CC BY
37
УДК: 66.074.51:66.081.2: 697.922.563
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ СО2 В КОЛОННОМ АППАРАТЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ
И.А. Повтарев, В.Н. Блиничев, О.В. Чагин
Ивановский государственный химико-технологический университет
В данной статье представлены сравнительные исследования массообменного устройства, надежно работающего при высоких скоростях газа, создающего как большие поверхности тепло- и мас-сообмена, так и высокие значения коэффициентов массопередачи. Это устройство, работающее в про-тивоточном режиме, а также хорошо сепарирующее капли жидкой фазы, образующиеся при высоких скоростях газа с другими типами массообменных устройств. Сравнительные исследования гидравлического сопротивления различных насадочных устройств свидетельствуют о том, что в отличие от других конструкций насадок, пакетная вихревая насадка работает в устойчивом эмульсионном режиме и при этом обладает существенно меньшим гидравлическим сопротивлением. Визуальные наблюдения показывают, что с увеличением скорости наблюдается не только общее увеличение количества удерживаемой жидкости, но и более интенсивное межфазное взаимодействие, протекающее также в определенной мере в межслойных пространствах насадочного комплекта.
Ключевые слова: абсорбция, колонные аппараты, массообменное устройство пакетная вихревая насадка.
Для проведения исследований гидродинамики процесса абсорбции углекислого газа (СО2) 20% раствором мо-ноэтаноламина (МЭА) в аппарате с насадкой была собрана экспериментальная установка, позволяющая проводить ис-
следования гидравлического сопротивления насадочного слоя в аппарате с различными типами контактных устройств [1-8]. Общий вид установки схематично представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для проведения исследований гидродинамики в различными типами насадок
1 - абсорбционная колонна; 2 - насадка; 3 - баллон с абсорбируемым газом С02; 5 - ороситель; 6 -ёмкость исходного раствора; 7 - емкость для сбора абсорбента; 8 - насос; 9, 13 - дифференциальный манометр; 10 - измерительная диафрагма; 11 - расходомерное устройство; 12 - редуктор подачи углекислого газа; 14 - расходомер жидкой фазы; 15 - вентиль; 16 - пробоотборные вентили; 17 - каплеотбойник;
18 - вакуум-насос.
Установка состоит из абсорбционной колонны (1) с насадкой (2), баллона (3) с углекислым газом, насоса (8) для подачи абсорбирующей жидкости через ороситель (5), ёмкости исходной жидкости (6), емкости для сбора насыщенной жидкости (7), вакуум-насоса (18) создающего разрежение и просос воздуха, а также систем измерения расходов воздуха и СО2 (9, 10, 11, 12, 13), расходов орошающей жидкости (14, 15) и пробоотборников (16), распределенных по высоте абсорбера.
Экспериментальный абсорбер представляет собой колонный аппарат высотой 1100 мм, вверху которого расположен вихревой каплеотбойник (17). Для возможности визуального наблюдения за массообменной обстановкой внутри аппарата корпус, его был выполнен из ор-
ч
X]
Насадка из колец Рашига была использована как образец контактного устройства, наиболее широко встречающегося до последнего времени. Был применен неупорядоченный вид укладки наса-дочных элементов. Элементы насадки изготовлялись из ПВХ трубы с размерами 25*25 мм, с толщиной стенки 2 мм. Высота слоя насадки в лабораторной ус-
ганического стекла. Внутренний диаметр рабочей зоны абсорбера - 130 мм.
Для контроля эффективности процесса абсорбции по высоте насадки использовались пробоотборники (16).
Были проведены сравнительные экспериментальные исследования гидравлического сопротивления четырех видов насадки: пакетной вихревой насадки (ПВН) [9], разработанной на кафедре МАХП ИГХТУ; псевдоожиженной шаровой насадки (ПСОН); слоя неупорядоченных колец Рашига и насадки швейцарской фирмы Ме11арак Х250.
На рис. 2. представлены результаты исследования гидравлического сопротивления насадочного слоя в зависимости как от расхода жидкой и газовой фаз, так и от типа контактного устройства.
тановке составила 400мм. Исследования проводили при рекомендуемой для данного вида насадки скорости газа не более иг=1,5 м/с. Плотность орошения составила П=20 м3/м2ч, что соответствует общепринятым соотношениям.
