CC BY
23
иркутским государственный университет путей сообщения
2. Гольштейн Е. Г., Третьяков Н. В. Модифицирован- 5. ные функции Лагранжа и методы оптимизации. - М.
: Наука, 1989. - 400 с.
3. Евтушенко Ю. Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. - 6. М. : Наука, 1982. - 432 с.
4. Чаплинский И. А., Дмитриева Т. Л., Гребенюк Г. И. 7. Совершенствование двойственных алгоритмов поиска экстремума в задачах оптимального проектирования конструкций // Изв. вузов. - 1990. - № 6 : Строительство и архитектура. - С. 19-24.
Шмит Л. А., Флери К. Синтез конструкций с помощью сочетания приближенных представлений и двойственных методов // Ракетная техника и космонавтика. - 1980. - Т. 18, № 10. - С. 126-137. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. - М. : Мир, 1975. - 536 с. Хог Э., Арора Я. С. Прикладное оптимальное проектирование. Механические системы и конструкции. -М. : Мир, 1983. - 478 с.
УДК 66.021
, N Рыжов Станислав Олегович,
аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств
Ангарской государственной технической академии, e-mail: clericne@mail. ru
Бальчугов Алексей Валерьевич,
д.т.н., доцент, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии, e-mail: balchug@mail. ru
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ДЕСОРБЦИИ ГАЗА ИЗ ЖИДКОСТИ НА НАСАДКЕ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
S. O. Rizshov, A. V. Balchugov
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF PROCESS OF DESORPTION OF GAS FROM THE LIQUID IN THE ELECTROMAGNETIC FIELD
Аннотация. Разработана технология процесса десорбции газа из жидкости на насадке в электромагнитном поле. Исследовано влияние электромагнитных колебаний и типа насадки на процесс десорбции газа из жидкости. Показано, что скорость десорбции может быть существенно увеличена за счет создания колебаний металлической насадки с помощью электромагнитного поля.
Ключевые слова: десорбция, массоперенос, электромагнитные колебания.
Abstract. Technology of process of desorption of gas from the liquid in the electromagnetic field is developed. Influence of electromagnetic fluctuations and type of a nozzle on process of desorption of gas from the liquid is investigated. It is shown that speed of desorption can be essentially increased due to creation of fluctuations of a metal nozzle by means of an electromagnetic field.
Keywords: desorbtion, mass transfer, electromagnetic fluctuations.
В промышленности процесс десорбции газов из жидкостей осуществляют, как правило, тремя способами: за счет снижения давления, за счет повышения температуры и при контакте жидкости с инертным газом. Процесс проводят в колонных насадочных аппаратах. Восстановление поглотителя с помощью процесса десорбции связано с большими трудностями, что объясняется низкой скоростью процесса, особенно при низких концентрациях газа в жидкости [1].
Предлагается технология процесса десорбции в условиях колебаний металлической насадки под воздействием на нее переменного электромагнитного поля. В соответствии с данным способом переменное электромагнитное поле создает колебания насадки, на которой осуществляется процесс десорбции, что приводит к ускорению массо-отдачи в жидкой фазе.
Данный метод интенсификации изучался на системе «СО2-вода» на различных типах насадок, параметры которых приведены в табл. 1.
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Таблица 1
Насадка Удельная Свободный Масса в 1
поверхность, м'1 объем 3 м , кг
Спиральная 410 0,91 667
Руло ниро ванная 115 0,98 42
сетка
Калиброванная 600 0,94 184
стружка
Эксперименты по исследованию кинетики десорбции за счет снижения давления проводились на установке, изображенной на рис. 1. Методика проведения экспериментов состояла в следующем. Десорбер 2 продувался углекислым газом, а в U-образный дифманометр заливалась дистиллированная вода, насыщенная углекислым газом при 1 ата. Далее в абсорбере 3 под давлением 2 ата дистиллированная вода насыщалась СО2, поступающим из баллона 4 через термостат 5. В термостате газ, температура которого несколько снизилась в результате дросселирования, подогревался до комнатной температуры. Полученный раствор из абсорбера 3 сливался в десорбер 1 и начинался отсчет по секундомеру с фиксацией показаний дифманометра 7. Скорость десорбции определялась на основе скорости роста давления в десорбере 1. Контакт между газом и жидкостью в десорбере осуществлялся на горизонтальной поверхности. Десорбер 1 представлял собой стеклянную цилиндрическую емкость объемом 1245 мл. Средний объем жидкости, заливаемой в десорбер в экспериментах, составлял 200 мл. В экспериментах использовались электромагниты 2, изготовленные из наборного П-образного сердечника из металлических пластин, сечением 15^15 мм. Диаметр сечения металлической проволоки 0,19 мм, число витков проволоки на одной катушке магнита - 4000. Катушки электромагнитов подключены к сети параллельно. Электромагниты питались током от промышленной сети с напряжением 220 B, частотой 50 Гц. Магниты работают попеременно с продолжительностью периода работы 0,01 с, что достигалось за счет установки в сеть двух полупроводниковых диодов, по одному перед каждым магнитом, в разных направлениях.
