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:     | 1 || 3 |

Гидродинамика и массообмен в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой (на примере процесса абсорбции углекислого газа раствором диэтаноламина)

-- [ Страница 2 ] --

Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления насадочного слоя в зависимости от скорости газа и типа контактного устройства насадочного слоя:

А – ПВН (Плотность орошения П = 20 м3/м2ч), В – Кольца Рашига (П = 20 м3/м2ч),

С – ПВН (П = 40 м3/м2ч), D – ПСОН (П = 20 м3/м2ч), Е – Mellapak 250 (П = 20 м3/м2ч).

Экспериментальные исследования насадочного слоя с пакетной насадкой Mellapak 250 показали, что она обладает достаточно малым гидравлическим сопротивлением (~700 Па/м) при скоростях газа, не превышающих 3 м/с. При больших скоростях газа сопротивление насадочного слоя возрастает существенно и уже при скорости газа 4 м/с достигает 2800 Па/м, т.е. значительно большим по сравнению с сопротивлением пакетной вихревой насадки.

Пакетная вихревая насадка отличается высокой долей свободного сечения, за счет использования тонкостенных образующих элементов и особым регулярным расположением вихревых ячеек.

Из рис. 5 наглядно видно, что кольца Рашига уже при Uг = 1,5 м/с имеют в сотни раз больше гидравлическое сопротивление, чем насадки ПВН (пакетные вихревые насадки) и не работают при Uг = 2 м/с и более.

Гидравлическое сопротивление насадок с превдоожиженным слоем (ПСОН) при равной скорости газа примерно в 30 раз выше, чем пакетные вихревые насадки.

Даже насадки Mellapak 250, рекламированные фирмой Зульцер, имеют в 6 раз большее сопротивление, нежели ПВН при одной и той же плотности орошения.

Проведенные сравнительные исследования различных насадочных устройств показали, что в отличие от других конструкций насадок пакетная вихревая насадка работает в устойчивом эмульсионном режиме, обеспечивающим большие поверхности массообмена и высокие относительные скорости движения фаз, в диапазоне скоростей газа от 2,5-5,5 м/с в широком диапазоне плотностей орошения от 20 до 120 м3/м2ч и при этом обладает существенно меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с другими типами насадок.

Обработка экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению орошаемой жидкостью пакетной вихревой насадки проводилась с использованием критериального уравнения следующего вида:

, (1)

Использование метода наименьших квадратов позволило получить зависимость критериев Re по жидкой и газовой фазам и высоты насадки (2)

, (2)

в котором критерий Re по газу изменялся в пределах его значений от 200 до 620, соответственно, скорость газа от 2 до 5,5 м/с. Критерий Re по жидкости изменялся в пределах от 70 до 340, т.е. плотность орошения жидкостью от 20 до 100 м3/м2ч. Значение симплекса изменялось от 7 до 18.

Погрешность между расчетными и экспериментальными значениями сопротивления слоя орошаемой пакетной вихревой насадки составляет 22%.

В III главе проведены исследования процесса абсорбции СО2 с использованием четырех видов насадок: пакетная вихревая (ПВН), псевдоожиженная шаровая (ПСОН), неупорядоченные кольца Рашига и насадка швейцарской фирмы Mellapak 250.

Для анализа эффективности абсорбции СО2 в каждом опыте, несмотря на наличие дозатора СО2 в воздух (смотри рис. 1), специальным пробоотборником отбирались пробы воздуха на входе и выходе (16) из аппарата (абсорбера 1) для точного химического анализа содержания углекислого газа в нем. Объем отбираемых проб составлял 150 мл.

В данной работе проводились исследования процесса абсорбции диоксида углерода (СО2) из воздуха 25% раствором диэтаноламина (ДЭА).

Основные исследования проводились при высоте слоя насадки ПВН, равной 840 мм. При этом она набиралась из 12 отдельных пакетов. Концентрация СО2 во входном газовом потоке поддерживалась порядка 18%. Результаты исследования эффективности процесса абсорбции в зависимости от расхода фаз представлены на рис.6.

 Зависимость эффективности процесса-10

Рис. 6. Зависимость эффективности процесса абсорбции СО2 25% раствором диэтаноламина ДЭА от расходов жидкой и газовой фаз.

1 – плотность орошения = 20 м3/м2ч; 2 – плотность орошения = 40 м3/м2ч;

3 – плотность орошения = 60 м3/м2ч; 4 – плотность орошения = 80 м3/м2ч;

5 – плотность орошения = 100 м3/м2ч.

