авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка процесса осаждения дисперсного углерода из аэрозольного потока в слое углеродных гранул

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ДМИТРИЕВ КОНСТАНТИН ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО УГЛЕРОДА ИЗ АЭРОЗОЛЬНОГО ПОТОКА В СЛОЕ УГЛЕРОДНЫХ ГРАНУЛ

Специальность: 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (ИППУ СО РАН)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, с.н.с. лаборатории синтеза функциональных углеродных материалов ИППУ СО РАН, Шопин Виктор Михайлович

Официальные оппоненты:

Иванчина Эмилия Дмитриевна доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, профессор кафедры химической технологии топлива и химической кибернетики
Мозговой Иван Васильевич доктор технических наук, профессор, Омский государственный технический университет, профессор кафедры нефтехимических технологий и оборудования

Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН)

Защита состоится 3 апреля 2012 г. В 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.08 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу 634050, г. Томск, пр. Ленина, 43, корпус 2, ауд. 117.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследователь-ский Томский политехнический университет».

Автореферат разослан « 2 » марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент, к.т.н. ____________ Петровская Т.С.

общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Очистка промышленных газов от взвешенных высокодисперсных твёрдых частиц является чрезвычайно актуальной. Это обусловлено как решением экологических задач, так и экономикой производства, когда достигается не только очистка газовых выбросов от аэрозольных частиц, но извлечение из аэрозольных потоков ценных целевых продуктов.

Процесс получения различных марок технического углерода протекает с образованием огромного объёма аэрозоля и одной из основных технологических операций в процессе производства является эффективное выделение из аэрозольного потока целевого продукта.

В России, как и в мировой практике, выделение целевого продукта из аэрозольного потока в производстве технического углерода осуществляют в стеклотканевых рукавных фильтрах. Основными недостатками данной технологии являются:

- высокая металлоёмкость аппаратов;

- низкая надёжность процесса осаждения, так как при выходе из строя хотя бы одного из нескольких тысяч фильтрующих элементов рукавного фильтра резко снижается эффективность улавливания аэрозольных частиц, что приводит к потерям целевого продукта и загрязнению окружающей среды;

- высокая стоимость фильтрующих рукавов и сложность их замены.

Аэрозоль технического углерода представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из полидисперсных агрегатов, взвешенных в газовой среде. Дисперсионной средой являются взрывоопасные газы процесса образования технического углерода, содержащие оксид и диоксид углерода, водород, азот, оксид и диоксид азота, сероводород, сероуглерод, диоксид серы, водяной пар. Превышение концентрации кислорода выше 2% создаёт опасность взрыва технологического оборудования, этим объясняется ограниченность использования в промышленном производстве технического углерода электрофильтров.

Одним из направлений решения изложенных проблем технологии выделения целевого продукта из аэрозольного потока в производстве технического углерода является создание эффективного технологического процесса осаждения аэрозоля дисперсного углерода в зернистом фильтре со слоем углеродных гранул. Фильтры со слоем гранул не имеют недостатков электрофильтров и рукавных тканевых фильтров они обеспечивают высокую надёжность процесса осаждения, имеют механизированную замену фильтрующего материала и взрывобезопасны.

Цель работы. Создание эффективного технологического процесса осаждения дисперсного углерода из аэрозольного потока в фильтре со слоем углеродных гранул.

Поставленные в работе задачи. Анализ известных механизмов коагуляции аэрозолей технического углерода и недостатков технологических приёмов его осаждения из аэрозольных потоков позволил определить основные задачи данной работы:

- исследовать коагуляцию аэрозолей различного по физико-химическим свойствам технического углерода и установить влияние свойств углеродного материала на скорость процесса коагуляции аэрозоля;

- экспериментальным путём получить кинетические кривые процесса осаждения аэрозолей различного по физико-химическим свойствам технического углерода в фильтрующем слое углеродных гранул;

- установить оптимальные характеристики фильтрующего слоя и технологические параметры процесса осаждения аэрозоля технического углерода в фильтрующем слое углеродных гранул и процесса регенерации слоя;

- проверить в опытных условиях получения технического углерода установленные технологические параметры процесса осаждения аэрозоля и

регенерации фильтрующего слоя углеродных гранул.

