ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООБМЕННОГО ПРОЦЕССА ПРИ МОКРОЙ ОЧИСТКЕ ГАЗОВ В РОТОРНО-ФИЛЬТРУЮЩИМ АППАРАТЕ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI - 10.32 743/UniTech.2022.97.4.13490

ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООБМЕННОГО ПРОЦЕССА ПРИ МОКРОЙ ОЧИСТКЕ ГАЗОВ

В РОТОРНО-ФИЛЬТРУЮЩИМ АППАРАТЕ

Ахроров Акмалжон Акрамжон угли

докторант (PhD) кафедры технологические машины и оборудование,

Ферганский политехнический институт, Республика Узбекистан, г. Фергана E-mail: a. axrorov@ferpi.uz

STUDY THE MASS TRANSFER PROCESS IN WET TYPE ROTARY GAS CLEANER

Akmaljon Akhrorov

Postgraduate student (PhD) student, Fergana Polytechnic Institute, Republic of Uzbekistan, Fergana

АННОТАЦИЯ

В статье исследован массообменный процесс в роторно-фильтрующем аппарате. Приведены результаты проведенных экспериментов по поглощению аммиака в 25%-ном закисленном растворе аммиачной селитры. По гидродинамике аппарата разработана схема для расчета коэффициентов массоотдачи. Определено влияние расхода абсорбента, скорости очищаемого газа и диаметра отверстия фильтрующего материала на изменение коэффициента массоотдачи. Также определены оптимальные значения изменяющих параметров. На основе экспериментальных данных построены графики и получены эмпирические функции.

ABSTRACT

The article studied the process of mass transfer in an experimental device with a rotor filter for wet cleaning of gases. In the experiments, the absorption of ammonia gas into a 25% solution of ammonium nitrate in nitric acid was studied. A scheme for calculating the feed ratio according to the hydrodynamics of the experimental device was developed, according to which the effect of different values of absorbent consumption, purified gas flow rate and the diameter of the filter material coated on the working surface of the rotor was studied. Graphs comparing the values obtained in the experiments were constructed. The optimum values of the filter material hole diameter, absorption fluid flow rate and purified gas flow rate were also determined.

Ключевые слова: абсорбционная жидкость, мокрый способ, ротор-фильтр, рабочая поверхность.

Keywords: absorption fluidity, wet sposob, rotor-filter, operation surface.

Введение. Мокрая очистка является лучшим способом для улавливания ценных компонентов из газовых смесей и очистки газообразных выбросов, потому что в аппаратах, работающих мокрым способом, эффективность очистки достигает до 99%. Поэтому с целью максимального улавливания газообразного аммиака выбран мокрый газоулавительный роторно-фильтрующий аппарат. Ниже приведены результаты опытов по улавливанию аммиака. Для определения оптимального энергопотребления и эффективности очистки аппарата исследована массо-обменная характеристика аппарата. Из результатоа видно, что роторно-фильтрующий аппарат считается

ресурсо- и энергоэффективным и может применяться при очистке запыленных вредных или вторичных газов химического производства.

Методика исследования

Для учета коэффициентов массоотдачи сначала была изучена гидродинамика экспериментальной установки, и по этому принципу работы установки и по его гидродинамке разработана расчетная схема. По разработанной схеме были определены массо-обменные характеристики аппарата и составлены формулы для ее расчета.

Библиографическое описание: Ахроров А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООБМЕННОГО ПРОЦЕССА ПРИ МОКРОЙ ОЧИСТКЕ ГАЗОВ В РОТОРНО-ФИЛЬТРУЮЩИМ АППАРАТЕ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 4(97). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13490

1 - плененный слой жидкости; 2 - капли жидкости; 3 - отработанная жидкость

Рисунок 1. Схема определения контактных поверхностей экспериментальной установки

1 - направление течения пленки жидкости; 2 - фильтрующий материал; 3 - направление очищаемого газа; вс; вг - коэффициенты массоотдани в жидкой и газовой фазах, кмоль /м2с; 8ф - толщина фильтрующего матриала, мм; 8пл - толщина пленки абсорбента, мм

Рисунок 2. Схема взаимодействия пленки жидкости и капель с газовым потоком на рабочей поверхности ротора экспериментальной установки