(где - эффективность процесса абсорбции. ,

Свх и Свых – начальная и конечная концентрация СО2 в воздухе.)

При малых скоростях газа и малых плотностях орошения наблюдался еще чисто плёночный режим взаимодействия между жидкой и газовыми фазами (см. кривая 1, Uг= 2-3 м/с) до значения Uг> 4 м/с.

При пленочном режиме и плотности орошения 20 м3/м2ч (Reж=68) наблюдается сравнительно низкие значения эффективности процесса, равное 3436%.

Эмульсионный режим при малом значении плотности орошения наступал при значении скорости газа Uг более 4 м/с, а уже при плотности орошения 40 м3/м2ч и более при значениях Uг более 3 м/с. (кривая 2, рис. 6).

При наступлении эмульсионного режима взаимодействия между газовыми и жидкими фазами с увеличением скоростей газа наблюдается резкое повышение эффективности процесса абсорбции в слое с пакетной вихревой насадкой и даже при малой плотности орошения абсорбента 20 м3/м2ч и при скорости газа, близкой к 6 м/с, уже достигается эффективность процесса, равная 73%.

Экспериментальные данные по массообмену хорошо коррелируются с гидродинамикой газо-жидкостного взаимодействия в каждой вихревой ячейке. При повышении скорости газа более 4 м/с возрастает не только поверхность массообмена вследствие большего количества капель, срываемых с поверхности ячеек насадки вихревых, сложно закрученных потоком газа, но также и растет скорость их осаждения на стенках ячеек, о чем свидетельствует практическая независимость сопротивления слоя от скорости газа вплоть до скорости 6 м/с. При этом, естественно, растет не только поверхность массообмена, но также и коэффициент массопередачи.

При больших плотностях орошения 60100 м3/м2ч эмульсионный режим взаимодействия фаз наблюдается уже при малых скоростях газа и при плотности орошения 100 м3/м2ч даже при малой высоте насадки (840 мм.) при скорости газа Uг более 3,5 м/с достигается эффективность процесса, равная 9596%.

В работе по стандартной методике были также определены высоты единицы переноса процесса абсорбции при разных расходах как жидкой, так и газовой фаз. Зависимость высоты единицы переноса от этих расходов представлена на рис. 7.

Так как в промышленности процесс абсорбции СО2 ведут как правило под избыточным давлением, то для удобства пользования в дальнейшем вместо скорости газа в поперечном сечении аппарата Uг [м/с] нами использовался комплекс под названием F-фактор [].

 Зависимость числа единиц переноса-18

Рис. 7. Зависимость числа единиц переноса от расхода жидкой и газовой фаз.

1 – плотность орошения = 20 м3/м2ч; 2 – плотность орошения = 40 м3/м2ч;

3 – плотность орошения = 60 м3/м2ч; 4 – плотность орошения = 80 м3/м2ч;

5 – плотность орошения = 100 м3/м2ч.

Из данного рисунка наглядно видно, что высота единицы переноса очень сильно падает как при повышении скорости газа, так и плотности орошения.

Обработка экспериментальных данных по высоте единицы переноса пакетной вихревой насадки при проведении процесса абсорбции CО2 раствором диэтаноламина проводилась с использованием уравнения следующего вида:

, (3)

Получен явный вид уравнения (3):

, (4)

Данная зависимость хорошо описывает процесс абсорбции СО2 при изменениив диапазоне (150450), в диапазоне (70340).

Средняя погрешность между расчетными и экспериментальными данными составляет 13%.

На ранее описанной установке и в аппарате того же диаметра нами были проведены сравнительные исследования процесса абсорбции СО2 с использованием насадок различных конструкций, результаты которых представлены на рис. 8.

Поскольку в сравнительных исследованиях была использована одна из лучших зарубежных конструкций насадок Швейцарской фирмы «Зульцер» – Mellapak 250, которая не работает при плотностях орошения жидкости более 20 м3/м2ч, то сравнение эффективности разных насадок производилось при исследовании процесса абсорбции СО2 именно при этой плотности орошения.

Сравнительные исследования проводились с использованием 4х различных видов насадок, которые ранее описывались во II главе.

Анализ экспериментальных данных, представленных на рис. 8, показывает, что эффективность процесса абсорбции СО2 раствором диэтоноламина существенно зависит от конструктивного оформления насадок.

Рис. 8. Сравнение эффективности абсорбции СО2 раствором диэтаноламина в аппарате с различными конструкциями насадок.

1 – ПСОН (плотность орошения П = 20 м3/м2ч); 2 – Кольца Рашига (П = 20 м3/м2ч);

3 – ПВН (П = 20 м3/м2ч); 4 – ПВН (П = 40 м3/м2ч); 5 – Mellapak 250 (П = 20 м3/м2ч).