В работе систематизированы и обобщены результаты научных исследований, проводимых в Учреждении Российской академии наук Институте проблем переработки углеводородов Сибирского отделения РАН в рамках двух проектов фундаментальных исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ.

В рамках государственного контракта № 02.523.12.3005 от 06.08.2007г была создана и испытана в реальном процессе получения технического углерода опытная установка осаждения аэрозоля в слое углеродных гранул.

Научная новизна:

1. Впервые установлено, что высокие значения структурности дисперсного углерода по абсорбции дибутилфталата (выше 100 см3/100г) и суммарного содержания линейных и разветвленных форм агрегатов дисперсного углерода (выше 85%) способствуют увеличению констант процесса коагуляции аэрозоля. Установлено, что зависимость между константой коагуляции аэрозоля и показателем суммарного содержания линейных и разветвлённых форм первичных агрегатов в техническом углероде является линейной.

2. Впервые установлено, что различие в процессах проникновения аэрозольных агрегатов в слой углеродных гранул при осаждении аэрозолей технического углерода связано с их размером и кажущейся плотностью. Чем ниже значения кажущейся плотности аэрозольных агрегатов технического углерода, тем выше их проникающая способность в объём слоя гранул. Аэрозоли технического углерода с крупными агрегатами высокой кажущейся плотности при осаждении образуют на поверхности гранул плотный слой из осаждённых агрегатов технического углерода, который является высокоэффективной фильтрующей средой.

3. Установлены характеристики фильтрующего слоя углеродных гранул: гранулометрический состав 0,7-1,0 мм, насыпная плотность 400 кг/м3 и высота не менее 170 мм, при которых обеспечивается высокая эффективность процесса осаждения аэрозоля 99,1 – 99,4% и остаточная концентрация агрегатов технического углерода в очищенных газах 30-40 мг/м3.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Скорость коагуляции аэрозоля дисперсного углерода зависит от физико-химических свойств технического углерода, что выражается во влиянии показателя структурности и суммарного содержания линейных и разветвлённых форм первичных агрегатов технического углерода на константу процесса коагуляции аэрозоля.

2. Проникающая способность аэрозольных агрегатов в фильтрующую среду в процесс осаждения аэрозоля дисперсного углерода с различными физико-химическими свойствами в стационарном слое углеродных гранул зависит от размера и кажущейся плотности агрегатов.

3. Результаты испытаний технологического процесса осаждения дисперсного углерода в лабораторных и опытно-промышленных условиях доказывают перспективность использования в промышленном производстве технического углерода процесса осаждения аэрозоля в стационарном слое углеродных гранул.

Практическая ценность работы. Получены исходные данные для проектирования опытного образца фильтра со слоем углеродных гранул. Создана опытная установка и процесс осаждения аэрозоля технического углерода в слое углеродных гранул. Опытная установка успешно прошла испытания в реальном процессе получения технического углерода и рекомендована для опытно-промышленной отработки и промышленной реализации (Государственный контракт № 02.523.12.3005 от 06.08.2007г).

(Акт предварительных испытаний процесса фильтрации высокодисперсных аэрозолей в опытной установке мощностью 10 000 м3/ч с

использованием углеродного материала АКМ-УФ от 26.09.2008г).

(Акт государственных приёмочных испытаний технологического процесса и опытной установки фильтрации высокодисперсных аэрозолей с использованием углеродного материала АКМ-УФ от 24 октября 2008г.).

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на конференциях и выставках:

- Международной научно-практической конференции: «Химия-XXI век: новые технологии, новые продукты», Кемерово-2006.

