Определение состава газа от различных промышленных и бытовых объектов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 697.1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ГАЗА ОТ РАЗЛИЧНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ

ОБЪЕКТОВ

Дихтярь Т.В.

Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181 e-mail: energia-09@mail.ru

Аннотация. В статье определено количество газа, удаляемого в дегазаторе в зависимости от разности концентраций газа в воде и воздухе. Сущность физических методов дегазации. Процесс деаэрации воды осуществляется с помощью процесса массообмена двухфазных потоков. Описание взаимодействия между фазами, протекание процессов под изменением температур соприкосновения жидкой и газообразной фаз для обеспечения эффекта дегазации.

Ключевые слова: жидкая фаза, газообразная фаза, дегазатор, концентрация газа, коэффициент диффузии, поверхность раздела фаз.

ВВЕДЕНИЕ

Дегазационные установки применяются для удаления растворенных газов из сточных вод. Наличие газов затрудняет очистку и использование сточных вод, вызывает или усиливает коррозию конструкционных материалов трубопроводов и сооружений, а также придает сточным водам неприятный запах. При дегазации чаще всего из сточных вод удаляются кислые (СО2, Н28, 802, 803, N02) или щелочные (МН3, СН3, №Н2) газы.

Принудительная дегазация сточных вод производится в аппаратах трех основных видов: посадочных, барботажных и вакуумных. Эффективность дегазации зависит от вида сточных вод и характера содержащихся в них загрязнений.

Обычно из воды приходится удалять углекислоту, сероводород, кислород и реже метан. Первые три коррозионно-активных газа обусловливают либо катализируют процессы коррозии металла, а диоксид углерода(1У) вызывает коррозию бетона. Метан, выделяющийся из воды в процессе ее обработки, образует с воздухом в помещении водоочистного комплекса взрывоопасную смесь, а сероводород придает воде неприятный запах. Кроме того, при водород-катионитовом умягчении и ионитовом обессоливании воды, а также при обезжелезивании и деманганации подземных бикарбонатных вод приходится решать задачу удаления свободной углекислоты. При подготовке питательной воды, а также воды теплоцентралей необходимо удалять из нее кислород в целях предотвращения коррозии металла. Отсюда становится очевидной необходимость возможно полного удаления из воды растворенных в ней газов.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

Дегазацию сточных вод осуществляю химическими (с применением реагентов) или

физико-химическими методами (нагреванием и вакуумированием) и продувкой воздухом -аэрацией. Кроме того, для извлечения сероводорода используется биохимический метод, основанный на окислительной способности микроорганизмов. Сущность химически методов заключается в использовании определенных реагентов, которые связывают растворенные в воде газы.

Сущность физических методов дегазации заключается в следующем: вода, содержащая удаляемый газ, приводится в соприкосновение с воздухом, если парциальное давление этого газа в воздухе близко к нулю; создаются условия, при которых растворимость газа в воде становится ничтожно малой. С помощью первого приема, аэрации воды, обычно удаляют свободную углекислоту и сероводород, нулю. Ко второму приему обычно прибегают при извлечении кислорода из воды. В этом случае ввиду значительного парциального давления кислорода в атмосферном воздухе аэрацией воды кислород удалить нельзя, поэтому воду доводят до кипения, тогда растворимость всех газов в ней падает до нуля. Для этого применяют либо нагревание воды, либо понижение давления до величины, при которой вода кипит без дополнительного подогрева поскольку парциальное давление этих газов в атмосферном воздухе близко к в вакуумных дегазаторах[1].

Двухфазные потоки представляют собой неоднородные системы с поверхностью раздела фаз, именуемой для систем газ-жидкость, пар-жидкость и жидкость-жидкость свободной поверхностью. Решающее влияние оказывает взаимодействие между фазами. В отличие от однофазных потоков на границе раздела двухфазных потоков проявляются принципиально новые силы - силы межфазного поверхностного натяжения. Эти силы производят работу образования поверхности жидкости на границе ее раздела. Работа, затрачиваемая на образование 1 см2 поверхности, называется поверхностным натяжением[2].

При рассмотрении потока в целом, необходимо выделить в нем два основных направления: вдоль него и поперек.

Продольное направление соответствует движению потока. Именно в этом направлении осуществляется основной конвективный перенос. Однако в процессах массообмена вещество переходит из фазы в фазу в направлении, поперечном движению фаз. При этом турбулентное перемешивание выравнивает концентрации по поперечному сечению - в этом случае говорят о гораздо большей величине, чем молекулярная диффузия - турбулентной диффузии - Б^б, но дойти до стенки частица не может, так как около нее образуется тонкий пограничный слой. В пограничном слое перенос осуществляется преимущественно молекулярной диффузией. Поэтому в условиях пограничного слоя в уравнение

входит коэффициент молекулярной диффузии Б.

