и обоснована конструкция абсорбера двухроторного типа (рисунок 1). Обоснована эффективность использования пенного режим работы аппарата при противотоке фаз. Показаны преимущества применения аппарата в системах газоочистки.

Рисунок 1 — Абсорбер двухроторного типа: 1 - корпус аппарата; 2 — вход жидкости; 3 — валы; 4 - перфорированные диски; 5 - днище аппарата; 6 - выход жидкости; 7 — вход газа; 8 - выход газа; 9 — крышка аппарата.

Вторая глава посвящена разработке модели работы двухроторного аппарата. Сделан обзор основных подходов к теоретическому описанию массопереноса и гидродинамики роторных аппаратов.

На основании рассмотренных подходов предложена (5 полуэмпирическая физико-математическая модель работы абсорбера двухроторного типа, опирающаяся на элементы теории локально-изотропной турбулентности Колмогорова.

Модель основывается на рассмотрении структуры газожидкостного слоя в аппарате, который образуется за счет работы роторов и эрлифтного эффекта, создаваемого потоком газа.

Под действием гравитационных и центробежных сил газовые и жидкостные потоки перемещаются по неопределенным траекториям, сохраняя общее направление движения.

Массоперенос происходит от пузырей к жидкости и в большинстве случаев может быть сведен к физической абсорбции, т.к. чаще всего химические реакции идут намного быстрее процесса диффузии.

Коэффициенты массоотдачи (Р) не могут быть определены непосредственно из эксперимента по причине отсутствия методов, позволяющих замерить концентрации фаз на границе их раздела. Однако существуют методы косвенного определения р.

Величина коэффициента массопередачи К5 определяется из закона аддитивности фазовых сопротивлений в жидкой фазе и газовой фазе с учетом константы фазового равновесия.

Если диффузионное сопротивление в основном сосредоточено в жидкой фазе, то можно принять Кх ~ р. Поэтому в качестве модельных сред были выбраны двуокись углерода и вода.

На практике часто пользуются условными коэффициентами массопереноса, отнесенными к единице рабочего объема аппарата.

Объемный коэффициент массопередачи:

Кух = РЛЙ. (1)

Для моделирования процесса абсорбции удобно воспользоваться теорией подобия, рассмотрев всплытие одиночного пузыря в газожидкостной системе, и перейти к безразмерным зависимостям.

Массоперенос реагирующего вещества от границы раздела фаз в объем жидкости описывается уравнением вида:

¿У^Л-Ке" -5ст, (2)

в 4

где Ие, =--критерий Рейнольдса рассчитанный по скорости всплытия

V

одиночного пузыря; = - критерий Шмидта; критерий Шервуда-

= (2а)

О

Для ламинарного режима в стесненных условиях скорость всплытия пузыря малого размера можно определить из следующего выражения:

W,„ = W,

(1-ф)". (3)

1 А Л0.5

а„ ■Др•г |

1 - скорость всплытия одиночного пузыря, п=4.

где w0 =1,17-

Полученные выражения для критериев содержат неизвестные коэффициенты А, п, т в уравнении (2), которые находятся в результате обработки экспериментальных данных.

Для определения площади поверхности массопереноса было сделано допущение о том, что газожидкостная система имеет изотропную структуру, состоит из п„ пузырей шарообразной формы одного размера (d„) и равномерно занимает объём аппарата ( Va„).

Теоретическая оценка площади контакта фаз может быть сделана на основании локально-изотропной теории турбулентности Колмогорова.

Касательные напряжения на поверхности пузырьков пропорциональны кинетической энергии пульсаций:

(4)

где и- средняя пульсационная скорость в жидкой фазе, рж — плотность жидкости.

Из соображений размерности можно показать, что

^«(s -dnf>, (5)

где е — скорость диссипации энергии, Вт/кг.

Скорость диссипации энергии в аппарате зависит от его геометрии, поэтому в (5) требуется ввести критерий геометрического подобия аппарата

Г = — , где Л - зазор менеду дисками, м; Бд - диаметр диска, м. Аэ

Распад пузырей происходит при некотором постоянном отношении касательных напряжений на поверхности пузыря и силы поверхностного натя-

ст

Тогда диаметр пузыря с учетом Г:

— 22

=с{^г)5 'г~5 'с 5 ■ (6)

Зная диаметр пузыря, можно определить удельную площадь поверхности контакта фаз, если воспользоваться известным выражением:

„ _6-ф

(7)

Удельная площадь поверхности контакта фаз:

- 2 2

(8)

Газожидкостную систему удобно представить гомогенной средой с эквивалентными свойствами, рассчитываемыми на основе содержания газа ср. Кинематическая вязкость смеси:

_ г~ см

(9)

Ро,

где плотность смеси: рси =ф-р, +(1-ф)-р_ж.,

динамическая вязкость: ц аи = х, • ц г + х2 • ц ж (х,, х2 - мольные доли компонентов в смеси).