- Всероссийской научной молодёжной школе-конференции: «Химия под знаком Сигма», Омск-2008.

- VII международной научно-технической конференции: «Динамика систем, механизмов и машин», Омск-2009.

- Всероссийской научной молодёжной школе-конференции: «Химия под знаком Сигма», Омск-2010.

- Выставке сибирского промышленно-инновационного форума: «Промтехэкспо-2010», Омск-2010.

- Выставке X Московского международного салона инноваций и инвестиций, Москва-2010 (Диплом и Золотая медаль).

Публикации: Основное содержание работы опубликовано в 3 статьях в научно-технических журналах, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, а также 4 тезисах докладов в материалах конференций и 1 патенте.

Структура работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка используемой литературы, включающего 130 источников. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 28 таблиц и приложение на 10 страницах.

Основное содержание работы

В первой главе представлен анализ научно-исследовательских и прикладных работ посвященных изучению процессов коагуляции и осаждения аэрозолей, а также рассмотрены процессы, протекающие при осаждении из аэрозольного потока целевого продукта в производстве технического углерода. Выявлены основные проблемы и недостатки существующих методов осаждения аэрозолей и рассмотрены возможные варианты их решений.

Во второй главе рассматриваются основные методы исследований осаждения дисперсного углерода из аэрозольного потока в слое углеродных гранул и особенностей его коагуляции в аэрозольном потоке.

В работе использовались стандартные методы определения физико-химических свойств технического углерода и методы исследования параметров аэрозольного потока:

- метод определения абсорбции дибутилфталата по ГОСТ 25699.5-90;

- метод определения насыпной плотности по ГОСТ 25699.14-90);

- метод определения весовой концентрации агрегатов дисперсного углерода в аэрозоле;

- метод определения дисперсного состава аэрозольного потока ротационным анализатором дисперсности.

Определение дисперсного состава аэрозольного потока осуществляли с использованием ротационного анализатора дисперсности. Принцип действия ротационного анализатора дисперсности заключается в следующем: проба аэрозольного потока просасывается по каналу съёмного патрона, который вращается в анализаторе со скоростью 5000 об/мин. Под действием центробежных сил твёрдые частицы сепарируют из потока и в зависимости от своей массы оседают на различной длине внутренней цилиндрической стенки съёмного патрона. Дисперсный состав аэрозоля вычисляется исходя из распределения веса осадка по длине патрона методом седиментационного анализа. Результат анализа выстраивается на логарифмической вероятностной координационной сетке в прямую линию (Рис. 8). Медианный размер аэрозольных частиц 50 находится по точке пересечения функции распределения с линией соответствующей 50% весу частиц в логарифмически вероятностной координационной сетке.

Для изучения коагуляции и осаждения дисперсного углерода из аэрозольного потока в слое углеродных гранул автором данной работы были созданы экспериментальные установки.

Установка для исследования коагуляции дисперсного углерода при движении аэрозольного потока (рис.1) состоит из узла получения аэрозоля, прямолинейного участка газохода диаметром 70 мм с двумя точками отбора аналитических проб и аспирационного агрегата, который придавал движение

аэрозольному потоку по прямолинейному участку газохода.

Рис. 1 – Лабораторная установка изучения коагуляции аэрозоля

В каждой точке отбора аналитических проб определяются параметры аэрозольного потока и по полученным экспериментальным данным рассчитывали константу коагуляции по уравнению Смолуховского1:

; (1),

где K – константа тепловой коагуляции, м3/с; к – время коагуляции, с;

n0, n – концентрация агрегатов в аэрозоле в начальный момент и по истечению времени к, 1/м3.

