CC BY
9ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ АГРЕССИВНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
ENERGY EFFICIENCY METHODS AND FACILITIES FOR AGGRESSIVE GAS MIXTURE SEPARATION AND PURIFICATION
УДК 620.9.001.12
ОЧИСТКА ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ В АППАРАТАХ ВИХРЕВОГО ТИПА
1 2 3
И.Р. Калимуллин , А.В. Дмитриев , А.Н. Николаев
Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН 42000 Республика Татарстан, г. Казань, ул. Лобачевского, 2/31 Тел. (8555) 419003, сот. 89172868125 2Нижнекамский химико-технологический институт 423570 Республика Татарстан, г. Нижнекамск, пр. Строителей, д. 47 Тел. (8555) 41-48-47, сот. 89046631696, e-mail: [email protected] 3Казанский государственный технологический университет 42000 Республика Татарстан, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68 Тел. (843) 236-33-59
Заключение Совета рецензентов 24.06.09 Заключение Совета экспертов 29.06.09 Принято к публикации 07.07.09
В статье рассмотрены предпосылки перехода к водородной энергетике и представлен анализ выбросов парниковых газов в атмосферу при производстве водорода различными методами. Предложено использование прямоточно-вихревых аппаратов для очистки водородсодержащих газов. Представлены некоторые особенности их работы.
HYDRIC GASES PURIFICATION IN THE VORTEX DEVICE I.R. Kalimullin1, A.V. Dmitriev2, A.N. Nikolaev3
'Research Center of Energetic Problems of KazSC RAS 2/31 Lobachevskogo str., Kazan, Tatarstan, Russia, 42000 Tel.: (8555) 419003, 89172868125 2Nizhnekamsk Chemical-technological Institute 47 Stroiteley av., Nizhnekamsk, Tatarstan, Russia, 423570 Tel.: 89046631696 (A.V. Dmitriev) e-mail: [email protected] 3Kazan State Technological University, 68 K.Marks str., Kazan, Tatarstan, Russia, 420000 Tel.: (843) 236-33-59
Referred: 24.06.09 Expertise: 29.06.09 Accepted: 07.07.09
The article covers premises of the transition into the hydrogen energy and provides an analysis of greenhouse gases eruption into the atmosphere at different methods of hydrogen production. The application of direct-vortex devices is suggested for the purpose of hydric gases purification. Some specifics of devices performance are described.
В последнее время в мире растет беспокойство из-за нарастающего энергоэкологического кризиса. На сегодняшний день мировая энергетика базируется на невозобновляемых источниках энергии (нефти, газе, угле), что оказывает вредное влияние на природу, вызывает изменение климата [1].
Выходом из положения является освоение новых технологий, применение экологически чистых возобновляемых источников энергии. Наиболее перспективным из них считается водородное топливо. Над его освоением специалисты разных стран работают с 70-х годов прошлого века. В 2001 г. Международная организация водородной энергетики приняла меморандум, который провозгласил развитие путем движения по направлению энергетического вектора: водородная энергетика ^ водородная экономика ^ водородная цивилизация [2].
Способов производства водорода известно относительно немного. Первый и наиболее освоенный -химическая конверсия органических топлив в синтез-газ; второй - электролиз воды; третий - термическое разложение воды [3]. Идеализированная концепция водородной энергетики предполагает производство водорода методом электролиза на атомных электростанциях, транспортировку потребителям и производство энергии на местах. Однако сегодня в структуре мирового энергопотребления атомная энергия составляет лишь 7% [2]. Даже во Франции, которая ставила задачу всемерного повышения выработки энергии на АЭС, не удалось увеличить долю выработки выше 50%. Большая часть электроэнергии в мире производится на тепловых электростанциях, использующих ископаемое горючее. Согласно прогнозам, производство водорода будет неуклонно рас-
-ЙЯ-
Статья поступила в редакцию 04.06.2009. Ред. рег. № 483
The article has entered in publishing office 04.06.2009. Ed. reg. No 483
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (76) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
ти (рис. 1), что при использовании существующих технологий производства водородсодержащих газов приведет к увеличению потребления органических топлив.
