Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Массообменные аппараты с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки, их использование в химической технологии и природоохранных процессах (литературный обзор) 10
1. Аппараты с трехфазным псевдоожиженным слоем 11
1.1. Конструктивные схемы 11
1.2. Характеристика насадочных тел, применяемых в абсорбционных аппаратах 15
1.2.1. Регулярные стационарные насадки 15
1.2.2. Насыпные неподвижные насадки 16
1.2.3. Псевдоожиженные насадки 17
1.3. Особенности трехфазного псевдоожиженного слоя 19
1.4. Гидродинамические исследования аппаратов с псевдоожиженным слоем насадки ' 23
1.4.1. Гидравлическое сопротивление аппарата 23
1.4.2. Динамическая высота слоя, газонаполнение 30
1.4.3. Критическая скорость псевдоожижения насадки 34
1.5. Массопередача в аппаратах с подвижной насадкой 36
1.5.1. Массоотдача в газовой фазе в слое псевдоожиженной
насадки 37
1.5.2. Массоотдача в жидкой фазе 40
1.6. Постановка задачи исследования 43
2. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента 44
2.1. Экспериментальная установка 44
2.2. Основные характеристики исследуемых насадок 48
3. Исследование гидродинамических характеристик аппарата с новым типом комбинированных контактных устройств, включающих провальную тарелку и объемные сетчатые псевдоожиженные насадки (оспн) 51
3.1. Гидравлическое сопротивление сухой насадки 51
3.2. Гидравлическое сопротивление трехфазного псевдоожиженного слоя орошаемой насадки ОСПН 55
3.2.1. Гидравлическое сопротивление провальной тарелки 59
3.2.2. Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки 64
3.2.2.1. Скорость перехода насадки ОСПН в режим развитого псевдоожижения 70
3.3. Газосодержание и относительная плотность газожидкостного слоя 74
3.3.1. Исследование относительной плотности газожидкостного слоя на провальной тарелке 75
3.3.2. Исследование газосодержания и относительной плотности газожидкостного слоя на провальной тарелке с псевдоожиженной насадкой ОСПН 79
3.4. Количество удерживаемой жидкости в газожидкостном слое 84
4. Исследование массоотдачи в жидкой фазе на системе воздух-водный раствор сульфита натрия 89
4.1. Массоотдача в жидкой фазе 89
4.2. Хемосорбционная методика исследования массоотдачи в жидкой фазе 91
4.3. Экспериментальная установка 95
4.4. Обсуждение экспериментальных данных 100
5. Рекомендации по использованию новых контактных устройств 109
5.1. Области использования разработанных комбинированных контактных устройств с насадкой ОСПН среди других абсорбционных аппаратов 109
5.2. Рекомендации по промышленному внедрению 111
5.3. Модернизация малогабаритной вентиляторной градирни 112 6
Выводы 117
Литература
- Характеристика насадочных тел, применяемых в абсорбционных аппаратах
- Основные характеристики исследуемых насадок
- Гидравлическое сопротивление трехфазного псевдоожиженного слоя орошаемой насадки ОСПН
- Хемосорбционная методика исследования массоотдачи в жидкой фазе
Введение к работе
Актуальность проблемы
В современных условиях значительного антропогенного воздействия на окружающую среду весьма актуален поиск наиболее эффективных и экономичных методов очистки промышленных выбросов. Одной из особенностей очистки газовых выбросов от вредных примесей является ситуация, связанная с часто меняющимися условиями проведения процесса очистки газов, в частности скоростей газовых потоков и концентраций вредных компонентов. Поэтому разрабатываемые методы очистки и аппаратура для ее проведения должны учитывать возможность ее работы в широком диапазоне рабочих условий. Для снижения энергозатрат в системах улавливания вредных и токсичных веществ необходимо обеспечивать низкие гидравлические сопротивления при сохранении высокой эффективности очистки газовых потоков.
С учетом противоречивых требований, несмотря на большое число уже имеющихся аппаратов для проведения массообменных процессов, разработка нового высокоинтенсивного и эффективного оборудования представляет значительный интерес для природоохранных технологий во многих отраслях промышленности.
К наиболее распространенным методам очистки газовых потоков относятся абсорбционные методы поглощения вредных компонентов из отходящих промышленных газов. При этом либо происходит процесс физической абсорбции, либо абсорбент вступает в химическое взаимодействие с абсорбируемым компонентом (хемосорбция).
