Пылеулавливание, тепло- и массообмен в аппаратах интенсивного действия Кравчик, Януш

Введение к работе

Актуальность проблемы. Несмотря на большое число имеющихся аппаратов для осуществления тепло- и массообменных процессов, разработка нового, компактного высокоинтенсивного оборудования представляет большой интерес для многих отраслей промышленности.

Дальнейшее совершенствование тепло- и массообменного оборудования в системах газ-жидкость связано с возможностью повышения скоростей движения обеих фаз, что приводит к существенному увеличению производительности, развитию поверхности контакта фаз и росту значений коэффициентов тепло- и массообмена, а также с возможностью снижения удельных энергозатрат при росте эффективности работы аппаратов.

Аналогично и для процессов мокрого пылеулавливания и тепло- и массообменных процессов характерно развитие нового оборудования при повышении скоростей контакта фаз. При этом необходимо создавать такие конструкции аппаратов, которые не только бы имели большие удельные производительности, но также реализовали высокий коэффициент полезного действия при широком диапазоне колебания расходов фаз.

В данной работе делается попытка создания такого типа аппаратов на базе новой вихревой пакетной насадки и применения ее не только для процесса мокрого пылеулавливания, но также и для осуществления тепло-массообменных процессов при термической десорбции кислорода из воды. При этом автор данной работы предлагает вернуться к пасадочным аппаратам, учтя все их достоинства и недостатки, усовершенствовав оригинальную пакетную насадку, состоящую из множества одинаковых вихревых ячеек ( миниаппарагов), соединенных между собой в единую

тарелку с размерами, равными диаметру аппарата, Данные тарелки, в зависимости от протекающего процесса, могут быть либо плотно уложены в аппарате друг на друга, либо расставлены одна от другой на расстояние от 0,5 до 1 высоты ячейки или тарелки.

Число необходимых тарелок в насадке для двух процессов и двух типов вихревых ячеек, способ их установки и нахождение оптимальных режимов работы аппаратов явились предметом исследования и расчета в данной работе.

Одна из тенденций развития мокрых пылеуловителей связана с уменьшением удельного расхода воды (л_воды /м^,). Снижение удельного расхода воды возможно методом ее рециркуляции. Однако до сих пор не найдены критерии, определяющие предельные концентрации твердого вещества в орошающей жидкости, при достижении которых происходит снижение эффективности пылеулавливания.

Целью настоящей работы явилась разработка и исследование новой вихревой, ыалоэнергоёмкой насадки в процессах мокрого пылеулавливания, тепло- и массообменных процессах при термической десорбции кислорода из воды, создание методов их расчета, а также определение критерия оценки возможности рециркуляции орошающей жидкости при мокром пылеулавливании.

Настоящая работа состоит из 3-х основных частей: 1-я часть связана с исследованием процесса мокрого пылеулавливания в аппаратах с оригинальной вихревой пакетной насадкой и в вихревых аппаратах инерционно-ударного действия; 2-я часть работы посвящена определению критерия степени рециркуляции жидкости в аппаратах мокрого пылеулавливашм; в 3-й части показываются пути совершенствования вихревой насадки с целью интенсификации тепло- и массообменных процессов в насадочном аппарате с вихревой насадкой при термической

десорбции кислорода, из воды паром, разрабатывается математическая модель про-цесса термической десорбции с учетом турбулентных пульсаций в паровой и жидкой средах и дается методика расчета этого процесса.

Научная новизна диссертации:

1. Найдены условия создания компактных, малоэнергоемких насадок, эффективно работающих в широком диапазоне изменения расходов газа и жидкости (от пленочного до барботажного течения).

2. Показано, что расстановка пакетов насадки друг от друга на 0,5 высоты слоя насадки повышает эффективность пылеулавливания вследствие появления турбулентного зависающего слоя жидкости, наличие которого позволяет также в несколько раз снизить расход улавливающей воды, время пребывания которой в данном случае в аппарате в целом существенно возрастает.

3. Разработана математическая модель для расчета эффективности пылеулавливания в аппарате с вихревой насадкой при плотной упаковке слоев насадки и при их расстановке, позволяющая с высокой точностью рассчитывать к.п.д. аппарата при широком диапазоне расходов воздуха и улавливающей жидкости.

4. Найдены такие предельные концентрации различных по физико-механическим свойствам пылей в улавливающей воде, при превышении которых начинает существенно падать эффективность пылеулавливания. Впервые обнаружено, что эти предельные концентрации пылей в воде соответствуют переходу суспензий по реологическим свойствам из ньютоновской жидкости в неньютоновскую.

5. Экспериментально обнаружено, что эффект снижения
эффективности пылеулавливания при превышении предельных

б концентраций пылей в улавливающей жидкости связан прежде всего с уменьшением к.п.д. улавливания мелких частиц (размером менее 3 мкм для всех пылей).

6. Исследованиями показано, что изменение вязкости улавливающей жидкости в диапазоне (от 1 до 8 Па-с) не оказывает существенного влияния на эффективность пылеулавливания. Повышение вязкости улавливающей жидкости приводит лишь к некоторому изменению структуры улавливающего слоя.

7.Малое влияние вязкости самой жидкости и существенное падение
эффективности пылеулавливания при превышении критических

концентраций пыли в улавливающей суспензии без заметного изменения структуры улавливающего слоя приводят к выводу, что при достижении критических концентраций пыли в улавливающей жидкости возникают дополнительные сопротивления захвату частиц пыли на поверхности раздела фаз.