Млн. тонн
Рис. 1. Прогноз роста производства водорода до 2100 г. [3] Fig. 1. Hydrogen production growth up to the year of 2100 [3]
Таким образом, можно утверждать, что переход на водородное топливо будет экономически и экологически целесообразен только в случае глубокой модернизации узлов очистки газов от СО2. Техническое решение этой проблемы осложняется тем, что объемы технологических газов при производстве водорода очень велики, что затрудняет использование для их очистки традиционного массообменного оборудования, такого как барботажные насадочные и тарельчатые колонны. Допустимая скорость газа в таких аппаратах ограничена 1,5-2,5 м/с, в случае превышения этих значений начинается интенсивный унос жидкости и «захлебывание» колонны.
В связи с этим важное значение приобретает использование в узлах очистки газов аппаратов, реализующих интенсивные гидродинамические режимы, обладающих высокой пропускной способностью и эффективностью, таких как прямоточно-вихревые аппараты (рис. 3). Среднерасходная скорость газа в таких аппаратах достигает 15-25 м/с, что делает возможным создание установок большой единичной мощности.
В связи с этим проявляется экологический аспект проблемы. Если проанализировать, сколько СО и СО2 образуется при производстве водорода по цепочке мазут ^ электричество ^ электролиз ^ водород, то получится, что при реализации этой «экологически чистой» технологии парниковых газов в атмосферу будет выброшено вдвое больше, чем при непосредственном сжигании органического топлива [1]. Анализируя графики, представленные на рис. 2, можно сказать, что наименьшие выбросы СО2 будут при производстве водорода методом парциального окисления метана, но даже в этом случае на каждую тонну произведенного водорода выбрасывается 8,76 т диоксида углерода [4].
Млрд тонн
10
5
0
2000 г. 2005 г. 2025 г. 2100 г.
Рис. 2. Прогноз выбросов СО2 при производстве водорода [4]: 1 - конверсия метана; 2 - парциальное окисление метана; 3 - электролиз; 4 - газификация мазута; 5 - газификация угля Fig. 2. Forecast of CO2 emission at hydrogen production [4]:
1 - methane conversion; 2 - partial methane oxidizing; 3 - electrolysis; 4 - black oil gasification; 5 - coal gasification
устройства
Fig. 3. Design scheme of the direct-vortex contact device
Прямоточно-вихревые контактные устройства представляют собой цилиндрические патрубки диаметром 70-120 мм, оснащенные завихрителем потока газа, а также узлами подачи жидкости и отделения ее от газа. Поток газа, поступающий в контактные устройства, приобретает с помощью завихрителя вра-щательно-поступательное движение. Жидкость подается в центральную зону контактных устройств и дробится на капли закрученным потоком газа. Под действием центробежной силы капли жидкости перемещаются к периферии контактных устройств и оседают на стенке, образуя слой, который на выходе отделяется от потока газа с помощью сепарационно-го устройства [5].
Ступени прямоточно-вихревых аппаратов формируются из контактных устройств одинакового
196
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
ll'l
, ^ > • ,! r. Г
MS ?
И.Р. Калимуллин, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев. Очистка водородсодержащих газов в аппаратах вихревого типа
размера, количество которых определяется производительностью аппарата. Такой подход к конструктивному оформлению исключает необходимость решения вопроса масштабного перехода и позволяет создавать аппараты любой заданной производительности без снижения эффективности.
