Авторефераты диссертаций >> Гидродинамика и массообмен в колонном аппарате с пакетной вихревой насадкой (на примере процесса абсорбции углекислого газа раствором диэтаноламина)
На правах рукописи
ПОВТАРЕВ Иван Александрович
ГИДРОДИНАМИКА И МАССООБМЕН В КОЛОННОМ АППАРАТЕ С ПАКЕТНОЙ ВИХРЕВОЙ НАСАДКОЙ (НА ПРИМЕРЕ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА РАСТВОРОМ ДИЭТАНОЛАМИНА)
Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре машин и аппаратов химических производств
Научный - кандидат технических наук, доцент
руководитель: Чагин Олег Вячеславович
Официальные - Рудобашта Станислав Павлович
оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор,
Московский государственный агроинженерный
университет им. В.П. Горячкина, заведующий
кафедрой теплотехники и энергообеспечения
предприятий
- Баранов Дмитрий Анатольевич
доктор технических наук, профессор,
Московский государственный машиностроительный
университет (МАМИ) (Университет машинострое-
ния). Институт инженерной экологии и химического
машиностроения, заведующий кафедрой
процессы и аппараты химической технологии
Ведущая ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный
организация: технический университет», г. Ярославль.
Защита состоится «18» февраля 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205
Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.
Автореферат разослан «____» января 2013 г.
Ученый секретарь Зуева Г.А.
совета Д 212.063.05
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность работы. Практически в любых отраслях промышленности существуют производства, связанные с выделением диоксида углерода из технологических или дымовых газов.
В мире ежегодно сжигается более 5 млрд. тонн угля и нефти. В воздух попадает около 100 млн. тонн оксидов углерода, причем с каждым годом выбросы СО2 увеличиваются в среднем на 5%. Глобальный рост выбросов СО2 отмечен не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. Установлено, что основными источниками загрязнения атмосферы являются предприятия металлургической, энергетической, нефтехимической, силикатной и химической промышленности.
Степень улавливания и повторного использования выбрасываемого в воздух СО2 невелика, поэтому создание новых технологий и нового высокоэффективного оборудования для улавливания и утилизации СО2 является актуальной задачей для всех стран мира.
Интерес к проблеме очистки газов от СО2 возник достаточно давно, когда начали создаваться первые агрегаты синтеза NH3. При синтезе аммиака одним из основных реагентов является водород, получаемый из природного газа путем конверсии паром и последующих каталитических реакций. Нежелательным продуктом таких реакций является СО2, который необходимо полностью удалять из реакционной смеси перед реакцией синтеза аммиака.
В настоящее время известно большое количество методов выделения СО2 из промышленных газов, отличающихся использованием различных абсорбентов, схем абсорбции, конструкции абсорберов и схем регенерации насыщенного газом абсорбента. Применение значительного количества схем и абсорбентов, по-видимому, объясняется стремлением снизить стоимость очистки, так как её доля в себестоимости, например, продуктов синтеза аммиака, составляет около 20%.
Анализ литературных источников за последние 25 лет по совершенствованию аппаратурного оформления процессов абсорбции и десорбции абсорбента показывает, что больших сдвигов в данном направлении не наблюдается и по-прежнему для крупнотоннажных производств вновь пускаемых цехов закладываются тарельчатые колонные аппараты с клапанными, колпачковыми, ситчатыми, ситчато-клапанными и другими тарелками барботажного принципа действия.
В связи с малой скоростью очищаемых газов в данных колонных аппаратах (до 2 м/с), их диаметр (при расходах газа несколько сотен тысяч м3/ч) колеблется от 5 до 8 метров, а высота, вследствие с низкой эффективностью массообмена, может быть выше 60 метров.
Поэтому разработка массообменных устройств, надежно работающих при высоких скоростях газа, создающих как большие поверхности тепло- и массообмена, так и высокие значения коэффициентов массопередачи, работающих в противоточном режиме, а также хорошо сепарирующих спектр капель жидкой фазы, образующихся при высоких скоростях газа (более 3,5 м/с), легко масштабируемых на любой диаметр аппарата, является актуальной задачей в области дальнейшего развития абсорбционного, десорбционного и ректификационного оборудования.