По схемам, приведенным на рис. 1 и 2, процесс массообмена в роторно-фильтровальном аппарате можно описать следующим образом. Абсорционная жидкость, подаваемая в аппарат через форсунки, попадает в зонт и оттуда стекает на поверхность фильтра. Поверхность фильтра имеет неперфори-рованные активные поверхности и перфорированные пассивные поверхности. Абсорбент в виде жидкой пленки стекает в ванну с активной поверхности ротора [1]. На образовавшийся слой жидкости воздействуют запыленный газовый поток, подаваемый в аппарат в направлении пересечения. В результате наблюдается поглощение некоторых компонентов в потоке очищаемого газа в пленке жидкости, движущейся по активной поверхности М1. Также поток газа, поступающий в диффузор, ударяется о поверхность первичной отработанной жидкости, собранной в жидкостной ванне, придавая массе М2 в жидкой фазе и массе М3 в газовой фазе движение капель, образующихся на пространстве между ротором и корпусом аппарата [2; 7].

Отсюда общее количество вещества, поглощенного пленкой жидкости, жидкостью в ванне и

каплями при контакте абсорбента с газом в экспериментальной установке, можно записать в следующем виде, кг;

X Mc = Ml + M2 + M3

(1)

Протекание процесса массопереноса в экспериментальной установке изучается в зависимости от гидродинамического состояния, формирующегося при взаимодействии жидкой и газовой фаз в установке. При исследовании массообменого процесса в роторной фильтрующей экспериментальной установке необходимо определить коэффициенты массоотдачи. Процесс массоотдачи в экспериментальном аппарате рассчитивается по формуле:

Nuc = А Re™(Prc)"

(2)

где А, т и п - коэффициенты, зависящие от конструкции аппарата.

Это определяется опытном путем. В нашем случае А = 0,021; т = 0,75 и п = 0,3^0,5.

Режим движения пленочного слоя, образующегося на поверхности ротора, рассчитывается следующим образом:

Rec =

2Qc 'Pc

Мс' ( h + 2nr)

(3)

где Qc - расход абсорбента, м3/час; ^ - динамическая вязкость, Па с; рС - плотность абсорбента, кг/м3; h - высота фильтрующей поверхности, м; 2пг - длина фильтрующей поверхности, м. Процесс массоотдача в роторно-фильтровальном аппарате исследуется по Нуссельту, как и в других типах массообменных расчетов Прандтля, входящего в критерий Нуссельта, рекомендуется рассчитывать из следующего уравнения:

Pr =

Mc

Pc ' DC

(4)

где Dc - коэффициент диффузии в жидкой фазе, м2/с.

Следует отметить, что изменение числа диффузий влияет на интенсивность массообмена. Коэффициент диффузии в жидкостях в 10 000 раз меньше, чем в газах. По Арнольду, при расчете коэффициента диффузии, входящего в уравнение (4), используется следующая формула при температуре жидкости 20 °С [7; 6], м2/с:

D20 =

1 10-

ав4М\vf+vf )2 V

11

- + -

MA Mc

(5)

где A и B - поправочные коэффициенты: для газов A = 1; для воды B = 4,7;

^ - коэффициент динамической вязкости абсорбента, Пас;

vA и vB - мольные объемы абсорбента и газа, см3/кмоль;

Ма ва Мв - молярные массы абсорбента и газа.

Коэффициент диффузии абсорбционной жидкости, подаваемой в роторно-фильтрующую экспериментальную установку, определяется по следующему уравнению [3; 7], м2/с:

Dc =

8,2-10-12T

1/3

М ' а

(

1+

V VA у

2/3 \

(6)

Уравнение (5) применяется в лабораторных условиях, но уравнение (6) применимо для промышленных исследований процесса массоотдачи при рабочей температуре процесса.

В общем виде уравнение для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе имеет следующий вид [3; 7], м/с:

ß = N«c'Dc c 8пл

(7)

Подставив уравнения (2) и (5) в (7), получим уравнение, описывающее процесс переноса веществ в фильтрующем пленочном слое роторно-фильтрующей установки [6; 10], м/с:

ßc =

0,0021 Re0'75 (Prc )0'5 'Dc

Lrn-r 'Mc

i ГР •Pc (оР

(8)

В результате движения капель, образующихся в роторно-фильтровальном аппарате, в газовой фазе наблюдается массоперенос, определенный компонент газовой смеси поглощается каплей жидкости. Для расчета этого процесса были проанализированы процессы массопереноса в устройствах с аналогичной гидродинамикой и контактными поверхностями фаз, а также разработано уравнение для расчета процесса массопереноса в газовой фазе для экспериментального аппарата. Для расчета массопереноса в газовой фазе важно определить диаметр капли, который в процессе не изменяется по площади поверхности и объему. При изменении диаметра сопла изменяются диаметр и поверхность капли. Объем и диаметр поверхности полученной капли, неизменяющий в процессе, определяли по следующему уравнению, мкм [3; 4]:

d32 =

Z d Z dc

(9)