Резкое уменьшение коэффициента диффузии из-за перехода от конвективного переноса к молекулярному приводит к резкому возрастанию градиента концентрации. Профиль концентрации в турбулентном потоке в целом можно описать так: в ядре потока концентрация выровнена турбулентным перемешиванием; в пограничном слое она резко падает.

Таким образом, скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массобмен. Вещество в фазах может переноситься молекулярной диффузией либо путем конвекции и молекулярной диффузией одновременно [3].

В настоящее время наиболее распространенной теорией, объясняющей механизм передачи вещества между жидкой и газообразной фазами в процессе десорбции, является теория двухслойного поглощения, согласно которой десорбция сводится к последовательной диффузии удаляемого газа через два пограничных слоя — жидкостный и газовый.

При диффузии газа из жидкой фазы в газообразную концентрация его и парциальное давление изменяются в диффузионных пленках[4]. Концентрация газа в жидкой фазе равна концентрации его на границе между жидкостной пленкой и основной массой жидкости; в жидкостной пленке происходит снижение концентрации от величины С1 до С2, отвечающей парциальному давлению р2 диффундирующего газа на границе раздела фаз; в газовой пленке парциальное давление диффундирующего газа изменяется от величины р2 до величины р1 имеющей место на границе газовой пленки и основной массы газа, в которой парциальное давление диффундирующегго газа также равно величине р1.

По теории двухслойного поглощения, общее сопротивление десорбции Я равно сумме сопротивлений, оказываемых пограничными диффузионными слоями:

Я = Я1+ Я2 (1)

где Я — пограничного слоя;

Я2 — сопротивление слоя.

сопротивление жидкостного

газового пограничного

4

й рйЗ$(пв фаз

Рис.1. Схема изменения давлений и концентраций газа на границе раздела фаз: 1,4 — газообразная и

жидкостная фазы; 2, 3 — газовая и жидкостная диффузионная пленка

Удаление газов из сточных вод аэрацией возможно в том случае, если парциальное давление удаляемого газа в воздухе меньше парциального давления над поверхностью воды.

ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью настоящей работы является определение количества газа, удаляемого в дегазаторе в зависимости от разности концентраций удаляемого газа в воде и воздухе. Для достижения поставленной цели были исследованы процессы массообмена в двухфазных потоках.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Расчет процесса деаэрации как процесса массопередачи следует выполнять по уравнению массопередачи[5]:

С = КАСР (2)

где 6т - количество газа, удаляемого в деаэраторе, кг/с;

К - коэффициент массопередачи, м/с;

АС - разница концентраций газа, кг/м3;

Р - поверхность контакта воды и газа, м2.

Коэффициент массопередачи можно определить по формуле, м/с[6]:

здесь О - коэффициент диффузии газа в воде, м2/с;

V - скорость всплытия пузырьков газа, м/с;

^=10-7 м - диаметр пузырьков газа, м. Скорость всплытия пузырьков определяется из выражения [7]:

дй2(1-рг/р)

■, (4)

V =

18У

где рг — плотность газа, кг/м3;

р — плотность воды, кг/м3;

V — коэффициент кинематической вязкости воды, м2/с.

Скорость удаления газов при прочих равных условиях зависит от коэффициента диффузии [8]:

Я = Я20[1 + 0,02(Г-20)], (5)

Коэффициент диффузии не является постоянной величиной; численные значения его обычно берут из справочников.

Коэффициент диффузии зависит, прежде всего, от природы вещества и агрегатного состояния систем; так, коэффициент диффузии для газов примерно на четыре порядка выше, чем для жидкостей. Коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и уменьшается с повышением давления.

Согласно теории двухслойного поглощения, количество десорбируемого газа[9]

С = К0РАСср, (6)

где Ко — общий коэффициент десорбции, м/с;

Б — площадь соприкосновения жидкой и газообразной фаз, м2;

ЛСср — средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м3.

Движущая сила массообменных процессов есть разность между рабочими и равновесными концентрациями. Движущая сила характеризует степень отклонения системы от равновесия. При установлении равновесия между фазами массообмен между ними прекращается.

Чтобы выделение из воды газов шло достаточно быстро и была достигнута глубокая дегазация требуются соответствующие условия.

В вакуумном деаэраторе большая часть газов выделяется из воды в виде пузырьков, которые выходят на поверхность воды. Меньшая, остаточная часть газов выделяется путем диффузии. Диффузия газа идет от внутренних слоев воды, где концентрация растворенных газов больше, к наружным, где концентрация меньше. Затем газы через поверхностную пленку переходят в пар. Скорость диффузии зависит от физических параметров воды: вязкости, поверхностного натяжения и от степени дробления воды. С уменьшением вязкости и поверхностного натяжения, и особенно с увеличением степени дробления воды скорость диффузии увеличивается. Вязкость и поверхностное натяжение, замедляющие диффузию, с повышением температуры

уменьшаются. Поэтому при высокой температуре диффузионный процесс протекает быстрее.

