CC BY
28
УДК 66.02.001
О. С. Дмитриева, И. Н. Мадышев, Г. Х. Гумерова
ОЧИСТКА ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В АППАРАТАХ СО СТРУЙНО-БАРБОТАЖНЫМИ
КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
Ключевые слова: газовые выбросы, контактные устройства, барботаж.
Для эффективной очистки больших объемов газовых выбросов весьма перспективным является использование аппаратов вихревого типа. Разработано струйно-барботажное контактное устройство для очистки промышленных выбросов от труднорастворимых газовых примесей. В статье представлены результаты экспериментальных исследований по определению газожидкостных характеристик разработанного контактного устройства.
Keywords: gas emissions, contact devices, bubbling.
For effective cleaning of large volumes of gas emissions, it is very promising to use vortex-type devices. Developed jet-bubble contact device for purification of industrial emissions from the insoluble gas impurities. The article presents the results of experimental researches on determination of characteristics of gas-liquid contact device. The mechanism of formation of gas bubbles at different positions of the test blade presents.
Согласно плану развития отечественной нефтегазохимической промышленности к 2030 г. прогнозируется увеличение мощностей по производству основной продукции нефтегазохимии до 8,5 раз по сравнению с 2010 годом [1]. Выполнение Плана-2030 при современном уровне технических средств очистки газовых выбросов промышленных предприятий, неизбежно приведет к увеличению техногенной нагрузки на атмосферу, особенно в крупных промышленных центрах. В свою очередь, загрязнение воздушного бассейна, оказывая отрицательное влияние на состояние воды и почвы, может привести к общему ухудшению экологической обстановки [2].
Большинство аппаратов, использующиеся в настоящее время для очистки промышленных газовых выбросов от твердых и газообразных примесей, характеризуются невысокой эффективностью очистки вследствие несовершенства аппаратурного
оформления. При этом высокое гидравлическое сопротивление требует установки дополнительных газоперекачивающих устройств, приводящие к повышению себестоимости конечной продукции. К основным требованиям при проектировании газоочистного оборудования относятся высокая эффективность очистки, одновременное удаление твердых и газообразных примесей, низкое гидравлическое сопротивление оборудования, допускающее его применение в технологических процессах, где избыточный напор газовых выбросов не превышает 40-100 мм. вод. ст. [3].
Для эффективной очистки больших объемов газовых выбросов весьма перспективным является использование аппаратов вихревого типа, отличающиеся высокой пропускной способностью, интенсивным взаимодействием фаз и широким диапазоном устойчивой работы [4, 5]. Однако к существенным недостаткам вихревых аппаратов относятся большие удельные энергетические затраты обусловленные высоким гидравлическим
сопротивлением. Поэтому в последние годы прослеживается тенденция создания массообменных аппаратов малой и средней пропускной способности с
достаточно высокой энергетической
эффективностью.
В связи с этим для очистки промышленных выбросов от труднорастворимых газовых примесей, требующие достаточной продолжительности взаимодействия газовой и жидкой фаз, целесообразно использовать аппараты со струйно-барботажными контактными устройствами (рис. 1).
3 1 2
Рис. 1 - Схема массообменного аппарата со струйно-барботажными контактными
устройствами: 1 - цилиндрический барабан; 2 -лопатки; 3 - внутренние лопатки
Предлагаемое автором данной работы контактное устройство имеет барабан 1 цилиндрической формы, который приводится во вращение с помощью внешних радиальных лопаток 2 за счет кинетической энергии потоков жидкости и газа, движущихся в противоточном режиме. По всей длине барабана на внутренней поверхности размещены радиальные лопатки 3, которые разделены на отдельные секции за счет установки поперечных перегородок. Также на боковой поверхности барабана выполнены радиальные отверстия для прохода и отвода контактирующих фаз из внутренней полости контактного устройства. Для увеличения площади поверхности контакта фаз и организации свободно стекающих струй на конце радиальных лопаток выполнены прорези
треугольной формы. С целью компактного размещения в аппарате предлагаемых контактных устройств и исключения «мертвых» зон тарелки контактных ступеней выполняют гофрированными.
