CC BY
70
УДК 66.096.3
А.С. Сумченко, А.Н. Букин*, С. А. Марунич
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., д. 9
*aleks.bukin88@gmail.com
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАССОБМЕНА НА АЛЮМИНИЕВОЙ СПИРАЛЬНО-ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ НАСАДКЕ
Исследовалась эффективность массообмена в процессе фазового изотопного обмена воды на спирально-призматической насадке, выполненной из алюминиевой проволоки. Изучено влияние способа запуска колонны на эффективность процесса. Полученные данные сравнены с литературными данными для медно оксидированной насадки. Установлено, что применение в качестве материала насадки травленого алюминия позволяет обеспечить высокую эффективность массообмена при любом исходном состоянии насадочного слоя.
Ключевые слова: спирально-призматическая насадка, фазовый изотопный обмен, тритий, система детритизации.
Все массообменные процессы, протекающие в устройствах колонного типа, требуют наличия значительной площади контакта фаз, что обеспечивается за счет использования высокоэффективных регулярных и нерегулярных насадок. Для проведения маломасштабных процессов (Вкол<200 мм) применяются нерегулярные насыпные насадки (размер элемента - от 1 мм до 20 мм). В России наибольшее распространение получила спирально-призматическая насадка (СПН) Левина (1,5-5 мм). Высокая эффективность процесса достигается за счет развитой гидрофильной поверхности насадочных контактных элементов и удерживающей способности насыпного слоя. Гидрофильные свойства применяемых материалов позволяют равномерно распределить поток жидкости по сечению слоя и создать наибольшую поверхность массообмена. Из-за высокой коррозионной устойчивости и дешевизны в качестве материала СПН используется нержавеющая сталь. Данная насадка успешно применяется в ректификационных процессах, характеризующихся большой плотностью орошения [1]. При переходе к абсорбционным процессам, применяемым для очистки газов, на первое место выходит проблема минимизации вторичных отходов, что достигается уменьшением потока питающей жидкости. В этом случае необходимо либо увеличивать плотность упаковки насадки, что приведет к увеличению гидравлического сопротивления, либо применять материалы с максимально развитой поверхностью. В качестве такого материала применяется медная проволока с нанесенным оксидным слоем. Однако специальная обработка поверхности, требуемая для ее оксидирования, и цена самого металла значительно увеличивают себестоимость насадки.
В качестве дешевой альтернативы была предложена СПН из алюминиевой проволоки (аСПН). Для развития поверхности насадка предварительно обрабатывалась
концентрированным раствором KOH в течение 30 мин, затем промывалась дистиллированной водой. В целях уменьшения гидравлического сопротивления размер контактного элемента составил 6х6х0,8 мм.
Эффективность насыпной насадки исследовалась в процессе фазового изотопного обмена (ФИО) воды. ФИО является одним из возможных методов улавливание паров третированной воды, который может быть реализован в системах детритизации [2]. Процесс ФИО состоит в том, что сверху в колонну подается заданный поток воды природного изотопного состава, а снизу в колонну поступает газ, содержащий пары тритированной воды. Плотность орошения насадочного слоя при этом составляет доли процента от аналогичной величины при ректификации. В основе очистки газа от трития лежит многократное протекание в колонне процесса изотопного обмена между жидкой водой и ее парами, который может быть описан следующим уравнением:
ШОж + НТОп^ НТОж+ ШОп (1)
В системе пар - жидкая вода изотопный эффект направлен таким образом, что концентрирование тяжелого изотопа водорода (тритий) происходит в конденсированной фазе.
Схема экспериментальной установки представлена на рис.1.
Основными элементами стенда является колонна ФИО 1 диаметром 62 мм и высотой 120 см и насытитель 2 ф = 110мм, Н = 120 см). Колонна ФИО снабжена рубашкой для термостатирования. Назначение насытителя в комплексе с теплообменником 8 и нагревателем 6 - доведение
потока атмосферного воздуха, подаваемого в колонну компрессором 4, до 100% относительной влажности при температуре колонны. Концентрацию трития определяли в паровой и жидкой фазе на входе и выходе из колонны жидкостным сцинтилляционным методом на приборе ТйСагЬ 2810 TR. По результатам анализа определяли число теоретических ступеней разделения [3]
- = О® (2)
где Лгб = ybot - у*; у*= Xbot / аНт; ^м = уtop
(Уbot, уюр, у*- концентрации трития в паре на входе, выходе колонны и равновесная выходящей из колонны воде, хЬ( - концентрация трития в выходящей из колонны воде, аНТ - коэффициент разделения реакции фазового изотопного обмена при температуре колонны), X =хЬо1/(уЬо1 — Угор)-
12
VI
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
1 - колонна ФИО; 2 - аппарат-насытитель; 3 -компрессор; 4, 18- контроллер расхода газа 5 -перистальтический насос, 6 - электронагреватель; 7 -ЛАТР; 8 - теплообменник; 9 - термостат; 10, 11, 16 -пробоотборники; 12 -баллон с гелием; 13 - контроллер потока воды; 14 - криостат; 15 - гидрозатвор; 17 -манометр; VI - емкость с природной водой; У2 - мерная емкость; V3 - приемная емкость; V4 - емкость с тритированной водой; ВЗ1, ВЗ2 -запорные краны; Т1, Т2, Т3, Т4 - термопары, КН1, КН2 - гигрометры.
