7XIIIМеждународная научно-практическая конференция УДК 66.084.8
Сидельников Иван Иванович Sidelnikov Ivan Ivanovich Пирогова Ольга Владимировна Pirogova Olga Vladimirovna
кандидат технических наук, доцент кафедры «Процессы и аппараты химических технологий» Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Processes and devices of Chemical Technologies» Зарипова Адэлина Маратовна Zaripova Adelina Maratovna магистрант II курса second-year master's student Федеральное государственное автономное образовательное учреждение «МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Federal State Autonomous Educational Institution «MOSCOW POLYTECHNIC UNIVERSITY»
ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ МАССООБМЕННЫХ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ ПУТЕМ НАЛОЖЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
INCREASING THE EFFICIENCY OF CONTACT DEVICES OF MASS-EXCHANGE COLUMN APPARATUSES BY SUPERIMPOSING ULTRASONIC VIBRATIONS
Аннотация, в данной статье рассмотрены варианты технологических решений, направленных на совершенствование основного элемента колонного массообменного аппарата - контактного устройства. Одним из таких решений является наложение ультразвуковых колебаний в целях повышения эффективности контактного устройства массообменного аппарата.
Abstract, in this article, the variants of technological solutions aimed at improving the main element of the column mass transfer apparatus - the contact device are considered. One of such solutions is the imposition of ultrasonic vibrations in order to increase the efficiency of the contact device of the mass transfer apparatus.
Ключевые слова, контактное устройство, массообменные процессы, энергозатраты, акустическая кавитация, ультразвуковые колебания, эффективность массообменных процессов.
Keywords, contact device, mass transfer processes, energy consumption, acoustic cavitation, ultrasonic vibrations, efficiency of mass transfer process.
Обеспечение экологической безопасности технических систем является одним из наиболее актуальных направлений. Большинство промышленных предприятий выбрасывают органические и неорганические соединения в атмосферу. Защита воздушного
бассейна от выбросов осуществляется путем применения систем газоочистки, которые нейтрализуют вредные вещества.
В промышленности для разделения паровых, газовых и жидких смесей применяют абсорбцию, экстракцию и ректификацию.
Из наиболее эффективных способов уменьшения энергозатрат выделяют четыре группы,
1) увеличение поверхности контакта фаз и времени протекания реакции в аппаратах;
2) оптимизация технологического режима;
3) внедрение более совершенных технологических схем, например, система, которая включает в себя рекуперацию вторичных энергоресурсов;
4) применение совмещенных процессов, которые позволяют сократить не только энергетические, но и капитальные затраты.
Стоит отметить, что увеличение диаметра колонны в два раза повышает потребление энергии в четыре раза, поэтому данный метод относят к экстенсивным, так как не приводит к
снижению энергозатрат.
Наиболее эффективные пути снижения энергозатрат процессов разделения смесей при проведении массообменных процессов,
1. Минимальная реконструкция контактных устройств (далее -КУ) в ряде случаев может снизить энергозатраты на 5-10 %. В
XIIIМеждународная научно-практическая конференция качестве минимальной реконструкции массообменных колон можно
отметить следующие изменения и дополнения в конструкциях:
1) улучшение структуры потоков за счет секционирования;
2) изменение формы и высоты перегородок;
3) установка отбойников;
4) организация второй зоны контакта фаз;
5) оптимизация свободного сечения КУ.
2. Оптимизация режимов работы может дать снижение энергозатрат до 10-30 %. Например, для определенных контактных устройств необходимо поддерживать нагрузку по сырью, которая обеспечивает наивысшую эффективность КУ.
3. Оптимизация технологической схемы особо актуальна при разделении многокомпонентных смесей, когда применяют несколько связанных колонн. Снижение энергозатрат может достигнуть до 20-60 %.