При достаточной частоте вращения роторов газожидкостная система практически равномерно заполняет объём аппарата. Расположенные над рабочей областью отражательные перегородки возвращают жидкость в рабочую зону, предотвращают её закручивание и снижают унос брызг.

Поскольку рабочий объем неизменен, жидкость несжимаема, аппарат имеет постоянное сечение по высоте, газосодержание можно определить как отношение разницы уровня жидкости и высоты рабочей зоны к высоте рабочей зоны:

НР~НЖ /к

ф= р (ш)

нр нр

Постоянный уровень жидкости в аппарате обеспечивается переливом (рисунок 2). Жидкость втекает в аппарат с заданным расходом, за счет чего уровень жидкости в аппарате сначала поднимается до уровня перелива, а

затем превышает его, пока статическим напор в аппарате не компенсирует

сопротивление устройства перелива.

тг

2

£

ч?

Рисунок 2 - Течение жидкой фазы через аппарат: 1 — аппарат; 2 - перелив

Используя уравнение Бернулли вышесказанное можно представить следующей системой уравнений:

Л

¿1 Ь2

12 =^„5

РлсЯЯд = С

(11)

где Нл - превышение уровня перелива (м); Ь^Ь2 - объемные расходы на входе и выходе из аппарата (м3/с); и>ч, — осреднённая скорость истечения жидкости (м/с); зС7 - площадь сечения сливного устройства (м2); рж — плотность жидкости (кг/м3); С, — коэффициент сопротивления сливного устройства; g — ускорение свободного падения.

Система (11) сводится к дифференциальному уравнению: ¿НА _ ц 5С1 Щ Л

(12)

с с д г

апп апп V Ь

Требуемое содержание газа можно установить с помощью перелива при заданном расходе жидкости и газа.

я„

В общем случае можно записать: ф(г,Ц(1)) ■■

Энергия вращающихся роторов (динамический напор) поднимает жидкость до отражательных перегородок на высоту /гй„„:

Выражение, стоящее в скобках суть линейная скорость, тогда газосодержание можно связать с линейной скоростью на конце дисков:

.2

нр'

(13)

Исследования показали, что с достаточной точностью, гидравлическое сопротивление аппарата, заполненного более чем на 20% можно принять равным гидростатическому давлению на дне:

Ргидр = Р жг(Кер +На)- (14)

Мощность на перемешивание ТУ, можно определить по методике, предложенной Игнатьевым М.А.

е =

1-ф

Ие -1,5-Ю5 7,07-104

5-Ю5 -Ке*2 +Ф

Ие -1,5-10 7,07-104

Ие

.3

(15)

где е - безразмерная скорость диссипации энергии; приведенный критерий Рейнольдса: Яе* = Га - Ке, а-константа.

Є = Є'

юі-и

(16)

N = г-тп

(17)

В третьей главе

описаны проведенные экспериментальные

исследования и представлены их результаты. Для проверки адекватности модели и определения эмпирических констант на кафедре была создана лабораторная установка (рисунок 3). Установка позволила провести исследование массопереноса и гидродинамики изучаемых аппаратов, характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики исследуемых аппаратов

Характеристика Аппарат 1 Аппарат 2 Аппарат 3

Расстояние между дисками, мм 20 30 40

Диаметр ротора, мм 160 160 160

2 Площадь поперечного сечения, м 0,036 0,036 0,036

Высота рабочей зоны, м 0,15 0,15 0,15

Количество дисков на одном валу, шт. 7 5 4

Толщина диска, мм 3 3 3

Диаметр отверстий в дисках, мм 4,5 4,5 4,5

Газосодержание в аппарате, % 30-70 30-70 30-70

Доля живого сечения диска 0,41 0,41 0,41

Для определения концентрации двуокиси углерода во взятых пробах использовался метод щелочного титрования. В качестве титрующего раствора применялся 0,01Н раствор едкого натра (ЫаОН). Концентрация С02 в воде:

'СО„

Утит ' С^аРН ■ 44

(18)

где объем титрующего раствора и объем пробы, соответственно,

мл; ССо2 - концентрация углекислого газа, г/л; СШОн - концентрация гидроксида натрия, моль/л.

Объемный коэффициент массопередачи отнесенный к единице объема рабочей зоны аппарата:

^ ■ (С„х — Свых)

£ _ " \ вх вых'

у ~ V А

апп ср

где ДсР - средняя движущая сила процесса. и

(19)

Рисунок 3 - Экспериментальная схема установки на кафедре: 1 — роторный аппарат; 2 - воздуходувка; 3 - бак; 4 - уровнемер; 5 - центробежный насос; 6 - каплеуловитель; 7 - электродвигатель; 8 - гибкая муфта; 9 - тахометр; 10 —тахогенератор; 11 —шкивы ременной передачи; 12 — ваттметр; 13 - выпрямитель; 14-ЛАТР; 15-диафрагма 16,17- дифманометры; 18 - перелив; 19 - барботер; 20 - редуктор; 21 - баллон с газом; 22 - ротаметр; 23, 24, 25 - вентили; 26,27,28 - термопары; 29,30 - пробоотборники; 31 - фотоаппарат.