Одним из перспективных направлений интенсификации процесса мас-сообмена является разработка аппаратов с использованием принципа взаимодействия газожидкостных потоков в слое подвижных тел, так называемых аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем орошаемой насадки. По сравнению с традиционными тарельчатыми и насадочными колоннами аппараты с трехфазным псевдоожиженным слоем имеют ряд преимуществ:
возможность работы в широком диапазоне скоростей газа без существенного увеличения гидравлического сопротивления, что особенно важно для процессов очистки газов в условиях с часто меняющимися скоростями потоков как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения;
практически равномерное распределение жидкой фазы по всему сечению аппарата и полное омывание жидкостью поверхности насадки, что приводит к увеличению поверхности массообмена;
турбулизация потоков газа и жидкости, обеспечивающая высокие коэффициенты тепло- и массообмена;
возможность интенсификации работы абсорбционных колонн, оснащенных провальными тарелками, путем использования псевдоожи-женных насадок.
Аппараты с псевдоожиженной насадкой достаточно широко изучены. Начиная с 1959г., в отечественной и зарубежной печати появились сообщения о возможности интенсификации массо- и теплообменных процессов путем применения этих аппаратов. Впервые абсорберы с псевдоожиженной насадкой были применены в алюминиевой промышленности для очистки отходящих газов электролизных ванн от фтористых соединений, сернистого газа, пыли и смолистых веществ, затем получили распространение в основной химической промышленности при производстве минеральных удобрений, в целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве ряда органических веществ и др.
В качестве насадочных тел в абсорберах с трехфазным псевдоожижен-ным слоем, как правило, использовали полые шары с диаметром 20-50 мм и плотностью 100-900 кг/м3, выполненные из полиэтилена, полипропилена, пентапласта, резины и других сравнительно легких материалов.
На применявшихся и исследованных ранее насадках аппараты с псев-доожиженным слоем использовались предпочтительно в технологических циклах при значительных удельных нагрузках по газу и жидкости, что при-
водило к высоким энергозатратам. В то же время в системах очистки промышленных газов от вредных компонентов, присутствующих, как правило, в низких концентрациях, необходимо обеспечить высокую степень очистки газа при малых расходах по жидкости. Для этих целей в настоящей работе разработана и изучена принципиально новая объемная сетчатая псевдоожижен-ная насадка ОСПН из полимерных сеток [Патент № 2289472 опубл. Бюлл.№35, 2006].
Достоинства такой насадки состоят в том, что она переходит в псевдо-ожиженное состояние при низких скоростях газа (F-фактор < 2) и имеет развитую поверхность контакта фаз. Ячеистая структура сетки, из которой изготовлена насадка, позволяет достичь повышенных значений коэффициентов массопередачи за счет эффекта образования пленки в ячейках сетки малого размера. Насадка обладает большой порозностью и низким гидравлическим сопротивлением. В зависимости от подбора материала сетчатая насадка может иметь низкую или сравнительно высокую смачиваемость.
Новые насадки можно изготавливать из серийно выпускаемого полиэтиленового рукава, они просты по конструкции и имеют низкую стоимость. Новые насадки могут эффективно применяться в процессах очистки выхлопных газов различных производств, в градирнях систем оборотного водоснабжения, в других процессах тепло- и массообмена.
Цель работы:
разработка нового эффективного комбинированного контактного устройства (ККУ), включающего совокупность провальной тарелки и нового типа объемной сетчатой псевдоожиженной насадки ОСПН;
определение основных характеристик нового типа объемных сетчатых псевдоожиженных насадок (ОСПН);
исследования гидродинамики аппарата с трехфазным псевдоожижен-ным слоем (газ-жидкость-новый тип насадки);
сопоставительное исследование гидравлического сопротивления тарельчатой абсорбционной колонны, оснащенной провальной тарелкой и аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем, для условий сухого и орошаемого аппарата, при различных нагрузках по газу и жидкости;
исследование основных характеристик трехфазного слоя с насадкой ОСПН: количества удерживаемой жидкости, газосодержания, относительной плотности газо-жидкостного слоя для получения необходимых расчетных зависимостей;
исследование массоотдачи в жидкой фазе для насадок ОСПН;
сравнительная оценка относительных энергозатрат на проведение процесса массообмена в жидкой фазе аппарата с провальной тарелкой и аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем насадки ОСПН.
