CC BY
23
УДК 66.021.3.532.527
И. Р. Зиярова, К. А. Багаева, Г. Р. Мингалеева, М. Р. Вахитов, А. Н. Николаев
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ГАЗОВ
В ПОЛЫХ АППАРАТАХ ВИХРЕВОГО ТИПА
Ключевые слова: очистка, газ, вихревые аппараты.
Проведено численное исследование процесса очистки газов в полом вихревом аппарате на примере абсорбции аммиака из воздуха водой при различных способах отвода жидкой пленки из рабочей зоны аппарата. Выявлены возможности повышения эффективности массообмена с случае применения непрерывного частичного и дискретного полного отводов пленки из рабочей зоны.
Keywords: purification, gas, vortex devices.
Numerical investigation of gas cleaning process in hollow vortex device was carried out as an example of ammonia absorption by water for different ways of liquid film output from apparatus process area. Mass transfer efficiency increasing capabilities was detected in cases of continuous partial and full discrete outlets from process area.
Проблема защиты окружающей среды может быть решена за счет внедрения малоотходных и безотходных, замкнутых технологий, однако в настоящее время это направление еще не получило достаточного развития, и задача создания совершенного и эффективного оборудования для очистки газовых выбросов промышленных предприятий является актуальной.
Задача существенно осложняется тем, что объемы газовых выбросов промышленных предприятий составляют десятки, а иногда и сотни, тысяч м3/час, что делает затруднительным применение традиционного очистного оборудования. Большинство аппаратов, использующихся в настоящее время для очистки газов от газообразных, жидких и твердых примесей, характеризуются низкой пропускной способностью, обусловленной небольшими предельно допустимыми скоростями газа в аппаратах и, как следствие, большими габаритными размерами. Все это делает весьма перспективным применение для очистки больших объемов газовых выбросов аппаратов вихревого типа. Использование в вихревых аппаратах центробежной сепарации снимает ограничение на предельно допустимую скорость газа и позволяет проводить процессы при среднерасход-ных скоростях газа, достигающих 20 - 30 м/с.
Одним из вариантов конструктивного исполнения вихревого аппарата для абсорбции газообразных примесей является полый вихревой аппарат [1,2]. В таком аппарате высокоскоростной поток газа, проходя через тангенциальный завихритель в верхней части аппарата, приобретает вращательно-поступательное движение. Жидкость, поступающая в аппарат из оросителя, представляющего собой коаксиальную перфорированную трубу, дробится потоком газа на капли с образованием объемного факела распыла, заполняющего всю внутреннюю область аппарата. Под действием центробежной силы капли жидкости двигаются к периферии аппарата и осаждаются на его стенке, образуя жидкую пленку, которая в свою очередь, стекает по стенке и выводится в нижней части аппарата. Поглощение газообразных компонентов в аппарате осуществляется как через поверхность капель, так и пленки жидкости.
В случае проведения в аппарате с нисходящим прямоточным течением газа и пленки жидкости процесса физической абсорбции возможно протекание десорбции поглощаемого компонента из пленки жидкости в газ в нижней части аппарата, что может существенно снизить эффективность очистки газа. Этот факт, зафиксированный экспериментально [3], объясняется тем, что концентрация поглощаемого компонента в пленке может стать в нижней части аппарата выше равновесной за счет непрерывного притока по высоте в пленку насыщенных компонентом капель. В этом случае необходимо осуществлять полный или частичный отвод пленки жидкости из рабочей зоны аппарата. Для отвода пленки из зоны контакта могут быть применены сепарационные сетки различных конструкций [4,5], представляющие собой перфорированные цилиндры и устанавливаемые в аппарате с зазором относительно корпуса.