Учитывая, что начальная и конечная равновесные концентрации С* на несколько порядков меньше соответствующих концентраций, то их значениями можно пренебречь, тогда средняя движущая сила:

АсР = Свх • (20)

1п " г

вых

Средний поверхностный диаметр пузырьков с1„ определялся путем статистической обработки фотографий (рисунок 4):

Рисунок 4 - Определение диаметра пузыря

Основные результаты экспериментальных исследований.

Был установлен рекомендованный диапазон содержания газа в аппарате 30% 70% (при (р менее 30 % в нижней части аппарата не происходит диспергирования, и при ср более 70% жидкость не поднимается до верхних тарелок, они остаются сухими).

Рекомендуемая линейная скорость газа составила ч/г = 1 2 м/с.

Были установлены значения эмпирических констант, входящих в уравнения физико-математической модели. Достоверность полученных уравнений подтверждается высокими значениями коэффициента достоверности аппроксимации К2.

В результате анализа экспериментальных данных по массопереносу в изучаемом аппарате были определены константы в уравнении (2) А= 11,5 п=0,3 т=0,2 (Я2=0,79) (рисунок 5):

Рисунок 5 — Зависимость критерия Шервуда от критериев Рейиольдса и Шмидта

Для зависимости (13) газосодержания от линейной скорости на конце дисков (112=0,97) (рисунок 6) в рекомендованном диапазоне скоростей роторов 2-4 м/с определен коэффициент >4=0,00635.

<р,дили

♦ эксперимент Г=0,125 • Г=0Д875 А Г=0,25 —расчет

Рисунок б - Зависимость газосодержания от линейной скорости на конце дисков

В результате экспериментальных исследований уточнена зависимость (6) для определения среднего диаметра пузыря (Я2=0,85) (рисунок 7). Получено численное значение коэффициента с = 1,5.

расчет Г=0,125 —Г=0,1875 — Г=0,25

Рисунок 7 - Зависимость диаметра пузыря от скорости диссипации энергии

Зависимость (8) для определения удельной площади поверхности контакта фаз (Я2=0,82) (рисунок 8), также была уточнена. Получено численное значение константы равное В= 4,0:

Рисунок 8 - Зависимость удельной площади поверхности контакта фаз от скорости диссипации энергии

На основании созданной физико-математической модели была разработана методика расчета аппарата (рисунок 9).

Рисунок 9 — Алгоритм расчета аппарата В качестве исходных данных задаются: степень очистки, расход и начальная концентрация газа.

Исходя из рекомендованной скорости газа (1^2 м/с) находится площадь сечение аппарата.

В границах рекомендованного интервала (30 70%) выбирается рабочее содержание газа и конструктивно задается высота рабочей зоны аппарата и зазор между дисками.

По (13) определяется скорость роторов.

По (16) определяется скорость диссипации энергии.

По (17) определяется мощность на перемешивание.

По (6) определяется диаметр пузыря, площадь удельной поверхности фаз (8) и коэффициент массоотдачи (2), (2а), если фазовые сопротивления имеют сопоставимые величины или сопротивление в газовой фазе значительно превышает сопротивление в жидкости, требуется сделать соответствующий перерасчёт, воспользовавшись справочной литературой или проведя натурный эксперимент.

Далее определяется коэффициент массопередачи ку = —

У»'

По заданной степени очистки устанавливается требуемая конечная концентрация газа и определяется средняя движущая сила процесса (20).

Произведение объёмного коэффициента массопередачи на объём

аппарата позволяет определить

С,-(СЯ-С,)ш

При к„ ■V > °г '(С-Н—^

г апп — ~

переходят к механическому расчету, в

противном случае требуется изменить значения газосодержания или высоты рабочей зоны и повторить расчет, пока условие не будет выполнено.

Четвертая глава посвящена разработке рациональной схемы технологического процесса очистки отходящих газов от оксидов азота (рисунок 10) с использованием абсорбера двухроторного типа.

Рисунок 10 - Рациональная схема процесса очистки нитрозных газов

Представлен обзор основных процессов очистки газов от оксидов азота. Описано разнообразие методов очистки нитрозных газов. Показана сложность выбора способа очистки нитрозных газов для различных производств.

Проблема рассмотрена на примере очистки газов от оксидов азота в катализаторном производстве, где сложность высокоэффективной очистки обусловлена тем, что концентрация и содержание оксидов азота в отходящих газах непостоянны.

