Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и практики процессов разделения газо(паро)жидкостных систем в циклических режимах 6
1.1. Гидродинамика и массоперенос в газо(паро)жидкостных системах при циклических режимах 7
1.2. Анализ существующих математических моделей процесса массообмена в циклическом режиме 19
1.3. Аппаратурное оформление процессов массообмена в циклическом режиме 34
1.4. Цель и задачи исследования 46
Глава 2. Новые конструктивные разработки контактных массообменных устройств с циклическим режимом работы 48
2.1. Массообменный аппарат с беспереливными поворотными тарелками 49
2.2. Тарельчатый аппарат для тепло- и массообмена между газом(паром) и жидкостью в условиях контролируемых циклов 51
2.3. Способ проведения процесса массообмена в циклическом режиме с использованием байпасной линии 54
2.4. Тарельчатый массообменный аппарат для обработки газо(паро)жидкостных систем в циклическом режиме 57
Глава 3. Математическое моделирование рабочих стадий массообменного аппарата с циклическим режимом работы 61
3.1. Определение времени межфазного взаимодействия на контактных элементах колонны 62
3.2. Закономерности массопереноса при межфазном взаимодействии 67
3.3. Расчёт времени слива жидкости с тарелки 69
3.4. Расчёт «проскока» газа в период слива жидкости 76
3.5. Расчёт площади проходного сечения для газа(пара) при сливе жидкости 77
3.6. Определение концентрации газа(пара) на входе в контактную ступень с учётом «проскока» 78
Глава 4. Экспериментальное изучение процесса массообмена на примере абсорбции газов 82
4.1. Анализ кинетики процесса абсорбции в барботажных аппаратах 82
4.2. Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов 85
4.2.1. Схема и описание экспериментальной установки 85
4.2.2. Методика проведения эксперимента и обработка опытных данных 86
4.3. Результаты экспериментальных исследований 91
4.4. Идентификация математической модели процесса абсорбции на контактном устройстве, работающем в циклическом режиме 96
Выводы 97
Литература
- Анализ существующих математических моделей процесса массообмена в циклическом режиме
- Тарельчатый аппарат для тепло- и массообмена между газом(паром) и жидкостью в условиях контролируемых циклов
- Закономерности массопереноса при межфазном взаимодействии
- Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов
Введение к работе
Широкое распространение в последние десятилетия в химической и нефтехимической промышленности, энергетике получили аппараты барботажного типа для очистки газовых выбросов от вредных компонентов. Однако, промышленная эксплуатация таких аппаратов выявила ряд их существенных недостатков.
Один из них - низкая предельная скорость но газовой фазе (не превышающая 1.5 м/с), что исключает их использование при больших объёмах газовых выбросов, поскольку увеличение диаметра колонной аппаратуры этого типа ведёт к резкому снижению эффективности контактных устройств. В этой связи представляется перспективным использование для целей абсорбционной очистки больших объёмов промышленных газовых выбросов аппаратов, работающих в циклическом режиме.
Вместе с тем, несмотря на ряд исследований, позволяющих сделать вывод о перспективности такого конструктивного оформления абсорбционных аппаратов, отсутствие научно обоснованных меюдои расчёта и проектирования сдерживает их промышленную реализацию. Поэтому представляет; несомненный практический и научный интерес исследование основных характеристик барботажных аппаратов, работающих в циклическом режиме, с целью выявления оптимальных режимов их работы.
Анализ существующих математических моделей процесса массообмена в циклическом режиме
Имеющаяся в распоряжении исследователя математическая модель технологического процесса открывает большие возможности для прогнозирования развития этого процесса, расчета основных характеристик, эффективного управления параметрами, а также позволяет изучить влияние различных условий реализации процесса на конечный продукт. Многочисленные работы [45-49] показали высокую эффективность математического моделирования, позволяющего, в ряде случаев, значительно сократить путь от принципиальной разработки процесса до его аппаратурного оформления и внедрения в промышленную практику.
