Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технико-экологических аспектов чистки углеводородных газов от сероводорода 12
1.1. Актуальность разрабатываемой проблемы 12
1.1.2 Опасность сернистых соединений 17
1.1.3 Техногенные воздействия углеводородных газов 19
1.2. Требования к очистке малосернистых газов 21
1.3. Оценка условий промысловой добычи и переработки риродных газов 23
1.4 Анализ технологий очистки углеводородных азов от сероводорода 26
1.4.1. Хемосорбционные процессы очистки природного газа т сероводорода 28
1.4.2.Процессы очистки газа с использованием физической бсорбции 29
1.4.3.Процессы очистки газов с применением химических физических абсорбентов 31
1.4.4.Адсорбционные процессы 32
1.4.5. Окислительные процессы очистки углеводородных азов от сероводорода 33
1.4.6. Особенности аппаратурного оформления процессов чистки газов 36
1.4.7 Основные тенденции перспективного азвития методов очистки углеводородных газов39
Выводы по главе 47
Глава 2. Повышение эффективности окислительногопроцесса очистки углеводородного газа на основеисследования свойств сорбентов-окислителей 49
2.1. Методологические подходы и закономерности тилизации сероводорода из углеводородных газов 49
2.2. Анализ окислительных свойств хроматов и идроксида трехвалентного железа к сероводороду 53
2.2.1. Анализ исследований окислительных свойств идроксида трехвалентного железа 58
2.2.2. Анализ исследований окислительных свойств хроматов 61
2.3. Анализ процесса окисления сульфида железа гидроксида хрома кислородом воздуха 62
2.3.1. Анализ исследований процесса окисления ульфида железа кислородом воздуха 63
2.3.2. Анализ исследований процесса окисления идроксида хрома кислородом воздуха 64
2.4 Оценка физико-химических свойств и подбор катализатора ля поглотительного раствора утилизациисероводорода из углеводородного газа 65
Выводы по главе 66
Глава 3. Разработка состава бишофитногопоглотительного раствора для экологосберегающеиутилизации сероводорода в элементарную серу а основе режимных испытаний 68
3.1. Разработка состава поглотительного раствора 68
3.2. Экспериментальное изучение очищающей способности кислительного поглотительного раствора 70
3.3. Анализ работы СОУ на разработанном оглотительном растворе 78
Выводы по главе 80
Глава 4. Аппаратурно-режимная оптимизация роцесса очистки углеводородных газов т сероводорода бишофитным поглотительным аствором в промысловых условиях 82
4.1. Обоснование режимных параметров эффективной еализации окислительного процесса очистки на основе нтенсификации контакта газа с поглотительным раствором 82
4.1.1 Общие закономерности гидродинамики ормирования пенного слоя 83
4.1.2 Закономерности теплообмена при контакте газа и жидкости
4.1.3 Закономерности межфазного массобмена пенодинамическом слое 88
4.1.4 Зависимость степени обработки газа от кинетики процессов межфазного обмена в пенодинамическом слое 91
4.1.5 Обобщение режимных параметров эффективной еализации окислительного процесса очистки 93
4.2. Унификация схемы аппаратурного оформления азоочистной установки на основе использования нжекторно-пенных скрубберов-реакторов 94
4.2.1. Структура компоновочных схем модулированных установок 97
4.3. Модификация аппаратурной схемы газоочистной становки на основе использования инжекторно-пенных крубберов-реакторов (ИПС) для условий реализации кислительного процесса очистки 101
4.4. Определение режимных условий эффективного оглощения сероводорода бишофитным поглотительным раствором стабильной регенерации отработанного окислительного сорбента реакторе ИПС 105
4.4.1. Аппаратурное оформление и методика экспериментов 105
