CC BY
23
УДК 66.048
М. Р. Вахитов, Ю. А. Хакимова, А. И. Дубкова, И. А Дубков, А. Н. Николаев
ОЧИСТКА ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В ПЛЁНОЧНЫХ АППАРАТАХ
Ключевые слова: очистка, газовые выбросы, массоотдача, двухфазный поток.
Рассмотрены закономерности переноса массы в жидкой фазе в условиях дисперсно-кольцевого течения газожидкостного потока в цилиндрических каналах. Установлена связь коэффициентов массоотдачи в условиях осевого и винтового движения двухфазного потока.
Keywords: cleaning, gas emissions, mass transfer, two-phase flow.
The characteristics of the mass transfer in the liquid phase in the dispersion-annular gas flow in the cylindrical liquid flow channels. The connection between the mass transfer coefficients in the axial and helical motion of two-phase flow.
Одним из наиболее перспективных способов интенсификации очистки выбросов от газообразных вредных примесей является использование прямоточного движения плёнки жидкости и газового потока. Как показали исследования массопереноса в плёнке жидкости в условиях прямоточного восходящего и нисходящего движения фаз, значения коэффициентов массоотдачи на порядок превышают их значения в условиях свободного плёночного стекания и на два порядка, в условиях распыления жидкости или барботажа [1,2,3,4,5]. Такое увеличение коэффициентов массоотдачи в плёнке жидкости в условиях прямоточного течения вызвано наличием сложной структуры волн, образующихся на поверхности плёнки. Анализ осциллограмм показал существование трёх различных типов волн: мелких (ряби) с относительной амплитудой а =0,25-0,3, крупных с а =0,55-0,6 и так называемых волн возмущения с а =0,75-0,9 [6,7].
Рис. 1 - Зависимость относительного количества дисперсной фазы от длины трубки I: d = 20 мм; q = 3,0 м3/мч. иг, м/с: 1 - 20,2; 2 - 31,7; 3 - 44,01; 451,84. (V- количество дисперсной фазы; V - общее количество подаваемой жидкости)
Вместе с тем экспериментально установлено, что в условиях прямоточного движения плёнки жидкости и газа происходит срыв капель с гребней волн и их постепенное распределение в объёме газового потока [8,9], причём количество жидкости, срываемой с поверхности и уносимой потоком газа, может
достигать 60-70 % и более от общей подачи жидкости рис. 1. Переход части жидкости в дисперсную фазу ведёт к снижению эффективности очистки газа, а также выдвигает задачу необходимости сепарации капель из газового потока. С целью подавления образования дисперсной фазы в каналах большой длины было предложено использовать завихрители потока в виде винтовых вставок, устанавливаемых на всю длину канала или на отдельных его участках.
Исследование массопередачи, проведённое в трубках с завихрителями из скрученной ленты при десорбции 02 из воды в воздух [10], с диаметром трубки d=16,8±0,1мм, длиной 1=150мм, с шагом винтовой лопасти Б: 60, 80, 100, 120 и 150мм, при изменении скорости газа иг - от 10 до 46 м/с, и объёмной плотности орошения р - от 0,2 до 4 м3/м-ч, показало, что придание двухфазному потоку закрученного движения ведёт к увеличению коэффициентов массоотдачи в плёнке жидкости в 1,5-2 раза по сравнению с осевым восходящим движением с одинаковыми расходами по жидкости и газу (рис. 2). Этот вывод подтверждается также результатами исследований [11], проведёнными на той же системе при диаметре и длине трубки d=16,8мм, 1=200мм, скоростях газа иг=15-55 м/с и плотностях орошения р=0,3-3,2 м3/м-ч (рис. 3).
Рис. 2 - Влияние шага спиральной вставки на Рж,-а при восходящем винтовом движении в трубке с длиной контактной зоны 1=150мм. q=0,66 м3/м ч: 1 - 8=60мм; 2 - 80; 3 - 100; 4 - 120; 5 - 8=150мм; 6-контактная трубка без винтовой лопасти
Рис. 3 - Зависимость коэффициентов массоотдачи от скорости газа q=1,14 м3/м-ч, 1 = 200мм; 1 -осевое движение; 2 - 8=118мм; 3 -8=85мм; 4-8=62мм
Причины указанного эффекта следует искать, в первую очередь, в изменении гидродинамической обстановки в канале в связи с изменением реальных скоростей фаз. Наличие в трубке спирального завихрителя ведёт к изменению площади живого сечения канала, а следовательно и к увеличению скорости газа и жидкости по сравнению с осевым движением. Площадь живого сечения канала Р в этом случае определяется по уравнению [11]:
Р = Б
Р +
2п
2
Б
2п
(1)
где Б - шаг спирали, м; Р - внутренний радиус трубки, м.
