CC BY
14. Слободчиков Е. Г., Мухоплев С. И. Состояние коммунального комплекса арктической зоны Якутии / Е. Г. Слободчиков // Вестник евразийской науки. 2022. Т. 14. № 6. С. 1-11.
5. Данные погоды ФГБУ Якутское УГМОС [Электронный ресурс]: URL: https://ykuthydromet.ru/o-pogode/ (дата обращения 02.05.2024).
6. Коверина А.Ю., Кретова А.Ю. Анализ стоимости тепловых насосных установок и тарифы на электрическую энергию // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 01-20 мая 2017 года. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017. С. 4930 4934.
7. Максимов Б.Н. Озонобезопасные хладоны в России // Fluorine Notes. 2002. V. 2 (21).
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-343-350
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИДКОСТНОЙ ПЛЕНОЧНОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ПРИМЕРЕ СВАРКИ
Садыков Р.Х., Стаценко В.Н., Гридасов А.В.
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», г. Владивосток [email protected], [email protected], [email protected]
Для снижения концентрации вредных аэрозолей (мелкодисперсных частиц) в промышленности в период освоения Арктики и северных территорий предлагается использование жидкостной нейтрализации, при которой организовано пленочное течение жидкости по вертикальным пластинам. При движении газов или загрязненного аэрозолями воздуха между пластинами пленка жидкости интенсивно абсорбирует газообразные и твердые загрязняющие вещества. На экспериментальном стенде проведено исследование интенсивности абсорбции в пленку воды сварочных аэрозолей. В экспериментах изменялись скорость газа, расход жидкости, концентрация вредных веществ в газе. В результате анализа полученных результатов было составлено обобщение полученных результатов в широком диапазоне изменения концентраций газа, расходов жидкости и скорости движения, загрязненного аэрозолями газа; обобщение получено в виде зависимости между числами Шервуда, Рейнольдса и Шмидта. По этим зависимостям возможно рассчитать коэффициенты массоотдачи при различных длинах контакта пленки воды, газа, аэрозолей и габаритные характеристики нейтрализатора вредных выбросов.
Ввиду комплексной разведки и добычи полезных ископаемых в Арктике, открытия северного морского пути, строительства новых объектов инфраструктуры промышленности и жизнедеятельности, основной фокус внимания сместился на экологическую безопасность и сохранения природного северного наследия нашей страны. Основные исследования в области экологии и безопасности жизнедеятельности, которые проводят ведущие институты нашей Родины, связаны с исследованием влияния вредных факторов на здоровье человека и предотвращением загрязнения как почвы, так и воздушного пространства. Более 70-80% загрязняющих веществ, которые проникают в почву через воздушное пространство в виде различных мелких твердых частиц, газов, выделяются за счет работы различной техники, энергетических установок, судов снабжения, строительной и перерабатывающей техники, ремонтных работ, сварки, и выбросов с различных промышленных объектов.
Выбросы образуются при различных видах промышленной или иной техногенной деятельности и поступают в воздух. Далее твердые мелкодисперсные частицы аэрозолей осаживаются на различных поверхностях и почве. Они подразделяются на виды [1, 2]:
- газовая составляющая выбросов (ГСВ) - это токсичные газы, выделяющиеся при промышленной или иной техногенной деятельности, образующие с воздушной средой газовую смесь;
- технические аэрозоли (твердая составляющая выбросов - ТСВ) - твердые токсические вещества, выделяющиеся при промышленной или иной техногенной деятельности и образующие с воздушной средой аэрозольную смесь.
ГСВ способны адсорбироваться на поверхности твердых частиц и внутри их скоплений. При этом локальные концентрации газов, адсорбированных на частицах ТСВ, могут существенно превышать их концентрации непосредственно в ГСВ. Выпускные газы транспортных энергетических установок также содержат кроме твёрдых частиц несгоревшего топлива аналогичные вредные газообразные продукты сгорания. Из применяемых методов жидкостной нейтрализации наибольшую степень извлечения токсичных газов и аэрозолей имеет химическая абсорбция, а наибольшее распространение, как наиболее простой, дешевый и доступный имеет физическая абсорбция, абсорбентом в которой используется обычная пресная вода [1-6].