4.4.2. Состав оборудования экспериментального стенда 106
4.4.3. Методика проведения и оценки езультатов экспериментов 108
4.4.4. Гидродинамические характеристики образования енодинамического слоя 110
4.4.5 Охлаждение газа при контакте с жидкостью пенодинамическом слое 116
4.4.6 Массообмен при контакте газа с жидкостью пенодинамическом слое 123
4.4.7 Обобщение режимных условий эффективного оглощения сероводорода бишофитным поглотительным аствором и стабильной регенерации отработанного кислительного сорбента вреакторе ИПС 125
4.5. Оценка условий эффективной (устойчивой) эксплуатации газоочистной установки на основе реакторов ИПС 126
4.5.1 Технико-экономические показатели эксплуатациигазоочистной установки на основе реакторов ИПС 128
Выводы по главе 133
Основные выводы по работе 135
Библиографический список 136
Приложения 144
- Требования к очистке малосернистых газов
- Анализ окислительных свойств хроматов и идроксида трехвалентного железа к сероводороду
- Экспериментальное изучение очищающей способности кислительного поглотительного раствора
- Унификация схемы аппаратурного оформления азоочистной установки на основе использования нжекторно-пенных скрубберов-реакторов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост цен на газовое топливо и дефицит разведанных месторождений природных газов с отсутствием сернистых примесей ставит в ряд важнейших задач очистку от кислых примесей (в частности, от сероводорода), делающих невозможным использование таких газов в качестве топлива, а также вызывающих загрязнение окружающей среды, коррозию технологического оборудования и разрушение строительных конструкций.
В тоже время на территории России, и в частности, Нижнего Поволжья, разведано и законсервировано много газовых, нефтегазовых, газоконденсатных серосодержащих месторождений. Однако разработка данных газовых и нефтегазовых месторождений без обеспечения их эффективным сероочистным оборудованием может стать источником серьезных экологических осложнений, т.к. только двадцать одно месторождение Нижнего Поволжья в составе углеводородного газа содержат сероводород, концентрация которого варьируется от 0,01 до 7,5 об %.
Экологическую опасность сероводорода в большей мере определяет продукт его сжигания (сернистый ангидрид), который оказывает активное техногенное воздействие на окружающую среду, народохозяйственные и природные объекты.
Основное количество сернистого ангидрида выбрасывается в атмосферу в результате сжигания серосодержащего топлива в котельных ЖКХ, теплоэлектростанциях и промышленных печах. В среднем по Российской Федерации ежегодно в атмосферу поступает более 20 млн. т. вредных веществ, треть которых приходится на диоксид серы. Это делает чрезвычайно актуальным поиск путей сокращения объемов сернистых выбросов и их нейтрализации.
Наиболее эффективным направлением решения данной проблемы является обеспечение предварительной очистки углеводородного газового топлива и перевод на него всех крупных потребителей энергии.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.
Цель работы - разработка технологической схемы аппаратурного оформления очистки углеводородных газов от сернистых соединений для экологически безо-
пасного газоснабжения объектов промышленности, строительства и коммунального хозяйства;
-снижение антропогенного воздействия на окружающую среду выбросов H2S и SO2 на основе оптимизации окислительного бишофитного процесса селективной очистки углеводородных газов от сероводорода посредством повышения стабильности и эффективности утилизации сероводорода и повышения степени регенерации отработанного поглотительного раствора.