Показаны преимущества очистки нитрозных газов абсорбционным способом в абсорбере двухроторного типа, с использованием в качестве сорбента раствор карбамида. В данном способе оксиды азота взаимодействуют с карбамидом с образованием инертных компонентов — С02 и N2:

ЗСО(ЫН2)2 + ЗЫО + ЗЫ02 — ЗС02 + 6]УГ2+ 6Н20

На основании предложенной модели были рассчитаны основные характеристики процесса и рекомендуемые размеры аппарата.

С целью подтверждения адекватности предложенной модели и подтверждения проведенных расчетов, на ОАО «АЗКиОС» на установке сушки-прокапки катализаторов была создана опытно-промышленная установка, на которой были проведены эксперименты с реальными газами.

В ходе нескольких серий экспериментов была достигнута степень очистки нитрозных газов 97 - 99 % (таблица 2).

Таблица 2 — Результаты экспериментов по очистке газа от оксидов азота раствором карбамида (при и= 2,1 и 6,3 м/с) __

Раствор карбамида Концентрация ЫОх, мг/м3 Степень очистки N0,,% Расчетные данные

Т, °С Ь, л/мин р, г/л рН вход выход Ку с"1 степень очистки, %

и = 2,1 м/с

25 8,5 1,022 8,8 121,4 28 77,4 0,12158939 78,78

35 8,5 1,020 8,8 1568,6 142 91,2 0,12164818 78,8

30 4,0 1,018 8,0 2017,7 102,2 94,9 0,12170712 92,47

30 4,0 1,013 8,0 1202,8 123 89,8 0,12185508 92,49

30 4,0 1,015 10 3127 201 93,5 0,12179579 92,48

и = 6,3 м/с

30 6,0 1,076 9,2 820 38 95 0,20773652 92,924

30 4,0 1,076 9,2 6288 320 97 0,20773652 92,923

30 4,0 1,080 9,2 7617 450 97 0,20754535 98,7825

30 3,0 1,080 9,4 815 32 99 0,20754535 98,7828

30 3,0 1,080 9,4 50 49 99 0,20754535 98,782

В качестве практических рекомендаций было установлено, что для повышения качества процесса очистки нитрозных газов требуется:

- добавка в отходящий газ кислорода для доокисления окиси азота;

- добавка HN03 к раствору карбамида для повышения степени очистки и понижения температуры процесса;

- концентрация карбамида в растворе 10 - 30 %;

- температура раствора 30 - 35 °С;

- содержание HN03 в растворе не более 10 %;

- температура процесса не выше 60 °С;

- содержание кислорода в газе на очистку не менее 7 %;

Основные результаты работы.

- На основе анализа способов интенсификации массообмена, при перемешивании газожидкостных сред и существующих конструкций роторных аппаратов предложена конструкция абсорбера двухроторного типа.

- В результате исследования структуры газожидкостной системы в аппарате и с использованием теории локально-изотропной турбулентности Колмогорова создана физико-математическая модель гидродинамических и массообменных процессов, протекающих в роторных аппаратах при пенном режиме их работы.

— Создана экспериментальная установка для исследования массообмена, скорости диссипации энергии и гидродинамики двухроторного аппарата.

— В ходе натурных экспериментов подтверждена адекватность физико-математической модели и определены значения эмпирических констант; полученные зависимости характеризуются высокими значениями коэффициентов достоверности аппроксимации R2.

- Разработана методика инженерного расчета абсорбера двухроторного типа.

— Разработана рациональная схема очистки нитрозных газов от оксидов азота раствором карбамида, выгодно отличающаяся возможностью использования при очистке выбросов, в которых концентрация и содержание оксидов азота меняются в широких пределах.

— На ОАО «АЗКиОС» создана опытно-промышленная установка для очистки отходящих газов от оксида азота с использованием абсорбера двухроторного типа, позволяющая значительно сократить вредные выбросы в атмосферу.

- В результате нескольких серий экспериментов на опытно-промышленной установке определены оптимальные условия проведения процесса очистки нитрозных газов раствором карбамида в абсорбере двухроторного типа.

- Получен патент РФ на изобретение № 2440176 «Массообменный двухроторный аппарат».

Приложения содержат рисунки и таблицы с результатами проведенных экспериментов.

Публикации по тематике диссертации.

В изданиях перечня ВАК:

1. Резниченко С.О., Веригин А.Н., Ратасеп М.А., Целютина М.И. Утилизация кислых газов в абсорбере роторного типа. // Альтернативная энергетика и экология. - 2011. - № 4/2011. - С. 89-94.

2. Пат. 2440176 Российская Федерация, МПК С 01 B01D47/02. Двухроторный массообменный аппарат / Резниченко С.О., Ратасеп М.А., Веригин А.Н., Целютина М.И., Широких Э.В., Хадыкин Ю.И.; заявитель и патентообладатель ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза». - 2010136916/05; заявл. 03.09.2010; опубл. 20.01.2012.