Научная новизна диссертации
Найдены оптимальные гидродинамические режимы работы аппарата с новым типом сетчатых насадок ОСПН.
Проведены исследования основных гидродинамических параметров абсорбционного аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем орошаемой насадки нового типа на установке полупромышленного размера (в колонне 0 400 мм) в широком диапазоне нагрузок по газу F-фактор 1,6-2,6 и плотно-стях орошения Ьуд=2-5,5 м /м ч, характерных для процессов очистки хвостовых газов.
Получены расчетные уравнения для определения скорости начала псевдоожижения неорошаемой и орошаемой насадки.
Установлены зависимости гидравлического сопротивления орошаемой насадки Арн от скорости газа в аппарате и удельной плотности орошения; получены уравнения для двух исследованных модификаций насадки ОСПН в зависимости от гидродинамического режима. Выведено критериальное уравнение для режима развитого псевдоожижения.
Получена расчетная зависимость для определения относительной плотности газо-жидкостного слоя и газосодержания для нового типа насадок ОСПН.
Получено расчетное уравнение для определения количества задержанной жидкости в трехфазном псевдоожиженном слое для двух режимов работы аппарата.
Проведены исследования массоотдачи в жидкой фазе по сульфитной методике для нового комбинированного контактного устройства, включающего насадку ОСПН и провальную тарелку, показавшие возможность интенсификации работы аппаратов с провальными тарелками.
Получено расчетное уравнение по определению коэффициента массоотдачи в жидкой фазе для нового комбинированного контактного устройства.
Выполнена оценка относительных энергозатрат на проведение процесса массообмена в жидкой фазе аппарата с провальной тарелкой и аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем.
Практическая значимость
Разработан принципиально новый тип объемной сетчатой псевдоожи-женной насадки ОСПН, тела которой изготавливаются из полимерных сеток, имеющих высокую удельную поверхность, развитый свободный объем и низкую насыпную плотность, защищен Патентом № 2289472 опубл. Бюлл.№35, 2006 .
Предложен алгоритм расчета основных гидродинамических параметров аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем орошаемой насадки для нового типа ОСПН.
Выполнен проект реконструкции вентиляторной градирни с использованием разработанной насадки ОСПН взамен шаровой и проведены пробные испытания градирни в диапазоне рабочих нагрузок по газу и жидкости, показавшие более высокую глубину охлаждения воды в градирне после внедрения новой насадки.
Характеристика насадочных тел, применяемых в абсорбционных аппаратах
Развитие регулярных насадок идет в направлении создания структурированных насадок со сложными каналами для прохода газа и гофрированной листовой поверхностью, позволяющей равномерно распределить жидкость и создать условия для эффективного контакта фаз и осуществления процесса массообмена [31-32].
К структурированным насадкам можно отнести следующие известные по патентам конструкции: - насадка, состоящая из гофрированных газопроницаемых листов, собранных в пакет [33]; - состоящая из чередующихся плоских и гофрированных листов [34]; - для увеличения поверхности массообмена листы иногда выполняются со щелями или отверстиями [35, 36]; - выполненные из проволочных спиралей, внутри которых установлены дополнительные контактные устройства в виде зубчатых пластин [37]; - к центральной трубе прикреплены спиральные ленты из перфорированного листа, между витками спиральной ленты расположены переплетенные между собой и образующие сетку проволочные спирали [38]; блок волокнистых листов, в сечении образующих круглые соты [39]; - винтовые тела левого и правого вращения, между ними расположены гофрированные листы [40]. Кроме того известна насадка [41] выполненная из рулонной листовой стали.
В работе [42] описаны насадки, конструкции которых состоят из горизонтальных рядов наклонных продольных прямоугольных пластин.
Насыпные неподвижные насадки
К насыпным относятся насадки как широко известные в виде колец Рашига, Палля, седлообразная (Инталлокс), так и новые насадки сложной формы, представленные в патентах.
Кольцевая насадка с целью увеличения контакта фаз может быть снабжена внешним кольцом с продольными вырезами, присоединенными к перфорированному кольцу [43]. Кроме того, кольцевые насадки могут иметь отверстия любой формы или иметь выступы, а иногда оба эти приема сочетаются в одном насадочном элементе [44-53]. Например, в работе [54] описана конструкция насадки в форме полого усеченного конуса с окнами.