Основные задачи работы:
-разработка технологических основ окислительного бишофитного метода очистки углеводородных газовых сред от сероводорода с применением вихреинжекционного способа смешивания взаимодействующих фаз;
-повышение технологической и экономической эффективности окислительного бишофитного процесса;
-разработка состава поглотительного раствора для эффективной конверсии сероводорода в элементарную серу в широком температурном диапазоне;
-снижение антропогенного воздействия bbS на окружающую среду за счет оптимизации условий воздействия на него абсорбционного окислительного метода.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные исследования, математическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПК.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов расчета и натурными данными.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-разработана унифицированная технологическая схема аппаратурного оформления окислительного процесса очистки углеводородных газов от сероводорода поглотительным раствором на основе природного бишофита в пенодинамиче-ском слое на основе модульных принципов агрегатирования в аппаратах ИПС;
-разработаны теоретические принципы создания эффективной технологии утилизации сероводорода из углеводородных газов бишофитным поглотителем путем вихреинжекционного смешивания газожидкостной системы для экологически безопасного газоснабжения объектов промышленности и коммунального хозяйства;
-экспериментально установлено, что использование соли хромовой кислоты в комплексе с природным бишофитом (в качестве катализатора) имеет наибольшую реакционную способность. Наибольшая степень утилизации сероводорода наблюдается при рН 6-9 ед и в интервале температур -10-и-55С;
-экспериментально установлены технологические параметры регенерации отработанного окислительного сорбента поглотительного раствора, лежащие в области нейтральных и слабощелочных значений рН 6-9 ед и температурном режиме +20-=-+50 С;
-установлено, что эффективное достижение удовлетворяющих степеней извлечения сероводорода из обрабатываемого газа поглотительным раствором на основе бишофита и регенерации отработанного сорбента, может быть реализовано в инжекторно-пенных скрубберах (ИПС) при скорости газа Wr> 6 м/с посредством варьирования величины начального уровня жидкости в области значений h0 >0,0 м.
Практическая ценность работы:
-разработана эффективная технология очистки углеводородных газов от сернистых соединений, позволяющая вовлечь в разработку законсервированные серосодержащие месторождения для экологически безопасного газоснабжения объектов промышленности, строительства и коммунального хозяйства;
-разработан состав поглотительного раствора для утилизации сероводорода, содержащий активный сорбент хромовый ангидрид, выполняющий одновременно две задачи - сорбента окислителя сероводорода и ингибитора коррозии технологического оборудования газоснабжения - в среде раствора природного бишофита, обладающего каталитическими свойствами. Состав обладает способностью утилизировать сероводород с высокой эффективностью в температурном режиме -Ю-и-55 С, с получением элементарной серы. На новый поглотительный раствор разработаны технические условия (ТУ 2165-003-00147507-2000 "Поглотительный раствор для очистки газов от сероводорода");
-внедрен окислительный поглотительный раствор сероводорода в промысловых условиях. Раствор показал высокую утилизирующую эффективность к сероводороду в сложных природных условиях, способность легко регенерироваться кислородом воздуха без изменения первоначального состава и без выделения токсичных и вредных веществ. При этом он отличается низкой температурой замерзания (до -40С) и малой коррозионной активностью к технологическому оборудованию в системе газоснабжения.
Реализация результатов работы:
Внедрение выполненных работ позволило сократить выбросы и сжигание попутного нефтяного газа на факелах и использовать очищенный газ в производственных технологических нуждах и газоснабжении промышленных и коммунальных объектов.
Результаты работы вошли в руководящие документы:
"Поглотительный раствор для очистки газов от сероводорода" ТУ 2165-003-00147507-2000. Волгоград, 2000 г.
Себестоимость предлагаемого (нового) состава поглотительного раствора более, чем в 2 раза меньше ранее применяемого (известного). Эксплуатационные расходы только на химреагенты снижаются более чем на 4 тыс. руб./м3.
Материалы диссертационной работы использованы кафедрой ОВЭБ ВолгГАСА в курсах лекций, а также в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальностей "Теплогазоснабжение и вентиляция", "Инженерная защита окружающей среды".
На защиту выносятся:
-принципиальная схема аппаратурного оформления ресурсосберегающей технологии окислительного процесса очистки углеводородных газов от сероводорода поглотителем на основе раствора бишофита в пенодинамическом слое на основе модульных принципов агрегатирования;
-теоретические и экспериментальные результаты исследования физико-химических закономерностей утилизации сероводорода и процессов очистки серосодержащих углеводородных газов на основе бишофитного поглотителя в вихреин-жекционных пенодинамических реакторах;
-методика получения состава поглотительного раствора для утилизации сероводорода.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и получили одобрение на: научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ОАО "ЛУКОЙЛ" (г. Волгоград, 2001 г.); по итогам конкурса авторская работа "Утилизация попутных и факельных газов" была отмечена дипломом за второе место; на Х-ом юбилейном конкурсе молодежных разработок "ТЭК -2001" (г. Москва, 2001 г.); по итогам конкурса авторская работа "Бишофитовая технология очистки углеводородных газов от сероводорода" была отмечена дипломом за первое место; на 1-ой Международной конференции "Нефтегазоносность Казахстана" (г. Алматы-Атырау, 2001 г.); на XII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г. Тюмень, 2002 г.).