Жидкостные пленочные массообменные аппараты широко используются в химической технологии в качестве абсорберов газообразных сред и аэрозолей в жидкость, нисходящее движение которой организуется внутри вертикальных труб или на плоской вертикальной поверхности [7-9]. Такие аппараты возможно использовать и для очистки уходящих газов и аэрозолей, выделяемых, например, при сжигании органического топлива или при проведении различных технологических операций, связанных с выбросами значительного количества токсичных газов и аэрозолей [10-12].
Цель настоящей статьи - исследовать и обобщить в критериальной форме интенсивность снижения концентрации твердых частиц на примере сварки. Сварка-это многогранный процесс получения монолитного соединения путем установления межатомных связей по средством местного нагрева, пластической деформации или совместном их воздействии для ремонта и возведения металлических конструкций. Для реализации этой цели разработаны методики экспериментов и методология их проведения, на основе полученных экспериментальных результатов разработана методика их критериальной обработки и получены численные значения критериальных зависимостей.
В нашей работе для очистки воздуха от газовых выбросов и аэрозолей (мелкодисперсные частицы) предлагается использование жидкостного пленочного нейтрализатора [7-10, 14]. Эта установка представляет собой закрытый корпус с вертикально установленными пластинами, в верхней части которых закреплены пленкообразующие устройства, с их помощью жидкость растекается по обеим сторонам пластин в виде пленки. Загрязненный мелкодисперсными частицами газ поступает в корпус снизу через входной патрубок и движется вверх между пластинами. Благодаря большой площади контакта пленка жидкости как абсорбент интенсивно поглощает газообразные и твердые загрязняющие вещества и, стекая вниз по пластинам, удаляется из корпуса нейтрализатора. Жидкость после очистки и нейтрализации может подаваться на пленкообразующие устройства для повторного использования. Нейтрализаторы такого типа обладают существенным достоинством - низким гидравлическим сопротивлением, малым брызго- и влагоуносом, что является важным фактором для создания портативных устройств очистки газов.
Для изучения рабочих процессов, происходящих в жидкостном пленочном нейтрализаторе, проведены исследования на экспериментальном стенде, основным элементом которого являлись латунные пластины длиной 1100 и 600 мм [14]. Они жестко закреплены в корпусе с патрубками входа загрязненного и выхода очищенного воздуха. Подача воды на латунную пластину осуществляется через пленкообразующее устройство, пленка воды движется вниз по поверхности рабочей пластины, очищаемый воздух движется вверх, при их контакте происходят процессы абсорбции газов в пленку жидкости. Для измерения скорости воздуха используется трубка Прандтля с и-образным жидкостным манометром, расход жидкости определяется объемным способом и контролируется по жидкостному манометру. Размеры и количество мелкодисперсных частиц определяется переносным счетчиком частиц TSI АегоТгак 9306-У2 (Рисунок 1).
Основной задачей исследований является определение зависимости изменения концентрации загрязнений мелкодисперсными твердыми частицами длины поверхности рабочей пластины. В настоящей работе в качестве аэрозольного загрязнения воздуха использовались аэрозоли сварочных материалов, электродов и сварочных проволок
Эксперименты, проведенные нами по отбору проб аэрозолей, производились с отечественными электродами типа УОНИ13/55 и МР-3С, а также с импортными электродами J38, J421 (производство КНР), 0Т-309Ц CR-13, E6103/S LF (Республика Корея), ОК46
(Швеция), ОМШ-46 (США) [6]. Измерения концентраций аэрозолей проводились в зоне дыхания сварщика при его интенсивной работе. Отборы проб производились с помощью фильтров типа АФА-ХП-20 (фильтр Петрянова), размещенных в аллонжах, для дозированного отбора воздуха через фильтры использовался аспиратор АМ-5.
