CC BY
34
УДК 66-5
В.Ф. Беккер, |Ю.П. Кудрявский
Березниковский филиал Пермского государственного технического университета
МЕТОДОЛОГИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ ПОТОКОВ В АППАРАТАХ
Приведены анализ и систематизация исследований структуры потоков в технологических аппаратах, выделены перспективные направления по результатам практических внедрений на действующих производствах Верхнекамья.
С позиций системного анализа рассмотрен комплекс технологических процессов химических и металлургических производств Верхнекамского промышленного региона, решающих на основе управляемой структуры потоков в виде различных конфигураций гибких автоматизированных систем (ГАПС), математических моделей нестационарных процессов с учетом явлений самоорганизации проблемы интенсификации отдельных технологических процессов в производстве азотных (Березников-ское ОАО «Азот») и калийных удобрений (ОАО «Уралкалий», ОАО «Сильвинит»), содового производства (ОАО «Березниковский содовый завод», ОАО «Сода-хлорат»), редкометалльного и магниевого (ОАО «Соликамский магниевый завод»), титаномагниевого (ОАО «ВСМПО-АВИСМА») производств, а также экологического обезвреживания имеющих место твердых, жидких и газообразных отходов.
По указанным направлениям разработаны:
• технология обезвреживания и дезактивации радиоактивных растворов и сточных вод, обеспечивающая сокращение общей массы радиоактивных отходов, направляемых на хранение в спецхранилище и обеспечивающих извлечение ниобия, тантала, титана, редкоземельных элементов;
• технология концентрирования цветных, редких, рассеянных и редкоземельных металлов и их соединений;
• технология переработки, обезвреживания и утилизации жидких, твердых и газообразных промпродуктов, образующихся при производстве пентаоксида ванадия и метаванадата аммония;
• технологии совместного обезвреживания твердых и жидких отходов, содержащих высокотоксичные вещества и значительное количество радионуклидов с их переводом в отвержденное состояние - непылящую и водонерастворимую форму, пригодную для длительного экологически безопасного хранения и/или складирования, устойчивую к атмосферным воздействиям, неподверженную водной и ветровой эрозии и не наносящую ущерб окружающей среде и здоровью населения и обслуживающего персонала;
• технология выпуска сорбентов для очистки сточных вод; катализаторов органического синтеза; пигментов и неорганических красителей; комплексных органо-минеральных удобрений;
• технология переработки полиметаллических отходов титанового производства, содержащих токсичные металлы, в том числе естественные радионуклиды - пыли от рудно-термической плавки (РТП) титансодержащих концентратов (ильменитовых и/или ильмениторути-ловых);
• технологические процессы переработки обезвреживания и дезактивации радиоактивных отходов производства цветных, редких и рассеянных металлов; дезактивации радиоактивных растворов и сточных вод; переработки агропромышленных отходов;
• технологическая линия для получения пентаоксида ванадия;
• технологическая установка для получения комплексных орга-но-минеральных удобрений из отходов производства.
Необходимость гибкости данных технологий обусловлена динамикой изменяющегося спроса на мировом рынке сбыта соединений цветных, редких, рассеянных и редкоземельных элементов, требующей перестройки технологии с извлечения отдельного элемента на его обезвреживание и наоборот.
Реализация перечисленных технологий рассматривалась на основе принципа модульности, который позволяет создавать ГАПС поэтапно из однотипных модулей. Модуль имеет вид открытой подсистемы, допускающей ее объединение с другими модулями. Модуль должен быть многофункционален. Например, в технологическом аппарате должна реализовываться возможность осуществления разнообразных
технологически подобных процессов, а также возможность их совмещения в одном аппарате (перемешивание, нагрев, химическая реакция, массообмен, теплоотвод и т.п.).
В ходе анализа перечисленных технологий выявлено, все они представляют собой различные комбинации ограниченного ряда следующих типовых процессов:
• смешение в сборном баке;
• отделение твердой фазы от жидкости (отстаивание, фильтрование);
• промывка твердой фазы;
• сушка и/или прокалка;
• пылегазоулавливание - извлечение из пылегазового потока различных компонентов и их утилизация и/или обезвреживание;
• затаривание - расфасовка готовых продуктов.
К настоящему времени практически все перечисленные процессы могут быть реализованы в виде отдельных модулей. Рассматривалась возможность применения на данных технологиях абсорбционных модулей с трехфазным псевдоожиженным слоем.