Публикации. Основное научное содержание работы изложено в 9 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем
работы -150 страниц, в том числе: 135 страниц - основной текст, содержащий 7 таблиц на 7 страницах, 43 рисунка на 43 страницах, список литературы из 101 наименований на 8 страницах, 2 приложения на 7 страницах.
Требования к очистке малосернистых газов
При разработке новых технологических процессов для очистки малосернистых газов от сероводорода недостаточно обеспечить только уменьшение его концентрации в обрабатываемом газе до требований ГОСТ 5542-87 на природный газ. Решение такой задачи можно обеспечить различными способами обработки газа - абсорбционными, адсорбционными или окислением сероводорода в жидкой фазе. Применительно к малосернистым газам необходимо выработать четкие дополнительные требования, учитывающие химический состав газа, возможность получения товарной продукции из сероводорода, защиту окружающей среды от токсичных сернистых соединений.
На основе детального анализа существующих способов очистки малосернистых газов от сероводорода разработаны дополнительные требования к технологическим схемам обработки таких газов (табл.1.1.) [24, 25].
Основные выводы проведенного выше анализа сводятся к следующему.
Технология газоочистки должна обеспечивать селективное извлечение сероводорода из газа в присутствии любых количеств двуокиси углерода. При этом следует учесть, что в составе малосернистых газов большинства месторождений концентрация СОг во много раз выше, чем концентрация H2S.
Одновременное извлечение из газа H2S и СОг, резко ухудшает все технико-экономические показатели процесса, так как основная доля затрат приходится на очистку газа не от HfeS, а от СОг.
Примечание. Технология обеспечивает (+) и не обеспечивает (-) выполнение поставленного требования.
Большинство абсорбционных способов не обеспечивают селективности очистки от НгБ в присутствии С02, а адсорбционные способы в современном исполнении позволяют только частично решить эту задачу.
Полностью обеспечивается селективность очистки газов от H2S в присутствии С02 только применением окислительных способов обработки.
Исключение выбросов в атмосферу токсичных сернистых соединений достигается при проведении процесса окисления H2S до элементарной серы или других нелетучих соединений. Все абсорбционные и адсорбционные способы обработки газа не позволяют в принципе решить эту задачу, так как в этих процессах отсутствует окислитель.
Абсорбционные (аминовые и др.) и адсорбционные (цеолиты) способы обработки газов позволяют удалить из обрабатываемого газа сероводород и сконцентрировать его на стадии регенерации сорбента. Для дальнейшего превращения сероводорода в элементарную серу необходимо строительство и эксплуатация дополнительной установки, на которой обязательно использование окислителя
Промысловое оборудование, используемое для очистки газов от сероводорода, необходимо защищать от коррозии. Установки сероочистки должны располагаться в начале технологической цепочки промысловой обработки газа, что позволит упростить всю технологическую схему по удалению из газа воды и тяжелых углеводородов, так как все оборудование может быть изготовлено в обычном не антикоррозионном исполнении. Извлеченные из газа вода и углеводородный конденсат не будут загрязнены сероводородом, а следовательно не потребуется специальной их очистки. Для этого можно использовать абсорбенты и окислители. Адсорбционную очистку размещать в начале технологической схемы промысловой обработки газа нельзя, так как наличие в газе тяжелых углеводородов отрицательно сказывается на поглотительной емкости цеолитов по сероводороду. Кроме того, углеводородный конденсат, полученный при регенерации адсорбента, будет содержать сероводород и потребует специальной очистки, что усложняет и удорожает процесс обработки газа.