Прочие публикации:

3. Резниченко С.О., Игнатьев М.А. Современные технологии очистки и утилизации попутных нефтяных газов. // Сборник докладов: Наука и инновации в технических университетах: Материалы Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. — СПб.: Изд. Политехнического университета, 2008.-С. 110.

4. Резниченко С.О., Игнатьев М.А. Очистка нитрозных газов карбамидом. // Сборник докладов: Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: Материалы конференций политехнического симпозиума. - СПб.: Изд. Политехнического университета, 2008. - С. 92.

5. Резниченко С.О., Игнатьев М.А., Павлов Е.В. Использование турбопривода при очистке нитрозных газов раствором карбамида. // «Химия — XXI век: новые технологии, новые продукты»: доклады XII научно-практической конференции: - Кемерово: Изд. Кузбасского государственного технического университета, 2009. - С. 150.

6. Резниченко С.О., Веригин А.Н., Игнатьев М.А. Очистка отходящих газов от оксидов азота в роторном абсорбере. // Сборник тезисов Всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения (Левинтерские чтения)». — Самара.: Изд. Самарского государственного технологического университета, 2009. - С. 54.

7. Резниченко С.О., Ратасеп М.А. Экспериментальное исследование очистки нитрозных газов в роторном абсорбере. // Труды Всероссийской научной молодежной школы-конференции «Химия под знаком СИГМА исследования, инновации, технологии». — Омск: Издательство ИК СО РАН, 2010.-С. 105.

8. Резниченко С.О., Ратасеп М.А., Веригин А.Н., Кукушкин М.С. Массообменный двухроторный аппарат. // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: материалы конференций политехнического симпозиума. - СПб.: Изд. Политехнического университета, 2010. - С. 126.

9. Резниченко С.О., Ратасеп М.А., Веригин А.Н., Кукушкин М.С., Лебедев

C.H. Two-Rotor Apparatus. // «XIX International conference on Chemical Reactors CHEMREACTOR-19». - Vienna, Austria, 2010. - C. 98.

10. Резниченко C.O. The Removal of NOx from the Air using Absorption. // 18,h Arnual RACI Environmental and Analytical Division R&D Topics Conference. -University of Tasmania, Hobart, Tasmania, Australia, 2010. - C. 39.

11. Резниченко C.O., Ратасеп M.A., Кукушкин M.C. Исследование массообмена в роторном аппарате. // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2010».Том 7.Технические науки - Одесса: Изд. Черноморье, 2010. - С. 64.

12. Резниченко С.О., Ратасеп М.А., Кукушкин М.С. Исследование гидродинамики роторного массообменного аппарата. // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2010».Том 7.Технические науки - Одесса: Изд. Черноморье,

2010.-С. 66.

13. Гладченко С.С., Резниченко С.О., Ратасеп М.А. Батарейная установка двухроторных абсорберов. // Сборник тезисов научно-технической конференции «Неделя науки - 2011». - СПб: Изд. СПбГТИ (ТУ), 2011. - С. 98.

14. Резниченко С.О., Ратасеп М.А., Кукушкин М.С. Гидродинамика высокоэффективного двухроторного абсорбера. // Сборник тезисов научно-технической конференции «Неделя науки - 2011». - СПб: Изд. СПбГТИ (ТУ),

2011.-С. 99.

15. Ратасеп М.А., Деулин Е.В., Кукушкин М.С., Резниченко С.О. Роторный абсорбер с неподвижными контактными элементами. // Сборник тезисов научно-технической конференции «Неделя науки - 2011». - СПб: Изд. СПбГТИ (ТУ), 2011. - С. 100.

16. Резниченко С.О., Ратасеп М.А., Веригин А.Н., Гладченко С.С. Структура газожидкостного слоя и экспериментальное определение удельной площади контакта фаз в двухроторном аппарате. // Сборник тезисов научно-технической конференции, посвященной 183-й годовщине образования СПбГТИ (ТУ). - СПб: Изд. СПбГТИ (ТУ), 2011. - С. 102 - 103.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60x90'/i6 Печ.л. 20 .Тираж 70 экз. Зак. №70

Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СП6ГТИ(ТУ), тел. 49-49-365

61 12-5/3121

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

МАССОПЕРЕНОС В АБСОРБЕРЕ ДВУХРОТОРНОГО ТИПА

На правах рукописи

РУДЫХ СВЕТЛАНА ОЛЕГОВНА

V

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А. Н. Веригин

Санкт-Петербург 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..............................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................7

ГЛАВА 1 АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ В АППАРАТАХ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПОДВОДОМ ЭНЕРГИИ.....................10

1.1 Способы повышения эффективности массообменных процессов в

системах газ - жидкость....................................................................................Ю

1.2 Современные конструкции газожидкостных массообменных аппаратов

с механическим подводом энергии..................................................................14

1.3 Предлагаемая конструкция аппарата.........................................................26