Концентрацию углекислого газа в воде после завершения десорбции определяли с помощью титрования водным 0,1н раствором NaOH. Начальную концентрацию газа в жидкости определяли на основе материального баланса, с учетом количества выделившегося газа.
Погрешность определения скорости десорбции по данной методике составляет около 10 %.
Рис. 1. Лабораторная установка: 1 - десорбер;
2 - электромагниты; 3 - абсорбер; 4 - баллон с СО2; 5 - термостат; 6 - манометр; 7 - и-образный дифманометр
Первый режим десорбции, который исследовался на установке (рис. 1), состоял в десорбции газа из жидкости через горизонтальную поверхность контакта фаз в отсутствие насадки и магнитного поля. Результаты представлены на рис. 2, где экспериментальные данные описываются кривой 1, а результаты расчета для десорбции в диффузионном режиме - кривой 2. Расчет скорости десорбции в диффузионном режиме проводился по уравнению из работы [2]:
л^ л D М = А- —.
V лт
(1)
где М - скорость десорбции, моль/м2с; А - движущая сила десорбции, моль/м3; т - время от начала контакта, с; Б - коэффициент диффузии, м2/с.
Экспериментальная скорость десорбции определялась по уравнению:
М = + РК2 XV + *К2/2)
RmTFt
(P0 +РёК 1 )(V0 + shM 1 /2)
RmTFt
где Р0 - атмосферное давление, Па; р - плотность жидкости в манометрической трубке, кг/м3; кМ -показания дифманометра, мм вод. ст.; Я^ - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К); Т -
иркутским государственный университет путей сообщения
температура, К; F - поверхность контакта, м ; г -время, с.
5 0,0025
§ 0,002 К
Ег 0,0015
ю
а
8 0,001
и 0,0005
О
-»-1 --2
20
40
60
80 100 Время, с
120 140 160
« 0 20 40 60 80 100 120 140 160
Время, с
Рис. 2. Скорость десорбции в диффузионном режиме
Из рис. 2 видно, что экспериментальная скорость десорбции несколько превышает диффузионную, что объясняется образованием пузырьков углекислого газа на стенках и дне емкости (пристеночным эффектом).
Далее исследовалась скорость десорбции на спиральной насадке, элементы которой представляют собой правильные металлические спирали длиной 40 мм и диаметром 5 мм, с шагом витка 13 мм. Результаты экспериментов представлены на рис. 3. На данном рисунке кривая 1 описывает экспериментальную скорость десорбции в присутствии спиральной насадки и электромагнитного поля, кривая 2 - в присутствии только насадки, кривая 3 - в отсутствие насадки и электромагнитного поля. Начальная концентрация газа в жидкости в отсутствие электромагнитного поля составляла 78 моль/м3, конечная - 72 моль/м3, а с электромагнитным полем соответственно 60,6 моль/м3 и 49,5 моль/м3. Анализ показывает, что средняя скорость десорбции газа в присутствии насадки и электромагнитного поля в течение первых 128 с на 18 % превышает скорость десорбции на той же насадке, но без электромагнитного поля. Из рис. 3 видно, что присутствие насадки само по себе приводит к резкому увеличению скорости десорбции (приблизительно в 2,5 раза), что происходит, по-видимому, за счет возникновения большого количества центров образования пузырьков газа на поверхности насадки (шероховатостей, неровностей поверхности и т.д.).
Результаты экспериментов с калиброванной стружкой представлены на рис. 4. Обозначения кривых на рис. 4 такие же, как на рис. 3.
Рис. 3. Скорость десорбции на спиральной насадке
Начальная концентрация газа в жидкости в отсутствие электромагнитного поля составляла 63,37 моль/м3, конечная - 52,33 моль/м3, а с электромагнитным полем соответственно 63,77 моль/м3 и 49,09 моль/м3.
| 0,007
§ 0,006 1
I 0,005
5
ю 0,004
8 0,003
| 0,002
§ 0,001 а
8 0
--»--3
20
40
60
80 100 120 140 160
Время, с
Рис. 4. Скорость десорбции на калиброванной стружке
Применение электромагнитного поля с данной насадкой позволяет увеличить среднюю скорость десорбции на 29 % (в течение 131 с после начала контакта). Более высокая эффективность насадки из стружки в сравнении со спиральной насадкой объясняется возникновением более интенсивных колебаний данной насадки под воздействием электромагнитного поля.