Необходимо, чтобы технологию, которую применяют для очистки газового потока от сероводорода, можно было бы применять и для очистки от сероводорода углеводородного конденсата и газов стабилизации. Это возможно при использовании некоторых химических абсорбентов. Полностью поставленную задачу можно решить применением окислителей, используемых и для очистки от сероводорода основного газового потока. Все это позволит унифицировать оборудование и повысить экономичность процессов.
Анализ окислительных свойств хроматов и идроксида трехвалентного железа к сероводороду
Известно, что соли хромовой (хроматы) и двухромовой (бихроматы) кислот обладают сильными окислительными свойствами, что привлекает их использовать для очистки углеводородных газов и конверсии сероводорода в элементарную серу.
Поскольку, существование в водных растворах ионов хромовой и двухромовой кислот зависит в большей степени от рН раствора [31], то хромат-ион существует в щелочной среде, а биохромат-ион в кислой.
Соли хромовой кислоты при подкислении переходит в соли двухромовой, и наоборот, соли двухромовой кислоты при подщелачивании переходят в соли хромовой, т.е. хроматы - бихроматы согласно уравнению Следовательно, нас больше интересуют хроматы (в частности К2СЮ4), где окислительно-восстановительные процессы будут проходить преимущественно в области рН выше 7 ед.
Предварительную оценку возможности применения соединений трехвалентного железа, в частности гидроксида Fe+3 и хроматов (К2СЮ4), в качестве окислителя-утилизатора сероводорода можно получить на основании термодинамического анализа и расчета величин изобарно-изотермического потенциала AG реакций [30].
Реакции К2СЮ4 и Fe(OH)3 с сероводородом имеют отрицательное значение AG. Это свидетельствует о том, что они могут протекать самопроизвольно в прямом направлении с выделением тепла, при этом, чем выше абсолютное значение этого потенциала, тем выше вероятность осуществления реакции.
Положительное значение AG наоборот, показывает малую вероятность самопроизвольной реакции, где требуется наличие катализаторов.
На основании этого следует вывод о том, что К2СЮ4 и Fe(OH)3 могут хорошо взаимодействовать с сероводородом без катализаторов и меньшим влиянием различных физико-химических параметров.
Реакция сероводорода с гидроксидом трехвалентного железа проходит по основному уравнению
А также иногда имеет место и следующая реакция Схематически процесс окисления сероводорода хроматами (К2СЮ4) описывается уравнением: В данном случае процесс окисления сероводорода идет с получением элементарной серы и образованием гидроксида хрома Сг(ОН)з, который выпадает в виде нерастворимого осадка. Регенерация сорбента Fe2S3 кислородом воздуха (окислением сульфидной серы до элементарной) протекает по уравнению реакции: и в случае частичного образования FeS Процесс регенерации отработанного окислителя (окисление гидроксида хрома), можно также проводить кислородом воздуха по уравнению Из уравнения (2.10, 2.13) возникает следующие вопросы проблемного харак-тера: -образование щелочи, приводит к нежелательным изменениям рН раствора, что влияет на ход процесса очистки: -образование на стадии конверсии сероводорода в элементарную серу одновременно двух нерастворимых продуктов (серы и гидроксида хрома) создает неудобства технологического характера. В углеводородных (нефтяных, природных) газах всегда содержится углекислый газ СОг, растворимость которого в воде при 20С составляет 878 см3/л [31], поэтому при очистке их от сероводорода образующаяся в процессе окисления щелочь будет реагировать с растворенным углекислым газом по реакции
Образование бикарбоната в водном растворе придает ему слабо щелочные свойства в пределах рН=7,5-8,5 ед., а более высокие значения рН нельзя получить даже в насыщенных растворах из-за гидролиза бикарбоната в водных растворах, который протекает по реакции:
Следовательно, процесс утилизации сероводорода хромовым ангидридом будет протекать таким образом:регенерация отработанного хроматного окислителя описывается уравнением
Таким образом, нерастворимый гидроксид хрома регенерируется до растворимого хромового ангидрида, т.е. до первоначального хромата после чего производится процесс отделения серы и возвращения отрегенерированного раствора сорбента в систему очистки.