В работе Кагана A.M. с сотрудниками [55] описана промышленная металлическая насадка типа ГИАП-3, выполненная в виде двух перфорированных полуколец, повернутых друг относительно друга на 90 и соединенных перегородкой.
Известны также насадки сложных форм в виде различных спиралей [56-58]. В работах [58-62] описаны насадки, выполненные из полос, образующих различные замкнутые поверхности. Эти полосы могут быть как металлическими, так и выполненные из полимерных материалов.
Насадки сложной формы могут также быть изготовлены из тканных материалов [63-65].
В работе Витковской Р.Ф. и Зыбиной Н.Ф. [66] в качестве нерегулярных насадок предложены насадки из текстильных объемных структур, изго товленных трикотажным способом, имеющие высокоразвитую поверхность. Разработано и рассмотрено 4 варианта объемной тороидальной насадки, использующих различные варианты соединения формы тора.
Проведенные в работе [66] эксперименты по гидравлическому сопротивлению для колец Рашига и насадок из тканной полимерной сетки показали, что гидравлическое сопротивление колец Рашига в 1,7-3,2 раза больше, чем у тороидальной насадки. Это объясняется, в первую очередь, наличием застойных зон в слое колец Рашига, что ведет к новым дополнительным сопротивлениям, а также более равномерным распределениям свободного объема в слое тороидальной насадки, чему способствует их форма, материал и проницаемость сеток насадки, как со стороны газа, так и со стороны жидкости.
Разработка насадочных тел из полимерных сетчатых материалов является перспективным и недостаточно изученным направлением исследований.
Основные характеристики исследуемых насадок
На экспериментальной установке, описанной в разделе 2, проводили сравнительные исследования гидравлического сопротивления сухого аппарата с провальной тарелкой без насадки и с насыпанной на нее поочередно насадкой двух модификаций.
На рис. 3.1. приведена зависимость гидравлического сопротивления сухого аппарата от скорости газа в сечении колонны для провальной тарелки без насадки и для исследуемых насадок двух модификаций из полиэтиленовых сеток на этой провальной тарелке. При построении графиков использовали осредненные значения первичных экспериментов. Для осреднения использовали данные, полученные при испытаниях аппарата с последовательным увеличением, а затем уменьшением скорости газа в колонне. Осредненные данные по гидравлическому сопротивлению сухого аппарата представлены в табл. 1П Приложения 2.
Как видно из графика, гидравлическое сопротивление сухого аппарата с провальной опорно-распределительной тарелкой, на которую насыпана исследуемая насадка ОСПН, не сильно отличается от гидравлического сопротивления сухого аппарата без насадки (см. рис.3.1). Из этого следует, что насадка из полимерной сетки обладает крайне низким гидравлическим сопротивлением: 25-70 Па на 0,1 м высоты насадки или 250 - 700 Па на 1 метр в диапазоне скоростей газа 1,5-3,5 м/с. На графике отмечены точки, соответствующие переходу всей насадки в режим развитого псевдоожижения: w0 =2,7 м/с - для насадки ОСПН 1-ой модификации; wQ KD=2,78 м/с - для насадки ОСПН И-ой модификации.
Как показал эксперимент (см. рис.3.2), гидравлическое сопротивление насадки ОСПН является классическим примером псевдоожижения двухком-понентной системы, причем гидравлическое сопротивление при переходе насадки в режим полного псевдоожижения становится постоянной величиной, несколько меньшей чем в режиме начального псевдоожижения..
При обработке полученных данных по скорости перехода сетчатых насадок в режим развитого псевдоожижения принимались во внимание работы, выполненные проф. Таратом Э.Я. с сотрудниками [89] для расчета скорости начала псевдоожижения неорошаемой шаровой насадки: л Кд. где dm - диаметр шаровой насадки, м; рш - насыпная плотность шаров, кг/м ; рг - плотность газа, кг/м3. Используя полученные в настоящей работе экспериментальные данные, уравнение (3.1) было преобразовано с учетом принципиального отличия нового типа насадочных тел от исследованных ранее шаровых насадок (насадка ОСПН имеет ячеистую структуру, а шары - закрытую внутреннюю полость). В качестве определяющего параметра вместо диаметра шара в уравнении (3.1) была принята величина, обратная удельной поверхности насадки - \IFya [ 1/(м2/м3)], а вместо плотности шаров рш введена насыпная плотность насадки из полиэтиленовой сетки рн (кг/м ). Полученное уравнение для расчета скорости перехода всей насадки в режим развитого псевдоожижения:
Отклонение значений скоростей начала перехода насадки двух модификаций в режим развитого псевдоожижения w0 не превышает ±5% от экспериментальных значений.