Из практики известно, что межфазное взаимодействие в аппарате с псевдоожиженной насадкой отличается
Цт, м/с
Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления насадочного слоя от скорости газа и типа контактного устройства насадочного слоя:
1 - ПВН (плотность орошения П = 20 м3/м2ч); 2 - Кольца Рашига (П = 20 м3/м2ч); 3 - ПВН (П = 40 м3/м2ч); 4 - ПСОН (П = 20 м3/м2ч); 5 - Ме11арак Х250 (П = 20 м3/м2ч).
от процессов контактирования фаз при применении неподвижного контактного слоя. Режимы работы данной насадки характеризуются, как одни из самых интенсивных, и способствуют максимально эффективному ведению процесса абсорбции, особенно в аппаратах малого диаметра. В исследованиях в качестве наса-дочных элементов использовались пустотелые шары диаметром 15 мм, изготовленные из ПВХ. Высота неподвижного слоя насадки составила 130 мм. Скорость газового потока изменялась в диапазоне от 2 до 4 м/с. При этих значениях скоростей газа происходило создание газожидкостного слоя общей высотой до 400 мм. Плотность орошения составила 20 м3/м2ч.
Ярким представителем современных пакетных насадок является Швейцарская насадка фирмы «Зульцер» типа Mellapak Х250. Данный тип насадки широко применяется в современной промышленности для ведения массообмен-ных процессов при малых плотностях орошения. Массообменные процессы идут между газовым потоком, движущимся по наклонным каналам, и пленкой жидкости, стекающей по стенкам данных каналов. Скорости газового потока не превышают, как правило, 3 м/с, а плотности орошения лежат в пределах 5^25 м3/м2ч. Данный тип насадки требует применения оросителя сложной конструкции и не менее сложного перераспределителя жидкости. В лабораторной установке применялась пакетная насадка Mellapak 250, выполненная из полипропилена с высотой насадочного слоя 800 мм.
Из приведенных данных (Рис.2.) видно, что при одинаковой плотности орошения (20 м3/м2ч) гидравлическое сопротивление различных типов насадок отличается друг от друга существенно.
Насадочный слой, выполненный из колец Рашига, отличается самым минимальным диапазоном изменений скоростей газовой фазы, не превышающим 1,5 м/с, и самым высоким, по сравнению с другими насадками, гидравлическим
сопротивлением, равным 3182 Па/м при данной скорости газа.
Режим работы псевдоожиженной насадки характеризуется также достаточно высокими значениями гидравлического сопротивления слоя. Например, при скорости газа, равной 4 м/с, сопротивление псевдоожиженного слоя составило -2440 Па/м.
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 наса-дочного слоя возрастает существенно и уже при скорости газа 4 м/с достигает 2800 Па/м, т.е. становятся существенно 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. 2 наглядно видно, что кольца Рашига уже при иг = 1,5 м/с имеют в сотни раз большее гидравлическое сопротивление, чем насадки ПВН (пакетные вихревые насадки) и в то же время уже не работают при скорости более иг = 2 м/с.
Гидравлическое сопротивление насадок с превдоожиженным слоем (ПСОН) при равной скорости газа примерно в 30 раз выше, чем сопротивление пакетной вихревой насадки.
Даже насадки Mellapak 250, рекламированные фирмой Зульцер, имеют в 6 раз большее сопротивление, нежели пакетная вихревая насадка при одной и той же плотности орошения.
Пакетная вихревая насадка, исследованная нами (Рис. 3) [9,10], состоит из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную
щель на входе в ячейку за счет удлиненных, загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель. На выходе из ячейки, окончания обеих стенок также выполнены удлиненными и загнутыми
внутрь, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель. Поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта регулярной шероховатостью или перфорацией любой формы.
Рис. 3. Общий вид пакетной вихревой насадки
В связи с тем, что ячейки идентичны по размерам и форме, а также расположены симметрично, происходит равномерное распределение и перераспределение, за счет выброса газового потока из каждой ячейки, и повернутого на 900 положения одной ячейки относительно другой, между соседними элементами насадки, как объемного расхода газа, так и объемного расхода орошающей жидкости. Такое конструктивное решение позволяет проводить массообменный процесс на более высоких скоростях движения газового потока, в условиях противо-точного режима движения взаимодействующих фаз, по сравнению с вышеописанными видами насадок.