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ АБСОРБЕРА ДВУХРОТОРНОГО ТИПА..................................................................................29

2.1 Массоперенос от пузыря к жидкости........................................................29

2.2 Структура газожидкостного слоя. Определение размера пузыря и

площади контакта фаз.......................................................................................34

2.3 Эффективные свойства газожидкостного слоя.........................................37

2.4 Течение рабочих сред через аппарат.........................................................37

2.5 Гидравлическое сопротивление насадки...................................................39

2.6 Связь газосодержания с линейной скоростью на конце дисков.............45

2.7 Мощность на перемешивание.....................................................................46

2.8 Число единиц переноса и высота ступени контакта фаз.........................53

2.9 Кинетика абсорбции, сопровождаемой химической реакцией...............55

2.10 Модель работы аппарата...........................................................................60

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ КОНСТАНТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПОСТРОЕНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА АППАРАТА................................................................62

3.1 Цели экспериментальных исследований...................................................62

3.2 Описание экспериментальной лабораторной установки.........................62

3.3 Методика проведения лабораторных исследований................................64

3.4 Основные результаты экспериментальных исследований......................67

3.4.1 Рекомендованный рабочий диапазон газосодержания......................68

3.4.2 Рекомендованный расход сорбента.....................................................69

3.4.3 Рекомендованная линейная скорость газа..........................................69

3.4.4 Зависимость газосодержания от линейной скорости на концах

70

дисков............................................................................................................... ^

3.4.5 Определение среднего поверхностного диаметра пузырей и удельной поверхности контакта фаз.............................................................71

3.4.6 Определение объёмного коэффициента массопередачи...................76

3.4.7 Определение количества единиц переноса и высоты ступени контакта фаз....................................................................................................77

3.4.8 Приложение теории подобия к массоотдаче......................................78

3.5 Методика расчёта абсорбера двухроторного типа...................................80

3.6 Сравнение исследуемого аппарата двухроторного типа с существующими абсорберами..........................................................................85

ГЛАВА 4 СИНТЕЗ РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УЛАВЛИВАНИЯ НИТРОЗНЫХ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ АБСОРБЕРА РОТОРНОГО ТИПА.....92

4.1 Свойства нитрозных газов..........................................................................93

4.2 Обоснование выбранного способа абсорбции..........................................94

4.3 Предлагаемая схема рациональной системы очистки нитрозных газов 96

4.4 Экспериментальные исследования на опытно-промышленной установке на ОАО "АЗКиОС".............................................................................................98

4.4.1 Методика эксперимента........................................................................98

4.4.2 Анализ исходного сырья и продуктов реакции..................................98

4.4.3 Характеристика химических методов анализа, используемых при контроле оксидов азота..................................................................................99

4.4.4 Абсорбция ]ЧОх раствором карбамида в лабораторных условиях. 100

4.4.5 Влияние кислорода и азотной кислоты на степень очистки газа от оксида азота мочевиной...............................................................................101

4.4.6 Абсорбция оксидов азота раствором карбамида на роторном абсорбере в промышленных условиях.......................................................102

4.5 Практические рекомендации....................................................................106

4.6 Основные результаты работы...................................................................107

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................Ю8

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................П8

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ 4................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 5................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 6................................................................................................133

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Латинский ряд Г-критерий геометрического подобия;

С;ж.вх/вых ~ концентрация раствора карбамида начальная / конечная, г/л;

Смохвх/вых - концентрация NOx начальная / конечная, г/л;

Сх1/х2 - концентрация газа в жидкости начальная / конечная, кг/м ;

Су1/у2 - концентрация газа в газе начальная / конечная, кг/м ;

С^аон — концентрация NaOH, моль/л;

¿/-внутреннее расстояние между осями симметрии, м;

dn - диаметр пузыря, м;

Д , - диаметр дисков (ротора), м;

D - коэффициент диффузии;

е - безразмерная скорость диссипации энергии;

Ей - критерий Эйлера;

g - ускорение свободного падения;

h - междисковый зазор, высота ступени, м;

hdUH - динамический напор, м;

hmp - уровень перелива, м;

Н- высота подъема жидкости, м;

НА - превышение уровня перелива, м;

Напп - высота аппарата, м;

Нж - уровень жидкости, доли;

Нр - высота рабочей зоны аппарата, м;

I - ток якоря, А;

КХгУ- поверхностный коэффициент массопередачи по жидкости и газу, Км - объемный коэффициент массопередачи, с"1; L - расход жидкости, м3/с;

L], Ь2 - объемные расходы на входе и выходе из аппарата, м3/с;

тжид - масса жидкости, кг; тг - масса газа, кг;

Лт - количество вещества, переданное из одной фазы в другую;

Мг/ж - молярная масса газа / жидкости, г/моль;

п - частота вращения роторов, об/сек;

пг/ж - количество газа I жидкости, моль;