Однако следует иметь в виду, что от того, насколько полно и правильно выбранная модель отражает характерные особенности рассматриваемого процесса зависит успех исследования и ценность полученных выводов. При этом не всегда уровень теоретических и экспериментальных знаний дает возможность сформулировать адекватное математическое описание процесса в форме набора уравнений переноса с соответствующими начальными и граничными условиями. Принимаемые допущения об учете или неучете некоторых явлений, происходящих в аппарате, зачастую значительно искажают суть изучаемого технологического процесса. В зависимости от этих допущений математические модели одного и того же процесса или аппарата могут иметь существенно различный вид. Этим, на наш взгляд, и объясняется наличие нескольких моделей массообмена в циклическом режиме, отражающих с различной степенью точности реальный процесс.
Одним из первых математическую модель ректификации в циклическом режиме предложил Соммерфельд [4]. Модель разработана с допущениями, что жидкость перетекает с тарелки на тарелку в режиме идеального вытеснения (ИВ) и в это время массообмена не происходит; в период прохождения пара жидкость на тарелке полностью перемешана.
Были предложены уравнения материального баланса для парового периода: dt и периода движения жидкой фазы: хьп=Фх:+1+а-Ф)х:, где Н - количество жидкости (задержка жидкости) на тарелке; х„- концентрация низкокипящего компонента (НКК) в жидкости на п-ой тарелке; х„ -концентрация НКК в жидкости к началу периода движения пара на п-ой тарелке; x„v- концентрация НКК в жидкости к концу периода движения пара на п-ой тарелке; „./-концентрация НКК в паре, покидающем (п-1) тарелку; уп - концентрация НКК в паре, покидающем n-ую тарелку; Ф - доля жидкости, стекающей с тарелки в период жидкостного потока; V - расход пара в паровой период. Уравнение справедливо для 0 Ф 1. В случае 1 Ф 2 (то-есть жидкость проваливается более чем на 1 тарелку) уравнение примет вид: =(Ф-2)х;+3+(3-Ф) :+2.
Отмечается, что в этом случае эффективность циклического режима падает, максимальная эффективность достигается при Ф=1.
Однако, применяемые в промышленности колонны, как показывают исследования [5,25], не обеспечивают режима ИВ, и поэтому модель не может быть использована для расчета реальных аппаратов без учета степени смешения жидкости.
В [13] предложена комбинированная модель с учетом смешения жидкостей соседних тарелок. В модели предполагается, что жидкость на тарелке делится на 2 слоя: слой идеального перемешивания (ИП) и идеального вытеснения (ИВ). В начальный период стекания жидкости с тарелки на тарелку, пока струи жидкости с вышележащей тарелки не достигли поверхности нижележащей тарелки, жидкость стекает в режиме ИВ. В дальнейшем, то-есть после после касания струй жидкости нижележащей тарелки, жидкость, стекающая с верхней тарелки будет смешиваться с жидкостью не успевшей стечь с нижней тарелки. Степень смешения характеризуется коэффициентом у , равным доле задержки жидкости Н, находящейся в состоянии ИП. Уравнение материального баланса в жидкостный период цикла записывается в виде: TTdzn ФНГТТ, ч . ФН , чл v lH- = —[U(t-xD)zn+l(tD)-zn] + —[l-u(t-xD)]xvn, at т т 1-у где xD =—Lx; - время транспортной задержки, представляющее собой время, которое потребуется элементам жидкости для проскока одной тарелки; xL - время жидкостного периода в цикле; U(t -iD)- функция транспортной задержки, принимающая значения [\, при t xD , zn- текущая концентрация жидкости в слое ИП на n-ой тарелке.
Тарельчатый аппарат для тепло- и массообмена между газом(паром) и жидкостью в условиях контролируемых циклов
Подача жидкости в аппарат осуществляется через штуцер 10, вывод -через штуцер 11. Под штуцерами 10 располагаются желоба 12, установленные с возможностью поворота относительно горизонтальных осей 13, которые несколько смещены относительно центра тяжести желобов так, чтобы обеспечивать поворот желобов в сторону приемных карманов тарелок. Для удержания желобов в горизонтальном положении служат фиксаторы 14.