Аппаратурный модуль - это относительно автономная химикотехнологическая система, способная функционировать как самостоятельно, так и в комбинации с другими, подобными ей по принципу организации системами. Модуль с вращающейся подвижной насадкой (МВПН) работает в интенсивном режиме при больших расходах газа, а при наличии в газе твердых частиц противодействует инкрустации и забивке насадки. В работе [1] предлагается алгоритм расчета МВПН, обобщающий наработанные теоретические и экспериментальные материалы, а также имеющиеся литературные данные.
Исходными данными для расчета МВПН являются: расход, состав, температура и давление исходного газа, абсорбирующая жидкость, конечное содержание поглощаемого компонента в газе, а также необходимые расчетные зависимости. В результате расчета требуется определить режим работы модуля, размер и плотность насадки, расход жидкости, диаметр, высоту и гидравлическое сопротивление модуля.
МВПН может работать в режиме подвисания или в свободном режиме аналогично колонне с неподвижной насадкой. Режим работы можно определить из приведенной в работе [2] диаграммы, на которую нанесены линии раздела режимов для различных диаметров насадки.
Для режима подвисания характерна интенсивная турбулизация жидкой фазы, высокие коэффициенты массопередачи и большая потеря давления. Этот режим следует предпочитать, если величина потери давления не превышает допустимого предела. На диаграмме видно, что для данного диаметра насадки и плотности орошения работа в свободном режиме возможна при плотности насадки, не превышающей определенного значения (критическая плотность). При работе в режиме подвисания необходимо определить минимально возможную плотность насадки для уменьшения потери давления.
Выявлено, что в зависимости от механизма реакций химического превращения, сопровождающих абсорбционные процессы в трехфазной системе, требуется поддерживать гидродинамические режимы, близкие к идеальному вытеснению или идеальному перемешиванию. Путем подбора формы ЭПН удается либо равномерно распределить вращающиеся ЭПН по объему трехфазной системы и удерживать их в этом состоянии (идеальное вытеснение), либо создать условия для свободного перемещения каждого ЭПН по всему объему трехфазной системы (идеальное перемешивание). Изменение структуры псевдоожиженной газожидкостной системы достигается за счет изменения конструкции ЭПН, инициирующих эту структуру. Такая возможность обеспечивает гибкость технологических процессов, проводимых в этой системе. Разработка теоретических основ расчета конструкции вращающихся ЭПН позволяет создавать технологические аппаратные модули с заданными свойствами гидродинамической структуры в этих аппаратах. Эти модули могут быть использованы для проведения гетерогенных реакций химического взаимодействия с учетом особенностей кинетики, также для создания эффективного и интенсивного оборудования для очистки и/или охлаждения промышленных газовых выбросов, содержащих вредные компоненты или пылевые частицы.
Кроме того, например, чтобы организовать процесс сушки в кипящем слое, нужно отключить подачу жидкой фазы и организовать подогрев газового потока, данный модуль трансформируется в аппарат-сушилку с двухфазным псевдоожиженным слоем. Присутствие инертной твердой фазы предотвращает неуправляемое агломерирование измельчаемой твердой фазы (особенно в переходных режимах) и обеспечивает получение дисперсного гомогенного материала на выходе.
Тепломассопередача в системе газ-жидкость трехфазного псев-доожиженного слоя подвержена влиянию твердых частиц и лимитируется жидкой фазой. Наличие в двухфазной системе (газ-твердое)
и трехфазной системе (газ-жидкость-твердое) газовых пузырей относительно большого размера приводит к снижению поверхности контакта фаз и, следовательно, эффективности процесса тепло-, массопереда-чи. Поэтому во многих случаях возникает необходимость изменения условий контакта взаимодействующих фаз за счет увеличения количества пузырьков газовой фазы. Для этого внутри больших аппаратов устанавливаются фиксированные отражательные перегородки или различного типа решетки. Однако такие конструкции приводят к увеличению трения между частицами твердой фазы и их разрушению, повышению энергозатрат и общей стоимости оборудования. Тогда для уменьшения размеров пузырьков газовой фазы была предложена идея использования элементов подвижной насадки (ЭПН) для разрушения больших пузырей газа (floating bubble breaker). Хаотическое перемещение подвижной насадки предотвращает образование сквозных каналов и способствует равномерному распределению, турбулизации и диспергированию газожидкостного потока. Наряду с этим исследованные [2] элементы кубической формы имели недостаток, проявляющийся в их склонности к упаковке в некотором объеме или выстраиванию вдоль стенок аппарата.
