CC BY
22
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 519.87:66.096.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ АППАРАТА С ВИБРОКИПЯЩИМ СЛОЕМ АДСОРБЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
© 2014 г. Е.С. Каменецкий, Г.И. Свердлик, Н.С. Орлова, И.В. Тряпицын
Каменецкий Евгений Самойлович - д-р физ.-мат. наук, доцент, заведующий отделом математического моделирования, Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания. Тел. (8672) 53-22-61. E-mail: esk@smath.ru
Свердлик Григорий Иосифович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технологические машины и оборудование», СевероКавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Тел. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory.Sverdlik@gmail.com
Орлова Наталья Сергеевна - мл. науч. сотрудник, Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания. Тел. (8672)53-55-72. E-mail: norlova.umi.vnc@ gmail.com
Тряпицын Игорь Викторович - аспирант, кафедра «Технологические машины и оборудование», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Тел. (8672)40-73-58.
Kamenetsky Evgeny Samoylovich - Doctor of Physics and Mathematics Sciences, assistant professor, Head department «Mathematical Modeling», South Mathematical Institute of VSC RAS and RNO-A. Ph. (8672) 53-22-61. E-mail: esk@ smath.ru
Sverdlik Grigory Iosifovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Manufacturing Machinery and Equip-ment», North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute (State Technical University). Ph. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory.Sverdlik@gmail.com
Orlova Natalya Sergeevna - Junior Researcher, South Mathematical Institute of VSC RAS and RNO-A. Ph. (8672)53-55-72. E-mail: norlova.umi.vnc@gmail.com
Tryapitsyn Igor Viktorovich - post-graduate student, department «Manufacturing Machinery and Equipment», North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute (State Technical University). Ph. (8672)40-73-58.
На основе результатов математического моделирования динамики виброкипящего слоя были определены (с точки зрения обеспечения наибольшей поверхности контакта фаз) основные конструктивные параметры и режимы работы аппарата для очистки газов в металлургическом производстве. С учетом рекомендованных значений параметров и режимов рассчитана примерная производительность аппарата.
Ключевые слова: двухжидкостная модель; закон Дарси; гидродинамическая модель гранулярного газа; вибро-кипящий слой; аппарат для очистки газов; адсорбент.
The results of mathematical modeling of vibrofluidized bed dynamics allowed to determine basic consruc-tion parameters and modes of the gas cleaning device in metallurgical production. The values of these parameters and modes provide the largest surface contact between the phases. Approximate performance of this device was calculated due to the recommended values of these parameters and modes.
Keywords: two-fluid model; Darcy law; hydrodynamic granular gas model; vibrofluidized bed; gas cleaning device; adsorbent.
Одним из наиболее эффективных методов поглощения вредных газообразных компонентов является пропускание выбросов через виброкипящий слой адсорбента [1, 2]. В ФГБОУ «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет)» разработан способ очистки газов от вредных газообразных компонентов с помощью виброкипящего слоя, на который получен патент РФ [2]. Также была предложена конструкция аппарата (адсорбера), основанная на таком способе очистки. Для определения рекомендуемых (с точки
зрения обеспечения наибольшей поверхности контакта фаз) значений основных конструктивных параметров и режимов работы адсорбера необходимо теоретическое исследование процесса виброкипения слоя, которое возможно с помощью математического моделирования.
На рис. 1 изображена схема движения газа в адсорбере с горизонтальным расположением адсорбента [2]. На нем обозначены: 1 - корпус адсорбера; 2 -полки; 3 - виброкипящий слой адсорбента. Вибрацию полкам в вертикальном направлении сообщают через
корпус адсорбера с помощью установленного на нем вибратора (на рис. 1 не показан).
Газ
Рис. 1. Схема движения газа в адсорбере с горизонтальным расположением полок
Очистку газов осуществляют следующим образом. При горизонтальном расположении полок (рис. 1) прохождение газа с вредными компонентами через адсорбер 1 осуществляют одновременно с вибрированием адсорбента 3, помещенного на полках адсорбера 1. При вибрациях корпуса 1 в межполочном пространстве создается виброкипящий слой адсорбента, заполняющий все пространство между полками, что обусловливает лучший контакт газа с частицами. Степень очистки составляет около 100 %.
