автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Очистка водородсодержащих газов от диоксида углерода в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами с односторонней сепарацией жидкости

КАЛИМУЛЛИН ИЛЬДАР РАМИЛЕВИЧ

ОЧИСТКА ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В АППАРАТАХ С ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВЫМИ КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ С ОДНОСТОРОННЕЙ СЕПАРАЦИЕЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 05Л7.08. - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2010

11 4 2010

004610353

Работа выполнена в Исследовательском центре проблем энергетики Учреждения Российской академии наук Казанского научного центра РАН

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Николаев Николай Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Башкиров Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Яковлев Анатолий Борисович

Ведущая организация:

ОАО «Нижнекамскнефтехим» (г. Нижнекамск)

Защита диссертации состоится «29» октября 2010 г. в /4 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 при ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. КМаркса, 68 (зал заседаний учёного совета), А-330.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « <?</» агитя^/3£ 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

^ С. И. Поникаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность работы. На сегодняшний день водород находит достаточно широкое применение в различных областях народного хозяйства: в химической промышленности в процессах синтеза аммиака, альдегидов, спиртов; в нефтехимической промышленности в процессах гидроочистки, гидрокрекинга и каталитического риформинга, а также нефтехимического синтеза; в пищевой и фармацевтической промышленности. Согласно «Стратегии развития химического и нефтехимического комплекса России до 2015 года», производство отдельных видов промышленной продукции в этих областях должно увеличиться на 280% по сравнению с 2006 годом, что неизбежно приведет к увеличению производства и потребления водорода.

Существенным недостатком производства водорода является то, что он производится не в чистом виде, а в виде смеси с другими газами, что требует применения дополнительного оборудования для его очистки. В подавляющем большинстве существующих в России и за рубежом установок улавливания СОг применяется хемосорбция его из газов этаноламинами (в большинстве случаев моноэтаноламином). В качестве абсорберов, как правило, применяется традиционное оборудование барботажного тарельчатого и насадочного типов. Однако такое абсорбционное оборудование устойчиво работает при скоростях газа, не превышающих 1,5-2 м/с. При очистке больших объемов газов это приводит к необходимости увеличения габаритных размеров оборудования или использования большого количества параллельно работающих аппаратов. Недостатком абсорбентов на основе первичных аминов является их высокая коррозионная способность, высокая скорость побочных реакций и деградации.

Возможным способом решения проблемы является использование аппаратов вихревого типа, среднерасходная скорость газа в которых может достигать 10-30 м/с, таких как многоступенчатые массообменные аппараты с прямоточно-вихревыми контактными устройствами (ПВКУ) и применение поглотителей на основе метилдиэтаноламина (МДЭА).

Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является комплексное исследование гидродинамических характеристик и массообмена в многоступенчатых аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами применительно к процессам очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода. В непосредственные задачи исследования входило:

- разработка конструкции прямоточно-вихревого контактного устройства, сочетающего в себе высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление, простоту конструктивного исполнения и высокую эффективность массообмена;

- изучение динамики жидкостного потока в предложенном прямоточно-вихревом контактном устройстве;

* В руководстве работой принимал участие к.т.н. Дмитриев Андрей Владимирович

- исследование динамики жидкости на ступени массообменного аппарата с предлагаемыми прямоточно-вихревыми контактными устройствами;

-экспериментальное и численное изучение процесса поглощения диоксида углерода раствором метилдиэтаноламина в предлагаемом прямоточно-вихревом контактном устройстве.

Научная новизна работы:

- получена зависимость скорости истечения жидкости из сепарационных отверстий ПВКУ от осевой и тангенциальной скоростей и степени крутки газового потока, величины удельного орошения, скорости пленки жидкости и коэффициента местного сопротивления сепарационных отверстий;

- предложена методика расчета, позволяющая оценить влияние конструктивных особенностей контактной ступени (диаметр контактного патрубка, диаметр колонны, высота переливной перегородки) и удельного орошения аппарата на скорость течения и изменение высоты слоя жидкости на ступени с ПВКУ;

- разработано математическое описание процесса абсорбционной очистки газов в предлагаемом контактном устройстве на примере поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов водным раствором метилдиэтаноламина;

- получена зависимость эффективности очистки водородсодержащих газов на тарелке многоступенчатого массообменного аппарата с ПВКУ от величины удельного орошения аппарата, произведено сравнение эффективности предложенного контактного устройства с ПВКУ других конструкций;

- экспериментально установлены закономерности степени поглощения диоксида углерода водным раствором метилдиэтаноламина в предлагаемом прямоточно-вихревом контактном устройстве при различных значениях удельного орошения.

Практическое значение работы:

- обоснована целесообразность использования аппаратов с ПВКУ для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода;

- разработаны и защищены патентами Российской Федерации конструкции прямоточно-вихревых контактных устройств, сочетающие высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление, простоту конструктивного исполнения и высокую эффективность массообмена, предложенные конструкции приняты к внедрению на ООО «ПромКомплект» г. Нижнекамск;

- предложена методика расчета процесса поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами;

- разработана принципиальная технологическая схема очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода с использованием аппаратов с ПВКУ и абсорбентов на основе метилдиэтаноламина.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального и численного исследования динамики жидкости в прямоточно-вихревых контактных устройствах;

- математическое описание процесса поглощения диоксида углерода в прямоточно-вихревом контактном устройстве и на ступени аппарата с ПВКУ;

- результаты экспериментального и численного изучения эффективности поглощения диоксида углерода раствором метилдиэтаноламина в прямоточно-вихревом контактном устройстве.

Личное участие. Все результаты работы получены Калимуллиным И.Р. под руководством д.т.н., профессора Николаева H.A. при участии к.т.н. Дмитриева A.B.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались на IX-й Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 2008; Второй Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», г. Казань, 2008 г., Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI века» г. Нижнекамск, 2009 г., ХХШ Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-23», Саратов 2010 г.

Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, из них 1 монография, 6 статей в журналах из перечня ВАК, 2 патента на полезные модели. Отдельные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Международных и Всероссийских конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 8 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 108 источников, из которых 31 иностранные.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны области применения водорода в различных областях народного хозяйства, приведен прогноз роста производства и потребления водорода.

В первой главе представлен обзор существующих методов производства водорода из углеводородных газов, жидких топлив и угля. Представлены составы водородсодержащих газов, полученных различными методами. Показана необходимость совершенствования технологий очистки производимых газов с целью увеличения их производительности и эффективности. Представлен обзор промышленных аппаратов и технологий для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода.

Очистку от С02 предлагается проводить в многоступенчатых аппаратах с разработанными в рамках диссертационного исследования прямоточно-вихревыми контактными устройствами. Конструкция предлагаемого ПВКУ показана на рис. 1.

Прямоточно-вихревое контактное устройство представляет собой цилиндрический патрубок 1, оснащенный завихрителем потока газа 2, а также узлом подачи жидкости 3 и узлом сепарации 4. Поток газа, поступающий в контактные устройства, приобретает с помощью завихрителя вращательно-поступательное движение. Жидкость подается в центральную зону контактных устройств и дробится на капли закрученным потоком газа.

Под действием центробежной силы капли жидкости перемещаются к периферии контактных устройств и оседают на стенке, образуя слой, который на выходе отделяется от потока газа с помощью сепарационного устройства. Для поддержания крутки газового и жидкостного потоков, дополнительной турбулизации пленки жидкости и предотвращения проскока газа внутри контактного патрубка установлено направляющее устройство 5 в форме геликоида.

Во второй главе рассмотрена динамика газового и жидкостного потоков в предлагаемом прямоточно-вихревом контактном устройстве. Представлена методика расчета сепарации жидкости в сепарационных узлах ПВКУ. Традиционно считалось, что на сепарацию жидкости влияют два основных фактора: избыточное давление газа внутри контактного патрубка и центробежная сила вращающейся пленки жидкости, определяемые соответственно из формул (1) и (2).

а)

= (2) Автор исходит из положения, что на скорость жидкости в отверстиях сепаратора оказывает влияние также давление в результате перехода кинетической энергии движущейся пленки жидкости в потенциальную энергию давления из-за остановки жидкости в неровностях у отверстий, определяемое по формуле (3).