Как показали лабораторные исследования гидравлического сопротивле-
ния, испытуемая насадка может работать вплоть до скорости иг=6 м/с. Однако наиболее устойчивый режим развитой эмульсии находится в диапазоне скоростей газа иг=3,0^5,5 м/с. При скорости более 6 м/с наблюдается частичное под-висание жидкости в слое насадки и брыз-гоунос в каплеотбойник. Рост гидравлического сопротивления слоя пакетной вихревой насадки при скорости газа свыше 4,5 м/с незначителен. Так, например, при иг=4,5 м/с гидравлическое сопротивление составляет 430 Па/м, а при иг=6 м/с - 480 Па/м при плотности орошения 20 м3/м2ч, т.е. наблюдается рост сопротивления в несколько раз меньшим, по сравнению с другими насадками.
1600
нов
1200
юоо
800
бОО
4QO
2DO
О
2 3 4-5 6
а, п/с
Рис. 4. Зависимость гидравлического сопротивления слоя пакетной вихревой насадки в зависимости от расхода 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.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при всех плотностях орошения пакетная вихревая насадка обладает значительно более низким гидравлическим сопротивлением по сравнению с другими исследуемыми насадками при равных расходах жидкой и газовой фаз, а также поддерживает устойчивый эмульсионный режим работы при более высоких скоростях газовой фазы (3^6 м/с) при незначительном гидравлическом сопротивлении.
Даже при плотности орошения 100 м3/м2ч и скорости газа иг=5 м/с сопротивление насадочного слоя не превышало 1400 Па/м, что свидетельствует о низких затратах энергии на ведение процесса массообмена с участием насадки ПВН. На ранее описанной экспериментальной установке нами были проведены исследование процесса абсорбции СО2 раствором моноэтоноламина (МЭА) в аппарате, снабженном массообменными устройствами различных конструкций, результаты которых представлены на рис. 5.
Рис. 5. Сравнение эффективности процесса абсорбции СО2 раствором моноэтаноламина в аппарате с различными типами массообменных устройств
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).
Сравнительные исследования проводились с использованием различных видов насадок:
1. пакетная вихревая насадка (ПВН), разработанная нами;
2. насадка Ме11арак Х250 -Швейцарской фирмы «Зульцер»;
3. сравнительно широко еще используемая насадка с кольцами Рашига навалом;
4. насадка с псевдоожижен-ном слоем пустотельных шаров, сравнительно неплохо зарекомендовавшая себя в аппаратах малых диаметров.
Анализ экспериментальных данных, представленных на рис.5, показывает, что эффективность процесса абсорбции СО2 20% раствором моноэтонолами-на существенно зависит от конструктивного оформления насадок.
Из рис.5 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 Ме1-1арак 250, в вихревой пакетной насадке наблюдается чисто пленочный характер взаимодействия между газом и жидкостью при равномерном орошении их абсорбентом в аппарате малого диаметра. К.п.д. процесса абсорбции в насадках, имеющих большую смоченную поверхность, естественно, имеют и более высокий к.п.д. Даже кольца Рашига в исследованиях имели более высокую удельную поверхность массопередачи (на 30%), чем исследованная нами насадка ПВН, не говоря уже о насадке Ме11арак.
В сравнении с насадкой Ме11арак Х250 удельная поверхность нашей насадки составила 180 м2/м3.
То же самое можно сказать и о псевдоожиженной насадке, когда при малой скорости газа иг = 1.5 ^ 28 м/с легкие пустотелые шары уже «кипели» и в псевдоожиженном слое наблюдался сложный характер взаимодействия между газом и жидкостью: струйный внизу слоя у распределительной решетки и сложный в самом слое, когда движущиеся шары имели хорошо смоченную поверхность и
за счет их хаотичного движения в слое образовывался большой спектр капель.
Однако при скорости более 2,8 м/с происходил большой унос капель абсорбента с поверхности псевдоожиженного слоя, поэтому далее проводить исследования с псевдоожиженной насадкой не имело смысла.
Отсюда можно сделать вывод, что при малых плотностях орошения до 20 м3/м2ч и при малых скоростях газа (до 2,5 м/с) более эффективно работают насадки, имеющие большую удельную смоченную поверхность.