Наиболее эффективной оказалась насадка из рулонированной сетки, результаты экспериментов на которой представлены на рис. 5. Начальная концентрация газа в жидкости в отсутствие электромагнитного поля составляла 65,33 моль/м3, конечная - 54,11 моль/м3, а с электромагнитным полем соответственно 63,07 моль/м3 и 48,35 моль/м3. Анализ рис. 5 показывает, что применение электромагнитного поля на данной насадке приводит к увеличению скорости десорбции на 90 %. Это объясняется повышенной гибкостью и подвижностью сетки. Такие свойства насадки позволяют гораздо лучше воспринимать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.
0
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
На основе показаний дифманометра определялась скорость десорбции углекислого газа из воды, на основе чего можно рассчитать изменение движущей силы десорбции, которая рассчитывалась как разница рабочей и равновесной концентраций:
Д = C - C *.
2 0,008
£ 0,007
0
0,006
1 0,005 Н —»-1
§■ 0,004 - —-—2
g 0,003 J -«- з
¡5 0,002
° 0,001 т 0
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Время, с
Рис. 5. Скорость десорбции на рулонированной сетке
На рис. 6 отображено изменение движущей силы десорбции с течением времени, с использованием в эксперименте насадки из рулонирован-ной сетки и применением электромагнитного поля.
Рис. 6. Изменение движущей силы десорбции во времени
На рис. 7 представлены результаты экспериментов по трем типам насадок (в присутствии электромагнитного поля). Обозначения линий на рис. 7: 1 - рулонированная сетка, 2 - спираль, 3 -калиброванная стружка.
Анализ рис. 7 показывает, что наиболее эффективной является насадка из рулонированной сетки.
»—1 .... 2 к—3
0,008 2 0,007
JJ
¡ 0,006 1 0,005 | 0,004 I 0,003 | 0,002 f 0,001 0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 Время, с
Рис. 7. Скорость десорбции на различных насадках
По нашему мнению, механизм влияния колебаний насадки на интенсивность десорбции под воздействием электромагнитного поля состоит в следующем. Под воздействием колебаний насадки ускоряется отрыв пузырьков газа от поверхности насадки; возникает перемешивание в жидкости; образуются волны на поверхности жидкости, что приводит к увеличению коэффициентов массоот-дачи в жидкой фазе.
Представляло интерес исследовать влияние колебаний металлической сетки в электромагнитном поле на интенсивность десорбции углекислого газа из жидкости в поток инертного газа (воздуха). Эксперименты проводились на установке, изображенной на рис. 8.
Методика проведения экспериментов состояла в следующем. В абсорбере 5 дистиллированная вода насыщалась углекислым газом из баллона 7 при давлении 1 ата. Полученный раствор самотеком поступал в десорбер 1. С помощью воздуходувки 3 воздух подавался в десорбер 1, предварительно насыщенный парами воды в бар-ботере 4. Насыщение парами воды необходимо для исключения испарения воды в воздух в десор-бере и влияния этого процесса на десорбцию.
Расход воздуха определялся с помощью аппарата 8 по объему вытесненной воды за определенный промежуток времени, которое фиксировалось с помощью секундомера. Время контакта газа и жидкости в десорбере составляло 300 с. Поверхность контакта газа и жидкости составляла 0,0042 м2. Расход воздуха - 0,00008 м3/с. Скорость газа над поверхностью жидкости - 0,067 м/с.
иркутский государственный университет путей сообщения
Таблица 2
Опыт Начальная концентр. СО2 в жидкости, моль/м3 Конечная концентр. СО2 в жидкости, моль/м3 Скорость десорбции, 2 моль/м с
С сеткой без эл.-магн. поля 38,13 36,05 0,000227
С сеткой с эл.-магн. полем 38,5 32,06 0,000629
Таким образом, за счет колебаний насадки в электромагнитном поле скорость десорбции в потоке инертного газа возрастает в 2,7 раза по сравнению с диффузионным режимом массопереноса.
Высокая эффективность данного метода интенсификации процесса десорбции позволяет рекомендовать его применение в промышленности как для десорбции за счет снижения давления, так и для десорбции в поток инертного газа. Данный метод интенсификации массопереноса может с успехом использоваться наряду с другими физическими методами, применяемыми в настоящее время в промышленности [3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Рис. 8. Лабораторная установка: 1 - десорбер;
2 - электромагниты; 3 - воздуходувка; 4 - барботер; 5 - абсорбер; 6 - термостат; 7 - баллон с СО2; 8 - аппарат для измерения объема газа; 9 -О-образный дифманометр
Эксперименты по десорбции углекислого газа в поток воздуха проводились в присутствии рулонированной сетки с электромагнитным полем и без него.
Результаты экспериментов представлены в табл. 2.
1. Рамм В. М. Абсорбция газов. - М. : Химия, 1976. -620 с.
2. Динамика испарения / Дильман В. В., Лотхов В. А., Кулов Н. Н., Найденов В. И. // Теоретические основы хим. технологии. - 2000. - № 3.
3. Кардашев Г. А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. - М. : Химия, 1990. - 208 с.