я3 = (йиг;)/2 (3)

Итоговая формула для расчета скорости в отверстиях сепаратора имеет

вид:

Рис. 1. Конструкция прямоточно-вихревого контактного устройства по патенту РФ № 87923: 1 - контактный патрубок, 2 - завихритель, 3 - узел вода жидкости, 4 - узел сепарации, 5 -направляющее устройство

На скорость жидкости в отверстиях оказывают существенное влияние степень крутки потока, тангенциальная и осевая скорости газа в контактном патрубке, а также коэффициент местного сопротивления отверстий. Кроме того, выявлено, что при увеличении удельной нагрузки ЬтЮт от 1 до 3, скорость сепарации падает почти в два раза при любых значениях скорости газа, что может привести к захлебыванию аппарата и падению эффективности процесса. Расчеты показывают, что увеличение ¿„/См выше 3 нецелесообразно.

Для проверки эффективности работы предлагаемой конструкции прямоточно-вихревого контактного устройства была спроектирована и построена экспериментальная установка. Задачей экспериментальных исследований являлась проверка выбранных конструктивных решений, определение параметров работы сепарационных узлов ПВКУ, определение режимов движения газового и жидкостного потоков для последующей разработки инженерной методики расчета, определение эффективности массообменных процессов в ПВКУ.

3 - мерная емкость; 4 - узел подвода жидкости; 5 - циклонный завихритель; 6 - фотоаппарат; 7 — контактный патрубок; 8 - окно; 9,10 - вентили;

11 - вентилятор высокого давления, 12 - емкость с абсорбентом, 13 - насос, 14 -баллон с диоксидом углерода, 15 - пробоотборник. Места измерения параметров воздуха и воды: F - расход; Т - температура.

При проведении экспериментальных исследований среднерасходная скорость газа в контактном патрубке менялась от 9 м/с до 25 м/с, соотношение массовых нагрузок газа и жидкости LJGm - от 0,3 до 3 кг/кг. Исследование динамики жидкости в ПВКУ осуществлялось фотографическим методом с использованием фотоаппарата фирмы SONY модель - DSC-H9, разрешающая

Рис. 3 Работа ПВКУ при ЬтЮт

Рис. 4 Работа ПВКУ при Ь„/Ст > 3

способность 8,1 млн. точек, время срабатывания затвора 1/2000 сек. Скорость потока газа в подводящей трубе определялась с помощью трубки Пито-Прандтля, подключенной к многодиапазонному микроманометру ММН-2400, класса точности 1,0. Было определено, что в указанном диапазоне скоростей газа наблюдается устойчивое пленочное течение жидкой фазы (рис. 3).

При увеличении удельного орошения контактного устройства выше 3 кг жидкости на кг газа наблюдался описанный в литературных источниках процесс «захлебывания» контактного устройства. Вихревая структура двухфазного потока разрушалась, прекращалась сепарация жидкости через

отверстия, поступающая жидкость уносилась из контактного патрубка в виде крупных капель 3-5 мм (рис. 4).

Были проведены измерения скорости жидкости в отверстиях сепаратора путем отбора жидкости от одиночного сепарационного отверстия. Результаты

экспериментальных измерений и сравнение их с расчетными значениями по формуле (4) представлены на рис. 5. Погрешность расчета скорости сепарации составила 14%.

При расчете параметров массообменных процессов в ПВКУ необходимо определить режимы течения жидкой фазы, так как этот параметр оказывает существенное влияние на характеристики массообменного процесса.

Для этого пользуются известными зависимостями, полученными для нисходящих или восходящих незакрученных пленочных течений. Углы закрутки пленки жидкости определяют через соотношение осевой и

Рис. 5 Зависимость скорости жидкости в отверстиях сепаратора от скорости газа в вихревом аппарате при ЬтЮт кг/кг: 1-1; 2-2; 3-3

тангенциальной скорости газового потока, при этом делается допущение о равенстве углов закрутки газового потока и пленки жидкости. Для проверки обоснованности этого допущения были проведены экспериментальные измерения этого параметра. Внутри контактного патрубка у смотрового стекла 8 были консольно вклеены на разной высоте неупругие непромокаемые нити.

При движении пленки жидкости по стенкам контактного патрубка они вытягивались вдоль линии тока, указывая угол закрутки пленки жидкости. Результаты измерений показали, что углы закрутки газового потока и пленки жидкости практически совпадают, а крутка потока не меняется по высоте контактного патрубка.

Исследование характеристик массообмена в ПВКУ проводилось на примере абсорбции диоксида углерода из газовой смеси 50%-м водным раствором метилдиэтаноламина. Определение эффективности массообмена производилось путем отбора проб газа на входе и на выходе из контактного патрубка и их последующего анализа.

Общеизвестным недостатком многоступенчатых тарельчатых массообменных аппаратов является наличие градиента уровня жидкости на тарелке. Перепад уровня жидкости на тарелке приводит к прорыву газов в местах наименьшей толщины слоя и снижению общей эффективности процесса.

Объемный расход жидкости на тарелке можно определить из выражения:

где л = £(2)^./Я,- 1) - количество контактных элементов на тарелке; ^ -

расстояние между соседними элементами, м; У, = (Д,2/4 + (X, - Э^)2)0'5, м; X, = Ъ\ + й'г, м; рс, - плотности газа и жидкости, кг/м3; 52 - расстояние между соседними рядами ПВКУ, м; ЬтЮт - отношение массовых расходов жидкой и газовой фаз, кг/кг; с! - диаметр элемента, м; Д, - диаметр аппарата,м; 1¥ср -среднерасходная скорость в одном элементе, м/с.

Принимая, что движение жидкости по тарелке аппарата с вихревыми контактными устройствами аналогично поперечному обтеканию жидкостью пучка труб, можно предположить, что возникновение градиента уровня жидкости связано с сопротивлением контактных элементов движению жидкости. Следовательно, энергия потока жидкости, потерянная при прохождении каждого ряда контактных элементов, идет на увеличение высоты слоя жидкости перед рядом ПВКУ. Исходя из этого, изменение уровня жидкости в г'-ом ряду можно оценить из выражения:

где 5', - площадь прохода жидкости в ряду контактных элементов; я - ускорение свободного падения. Как видно из графиков на рис. 6, изменение уровня жидкости более существенно для аппаратов больших диаметров, так при

(5)

У

(6)

увеличении диаметра аппарата с 0,8 до 2 метров величина максимальной высоты уровня жидкости на тарелке возрастает в 1,5 раза.

Рис. 6 Изменение уровня жидкости на Рис. 7 Изменение уровня жидкости на

тарелке. к0 = 0,09 м; 1тЮт = 3 кг/кг; тарелке. Д, = 2 м; Ьт1Ст = 3 кг/кг; с1= с1 = 0,05м; \Уср = 15 м/с; Ц, м: 0,05м; IVср = 15 м/с; И0, м: 1-0,8; 2— 1,4; 3 — 2. I -0,09; 2-0,11; 3-0,13.

Одним из способов уменьшения градиента уровня жидкости на тарелке может стать увеличение начальной высоты слоя путем установки более высокой переливной планки, это приводит к уменьшению линейной спорости жидкости на тарелке. При увеличении высоты переливной планки с 0,09 до 0,13 м максимальный перепад уровня жидкости уменьшается на 25% (рис. 7).

В третьей главе рассматриваются закономерности процесса сорбции диоксида углерода в прямоточно-вихревых контактных устройствах. Приводится краткий обзор существующих методик расчета процесса физической сорбции для условий и параметров потоков, сходных с процессами в ПВКУ. Предлагается методика расчета эффективности сорбционной очистки газов от диоксида углерода.

Исследования работы ПВКУ показали, что скорость потоков, интенсивность их перемешивания, вид и величина межфазной поверхности существенно меняются по высоте контактного устройства. В этих условиях расчеты по усредненным гидродинамическим и кинетическим параметрам не дают положительных результатов. В связи с этим контактные устройства разделяют на несколько гидродинамически однородных зон. При работе предлагаемого прямоточно-вихревого контактного устройства можно выделить три гидродинамически однородные зоны. В 1-ой зоне происходит перекрестное взаимодействие газового и жидкостного потока, при постоянстве расхода газовой и жидкостной фаз. Во 2 -ой зоне - прямоточное взаимодействие фаз, при постоянном £„Д?т. В 3-ей зоне - прямоточное взаимодействие фаз, при условий постепенного истечения жидкости через отверстия сепаратора.