Приведённые скорость газа и плотность орошения можно рассчитать по следующим формулам
и -
иПР - ^
Рпр - + ^2а ,
(2)
. (3)
где СГ - объёмный расход газовой фазы, м3/ч; р -объёмная плотность орошения, м3/м-ч; а - угол наклона винтовой образующей спирали.
Из уравнения (3) следует, что при одинаковом массовом расходе жидкости с уменьшением шага спирали действительная плотность орошения увеличивается. Это объясняется уменьшением гидравлического радиуса и величины смоченного периметра с уменьшением площади живого сечения винтового канала.
В работе [11] при исследовании средней толщины и волновых параметров плёнки жидкости в трубках со спиральными завихрителями показано, что при одинаковых действительных скоростях газа в живом сечении винтового канала основные гидродинамические характеристики потока не зависят от шага спирали и совпадают с величинами, наблюдавшимися при осевом движении. Зависимость коэффициента массоотдачи от
расходных параметров при различной степени крутки находятся в этой работе из уравнения:
Рж - А • иР • рПр (4)
где А, т, п - находятся из таблицы.
ипр, м/с Чпр<1,1 м3/м-ч Чпр>1,1 м3/м-ч
А т п А т п
ипР <27 м/с 0,36 0,85 0,67 0,36 0,85 0,75
ипР >27 м/с 0,26 0,95 0,67 0,26 0,95 0,75
Обработанные по этой методике экспериментальные данные представлены на рис. 4 и 5. Как видно из графиков, приведённые коэффициенты массоотдачи при одинаковых приведённых скоростях газа и жидкости в живом сечении винтового канала не зависят от шага спирали и совпадают с коэффициентами массоотдачи, наблюдавшимися в условиях осевого движения.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в слабозакрученных двухфазных потоках эффект увеличения коэффициентов массоотдачи при винтовом движении фаз в трубках можно объяснить увеличением скоростей газа и жидкости за счёт уменьшения площади живого сечения винтового канала.
2000
1500
1000
Рис. 4 - Зависимость приведённых коэффициентов массоотдачи от действительной скорости газа иПР. Данные работы [10], q = 0,662 м3/м-ч; 1 - осевое движение; 2 - Б=150мм; 3 -Б=120мм; 4-Б=100мм; 5 - Б=80мм; 6 - Б=60мм
Таким образом, перспективным способом реализации массопереноса в жидкой фазе является применение закрученного однонаправленного движения газа и плёнки жидкости при высоких скоростях фаз, которой может быть широко использовано не только в рамках процессов физической сорбции, но и при химическом взаимодействии.
Реальным для случая переноса массы в плёнке жидкости при прямоточном сильном взаимодействии фаз является процесс с химической реакцией, протекающий в диффузионной области. Так как интенсивность массопереноса в нашем случае очень велика, то для того, чтобы процесс проходил в диффузионной области необходимо выполнение условия:
Ь>*р, (5)
которого можно достичь при наличии очень быстрой реакции (практически мгновенной). В данном случае ^ и ^ - время диффузии и время реакции. Газ, диффундируя в плёнку жидкости, вступает в реакцию с реагентом жидкой фазы практически на поверхности раздела, образуя продукт реакции, т.е. часть газообразного компонента переходит в связанное состояние. При этом концентрация свободного компонента в жидкости уменьшается, что приводит к ускорению процесса по сравнению с процессами без химического взаимодействия фаз, так как увеличивается движущая сила процесса.