Ранее разработан метод расчета эффективности очистки газов в полом вихревом аппарате, заключающийся в численном решении системы уравнений
dф d"
^ j v, (a) EKda + Ny
Ф = NyH , (1)
p(S)dT + n[(5) + *Ny] = Ф ANy +1(5)Jv, (a)EKda
(2)
с граничными условиями
$ = 0 , ф = фн, П = ФнIV (а)Е^а, (3)
а
где $ = z / Н , где Н - высота рабочей зоны аппарата, ъ - текущее расстояние вдоль оси аппарата от нижнего среза завихрителя, Ф = У - У * (хн), П = т (х - хн), х,у - концентрации компонента в жидкости и газе, т - коэффициент равновесия, а - диаметр капли, Ек - эффективность
, Gm
массопереноса для одиночной капли, А =- -
фактор массопередачи, G - расход газа, ЦЦ - текущий и начальный расход жидкости,
+
I 5
Р (5 ) = I = J[l(5)" l' (5)] d5,
L0 0
l(5) - функция распределения вытекающей из оросителя жидкости по высоте аппарата, l'(5) - функция распределения отводимой жидкости по высоте аппарата, vT (a) - объемная функция распределения
капель по размерам, Ny = KyF/G - число единиц переноса для пленки, F - площадь межфазной поверхности для пленки, K - коэффициент массопере-
дачи для пленки, индексы «н» и «*» означают соответственно «начальный» и «равновесный».
Разработанный метод расчета позволил проанализировать влияние геометрических и режимных параметров на эффективность массопереноса при различных способах организации отвода жидкости из пристенной пленки через сепарационную сетку за пределы контактной зоны на примере абсорбции аммиака из воздуха водой. Эффективность массопе-реноса при полном отводе пленки из зоны контакта в аппаратах небольшого диаметра ниже, чем в случае работы без отвода пленки. Это может быть объяснено малым вкладом дисперсного факела в общий массообмен, что связано с малым временем пребывания капель в аппарате и малой степенью их насыщения поглощаемым компонентом. Напротив, в аппаратах большого диаметра основная масса компонента поглощается каплями, тогда как вклад жидкой пленки незначителен. Это связано с тем, что движущая сила массопередачи от газа к пленке мала, а на выходе из контактной зоны может принимать и отрицательные значения, что приводит к тому, что в выходной зоне аппарата протекает десорбция поглощенного компонента из пленки в газ.
Относительная движущая сила при этом рассчитывалась как
X = ( x* (y)- x)/(x* (y)- Хн) (4)
С увеличением диаметра аппарата наблюдается увеличение скорости снижения движущей силы массопередачи по высоте пленки и расширение зоны отрицательной движущей силы. Указанное негативное явление приводит к снижению общей эффективности массопереноса в полых вихревых аппаратах с диаметром контактной зоны более 0,4 м.
Устранить негативное влияние пленки жидкости на процесс массообмена можно за счет организации дискретного или непрерывного по высоте частичного отвода жидкости через сепарационную сетку. Отвод жидкости приводит не только к увеличению движущей силы массопереноса, но и к снижению коэффициентов массопередачи через поверхность пленки, однако результирующий эффект в большинстве случаев является положительным.
В случае непрерывного отвода жидкости, непрерывно по высоте отводится фиксированная доля от общего расхода жидкости в пленке (l' (5) = const).
Значение l' равное 0 соответствует работе аппарата без отвода пленки из зоны контакта, а l'=1 - полному отводу пленки. Расчеты показали, что в аппаратах малого диаметра (менее 0,2 м) частичный не-
прерывный отвод пленки из зоны контакта не приводит к увеличению эффективности массопереноса в аппарате по сравнению с режимом работы аппарата без отвода пленки. Это связано с тем, что в аппаратах малого диаметра отсутствуют области с отрицательной движущей силой, а отвод жидкости приводит лишь к снижению толщины пленки и коэффициентов массопередачи в пленку. В аппаратах большего диаметра при частичном отводе жидкости степень увеличения движущей силы процесса превышает степень снижения коэффициентов массопе-редачи в пленку, что позволяет повысить эффективность массопереноса (рис.1). Доля отводимой жидкости I', соответствующая максимальной эффективности, увеличивается с увеличением диаметра аппарата и соотношения массовых расходов жидкости и газа Lm/Gm . Влияние доли отвода жидкости из пленки на относительную движущую силу массопе-редачи показано на рисунке 2.
