Содержание к диссертации
Условные обозначения 5
Введение 7
Способы удаления сероводорода из технологических га- 11 зов с выявлением наиболее перспективного. Анализ конструкций аппаратов для проведения процесса абсорбции. Исследование основных направлений интенсификации процесса.
Необходимость очистки технологических и природных газов 11 от серосодержащих соединений. Их классификация. Способы удаления серосодержащих компонентов из газовой 13 смеси и аппараты для его осуществления.
Общие сведения о процессе абсорбции 16
Основные типы аппаратов, для проведения процесса аб- 17 сорбции, их основные достоинства и недостатки
Пленочные (поверхностные) абсорберы 18
Насадочные абсорберы 20
Барботажные абсорберы 23
Распылительные абсорберы 25 Способы интенсификации массобменных процессов и пути 31 их реализации
Интенсификация массообменных процессов при использо- 33 вании вихревых эффектов
Преимущества проведения массообменных процессов в ап- 33 паратах вихревого типа
Способы и устройства формирования закрученных потоков 34 Кавитирование жидкой фазы как способ интенсификации 38 массообменных процессов
Выбор прототипа устройства для проведения массообмен- 39
ных процессов с выявлением его основных достоинств и недостатков
Разработка конструкции и методики расчета устройства 41
для распыления жидкости
Процесс дробления дисперсной жидкости 41
Описание конструкции и принципа работы форсунки 45
Изменение скорости в канале форсунки 48
Дробление капельной жидкости в потоке закрученного газа 51
Влияние сил сопротивления на движение дисперсной фазы в 58
закрученном потоке сплошной
Теоретическое определение угла раскрытия факела распыла 64
Варианты конструкций устройств подвода жидкой фазы 66
Разработка устройства для смешивания при прямотой- 69
ном движении сред
Оценка эффективности прямоточного смесителя 70
Описание исследуемой расчетной модели 73
Оценка работы диафрагмовых смесителей 75
Исследование смесительных устройств вихревого типа 77
Изменение основных характеристик при изменении длины 77 шага шнека
Исследование изменения дисперсии концентрации после 81 вихревого смесителя с постоянным шагом
Изменение основных характеристик при изменении количе- 83 ства витков шнека
Разработка конструкций прямоточных смесителей с исполь- 86
зованием аксиальных закручивающих устройств
Использование в смесителе шнека переменного сечения 86
Использование в смесителе нескольких шнеков на одной оси 90
Использование в смесителе перфорированных шнеков 94 Совершенствование конструкции массообменного аппа- 98
4 рата для проведения процессов в системе «газ-жидкость»
Разработка конструкций массообменных аппаратов 98
Опытно-промышленные испытания кавитационно-вихревого 101 абсорбера на предварительной сероочистке коксового газа ООО «ЛУКОЙЛ - Пермнефтегазопереработка»
Основные выводы 108
Список литературы ПО
Приложение
5 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
<уж - поверхностное натяжение жидкой фазы, Н/м; рж, рг - плотности жидкой и газовой фазы, кг/м3; /иж, цг - динамические вязкости жидкости и газа, Па-с;
и - разность скоростей жидкости и обдувающего ее газа, м/с; ип, и0С1, и„ - радиальная, осевая и тангенсальная составляющая вектора разности скоростей жидкости и обдувающего ее газа, м/с; гк - радиус капли, м;
<р - коэффициент сопротивления движению капли; R^ - радиус входного патрубка форсунки, м;
S^ - площадь поперечного сечения входного патрубка форсунки, м ;
А/, - длина образующей усеченного конуса для заданной точки канала форсунки, м;
а - угол раствора срединной конической поверхности канала в корпусе форсунки; Рвх> Рс ' давление жидкости на входе и в рабочей части сопла, Па;
Д - отклонение вектора скорости в заданной точке от ради-ально-осевого направления;
к, - степень изменения площади проходного сечения канала или сопла форсунки в заданной точке по отношению к площади поперечного сечения входного патрубка;
Є - коэффициент сопротивления форсунки (можно принять равным коэффициенту сопротивления сопла);
Р - отклонение вектора скорости на выходе из форсунки от радиально-осевого направления;
Уж - общая начальная скорость жидкости, м;
сог - угловая скорость вращающегося потока газа, с"1;
Яф - начальный радиус вращения жидкости (радиус кольце
вого сопла форсунки), м;
d - диаметр капли, м;
, а, - радиальная, осевая и тангенсальная составляющая век
тора ускорения вызванного силой сопротивления, м/с2;
а - дисперсия концентраций в заданной плоскости;
С - концентрация в произвольной точке плоскости;
Сср - средняя концентрация в заданной плоскости;
V - критерий неоднородности поля концентрации;
h - длина шага шнека, м;
Ар - перепад давления, Па;
Уср - средняя скорость потока, м/с;
D - диаметр трубы, м.