Вращаясь вместе с барабаном внутренние радиальные лопатки захватывают определенный объем газа, который, находясь внутри лопаток погружается в слой жидкости, где происходит частичное сжатие газа и барботаж вытесненного объема через слой жидкости в виде пузырьков. Когда объем газа станет равным нулю, лопатки захватывают жидкость, которая при дальнейшем вращении барабана уменьшается. При этом жидкость стекает струями на поверхность потока жидкости. Та часть жидкости, которая не поступает во внутреннюю полость барабана, смачивает гидрофильную поверхность внешних радиальных лопаток, взаимодействующих с соответствующим потоком газа. Стоит заметить, что в переливных устройствах разработанного массообменного аппарата восходящий газовый поток контактирует с нисходящей струей жидкости, которая образуется с помощью сливной регулирующей планки, имеющей треугольные прорези. Такой способ организации взаимодействия фаз позволяет во многом увеличить коэффициенты массоотдачи, следовательно, увеличить эффективность процессов массообмена.
Ступени струйно-барботажных аппаратов составляются из контактных устройств одного размера, количество которых задается производительностью аппарата. При таком подходе к конструированию аппарата исключается
необходимость решения вопроса масштабного перехода, аппараты любой заданной производительности создаются без снижения эффективности. Внедрение в действующее производство струйно-барботажных контактных устройств возможно не только для абсорбционных, но и для ректификационных колонных аппаратов.
В связи с тем, что интенсивность и эффективность тепломассообменных процессов в основном определяется гидродинамической структурой взаимодействующих фаз, автором настоящей статьи были проведены экспериментальные исследования гидродинамики струйно-барботажного контактного устройства.
Целью проводимых экспериментальных исследований было определение начала барботажа, формы и размеров образующихся пузырей, а также определение целесообразности выполнения треугольных прорезей на конце внутренних лопаток. Исследования гидродинамики проводились в струйно-барботажном контактном устройстве, внутренний диаметр цилиндрического барабана которого - 192 мм, длина барабана - 15 мм, расстояние от оси барабана до угла лопатки - 65 мм, вылет лопатки - 15 мм, количество лопаток - 12. Первая часть экспериментальных исследований проводилась без прорезей на лопатках, а ко второй части исследований на конце каждой внутренней лопатки были выполнены 3 треугольные прорези глубиной 3 мм и образующим углом 40°. Схема лабораторной установки для изучения взаимодействия контактирующих фаз представлена в работе [6].
Все экспериментальные исследования проведены на системе воздух-вода при температуре 20°С, при этом уровень жидкости в контактном устройстве изменялся в пределах 30...65 % от внутреннего диаметра барабана. Газожидкостные характеристики исследуемых конструкций струйно-барботажного контактного устройства определялись
фотографическим методом. Условный диаметр образующегося газового пузыря можно определить из выражения d = (4 в/п)172, где в - площадь проекции образующегося газового пузыря, м2.
Исследования работы струйно-барботажного контактного устройства показали, что на угол начала барботирования пузырей, а также на их размер и количество существенное влияние оказывают особенности конструктивного исполнения контактного устройства. При этом проведенный анализ фотографий работы контактного устройства позволяет утверждать, что зависимость формы газовых пузырей от исследуемых конструкций контактного устройства существует только в момент формирования пузыря (рис. 2).
На рис. 2 представлен механизм образования газовых пузырей при различном положении исследуемой лопатки. Из этого рисунка видно, что отрыв и дальнейшее всплытие газовых пузырей возможно только при достаточном накоплении объема газа в области вылета лопатки. При этом газ, находящийся под лопаткой имеет выпуклую волнообразную форму, которую можно объяснить действием силы поверхностного натяжения. Затем после всплытия одиночного пузыря поверхности раздела газ-жидкость сообщается волнообразное движение, которое характерно всем последующим положениям исследуемой лопатки. Наличие волн с достаточно высокой амплитудой способствует увеличению площади межфазной поверхности, что положительным образом сказывается на эффективности и интенсивности массообменных процессов.
Рис. 2 - Механизм образования газовых пузырей в струйно-барботажном контактном устройстве
На рис. 3 графически представлены количественные и качественные изменения пузырей газа в зависимости от особенностей конструктивного исполнения контактного
устройства. Как видно из графиков, наличие треугольных прорезей на конце лопаток приводит к увеличению общего числа образующихся пузырей на 19%, при этом 20% из них имеет средний диаметр 2 мм. Кроме того, уменьшилось относительное количество больших пузырей (диаметром 10-18 мм) на 27-30%, а относительное количество небольших пузырей (диаметром 6 мм) увеличилось на 15%. Очевидно, что размеры и количество выполненных треугольных прорезей определяют количественно-качественные характеристики образующихся газовых пузырей.