Эффективность насадки ПВН начинает резко возрастать при наступлении эмульсионного режима газожидкостного взаимодействия в каждой ячейке и насадка имеет высокую эффективность массо-передачи при скоростях газа от 2,5 до 5,5 м/с, 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 значительно 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 1,5^2 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 оборудования в целом.
Сравнительные исследования гидравлического сопротивления различных насадочных устройств показали, что, в отличие от других конструкций насадок, пакетная вихревая насадка работает в устойчивом эмульсионном режиме, обеспечивающим большие поверхности массо-обмена 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.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что (при применении пакетной вихревой насадки) на эффективность процесса абсорбции существенную роль оказывает как расход газовой фазы, так и плотность орошения по причине не только турбулизации взаимодействующих потоков, но и резкого роста межфазной поверхности. Пространственная форма пакетной вихревой насадки способствует развитию в объеме насадочного слоя интенсивного взаимодействия газового и жидкостного потоков, причем межфазная поверхность контакта в несколько раз превосходит физическую поверхность насадки. Визуальные наблюдения показывают, что с увеличением скорости наблюдается не только общее увеличение количества удерживаемой жидкости, но и более интенсивное межфазное взаимодействие, протекающее также в определенной мере в межслойных пространствах насадочного комплекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Повтарев И.А., Чагин О.В., Блиничев В.Н. Влияние типа контактного устройства колонного оборудования на гидравлическое сопротивление насадочного слоя //Химическое и нефтегазовое машиностроение. №3. 2008г. С. 12-13.
2. Володин Н.И. Очистка газов от диоксида растворами моноэтаноламина. Наука. Практика. Перспективы: Монография. Тульский государственный университет / Н.И.Володин, Э.М. Соколов, Р.И.Гридин, И.О. Кузнецов , Б.А. Сокол. Тула. 2002. 414 с.
3. Повтарев И.А., Чагин О.В., Блиничев В.Н. Исследование гидравлического сопротивления насадочного слоя колонного оборудования // Химия и химическая технология. Иваново. 2006. Т. 49. Вып. 12. С. 109-110.
4. Рудобашта С.П., Карташов Э.М. Диффузия в химико-технологических процессах. М.: Колос. 2010. 478 с.
5. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и нано (под ред. Ю.А. Кузма-Кичты). М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ». 2008. 531 с.
6. Ганз С.Н. Очистка промышленных газов. Справочное пособие. Харьков: НПП МКП Домна. 2006. 118 с.
7. Мираламов Г.Ф. Каталитическая очистка природного газа и углеводородных газовых выбросов нефтехимической промышленности от сероводорода // Нефтехимия. Том 45. 2005. № 5. С. 397-399.
8. Жаворонков Н.М. Теоретические основы химической технологии: избранные труды. Научный совет программы фундаментальных исследований Президиума РАН. «Изд. тр. выдающихся ученых»; Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН. М. Наука. 2007. 351с.
9. Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кравчик Я., Купепов А.М. Патент РФ № 2205063 Пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных аппаратов. 27.05.2003 г.
10. Повтарев И.А., Чагин О.В., Блиничев В.Н. Абсорбция углекислого газа раствором ди-этаноламина в колонном аппарате с высокоэффективной пакетной вихревой насадкой // Химическое и нефтегазовое машиностроение. №12. 2007 г.
11. Электронное учебное пособие «Метод наименьших квадратов и его применение» / Петрова Е.А, Зуева Г.А, Кулакова С.В, Иваново: ИГХТУ. 2009 [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http//www. isuct. ru/testlip/taxonomy/term/19.
12. Гартман Т.Н, Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. Учебное пособие для вузов . М.: ИКУ «Академкнига», 2006. 416с.
13. Холоднов В.А. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов: Практическое руководство / В.А. Холоднов, В.П. Дьяконов, Е.Н.Иванова, Л.С.Кирьянова. СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003. 480с.
Статья публикуется при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках реализации проекта №18-03-20102-г.