Введение к работе
Основным видом оборудования предприятий химической и нефтеперерабатывающей промышленности являются массообменные аппараты. В таких аппаратах осуществляется процесс переноса вещества из одной фазы в другую. Интенсификация массообменных процессов дает возможность увеличить производительность технологических аппаратов, уменьшить их габаритные размеры, металлоемкость, сократить потребление энергии и многое другое.
Абсорбция, как один из видов массообменных процессов, применяется: с целью получения готового продукта в виде насыщенного сорбента (при этом абсорбцию проводят без десорбции), извлечения ценных компонентов из газовой смеси и очистки газа от примесей перед их использованием в технологических процессах или перед их выбросом в атмосферу.
Одним из перспективных направлений интенсификации абсорбционных, как и других видов тепло- и массообменных процессов, является проведение процесса в условиях закрученного движения потоков, при котором взаимодействующие между собой среды движутся не только поступательно, но и вращательно, что позволяет без значительных изменений габаритных размеров устройства, за счет увеличения скорости, турбуллизировать поток, повышая тем самым коэффициенты массоотдачи. Кроме этого, при закрученном движении потоков наблюдается повышение эффективности перемешивания, приводящее к увеличению удельной поверхности контакта фаз и гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности.
Для создания и поддержания закрученного движения зачастую целесообразно использовать энергию потока, что позволяет не только уменьшить габаритные размеры, но и существенно упростить конструкцию устройства, облегчая тем самым разработку компактных, малогабаритных массообменных аппаратов.
8 Таким образом, совершенствование конструкций прямоточных массооб-менных устройств для проведения абсорбционных, как и других видов обменных процессов, путем создания и оптимизации вихревого движения контактирующих потоков является актуальной задачей.
На основании вышеизложенного, были определены основные задачи исследования:
Разработать конструкцию камеры предварительного смешения газовой и жидкой фазы, а также методику расчета ее основных параметров.
Разработать конструкции устройств для прямоточного вихревого смешения и систему критериев для оценки эффективности их работы.
На основе проведенных исследований совершенствовать ранее существующие конструкции прямоточных массообменных устройств для проведения процесса абсорбции путем оптимизации вихревого движения, контактирующих потоков.
Проверить в промышленных условиях теоретические расчеты и про-ектно-конструкторские решения с целью повышения эффективности массообменного процесса в системе «газ-жидкость».
Научная новизна.
Построена математическая модель движения дисперсных частиц во вращающемся потоке газа, а также предложена методика расчета размеров капель жидкости, образующейся в закрученном потоке сплошной фазы, на основе которых доказана возможность вторичного дробления капель на периферии вращающегося потока.
Предложена система критериев для оценки эффективности работы прямоточных смесителей, предназначенная для оптимизации гомогенных процессов с использованием подобных устройств.
9 Выявлены качественные зависимости основных характеристик устройств для прямоточного смешения на основе закручивающих устройств, выполненных в виде шнеков, от их геометрических размеров.
Практическая значимость.
Разработана конструкция прямоточного распыливающего устройства для очистки газов (патент 66218 РФ), а также его модификации (патенты 70153, 70815 РФ), использование которых позволит интенсифицировать мас-сообменный процесс абсорбционного поглощения из газовой смеси гомогенных примесей. С целью увеличения угла факела распыла разработана конструкция устройства для диспергирования жидкой фазы (патент 68653 РФ).
Конструкция кавитационно-вихревого абсорбера (патент 70153 РФ) бы-ла испытана и внедрена на ООО «ЛУКОЙЛ - Пермнефтегазпереработка» (г.Пермь) для предварительной очистки газа коксовой установки от сероводорода.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
на III Всероссийской научной конференции «Теория и практика массо-обменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)» (г.Уфа, 2006 г.);
Международной научно-практической конференции «НЕФТЕГАЗО-ПЕРЕРАБОТКА И НЕФТЕХИМИЯ - 2007» (г. Уфа, 2007г.);
VIII Международной молодежной научной конференции «Севергео-экотех-2007» (г. Ухта, 2007 г.);
Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.);
XI региональном конкурсе научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа (г. Уфа, 2007 г.);
Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно - энергетического комплекса» (г. Уфа, 2007 г.);
Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008» (г. Москва, 2008 г.);
региональной научно-практической конференции «Технология, автоматизация, оборудование и экология промышленных предприятий» (г. Стерлитамак, 2008 г.).
Основное содержание работы изложено в 15 публикациях, из них 4 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК и 1 статья - в центральной печати; также получено 4 - патента РФ на полезную модель.
Работа выполнена на кафедре «Пожарная и промышленная безопасность» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет».