Дробление воды уменьшает путь прохождения газа в воде и ускоряет его выход из нее благодаря увеличению поверхности контакта воды с паром.

В деаэраторе 90-95 % кислорода выделяется из воды в виде пузырьков, остальные 5-10 % кислорода выделяются путем диффузии. Выделение пузырьков происходит сравнительно быстро. Диффузионный процесс протекает медленно. Выделение кислорода и других газов из воды в деаэраторе происходит на всем пути движения воды.

Поступление воды в вакуумный деаэратор сопровождается резким падением общего и парциального давлений газов. Вода становится пресыщенным газовым раствором. В этот начальный период происходит энергичное выделение пузырьков газа из воды. Особенно бурно идет выделение газов при поступлении в деаэратор перегретой воды. Далее при движении воды в деаэраторе пересыщение значительно уменьшается, выделение газов замедляется и идет в основном путем диффузии.

На входе воды в вакуумный деаэратор концентрация газов в воде падает быстро, затем по мере движения воды в деаэраторе их концентрация медленно снижается[5]. Такой характер изменения концентрации газов определяется изменением движущей силы процесса дегазации воды.

Изменения температуры воды и парциальных давлений газов в парогазовой смеси над водой или изменение одного из этих параметров влекут за собой изменение концентрации растворенных газов в воде. В результате нагрева или снижения давления концентрация газа в воде уменьшается. Движущей силой процесса выделения газа из воды является разность между фактической концентрацией газа в воде С1 и той его концентрацией Ср, которая должна соответствовать температуре воды и парциальному давлению газа над водой в данный момент времени в определенном месте деаэратора:

ЛС = СХ -Ср. (7)

Чем больше ДС, тем интенсивнее, быстрее протекает процесс дегазации.

Основное расчетное уравнение аппаратов для извлечения из воды растворенных газов десорбцией записывается в следующем виде[5]: и с

F= -, (8)

К0АССр

с = 0,001д(свх-свых), (9)

где Q — производительность аппарата, м3/с.

Движущая сила изменяется с изменением рабочей концентрации. Поэтому для всего процесса (или для всей поверхности массопередачи) должна быть найдена средняя движущая сила.

Средняя движущая сила процесса десорбции[10]

ДС™ = Свх~СвСьв'х, (10)

-ср

2,3 1дС

где Свх и Свых — концентрации удаляемого газа в воде соответственно на входе ее в аппарат и на выходе из него.

Таким образом, величина ДСср зависит от разности концентраций удаляемого газа в воде и воздухе.

АС изменяется по высоте деаэраторной колонки.

В верхней части колонки АС имеет наибольшее значения, в нижней - наименьшее.

Следовательно, после преобразований получим

F =

0,001@(СВХ—СВЫХ)

К0АССр

(11)

Определим зависимость площади

соприкосновения фаз от начальной концентрации газа в воде.

Рис. 2. Зависимость площади соприкосновения фаз от начальной концентрации газа в воде

Рис. 3. Зависимость расхода газа от начальной концентрации газа

Из рисунка видно, что площадь соприкосновения фаз не зависит от начальной концентрации газа.

Таким образом, окончательно получим расход газа при дегазации

Свх

0,0023^д(СВх-СВых)^5С

Ко

(12)

Дегазатор обеспечивает выделение углекислоты газа на 95 % с конечным содержание приблизительно 20-30 мг/л. На рис. 2 приведена зависимость количества газа, удаляемого в деаэраторе от начальной концентрации газа в воде.

Из графика видно, что количество удаляемого газа прямо пропорционально количеству газа в воде.

Газы, выделяющиеся из воды, должны быть полностью и быстро отведены из деаэратора. В вакуумном деаэраторе это зависит как от работы газоотсасывающего устройства и охладителя выпара, так и от наличия достаточного количества пара, вентилирующего колонку.

Большая часть пара (70 - 90 %), поступающего в вакуумный деаэратор, расходуется на нагрев воды и конденсируется. Конденсат пара смешивается с основным потоком воды. Остальная часть пара проходит через всю колонку. Этот пар вентилирует колонку и сдувает с поверхности воды выделяющиеся газы. Парогазовая смесь - газы в смеси с избыточным паром - выпаром отсасывается из деаэратора. Так как пар конденсируется на всех ступенях деаэраторной колонки, то количество пара, вентилирующего колонку, меняется по ее высоте: через нижние ступени колонки проходит большая часть пара, через верхние -меньшая[11].

При малом нагреве воды и малом выпаре вентиляция колонки вялая, особенно в верней ее части, что замедляет отвод газов.

На рис. 4 представлена зависимость расхода выделяющегося газа от температуры, анализируя которую, можно сделать вывод, что при увеличении температуры воды количество газа, образующегося при дегазации увеличивается.