Экспериментальная установка для исследований процесса осаждения аэрозоля дисперсного углерода в слое углеродных гранул (рис.2) состоит из узла получения аэрозоля, модели фильтра со слоем гранул, циклона для извлечения уловленного дисперсного углерода из аэрозоля при регенерации слоя, аналитической системы определения перепада давления по высоте слоя гранул и аспирационного агрегата. На аэродинамической решётке фильтра была размещена подложка из гранул углеродного материала с размерами от 3,5 мм до 5,0 мм и насыпной плотностью 800 кг/м3, обеспечивающая равномерное распределение газового потока по объёму фильтрующей среды. В качестве фильтрующей среды, размещённой на подложке, используется стационарный слой гранул. Система определения перепада давления необходима для определения проникающей способности агрегатов аэрозоля дисперсного углерода в слой гранул, она состоит из набора датчиков, фиксирующих статическое давление на различной глубине слоя и набора манометров, связанных с датчиками давления. Проникающая способность определялась по величинам глубины проникновения агрегатов в слой гранул и скорости движения фронта агрегатов по высоте слоя гранул.

  Общий вид лабораторной установки-4

Рис.2 – Общий вид лабораторной установки исследования осаждения аэрозоля дисперсного углерода в слое углеродных гранул

Аэрозоль дисперсного углерода направляется сверху вниз через слой углеродных гранул. Регенерация фильтрующего слоя углеродных гранул проводится путём псевдоожижения. При этом осевшие в нём аэрозольные агрегаты дисперсного углерода удаляются воздушным потоком в циклон.

В контрольных точках на входе в фильтр и на выходе из него определяются параметры аэрозольного потока (объёмный расход, скорость, весовую концентрацию агрегатов и дисперсный состав аэрозольного потока).

Полученные экспериментальные данные обрабатывали по следующим уравнениям:

1. Эффективность осаждения аэрозоля:

(4),

где Свх – концентрация дисперсного углерода в аэрозоле на входе в слой, г/м3; Свых – концентрация дисперсного углерода в аэрозоле на выходе из слоя, г/м3.

2. Пылеёмкость фильтрующего слоя:

г/м3 (5),

где w – скорость осаждения, м/с; ф – время осаждения, с; Н – высота фильтрующего слоя.

3. Эффективность регенерации слоя:

; (6),

где Р2 – аэродинамическое сопротивление слоя перед регенерацией, кПа;

Р1 – аэродинамическое сопротивление слоя после регенерации, кПа;

Р0 – аэродинамическое сопротивление чистого незапылённого слоя, кПа.

В третьей главе изложены и обобщены результаты исследования процесса коагуляции различного по физико-химическим свойствам дисперсного углерода и процесса осаждения аэрозоля в слое углеродных гранул в лабораторных условиях.

В качестве объектов исследования использовали пять образцов технического углерода различающиеся по своим физико-химическим свойствам (Таблица 1). Согласно системы классификации СТ СЭВ 3766-82 каждая марка технического углерода имеет пять индексов. Первый буквенный индекс обозначает способ производства технического углерода П – печной, К – канальный, Т – термический. Последующие индексы характеризуют физико-химические свойства технического углерода: второй индекс – среднеарифметический размер первичных частиц, третий индекс – удельная адсорбционная поверхность с учётом шероховатости частиц, четвертый индекс – абсорбция дибутилфталата и пятый индекс характеризует специальные свойства технического углерода. Каждому цифровому индексу, изменяемому от 0 до 9 соответствует свой диапазон значений. Расшифруем марку технического углерода П 267–Э – «П» – получен печным способом, «2» – с размером первичных частиц 10-20 нм, «6» – с величиной удельной адсорбционной поверхности 140-160 м2/г, и «7» – с величиной абсорбции дибутилфталата 160-180 мл/100г, «Э» – электропроводный.

Показатель абсорбции дибутилфталата характеризует структурность технического углерода. Дибутилфталат это масляное вещество, которое в процессе анализа образца технического углерода заполняет пустоты в пространстве агрегатов, чем разветвленней форма агрегатов, тем больше в них пустот и тем больше количества дибутилфталата абсорбируется в 100г навески технического углерода2.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.