Ыг - мощность газа, Вт;

Идв - мощность двигателя, Вт;

Ы0бщ - мощность общая, Вт;

Ихол - мощность холостого хода, Вт;

Р - давление, Па;

Ргидр - гидравлическое сопротивление аппарата, Па;

г - внутренний радиус корпуса аппарата, м;

Я - радиус ротора, м;

Ке - критерий Рейнольдса;

Яе* - приведенный критерий Рейнольдса;

2

- площадь сечения сливного устройства, м ;

- удельная площадь контакта фаз, м"1;

„ 2 £ - площадь поперечного сечения аппарата, м ;

& - критерий Шмидта (диффузионный критерий Прандтля);

57? - критерий Шервуда (диффузионный критерий Нуссельта);

Г-температура, °С;

II- напряжение на обмотках электродвигателя, В; и - турбулентные пульсации; Уапп - объем аппарата, м ;

Уг/ж ~ объем, занимаемый газовой фазой / жидкой фазой, м3; ¥пр - объем пробы, мл;

Утитр - объем аликвотной части анализируемого раствора, взятый на титрование, л;

Умаон- объем водного раствора ЫаОН, л;

-и; - осреднённая скорость истечения жидкости, м/с; лип - скорость всплывания пузырька, м/с; X], х2 - мольные доли компонентов в смеси; ху], Ху2 - объемные доли компонентов в смеси; х - число ступеней контакта фаз.

Нижние индексы

г-газ;

ж - жидкость; кр - критический; эфф - эффективный; х - жидкая фаза; у - газовая фаза.

Греческий ряд

а - константа аппарата, входящая в критерий геометрического подобия;

/5- коэффициента массоотдачи, м/с;

Лср - средняя движущая сила;

е - скорость диссипации энергии, Вт/кг;

С- коэффициент сопротивления сливного устройства

Мг/ж/см- динамическая вязкость газа / жидкости / смеси, Па-с;

V - кинематическая вязкость, м2/с;

рг/ж/см ~ плотность газа / жидкости / смеси, кг/м3;

а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

х - касательные напряжения;

(р - газосодержание;

со - угловая скорость, рад/сек.

ВВЕДЕНИЕ

Защита окружающей среды от вредных выбросов является одной из важнейших и актуальнейших задач, стоящих перед человечеством. От ее решения зависит и здоровье, и благосостояние настоящих и будущих поколений.

Бурное развитие промышленного производства, рост потребления природных ресурсов, а вместе с ними и увеличение объема вредных выбросов, привели к тому, что в настоящее время во многих регионах земного шара степень загрязнения воздушного и водного бассейнов существенно превышает экологически безопасный уровень.

Огромное количество вредных веществ попадает в атмосферу в виде пылегазовых выбросов, оседающих в последствии в почву и водоемы, тем самым, оказывая отрицательное воздействие на всю окружающую среду [1].

Одним из главных загрязнителей атмосферы является химическая промышленность, поэтому качество экологической обстановки напрямую связано с качеством применяемых на предприятиях систем газоочистки [2].

Несмотря на многообразие способов газоочистки, в основе большинства современных газоочистительных систем лежит абсорбция [3].

Актуальность проблемы.

Применяемое в настоящее время газоочистительное оборудование в большинстве случаев является довольно материалоёмким и малоэффективным.

Поэтому, наиболее актуальной задачей аппаратурного оформления современных абсорбционных процессов является разработка эффективных аппаратов, отличающихся высокими качественными и количественными показателями.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное

исследование процессов массопереноса в абсорбере двухроторного типа,

7

разработанном на кафедре МАХП СПбГТИ (ТУ), создание на его основе физико-математической модели, связывающей основные геометрические параметры аппарата и свойства обрабатываемой среды с затратами мощности, необходимой для достижения заданных значений степени очистки газовых выбросов и разработка методики расчета аппарата.

Для достижения цели исследования в работе поставлены следующие задачи:

- создание физико-математической модели, связывающей основные геометрические размеры аппарата, свойства обрабатываемой среды и технологические параметры процесса;

создание экспериментальной установки для исследования массопереноса в абсорбере двухроторного типа;

- верификация модели и определение эмпирических констант;

- экспериментальное подтверждение эффективности использования абсорбера двухроторного типа в конкретных процессах очистки газовых выбросов с целью оптимизации технологических режимов и внедрения аппарата в производство;

- создание методики расчета аппарата.

Научная новизна работы:

- на основе анализа структуры газожидкостного слоя создана новая модель массопереноса в абсорбере двухроторного типа;

- модель является универсальным подходом к расчету двухроторных аппаратов, работающих с использованием пенного режима. Она основана на рассмотрении структуры газожидкостного слоя в зависимости от скорости диссипации энергии и учитывает свойства среды, технологические параметры массопереноса и геометрию аппарата;

- предложен новый более эффективный способ очистки нитрозных газов

раствором карбамида.