где ёх - диаметр капли в фракции ^ мм;

йс - объемно-поверхностный диаметр капли, м. Скорость газа, проходящего через отверстие фильтрующего материала, определяется по следующему уравнению, м/с [3]:

w„

Z F

(10)

где Waп - скорость газа при входе аппарата, м/с; £Ртеш - площадь фильтрующей поверхности, м2. Режим движения газа, проходящего через фильтрующий материал, определяется следующим уравнением:

w 'dT

ts ~ _ теш 1

(11)

где Wтеш - скорость газа, проходящего через отверстие, м/с;

V - коэффициент кинематической вязкости газа,

м2/с;

^ - диаметр капли, мкм.

Зависимость скорости перехода компонента в газовую фазу от физико-химических свойств фаз и параметров процесса выражается в виде критериальных уравнений. Критериальное уравнение, предложенное Фреслингом, было выбрано для расчета процесса массопереноса в газовой фазе в роторно-фильтровальном аппарате. Это уравнение основано на тестах на массоперенос между каплей жидкости и газом и позволяет вычислять предельные значения

w =

теш

V

Г

чисел Рейнольдса и Прандтля в уравнении на большем интервале, чем в других предложенных уравнениях [3; 4; 8; 9]:

Nur = 2 -

-0,552 • Re0'5 • Pr0'33

(12)

где Reг - режим движения газа, проходящего через фильтрующие отверстия; Prг - число Прандтля для газовой фазы.

Общее уравнение коэффициента массоотдачи при поглощении компонентов газового потока каплями жидкости выражается следующим образом, м/с [3; 4]:

ßr = Nur • Dr

(13)

где Ыпг- число Нуссельта в газовой фазе;

Бг - коэффициент диффузии при поглощении газообразного аммиака каплями абсорбента, м2/с.

Подставив уравнения (9) и (12) в уравнение (14), получили уравнение для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе для экспериментальной установки:

ßr =

2(1 + 0,276 • Re0,5 • Pr^33)

Dr

Хл X de

(14)

Результаты исследования. Эксперименты по поглощению газообразного аммиака, испускаемого при производстве аммиачной селитры в роторной фильтрующей установке, проводились при следующих значениях переменных коэффициентов. При определении коэффициентов переноса вещества диаметр барабанного фильтрующего материала с паронитовым покрытием dф = 2 мм; dф = 3 мм; dф = 4 и диаметр отверстия форсунки, подающей жидкость в рабочую камеру, dш = 1 мм; dш = 2 мм; dш = 3 мм. В качестве абсорбента использован 25%-ный раствор аммиачной селитры в азотной кислоте. Значения расхода абсорбента Qсую = 0,068-0,160 м3/ч; Qсую = 0,071-0,168 м3/ч и Qсую = 0,072-0,178 м3/ч были определены экспериментально по показанию жидкостного ротометра.

Для получения различных значений скорости очищаемого газа и определения коэффициентов массоотдачи на всасывающем патрубке вентилятора установлен шебер 0°, 30°, 45°, 60°, 90°.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе учтен с помощью уравнения (13) при значении скорости газа в диапазоне иг = 5-30 м/с, и изучалось влияние различных значений расхода абсорбента на коэффициенты массоотдачи на основании следующих графиков (рис. 3, 4, 5).

0.003 0.0025

t 0.002

^ 0.0015

о

V 0.001

0.0005

1

0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

(?сую »Л'соат

= 2 мм; 2-4ф = 2 мм; 3-4ф = 4 мм; dш = 1 мм-соп$1, Qсую = 0,068^0,160 м3/н Рисунок 3. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от расхода абсорбента

0.003 0.0025 5 0.002 % 0.0015

о

0.0005

1 \

' г*

к \ 3

0.07

0.09

0.11

0.13

0.15 0.17

Осую М-'.СОЛТ

1^ф = 2 мм; 2-4ф = 2 мм; 3-ёф = 4 мм; dш = 2 мм-соп$1, Qсую = 0,071^0,168 м3/н Рисунок 4. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от расхода абсорбента

0.0035 0.003

■л 0.0025 *

•I 0.002

S 0.0015 à. 0.001 0.0005

2 __—"