8. Разработана математическая модель тепло- и массообмена при термической десорбции кислорода из воды паром с учетом турбулентных пульсаций в парогазовой среде и жидкости в аппарате с вихревой оригинальной пакетной насадкой.

9. Получены уравнения для расчета распределения скорости течения жидкости в пленке и средней толщины пленки при противоточном движении омывающего пара и толщины стекающей вниз пленки жидкости.

10. Разработана модель и методика расчета коэффициентов тепло- и
массопереноса с учетом турбулентных пульсаций и влияния
конструктивного оформления насадок в системе газ-жидкость.

Практическая значимость:

1. Разработан высокоэффективный и надежный в работе аппарат мокрого пылеулавливания с оригинальной вихревой пакетной насадкой.

2. Расстановка пакетов насадки друг от друга на 0,5 высоты слоя насадки повышает эффективность пылеулавливания вследствие наличия зависающего турбулентного слоя улавливающей жидкости между пакетами. При этом можно еще существенно снизить расход воды, так как время ее пребывания в аппарате в делом возрастает в несколько раз.

3. Найдены оптимальные режимы работы пылеуловителя с вихревой

3 2 пакетной насадкой (W_r=4-=4,5 м/с; L=l,3 м /м с) при высокой

эффективности пылеулавливания (п>99,5 для всех испытанных пылей) при

минимуме энергозатрат АР=100О Па.

4. Разработан, изготовлен и внедрен пылеулавливающий аппарат с
вихревой насадкой на Вроцлавском химическом комбинате (Польша) в 1988

г. для улавливания пыли в производстве соды при расходах воздуха 6000

3 м 1ч и эффективности пылеулавливания 99,6%.

5. Разработана установка для улавливания сажи в производствах
переработки нефти на нефтехимическом комбинате в г.Ясло (Польша).

6. Разработана и внедрена на химическом заводе в г.Хожув (Польша) в
1989 г. новая высокоэффективная керамическая пористая насадка в

производстве карбида, работающая при температуре 1000С при начальной

запыленности 100 г/м и выходной концентрации пыли 2-10 г/м . Данная

работа получила высокую награду Польского министерства науки в 1990 г.

(вторая премия).

7. Проведено много исследовательских работ непосредственно на
производствах по определению эффекгивности работы промышленных

пылеуловителей и выдаче рекомендаций по улучшению их работы (более 20 работ).

8. Разработаны проекты для измерения концентраций туманов кислот
и оборудования для их улавливания на химических заводах г.Тарнов и
г.Пьшавы в 1986 г.

9. Создана новая конструкция абсорбера для абсорбции S02 для
CHEMADEX г.Краков 1982-1983 гг.

10. На основании проведенных исследований по мокрому способу улавливания различных по физико-механическим свойствам пылей в аппарате типа "Ротоклон" предложена методика экспресс-метода нахождения предельной (критической) концентрации пыли в улавливающей жидкости и степени ее рециркуляции. ; >

11. Показано, что незамерзающие жидкости позволяют осуществлять пылеулавливание с высокой эффективностью при минусовых температурах воздуха.

12. Предложен новый вихревой аппарат ударно-инерционного действия для улавливания тонких пьисй с высокой эффективностью (более 98,5%) при аварийных внезапных выбросах газа.

13. Создана новая высокоэффективная насадка для осуществления тепло- и массообменных процессов в системе газ-жидкость.

14. Разработан высокоэффективный и высокопроизводительный
десорбер кислорода из воды паром с вихревой пакетной насадкой.

15. Разработаны программы, алгоритм и методика расчета тепло- и
массопереноса при десорбции кислорода из воды паром в насадочном
десорбере с вихревой насадкой.

9 Кроме этого, проведена работа по созданию или совершенствованию пылеулавливающей и массообменной аппаратуры непосредственно на предприятиях Польши.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих симпозиумах и конференциях:

1. немецко-польской конференции "Химическая инженерия и аппаратура", Технический университет Западного Берлина, 1982 г.;

2. международной конференции "Механические процессы в химической инженерии", г.Карпач (Польша), 1984 г.;

3. Ш-м международном конгрессе по химической инженерии, г.Барселона (Испания), 1984 г.;

4. международном семинаре "Механическое разделение гетерогенных систем", г.Дрезден (Германия), 1986 г.;

5. международном конгрессе по химической инженерии ХИСА-87, г.Прага (Чехословакия), 1987 г.;

6. Ш-м общепольском семинаре "Разделение гетерогенных систем", г.Варшава (Польша), 1987 г.;

7) международном конгрессе АХЕМА-88, г.Франкфурт
(Зап.Германия), 1988 г.;

8) 23-й общепольской конференции по химической инженерии,
г.Щвиноусгье (Польша), 1989 г.;

9) IV-м общепольском семинаре "Разделение гетерогенных систем",
г.Варшава (Польша), 1990 г.;

10) XIV-й конференции польской академии наук, г.Мушина (Польша),

1992 г.;

11) 1-м международном семинаре "Теоретические и
экспериментальные основы создания нового оборудования", г.Плес (Россия),

1993 г.;

12) Х-м международном семинаре Verfahrenstechnik, г.Берлин
(Германия), 1994 г.;

13) П-й международной конференции "Теоретические и
экспериментальные основы создания нового оборудования", Зембжице-
Краков (Польша), апрель 1995 г.;

14) XV-й конференции польской академии наук по химической
инженерии, г.Гданъск (Польша), сентябрь 1995 г.;

15. Х1-м международном семинаре Verfahrenstechnik, г.Краков (Польша), июнь 1996 г.

16. 1-й региональной межвузовской конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии", г.Иваново (Россия), 22-26 апреля 1996 г.