Суммарные реакции процесса очистки газа от сероводорода хроматным окислителем и, частично, от двуокиси углерода, с получением элементарной серы и выделением углекислого газа с отработанным воздухом выражаются уравнениями:
Для исследования утилизирующих свойств сорбентов-окислителей были изготовлены специальные реакционные колбы с боковым отводом. В таких колбах под пробкой не образовалось газовой шапки. Колба помещалась в ванночку, заполненную раствором ацетата кадмия Сс!(СНзСОО)2 так, чтобы пробка реакционной колбы находилась под уровнем ацетата кадмия (рис. 2.3), что позволило обнаружить утечку серводорода по пожелтению раствора ацетата кадмия. Для уменьшения летучести сероводорода реакционная колба перед отбором пробы раствора на анализ охлаждалась в водно-ледяной бане.
Методику определения реакционной способности реагентов-окислителей сероводорода проводили следующим образом:
В колбу 1 (рис. 2.3) наливали 105 мл холодной сероводородной воды, закрывали пробкой и помещали в холодильник (или водно-ледяную баню) на 15-20 мин. Затем из охлажденной колбы отбирали пипеткой 5 мл сероводородной воды и иодо-метрическим методом /5/ определяли концентрацию сероводорода.
Экспериментальное изучение очищающей способности кислительного поглотительного раствора
Для оценки эффективности поглотительных растворов для очистки углеводородных газов от сероводорода, наиболее простой и достоверной методикой является методика как было отмечено выше, которая основана на контроле концентрации сероводорода в системе до и после смешивания двух взаимодействующих фаз (се-роводородосодержащий газа с окислительным раствором) (см. гл.2). Этот принцип также подходит и для процесса регенерации сорбентов (окисление) кислородом воздуха.
Отношение конечной концентрации сероводорода в объеме обрабатываемого газа к начальной (исходной) концентрации в процентном отношении и будет величи- ной утилизирующей эффективности поглотительного раствора, т.е. степенью очистки газа.
Концентрацию сероводорода (исходную и конечную) в обрабатываемом углеводородном газе и соответственно кислорода в воздухе регенерации определяли хроматографическим методом в соответствии с ГОСТ 23781-87. Этот принцип и был заложен в основу настоящей методики.
Для избежания ошибок в определении концентрации сероводорода, связанных с его летучестью, экспериментальный стенд был оснащен специальными резиновыми подушками, предназначенными для отбора проб углеводородных газов, которые заполнялись как исходным, так и конечным (очищенным) углеводородным газом, для дальнейшего определения его состава и концентрации в нем сероводорода.
Для определения степени регенерации сорбентов кислородом воздуха опыты проводили аналогично процессу утилизации, отличие состоит в том, что значение степени регенерации непосредственно зависит от степени утилизации сероводорода и его концентрации, т.е. от количества восстановленных (отработанных) сорбентов, подлежащих регенерации.
Таким образом, была собрана лабораторная испытательная установка (рис. 3.1.), которая состоит из: баллона сжатого сероводородсодержащего углеводородного газа Бг; баллона сжатого атмосферного воздуха Бв; стеклянной абсорбционной колонки - реактора Кр, заполненной на половину керамической насадкой (кольцами Рашига) Н; резиновых подушек для сбора газа и воздуха П; холодильной ванны Вх, для получения заданных температур реакции; вентилей В; редукторов давлений Рд. Установка также оснащена средствами контроля и измерения: v - расхода; р - давления; т - температуры.
Исследования проводили при заданных температурах от минус 14 С до плюс 60С в начале проводили процесс утилизации сероводорода из углеводородного газа, после чего, таким же образом (раздельно) проводили процесс регенерации отработанного поглотительного раствора кислородом воздуха, подаваемого из баллона Бв.
По окончании каждого опыта резиновые подушки с исходными и конечными составами, как углеводородного газа, так и воздуха отправляли на дальнейшие анализы для определения концентрации активных реагентов H2S и Ог. Состав поглотительного раствора для проведения опытов приготовили согласно результатам полученным в разделе 3.1 настоящей работы, где массовое содержание активных сорбентов-окислителей сероводорода в поглотительном растворе были в расчете на СЮ4"2 -1,5 %.