3
1
0
0,2 0,4 0,6 0,8 l'
Рис. 1 - Зависимость эффективности массопереноса в полом вихревом аппарате от доли отводимой из пленки жидкости в случае непрерывного по высоте аппарата отвода. Скорость газа Мвх=30 м/с; отношение высоты аппарата к его диаметру, НМ = 8; d = 1,0 м; Lm/Gm , кг/кг: 1 - 1; 2 - 1,5; 3 - 2
(х*(у)-х)/(х*(у)-х „)
1,0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 ^
Рис. 2 - Изменение относительной движущей силы массопередачи в пленке жидкости по длине полого вихревого аппарата при различных долях отвода жидкости из пленки. Wвх = 30 м/с; НМ = 8; Ц^т=1,5; d = 0,6 м; I': 1 - 0; 2 - 0,2; 3 - 0,4; 4 -0,6; 5 - 0,8
0.8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
При организации дискретного отвода жидкости вся высота рабочей зоны аппарата разбивается на ряд участков с высотой s, а в конце каждого участка производится полный отвод жидкости из зоны контакта. В пределах каждого участка p) = £ и изменяется от 0 до s/H. Случай, когда s/H = 0 соответствует полному отводу пленки из рабочей зоны, а s/H = 1 - работе аппарата без отвода пленки. При расчетах рассматривался случай, когда длина всех участков одинакова (s = const).
Использование дискретного отвода жидкости из зоны контакта позволяет увеличить эффективность массопереноса, также как и при непрерывном отводе, только в аппаратах с диаметром более 0,2 м. Величина отношения s/H, соответствующая максимальной эффективности процесса уменьшается с увеличением диаметра аппарата и соотношения массовых нагрузок по жидкости и газу (рис.3).
Изменение движущей силы массопередачи по высоте пленки при дискретном отводе жидкости носит ступенчатый характер (рис.4), и с увеличением отношения s/H средняя относительная движущая сила увеличивается.
.....................
/
0 0,2 0,4 0,6 0,8 s/H
Рис. 3 - Зависимость эффективности массопере-носа в полом вихревом аппарате от относительного расстояния между сечениями отвода жидкости из пленки в случае дискретного полного отвода. Wвх=30 м/с; Н^ = 8; d =1м ; Lm/Gm , кг/кг: 1 - 1; 2 - 1,5; 3 - 2
Рис. 4 - Изменение относительной движущей силы массопередачи в пленке жидкости по длине полого вихревого аппарата при различных относительных расстояниях между сечениями отвода жидкости из пленки при дискретном отводе. WBX=30 м/с; H/d = 8; Lm/Gm=1,5; d = 0,6 м; s /H: 1 - 1; 2 - 0,5; 3 - 0,333; 4 - 0,2
Применение предложенных способов отвода жидкости из пленки позволяет увеличить среднюю движущую силу массопередачи через поверхность пленки и исключить участки с отрицательной движущей силой. В отдельных случаях удается увеличить эффективность массопереноса в полых вихревых аппаратах на 15% по сравнению с работой аппарата без отвода пленки.
Литература
1. М.Р. Вахитов, Н.М. Нуртдинов, А.Н. Николаев, Вестник Казанского технологического университета, 8, 130-134 (2011).
2. А.Н. Николаев, М.Р. Вахитов, Н.М. Нуртдинов Вестник Казанского технологического университета, 17, 22, 254-256 (2014).
3. Н.Б. Митропольская, Н.А. Николаев, В.А. Булкин, Химия и химическая технология, 17, 1 151-153 (1974).
4. Авт.свид. СССР 77401 (1984).
5. Авт.свид. СССР 1369735 (1988).
6. А.Н. Николаев, В.А. Малюсов, Теоретические основы химической технологии, 26, 1, 25-32 (1992).
©И. Р. Зиярова - магистрант 2 курса, кафедра «Оборудования пищевых производств» КНИТУ, [email protected], К. А. Багаева - магистрант 1 курса той же кафедры, Г. Р. Мингалеева - д.т.н., профессор той же кафедры, М. Р. Вахитов -ст. преподаватель той же кафедры, А. Н. Николаев - д.т.н., проф., зав. кафедрой «Оборудования пищевых производств» КНИТУ.
© I R. Ziarova - magistrant of 2 course, «Kazan national research technological university» FGBOU VO, «Equipment for food production» department, [email protected], K. A. Bagaeva - magistrant of 1 course, «Kazan national research technological university» FGBOU VO, «Equipment for food production» department, G. R. Mingaleeva - Dr.Sci.Tech., prof., «Kazan national research technological university» FGBOU VO, «Equipment for food production» department, M. R. Vahitov, lecturer, «Kazan national research technological university» FGBOU VO, «Equipment for food production» department, A. N. Nikolaev, head of department, professor, «Kazan national research technological university» FGBOU VO, «Equipment for food production» department.