Гидравлическое сопротивление орошаемой псевдоожиженной насадки является одним из основных факторов при расчете схем абсорбции и при аппаратурном оформлении процесса. Оно определяет энергетические затраты. Поэтому особое внимание в данной работе уделялось получению экспериментальных данных и зависимостей для расчета гидравлического сопротивления абсорберов с трехфазным псевдоожиженным слоем, оснащенных новой насадкой ОСПН.
При контакте газа с жидкостью в аппаратах с трехфазным слоем орошаемой насадки возникают различные гидродинамические режимы, которые обычно характеризуются зависимостью гидравлического сопротивления аппарата Ар от скорости газа в его свободном сечении -w йот удельной нагрузки по жидкости Іуд.
Орошаемая насадка переходит во взвешенное состояние при более низких скоростях газа, чем неорошаемая насадка. На скорость начала псевдоожижения влияют плотность орошения Іуд и величина доли свободного сечения опорно-распределительной тарелки SQ, т.е. косвенно скорость газа в отверстиях.
Исследования трехфазного слоя ранее проводились в основном при больших нагрузках по жидкости на насадках с закрытыми внутренними полостями; на тарелках с большим свободным сечением [6, 12-15, 19, 20, 72 и др.]. Но для систем очистки выбросных газов от вредных газообразных компонентов, присутствующих в сравнительно небольших концентрациях, при больших расходах газовых потоков необходимо обеспечить высокую степень очистки при малых расходах по жидкой фазе. Уменьшения расхода жидкости можно достичь путем применения опорно-распределительных тарелок с небольшим свободным сечением и насадок с развитой удельной поверхностью. Поэтому в данной работе применялась тарелка с небольшим свободным сечением S0=12%. Кроме того, как указывалось выше, в данной работе были разработаны насадки с высоким значением удельной поверхности (см.табл. 2.1). Это позволило проводить исследования при небольших плотностях орошения Ьуд=2,1 +5,0 м3/м2ч и соотношениях — = 0,15 ч-1,1 — .
Исследования гидравлического сопротивления трехфазного слоя орошаемой насадки ОСПН двух модификаций проводили на системе воздух-вода при скорости газа в колонне от 1,4 до 3 м/с при указанных нагрузках по жидкости. Объем экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению составил около 50 осредненных опытов. Для осреднения использовали от 3 до 5 первичных экспериментов. Осредненные данные по гидравлическому сопротивлению трехфазного слоя представлены в табл. ЗП, 4П Приложения 2.
При визуальном наблюдении в ходе проведенных экспериментов были выявлены два основных гидродинамических режима работы: первый - когда насадка при скорости подачи газа более 1 м/с находилась в подвижном состоянии из-за низкой насыпной плотности, пристеночные слои насадочных тел переходили в движение и начинали перемещаться в ядро газового потока, но их движение у стенок было заторможено - это режим начала псевдоожи-жения. С увеличением скорости газа насадочные тела полностью переходили во взвешенное состояние, они концентрировались в центральной части аппарата, при этом росло количество удерживаемой жидкости в газожидкостном слое и, как следствие, росла его высота - это второй режим развитого псевдоожижения. На рис. 3.3 и 3.4 приведены зависимости гидравлического сопротивления трехфазного псевдоожиженного слоя орошаемой насадки с провальной тарелкой от скорости газа в аппарате и отмечены точки (штрих-пунктир), соответствующие переходу насадки из одного режима в другой.
Гидравлическое сопротивление трехфазного псевдоожиженного слоя орошаемой насадки ОСПН
Для определения гидравлического сопротивления орошаемой сетчатой насадки исследования проводились на провальной тарелке без насадки (см. рис. 3.5) и на тарелке с сетчатой насадкой двух модификаций (см. рис. 3.3, 3.4) при одинаковых нагрузках по газу и жидкости. Используя полученные в ходе этих исследований данные, путем вычитания из полного сопротивления трехфазного слоя сопротивления провальной тарелки было получено экспериментальное значение гидравлического сопротивления орошаемой насадки ОСПН. На рис. 3.7 и 3.8 представлены графики зависимостей гидравлического сопротивления орошаемой насадки ОСПН от скорости газа в колонне при постоянных нагрузках по жидкости.