' Уравнение материального баланса для первой зоны имеет вид:

0„у = в„(у+с1у)+Шп (7)

Преобразовав которое, можно получить уравнение вида:

СЖ^-К^Щ+у-у*) Преобразуя и интегрируя это выражение граничными условиями >1-о= Л и уЦ^ и допустив, что

КУ1=сот1 на высоте А/ и расход газовой фазы сохраняется неизменным, ' получаем уравнение вида (9), решив которое для каждой из характерных зон, можно рассчитать концентрацию компонента в газе:

[ Ф =-N

¿(y-y*)

где Nv¡=(FrKy¡)¡G„

(9)

- число единиц

h¡

R,

i

(8) 3-я зона

2-я зона

1-я зона Рис. 8 Расчетная схема прямоточно-вихревого контактного устройства

переноса в первой гидродинамически однородной зоне. Решая уравнение (9) можно определить концентрацию извлекаемого компонента в газовой фазе на выходе из гидродинамически однородной зоны.

Аналогично можно составить и решить уравнения вида (9) для каждой гидродинамически однородной зоны и рассчитать концентрацию извлекаемого компонента на выходе из контактного устройства.

При решении уравнений вида (9) наиболее сложным является определение коэффициентов массоотдачи, которые в данной работе определялись из аналогии Кольборна:

J*L.¿iÍL=Jb-Sc-v t (10)

Re-Sc W p-W- '

где u=tf+ra - суммарные касательные напряжения на границе раздела газа и жидкости, складывающиеся из TJ=C/-pL(Wa-Uh)1¡& - касательного напряжения пленки жидкости от наличия движущегося газового потока; га - Еар, С sin a (F eos а - Uh) - напряжения от срыва и возвращения в пленку капель жидкости, где Еа - доля жидкости в каплях. Такой подход позволяет учесть влияние интенсификации массообмена выпадающими каплями жидкости.

ЕЫНУО-УЖуо-У') (П) :

Технологическая эффективность для каждой гидродинамически однородной зоны определяется, из выражения (11), а полная эффективность контактного устройства из формулы:

Л^-ПО-'Е™) 1-1

Эффективность каждого контактного устройства не совпадает с эффективностью ступени с ПВКУ в целом. Прореагировавшая жидкость отделяется от газового потока в сепарационных узлах ПВКУ и снова попадает на тарелку, при этом она смешивается со свежепоступающей. Для оценки

эффективности принятых конструктивных решений и влияния рециркуляции жидкости на тарелке на эффективность ступени в ПВКУ была составлена схема потоков на тарелке с N рядами вихревых контактных устройств (рис.

9).

(13)

Уравнение (13) позволяет определить состав жидкости на выходе из контактного устройства.

4 = (А-,-,*'. + (4т - 4-м К+4-л')/(4г ~ 4м) (14)

Состав жидкости на тарелке в пространстве между рядами определяется из уравнения (14). Здесь L,,, - объемный расход жидкости в ПВКУ, м3/с; Lir -объемный расход жидкости на ступени, м3/с; х'т и х"т - концентрации компонента в жидкости на входе и на выходе в межрядное пространство, кмоль/м3; ¿-коэффициент рециркуляции жидкости в ряду, равен доле жидкой фазы, возвращаемой на вход г-того ряда контактных элементов. Для контактных элементов традиционных конструкций, сепарация жидкости в которых осуществляется во все стороны, к будет равен 0,5. Особенностью предлагаемой конструкции ПВКУ является односторонняя сепарация жидкости, т.е. к = 0. Кроме того на работу контактного устройства влияет состав жидкости, поступающей в ПВКУ через питающий патрубок, а он в свою очередь зависит от режима перемешивания жидкости в пространстве между рядами. Анализируя расчетную схему, можно предположить два предельных случая. При идеальном вытеснении жидкости по высоте слоя применимо равенство: х'-, = х'т, в случае идеального перемешивания жидкости в пространстве между рядами используется равенство: х)=х"т. Для определения параметров работы контактной ступени составляется система уравнений для каждого / -того ряда.

Последовательное решение получаемых уравнений для всех рядов контактной ступени позволяет определить концентрации диоксида углерода в газе и жидкости на входе и на входе со ступени. Состав газа на выходе из контактной ступени определяется по формуле:

У^±0„У,/±С„ (15)

i-i / /-1

(12)

kLy, (1 -k)Lr,

i

LrT — Lr, LyT — LVI

x" Ti

Рис. 9 Схема потоков на тарелке с ПВКУ

Рис. 10 Зависимость технологической эффективности от величины удельной нагрузки ¿т/С„, кг/кг в контактном

элементе: 1 - к = 0, идеальное вытеснение жидкости; 2 ~к = 0,5, идеальное вытеснение жидкости; 3 - к = 0, идеальное перемешивание жидкости; 4 - к = 0,5, идеальное перемешивание жидкости

Рис. 11 Зависимость технологической эффективности от величины удельной нагрузки кг/кг в колонне:

1 - к = 0, идеальное вытеснение жидкости; 2-к = 0,5, идеальное вытесне1ше жидкости;3 -к = 0, идеальное перемешивание жидкости; 4 — к= 0,5, идеальное перемешивание жидкости

Как следует из графиков, представленных на рис. 10 и 11, эффективность работы ступени с предлагаемыми контактными устройствами на 17-20% выше, чем на ступенях с традиционными контактными устройствами во всем диапазоне удельных нагрузок.

На эффективность работы каждого ряда контактных элементов так же оказывает влияние изменение высоты уровня жидкости на ступени, так как от него зависит величина подпора жидкости и орошение каждого контактного устройства.

(16)

Значение скорости жидкости в питающем патрубке ПВКУ можно определить по формуле (16).

= +2А (17)

Закон сохранения энергии в контактном патрубке можно записать в виде

(17).

^ = (18)

Потери напора в узле ввода жидкости определяются из выражения (18). После преобразования (17), с учетом (18) и (16) получаем зависимость между

высотой слоя жидкости на тарелке и отношением массовых расходов жидкой и газовой фаз в виде:

А =-2*.

Г1,!г -

гк

Ра_

А

-Л.

1

ря

7

Л •

(19)

На рис. 12 представлены зависимости эффективности каждого ряда контактных элементов на тарелке при величине перепада уровня жидкости 100 мм, рассчитанные с учетом изменения высоты слоя перед каждым рядом

ПВКУ. Из графиков видно,

Е,- что несмотря на некоторое

снижение эффективности поглощения от ряда к ряду, общее снижение

эффективности ступени будет незначительным. Поэтому можно утверждать, что влияние градиента уровня жидкости на общую эффективность работы

контактной ступени с предлагаемыми ПВКУ

незначительно, что выгодно отличает аппараты этого типа от традиционных тарельчатых барботажных колонн.

В четвертой главе рассматриваются основные закономерности процессов Малая растворимость диоксида

Рис. 12 Эффективность работы прямоточно-

вихревых контактных устройств при градиенте жидкости на тарелке 100 мм и при скоростях газа: 1 - \У= 16,6 м/с; 2 - 21,1;

3-25,4; 4-28,8 химической сорбции диоксида углерода, углерода в воде приводит к необходимости использования более дорогих поглотителей, таких как растворы аминов. В качестве основного хемосорбента для поглощения СОг из водородсодержащих газов использовался раствор моноэтаноламина (МЭА), обладающий высокой поглотительной способностью, особенно при низких парциальных давлениях С02. Однако он обладает такими недостатками, как повышенные затраты тепла на регенерацию раствора, высокой скоростью побочных реакций и коррозией оборудования.