При наклонном расположения полок возможно использование только одного адсорбента. При этом существенно упрощаются загрузка адсорбента на полки и выгрузка шлама, так как они могут перемещаться вниз по наклонным полкам при их вибрациях. Угол наклона полок выбирают исходя из угла естественного откоса адсорбента и его текучести. Конструкция адсорбера с наклонным расположением полок представлена на рис. 2.
Адсорбент
Очищенный газ
Рис. 2. Адсорбер с наклонными полками
Вариант горизонтального расположения полок позволяет использовать различные адсорбенты и улавливать большее число компонентов газов в одном аппарате [2].
В соответствии со схемой движения виброкипя-щего слоя между двумя полками в адсорбере, которая представлена на рис. 1, были доработаны двухжидко-стная модель на основе закона Дарси и гидродинамическая модель гранулярного газа [3, 4]. В соответствии с выявленными областями применения каждой модели [5 - 7] двухжидкостная модель на основе закона Дарси использовалась для моделирования виброкипения частиц адсорбента диаметром 0,13 мм, а гидродинамическая модель гранулярного газа - для моделирования виброкипения более крупных частиц адсорбента диаметром 1 мм [4].
В результате исследования динамики виброки-пящего слоя между двумя полками с использованием двух различных моделей (двухжидкостная модель на основе закона Дарси и гидродинамическая модель гранулярного газа) выявлено влияние основных параметров аппарата, таких как толщина слоя засыпки материала, расстояние между полками, амплитуда и частота колебаний полок, на распределение объемной доли частиц в слое. Как и ожидалось, с увеличением амплитуды и частоты колебаний полок слой частиц более равномерно распределяется в пространстве между полками и, соответственно, растет площадь контакта фаз (газовой и твердой). В зависимости от толщины слоя засыпки материала и расстояния между двумя полками слой частиц в процессе виброкипения также может находиться в различных состояниях (в достаточно плотном состоянии или в разрыхленном). Чем тоньше слой (меньше отношение толщины слоя засыпки к характерному размеру частиц) и больше расстояние между полками, тем более разрыхленное состояние достигается в процессе виброкипения. При этом слишком тонкие слои не обеспечивают достаточной площади поверхности твердой фазы для контакта с газовой фазой (ввиду малого объема используемого материала), а слишком большие значения расстояния между полками могут приводить к тому, что частицы в процессе виброкипения не достигают верхней полки и степень расширения слоя даже немного уменьшается.
В аппаратах с кипящим слоем адсорбента обычно используются частицы диаметром 0,1 - 1,5 мм [8]. Следует отметить, что в слое очень мелких частиц диаметром меньше 1 мм могут возникать эффекты сцепления частиц в процессе виброкипения [9], что приводит к уменьшению общей поверхности адсорбции. Поэтому в аппаратах с виброкипящим слоем адсорбента предпочтительно использовать достаточно крупные частицы адсорбента диаметром 1,0 - 1,5 мм. При этом толщина засыпки слоя частиц не должна быть большой, так как относительно толстые слои в процессе виброкипения находятся в достаточно плотном состоянии и хуже разрыхляются в отличие от относительно тонких слоев.
1
2
3
Для обеспечения необходимой площади поверхности контакта двух фаз (фазы твердых частиц и фазы газа) среднее значение объемной доли газа (порозно-сти) в виброкипящем слое адсорбента должно быть в пределах 0,55 - 0,75, соответственно среднее значение объемной доли частиц в пределах 0,25 - 0,45 [10]. Поэтому рекомендуется толщина засыпки Н в пределах 50 - 80 мм при L = 100 - 160 мм ^ - расстояние между полками). Так как для частиц, средний диаметр которых равен 1 мм, степень расширения виброкипя-щего слоя максимальна при этих значениях Н [4].
Было проведено исследование влияния расстояния между двумя полками в адсорбере. Для слоя частиц диаметром 1 мм с толщиной засыпки Н = 50 мм рекомендуемым значением расстояния между полками является L = 140 мм [4]. В этом случае виброки-пящий слой частиц наиболее равномерно распределен в пространстве между полками. С увеличением расстояния L частицы в верхней части слоя не взаимодействуют с полкой и степень расширения слоя не только перестает увеличиваться, но даже немного уменьшается.