Анализ этих исследований показывает следующее:
1. Наибольшие выделения аэрозолей происходит у электродов марки ОК46 (800 мг/м3) и КК-50К (640 мг/м3).
2. Наименьшие выделения аэрозолей происходит у электродов марки КK-50N (60 мг/м3) и ОТ (80 мг/м3).
3. У остальных электродов концентрация аэрозолей составляет значения в диапазоне 120-420 мг/м3.
В результате оптических исследований фильтров, содержащих аэрозоли, было выявлено, что аэрозоли содержат металлические частицы с размерами 100-350 мкм (они имеют характерный металлический отблеск) и неметаллические частицы, которые имеют темно-коричневый цвет и, в основном, имеют правильную сферическую форму и размеры 7-25 мкм.
Анализ этих данных показывает следующее:
1. Металлические частицы могут приобретать чисто сферическую форму, а также форму в виде неправильных эллипсоидов.
2. У электродов марок MP-3C, KK-50N, J421 и ОМШ-46 средние размеры металлических частиц составляют 170-214 мкм, для остальных электродов эти размеры составляли 126-165 мкм. При этом разброс результатов (среднее квадратичное отклонение) относительно среднего арифметического для этих данных составляет 25-30%.
3. Для всех электродов средние размеры неметаллических частиц составляют 7,5-14 мкм, при этом среднее квадратичное отклонение для этих данных составляет 30-40%.
Для исследования количества аэрозольных частиц, образующихся при электродуговой сварке электродами основного (марки: ОК76.35, 0К74.70, СН608R и LB52U) и рутилового (марки: Kiswell, CR-13, SF46.60 и J38.12) типа использовался универсальный счетчик частиц TSI AeroTrak 9306-У2. Данный счетчик производит подсчет частиц одновременно в 6 размерных диапазонах. Его основные технические характеристики: скорость отбора пробы 2,83 л/мин, диапазон показаний от 0 до 100 000, размеры регистрируемых частиц 0,3; 0,5; 1; 3; 5; 10 мкм, относительная погрешность счетной концентрации ±20%.
Рис. 1. Переносной счетчик частиц Т81 АегоТгак 9306^2
Данные по количеству и размерам частиц позволили рассчитать их относительную массу в процентах, при этом регистрируемые размеры принимались за эквивалентный диаметр, форма частицы - сфера.
Результаты измерений относительных значений количества частиц и их массы для электродов основного типа ОК76.35 и ОК74.70 при разных значениях рабочего тока представлены на рисунке 2. Аналогичные результаты получены для остальных электродов основного типа.
б
Рис. 2. Количество и масса частиц размером 0,3-10 мкм, электроды ОК76.35 (а) и ОК74.70 (б), ^=3,2 мм
1 - /=110 А; 2 - 100 А; 3 - 85 А
Анализ этих результатов показывает следующее:
1. Наибольшее количество частиц (близкое к 95-98%) имеет минимальный размер -около 0,3 мкм, количество частиц с размером около 10 мкм составляет всего 0,01-0,1%.
2. Наибольшую массу в выбросах имеют аэрозоли с максимальным измеряемым размером - около 10 мкм, на максимальных рабочих токах она составляет 20-35% от общей массы выбросов.
3. С увеличением рабочего тока количество частиц и, соответственно, их масса увеличивается, особенно для частиц максимального размера, частицы минимального размера составляют по массе 2-5%, хотя их количество несопоставимо больше.
4. Зависимость количества частиц от их размера имеет степенной характер, а зависимость массы от размера - линейный характер.
5. Электроды с рутиловым покрытием имеют аэрозольные выбросы по массе меньше на 30-50% по сравнению с электродами с покрытием основного типа.