При известной высоте насадочной части
эквивалентную
колонны Нкол, высоту, теоретической ступени разделения, находили как:
^экв ^кол/^ (3),
а значение высоты единицы переноса как
(4)
к = к
"-оу "-экв
аНТ Л
высушенной насадке при аналогичных условиях (Т=25°С, в=12м3/ч) ВЭТС выросла в 10 раз и составила 29 см [4]. Полученная зависимость может быть объяснена степенью смачиваемости сухой и влажной насадок. Поверхность проволоки с развитой поверхностью представляет собой многочисленные углубления и наросты. Если насадка находится в сухом состоянии, то стекающая жидкость предпочтительно потечет по ровной поверхности, а углубления будут заполнены воздухом. Если воздух удалить с поверхности проволоки, то жидкость сможет более равномерно распределиться, а эффективность очистки восстановится. Из практики по ректификации известно: если насадка длительное время находится на воздухе, то перед загрузкой в колонну требуется ее полное затопление. Из полученных данных вытекает, что недопустимо использовать медную СПН в тех случаях, когда возможен длительный простой колонны, а ее полное затопление не предусмотрено.
Для аСПН исследовалась зависимость эффективности массообмена от способа запуска колонны ФИО. Было выбрано три основных режима: 1 - колонна предварительно затоплена, пущен рабочий поток питания, затем через 10-15 минут слита вода затопления; 2 - насадка влажная после затопления и слива всей воды; 3 - насадка тщательно высушена потоком горячего сухого воздуха. Второй и третий режим моделируют условия, при которых насадка длительное время хранится во влажном или сухом состоянии, соответственно. С помощью первого способа запуска моделируется случай, когда поверхность насадки находится в максимально смоченном состоянии. Результаты экспериментов
представлены в табл.1.
Таблица 1. Зависимость эффективности массообмена на аСПН в зависимости от способа запуска колонны (С=12м3/ч, Т=20°С)
Запуск N п ВЭТС, см ВЕП, см
1 0,84 15,5 15,4 3,9 3,4
2 0,97 12,7 12,8 4,7 4,2
3 0,92 11,2 11,1 5,4 4,9
Ранее было установлено, что эффективность процесса детритизации на медной СПН (3х3х0,2 мм) сильно зависит от состояния её поверхности. Так при проведении экспериментов на влажной насадке величина Ьэкв (ВЭТС) составила порядка 2,9-3,4 см, в то время как на полностью
Как видно из представленных данных значение ВЭТС на влажной аСПН в 1,5 раза выше, чем аналогичная высота для медной насадки. Это можно объяснить различием материалов и размеров контактных элементов. При проведении опытов с сухой аСПН значения ВЭТС увеличилась в 1,4 раза, в то время как для медной оксидированной насадки данная величина выросла практически в 10 раз. Таким образом, даже высушенная алюминиевая насадка позволяет обеспечить достаточно высокую эффективность процесса ФИО. Особого внимания заслуживают эксперименты по первому способу запуска. При поддержании пленки за счет питающего потока
жидкости, пущенного до слива воды, значение ВЭТС по сравнению с влажным состоянием увеличивается в 1,2 раза и сравниваются со значениями для медной насадки. При этом гидравлическое сопротивление более крупных элементов аСПН составляет 2,67 кПа/м, в то время как более мелкие элементы медной насадки обеспечивают ожидаемо более высокое сопротивление слоя - 3,26 кПа/м.
В ректификационных процессах затопление насадки экономически не выгодно, так как для этого необходимо использовать дорогостоящий
продукт, а затопление законсервированной колонны ФИО, в которой ранее проводили процесс детритизации, приведет к накоплению большого количества вторичных отходов. Таким образом, в большинстве случаев при длительном простое произойдет частичная потеря разделительной способности. Применение в качестве материала насадки травленного алюминия позволяет обеспечить высокую эффективность массообмена при любом исходном состоянии насадочного слоя.
Сумченко Анна Сергеевна, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Букин Алексей Николаевич, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Марунич Сергей Андреевич, к.т.н., младший научный сотрудник кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Литература
1. Зельвенский Я.Д., Титов А.А., Шалыгин В.А. Ректификация разбавленных растворов. Л.: «Химия», 1974. - 216 с
2. Перевезенцев А.Н., Розенкевич М.Б., Пак Ю.С., Марунич С.А., Букин А.Н. Фазовый изотопный обмен как метод детритизации газов. Теоретические основы химической технологии. №. 47 (1), 2013. - 54-61 с.
3. Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике: Учебное пособие для вузов/ - М.: ИздАТ, 2000. - 344 с.
4. Марунич С.А. Фазовый изотопный обмен как метод очистки воздуха от паров тритированной воды: дис. канд. тех. наук: 05.17.02. М., 2012. - 115 с.
Sumchenko Anna Sergeevna, Bukin Aleksey Nikolaevich*, Marunich Sergey Andreevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *aleks.bukin88@gmail.com
INVESTIGATION OF MASSTRANSFER EFFICIENCY ON ALUMINIUM SPIRAL-PRISMATIC PACKAGE
Abstract
Masstransfer efficiency in phase isotope exchange of water on spiral-prismatic package made of aluminium wire was investigated. Impact of column launching method on process efficiency was studied. Received data was compared to literary data for package made of copper oxide. It was shown that using of etched aluminium as package material can lead to high masstransfer efficiency at any initial state of package bed.
Key words: spiral-prismatic package, phase isotope exchange, tritium, detritiation system.