Технические параметры также были в пределах параметров, приведенных в табл.3.1, где плотность растворов была около 1175 кг/м3, а рН в пределах 8,6 ед.
Расходы обрабатываемых углеводородного газа и воздуха на проведение двух раздельных опытов процессов утилизации и регенерации, были соответственно в объемах 50 и 10 литров, при этом пробы углеводородного газа после обработки на анализ отбирали в конце каждого опыта.
При проведении эксперимента давление в системе держали чуть больше атмосферного в пределах 0,12-0,13 МПа, таким образом условия проведения экспериментов были идентичны, а результаты исследования максимально достоверны.
На основе экспериментальных данных по определению как утилизирующей эффективности, так и регенерационной способности поглотительного раствора при различных температурах, были рассчитаны степени утилизации сероводорода (tN) и регенерации сорбентов кислородом (r)R). Степень утилизации сероводорода rN, процент определяли по уравнениюгде: GMCx И GKOH - концентрации сероводорода в исходном и очищенном газе, г; Vr - расход газа на утилизацию, л. Степень регенерации сорбентов rR, % кислородом воздуха определяли по уравнению где; \/ф - фактический расход кислорода на регенерацию, г; Vp - теоретический (расчетный) расход кислорода, г. Фактический расход кислорода на регенерацию Уф определяли по уравнению (3.3) где: Д С„г - разность концентрации кислорода в исходном и отработанном воздухе, VB - объем отработанного воздуха на регенерацию, л. Расчетное количество кислорода Vp, необходимое для полной регенерации отработанных сорбентов, определяли по уравнению где: 0,47 - мольный коэффициент реакции окисления сероводорода кислородом согласно уравнению (2.14). Согласно экспериментальным и расчетным данным результаты исследования представлены в табл. 3.2.
Для наглядности полученных данных в зависимости степени очистки газа (утилизации сероводорода) и восстановления поглотительного раствора (регенерации сорбентов) кислородом воздуха от температуры, результаты исследования оформили в виде графика (рис. 3.2., 3.3.).
Унификация схемы аппаратурного оформления азоочистной установки на основе использования нжекторно-пенных скрубберов-реакторов
Из анализа общих закономерностей явлений переноса (раздел 4.1) совмещение нескольких процессов извлечения целевых компонентов в технологию комплексной очистки можно представить как решение оптимизационной задачи на основе унификации их аппаратурного оформления. Очевидно, что в общем случае оптимальным может быть признан аппарат, который обеспечит достижение заданного результата с наименьшими материальными или энергетическими затратами — обычно в их стоимостном выражении [71]. Согласно уравнению (4.7) обеспечить сбалансированное сочетание этих показателей можно путём анализа вариаций ре-жимно-технологических параметров реализации процессов переноса, используя в качестве обобщающей оценочной характеристики степень интенсивности I.
Основываясь на проведённом анализе физико-химических факторов, характеризующих работу газожидкостного реактора, можно считать определяющим условием интенсификации процессов переноса зависимость значений AN, км, FN В уравнении (4.11) от степени перемешивания фаз в реакционной зоне аппарата. Из этого следует, что интенсивность работы реактора будет однозначно определяться доминирующим воздействием гидродинамических факторов формирования межфазной поверхности контакта.
Таким образом, сущность решения оптимизационной задачи селективных процессов в общем случае заключается в определении параметров выхода аппарата на предельный уровень напряжённости гидродинамического режима формирования межфазной поверхности, в условиях которого оценивается степень реализуемости процесса переноса ц по каждому целевому компоненту при совмещении начальных условий или в рамках совмещения граничных условий.