Исследование рекомендуемых (с точки зрения обеспечения наибольшей площади поверхности контакта фаз) режимов работы адсорбера предполагает выбор значений амплитуды и частоты колебаний полок, при которых виброкипящий слой находится в более разрыхленном состоянии и достаточно равномерно распределен в пространстве между полками, что обеспечивает наиболее эффективный процесс очистки. В результате исследований, представленных в работах [3, 4], были определены рекомендуемые (с точки зрения обеспечения наибольшей площади поверхности контакта фаз) режимы виброкипения слоя частиц между двумя полками. Следует отметить, что высокие значения амплитуды и частоты колебаний полок приводят, в итоге, к быстрому износу оборудования. Поэтому предпочтительно использовать значения амплитуды колебаний полок в диапазоне 3 - 6 мм и частоты колебаний полок в пределах 20 - 50 Гц [4].
Материал адсорбента должен подбираться в зависимости от того, какие химические соединения должны быть адсорбированы на его поверхности. Так, для очистки от диоксида серы могут использоваться такие материалы, как цеолиты, силикагель, доломит, активированный уголь; для очистки от оксидов азота применяются торфощелочные сорбенты; для очистки от сероводорода - цеолиты, активный уголь; для очистки от хлора и хлорида водорода могут быть использованы цеолиты, сульфаты и фосфаты меди, свинца и т.д. [1].
Количество полок в адсорбере подбирается в зависимости от размеров полок и времени контакта фаз (твердых адсорбентов и газов), при котором степень очистки газов достигает 96 - 99 %. Время контакта фаз для очистки от оксидов азота составляет 1,6 - 3,0 с; для очистки от фторида серы в среднем достаточно 7,6 с; для очистки от хлорида водорода достаточно
0,2 - 5,0 с [1]. Для очистки от диоскида серы и сероводорода время контакта фаз лежит в диапазоне 1 - 20 с, при этом рекомендуется 3 - 10 с [11].
Для квадратных полок с размерами 1,8 м х 1,8 м (с учетом средней скорости газа 1 м/с, расстояния между полками 140 мм и времени контакта фаз 10 с) достаточно наличие 5 - 6 полок в адсорбере. С учетом вышеизложенного была рассчитана примерная производительность адсорбера.
Обычные вентиляторы способны перемещать газ со степенью сжатия менее 1,15 (или разностью давлений на выходе и входе АР не более 15 кПа) [12]. При этом среднее значение перепада давления составляет около 1000 мм вод. ст. Получается, что перепад давления на выходе из каждой полки в среднем составляет 200 мм. вод. ст. При этом потери давления на коленах при перемещении газа с одной полки на другую считались пренебрежимо малыми по сравнению с потерями при прохождении через виброкипящий слой адсорбента и в расчетах не учитывались.
Вся область между двумя полками была условно разделена на две части (рис. 3). Первая, высотой L1 = 110 мм, содержит наибольшую часть адсорбента со средним значением объемной доли частиц 0,27; соответственно сопротивление твердой фазы в этой области больше, чем во второй области, высотой L2 = 30 мм, которая содержит меньшее количество
частиц со средней объемной долей 0,1. Поэтому средние значения скорости газа в двух областях будут различными.
ах
0,6 0,5 0,4 00,3 0,2 0,1 0
4s Ч>
50
100
Рис. 3. Распределение объемной доли частиц при А = 3 мм; f = 50 Гц
Были произведены расчеты для нахождения значений скорости газа в двух областях с помощью уравнения Эргана [13]:
AP
Р Ж/2
360а 2|а g Ва.
ag Pgwdv ag
-т> (1)
где X - длина полки, на которой находится слой адсорбента; w - скорость газового потока; р^ -
плотность газа; В = 1,8 - для тел с гладкой поверхностью; В = 4,0 - для тел с шероховатой поверхностью.
L
2
L
z, мм
p
Предполагалось, что частицы адсорбента имеют сферическую форму с шероховатой поверхностью. Плотность газа рассчитывалась с использованием уравнения состояния идеального газа при условии, что температура газа равна 200 °С (приближенная температура газов в предполагаемом месте установки адсорбера). Поскольку давление газа во всем аппарате мало отличается от атмосферного, мы пренебрегаем этим отличием и принимаем давление газа равным атмосферному. В действительности давление выбрасываемых газов бывает немного пониженным, но мало отличается от атмосферного. Динамическая вязкость газа ц ^ рассчитывалась с использованием
формулы Сазерленда для определения вязкости идеального газа в зависимости от температуры [14]. Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0 < Т < 555 К и при давлениях менее 3,45 МПа с ошибкой менее 10 %, обусловленной зависимостью вязкости от давления. Значение ц^ при температуре
газа 200 °С (473 К) равно 25,6 -10"6 Па-с.
