CC BY
51
УДК 628.474.76
И. А. Махоткин, Е. А. Махоткина, Н А. Хамидуллина
РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО
ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ
Ключевые слова: вихревые аппараты, очистка отходящих газов, интенсификация гетерогенных процессов, внедрение
вихревых аппаратов в производство.
Описаны конструкции разработанных одноступенчатых вихревых аппаратов для интенсификации гетерогенных физико-химических процессов. Представлены результаты исследования эффективности новых аппаратов на системах газ-жидкость, газ-жидкость-твердые частицы. Выполнен анализ результатов внедрения новых аппаратов в производство на различных заводах.
Keywords: vortex apparatus, exhaust gas purification, the intensification of heterogeneous processes, implementation of vortex devices
in production.
The designs of the developed single-stage vortex devices for the intensification of heterogeneous chemical and physical processes. The results of studies of the effectiveness of new devices on systems, gas-liquid, gas-liquid-solid particles. The analysis of results of introduction of new vehicles into production at various factories.
На кафедре «Оборудование химических заводов» Казанского национального исследовательского технологического университета под руководством профессора А. Ф. Махоткина разработан ряд принципиально новых вихревых аппаратов для решения экологических проблем по очистке газовых выбросов. На многих заводах страны новые аппараты внедрены в производство. Вихревые аппараты могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. В настоящей работе представлены результаты разработки и внедрения в производство простейших одноступенчатых вихревых аппаратов с восходящим способом взаимодействия фаз.
Схема одноступенчатого вихревого абсорбера с восходящим способом взаимодействия фаз представлена на рис. 1. Аппарат состоит из двух последовательно соединенных зон: зоны перемешивания газа с жидкостью и зоны сепарации фаз. Зона перемешивания фаз расположена внизу аппарата под тарелкой 11. Зона сепарации фаз расположена вверху над тарелкой 11.
Аппарат работает следующим образом. Газовый поток входит в аппарат по касательной внизу и поступает внутрь пластинчатого завихрителя. Завихритель изготовлен из набора плоских пластин. Скорость газового потока в щелях между пластинами завихрителя около 10 м/с. На дно аппарата через патрубок 5 поступает жидкость. На дне аппарата жидкость раскручивается и входит вместе с газовым потоком внутрь завихрителя. Внутри завихрителя жидкость диспергируется газовым потоком на капли. Капли жидкости ударяются о пластины завихрителя. Внутри завихрителя происходит многократное быстрое обновления активной поверхности контакта фаз. Циркуляция жидкости на ступени осуществляется за счет энергии газового потока, что позволяет полностью исключить применение насоса для циркуляции жидкости.
Известно, что величина коэффициента массоотдачи существенно зависит от времени
обновления активной поверхности контакта фаз. По модели Хигби эта зависимость имеет вид [1]:
Р = «Б
(1)
где a - константа; D - коэффициент диффузии, см2/с; т - время, с.
Рис. 1 - Схема первой модели одноступенчатого вихревого абсорбера: 1 - корпус, 2,9 - патрубок входа и выхода газа соответственно, 3 -завихритель смесителя фаз, 4 - завихритель сепаратора фаз, 5,6 - патрубок входа и выхода жидкости соответственно, 7 - патрубок циркуляции жидкости, 8 - кран циркуляции жидкости, 10 - крышка аппарата, 11 - тарелка, 12 - обечайка
Время обновления активной поверхности капель жидкости внутри завихрителя находится в пределах 0,001^0,003 секунды. Из уравнения (1) видно, что при уменьшении времени контакта фаз происходит увеличение численного значения коэффициента массоотдачи.
При визуальном наблюдении сверху за работой завихрителя для смешения фаз можно увидеть внутри завихрителя вращающийся
высокотурбулизированный слой капель жидкости. Слой капель состоит из большого количества струй, летящих по коротким хордам. Число струй равно числу щелей между пластинами. Удельная площадь
поверхности контакта фаз внутри
высокотурбулизированного слоя капель в десятки раз больше, чем величина удельной поверхности контакта фаз в насадочной башне. Материалоемкость вихревого абсорбера меньше материалоемкости насадочной башни в несколько десятков раз. Величина коэффициента полезного действия по абсорбции легкорастворимого газа в вихревом аппарате достигает 98%. Высокая эффективность позволяет упростить конструкцию завихрителя для смешения фаз и делать завихритель однощелевым. Схема второй модели одноступенчатого вихревого абсорбера с однощелевым завихрителем представлена на рис. 2.