Каждая тарелка снабжена поперечными перегородками в виде пластин 15 и 16, размещенными таким образом, что из двух соседних перегородок одна плотно примыкает к полотну тарелки (пластины 16), а другая установлена к нему с некоторым зазором (пластины 15).
Аппарат работает следующим образом. Газ или пар (пунктирные стрелки) подается в аппарат через патрубок 8 и, пройдя поочередно через все тарелки выводится через патрубок 9. На каждой тарелке осуществляется межфазный обмен теплом и массой между газом (паром) и жидкостью.
Жидкость (сплошные стрелки) через штуцера 10 подается в желоба 12. По мере заполнения центры тяжести желобов смещаются к концу, обращенному к приемным карманам 5, и, в конечном итоге, желоба поворачиваются, сливая жидкость в приемные карманы.
Освободившись от жидкости, желоба возвращаются в горизонтальное положение, упираясь в фиксаторы 14., и начинают заполняться новой порцией жидкости. Из приемного кармана порция жидкости, поступает на тарелку, вытесняя находящуюся на ней жидкость, которая через переливные устройства 7 стекает с тарелки на тарелку и выводится из аппарата через штуцер 11.
Наличие поперечных перегородок 15 и 16 предотвращает продольное перемешивание жидкости на тарелке, создавая благоприятные условия для межфазного обмена.
Работа желобов, регулирующих подачу жидкости, обеспечивает непрерывную работу тарелок в условиях циклического режима. Характеристики пульсирующего потока жидкости нетрудно устанавливать, изменяя величину смещения горизонтальной оси 13 относительно центра тяжести желоба.
Таким образом, конструктивная компоновка аппарата позволяет обеспечить контролируемую циклическую подачу жидкости во всем рабочем диапазоне и устранить нежелательное перемешивание жидкости на тарелках.
Известен ряд способов осуществления массобмена в газо(паро) жидкостных системах при циклическом режиме работы, основанных на попеременной подаче с помощью клапанов взаимодействующих фаз (пара и жидкости) в многоступенчатый аппарат. В одном из них (авт.свидет. СССР № 1005804, п. В01 D3/00, 1983 г.), в частности, для увеличения производительности и устойчивости работы аппарата предусматривается в период подачи жидкости отсечение потока пара из колонны в конденсатор. Однако в условиях крупнотоннажных производств довольно затруднительно осуществить согласование работы клапанов, установленных на линиях подачи питания, подачи и вывода паровой фазы, подачи греющего пара в куб из-за большой инерционности системы. Это усложняет практическую реализацию способа. Кроме того, при отсечении потока пара из колонны подача хладоагента в дефлегматор продолжается, обусловливая его непроизводительный расход. Следует также отметить, что во всех известных способах при прекращении подачи пара жидкость стекает со всех тарелок одновременно по всей высоте колонны. Это приводит к перемешиванию жидкости на тарелках: жидкость, стекающая с вышележащей тарелки, смешивается с жидкостью, находящейся на нижележащей тарелке. Такое явление, как известно, приводит к уменьшению движущей силы массопереноса.
В рассматриваемом способе при обеспечении циклического режима работы подача пара и жидкости осуществляется непрерывно. При этом исключаются резкие колебания давления в кубе и дефлегматоре и непроизводительный расход хладоагента. Использование байпасных линий позволяет создать в колонне пульсирующие потоки пара и жидкости, исключив её смешение на тарелках.
Закономерности массопереноса при межфазном взаимодействии
При разработке методов расчета аппарата, работающего в условиях контролируемых циклов, одним из важных факторов, влияющих на режим его работы, является и среднее фиксированное время стекания жидкости с тарелки.
В связи с этим возникает необходимость решения задачи о неустановившемся движении слоя жидкости с наклонной плоскости тарелки.