Основной задачей исследований является определение зависимости изменения концентрации аэрозольных загрязнений по длине рабочей пластины. Эти загрязнения моделируются порошками для газотермического напыления с разными насыпными плотностями: АО6 (р=1830 кг/м3), ПХ1М (р=3320 кг/м3), ПТЮ5Н (р=3830 кг/м3), керамика (р=3980 кг/м3). Порошки перед экспериментом просушивались, просеивались, в результате оптических измерений оценивались размеры гранул, которые не превышали 140-170 мкм со средним квадратичным отклонением 20-25%. Дозированная подача порошков в воздушный поток рабочего канала производилась через входной патрубок компрессора.
Отборы проб на концентрацию аэрозолей производятся с помощью фильтров типа АФА-ХП-20 (фильтр Петрянова), закрепленных в 4 аллонжах, закрепленных в крышке рабочего канала. Отбор воздуха через фильтр обеспечивался электромеханическими аспираторами 822 серии. Расход воздуха через каждый отбор не превышал 10-12% от его расхода в рабочем канале. В качестве адсорбирующей жидкости использовалась отстоянная пресная вода.
Результаты экспериментов и обработка результатов:
Рис. 3. Изменение концентрации аэрозолей по длине контакта: а - измеренное, б - относительное, при скорости воздуха Vвоз=0,5 м/с: 1 - АО6; 2 - ПХ1М; 3 - ПТЮ5Н; 4 - керамика
Обобщение результатов исследований абсорбции газов в пленку жидкости произведено в системе безразмерных критериев с учетом размерных параметров пленочного течения жидкости, представленного в [15].
В качестве характеристик процесса абсорбции используются критерии Reг (газовый) и Reпл (пленочный).
(1)
Ур = —
Упл
1 _ /41
аэкв . . п
(2)
(3)
(4)
где: dэкв = - эквивалентный диаметр, м; S - площадь сечения рабочего канала, м2; Гу - орошение пластины, м2/с; Gv - объемный расход пленки, м3/с; П - смоченный периметр, Уг, Упл - кинематические вязкости воздуха и пленки, м2/с.
г —
1у = П
м;
Sh = АЯе?1
Яе" •Scp
Sh =
в • 5
(ЧУ
/р
р • D ДС
gг = аб/
Sаб = П • ДЬ Sc = Vпл/D
Р = */Д
_ Саб, 'г = ^б
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
(10)
Здесь Sh - число Шервуда; в - коэффициент массоотдачи, кг/м2х; gг - удельный поток абсорбированного газа, кг/(м2/с); Gаб - поток абсорбированного газа, кг/с; Sаб - площадь абсорбции, м2; П - смоченный периметр, м; АЬ - участок канала, м; АС - концентрационный напор (движущая сила абсорбции), кг/кг; р - плотность среды, кг/м3; 5 - толщина пленки, м; Ь - длина контакта, м; Sc - число Шмидта; D - коэффициент диффузии, м2/с.
Составляющие критериев Reг и Reпл представлены в уравнениях (1-2). В расчетах критериев Reг, Яепл и Sc использованы экспериментальные и справочные данные.
Поток абсорбированного аэрозоля Gабm (кг/с) на каждом участке рабочего канала АЬ находится по измеренным значениям его концентрации в потоке воздуха перед Сгм и за участком Сг (кг/м3)
Сабт = Своз(С[-1 — С[). (11)
Здесь Gвоз - расход воздуха в рабочем канале, м3/с.
Концентрация абсорбированного аэрозоля в пленке воды в конце участка Сп\ (кг/кг) и концентрационный напор АС (кг/кг) рассчитываются по следующим зависимостям
-■пл _ г'пл , Сабт
пл пл
Ci = Ci-1 + г
"плт
ДС = С[ - спл
(12) (13)
Здесь Сплм - концентрация абсорбированного аэрозоля в пленке перед участком рабочего канала, кг/кг; Сг1, Спл - значения концентраций аэрозоля в воздухе и пленке в конце участка, кг/кг; Оплш - массовый расход пленки воды, кг/с.