Для устранения указанных недостатков предлагается использование абсорбентов на основе м'етилдиэтаноламина. Растворы МДЭА легче регенерируются, скорость коррозии и деградации раствора меньше, чем у МЭА. Необходимое количество тепла на регенерацию растворов МДЭА на 30-40% меньше, по сравнению с МЭА, что обеспечивает экономию энергии При применении МДЭА наблюдается значительное снижение деструкции абсорбента по сравнению с растворами МЭА.

Отличие механизма реакции диоксида углерода с третичным амином в том, что он не реагирует непосредственно с поглощаемым компонентом. Вместо

этого, третичные амины действуют в качестве основания, которое катализирует гидратацию С02. Ниже представлена методология расчета хемосорбционного процесса в предложенном аппарате вихревого типа.

о -,_---г---

0,5 1 1,5 Ь^т

Рис. 13 Зависимость технологической эффективности процесса хемосорбционной очистки в прямоточно-вихревом контактном устройстве от соотношения удельных массовых нагрузок ЬтЮт, кг/кг при температуре процесса I, °С: 1-50; 2-20

Рис. 14 Зависимость технологической эффективности процесса хемосорбционной очистки в прямоточно-вихревом контактном устройстве от соотношения удельных массовых нагрузок ЬтЮт, кг/кг при давлениях процесса Р, МПа: 1 -0,1; 2-1; 3 -2; 4-3

Ею 0,2 -

В основе предлагаемой методики лежит представление о том, что:

- поглощаемый компонент мгновенно реагирует с активной частью хемосорбента;

- при протекании реакции в массе жидкости на 1 моль С02 расходуется 1 моль ЩЭА.

Уравнения материального баланса для прямоточно-вихревого контактного устройства не отличаются для процессов физической и химической сорбции.

Использование в качестве поглотителя хемосорбентов на основе водных растворов аминов приводит к изменению положения линии равновесия в системах жидкость-газ, кроме того, при условии избытка хемосорбента, концентрацию физически растворенного в поглотителе диоксида углерода можно принять равной нулю. В этом случае равной нулю будет и значение равновесной концентрации диоксида углерода.

Произведя расчет состава газа на выходе из контактного устройства, можно рассчитать технологическую эффективность хемосорбционного процесса в ПВКУ. Результаты расчетов и сравнение их с экспериментальными данными представлены на рис. 13-14. Погрешность расчета эффективности очистки водородсодержащих газов от С02 раствором МДЭА составила 14%.

Таким образом, многоступенчатые массообменные аппараты с прямоточно-вихревыми контактными устройствами являются наиболее применимыми аппаратами для очистки больших объемов водородсодержащих

газов, так как смогут обеспечить хорошее качество очистки при больших нагрузках, когда применение традиционного массообменного оборудования невозможно.

В пятой главе рассматривается технологическая схема очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода абсорбентами на основе МДЭА в аппаратах с предлагаемыми прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

1 - абсорбер, 2,3,4 - десорберы, 5 - теплообменник, 6 - испаритель, 7 - холодильник, 8,9,10 - насосы

Особенностью предлагаемой схемы является то, что в одном аппарате происходит двухступенчатая очистка от диоксида углерода. Нижняя часть колонны 1 орошается частично регенерированным абсорбентом, поглотительной способности которого достаточно для первичной очистки конвертированного газа от диоксида углерода. Окончательная очистка от диоксида углерода осуществляется в верхней части абсорбера, которая орошается полностью регенерированным абсорбентом из десорбера 4.

Совместное решение уравнений материального и теплового балансов для всех технологической схемы позволяет определить концентрации извлекаемого компонента на входе и на входе всех аппаратов технологической цепочки, значения расходов греющего пара и охлаждающей воды, выявить оптимальное значение отношения расхода частично регенерированного абсорбента к его общему количеству.

Проведение экономических расчетов позволяет говорить о целесообразности глубокой модернизации существующих схем абсорбционной очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода путем установки предлагаемых прямоточно-вихревых контактных устройств и замены раствора моноэтаноламина на абсорбенты на основе МДЭА. Срок окупаемости затрат на проведение модернизации составляет 2,03 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сравнительный анализ методов и аппаратурного оформления процессов очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода выявил целесообразность использования для поглощения С02 аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами и абсорбентов на основе метилдиэтаноламина.

2. Разработаны и защищены патентами Российской Федерации на полезные модели конструкции прямоточно-вихревых контактных устройств для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода. Предложенные конструкции приняты к внедрению на ООО «ПромКомплект» г. Нижнекамск.

3. В результате экспериментальных и численных исследований получены зависимости скорости жидкости в сепарационных отверстиях ПВКУ от скорости несущего газового потока, величины удельной нагрузки по фазам и конструктивного исполнения отверстий.

4. Установлены основные технологические и конструктивные параметры, влияющие на скорость течения и изменение высоты слоя жидкости на тарелке многоступенчатого массообменного аппарата с предложенными прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

5. Разработано математическое описание процесса поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов водным раствором метилдиэтаноламина, установлены зависимости эффективности поглощения СОг от величины удельного орошения и общего давления в системе.

6. Получены зависимости эффективности массообмена в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами, показано, что использование предложенных контактных устройств позволяет повысить эффективность работы ступени на 20% по сравнению с использованием ПВКУ других конструкций.

7. На созданной автором экспериментальной установке проведена серия исследований поглощения диоксида углерода из газовоздушной смеси водным раствором метилдиэтаноламина в предложенном прямоточно-вихревом контактном устройстве. Исследования показали линейный характер увеличения эффективности поглощения с увеличением степени орошения аппарата.

8. Разработана принципиальная технологическая схема выделения диоксида углерода из водородсодержащих газов в многоступенчатых аппаратах с предложенными прямоточно-вихревыми контактными устройствами с использованием в качестве поглотителя водного раствора метилдиэтаноламина.

Основные обозначения

1У9, 1УГ, 1У:, Игср - тангенциальная, радиальная, осевая и среднерасходная скорости газа, м/с; 1¥т - скорость истечения жидкости из отверстий, м/с; {/„ иср - тангенциальная, радиальная, средняя скорости пленки, м/с; а - диаметр капли, м; V - скорость капли, м/с; <5 - толщина пленки жидкости, м; рь ра -плотности жидкой и газовой фаз, кг/м3; Р - давление, Па; 1т - массовые расходы газа и жидкости, кг/с; (7„ - объемные расходы газа и жидкости, м3/с;

х, у - концентрация компонента в жидкой и газовой фазе, кмоль/м3; т -касательное напряжение на границе раздела фаз, Па; Д,, Д,- радиус и диаметр рабочей зоны аппарата, м; Л - высота, м; - количество вещества

перешедшего из газ в пленку жидкости на участке высотой ек\ {¡и /?с -коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой фазах; 8И - число Шервуда; Рг - число Прандтля; 5с - число Шмидта; Кг - число Рейнольдса; Же - критерий Вебера; Ею - технологическая эффективность в газовой фазе; Ей -эффективность по Хаузену; <т- поверхностное натяжение, Н/м2;

Индексы: 0 - начальное значение; г - проекция на радиус; г - проекция на ось аппарата; (р - тангенциальная составляющая; Ь - жидкая фаза; б - газовая фаза; а - капля; /- пленка; т - массовый расход.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

монография:

1. Калимуллин, И. Р. Производство и применение водорода / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, Н. А. Николаев. - Казань : Новое знание, 2008. -176 с.

журналы рекомендованные ВАК:

2. Калимуллин, И. Р. Экологические аспекты производства водорода / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, Н. А. Николаев // Экология и промышленность России. - 2009. - № 3. - С. 38-39.

3. Калимуллин, И.Р. Применение аппаратов с интенсивными гидродинамическими режимами для снижения выбросов двуокиси углерода / И. Р. Калимуллин, Д. Д. Латыпов, А. В. Дмитриев // Вестник Казанского технологического университета. - 2009. - № 3. - С.15-19.

4. Калимуллин, И. Р. Очистка водородсодержащих газов в аппаратах вихревого типа / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев // Альтернативная энергетика и экология. - 2009. - № 8. - С.195-198.

5. Калимуллин, И. Р. Увеличение эффективности очистки газовых выбросов промышленных предприятий в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев // Экология и промышленность России. - 2009. - № 12. - С. 11-13.