Неизвестной величиной в уравнении (1) является значение скорости потока. Отдельно для каждой области решалось уравнение для нахождения значения средней скорости. Затем рассчитывался средний расход газа. Получено, что в первой области с размером L1 = 110 мм и средней объемной долей частиц а= 0,27 средняя скорость газа равна w1 = 0,7 м/с; во второй области с размером L2 = 30 мм и средней объемной долей частиц а ^ = 0,1 средняя скорость газа равна w2 = 2,5 м/с.
Расход газа Q, проходящего через сечение между двумя полками в аппарате в единицу времени, равен сумме расхода газа через сечение первой расчетной области Q1 и расхода газа через сечение второй области Q2, т. е. Q = Q1 +Q2 . Объемный расход газа в первой области рассчитывался по формуле Q1 =wlLlY; соответственно, массовый расход - по
формуле 0>1 = (где Y - ширина полки, рав-
ная 1,8 м). По таким же формулам рассчитывались массовый и объемный расходы газа во второй области с соответствующими значениями w2 и L2 . Получено,
что общий объемный расход газа равен приблизительно 1000 м3/ч. Следует отметить, что эти результаты получены для адсорбера с пятью полками, на которых расположены частицы адсорбента, средний диаметр которых равен 1 мм. Если использовать адсорбер для очистки от каких-либо конкретных химических соединений (например, от оксидов азота или хлоридов) с меньшим значением времени контакта
фаз, то можно сократить число полок, что приведет к более высоким значениям расхода газа, т. е. к более высокой производительности аппарата ввиду увеличения скорости газа, как показано выше. Использование более крупных частиц адсорбента диаметром 1,5 мм также может способствовать увеличению производительности адсорбера. При этом использование частиц с размерами больше 1,5 мм нежелательно, так как с увеличением среднего диаметра частиц происходит уменьшение общей площади поверхности адсорбента в виброкипящем слое.
Литература
1. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки: учеб. пособие. Пенза, 2006. 201 с.
2. Пат. 2132222 РФ B01D53/06, B01J8/40, B01J8/16. Способ очистки газов.
3. Орлова Н.С. Моделирование движения виброожиженно-го слоя между двумя полками // Тр. XVI Междунар. конф. «Современные проблемы механики сплошной среды». Т. 1. Ростов н/Д., 2012. С. 183 - 187.
4. Орлова Н.С. Использование математического моделирования в проектировании аппаратов для очистки газов с виброкипящим слоем адсорбента // Сб. работ молодых ученых IV Междунар. науч.-практ. конф. «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки». Ч. 2. Владикавказ, 2013. С. 41 - 45.
5. Орлова Н.С. Тестирование двух моделей виброожижен-ного слоя // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 2. C. 42 - 45.
6. Орлова Н.С. Сравнение расчетов по двухжидкостной модели виброожиженного слоя с экспериментальными данными // Инженерно-физический журн. 2012. Т. 85. № 6. С. 1202 - 1207.
7. Орлова Н.С., Ахунжанов Р.К. Сравнение применения двухжидкостной модели и модели гранулярного газа для описания процесса виброожижения // Нелинейный мир. 2012. № 11. С. 875 - 878.
8. Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: учеб. пособие. Барнаул, 2000. 395 с.
9. Falcon Е., Fauve S., Laroche C. Experimental study of a granulär gas fluidized by vibrations // Granular Gases, Springer-Verlag. 2001. Vol. 564. P. 244 - 253.
10. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М., 1970. 432 с.
11. Пат. 2062638 РФ B 01 D 53/48. Способ очистки газа от диоксида серы и сероводорода.
12. Росляков Е.М. Насосы. Вентиляторы. Кондиционеры. Тверь, 2006. 824 с.
13. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., 1992. 672 с.
14. Резибуа П., Де Ленер М. Классическая кинетическая теория жидкостей и газов. М., 1980. 424 с.
Поступила в редакцию
10 декабря 2013 г.