1

3

0.07 0.097 0.124 0.151 0.178

Qcyio м*/соат

1 -йф = 2 мм; 2-ёф = 2 мм; 3-йф = 4 мм; dm = 3 мм-const, Qсую = 0,072^0,178 м3/ч Рисунок 5. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от расхода абсорбента

Из рисунки 3 видно, что диапазон изменения расхода жидкости составляет Qсую = 0,068-0,160 м3/ч, а значение коэффициента массоотдачи ßr = 0,000820,0020 кмоль/м2с при диаметре отверстие йФ = 4 мм фильтрующего материала. При диаметре отверстие фильтрующего материала dф= 4 мм коэффициент массоотдачи изменился при интервале ßr = 0,00110,0064 кмоль/м2с. По рисунку 4: при интервале QcyK> = 0,071-0,168 м3/ч расхода абсорбента и при отверстии фильтрующего материала йФ= 4 мм; йФ = 3 мм и йФ = 2 мм коэффициент массоотдачи увеличился от ßr = 0,00076 кмоль/м2 • с до ßr = 0,00279 кмоль/м2 с.

Известно из графика, приведенного на рисунке 5, при наибольшем расходе QcyK = 0,178 м3/ч и при диаметре отверстие йФ = 2 мм фильтрующего материала значение коэффициента массоотдачи составило ßr = 0,00296 кмоль/м2с. С графиков 3, 4 и 5 получены следующие эмпирические функции:

при интервале расхода абсорбента QcyK 0,068-0,160 м3/ч,

y = -0,0084x2 + 0,0186x - 0,0001 y = -0,0117x2 + 0,017x - 0,0002 y = 0,0122x2 + 0,0096x + 0,0001

R2 = 0,9999 (15) R2 = 0,9997 (16) R2 = 0,9937 (17)

при интервале расхода абсорбента QcyK 0,071-0,168 м3/ч,

y = 0,0338x2 + 0,0085x + 0,0004 y = 0,0368x2 + 0,0053x + 0,0005 y = 0,0017x2 + 0,0098x + 0,0001

R2 = 0,9973 (18) R2 = 0,9975 (19) R2 = 0,9511 (20)

при интервале расхода абсорбента QcyK 0,072-0,178 м3/ч,

y = 0,0157x2 + 0,0127x + 0,0002 y = 0,0089x2 + 0,0117x + 0,0001 y = -0,0003x2 + 0,0135x - 0,0001

R2 = 0,9991 (21) R2 = 0,9994 (22) R2 = 0,9978 (23)

0.033

0.025

•j, 0.017

r* 0.009

0.001

1 2

3

10

15

20

V)r. м/с

30

1-йф = 2 мм; 2-йф = 2 мм; 3-йф = 4 мм; dm = 1 мм-const, QcyK = 0,068 м3/ч

Рисунок 6. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от скорости очищаемого газа

0.061

■4 0.041 ■

а

5 0.021

0.001

1 2

10

15

20

От» м/с

2S

30

1-йф = 2 мм; 2-йф = 2 мм; 3-йф = 4 мм; dш = 1 мм-сот(, Qсyю = 0,130 м3/ч Рисунок 7. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от скорости очищаемого газа

0.081

0.061

и

а> w

i 0.041 а

г;

f. 0.021 ca.

0.001

1 2

10

15

25

30

20 «Г, м/с

1-йф = 2 мм; 2-йф = 2 мм; 3-йф = 4 мм; dш = 1 мм-сот(, Qсyю = 0,178 м3/ч Рисунок 8. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от скорости очищаемого газа

Из рисунка 6 видно, что при меньшем расходе абсорбента Qсую = 0,068 м3/ч и при интервале иг = 5^30 м/с скорости очищаемого газа и в йФ = 4 мм диаметре отверстия фильтрующего материала определено наименьшое значение коэффициента массоотдача вг = 0,00189 кмоль/м2с. Также максимальное значение коэффициента массотдачи наблюдалось при вг = 0,02508 кмоль/м2 с при максимальной скорости потока очищаемого газа иг = 30 м/с и диаметре отверстия фильтрующего материала йФ = 2 мм. Также при минимальной скорости газа иг = 30 м/с и в среднем расходе абсорбента Qсую = 0,130 м3/ч определено меньшее значение коэффициента массотдачи вг = 0,00361 кмоль/м2с при отверстии с диаметром йФ = 4 мм фильтрующего материала. Коэффициент значения массотдачи достиг вГ = 0,04858 кмоль/м2 с при скорости газа иГ = 30 м/с и при диаметре отверстия йФ = 2 мм фильтрующего материала. По рисунку 8, при максимальном расходе абсорбента Qсую= 0,178 м3/ч и очищаемый газ проходил со скоростю иГ = 5 м/с через отвестие с диаметром йФ = 4 мм фильтрующего материала, получено значение коэффициента массоотдачи вг = 0,00493 кмоль/м2с.