6. Дмитриев, А. В. Перспективы использования аппаратов прямоточно-вихревого типа для очистки крупнотоннажных газовых выбросов промышленных предприятий / А. В. Дмитриев, И. Р. Калимуллин, Н. А. Николаев // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2010. - Т. 53-№. 3.- С. 125-127.

7. Дмитриев, А.В. Оценка изменения уровня жидкости на ступени массообменного аппарата с прямоточно-вихревыми контактными устройствами / А. В. Дмитриев, И. Р. Калимуллин, А. Н. Николаев // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-2010.-№8. -С. 11-13.

патенты:

8. Пат. 83713 Российская Федерация, МПК7 В 01 D 3/00. Прямоточно-вихревое контактное устройство / Калимуллин И. Р., Дмитриев А. В., Николаев Н. А.; заявители и патентообладатели Калимуллин И. Р., Дмитриев А. В. Гафшггов И.З., Николаев Н. А. - 2008127799/22, заявл. 08.07.2008. опубл. 10.02.2009, Бюл. №4.-2 с.

9. Пат. № 87923 РФ, МПК7 В 01 D 3/00. Прямсггочно-вихревое устройство для контакта газа и жидкости / Калимуллин И. Р., Деев Е. Б., Николаев А. Н., Дмитриев А. В.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Казанский научный центр РАН. - 2009122044/22, заявл. 08.06.2009. опубл. 17.10.2009, Бюлл. № 30. - 3 с.

другие издания:

10. Калимуллин, И. Р. Снижение выбросов диоксида углерода пищевых предприятий, расположенных в черте города / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев // Материалы общероссийской конференции молодых учёных с международным участием «Пищевые технологии и биотехнология». - Казань: КГТУ, 2008. - С. 103.

11. Экологическая безопасность водородной энергетики / Э. Р. Гарифзянова, И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, Н. А. Николаев // Вторая Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». Казань : Из-во Казан, гос. технол. ун-та, 2008. - С. 318-321.

12. Калимуллин, И. Р. Проблемы перехода энергетики на уголь / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев // Сборник научных работ и сообщений «Актуальные проблемы современной науки». Казань : Из-во Казан, гос. технол. ун-та, 2008.-С. 23-24.

13. Курбангалиева, Г. Р. Выделение водорода го водородсодержащих газов / Г. Р. Курбангалиева, И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев // Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации и высокие технологии XXI века». Нижнекамск : Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) КГТУ, 2009. - С. 31-33.

14. Дмитриев, А.В. Расчет эффективности очистки водородсодержащих газов в аппаратах вихревого типа / А. В. Дмитриев, И. Р. Калимуллин, А. Н. Николаев // Математически методы с технике и технологиях - ММГТ-23: сб. трудов ХХШ Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 4. Секция 4 / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Саратов: Саратовский гос. технол. ун-т, 2010. - С. 64-66.

д

Подписано в печать 27 сентября 2010 г. Форм. бум. 60X84 1/16 Печ. л. 1,25. Тираж 120. Заказ №39. Отпечатано в редакционно-издательском отделе НХТИ (филиал) ГОУ ВПО «КГТУ» Республика Татарстан, г. Нижнекамск, 423570, ул. 30 лет Победы, д. 5а.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА.

1.1 Методы производства и составы водородсодержащих газов.

1.2 Обзор существующих аппаратов для очистки водородсодержащих газов.

1.3 Аппараты вихревого типа для очистки газов.

1.4 Постановка задачи исследования.

2. ДИНАМИКА ГАЗА И ЖИДКОСТИ В КОЛОННЫХ АППАРАТАХ С ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВЫМИ КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ.

2.1 Динамика газового закрученного потока.

2.2 Закономерности движения жидкой фазы в вихревом контактном устройстве.

2.3 Экспериментальное исследование работы прямоточно-вихревого контактного устройства с односторонней сепарацией жидкости.

2.4 Определение действительной высоты слоя жидкости на ступени аппарата с прямоточно-вихревыми контактными элементами.

3. МАССООБМЕН В АППАРАТАХ С ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВЫМИ КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ.

3.1 Закономерности массопереноса между газом и пленкой жидкости.

3.2 Методика расчета процесса физической сорбции в прямоточно-вихревом контактном устройстве.

3.3 Расчет эффективности работы контактной ступени с прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

3.4 Влияние градиента уровня жидкости на тарелке на эффективность работы контактной ступени с прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

4. ХИМИЧЕСКАЯ СОРБЦИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ'.

4.1 Кинетические закономерности процесса химической сорбции.

4.2 Расчет эффективности хемосорбционной очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода.

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТОВ С ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВЫМИ КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ.

5.1 Промышленное применение аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами.

5.2 Технико-экономический анализ применения аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами для разделения водородсодержащих газов.

Актуальность работы: На сегодняшний день водород находит достаточно широкое применение в различных областях народного хозяйства: в химической промышленности в процессах синтеза аммиака, альдегидов, спиртов, в нефтехимической промышленности в процессах гидроочистки, гидрокрекинга и каталитического риформинга, а также нефтехимического синтеза; в пищевой и фармацевтической промышленности. Водород обладает такими уникальными характеристиками, как наибольшая массовая теплота сгорания, высокая теплоемкость и реакционная способность [1]. Согласно «Стратегии развития химического и нефтехимического комплекса России до 2015 года», производство отдельных видов промышленной продукции в этих областях должно увеличиться на 280% по сравнению с 2006 годом [2], что неизбежно приведет к увеличению производства и потребления.водорода.

Существенным недостатком известных способов производства водорода является то, что он производится не в чистом виде,.а в виде смеси" с другими газами, что требует применения дополнительного оборудования для его очистки от примесей. В подавляющем большинстве существующих в России и за рубежом установок улавливания С02 применяется хемосорбция его из газов этаноламинами (чаще всего моноэтаноламином). В' качестве абсорберов, как правило, применяется традиционное оборудование барботажного и насадочного типов. Однако такое абсорбционное оборудование допускает устойчивую работу при скоростях газа не превышающих 1,5-2 м/с [3]. При очистке больших объемов газов это приводит к необходимости увеличения габаритных размеров оборудования или использования большого количества параллельно работающих аппаратов. Недостатком абсорбентов на основе первичных аминов является их высокая коррозионная способность, высокая скорость побочных реакций и деградации.

Возможным способом решения проблемы является использование аппаратов вихревого типа, среднерасходная скорость газа в которых может достигать 10-30 м/с, таких как многоступенчатые массообменные аппараты с прямоточно-вихревыми контактными устройствами (ГТВКУ) и применение поглотителей на основе метилдиэтаноламина (МДЭА).

Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является комплексное исследование гидродинамических характеристик и массообмена в многоступенчатых аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами применительно к процессам очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода. В непосредственные задачи исследования входило:

- разработка конструкции прямоточно-вихревого контактного устройства, сочетающего в себе высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление, простоту конструктивного исполнения и высокую эффективность массообмена;

- изучение динамики жидкостного потока в предложенном прямоточно-вихревом контактном устройстве;

- исследование динамики жидкости на ступени массообменного ' аппарата с предлагаемыми прямоточно-вихревыми контактными устройствами;

- экспериментальное и численное изучение процесса поглощения диоксида углерода раствором метилдиэтаноламина в предлагаемом прямоточно-вихревом контактном устройстве.

Научная новизна работы:

- получена зависимость скорости истечения жидкости из сепарационных отверстий ПВКУ от осевой и тангенциальной скоростей и степени крутки газового потока, величины удельного орошения, скорости пленки жидкости и коэффициента местного сопротивления сепарационных отверстий;

- предложена методика расчета, позволяющая оценить влияние конструктивных особенностей контактной ступени (диаметр контактного патрубка, диаметр колонны, высота переливной перегородки) и удельного орошения аппарата на скорость течения и изменение высоты слоя жидкости на ступени с ПВКУ;

- разработано математическое описание процесса абсорбционной очистки газов в предлагаемом- контактном устройстве на примере поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов водным раствором метилдиэтаноламина;

- получена зависимость эффективности очистки водородсодержащих газов на тарелке многоступенчатого массообменного аппарата с ПВКУ от величины удельного орошения аппарата, произведено сравнение эффективности предложенного контактного устройства с ПВКУ других конструкций;

- экспериментально установлены закономерности степени поглощения диоксида углерода водным раствором метилдиэтаноламина в предлагаемом прямоточно-вихревом контактном устройстве при различных значениях удельного орошения.