Из рис. 8 наглядно видно, что при малой плотности орошения 20 м3/м2ч и малых скоростях газа до 2,5 м/с, когда в насадке типа колец Рашига, насадке Mellapak 250, в вихревой пакетной насадке наблюдается чисто пленочный характер взаимодействия между газом и жидкостью при равномерном орошении их абсорбентом в аппарате малого диаметра эффективность процесса абсорбции в насадках, имеющих большую смоченную поверхность, естественно, и более высокий. Даже кольца Рашига в исследованиях имели более высокую удельную поверхность массопередачи (на 30%), чем исследованная нами насадка ПВН, не говоря уже о насадке Mellapak.

То же самое можно сказать и о псевдоожиженной насадке, когда при малой скорости газа м/с легкие пустотелые шары уже «кипели» и в псевдоожиженном слое наблюдался сложный характер взаимодействия между газом и жидкостью.

Эффективность насадки ПВН начинает резко возрастать при наступлении эмульсионного режима газожидкостного взаимодействия в каждой ячейке и насадка имеет высокую эффективность массопередачи при скоростях газа от 2,5 до 5,5 м/с и больших плотностях орошения, когда другие насадки уже не работают.

При плотностях орошения 40 и более 100 м3/м2ч и скоростях газа более 2,5 м/с пакетная вихревая насадка имеет в несколько раз меньшую высоту единицы переноса по сравнению с лучшей насадкой фирмы Зульцер, не говоря уже о других типах насадки.

Учитывая, что ПВН хорошо работает при высоких скоростях газа в 2-2,5 больших по сравнению с лучшими Российскими и зарубежными насадками, то кроме малой высоты насадки и, соответственно, малой высоте аппарата в целом, аппараты с ее использованием имеют существенно меньший диаметр. Это приводит к резкому снижению металлоемкости оборудования и, пропорционально ему, уменьшению стоимости оборудованию в целом.

В IV главе представлена методика расчета абсорбера колонного аппарата с пакетной вихревой насадкой и некоторые результаты практической реализации полученных экспериментальных данных процесса абсорбции СО2 раствором диэтаноламина в аппарате с вихревой пакетной насадкой.

Предлагаемая методика расчета представлена в виде схемы.

Методика расчета абсорбера колонного аппарата с пакетной вихревой насадкой.





























ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Впервые экспериментально показано, что обнаруженный еще Н.М. Жаворонковым эффект создания высокоэффективного эмульсионного режима в аппарате с кольцами Рашига в узком диапазоне скоростей газа, близком к зависанию жидкости в слое насадки, реализуется в пакетной вихревой насадке в широком диапазоне скоростей газа 2,5-6 м/с за счет образования в каждой ячейке устойчивого вихря, вращающегося относительно как горизонтальной, так и вертикальной осей, в результате взаимодействия которого с жидкой фазой возникает и быстро сепарируется на стенках ячеек огромное количество капель различного размера, а, следовательно, развивается большая поверхность тепло- и массопереноса и наблюдаются высокие коэффициенты массопереноса.

2. Обнаружено, что генерирование и одновременная эффективная сепарация образующихся капель в каждой ячейке насадки за счет сложного вращения вихря приводит к «самоорганизации» потоков газожидкостной смеси, следствием которой (в отличие от других типов насадочных устройств) является низкое гидравлическое сопротивление насадки (существенно более низкое по сравнению с имеющимися насадками), которое начинает возрастать только при скоростях газа более 5 м/с.

3. Получена расчетная зависимость для определения гидравлического сопротивления вихревой насадки в зависимости от критериев Re по газовой и жидкой фазам и числа пакетов насадки.

4. Исследования процесса абсорбции CO2 диэтаноламином в аппарате с пакетной вихревой насадкой показали, что при интенсивном образовании и сепарации капель абсорбента из вращающегося вихря при плотностях орошения 40-120 м3/м2ч, скоростях газа более 2,5 достигаются высокие значения коэффициентов объемной массопередачи.

5. Получена эмпирическая зависимость эффективности процесса абсорбции СО2 раствором диэтаноламина в аппарате с вихревой пакетной насадкой от плотности орошения в широком диапазоне существования эмульсионного слоя в ячейках насадки Uг=2,5-5,5 м/с.

6. В результате проведенных сравнительных исследований процесса абсорбции СО2 показано, что величина единицы переноса исследованной насадки существенно меньше лучших зарубежных насадок, например фирмы Sulzer.