Основной идеей работы является организация вращательного движения ЭПН. В режиме развитого псевдоожижения отдельные ЭПН соударяются друг с другом. Эти удары, как правило, вызывают наряду с резким изменением вектора скорости движения появление вращающего момента, обеспечивающего интенсивное перемешивание взаимодействующих фаз. Высокую способность к вращению ЭПН можно обеспечить, сосредоточивая массу ЭПН в его центре [2]. Изучены активные в псевдоожиженном слое вращающиеся ЭПН, изготовленные в виде шара радиусом r1 из пористого материала плотностью р1, массой ш\, в центре которого помещено ядро в форме шара радиусом r2, большей плотности р2, массой m2. Определена [3] зависимость оптимального отношения радиусов а = r2 / r1 от величины Р = р2 / рг Оптимальное значение а обеспечивает минимум осевого момента инерции для заданной массы, объема, соответственно, плотности материала ЭПН и его ядра р2, р: :
2(р-1)а5 + 5а2 - 3 = 0. (1)
Следующим конструктивным приемом в повышении эффективности насадки является ориентация оси вращения в вертикальном направлении, которая вносит организацию в хаотическое движение ЭПН. Такая ориентация достигается смещением тяжелого ядра ЭПН относительно геометрического центра [4]. Вертикальное положение оси вращения обеспечивает отбрасывание струй и капель жидкости в плоскости, перпендикулярной движению потоков жидкости и газа. Это упорядочивает структуру трехфазного слоя, равномерно распределяя ЭПН по рабочему объему аппарата, расширяет диапазон нагрузок по жидкости и газу, снижает гидравлическое сопротивление аппарата.
Важно выдержать оптимальную величину смещения, поскольку значительное смещение тяжелого ядра приводит при соударении к уменьшению вращательной составляющей и увеличению колебательной компоненты, а малое смещение - к потере вертикальной ориентации оси вращения. В качестве критерия оптимальности выбрана величина расстояния от центра удара до линии действия ударного импульса. Из условия минимальности этого расстояния определено [5] оптимальное смещение г тяжелого ядра относительно геометрического центра ЭПН шаровой формы массой М:
г = г1
2 (т1 + т2а2)
5
т1
г. 2Са3 Л
1 +------;
V 1 -а У
+ т2 (С -1)2 + М (1 -а3С)
(2)
т2 + т1
где С=—Н"А.
т2 - М а
Изучена оптимизация конструкции ЭПН с целью максимизации критерия «энергия вращательного движения» при соударении ЭПН.
Еще одним резервом интенсификации гидродинамики трехфазного слоя является использование ЭПН различной массы в рабочей зоне аппарата. Перемешивающий эффект движения насадки соразмерен скорости ее движения. Результирующая же скорость движения ЭПН зависит от его массы, поэтому, выбирая массу ЭПН, можно управлять его скоростью. При выборе массы нужно учитывать накладываемые ограничения, реализация которых должна обеспечивать равномерное распределение ЭПН по рабочему объему абсорбера, независимо от размеров отдельного ЭПН. Такое состояние наблюдается при хаотическом перемещении ЭПН в свободном потоке с равной вертикальной компо-
нентой скорости. Последнее условие достигается правильным подбором эквивалентной плотности ЭПН.
Решена [6] задача определения уравнения движения ЭПН из материала известной плотности, падающего под воздействием силы тяжести в двухфазном потоке (газ-жидкость). Внешняя поверхность ЭПН смачивается потоком жидкости Є, поверхностное натяжение которой а. Для падения с одинаковой скоростью двух ЭПН с коэффициентом лобового сопротивления Сх, разных радиусов г1 и г2, различной плотности р1 и р2 в потоке газа плотностью р, движущегося со скоростью необходимо и достаточно, чтобы
Q
(W )2 СХР ^
= Q
(Щ2 )2 CXр \
Vg +
Q
(W ) CXР
Vg +
Cx Р
QVg
(w )2
_ + 4riPi g + 2a
Vg +
Q
(^r22 ) СхP
-
і VG + С2 Р Сх Р ) QVg _(™22 )2 + 4Г2Р2 g + 2a 3 Г2
.(3)
Численное исследование показывает, что характер зависимости отношения плотностей Р от величины а хорошо аппроксимируется формулой р = A • exp(B / а) , где A и B - некоторые коэффициенты. При очень малой плотности орошения Q ^ 0 получается зависимость
типа В =---1— .