Практическое значение работы:

- обоснована целесообразность использования аппаратов с ПВКУ для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода;

- разработаны и защищены патентами Российской Федерации конструкции прямоточно-вихревых контактных устройств, сочетающие высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление, простоту конструктивного исполнения и высокую эффективность массообмена, предложенные конструкции приняты к внедрению на ООО «ПромКомплект» г. Нижнекамск;

- предложена методика расчета процесса поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами;

- разработана принципиальная технологическая схема очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода с использованием аппаратов с ПВКУ и абсорбентов на основе метилдиэтаноламина.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального и численного исследования динамики жидкости в прямоточно-вихревых контактных устройствах;

- математическое описание процесса поглощения диоксида углерода в прямоточно-вихревом контактном устройстве и на ступени аппарата с ПВКУ;

- результаты экспериментального и численного изучения эффективности поглощения диоксида углерода раствором метилдиэтаноламина в прямоточно-вихревом контактном устройстве.

Личное участие. Все результаты работы получены Калимуллиным И.Р. под руководством д.т.н., профессора Николаева H.A. при участии к.т.н. Дмитриева A.B.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались на IX-й Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 2008; Второй Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», г. Казань, 2008 г., Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI века» г. Нижнекамск, 2009 г., XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и'технологиях - ММТТ-23», Саратов 2010 г.

Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, из них 1 монография, 6 статей в журналах из перечня ВАК, 2 патента на полезные модели. Отдельные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Международных и Всероссийских конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 8 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 108 источников, из которых 31 иностранные.

Основные результаты и выводы

1. Сравнительный анализ методов и аппаратурного оформления процессов очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода выявил целесообразность использования для поглощения СОг аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами и абсорбентов на основе метилдиэтаноламина.

2. Разработаны и защищены патентами Российской Федерации на полезные модели конструкции прямоточно-вихревых контактных устройств для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода. Предложенные конструкции приняты к внедрению на ООО «ПромКомплект» г. Нижнекамск.

3. В результате экспериментальных и численных исследований получены зависимости скорости жидкости в сепарационных отверстиях ПВКУ от скорости несущего газового потока, величины удельной нагрузки по фазам и конструктивного исполнения отверстий.

4. Установлены основные технологические и конструктивные параметры, влияющие на скорость течения и изменение высоты слоя жидкости на тарелке многоступенчатого массообменного аппарата с предложенными прямоточно-вихревыми контактными устройствами,

5. Разработано математическое описание процесса поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов водным раствором метилдиэтаноламина, установлены зависимости эффективности поглощения СОг от величины удельного орошения и общего давления в системе.

6. Получены зависимости эффективности массообмена в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами, показано, что использование предложенных контактных устройств позволяет повысить эффективность работы ступени на 20% по сравнению с использованием ПВКУ других конструкций.

7. На созданной автором экспериментальной установке проведена серия исследований поглощения диоксида углерода из газовоздушной смеси водным раствором метилдиэтаноламина в предложенном прямоточно-вихревом контактном устройстве. Исследования показали линейный характер увеличения эффективности поглощения с увеличением степени орошения аппарата.

8. Разработана принципиальная технологическая схема выделения диоксида углерода из водородсодержащих газов в многоступенчатых аппаратах с предложенными прямоточно-вихревыми контактными устройствами с использованием в качестве поглотителя водного раствора метилдиэтаноламина.

Основные обозначения

А — коэффициент крутки газового потока;

Wy, Wr, Wz - тангенциальная, радиальная и осевая скорости газа, м/с;

Uу, Ur, Ucp - тангенциальная, радиальная, средняя скорости пленки, м/с; а — диаметр капли, м;

V— скорость капли, м/с; д — толщина пленки жидкости, м;

Pl, Pg ~ плотности жидкой и газовой фаз, кг/м3;

Р - давление газа, Па;

Gm, Lm - массовые расходы газа и жидкости, кг/с;

Gv, Lv - объемные расходы газа и жидкости, м3/с; х, у- концентрация компонента в жидкой и газовой фазе, кмоль/м3; т - касательное напряжение на границе раздела фаз, Па; коэффициент рециркуляции жидкости через контактные устройства; Ra, Da- радиус и диаметр рабочей зоны аппарата, м; гв - радиус вихря, м; dMf — количество вещества перешедшего из газ в пленку жидкости на участке высотой dz\

N— число единиц переноса;

Pl, Pg ~ коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой фазах;

Sh - число Шервуда;

Рг — число Прандтля;

Sc - число Шмидта;

Re - число Рейнольдса;

We — критерий Вебера;

Etg - технологическая эффективность в газовой фазе; Eh - эффективность по Хаузену; л а — поверхностное натяжение, НУм ;

Индексы: 0 - начальное значение; г — проекция на радиус; z - проекция на ось аппарата; <р — тангенциальная составляющая; L — жидкая фаза; G -газовая фаза; а - капля; / - пленка; т — массовый расход; ' - на входе в контактное устройства; " - на выходе из контактного устройства равновесная величина; п, г — номер элемента.

1. Шпильрайн, Э. Э. Введение в водородную энергетику / Э. Э. Шпильрайн, С. П. Малышенко, Г. Г. Кулешов ; под. общ. ред. В. А. Легасова. — М. : Энергоатомиздат, 1984. -264 с.

2. Анализ стратегии развития нефтехимии до 2015 года / А. А. Артемов, А. В. Брыкин, М. Н. Щеляков, В. А Шумаев // Росс. хим. ж. 2008. - Т. LII. - № 4. -С. 4-14.

3. Скобло, А. И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии / А. И. Скобло, Ю. К. Молоканов, А. И. Владимиров, В. А. Щелкунов. М. : Недра-Бизнесцентр, 2000. - 677 с.

4. Калимуллин, И. Р. Производство и применение водорода / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, Н. А. Николаев. Казань : Новое знание, 2008. -176 с.

5. Шольц, В. X. VII Мировой нефтяной конгресс / В. X. Штольц. М. : Внешторгиздат, 1971. - 150 с.

6. Грейсман, С. А. Процессы получения водорода из сухих и водородосодержащих газов нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов / С. А. Грейсман. М. : ЦНИИТЭ-Нефтехим, 1970. - 180 с.

7. Ганз, С. Н. Технологические процессы и оборудование производств синтез газа и связанного азота / С. Н. Ганз. Харьков : Издательство Харьковского государственного университета, 1960. — 552 с.

8. Бесков, B.C. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: Учебник для вузов / В. С. Бесков, В. С. Сафронов. М. : Химия, 1999.-472 с.

9. Schädel, В. T. Untersuchung von Reformierungsprozessen von Methan an Rhodium- und Nickelkatalysatoren (Diploma thesis) / В. T. Schädel. Fakultät fur Chemie und Biowissenschaften, Universität Karlruhe (TH). Karlsruhe, 2005.

10. Колин, С. А. Химические методы переработки ископаемых углей и углеродосодержащих материалов / С. А. Колин // Труды Академэнерго. -2007.-№3.-С. 122-130.

11. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справочное издание / Д. Ю. Гамбург, В. П. Семенов, Н. Ф. Дубовкин, Л. Н. Смирнова ; под ред. Д. Ю. Гамбурга, Н. Ф. Дубовкина. — М. : Химия, 1989.-672 с.

12. Higman, С. Gasification / C.Higman, Maarten van der Burght. Elsevier Sciense (USA), 2003. - 391 p.

13. Рябцев, И. И. Производство газов из жидких топлив для синтеза аммиака и спиртов / И. И. Рябцев, А. Е. Волков. М. : Химия, 1968. - 208 с.

14. Калимуллин, И. Р. Экологические аспекты производства водорода / И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, Н. А. Николаев // Экология и промышленность России. 2009. - №3. - С. 38-39.