Рис. 2 - Схема второй модели одноступенчатого вихревого абсорбера с однощелевым завихрителем для смешения газа с жидкостью: 1 - корпус, 2 - патрубок входа газа, 3 -однощелевое вихревое контактное устройство, 4 - многощелевой завихритель сепаратора, 5, 6 -патрубки входа и выхода жидкости соответственно, 7 - кран циркуляции жидкости
Разработанные аппараты просты и надежны в эксплуатации. Высокая эффективность и низкий брызгоунос открывают широкую перспективу для внедрения новых аппаратов в производство. В разработанных вихревых аппаратах на основе совмещения гидродинамического процесса циркуляции жидкости с процессом тепло-массопередачи достигается самонастраивание аппарата на надежный режим работы. Самонастраивание происходит без вмешательства человека и без приборов. Совмещение различных кибернетически подобных процессов открывает путь к эффективному энергоресурсосбережению.
Верхняя часть вихревых аппаратов представленных на рис. 1,2 одинаковая и предназначена для эффективного отделения газового потока от диспергированной жидкости. Эффективная сепарация фаз достигается за счёт дополнительной раскрутки газо-жидкостного потока в многощелевом завихрителе с глухим верхним основанием. Завихритель с глухим верхним основанием расположен над тарелкой аппарата. Между завихрителем для сепарации фаз и тарелкой аппарата имеется обечайка, которая позволяет поднять все струи газо-жидкостного потока, выходящие из завихрителя, над уровнем жидкости
на тарелке. При достижении определенной высоты уровня жидкости на тарелке, жидкость выходит из аппарата через боковой патрубок. Жидкость на тарелке вращается по кругу за счет сил трения между газом и жидкостью. Вращение жидкости на тарелке предотвращает оседания осадка.
На линии циркуляции жидкости предусмотрен кран, который позволяет установить желаемую кратность циркуляции жидкости. Следует отметить, что вихревые аппараты являются
работоспособными даже при исключительно небольшом расходе жидкости. Последнее является характерным для процессов очистки отходящих газов от легкорастворимых веществ.
Для улучшения закрутки газо-жидкостного потока внизу при входе газа в нижнюю часть аппарата предусмотрено клинообразное сужение газохода (см. сечение Б-Б на рис. 2). Сравнение величины гидравлического сопротивления аппаратов представленных на рис. 1,2 показало, что гидравлическое сопротивление аппарата с многощелевым завихрителем на 20% меньше. Поэтому в перспективе более предпочтительным является многощелевое вихревое контактное устройство по схеме рис. 1. Гидравлическое сопротивление вихревого аппарата по рис.1 находиться в пределах 150^200 мм. вод. ст.
В условиях абсорбции газов с образованием тумана после вихревого аппарата необходимо устанавливать туманоловушку [2]. Схема эффективного вихревого одноступенчатого абсорбера с туманоловушкой представлена на рис. 3,
Рис. 3 - Схема одноступенчатого вихревого абсорбера с туманоловушкой: 1 - вихревой одноступенчатый абсорбер, 2 - туманоловушка с рукавными фильтрующими элементами
Для улова тумана в туманоловушке установлены рукавные фильтрующие элементы (2). Уловленная в туманоловушке жидкость перетекает в вихревой абсорбер. Гидравлическое сопротивление туманоловушки находится в пределах 100^150 мм. вод. ст. Степень улова смеси паров и тумана токсичных веществ в вихревом одноступенчатом абсорбере с туманоловушкой достигает 99,9 % и более. Конкретные параметры фильтрующего материала для туманоловушки подбираются в зависимости от дисперсного состава частиц тумана и свойств среды. Чем меньше размеры частиц
тумана, тем более плотной должна быть упаковка слоя волокнистого материала. Исследование показало, что орошение слоя волокнистого материала увеличивает эффективность фильтра. Однако при этом увеличивается гидравлическое сопротивление фильтра и начинается вторичный брызгоунос. Поэтому орошение фильтра должно быть оптимальным и относительно небольшим. Следует отметить, что в процессе улова тумана при полном отсутствии орошения фильтрующего материала концентрация уловленного вещества в стекающей по фильтру жидкости может быть большой. Последнее объясняется тем, что концентрация веществ в частицах тумана обычно велика. Например, при очистке отходящих газов в условиях процесса нитрации целлюлозы концентрация азотной кислоты в частицах тумана достигает 75% и