A + Ba
Несмотря на большое количество предложенных конструкций ЭПН, в настоящее время отсутствует надежная и полная информация о зависимости величины межфазной поверхности (газ-жидкость) от формы внешней поверхности насадочных тел. С целью восполнения отмеченного пробела, нами было проведено экспериментальное исследование некоторых ЭПН в лабораторном абсорбере. Область исследуемых форм внешней поверхности была ограничена выпуклыми полупра-вильными многогранниками. Это позволило, изменяя в широких пределах геометрические характеристики насадок, исключить сепарирующее воздействие на гидродинамику процесса гладких шаровых поверхностей и устранить влияние застойных зон, присутствующих на вогнутых поверхностях ЭПН. В качестве возможных критериев оптимальности формы ЭПН рассматривались отношения общей длины
2
2
3
ребер многогранника к площади его внешней поверхности, к его объему и отношение площади поверхности к объему ЭПН. Выявлено, что только последнее отношение соответствует предполагаемому экстремальному характеру изменения гидродинамической активности ЭПН, выполненных в виде полуправильных многогранников, в зависимости от геометрических параметров [7].
Выполнены теоретические расчеты, разработаны математические модели и установлены экспериментальные зависимости процессов пылеулавливания в абсорберах с вращающейся подвижной насадкой были использованы нами при разработке и последующих испытаниях новых технических решений - различных технологических линий, отдельных аппаратурных комплексов, установок и устройств для обезвреживания различных пылегазовых выбросов. В частности, в технологической линии обезвреживание и дезактивация отходов титанового производства (патент РФ на ПМ № 41019) при переработке полиметаллических отходов титанового производства, содержащих токсичные металлы, в том числе естественные радионуклиды - пыли от рудно-термической плавки (РТП) титансодержащих концентратов (ильменитовых и/или ильме-ниторутиловых), достигаются установкой после рудно-термической печи соединенных последовательно циклона и абсорбера с подвижной насадкой. Образующаяся при работе абсорбера суспензия направляется в смеситель-дозатор для отгрузки уловленной и увлажненной пыли в бункер-дозатор, а затем в шнековые смесители для приготовления композиционной смеси и ее отверждения. При этом достигается повышение степени улавливания пыли РТП, содержащей повышенное количество радионуклидов - продуктов распада тория, а также предотвращение выброса пыли с отходящими газами при рудно-термической плавке.
Технологическое отделение для гидрометаллургической переработки и дезактивации техногенного сырья с получением товарных продуктов содержит дополнительную систему очистки пылегазовой смеси процесса рудно-термической восстановительной плавки ильменитовых концентратов, включающую в себя два последовательно соединенных между собой циклона и водоорошаемый скруббер с шаровой подвижной насадкой, который снабжен в верхней части скруббера каплеулови-телем (каплеотбойником) и водоразбрызгивающим устройством, а в нижней части скруббера - газораспределительной решеткой. Патрубок слива суспензии из скруббера выполнен в форме сгустителя, слив
сгущенной массы из которого направлен в смесительный бункер-дозатор, а патрубок слива осветленной жидкости имеет соединение с водоразбрызгивателем скруббера и герметичным шнековым питателем. Образовавшаяся в скруббере суспензия направляется в циркуляционный бак для отстаивания твердой фазы. Сгущенная часть суспензии поступает в смесительный бункер-дозатор, а осветленная жидкость подается на орошение скруббера и частично в герметичный шнековый питатель, куда из циклонов поступает уловленная пыль. Увлажненная в шнековом питателе пыль направляется в смесительный бункер-дозатор и далее в бункер-дозатор пыли от рудно-термической плавки титансодержащих концентратов (патент РФ на ПМ № 41020).
Производственное технологическое отделение для дезактивации радиоактивных растворов и сточных вод содержит систему предотвращения вредного влияния радиоактивной пыли, образующейся при выгрузке прокаленного осадка из прокалочной печи. Для этого над разгрузочным устройством установлен вытяжной зонд с воздуходувкой, выход которой направлен в нижнюю часть водоорошаемого скруббера с подвижной шаровой насадкой, соединенного с циркуляционным баком, слив сгущенной суспензии из которого направляют для выделения уловленной радиоактивной пыли на фильтр-прессе. В результате осуществления совокупности указанных операций предотвращается выброс радиоактивной пыли на рабочие места и обеспечивается радиационно-безопасные условия труда для обслуживающего персонала (патент РФ на ПМ № 41022).