Обработку экспериментальных данных по определению гидравлического сопротивления насадки Арн, исходя из предположений, основанных на том, что на величину гидравлического сопротивления насадки существенное влияние оказывает скорость газа в аппарате и удельная плотность орошения [6,93, 95,96], проводили, последовательно изучая влияние каждого критерия.
Степень влияния скорости газа. Так как эксперименты по определению гидравлического сопротивления орошаемой тарелки и насадки проводились при фиксированных значениях плотности орошения то, используя графики на рис. 3.7 и 3.8, можно установить характер влияния скорости газа на гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ОСПН двух модификаций: для режима начала псевдоожижения - Ара w1 16, для режима развитого псевдоожижения - Арн w0,26.
Затем по графикам зависимости -Щ- = /(1уД) для двух ГИДрОДИНаМИ-ческих режимов насадки ОСПН 1-ой и П-ой модификаций установили влияние плотности орошения на гидравлическое сопротивление насадки. Были получены следующие зависимости: для первого режима (начала псевдоожижения) Ар w l 16 Z,0 17; для второго режима (развитого псевдоожижения) Ар w 26 I0 32 . Обработка всего объема экспериментальных данных по обеим модификациям насадок ОСПН позволила получить обобщенные уравнения Арн для двух режимов работы аппарата с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки ОСПН: Для первого режима (начало псевдоожижения): APii = 160 117 (3.14) Для второго режима (развитого псевдоожижения): АРн = 24М 2%? (3.15)
Полученные зависимости (3.14) и (3.15) показывают, что для двух модификаций насадки влияние скорости газа значительно в режиме начала псевдоожижения (высокий показатель степени 1,16), а во втором режиме ее влияние не значительно (степень влияния 0,26), что характерно для режимов развитого псевдоожижения. Степень влияния плотности орошения на вели чину гидравлического сопротивления практически не зависит от гидродинамического режима, лишь немного увеличивается в режиме развитого псевдоожижения. Это объясняется тем, что до перехода насадки в режиме развитого псевдоожижения происходит накапливание жидкости внутри насадочного тела и, как следствие, рост гидравлического сопротивления, а затем на рост гидравлического сопротивления аппарата существенное влияние оказывает только сопротивление тарелки, а гидравлическое сопротивление орошаемой насадки остается практически неизменным.
На рис. Ш, 2П Приложения 3 приведено сопоставление величин гидравлического сопротивления орошаемой насадки Арн, рассчитанных по полученным зависимостям с экспериментальными значениями величин Арн. Как видно из этих рисунков, для всех точек отклонение не превышает ±16%. Так как режим развитого псевдоожижения является рабочим для процессов очистки газовых выбросов, уравнение (3.15) было преобразовано к критериальному виду.
При вынужденном движении в системах «газ-жидкость» безразмерный перепад давления, выраженный числом Эйлера, зависит от критерия Рей-нольдса газового и жидкостного:
В качестве характерного линейного размера в критерии Рейнольдса для аппаратов с псевдоожиженной шаровой насадкой часто принимают диаметр шара [16]. Так как исследуемая насадка - сетчатая, то для нее диаметр не является определяющим размером, а показательной является удельная поверхности насадки Fya (м2/м3), поэтому вместо диаметра насадки в данной работе в критерий Re для газовой фазы была введена величина, обратная удельной поверхности : F УД Re = г p Wp г Я уду (3.17) а для жидкой фазы Re - объем удерживаемой в трехфазном слое жидкости, Ж отнесенный к площади колонны, равный /гст: Re = ж L р h Л уд ж ст (3.18) Обработка экспериментальных данных позволила получить окончательное критериальное уравнение для определения гидравлического сопротивления орошаемой насадки ОСПЫ, которое имеет вид: Eu = 3,9Re 26Re0 32 . (3.19) Г Ж Сопоставление величин гидравлического сопротивления орошаемой насадки Дрн, рассчитанных по полученной зависимости с экспериментальными значениями величин Арн представлены на рис. ЗП Приложения 3. Как видно из рисунка, для всех точек отклонение не превышает ±25%.