К числу первых работ по определению механизма течения тонких слоев (пленок) жидкости относится работа Нуссельта [86].
Он исследовал пленочные течения в связи с проводимыми им исследованиями процесса теплопередачи при конденсации пара. Было экспериментально установлено, что движение пленки конденсата по вертикальной стенке характеризуется ламинарным режимом и показано, что максимальная скорость наблюдается на поверхности пленки, а средняя скорость в 1,5 раза меньше максимальной.
Для определения средней толщины пленки Нуссельт использовал уравнение Навье-Стокса в условиях установившегося одномерного потока. Этот вывод является классическим. Для наших условий при сливе жидкости с тарелки, последняя отклоняется от горизонтали на угол Р, и жидкость, имеющая вначале скорость равную нулю, начинает стекать вниз по колонне под действием силы тяжести с переменной скоростью, зависящей от времени. Другими словами, при работе колонны в циклическом режиме для определения скорости стекания жидкости необходимо решать задачу для неустановившегося процесса.
Рассмотрим движение вязкой жидкости по наклонной плоскости (тарелки) под действием силы тяжести в отсутствие волнообразования на ее поверхности. Жидкость, стекающая ламинарно, будет находиться в равновесии под действием сил тяжести и внутреннего трения.
Для одномерного потока, движущегося вдоль оси х (W =0,WZ = 0), при постоянстве давления по направлению движения (рассматривается безнапорное движение слоя жидкости, когда — = 0) и внешней объемной дх силе X = gsin3, уравнения Навье-Стокса и неразрывности преобразуются в следующие: d2Wr d2W„ d2W„ v dwx + WX dWx дх dWx = 0. = „пР + у_, + _, + _,, ад (ЗЛО) дх здесь х, у, z декартовы координаты. (dW Л В силу независимости Wx от координаты z —- = 0 по условию \dz ) задачи и на основании уравнения неразрывности потока (ЗЛО) система (3.9) - (ЗЛО) приводится к виду dWx . . d2Wx Это линейное дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка будем решать аналитически. Постановка задачи
Дана плоская горизонтальная поверхность (плоскость тарелки), на которой находится слой покоящейся жидкости толщиной 5 (рис.26).
В некоторый момент времени, условно принятый за ноль, указанная поверхность мгновенно поворачивается относительно горизонтальной оси на угол Р и жидкость начинает стекать с нее под действием силы тяжести.
Возникающая при этом сила трения жидкости о поверхность препятствует ее движению с наклонной плоскости тарелки. Рассматривается ламинарное безнапорное течение жидкости по поверхности тарелки с учетом сил трения и тяжести. Сила трения на свободной поверхности жидкости, в виду ее малости, не учитывается.
Требуется определить профиль скорости стекающей жидкости во времени и среднюю скорость течения.
Сформулируем математическую постановку задачи. При этом для упрощения опустим индекс х при W.
Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов
Исследование процессов гидродинамики и массообмена проводилось на установке, схема которой представлена на рис. 32.
Подача воздуха в аппарат осуществлялась вентилятором высокого давления 2, установленным вне рабочего помещения. Подогрев воздуха до необходимой температуры производился в электрокалорифере 9, который представляет собой трубу с размещенной внутри нихромовой спиралью. Регулирование температуры воздуха осуществлялось с помощью электрической схемы, включающей в себя температурное реле ТРР-2М и контактный термометр 8. Расход воздуха замерялся с помощью диафрагмы 4 с U - образными дифманометрами 7. Регулировка расхода производилась шиберами 5 и 6. Вода, необходимая для проведения экспериментов, поступала из напорного бака 10. Контроль за наполнением бака вёлся визуально по уровнемерному стеклу. Из напорного бака 10 вода поступала в экспериментальный аппарат 1, откуда выводилась в канализацию. Расход воды перед аппаратом замерялся с помощью ротаметров РС-5 и РС-7 (12 и 13) и регулировался вентилем 11.
