CC BY
6УДК 628.314.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ГАЗА ОТ РАЗЛИЧНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ И
БЫТОВЫХ ОБЪЕКТОВ
Дихтярь Т.В.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Определено количества газа, удаляемого в дегазаторе в зависимости от разности концентраций удаляемого газа в воде и воздухе. В результате исследований получены зависимости, позволяющие объяснить механизм передачи вещества между жидкой и газообразной фазами в процессе десорбции, которые позволяют из величин, входящих в общее уравнение десорбции, определить необходимую поверхность соприкосновения жидкой и газообразной фаз для обеспечения заданного эффекта дегазации, а, следовательно, и размер проектируемых аппаратов. 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, Н2Б, Б02, Б03, N02) или щелочные (N4^ СН3, КН2) 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(ГУ) 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 осуществляют 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. 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 давлению в вакуумных дегазаторах.
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.
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^, 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.
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 (рис. 1).
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
При диффузии газа из жидкой фазы в газообразную концентрация его и парциальное давление изменяются в диффузионных пленках. 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 Я1 — сопротивление жидкостного пограничного слоя;
Я2 — сопротивление газового пограничного слоя.
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 задач исследования
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 [1]:
С = КкСР, (2)
где О - количество газа, удаляемого в деаэраторе, кг/с;
А - коэффициент массопередачи, м/с;
ДС - разница концентраций газа, кг/м3;
Р - поверхность контакта воды и газа, м2.
Коэффициент массопередачи можно определить по формуле, м/с [2]:
(3)
здесь О - коэффициент диффузии газа в воде, м2/с;
I - скорость всплытия пузырьков газа, м/с;
с£=10-7 м - диаметр пузырьков газа, м.
Скорость всплытия пузырьков определяется из выражения [3]:
V = (4)
где рг — плотность газа, кг/м ;
р — плотность воды, кг/м ;
V — коэффициент кинематической вязкости воды, м /с.
Скорость удаления газов при прочих равных условиях зависит от коэффициента диффузии [4]:
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 [5]:
где Ко — общий коэффициент десорбции, м/с;
Б — площадь соприкосновения жидкой и газообразной фаз, м2;
ЛСср — средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м .
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 510 % 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 перенасыщение 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 [1]. 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:
Чем больше ДС, тем интенсивнее, быстрее протекает процесс дегазации. Основное расчетное уравнение аппаратов для извлечения из воды растворенных газов десорбцией записывается в следующем виде [1]:
_ Сек Свьк
'СР ~ -> 5 г_ '-в:-:
^ = ТГ7-, (8)
Кд А Срр
с = 0,001<зссН£-свщ), (9)
где 0 — 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 [6]:
(10)
2,3
Ч1Ш
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.
ДС изменяется по высоте деаэраторной колонки. В верхней части колонки ДС имеет наибольшее значения, в нижней - наименьшее.
Следовательно, после преобразований получим
р _ аоо1<г(свх-свьи)
ка Дсрр
Результаты 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, О 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.
Вывод
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. Вакуумные деаэраторы / [Труб И.А., Литвин О.П.]. - М.: Энергия, 1967. - 100 с.
2. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод / [Брагинский
Л.Н., Евилевич М.А., Бегачев В.И. и др.]. - Л.: Химия, 1982. - 48 с.
3. Кафаров В.В. Основы массопередачи / Кафаров В.В. - М.: Высшая школа, 1962. -439 с.
4. Улучшение качества мягких вод / [Алексеев Л.С., Гладков В.А.]. - М.: Стройиздат,
1994. - 152 с.
5. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т. 2 / Тимонин А.С. —
Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003. - 884 с.
6. Клячко В.А. Очистка природных вод / В.А. Клячко, И.Э. Апельцин. - М.:
Стройиздат, 1971. - 356 с.