Аппаратурно-технологическая линия для переработки агропромышленных отходов, содержащая систему очистки пылегазовой смеси в абсорбере с подвижной насадкой, работает следующим образом. Исходные влажные (70-90 %) агропромышленные отходы (птичий помет) загружают в накопительную емкость, откуда с помощью транспортера они подаются в диспергированном виде через топку и загрузочное устройство в камеру, выполненную в форме трубы-сушилки. В сушильной камере термообработанные отходы действием топочных газов подвергаются обезвоживанию до остаточной влажности 10-16 %. Пылегазовая смесь последовательно проходит через осадительную саморазгружаю-щуюся камеру, циклон и поступает для окончательной очистки и обезвреживания в водоорошаемый абсорбер с подвижной насадкой, суспензию из которого направляют в циркуляционный бак, соединенный с накопительной емкостью. Готовый продукт - термообработанные
и высушенные агропромышленные отходы собирают (из камеры и циклона) в емкости для готового продукта, затаривают и реализуют затем как экологически чистое удобрение и/или в качестве кормовой добавки для замены и/или приготовления комбикорма (патент РФ на ПМ № 41016).
Технологическая линия для получения пентаоксида ванадия для очистки и обезвреживания отходящих газов в виде пылегазовой смеси содержит абсорбер с подвижной насадкой, соединенный с прокалочной печью и циркуляционным баком, имеющим соединение с баком для приготовления и подачи раствора гидрооксида натрия, реакторами -для выщелачивания исходного сырья - технического пентаоксида ванадия и реактора для выщелачивания нерастворимого осадка (патент РФ на ПМ № 41021).
Технологическая установка для получения комплексных органоминеральных удобрений из отходов производства включает в себя: накопительную емкость - усреднитель для исходных отходов производства, которая имеет люк для подачи птичьего помета и соединена с дозатором для подачи отходов и промпродуктов производства минеральных удобрений и/или отходов магниевого производства; устройство для загрузки и подачи композиционной смеси отходов в топочное пространство, выполненное в форме диспергатора, например эжектора; топку; сушильную камеру, исполненную в виде трубы-сушилки; расширительную осадительную камеру и циклон, имеющие соединение с бункером для сбора термообработанных и высушенных отходов; узел гранулирования удобрений, например, формованием, прессованием, экструзией. Новым в предлагаемой установке является то, что после циклона дополнительно установлен абсорбер с подвижной насадкой, снабженный ложным днищем, выполненным в форме газораспределительной решетки, разбрызгивающим устройством и каплеотбойником. Слив суспензии из абсорбера направлен в циркуляционный бак, имеющий соединение с разбрызгивающим устройством абсорбера и накопительной емкостью исходных отходов производства. Разбрызгивающее устройство, кроме того, соединено с дополнительно установленным расходным баком гипохлоритных растворов и/или пульп (патент РФ на ПМ № 43009).
Все вышеперечисленные технические разработки, установки и устройства были испытаны в укрупненных лабораторных, опытных и опытно-промышленных условиях и показали высокую эффективность
обеспечения очистки пылегазовых потоков от вредных веществ, радиоактивных металлов до санитарных норм.
Список литературы
1. Беккер В.Ф. Управление структурой потоков в аппаратах химической технологии. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. -208 с.
2. Keillor S.A., Bergougnou M.A. A Study of the Action of Floating Contactors in Fluidized Beds by Interactive Computer Graphics / Fluidiza-tion Technology II, McGraw-Hill. - New York, 1976. - P. 95-109.
3. А.с. 1271549 РФ, МКИ B 01D 53/20. Насадка для массообменных процессов / В.Ф. Беккер (РФ). - № 3740821/23-26; заявл. 18.05.84; опубл. 23.11.86, Бюл. 43.
4. Влияние распределения массы по объему насадочного тела на интенсивность гидродинамических процессов в трехфазном псевдо-ожиженном слое / В.Ф. Беккер, В.В. Кафаров, А.Г. Шумихин, А.И. Черепанов // ТОХТ. - 1988. - Т. XXII. - С. 581-582.
5. А.с. 1576191 РФ, МКИ B 01J 19/30. Насадка для массообменных процессов / В.Ф. Беккер (РФ). - № 4485717/31-26; заявл. 23.09.88; опубл. 07.07.90, Бюл. 25.
6. Ананьев А.А., Беккер В.Ф. О действии ударного импульса на вращательное движение элемента подвижной насадки со смещенным центром масс //Перспективные химические технологии и материалы: сб. докл. междунар. науч. конф. / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1998. -С.197-203.
7. Беккер В.Ф., Киссельман И.Ф. Очистка промышленных газов в абсорберах с вращающейся подвижной насадкой // Экология и промышленность России. - 2010. - № 1. - С. 2-5.
Получено 6.12.2010