При расчете средних значений коэффициента массоотдачи на участках разной длины контакта концентрационный напор АС (кг/кг) рассчитываются по средним значениям концентраций в воздушной смеси аэрозоля и пленки.
При противоточном движении воздуха в смеси с аэрозолем и пленки воды расчет начальной (по ходу воздуха) концентрации абсорбированного аэрозоля в пленке воды (в нижней части рабочей пластины) производился по массовому балансу по зависимости
спт = Сво1(СГ°-С[) , кг/кг (14)
"плт
Здесь Сго, Сгь - концентрация аэрозолей в воздухе в начале и конце рабочего канала, кг/м3.
Конечная концентрация абсорбированного аэрозоля в пленке воды Спль=0.
1,0Е+03
Ко
Рис. 4. Обработка экспериментальных данных по локальным значениям абсорбции аэрозолей
в безразмерных координатах
Таблица 1
Аэрозоли Коэффициенты диффузии
Размер частиц, мкм МКМ 0,1 1 10 100
D, м2/с Воздух 6,1х10"10 2,7х10"п 2,4х10-12 -
Критерий 8с Воздух 2,5х104 5,6х105 6,4х106 -
D, м2/с Вода 7,96х10"15 3,5х10"15 3,13х10"16 -
Результаты обработки наших данных по локальным значениям абсорбции аэрозолей в пленке пресной воды в широком диапазоне изменения критериев Reг, Яепл представлены на рисунке 4. Критерий Кэ, представленный на графиках представляет собой комплекс критериев:
К0 = Reг0•6 • Re0л15 • Sc0•33(5/L) (15)
Критериальное уравнение, описывающее результаты наших экспериментов для локальных значений на каждом участке рабочего канала имеет вид:
Sh = 4 • 107 Re°'22 • Re^j055 • Sc012 • (5/L)°'366 (16)
Погрешность обобщения наших данных составляет ±15%.
Полученные критериальные зависимости позволяют рассчитать значения коэффициентов массоотдачи и поток абсорбции аэрозолей разного размера и разной плотности в пленку жидкости по длине контакта и, соответственно, габаритные характеристики жидкостных пленочных массообменных аппаратов в широком диапазоне изменения концентраций аэрозолей, расходов жидкости и скорости движения загрязненного воздуха или газа.
В результате анализа процесса абсорбции окиси- и двуокиси углерода, в пленочном жидкостном аппарате можно сделать вывод, что при использовании воды в качестве абсорбирующей среды оптимальная скорость движения газов составляет Vвоз = 0,8-1 м/с, оптимальное значение орошения составляет Pv = (3,3-3,8)^10-4 м2/с, при этом концентрация газов СО и CO2 снижается на 30-45%, SO2 - в 1,5-2 раза.
Этот метод может использоваться для очистки технологических выбросов, а также выпускных газов от различных энергетических установок, в которых обычно также содержатся токсичные газообразные компоненты.
Основной задачей следующих исследований является определение изменения концентрации таких токсичных технологических выбросов как NO и NO2, а также аэрозольных загрязнений от длины контакта при жидкостной пленочной нейтрализации. Результаты этих исследований будут обобщаться в виде критериальных зависимостей [16].
Литература
1. Седнин В. А., Игнатович Р. С. Анализ эффективности технологий извлечения диоксида углерода из продуктов сгорания. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2022. № 65(6). С. 524-538.
2. Рамм, В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Химия, 1976.
655 с.
3. Пименова, Т.Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода / Т.Ф. Пименова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 208 с.
4. Очистка технологических газов / под ред. Т.А.Семеновой. 2-е изд. перераб, и доп. М.: Химия, 1977. 488 с.
5. Старкова А.В., Махоткин А.Ф., Балыбердин А.С., Махоткин И.А. Механизм и кинетика хемосорбции углекислого газа водным раствором карбоната натрия. Вестник Казанского технологического университета, 2011, С.76-81.
6. Yu, C.-H. A Review of CO2 Capture by Absorption and Adsorption / C.-H. Yu, C.-H. Huang, C.-S. Tan // Aerosol Air Qual. Res. 2012. Vol. 12. Iss. 5. P. 745-769.