4. Применение новых контактных устройств. Данный способ наиболее дорогостоящий, но при этом последующая экономия энергоресурсов может достигнуть до 30-50%. К принципиально новым контактным устройствам относятся:
1) тарелки с двумя зонами контакта фаз (комбинированные);
2) вихревые КУ;
3) КУ с нестационарным взаимодействием фаз;
4) КУ массообменных колонных аппаратов на гидродинамических эффектах и физических явления.
5. Применение процессов абсорбции. Достоинством процесса абсорбции является доступность и дешевизна абсорбентов, простая технологическая схема процесса, низкие капитальные и эксплуатационные затраты, возможность разделения газов без предварительного охлаждения и обеспыливания [1, 2].
Однако абсорбционный способ разделения газов характеризуется большим расходом жидкости из-за недостаточной степени использования жидкости-абсорбента в связи с малым коэффициентом диффузии газа в жидкости [1].
6. Один из перспективных способов увеличения эффективности массообменных процессов - воздействие ультразвуковыми колебаниями, которые за счёт действия кавитации увеличивают межфазную поверхность «газ-жидкость» и ускоряют диффузию газа в жидкость-абсорбент за счёт стационарных акустических течений [2, 3].
Воздействие УЗ на пузырьки газа, присутствующие в жидкости, нашло широкое применение в промышленности для дегазации расплавов металлов и стекла, растворов смол, масел, различных напитков. Ультразвуковое излучение находит применение и для повышения скорости растворения газа в жидкости. Тот факт, что УЗ излучение применяется одновременно для интенсификации как дегазации жидкости, так и абсорбции газа, свидетельствует о сложности процесса [4].
Воздействие акустической кавитации имеет следующие преимущества:
1. Возможность интенсификации абсорбции вне зависимости от химического состава отделяемого газа и жидких абсорбентов за счет возможности выбора оптимального режима ультразвукового воздействия (частота, интенсивность, место и направление ввода ультразвуковых колебаний, площадь излучения). Режим ультразвукового воздействия определяется физическими свойствами газовой смеси и поглощающей жидкости.
2. Установка источников ультразвука не требует изменения конструкции и функциональности поглотителей.
3. Низкое энергопотребление.
XIIIМеждународная научно-практическая конференция
4. Возможность усиления хемосорбции, поскольку кавитация
способствует разрушению химических связей и образование новых.
5. Компактность источников ультразвуковых колебаний.
Однако, несмотря на ряд преимуществ, на практике сегодня
акустическая кавитация не используются из-за незнания физических механизмов процесса. Из-за трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований отсутствуют научные данные наиболее эффективных режимов ультразвукового воздействия, обеспечивающих как следствие максимальную эффективность процесса. Для решения данной проблемы стоит разработать математическую модель влияния ультразвукового воздействия на площадь межфазной поверхности «жидкость-газ» и кинетику поглощения, позволяющий оценить оптимальные режимы ультразвуковой интенсификации этого процесса.
Библиографический список:
1. М.М. Башаров, Е.А. Лаптева. Модернизация промышленных установок разделения смесей в нефтегазохимическом комплексе// Монография под редакцией А.Г. Лаптев. - Казань 2013.
2. Laugier, F., C. Andriantsiferana, A.M. Wilhelm, and H. Delmas, "Ultrasound in gas-liquid systems: Effects on solubility and mass transfer," Ultra- sonics Sonochemistry, 2008, Vol. 15, Iss. 6, pp. 965-972.
3. Adewuyi, Y.G. and N.E. Khan "Modeling the Ultrasonic Cavitation-Enhanced Removal of Nitrogen Oxide from Flue Gases in a Bubble Column Reactor," American Institute of Chemical Engineers Journal, 2012, Vol. 58, No. 8, pp. 2397-2411. 4. Н.В. Алан-Рейс, А.А. Еськин, Т.С. Жилякова, П.П. Унру. Влияние ультразвукового излучения на время всплытия микропузырьков воздуха// ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2020. № 2(43)