более. Поэтому фильтрующий материал, смоченный относительно крепкой азотной кислотой, не может обеспечить эффективную очистку отходящих газов из-за высокой равновесной упругости паров кислоты над жидкостью, которая стекает по фильтрующему материалу. Следовательно, фильтр должен быть орошаемым более слабой кислотой. Это означает, что в промыщленных условиях не нужно ставить задачу обеспечения полной ликвидации брызгоуноса слабой кислоты из вихревой абсорбционной ступени на фильтр в туманоловушку. Важно, чтобы равновесная упругость паров токсичного вещества над поверхностью жидкости, стекающей по фильтру, удовлетворяла конкретным требованиям: либо, например, санитарным нормам очистки отходящих газов, либо специфичным требованиям работы последующей ступени очистки отходящих газов. Особо специфические требования выдвигает низкотемпературная каталитическая очистка отходящих газов от оксидов азота аммиаком. При каталитической очистке отходящих газов аммиаком в условиях процессов нитрации целлюлозы и денитрации отработанных кислот в каталитическом реакторе на поверхности катализатора может оседать взрывоопасный слой аммиачной селитры. Поэтому при создании на заводах реальных промышленных установок очистки отходящих газов от смеси газов, тумана азотной кислоты и оксидов азота нами учитывалась вся совокупность реальных факторов, определяющих надежность и эффективность технологии. Такой подход обеспечил возможность широкого применения на многих заводах новых аппаратов для очистки отходящих газов в условиях процессов нитрации.
В ОАО «Менделеевский химический завод им. Л. Я. Карпова» по нашему проекту создана новая промышленная установка вихревой абсорбции диоксида серы раствором кальцинированной соды с получением раствора сульфита натрия. В основу новой технологии абсорбции газов положено соединение двух последовательно установленных вихревых одноступенчатых аппаратов с туманоловушкой.
Новые вихревые аппараты внедрены в производство в ОАО «Казанский завод силикатных стеновых материалов» для очистки отходящих газов от пыли после вращающейся печи обжига известняка. Кроме того, новые вихревые аппараты, внедренные в производство в ОАО «Сода» г. Стерлитамак, показали высокую эффективность для очистки газов от пыли хлористого бария.
Следует отметить, что при очистке отходящих газов от пыли туманоловушка после вихревого аппарата не применяется. Для мокрой очистки отходящих газов от пыли достаточно два вихревых аппарата соединенных последовательно. В условиях мокрой очистки отходящих газов от пыли циркуляция жидкости через вихревой аппарат осуществляется с помощью насоса через осадительную емкость. Уловленный в осадительной емкости осадок возвращается в производство. Жидкая фаза циркулирует в замкнутом обороте без образования сточных вод. Вихревые аппараты мокрой очистки отходящих газов от пыли не забиваются осадком и являются надежными в промышленных условиях. Во всех перечисленных примерах на заводах действующие установки очистки газов отключены и на их месте смонтированы новые установки, созданные на основе вихревых аппаратов. Одноступенчатые вихревые аппараты могут быть не только с восходящим способом взаимодействия фаз, но и с нисходящим способом взаимодействия фаз. Последние нужны для создания установок большой единичной мощности, или для процессов с большими тепловыми эффектами [3]. Описание последних будет представлено в следующем сообщении.
Литература
1. Рамм В. М. абсорбция газов/ В. М. Рамм.-М.: Химия, 1976.-656 с.
2. Мягков Б.И. Волокнистые туманоуловители. Сер.: Промышленная и санитарная очистка газов/ Б. И. Мягков-: ЦНИИТЭнефтехим, 1973.-с.55-57.
3. Павлова К. А. Анализ закономерностей кинетики абсорбции формальдегида./ К. А. Павлова, И. А. Махоткин, А. Ф. Махоткин. Вестник технологического университета. 2015. Т18, №20. с. 27-28.
© И. А. Махоткин - канд. техн. наук. доцент каф. ОХЗ КНИТУ, [email protected]; Е. А. Махоткина - ст препод. каф «Экономики» КНИТУ; Н. А. Хамидуллина.- студент V курса каф. ОХЗ КНИТУ, [email protected].
© 1 A. Makhotkin - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Equipment for chemical plants» KNRTU, [email protected]; E. A. Makhotkina - senior lecturer of Department "Economy" KNRTU; N. A. Hamidullina -V student of the course faculty «Equipment for chemical plants» KNRTU, [email protected].