7. Бабак В.Н. Массообмен в орошаемых плоскопараллельных каналах при прямоточном ламинарном движении жидкости и газа / Теоретические основы химической технологии. 2019. Том 53, № 6, С. 634-646.
8. Babak V.N. Two-phase mass exchange in irrigated tubular packing for the concurrent laminar phase flow // Theor. Found. Chem. Eng. 2015. V. 49. № 5. P. 636.
9. Генералов М.Б., Александров В.П., Алексеев В.В. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств, 2004, 832 с.
10. Бернавская М.В., Стаценко В.Н. Комплексное решение проблемы экологической безопасности автономных гидротехнических сооружений. Дистанционные методы, технические средства и алгоритмы в прикладных задачах исследования природных сред. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск), 2014, № 12, С.3-12.
11. Вострикова М.А. Анализ эффективности работы систем очистки дымовых газов морских судов от примесей при использовании абсорберов и скрубберов. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015, № 4, С.66-69.
12. Гришагин В.М. Сварочный аэрозоль: образование, исследование, локализация, применение: монография. Томск: Изд-во томского политехнического университета, 2011, 213 с.
13. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979, 416 с.
14. Стаценко В.Н., Еременко М.А., Бернавская М.В. Метод жидкостной пленочной нейтрализации токсичных газовых выбросов. Вестник инженерной школы ДВФУ, 2020, № 2(43), С.88-95.
15. Накоряков В.Е., Григорьева Н.И. О совместном тепломассопереносе при пленочной абсорбции// Теплообмен и гидродинамика при кипении и конденсации. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1979, С. 278-284.
16. Стаценко В.Н., Садыков Р.Х., Гридасов А.В. Исследование жидкостной пленочной нейтрализации сварочных газовых выбросов (научно-технический журнал университета им. Вернадского) № 1 (91) С.25-34.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-350-353
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ
И ДОБАВОК, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Салтыкова А.Л.1, Вит А.А.1, Далбаева Е.А.1, 2
1 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», г. Якутск
2 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск
Изучено взаимодействие микроорганизмов с различными компонентами полимерных композиционных материалов. Результаты микробиологических исследований показали, что образцы эпоксидно-диановой смолы ЭД-22 и ускорителя реакции полимеризации УП-606/2 характеризуются стойкостью к биологическим воздействиям со стороны микроорганизмов. Однако, выявлено, что отвердитель изо-МТГФА содержит актинобактерии рода Streptomyces (S. albus), что может свидетельствовать о возможном его загрязнении на этапах производства или хранения. Биологическое загрязнение отвердителя представляет потенциальную угрозу для процесса полимеризации, что может привести к деградации полимерных композитов. Такие изменения могут негативно сказаться на качестве и производительности конечного продукта. Важно уделять внимание контролю за чистотой компонентов и технологических процессов при получении сырья для обеспечения качественной и стабильной производственной практики и изготовления полимерных композиционных материалов.
Исследование устойчивости полимерных композиционных материалов (ПКМ) после воздействия абиогенных и биогенных факторов, базируется на многоуровневом анализе качественного состава веществ, входящих в рецептуру изделий до их смешивания в необработанном состоянии. И после экспериментального воздействия на них комплекса агентов, провоцирующих старение, а также биоповреждения под воздействием различных видов микроорганизмов проводится оценка изменений в свойствах материалов [1, с. 162-166]. Эпоксидные смолы, как органические соединения, могут служить источником энергии и питания для различных бактерий, плесеней и дрожжеподобных грибов, способствуя биозаражению и биодеградации. Оценка участия микроорганизмов в этих процессах является актуальной задачей в области разработки ПКМ, устойчивых к биологическим воздействиям, а также в поиске методов для ускорения процессов биодеградации отходов производства или их утилизации после завершения срока эксплуатации [2, с. 1572-1583].