При подводе очищаемого газа со скоростю иг = 15 м/с и при его проходе через фильтр с диаметром йФ = 2 мм определен коэффициент массоотдачи с значением вг = 0,01479 кмоль/м2 с, при том же отверстии фильтрующего материала и при скорости газа иг = 30 м/с увеличился коэффициент массоотдачи до вг = 0,03055 кмоль/м2с. Также при подводе газа со скоростью иг = 5 м/с и при диаметре отверстия йФ = 2 мм фильтрующего материала получен коэффициент массоотдачи вг = 0,01202 кмоль/м2с, это значение массоотдачи увеличилось до вг = 0,03669 кмоль/м2 с, когда скорость газа увеличилась до иг = 15 м/с, массоотдача тоже увеличилась до вг = 0,03669 кмоль/м2с.

Для каждой линии графиков, приведеных на рисунках 6, 7, 8, получены следующие эмпирические функции:

при диаметре отверстия фильтрующего материала

йФ = 2 мм:

У = 5e - 06x2 + 0,0007x + 0,0009 R2 = 0,9964 (24) у = ^ - 05x2 + 0,00т + 0,0021 R2 = 0,9991 (25) у = 2e - 06x2 + 0,0022x + 0,0011 R2 = 0,9980 (26)

при диаметре отверстия фильтрующего материала

dФ = 3 мм;

у = 9е - 06х2 + 0,0003х + 0,0009 R2 = 0,9978 (27) у = 9е - 06х2 + 0,0008х + 0,0013 R2 = 0,9972 (28) у = 4е - 06х2 + 0,0013х + 9Е-05 R2 = 0,9937 (29)

при диаметре отверстия фильтрующего материала dФ = 4 мм:

у = 2е - 06х2 + 0,0003х + 0,0002 R2 = 0,9991 (30) у = 4е - 06х2 + 0,0006х + 0,0004 R2 = 0,9993 (31) у = 4е - 06х2 + 0,0009х + 0,0005 R2 = 0,9996 (32)

Выводы. С учетом выше приведенных данных рекомендованы следующие оптимальные значения изменяющих параметров для применения экспериментальной установки при очистке аммиака с закисленным раствором аммиачной селитры:

• расход абсорбента Qсую = 0,178 м3/ч;

• интервал подвода очищаемого газа иг = 5-15

м/с;

• диаметр отверстия фильтрующего материала

dФ = 2 мм.

Список литературы:

1. Ахроров А.А., Тожиев Р.Ж., Исомидинов А.С. Исследование пленочного слоя на рабочей поверхности роторно-фильтрующего аппарата // Universum. - М., 2021. - № 7 (88). - С. 42-48.

2. Выбор фильтрующего материала и анализ расчетных уравнений массообменного процесса в роторном фильтрующим аппарате / А.А. Ахроров, Р.Ж. Тожиев, А.С. Исомидинов, И.М. Мамаризаев // Universum. -М., 2021. - № 5 (86). - С. 22-26.

3. Дегтярев В.С. Интенсификация технологических процессов. - Запорожье, 2002. - 282 с.

4. Исхаков А.Р., Лаптев А.Г. Эффективность абсорбции в полых распиливающих аппаратах // Вестник технологического института. - Казань, 2015. - Т. 18, № 18.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппарты химической технологии. - М. : Химия, 2004. - 752 с.

6. Паджи Л.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. - М. : Химия, 1984. - 256 с.

7. Рамм В.М. Абсорбция газов. - М. : Химия, 1976. - 656 с.

8. Синицин Н.Н., Пронин К.С. Тепломассоотдача при движении капли воды в газовом потоке, содержащем аммиак // Вестник Череповского технологического университета. - Черповец, 2013. - Т. 2, № 4.

9. Химвинга М., Панов С.Ю. Интенсификация процесса абсорбционной очистки газов в аппаратах распылительного типа // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2016. - Т. 22, № 1.

10. Akhrorov A. Study of mass taransfer process in rotary - filter gas cleanaer // Austrian journal of technical and natural science. - Vienna, 2021. - № 11-12. - P. 3-19.