Новизна подтверждается патентом РФ на изобретение № 2440176.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработанная методика расчета роторного аппарата может быть использована при проектировании аппаратов для очистки газовых выбросов;

- созданная экспериментальная установка используется в учебном процессе на кафедре Машин и аппаратов химических производств Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета);

- предложена и внедрена на предприятии ОАО «АЗКиОС», технология очистки нитрозных газов с использованием двухроторного аппарата, которая позволила значительно сократить опасные выбросы в атмосферу.

ГЛАВА 1 АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ В АППАРАТАХ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПОДВОДОМ ЭНЕРГИИ

Синтез высокоэффективных абсорбционных систем должен базироваться на глубоком понимании процесса массообмена и факторов влияющих на его интенсивность.

1.1 Способы повышения эффективности массообменных процессов в системах газ - жидкость

Массообмен, необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или нескольких фаз. Осуществляется в результате хаотического движения молекул, макроскопического движения всей среды, а в турбулентных потоках - также в результате хаотического движения вихрей различного размера. Массобмен включает массоотдачу и массопередачу. Сущность массообмена, протекающего в газожидкостной системе, заключается в переносе некоторого количества вещества из одной фазы в другую через поверхность контакта фаз 5пов вследствие разницы концентраций компонента во взаимодействующих фазах Аср [4]. При этом количество вещества, переданное в единицу времени определяет скорость массопередачи. Для интенсификации процесса необходимо увеличить скорость его протекания.

Масса целевого компонента перешедшего из одной фазы в другую за единицу времени или скорость массообмена прямопропорциональна движущей силе процесса - разнице усредненных концентраций целевого компонента во взаимодействующих фазах и площади контакта фаз, в точное равенство зависимость обращает коэффициент массопередачи К, который отражает условия взаимодействия фаз и зависит от множества факторов.

Понимания путей увеличения коэффициента массопередачи дает

10

детальное рассмотрение процесса массопереноса. Массоперенос, как правило, состоит из нескольких последовательных стадий, т.е. поток целевого компонента, переносимого из одной фазы в другую, испытывает несколько последовательных сопротивлений [5, 6]. Если представить коэффициент массопередачи как величину обратную сумме сопротивлений массопереносу, то, очевидно, его увеличение будет связано со снижением сопротивления на каждой из стадий массопередачи.

В общем случае представление о возможности пути интенсификации массообменных процессов можно получить на основе анализа уравнения массопередачи.

dM —

-7- = K-Snoe'AcP^ (1.1)

ах

где М- количество вещества, переданное из одной фазы в другую; т- время проведения процесса; К - коэффициент массопередачи; Snoe - площадь поверхности контакта фаз; Аср - движущая сила процесса.

Левая часть данного уравнения выражает скорость массопередачи. Из приведенной зависимости видно, что повышение скорости процесса возможно достичь при увеличении параметров, входящих в правую часть уравнения. Т.е. интенсификацию можно вести за счет увеличения - площади контакта фаз, коэффициента массопередачи и выбора направления течения фаз (противоток или прямоток).

Коэффициент массопередачи К отражает условия взаимодействия фаз и зависит от множества факторов.

Физико-химические факторы: температура, давление, концентрация вещества, физические свойства взаимодействующих фаз. Коэффициент массопередачи пропорционален коэффициенту диффузии D в степени от 0,5 до 0,67 и обратно пропорционален вязкости ув степени от 0,2 до 0,47 [7].

Температура может влиять на коэффициент массопередачи только через изменение физических свойств системы. Увеличение температуры

процесса Т приводит к увеличению коэффициента диффузии Б (пропорционально Г1'75) и вязкости v (пропорционально Г1'5).

Замечено, что при очень большой концентрации компонента в газовой фазе, соизмеримой с концентрацией самой фазы, коэффициент К увеличивается [8, 9]. Для жидкой фазы это не имеет значения.

Таким образом, для интенсификации массообмена достаточно подобрать такие физические параметры процесса и свойства обрабатываемых веществ, которые увеличивали бы общий коэффициент массопередачи. Однако в реальных условиях, из технологических соображений, физико-химические свойства веществ являются неизменными параметрами процесса. В этом случае увеличение скорости массообмена возможно лишь за счет гидродинамических или геометрических факторов.

Геометрические факторы: размеры контактных элементов, размер аппарата. Анализ геометрических факторов интересен в основном при переходе от лабораторного оборудования к промышленным аппаратам. При этом коэффициент К несколько уменьшается в сравнении с лабораторным аналогом. Уменьшение коэффициента массопередачи наблюдается и в аппаратах, в которых увеличивается геометрический размер контактных устройств (например, в насадочных колоннах). Для скрубберов коэффициент К обратно пропорционален высоте абсорбционной зоны в степени от 0,33 до 0,8 [10]. Следовательно, с точки зрени