15. Ветошкин, А. Г. Процессы и аппараты газоочистки / А. Г. Ветошкин. -Пенза : Изд-во ПГУ, 2006. 201 с.

16. Балабеков, О. С. Очистка газов в химической промышленности. Процессы и аппараты /О. С. Балабеков, Л. Ш. Балтабаев. -М. : Химия, 1991. -256 с.

17. Балабеков, О. С. Гидродинамика, массообмен и пылеулавливание при противоточных и прямоточных двухфазных капельных и пленочных течениях в слое подвижной насадки. Дисс. . д-ра технических наук / О. С. Балабеков. М., 1985. - 295 с.

18. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. М. : Химия, 1971. - 784 с. ,

19. Дытнерский, Ю. В. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 т. / Ю.В. Дытнерский. — М.: Химия, 1995. Т.1.-400 с. Т.2. 368 с.

20. Войнов, Н. А. Пленочные газо-жидкостные реакторы / Н. А. Войнов, Н. А. Николаев. Казань, 2008. - 272 с.

21. Соколов, В. Н. Газожидкостные реакторы / В. Н. Соколов, И. В. Долманский. Л.: Машиновстроение, 1976. - 216 с.

22. Пат. №66224 РФ, МПК7 В 01 J 8/08. Колонна абсорбции / Афанасьев С. В., Махлай В. Н., Семенова В. А., Салабаев Е. А.; заявитель и патентообладатель ОАО «Тольяттиазот». 2007113494/22; заявл. 11.04.2007, опубл 10.09.2007, Бюлл. №25. 2 с.

23. Сабитов, С. С. Вихревые массообменные аппараты / С. С. Сабитов // Вестник техн. и эконом, информ. 1981. -№ 3. - С. 185-188.

24. Савельев, Н. И. Математическое описание и анализ закономерностей массообмена в контактных устройствах с прямоточно-закрученным движением потоков / Н. И. Савельев, Н. А. Николаев // Теор. основы хим. технологии. 1989. -Т. 23. - № 4. - С. 435-444.

25. Николаев, Н. А. Эффективность ступеней аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами / Н. А. Николаев, С. С. Сабитов, Н. И. Савельев // Машины и аппараты хим. технологии. 1977. - № 5. -С. 11-14.

26. Николаев, А. Н. Комплексная очистка промышленных газовых выбросов в аппаратах вихревого типа: теоретические основы и расчет: дис. докт. техн. наук / H.A. Николаев. Казань, 1999. - 268 с.

27. Николаев, А.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе / А.Н. Николаев, A.B. Дмитриев, Д.Н. Латыпов. — Казань : Новое знание, 2004. 136 с.

28. Пат. №82132 РФ, МПК7 В 01 D 3/28. Пленочное массообменное устройство с закручиваем потоков / Дмитриев A.B., Калимуллин И.Р., Николаев H.A.; заявители и патентообладатели: авторы. 2008138652/22; заявл. 29.09.2008. опубл.20.04.2009, Бюлл. №4.-2 с.

29. Сплавы палладия для водородной энергетики / Г.С. Бурханов, Н. Б. Горина, Н. Б. Кольчугина, Н. Р. Рошан // Росс. хим. ж. — Т. L № 4. - С. 3640.

30. Пат. №78690 РФ, МПК7 В 01 D 61/00. Вихревое устройство для выделения водорода / Калимуллин И.Р., Латыпов Д.Н. Дмитриев A.B.; заявители и патентообладатели: авторы. 2008107902/22; заявл. 28.02.2008. опубл. 10.12.2008, Бюлл. № 34. - 2с.

31. Пат. №83713 РФ, МПК7 В 01 D 61/00. Мембранное устройство выделения водорода / Гумерова Г.Х., Калимуллин И.Р., Дмитриев A.B. Николаев H.A.; заявители и патентообладатели: авторы. 2009102912/22; заявл. 29.01.2009. опубл. 20.06.2009. Бюлл. №17. - 2 с.

32. Пат. № 80352 РФ, МПК' В 01 D 3/00. прямоточно-вихревое контактное устройство / Калимуллин И.Р., Дмитриев A.B., Николаев H.A.; заявитель и патентообладатели: авторы. 2008127799/22, заявл. 08.07.2008. опубл. 10.02.2009, Бюлл. №4.-2 с.

33. Вулис, JI. А. Об аэродинамике циклонной топочной камеры /JI. А. Вулис, Б. П. Устименко // Теплоэнергетика. 1951№ 9. - С. 19-22.

34. Овчинников, А. А. Аэродинамика двухфазного потока в массообменном аппарате с вихревыми контактными ступенями / А. А. Овчинников, Н. А. Николаев // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология. 1976. - Т. 19. - № 1. - С. 130-133.

35. Овчинников, А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах / А. А. Овчинников Казань : Новое знание, 2005. - 288 с.

36. Аэродинамика закрученной струи / Под ред. Р.Б. Ахмедова. - М.: Энергия, 1977. - 240 с.

37. Щукин, В. К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесиметричных каналах. / В. К. Щукин, А. А. Халатов. М. : Машиностроение, 1982.-200 с.

38. Иванов, М. Е. Перепад давления при пленочном газожидкостном восходящем потоке / М. Е. Иванов, Э. С. Арустамян, М. К. Рустамбеков // Хим. пром. 1969. - №1. - С. 64-67.

39. Кулов, Н. Н. Гидродинамика и массообмен в нисходящих двухфазных пленочно-дисперсных потоках. М.: Дисс. . докт. тех. наук. / Н. Н. Кулов -Москва, 1984.

40. Алексеенко, С. В. Роторные пленочные аппараты в пищевой промышленности / С. В. Алексеенко, В. Е. Накоряков, Б. Г. Покусаев. М. : Наука, 1992. - 256 с.

41. Бузов, А. А. Расчет двухфазного течения в сопле при наличии пленки / А. А. Бузов, И. А. Лепешинский // Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Вып. 4. Тематический сборник научных трудов. -Харьков. - 1977. - С.55-66.

42. Lemonnier, Н. Experimental investigation and phisical modelling of two-phase two-component flow in a converging-diverging nozzle / H. Lemonnier, S. Selmer-Olsen // Int. J. Multiphase Flow. 1992 - № 1. - P. 1 -20.

43. Теплопередача в двухфазном потоке. / Под редакцией Д. Баттерворса и Г. Хьюитта: Перевод с англ. М.: Энергия, 1980. - 328 с.

44. Барилович, В. А. Численный метод расчета одномерного двухфазного потока в каналах переменного сечения: Учебное пособие / В. А. Барилович, Ю. А. Смирнов. СПб. : С.-Пб. гос. тех. ун-т, 1997. 149 с.

45. Уоллис, Г. Одномерные двухфазные течения /Г. Уолис. М. : Мир, 1970. -440 с.

46. Стернин, JI. Е. Многофазные течения газа с частицами / Л. Е. Стернин, А. А. Шрайбер -М. : Машиностроение, 1994. 320 с.

47. Stanton, D. W. Multi-Dimensional Modelling of Thin Liquid Films and Spray-Wall Interactions Resulting From Impinging Sprays / D. W. Stanton, C. J. Ruthland // Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1998 - vol. 41. - P. 3037-3054.

48. Schmehl R., Rosskamp H., Willmann M., Witting S., CFD Analysis of Spray Propagation and Evaporation Including Wall Film Formation and Spray / Film Interaction // Int. J. of Heat and Fluid Flow. 1999 - vol. 20. - P: 520-529.

49. Ковальногов, H. H. Теплообмен двухфазного потока со стенкой сопла в условиях капельного уноса жидкости с поверхности конденсированной пленки / Н. Н. Ковальногов // Авиационная техника. 1982 - №3. С. 37-42.

50. Систер, В. Г. Принципы повышения эффективности тепломассообменных процессов / В. Г. Систер, Ю. В. Мартынов. Калуга : Издательство Н. Бочкаревой, 1998. - 509 с.

51. Старк С. Б Газоочистные аппараты в металлургическом производстве / С. Б. Старк. М. : Металлургия, 1990. - 400 с.