Важным этапом проектирования ступеней с ПВКУ является определение геометрических размеров питающего патрубка, которые должны удовлетворять нескольким условиям: диаметр патрубка должен быть достаточным, чтобы обеспечить неразрывность потока жидкости и надежное орошение контактного устройства. При этом Ьт/От (соотношение массовых расходов жидкости и газа) не должно превышать 3, чтобы не разрушать вихревую структуру потока газа [6]. В массообменных аппаратах с контактными устройствами вихревого типа важно поддерживать постоянный уровень жидкости на тарелке, т. к. от него зависит надежность орошения контактного парубка и эффективность работы устройства. Недостаточная высота слоя жидкости может привести к попаданию газа на питающий патрубок и снижению ЬтЮт. Чрезмерно высокий уровень жидкости приведет к увеличению нагрузки на крепления и полотно тарелки.
Значение скорости жидкости в питающем патрубке ПВКУ можно определить по формуле
W = Wk
f d„Л2 Lm Pg
Gm Pl
(1)
Определить тангенциальную составляющую скорости можно по формуле [7]
2rr
W = W -—
ф ф шах r 2 + r 2
(4)
Радиус вихря гу и соответствующая ему тангенциальная составляющая скорости Wфmax рассчитываются по формуле [7]
Г = 0,42А0'26Яа (1 + 0,56(1т/От)0,75); (5)
W,„,
= 2W (1 - 0,37 (LmG Г).
(6)
где Яа - радиус рабочей зоны аппарата; А = -коэффициент крутки потока, - площадь поперечного сечения контактного элемента, - площадь входа в завихритель. Для обеспечения минимального гидравлического сопротивления колонны необходимо соблюдение условия равнопроточности, т.е. чтобы А ~ 1.
Потери напора в узле ввода жидкости определяются по формуле:
= 1,£+ í_
(7)
где Wk - скорость газа в ПВКУ, м/с; йк, - диаметры ПВКУ и питающего патрубка, м; Ьт, От - массовые расходы жидкости и газа, кг/с; рь, р0 - плотности жидкости и газа, кг/м3.
Закон сохранения энергии в контактном патрубке имеет вид:
где = 0,06 - коэффициент местного сопротивления при истечении жидкости из отверстия; £180 - коэффициент местного сопротивления патрубка при повороте жидкости на 180°, X - коэффициент гидравлического трения питающего патрубка.
После преобразования (2) с учетом (7) и (1) получаем зависимость между высотой слоя жидкости на тарелке и отношением массовых расходов жидкой и газовой фаз:
W2 P W2 P
h*+htr + W+-P- = W^h ,
2g Pl- 2- Pl-
(2)
Po=p+PgW, ¡d-
(3)
где r - текущий радиус, м; Ra - радиус контактного патрубка, м.
htk =
2 -
. d,
L PG
m r^G
d,r ) Gm Pl
- h -
1
Pl-
f R° Л Л PgW, ¡f
,(8)
где Р0, Р - давление в колонне и в ПВКУ, Па; W0, Wtr - скорость жидкости на тарелке и в питающем патрубке, м/с; - потери напора в узле ввода жидкости, м.
Особенностью вихревого течения газов является неравномерность профиля давления по радиусу контактного патрубка. У стенок контактного устройства давление выше, чем в среднем по колонне, а у оси -понижено. Степень неравномерности существенным образом зависит от степени крутки потока. Для расчета давления в центре ПВКУ можно использовать формулу
где = 1+ 1С + £180 + X (<! „¡Ьт) - общие потери узла ввода жидкости.
Параметры работы тарелки с ПВКУ определялись на примере процесса абсорбции в колонне диаметром 2,4 м при нормальных условиях. На тарелке в шахматном порядке располагались 128 контактных элементов диаметром 100 мм, число рядов ПВКУ - 13.
Из выражения (8) можно сделать вывод, что на высоту слоя жидкости на тарелке влияют не только параметры технологического процесса, такие как удельная плотность орошения, но и особенности конструктивного исполнения контактного устройства. Так, увеличение сопротивления питающего патрубка ^ приведет к существенному увеличению высоты слоя жидкости (рис. 4).