7. Разработана методика расчета абсорбера, позволяющая надежно определять гидравлическое сопротивление, диаметр аппарата, высоту насадки по заданной степени улавливания абсорбирующей колонны.

8. Абсорбер CO2 под давлением газа до 8 МПа и десорбер диэтаноламина пилотной установки получения метанола из отходящих газов с вихревой пакетной насадкой были представлены на «Международной выставке оборудования «Нефть и газ 2010 г.» г. Москва, 2430 июня 2010 г.

Основные обозначения, принимаемые в работе.

FФ - F фактор, Па0,5; - сопротивление слоя орошаемой насадки, Па/м; П - плотность орошения жидкости, м3/м2ч; Uг - скорость газа, м/с; - критерий Эйлера;- плотность газа при рабочей температуре, кг/м3;- постоянный коэффициент; - соответственно критерий Рельнольса по газу и по орошаемой жидкости;- ширина ячейки пакетной вихревой насадки, мм; - соответственно плотность газа и жидкости, кг/м3; - соответственно вязкость газа и жидкости, Пас; - безразмерный симплекс, м.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Журналы, рекомендованные ВАК

1. Повтарев, И.А. Исследование гидравлического сопротивления насадочного слоя колонного оборудования / Чагин О.В., Блиничев В.Н., Кравчик Я. // Известия ВУЗ «Химия и химическая технология», Иваново, – 2006, т.49, вып.12, – С.109-110

2. Повтарев, И.А. Абсорбция углекислого газа раствором диэтаноламина в колонном аппарате с высокоэффективной пакетной вихревой насадкой / Чагин О.В., Блиничев В.Н. // Химическое и нефтегазовое машиностроение, М.: – 2007, №12, – С.23-24

3. Повтарев, И.А. Влияние типа контактного устройства колонного оборудования на гидравлическое сопротивление насадочного слоя / Чагин О.В., Блиничев В.Н., Кравчик Я. // Химическое и нефтегазовое машиностроение, М.: – 2008, №3, – С.12-13

Зарубежные журналы

4. И. Повтарев. Интенсификация процесса абсорбции углекислого газа с использованием пакетной вихревой насадки / О. Чагин, J. Krawczyk, В. Шарнин, В. Блиничев. // Czasopismo Techniczne, ISSN 0011-4561, ISSN 1097-6328, Wydawnictwo Politecniki Krakowskiej. 2-M/2012, Zeszyt 6 Rok 109, ISSUE 6 YEAR 109, Р.359-366

Другие издания

5. Повтарев, И.А. Исследование процесса абсорбции диоксида углерода в абсорбере интенсивного действия / Чагин О.В., Блиничев В.Н. // Сборник трудов VII Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования», Иваново, – 2005, – С.251-255

6. Повтарев, И.А. Исследование гидравлического сопротивления колонного аппарата с высокоинтенсивной пакетной вихревой насадкой / Повтарев И.А., Марков А.А., Грошев А.С., Чагин О.В. // Сборник трудов VII Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования». Иваново, – 2005, – С.210-213

7. Повтарев, И.А. Высокоэффективная пакетно-вихревая насадка для осуществления тепло- и массообменных процессов хемосорбции газов, пылеулавливания конденсации паров и ректификации / Повтарев И.А., Чагин О.В., Блиничев В.Н. // Ивановский инновационный салон «Инновации-2006»: каталог экспонатов, Иваново: издательство «Иваново», – 2006, – С.99-100

8. Повтарев, И.А. Низкотемпературная ректификация углекислого газа / Блиничев В.Н., Чагин О.В., Грошев А.С., Повтарев И.А. // IX Международная научная конференция «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств». Сборник трудов под ред. В.Н. Блиничева, Иваново, – 28-30 сентября 2010, – С.42-43

9. Повтарев, И.А. Экологическая безопасность при переработке золотосодержащих отходов ювелирного производства. Проблемы и их решение / Невский О.И., Донцов М.Г., Балмасов А.В., Бурков В.М., Смирнов А.А., Чагин О.В., Повтарев И.А. // IX Международная научная конференция «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств». Сборник трудов под ред. В.Н. Блиничева, Иваново, – 28-30 сентября 2010, – С.151-154

Тезисы

10. Повтарев, И.А. Очистка углекислого газа методом низкотемпературной ректификации от газовых примесей / Повтарев И.А., Грошев А.С., Чагин О.В., Блиничев В.Н. // Четвертая международная научно – практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ – 2011», труды конференции, М.: 2011, т.2, – С.244-245.



Pages:     | 1 || 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.