52. Николаев, А. Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе / А. Н. Николаев, А. В. Дмитриев, Д. Н. Латыпов. Казань : Новое знание, 2005. 136 с.

53. Сугак, Е. В. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами / Е. В. Сугак, Н. А. Войнов, Н. А. Николаев. Казань : Школа, 1999. 224 с.

54. Вихревые контактные ступени для ректификации / А. В. Кустов и др. // Химия растительного сырья. 2008. — № 3. — С. 173 - 184.

55. Гидродинамика ступени с тангенциальным завихрителем / А. В. Кустов и др. // Химическая промышленность сегодня. 2009. — № 6. — С. 37-43.

56. Voinov, N.A. Hydrodynamics and Mass Exchange in Vortex Rectifying Column / N.A.Voinov, N.A. Nikolaev, A.V. Kustov // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. - Vol. 82, No. 4. - P. 730 - 735.

57. Холпанов, JI. П. Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела / Л. П. Холпанов, В. Я. Шкадов. М. : Наука,1990. - 271 с.

58. Николаев, Н. А. Массопередача в жидкой фазе при прямоточном движении газа и жидкости в трубке / Н. А. Николаев, В. А. Булкин, Н. М. Жаворонков // Теор. основы хим. технологии. 1970. - Т. 4. - № 3. - С. 418421.

59. Воинов, Н. А. Процесс ферментации кормового белка на гидролизате в пленочных аппаратах; способы интенсификации и методы расчета: Дисс. докт. техн. наук / Н. А. Войнов. Красноярск, 1995.

60. Сергеев, А. Д. Исследование гидродинамических закономерностей и массопередачи при восходящем пленочном течении жидкости : Дисс. канд. техн. наук. / А. Д. Сергеев. Казань, 1972.

61. Калимуллин, И. Р. Очистка водородсодержащих газов в аппаратах вихревого типа / И.Р. Калимуллин, A.B. Дмитриев, А.Н. Николаев // Альтернативная энергетика и экология. №8. - 2009. - С. 195 - 198.

62. Справочник азотчика / Н. М. Жаворонков и др.; общ. ред. Н. М. Жаворонкова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Химия, 1987. — 461 с.

63. Семенова, Т. А. Очистка технологических газов / Т. А. Семенова, И. JI. Лайтеса. М. : Химия, 1976. - 488 с.

64. Коуль, А. Л. Очистка газа / А. Л. Коуль, Ф. С. Ризеньфельд. М. : Недра, 1968.-392 с.

65. DuPart, M.S. Comparing laboratory and plant date for MDEA/TEA blends / M. S. DuPart, P. C.Rooney, T. R. Becon // Hydrocarbon Processing. 1999. - №4. P. 81-86.

66. Kohl, A. Gas Purification / A. Kohl, R. Nielsen Houston : Gulf Publishing Company, 1997.

67. Анализ применения новых сорбентов в процессах абсорбционной очистки технических и природных газов от сероводорода и углекислого газа // Доклад на семинаре в ОАО Гипрогазоочистка, Москва, 2001.

68. Hagewiesche, D. P. Absoprtion of Carbon dioxide into aqueous blends of Monoethanolamone and N- Methyldiethanolamine / D. P. Hagewiesche, S. S. Ashour, H. A. Al-Ghawas, О. C. Sandall // Chem. Eng. Sci. 1995. - №7 (50). P. 1071-1079.

69. Rinker, E.B. Absorption of C02 into aqueous blends of DEA and MDEA / E. B. Rinker, S. S. Ashour, H. A. Al-Ghawas, O. C. Sandall // Ind. Eng. Chem. Res. 2000.-№39.-P. 43-46.

70. Versteeg, G. F. On the kinetics between C02 and alkanolamines both in aqueous and non-aqueous solutions / G. F. Versteeg, L. A. van Dijck, P. M. van Swaaij // Chem. Eng. Commun. 1996.-№144.-P. 113-158.

71. Ferrara, F. Experimental and numerical assessment of the C02 absorption process in the Sotacarbo pilot platform / F. Ferrara, G. Call, C. Frau, A. Pettinau // 1st International Conference on Sustainable Fossil Fuels for Future Energy. SAFE. 2009.

72. Aboudheir, A. Kinetics of reactive absorption of carbon dioxide in high C02-loaded, concentrated aqueous MEA solutions. / A. Aboudheir, P. Tontiwachwuthikul, A. Chakma, R. Idem // Chem. Eng. Sci. 2003. - №58 (23). P. 5195-5210.

73. Aboudheir, A. Improvement of Numerical Methods in Petroleum Engineering / A. Aboudheir, I. Kocabas, M. R. Islam. // ISATED International Conference: Applied Modeling and Simulation. Cairns, Queensland, Australia. 1999.

74. Aboudheir, A. On the numerical Modeling of Gas Absorption into Reactive Liquids in a Laminar Jet Absorber / A. Aboudheir, P. Tontiwachwuthikul, A. Chakma, R. Idem // The Can. J. Chem. Engg. 2003. № 81. - P. 604-612.

75. Ramachandran, N. Kinetics of the Absorption of C02 into Mixed Aqueous Loaded Solutions of Monoethanolamine and Methyldiethanolamine. / N. Ramachandran, A. Aboudheir, R. lldem, P. Tontiwachwuthikul // Ind. Eng. Chem. Res. 2006. - №45. - P. 2608-2616.

76. Jerry, A. The Use of MDEA and Mixtures of Amines for Bulk C02 Removal / A. Jerry Bullin, C. John Polasek // Bryan Research and Engineering, Inc. Technical Papers. 2006. - P. 1-9.

77. Danckwerts, P.V. Absorption of Carbon Dioxide into Solutions of Alkalis and Amines (with Some Noteson Hydrogen Sulphide and Carbonyl Sulphide). / P. V. Danckwerts, M. M. Sharma // Chem. Eng. 1966. - №10. - P. 244-280.

78. Barth, D. Kinetics and mechanisms of the reactions of carbon dioxide with alkanolamines: Adiscussionconcerning the cases of MDEA and DEA / D; Barth, C. Tondre, J. J. Delpuech // Chem. Eng. Sci. 1984. - №39 (12). - P. 1753-1757.

79. Palmeri, N. Carbon Dioxide Absorption by MEA. A Preliminary Evaluation of Abubbling Column Reactor / N. Palmeri, S. Cavallaro, C. J. Bart // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2008. - №1. - P. 87-91.

80. Blauwhoff, P. M. A study on the reaction between carbon dioxide and alkanolamines in aqueous solutions / P. M. Blauwhoff, G. F. Versteeg, W. M. van Swaaij // Chem. Eng. Sci. 1984. - №39 (2). - P. 207-225.

81. Liao, C.-H. Kinetics of absorption of carbon dioxide into aqueous solutions of monoethanolamine N-methyldiethanolamine / C.-H. Liao, M.-H. Li // Chem. Eng. Sci. -2002. -№57 (21). P. 4569-4582.

82. Pinset, B. R. W. The Kinetics of Combination of Carbon Dioxide with Hydroxide Ions / B. R. W. Pinset, L. Pearson, F. J. W. Roughton // Trans. Faraday Soc. 1956. - №79. — P. 1512-1520.

83. Glasscock, D. A. Absorption of carbon dioxide in mixtures of MDEA with MEA or DEA / D. A. Glasscock, J: E. Critchfield, G. T. Rochelle // Chem. Eng. Sci. 1991. - №46 (11). P: 2829-2845.

84. Donaldson, T. L. Carbon Dioxide Reaction Kinetics and Transportin Aqueous Amine Membranes / T. L. Donaldson, Y. N. Nguyen // Ind. Eng. Chem Fundam. 1980. - №19. - P. 260 -266.

85. Crooks, J.E. Kinetics and Mechanism of the Reaction between Carbon Dioxide and Amines in Aqueous Solution. / J. E. Crooks, J. P. Donnellan // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1989. - №2. - P. 331- 333.

86. Schubert, S. Untersuchungen zur Anwendung immobilisierter Aktivatoren bei der Absorption von C02 mit wässrigen Methyldiethanolamin / S. Schubert -Dortmund: Lösungen. 2004.