Интенсивно развиваемые в последние годы организованные насадки как в России, так и за рубежом в фирмах: Sulzer, ChemnitzGmbH, Norton и др. уже позволяют получать развитую поверхность массообмена до 750 м2 на 1 м3 насадки.
Однако все новые развиваемые в России и за рубежом насадки работают в чисто пленочном режиме, которому присущи следующие недостатки: малая плотность орошение (до 25 м3/м2ч); низкие скорости газа (до 3,5 м/с); чрезвычайно высокая сложность равномерного распределения жидкой фазы по большой поверхности насадок; сравнительно низкие коэффициенты массопередачи и, к тому же, высокое гидравлическое сопротивление.
Цель работы - повышение эффективности массообмена в аппарате с пакетной вихревой насадкой в сравнении с другими типами насадок в процессе абсорбции СО2 раствором диэтаноламина из воздуха.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Выявить диапазон устойчивой работы пакетной вихревой насадки в системе газ – жидкость в широком диапазоне изменения скоростей газа от 1 до 6 м/с (вплоть до уноса жидкой фазы из насадочного слоя) и плотностей орошения жидкости 20 - 100 м3/м2ч.
2. Найти зависимость гидравлического сопротивления пакетной вихревой насадки от скорости газа и плотности орошения.
3. Выявить эффективность процесса абсорбции СО2 в аппарате с пакетной вихревой насадкой раствором диэтаноламина в широком диапазоне изменения скоростей газа и плотности орошения в сравнении с другими конструкциями насадок.
Научная новизна.
1. Впервые экспериментально показано, что в пакетной вихревой насадке реализуется высоко-эффективный эмульсионный режим взаимодействия между газом и жидкостью в широком диапазоне изменения скоростей газа от 2,5 до 6 м/с и плотностей орошения от 20 до 100 м3/м2ч. за счет образования в каждой ячейке устойчивого вихря, вращающегося относительно как горизонтальной, так и вертикальной осей, в результате взаимодействия которого с жидкой фазой возникает и быстро сепарируется на стенках ячеек большое количество капель различного размера.
2. Экспериментально найдено, что генерирование и одновременная эффективная сепарация образующихся капель в каждой ячейке насадки за счет сложного вращения вихря приводит к «самоорганизации» потоков газожидкостной смеси, следствием которой (в отличие от других типов насадочных устройств) является низкое гидравлическое сопротивление насадки (существенно более низкое по сравнению с имеющимися насадками).
3. Получена расчетная зависимость для определения гидравлического сопротивления вихревой насадки в зависимости от критериев Re по газовой и жидкой фазам и числа пакетов насадки.
4. Найдена эмпирическая зависимость высоты единицы переноса в процессе абсорбции СО2 раствором диэтаноламина в аппарате с вихревой пакетной насадкой от критериев Re по жидкой и газовой фазам в широком диапазоне существования «эмульсионного» слоя в ячейках насадки. (Uг=2,5-5,5 м/с, П=20-100 м3/м2ч.)
Практическая значимость.
1. Показано, что гидравлическое сопротивление аппарата с пакетной вихревой насадкой существенно ниже при тех же скоростях газа и плотностях орошения в сравнении с насадками: кольца Рашига, псевдоожиженная шаровая насадка и насадка фирмы «Зульцер» Mellapak 250.
2. Исследования процесса абсорбции CO2 диэтаноламином показали, что при интенсивном образовании и сепарации капель абсорбента из вращающегося вихря при плотностях орошения 40-120 м3/м2ч достигаются высокие значения коэффициентов объемной массопередачи.
3. Разработана методика расчета абсорбера, позволяющая надежно определять гидравлическое сопротивление, диаметр аппарата, высоту насадки по заданной степени улавливания абсорбируемого газа.
4. Абсорбер CO2 под давлением газа до 8 МПа и десорбер диэтаноламина пилотной установки получения метанола из отходящих газов с вихревой пакетной насадкой были представлены на «Международной выставке оборудования «Нефть и газ 2010г.» г. Москва, 24
30 июня 2010 г.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались на IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ – 2011», г. Москва – 2011 г, IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств», г. Иваново – 2010 г, VII Международная научная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования», Иваново – 2005 г.
Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 статья в зарубежном журнале.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 2 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 154 источника, из которых 26 иностранные.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении содержится обоснование актуальности темы, цель и основные задачи исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы и её структура.
В первой главе представлен литературный обзор, где рассмотрены вопросы, связанные с гидродинамикой насадочных аппаратов, гидравлическим сопротивлением различных видов насадок, в том числе и лучших зарубежных насадок Швейцарских, Германских фирм и фирм США. Во второй части литературного обзора большое внимание уделено рассмотрению удерживающей способности насадок в зависимости от скорости газовых потоков и, конечно, массообмену в колонных насадочных аппаратах.
Показано, что в литературных источниках опубликован ряд уравнений для расчета коэффициента массоотдачи как в жидкой, так и в газовой фазах.
Отмечено, что данные уравнения достаточно хорошо описывают массообмен только при пленочном и, как правило, ламинарном течении пленки.
В последние годы опубликовано несколько работ, выполненных под руководством проф. М.Г. Беренгартена по гидродинамике и массообмену в аппаратах с псевдоожиженным слоем специальных насадок, работающих в турбулентном режиме взаимодействия газовой и жидкой фаз.
В литературном обзоре показано, что конструкция насадок оказывает большое влияние на их гидравлическое сопротивление и массообмен. Поэтому для каждой принципиально новой конструкции насадки необходимо проводить исследования и получать свои расчетные зависимости.
Отмечено, что в области массообмена в колонных аппаратах по-прежнему актуальными являются работы, выполненные проф. Александровым И.А. и учеником Жаворонкова Н.М., проф. Куловым Н.Н.
Показано, что по оптимизации абсорбционно-десорбционных процессов при улавливании СО2 моноэтаноламином выполнено много работ под руководством проф. Володина Н.И.
Во второй главе проведено экспериментальное исследование гидродинамики в колонном аппарате с новой пакетной вихревой насадкой.
Для проведения исследований гидродинамики и процесса абсорбции углекислого газа (СО2) раствором диэтаноламина в аппарате с высокоинтенсивной вихревой пакетной насадкой была собрана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования как гидравлического сопротивления насадочного слоя, так и процесса абсорбции в аппарате с данной насадкой. Общий вид установки схематично представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для проведения исследований гидродинамики и массообмена в абсорбере с пакетной вихревой насадкой.
1 - абсорбционная колонна; 2 - пакетная вихревая насадка; 3 - баллон с абсорбируемым газом СO2; 5 - ороситель; 6 - ёмкость исходного раствора; 7 - емкость для сбора абсорбента; 8 - насос; 9, 13 - дифференциальный манометр; 10 - измерительная диафрагма; 11 - расходомерное устройство; 12 - редуктор подачи углекислого газа; 14 - расходомер жидкой фазы; 15 - вентиль; 16 - пробоотборные вентили; 17 - каплеотбойник; 18 - вакуум-насос.
Установка состоит из абсорбционной колонны (1) с вихревой пакетной насадкой (2), баллона (3) с углекислым газом, насоса (8) для подачи абсорбирующей жидкости через ороситель (5), ёмкости исходной жидкости (6), емкости для сбора насыщенной жидкости (7), вакуум-насоса (18) создающего разрежение и просос воздуха, а также систем измерения расходов воздуха и СО2 (9, 10, 11, 12, 13), расходов орошающей жидкости (14, 15) и пробоотборников (16), распределенных по высоте абсорбера.
Экспериментальный абсорбер представляет собой колонный аппарат высотой 1100 мм, вверху которого расположен вихревой каплеотбойник (17). Для возможности визуального наблюдения за гидродинамической обстановкой внутри аппарата корпус его был выполнен из органического стекла. Внутренний диаметр рабочей зоны абсорбера – 130 мм.
Для контроля эффективности процесса абсорбции по высоте насадки использовались пробоотборники (16). Основным элементом абсорбера явилась высокоэффективная массообменная пакетная вихревая насадка (2), количество пакетов которой изменялась от 4 до 12 штук.
Нами проводились исследования с применением новой пакетной вихревой насадкой, один из вариантов которой представлен на рис. 2.
Пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных аппаратов, исследованная нами, состоит из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет удлиненных, загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель. На выходе из ячейки, окончания обеих стенок также выполнены удлиненными и загнутыми внутрь, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель. Поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта регулярной шероховатостью или перфорацией любой формы.
В ходе экспериментальных исследований применялась пакетная насадка с высотой пакета 55 мм и ячейками с поперечным сечением 1515мм. На рис. 3 представлен общий вид абсорбера с вихревой пакетной насадкой при установке 12 пакетов друг на друга.
Рис. 2. Общий вид пакетной вихревой насадки.
Рис. 3. Общий вид абсорбера с
пакетной вихревой насадкой в
экспериментальном аппарате.
Во второй главе исследовалась гидродинамика пакетной вихревой насадки.
Гидравлическое сопротивление насадочного слоя, набранного из 12 слоев вихревой пакетной насадки в зависимости от расходов 20% раствора диэтаноламина в воде и скорости газового потока представлено на рис. 4.
Гидравлическое сопротивление сухой насадки имеет чрезвычайно малую величину, поэтому на рисунке не показано.
Из анализа экспериментальных данных, представленных на рис. 4. следует, что при малых плотностях орошения до 20 м3/м2ч, наблюдается три участка изменения сопротивления слоя от скорости газа. На первом участке при изменении скорости газа Uг от 2 до 2,75 м/с наблюдается очень медленное и плавное повышение гидравлического сопротивления пакетного слоя. При изменении Uг от 2,75 до 4 м/с (2-й участок) наблюдается существенное повышение (по экспоненте) гидравлического сопротивления, связанное с интенсивным образованием капель внутри ячеек.
Рис. 4. Зависимость гидравлического сопротивления слоя пакетной вихревой насадки в зависимости от расхода фаз.
1 – плотность орошения 20 м3/м2ч; 2 – плотность орошения 40 м3/м2ч;
3 – плотность орошения 60 м3/м2ч; 4 – плотность орошения 80 м3/м2ч;
5 – плотность орошения 100 м3/м2ч.
При изменении Uг от 2,75 до 4 м/с (2-й участок) наблюдается существенное повышение (по экспоненте) гидравлического сопротивления, связанное с интенсивным образованием капель внутри ячеек. При изменении Uг от 4 до 6 м/с (3-й участок) наблюдается очень медленное и плавное увеличение гидравлического сопротивления (до 450 Па/м), что объясняется процессом самоорганизации быстрого образования и осаждения большого количества капель внутри каждой ячейки.
В процессе эксперимента найдено, что гидравлическое сопротивление в пакетной вихревой насадке при малой плотности орошения при увеличении скорости газа от 4 до 6 м/с возрастает не пропорционально квадрату скорости газа, а совершенно не существенно, что наглядно видно из рис. 4 (кривая 1.)
Впервые экспериментально найдено, что при плотности орошения 20 м3/м2ч и скорости газа более 4 м/с, а при больших плотностях орошения и Uг более 3 м/с, в слое с вихревыми насадками наблюдается устойчивый эмульсионный режим.
В третьей части II главы представлено экспериментальное исследование гидродинамики насадочной колонны с четырьмя видами насадкок: пакетной вихревой насадки (ПВН), псевдоожиженной шаровой насадки (ПСОН), слоя неупорядоченных колец Рашига и насадки швейцарской фирмы Mellapak 250.
На рис. 5 представлены результаты исследования гидравлического сопротивления насадочных слоев в зависимости как от расхода жидкой и газовой фаз, так и от типа контактного устройства. Из приведенных данных видно, что при одинаковой плотности орошения (20 м3/м2ч) гидравлическое сопротивление различных типов насадок отличается друг от друга существенно.
Насадочный слой, выполненный из колец Рашига, отличается самым минимальным диапазоном изменений скоростей газовой фазы, не превышающим 1,5 м/с, и самым высоким по сравнению с другими насадками, гидравлическим сопротивлением, равным 3182 Па/м при данной скорости газа.
Режим работы псевдоожиженной насадки характеризуется также достаточно высокими значениями гидравлического сопротивления слоя. Например, при скорости газа, равной 4 м/с, сопротивление псевдоожиженного слоя составило – 2440 Па/м.