40 50 (V м/с
Рис. 5 - Зависимость приведённых коэффициентов массоотдачи от действительной скорости газ иПР [11]; q, м3/м-ч: а - 0,491; б -1,134; в-2,4; 1 - осевое движение; 2 - 8=118мм; 3 -8=85мм; 4 - 8=62мм
Коэффициент ускорения абсорбции Ei, т.е. число показывающее, во сколько раз количество абсорбируемого компонента A увеличивается из-за наличия химической реакции в жидкой фазе, или во сколько раз скорость абсорбции перемешиваемой жидкости увеличивается вследствие протекания реакции, можно определить [12]:
Ei = Рк = 1 + • ^ (6)
' Рж 2а 7•А ^
где р'ж - коэффициент химической абсорбции; рж -коэффициент физической абсорбции; йА -коэффициент диффузии растворённого газа А в жидкости, м2/с; йВ- коэффициент диффузии реагента В в жидкости, м2/с; В0 - концентрация жидкого реагента в объёме жидкой фазы, моль/м3; А - концентрация растворённого газа А у поверхности жидкости, равновесная с составом газа у этой поверхности, моль/л; ъ - стехиометрический коэффициент.
Данное уравнение выведено на основе плёночной теории и хорошо реализуется, особенно при 0А=0в. Уравнение (6) показывает, что в режиме мгновенной реакции коэффициент химической
абсорбции пропорционален коэффициенту физической абсорбции. Это значит, что химическая абсорбция в этом режиме зависит от гидродинамических условий таким же образом, как и процесс физической абсорбции. Влияние химической реакции проявляется в увеличении скорости абсорбции на определённую величину, которая не зависит от гидродинамических условий. Из уравнения (6) коэффициент химической абсорбции рассчитаем по:
(
еж = в
ж
1 + '
в0
л
ъ • А
(7)
где рж можно вычислить по формуле(4).
Для расчёта же общей скорости хемосорбции можно использовать следующую формулу [13]:
Р = р
ж
А +
□в • В0 ъ •
(8)
Плёночная хемосорбция при сильном взаимодействии фаз может быть использована как для очистки газов, так и для получения соответствующих продуктов реакции. Примерами использования данного процесса могут послужить: абсорбция ЫН3 растворами Н2804, абсорбция двуокиси углерода растворами моноэтаноламина (МЭА) и т.д.
Литература
1. М.Р. Вахитов, Н.М. Нуртдинов, А.Н. Николаев, Вестн. Казанского технологического ун-та, 8, 130-134 (2011)
2. А.Н. Николаев, О.В. Козулина, Р.Р. Фатыхов, Вестн. Казанского технологического ун-та, 3, 155-160 (2011)
3. Б.И. Конобеев, В.А. Малюсов, Н.М. Жаворонков, В сб. Доклад АН СССР, АН СССР, Москва, 1957, 117, 4, С. 671
4. Б.И. Конобеев, В.А. Малюсов, Н.М. Жаворонков, Хим. пром., 7, 475 (1961)
5. Н.А. Николаев, Н.М. Жаворонков, Хим. пром., 4, 290 (1965)
6. Н.А. Николаев, А.Д. Сергеев, А.П. Холпанов, В.Т. Забрудский, В.А. Малюсов, Н.М. Жаворонков, Теор. основы хим. технол., 9, 3, 406 (1975)
7. А.Д. Сергеев, Л.П. Холпанов, Н.А. Николаев, В.А. Малюсов, Н.М. Жаворонков, ИФЖ, 29, 5, 843 (1975)
8. В.Н. Щербаков, Н.А. Николаев, А.М. Николаев, Тр. КХТИ им. С.М. Кирова, 53, 71 (1974)
9. В.Т. Забрудский, Л.П. Холпанов, Н.А. Николаев и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология, 19, 6, 964 (1976)
10. Н.А. Николаев, В.А. Булкин, Н.М. Жаворонков, Теор. основы хим. технол., 4, 3, 418 (1970)
11. А. Д. Сергеев, Н. А. Николаев, Изв. вузов. Химия и химич. технология, 19, 3, 465-468 (1976)
12. Дж. Астарита, Массопередача с химической реакцией. Химия, Москва, 1971. 224 с.
13. П.В. Данквертс, Газожидкостные реакции. Химия, Москва, 1973. 296 с.
© М. Р. Вахитов - магистрант каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, [email protected]; Ю. А. Хакимова -студ. той же кафедры; А. И. Дубкова - студ. той же кафедры; И. А Дубков - к.т.н., доцент той же кафедры; А. Н. Николаев - д.т.н., проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ.