Температура воды регулировалась с помощью ТЭНа, который включался в работу через температурное реле и контактный термометр 14. Корпус аппарата имел диаметр 300 мм и был выполнен из оргстекла, что позволяло вести визуальные наблюдения.
С целью проверки адекватности полученного математического описания, были проведены эксперименты по массопередаче, лимитируемой сопротивлением газовой (абсорбция аммиака из аммиачно-воздушной смеси водой) и жидкой (абсорбция кислорода из воздуха водой) фаз.
При изучении массопередачи, лимитируемой сопротивлением газовой фазы, в воздушную линию из баллона 16 подавался аммиак, расход которого регулировался редуктором и определялся по реометру 17 (см. рис. 32). Концентрация аммиака в воздухе и в воде определялась химическим анализом, причем газовая фаза на анализ отбиралась в двух точках: на входе в контактное устройство (точка «г») и выходе из контактного устройства (точка «в»). Пробы жидкости отбирались на входе в контактное устройство (точка «а») и выходе из него (точка «5»). Пробы газа объёмом 1 л отбирались при помощи аспираторов 3 (рис. 22) через колбы Дрекселя 3, в которые предварительно заливалось 25 мл примерно 0.1 н раствора серной кислоты. Аммиак, содержащийся в смеси, взаимодействовал с частью серной кислоты, а остаток кислоты оттитровался 0.1 н раствором едкого натра.
Концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси: У = - -, г/г. (4.3) Ят3+Яв Концентрация аммиака в жидкой фазе рассчитывалась по формуле: 17.03 w: IOOOKT ( где: VK - объем серной кислоты, пошедшей на титрование жидкой пробы, мл; V - объём пробы, взятой на титрование, мл. Проверка материального баланса по поглощаемому компоненту проводилась по уравнению: L{хвых -хю) = в{Увх -увых). (4.5)
Дальнейшей обработке подвергались опыты, расхождение материального баланса в которых не превышало 10 %. Константа фазового равновесия определялась по данным работы [91].
При проведени экспериментов по изучению массопередачи в жидкой фазе напорный бак 10 (рис. 33) заполнялся дистиллированной водой, с помощью контактного термометра 14 устанавливалась температура воды с точностью до 0.5 С.
С помощью задвижек 5 и 6 устанавливался расход воздуха, контактным термометром 8 регулировалась его температура.
После достижения устойчивого режима работы аппарата производился отбор проб жидкости в точках «а» и «б» (рис. 33) и снимались показания приборов.
Анализа газовой фазы не проводилось, т.к. изменение концентрации газа было настолько мало, что его нельзя измерить обычными способами газового анализа.
При анализе содержания кислорода в жидкой фазе использовался датчик, работающий на принципе гальванического элемента с серебряным катодом и цинковым анодом [92]. Электроды датчика размещались в корпусе диаметром мм, наполненного жидким электролитом (раствор KG), который отделён от исследуемой жидкости мембраной из тефлона. Растворённый в исследуемой жидкости кислород диффундирует через мембрану в электролит, где происходит реакция 02 + Н20 + 4ё - 40Н (4.6) Zn- Zn+++2e (4.7)
В результате реакции напряжение тока, возникающего в элементе, прямо пропорционально концентрации растворимого в жидкости кислорода.
Калибровка датчика осуществлялась путем фиксации напряжения тока при нескольких значениях концентрации кислорода в жидкости, определяемых методом Винклера при различных температурах. Метод основан на легкой окисляемости в щелочной среде свежеосажденного гидрата закиси марганца кислородом, растворенным в воде Мп(ОН)2 +1/2 02+Н20 = Мп(ОН)4 (4.8)
В кислой среде гидрат окиси марганца является сильным окислителем, легко окисляющим ионы йода в элементарный йод Мп{ОН), + 2KJ + AHCl = MnCl2 +J2+ 2КС1 + 4Н20 (4.9) Количество поглощенного кислорода определялось путём оттитровывания выделившегося йода тиосульфатом натрия.