Рукопись поступила в редакцию 22.10.2018
EXPERIMENTAL STUDY OF THE PROCESS OF CO2 ABSORPTION IN THE COLUMN APPARATUS WITH THE USE OF VARIOUS TYPES OF CONTACT DEVICES
I. Povtarev, V. Blinichev, O. Chagin
In given article comparative researches of the mass transfer device reliably working at high speeds of gas, creating both the big surfaces of heat and mass transfer and high values of mass transfer coefficients are presented. This device working in a counterflow mode, and also well separating the drops of a liquid phase formed at high speeds of gas with other types of mass transfer devices. Comparative studies of the hydraulic resistance of various nozzle devices have shown that, unlike other designs of nozzles, the package vortex nozzle operates in a stable emulsion mode and at the same time has significantly lower hydraulic resistance. Visual supervision show, that with increase in speed is observed not only the general increase in quantity of a kept liquid, but also more intensive interphase interaction proceeding also in a certain measure in interlaminar spaces of nozzle set.
Key words: absorption, column apparatus, nozzle.
References
1. Povtarev I.A., CHagin O.V., Blinichev V.N. Vliyanie tipa kontaktnogo ustrojstva kolonnogo oborudovaniya na gidravlicheskoe soprotivlenie nasadochnogo sloya. Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. №3. 2008g. S. 12-13.
2. Volodin N.I. Ochistka gazov ot dioksida rastvorami monoehtanolamina. Nauka. Praktika. Perspektivy: Monografiya. Tul'skij gosudarstvennyj universitet / N.I.Volodin, EH.M. Sokolov, R.I.Gridin, I.O. Kuznecov , B.A. Sokol. Tula. 2002. 414 s.
3. Povtarev I.A., CHagin O.V., Blinichev V.N. Issledovanie gidravlicheskogo soprotivleniya nasadochnogo sloya kolonnogo oborudovaniya. Himiya i himicheskaya tekhnologiya. Ivanovo. 2006. T. 49. Vyp. 12. S. 109-110.
4. Rudobashta S.P., Kartashov EH.M. Diffuziya v himiko-tekhnologicheskih processah. M.: Kolos. 2010.
478 s.
5. Dzyubenko B.V., Kuzma-Kichta YU.A. Intensifikaciya teplo- i massoobmena na makro-, mikro- i nano (pod red. YU.A. Kuzma-Kichty). M.: FGUP «CNIIATOMINFORM». 2008. 531 s.
6. Ganz S.N. Ochistka promyshlennyh gazov. Spravochnoe posobie. Har'kov: NPP MKP Domna. 2006.
118 s.
7. Miralamov G.F. Kataliticheskaya ochistka prirodnogo gaza i uglevodorodnyh gazovyh vybrosov neftekhimicheskoj promyshlennosti ot serovodoroda. Neftekhimiya. Tom 45. 2005. № 5. S. 397-399.
8. ZHavoronkov N.M. Teoreticheskie osnovy himicheskoj tekhnologii: izbrannye trudy. Nauchnyj sovet programmy fundamental'nyh issledovanij Prezidiuma RAN. «Izd. tr. vydayushchihsya uchenyh»; Institut obshchej i neorganicheskoj himii im. N.S. Kurnakova RAN. M. Nauka. 2007. 351s.
9. Blinichev V.N., CHagin O.V., Kravchik YA., Kupepov A.M. Patent RF № 2205063 Paketnaya vihrevaya nasadka dlya teplo- i massoobmennyh apparatov. 27.05.2003 g.
10. Povtarev I.A., CHagin O.V., Blinichev V.N. Absorbciya uglekislogo gaza rastvorom diehtanolamina v kolonnom apparate s vysokoehffektivnoj paketnoj vihrevoj nasadkoj. Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. №12. 2007 g.
11. EHlektronnoe uchebnoe posobie «Metod naimen'shih kvadratov i ego primenenie» / Petrova E.A, Zueva G.A, Kulakova S.V, Ivanovo: IGHTU. 2009 [EHlektronnyj resurs] - Rezhim dostupa: http//www. isuct. ru/testlip/taxonomy/term/19.
12. Gartman T.N, Klushin D.V. Osnovy komp'yuternogo modelirovaniya himiko-tekhnologicheskih processov. Uchebnoe posobie dlya vuzov . M.: IKU «Akademkniga», 2006.416s.
13. Holodnov V.A. Matematicheskoe modelirovanie i optimizaciya himiko-tekhnologicheskih processov: Prakticheskoe rukovodstvo / V.A. Holodnov, V.P. D'yakonov, E.N.Ivanova, L.S.Kir'yanova. SPb.: ANO NPO «Professional», 2003. 480s.