Образующиеся и всплывающие в жидкости одиночные газовые пузыри могут принимать различную форму. В основном динамика формы всплывающих газовых пузырей имеет следующую картину. В момент увеличения объема и дальнейшего отрыва от основного объема газа газовый пузырь представляет собой вытянутый эллипсоид вращения, движущийся по внешней кромке вылета лопатки. Затем после отрыва от поверхности лопатки всплывающий газовый пузырь приобретает сферическую форму. Приближаясь к поверхности потока жидкости, пузыри в основном представляют собой сплющенный эллипсоид вращения, при этом преимущественно большая часть газовых пузырей в процессе всплытия разбивается на более мелкие. В результате постоянного всплытия газовых пузырей поверхность потока жидкости находится в активном волнообразном состоянии, что способствует увеличению коэффициентов массоотдачи на поверхности раздела газ-жидкость.
n/N
0,4 Н
0,3 -
0,2 -
0,1 -
d, мм
Рис. 3 - Количественно-качественные характеристики образующихся пузырей в струйно-барботажном контактном устройстве: 1 - без прорезей на лопатках, 2 - с треугольными прорезями на конце лопаток; n - количество пузырей i-ого диаметра; N - общее число пузырей; n/N - доля пузырей i-ого диаметра
На рис. 4 представлены опытные данные зависимости угла начала барботирования пузырей у от разности между поверхностью потока жидкости и осью вращения барабана АЛ. При построении графических зависимостей размерная физическая величина разности между поверхностью потока жидкости и осью вращения барабана была приведена к
безразмерному виду с помощью радиуса барабана R. На графиках представлены
среднеарифметические значения 10 измерений угла начала барботирования пузырей, при этом относительная погрешность измерений не превышает 20%. Как видно из графиков, наличие треугольных прорезей на конце лопаток приводит к уменьшению угла начала барботирования пузырей в среднем на 5-18%. Это позволяет увеличить активную зону барботажа, следовательно, и эффективность протекающих массообменных процессов.
Y,
80
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1
0
0,1 0,2
Ah/R
Рис. 4 - Эмпирическая зависимость угла начала барботирования пузырей у от разности между поверхностью потока жидкости и осью вращения барабана АЛ: 1 - без прорезей на лопатках, 2 - с треугольными прорезями на конце лопаток
Проведенные экспериментальные исследования показали, что выполнение треугольных прорезей на конце внутренних лопаток струйно-барботажного контактного устройства приводит к уменьшению среднего диаметра образующихся пузырей и угла начала их барботажа, при этом повышается эффективность и интенсивность протекающих массообменных процессов.
Выполненные исследования позволяют утверждать, что применение струйно-барботажных контактных устройств для очистки промышленных выбросов от труднорастворимых газовых примесей является перспективным, так как они смогут обеспечить высокую эффективность работы массообменных аппаратов при относительно невысоких энергетических затратах.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-60081 мол_а_дк.
Литература
1. А.М. Мастепанов, Энергетическая политика, 6, 38-46 (2013).
2. Е.В. Сугак, Н.А. Войнов, Н.А. Николаев, Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами. Казань, 2009. 224 с.
3. Д.Н. Латыпов, Вестник Казанского технологического университета, 16, 12, 101-103 (2013).
0
4. А.В. Дмитриев, П.В. Ежов, Н.А. Николаев, Экология и промышленность России, 10, 8-9 (2007).
5. И.Р. Калимуллин, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев, Экология и промышленность России, 2, 4-6 (2011).
6. И.Н. Мадышев, О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 23, 159-161 (2013).
© О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ (филиала) ФГБОУ ВО «КНИТУ», [email protected], И. Н. Мадышев -старший преподаватель каф. МАХП НХТИ (филиала) ФГБОУ ВО «КНИТУ», [email protected], Г. Х. Гумерова - доцент кафедры ОПП ФГБОУ ВО «КНИТУ».
© O. S. Dmitrieva - assistant professor of PAChT, NCHTI KNRTU, [email protected], I N. Madyshev - head teacher of MAHP chair, NCHTI KNRTU, [email protected], G. Kh. Gumerova - assistant professor of OPP, KNRTU.