Технологически вывод аппарата вихрепенной видовой группы на условия напряжённого режима контакта фаз может быть достигнут определённым сочетанием нескольких или доминирующем воздействием одного из следующих характерных приёмов [72]: - повышением линейной скорости потока газа, отнесённой к сечению реакционной зоны; - повышением относительной скорости движения газовой и жидкой фаз в сечении реакционной зоны; - увеличением скорости ввода диспергируемой среды (газа) в сплошную фазу; - регулированием удельного расхода жидкости на орошение потока очищаемого газа; - повышением равномерности распределения дисперсной фазы в сплошной по сечению реакционной зоны аппарата.
Очевидно, что возможность эффективного сочетания и использования перечисленных приёмов преимущественно определяется конструктивным исполнением газожидкостного реактора [32]. В такой же мере конструкция аппарата определяет и удельное соотношение энергетических затрат, полезно реализуемых через повышение кы и формирование FN на достижение целевого результата N осуществляемого процесса и величины общих затрат, суммирующих все гидравлические потери тече ния разделяемого потока газа по технологическим элементам реактора [6, 84]. То есть, удельную долю энергетических затрат, отнесённых при заданной функциональной эффективности (результате процесса N) к каждому из составляющих элементной базы, правомерно рассматривать как аэродинамический показатель качества его конструктивного оформления. Из этого следует что на стадии аппаратурного оформления начальным условием решения оптимизационной задачи по параметру интенсивности I необходимо считать минимизацию удельной доли непроизводительных энергетических затрат на транспортирование газовой фазы по каждому составляющему элементной базы вихрепенного реактора, как аппарата комлексной очистки. Важно отметить, что гидравлическое сопротивление течению газа, эквивалентное величине транспортных энергетических затрат, зависит не только от конструкции отдельных деталей проточных элементов реактора, но в большей мере определяется их взаимосвязью и взаимным расположением [84].
Таким образом, доминирующим условием снижения доли энергетических затрат представляется совершенствование аэродинамических характеристик структурной схемы (структуры) и элементной базы реактора на уровне сборочных единиц [3, 2]. Очевидно, что основой эффективного выполнения этого условия служит обеспечение максимального уровня унификации как самой элементной базы, так и структурной схемы реактора комплексной очистки. При решении общей задачи рациональной минимизации видов, форм и типоразмеров элементной базы, применительно к рассматриваемому случаю, унификация структурной схемы однозначно означает минимизацию сборочных единиц, а также вариантов их компоновки как принципа составления из отдельных частей одного согласованного целого [9]. Очевидно, что минимизация вариантов компоновки (компоновочных схем) представляет собой фактор, определяющий направление и технические условия формирования элементной базы на уровне сборочных единиц, а следовательно, и условия их унификации. Общим подходом здесь справедливо считать сокращение числа сборочных единиц элементной базы до уровня, определяемого условиями совмещения селективных процессов в комплексную технологию очистки.
Исходя из этого, общую задачу унификации элементной базы реактора комплексной очистки следует рассматривать как агрегатирование её сборочных единиц в унифицированные блоки — процессоры определённого операционного назначения, состав которых должен отражать все стадии осуществляемого процесса (технологии) очистки, а собственная структура — специфику их реализации. При таком подходе вполне реальна компоновка структуры единичного реактора по одновари- антному принципу совмещения блоков-процессоров в технологические модули с трансформируемой структурной схемой [74], т.е. возможностью взаимозамены составляющих блоков-процессоров исходя из особенностей процесса очистки. Отсюда, в зависимости от компоновочного состава унифицированных блоков-процессоров, такие модули могут быть модифицированы с целью эффективного совмещения механизмов определённых процессов для усиления целевого воздействия на доминирующие свойства (или компоненты) на фоне подлежащих учёту других свойств (или компонентов).
Таким образом, структурно-функциональная унификация элементной базы на уровне блочно-модульного агрегатирования представляется средством изменения (совершенствования) в широких пределах функциональных характеристик модулей по виду и условиям реализации целевых процессов путём трансформирования компоновочного состава блоков-процессоров. На этом же основании можно считать реализуемым и математическое описание совмещаемых процессов, а также условий оптимизации и управления их режимными параметрами, исходя из общих формализованных моделей явлений переноса в газожидкостных системах