Рис. 4. Зависимость расхода газа при дегазации от температуры воды

В деаэраторе перегретой воды выпар получается при вскипании воды, причем количество выпара определяется величиной перегрева воды. Количество пара, вентилирующего ступени деаэраторной колонки, в деаэраторе перегретой воды меньше, чем в деаэраторной колонке с подачей пара в нее.

Процесс деаэрации воды по мере движения ее через деаэратор постепенно замедляется вследствие понижения движущей силы процесса, поэтому удаление остаточного кислорода в значительной мере зависит от времени пребывания воды в деаэраторе. С увеличением продолжительности процесса увеличивается глубина деаэрации.

Согласно закону Бора, время перехода газа из воды в воздух, т.е. время пребывания воды в деаэраторе, определяется по формуле [12], с:

Т =

W(lgCBX

F^ lge '

(13)

где W - объем воды, м ;

Подставив выражения (8) и (11) в выражения

(13) после преобразований получим: Время пребывания воды в деаэраторе, с

гг, ™

Т= ---. (14)

Объем воды, через который проходит газ, определяется по формуле [10]:

Ш = F/l, (15)

где /{■ - высота струи воды, м.

Подставляя выражения (11) и (15) в выражение

(14), получим:

Т =

ig-C^h

-вых

(16)

КоЛёе'

Определим зависимость времени пребывания воды в деаэраторе от начальной концентрации газа.

Свх, мг/

л

т. c

Рис. 5. Зависимость времени пребывания воды в деаэраторе от начальной концентрации газа

Анализируя график, можно сделать вывод, что начальная концентрация газа в воде не влияет на время пребывания воды в деаэраторе.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

В результате исследований получены зависимости, позволяющие объяснить механизм передачи вещества между жидкой и газообразной фазами в процессе десорбции.

Из величин, входящих в общее уравнение десорбции, в и ДССр, могут быть подсчитаны по заданным условиям работы дегазатора. Это уравнение

является основным для расчета десорбционных аппаратов. Из него находят необходимую поверхность соприкосновения жидкой и газообразной фаз для обеспечения заданного эффекта дегазации, а, следовательно, и размер проектируемых аппаратов.

ВЫВОДЫ

Определено количество газа, удаляемого в деаэраторе с учетом изменения концентрации газа в воде и воздухе, что также позволит определить размеры деаэрационной колонки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Когановский А.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / Когановский А.М., Клименко А.М. // - М.: Химия, 1983. - 288 с.

2. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. I / Нигматулин Р.И. - М.: Наука, 1987.- 464 с.

3. Дейч М.Е. Газодинамика двухфазных сред / Дейч М.Е., Филиппов Г.А. // - М.: Энергоиздат, 1981. - 472 с.

4. Кастальский А.А. Проектирование устройств для удаления из воды растворенных газов в процессе водоподготовки / Кастальский А.А. - М.: Госстройиздат, 1957. - 148 с.

5. Труб И.А. Вакуумные деаэраторы / Труб И.А., Литвин О.П. // - М.: Энергия, 1967. - 100с.

6. Брагинский Л.Н. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод / Брагинский Л.Н., Евилевич М.А., Бегачев В.И. и др. // - Л.: Химия, 1982. - 48 с.

7. Кафаров В.В. Основы массопередачи / Кафаров В.В. - М.: Высшая школа, 1962. - 439 с.

8. Алексеев Л. С. Улучшение качества мягких вод / Алексеев Л. С., Гладков В.А. // - М.: Стройиздат, 1994. -152 с.

9. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т. 2 / Тимонин А. С. — Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003. - 884 с.

10. Клячко В.А. Очистка природных вод / В.А. Клячко, И.Э. Апельцин. // - М.: Стройиздат, 1971. - 356 с.

11. Кирш А. К. Деаэрация в конденсаторах паровых турбин / Кирш А.К., Лагун В.П., Симою Л.Л., Нахман О.В. и др. // «Теплоэнергетика», № 10, 1977. - с.

12.Золотова Е.Ф. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода / Золотова Е.Ф., Асс Г.Ю. // - М.: Стройиздат, 1975. - 176 с.

Dihtjar T. V.

DETERMINATION OF THE GAS COMPOSITION FROM VARIOUS INDUSTRIAL AND

HOUSEHOLD OBJECTS

Annotation. The article defines the amount of gas removed in the degasser, depending on the difference in gas concentrations in water and air. The essence of physical methods of degassing. The process of deaeration of water is carried out by means of a process of mass exchange of two-phase flows. Description of the interaction between phases, the course of processes under the change of contact temperatures of the liquid and gaseous phases to ensure the effect of degassing. Key words: liquid phase, gaseous phase, degasser, gas concentration, diffusion coefficient, phase interface.