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (76) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Рис. 4. Зависимость высоты слоя жидкости на тарелке от суммарных гидравлических потерь в питающем патрубке при различных значениях удельной нагрузки Lm/Gm, кг/кг: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3 Fig. 4. The dependency of the layer height of the plate liquid on the summed hydraulic losses in the feeding socket at the different values of the unit load LJGm, kg/kg: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3
Степень крутки газового потока практически не влияет на уровень жидкости на тарелке. Влияние степени крутки будет существенным только при значениях Lm/Gm < 1 (рис. 5), однако на практике эксплуатация прямоточно-вихревых контактных устройств ведется при значениях Lm/Gm, равных 2-3 [8].
Рис. 5. График зависимости высоты слоя жидкости на тарелке от степени крутки газа в контакторе при различных отношениях массовых расходов жидкой и газовой фаз LJGm, кг/кг: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3 Fig. 5. The chart of dependency of the layer height of the plate liquid on the degree of gas twist in the contractor at the different ratios of liquid and gas phase mass consumptions Lm/Gm, kg/kg: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3
Общеизвестным недостатком многоступенчатых массообменных аппаратов с барботажными тарелками является наличие градиента жидкости на тарелке. Перепад уровня жидкости на тарелке приводит к прорыву газов в местах наименьшей толщины слоя и снижению общей эффективности процесса. Для борьбы с градиентом разработаны ступенчатые тарелки и тарелки с несколькими переливами. Однако эти конструкции сложны в изготовлении, обладают повышенной металлоемкостью. На тарелках с ПВКУ влияние градиента жидкости не столь существенно благодаря прямоточному взаимодействию фаз. На рис. 6 представлены зависимости эффективности
каждого ряда контактных элементов на тарелке при величине перепада уровня жидкости 100 мм. Анализ показал, что под влиянием градиента жидкости эффективность работы каждого последующего ряда контактных элементов ниже, чем у предыдущего, однако снижение эффективности несущественно.
Рис. 6. Эффективность работы прямоточно-вихревых контактных устройств при градиенте жидкости на тарелке
100 мм и при скоростях газа: 1 - 16,6 м/с; 2 - 21,1 м/с;
3 - 25 м/с,4; 4 - 28,8 м/с Fig. 6. The performance efficiency of the direct-vortex contact devices at 100 mm gradient of the liquid on the plate and at gas velocity: 1 -16,6 m/s; 2 - 21,1 m/s; 3 - 25,4 m/s; 4 - 28,8 m/s
Таким образом, можно сказать, что применение прямоточно-вихревых контактных устройств позволит создать высокоэффективные аппараты для очистки больших объемов водородсодержащих газов, что позволит удовлетворить растущее потребление водорода без увеличения экологической нагрузки на окружающую среду.
Список литературы
1. Мордкович В.З. Трезвый взгляд на водородную энергетику // Химия и жизнь. 2006. № 5. С. 9-13.
2. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Ро^ия: стратегия перехода к водородной энергетике. М.: Институт экономических стратегий, 2007.
3. Калимуллин И.Р., Дмитриев А.В., Николаев Н.А. Производство и применение водорода. Казань: Новое знание, 2008.
4. Калимуллин И.Р., Дмитриев А.В., Николаев Н.А. Экологические аспекты производства водорода // Экология и промышленность России. 2009. № 3. С. 38-39.
5. Патент RU №80352 МПК7 B01D 3/00 Прямо-точно-вихревое контактное устройство / Калимуллин И.Р., Дмитриев А.В., Гафиятов И.З., Николаев Н.А. // Б .И. 2009. № 4.
6. Овчинников А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань: Новое знание, 2005.
7. Николаев А.Н., Дмитриев А.В., Латыпов Д.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе. Казань: Новое знание, 2004.
8. Сугак Е.В., Войнов Н.А., Николаев Н.А. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами. Казань: Школа, 1999.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