Хемосорбционная методика исследования массоотдачи в жидкой фазе
Изучение массоотдачи в жидкой фазе при наличии химической реакции между распределенным компонентом и жидкостью связано с учетом кинетических закономерностей реакции, при которых процесс хемосорбции лимитируется сопротивлением жидкой фазы. Известно, что химическая реакция в жидкой фазе ускоряет процесс массообмена по сравнению с физической абсорбцией. Если при хемосорбции движущую силу принять по аналогии с физической абсорбцией как разность между равновесной концентрацией распределяемого компонента на границе раздела и концентрацией в ядре жидкости, то влияние химической реакции обычно учитывают коэффициентом ускорения % [67], характеризующим увеличение коэффициента массоотдачи в жидкой фазе при протекании в ней химической реакции P LF ПО сравнению с коэффициентом массоотдачи при физической абсорбции pLF, т.е.: Х = — (4.6)
Очевидно, что при исследовании массоотдачи на системах с химически активной жидкой фазой необходимым условием является отсутствие реакции в диффузионном пограничном слое жидкости. Для выполнения указанного условия необходимо, чтобы коэффициент ускорения был близок к единице [67,148]. Это условие обеспечивается, если химическая реакция идет достаточно быстро, чтобы поддерживать концентрацию растворенного газообразного компонента А равной нулю в объеме поглотителя В, и достаточно медленно, чтобы привести к реакции компонента А в диффузионном пограничном слое на поверхности фазы В. В этом случае скорость массопередачи бу дет той же, что и в отсутствии химической реакции, тогда KLs « P Ls « 3Ls [148].
Этим условиям практически полностью удовлетворяет выбранная для изучения газожидкостная система: воздух - водный раствор сульфита натрия, когда протекает необратимая реакция, для замедления которой процесс проводят в присутствии в качестве катализатора ионов двухвалентной меди [149-152]: NaJOt +У22 [C"U] Na2S04 (4.7) То, что абсорбция кислорода водными растворами сульфита натрия в присутствии ионов меди является процессом физической абсорбции, подтверждается тем, что скорость абсорбции кислорода водой, растворами сульфита и сульфата натрия при равных поверхностях контакта фаз одинакова [153, 154].
Следует отметить, что механизм окисления сульфита в сульфат значительно сложнее, чем выраженный уравнением (4.7). Фактически взаимодействие с молекулярным кислородом и превращение сульфита в сульфат проходит через ряд промежуточных стадий [155].
В зависимости от концентрации сульфита натрия скорость химической реакции, катализируемой C11SO4, неодинакова. При незначительном содержании SO3" в растворе реакция окисления имеет первый порядок по сульфиту [152]. Однако, многочисленными исследованиями установлено [147,150, 154, 156, 157], что при концентрации SO " в растворе выше 0,04 кмоль/м и концентрации ионов Си2+ больше 10"4 кмоль/м3 скорость реакции не зависит от концентрации ионов сульфита натрия, лимитируется скоростью диффузии кислорода и имеет первый порядок по Ог [155,158].
При отсутствии протока жидкости концентрация сульфита натрия убывает пропорционально времени протекания реакции. Линейное изменение концентрации SO3" в диапазоне 25-5 г/л [146, 159] указывает на незави симость скорости окисления сульфита натрия от его концентрации в растворе, что позволяет не учитывать перемешивание жидкости при расчете коэффициентов массопередачи и проводить эксперименты без протока.
Так как для необратимых реакций первого или псевдопервого порядка по кислороду значения коэффициента ускорения %, вычисленные по уравнениям, основанным на различных моделях массопереноса, хорошо совпадают, то для удобства % обычно рассчитывают по уравнению, предложенному Дан-кверстом [160]: K-D, 2 Д Z = 14-hr±, (4.8) где Кр - константа скорости первого или псевдопервого порядка, с"1; DL - коэффициент диффузии распределяемого компонента в жидкости, см /с; Pi - коэффициент массоотдачи, отнесенный к поверхности фазового контакта, см/с. Величина константы скорости реакции КР при температуре эксперимента t определяется в предположении Аррениусовской зависимостью скорости от температуры [161]: К Р=К ек[т Г , (4.9) где К р - константа скорости реакции при температуре раствора t = 20С (по данным [148] К Р = 0,16 с"1); Е - энергия активации реакции (по данным [162, 163] минимальная Е = 51466 Дж/моль); R- универсальная газовая постоянная R= 8,314 Дж/(К-моль); Т, Т - абсолютные температуры исследуемого и известного растворов, К, (Т = 293 К).
Похожие диссертации на Интенсификация абсорбционной очистки газовых выбросов в аппаратах с объемной сетчатой псевдоожиженной насадкой
