1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научные основы и принципы совершенствования процессов и аппаратов для очистки паровоздушных смесей от органических растворителей

Специальность 03.00.16 - Экология

Махнин Александр Александрович

Иваново - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" на кафедре "Охрана труда и природы".

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Володин Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Невский Александр Владимирович,

Ивановский государственный химико-технологический университет

доктор химических наук, профессор

Казин Вячеслав Николаевич,

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

доктор технических наук, профессор

Сафин Рушан Гареевич,

Казанский государственный химико-технологический университет

Ведущая организация: ОАО НИИ "ЯРСИНТЕЗ"

Защита состоится "17" марта 2008 г. в_________ часов в аудитории Г 205 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-техно-логический университет" по адресу: 153000, г. Иваново, пр.Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" по адресу: 153000, г. Иваново, пр.Ф. Энгельса, 10.

Автореферат диссертации разослан " "_______________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Гришина Е.П.

Общая характеристика работы

созданы методики расчета гидродинамических и массообменных характеристик абсорбционных колонн, в которых в качестве контактного устройства используются регулярные пакетные насадки;

разработана методика расчета для определения геометрических параметров пакетных насадок различной конструкции;

разработанные пакеты регулярных насадок позволяют улучшить эффективность газоочистки, не прибегая к внедрению новых дорогостоящих систем. Использование разработанных методик расчетов массообменных, гидродинамических и геометрических характеристик насадок, решают практические задачи по внедрению регулярных пакетных насадок в различных технологических процессах, использующих абсорбционные системы для очистки вентиляционных и технологических выбросов;

разработан инженерный метод расчета прямоточных распылительных десорберов, которые внедрены на ряде предприятий энергетики;

разработаны и внедрены циклические технологические схемы по выделению органических растворителей из вентиляционных и технологических выбросов;

разработано и испытано аппаратурно-технологическое оформление процесса извлечения третичных амиленов из смесей, получаемых при очистке выбросов, содержащих компоненты бензина, показано, что получаемые третичные амилены имеют наиболее низкую себестоимость по сравнению с изоамиленами, полученные диспропорционированием бутиленов и дегидрированием изопентана;

рекомендовано использовать результаты работы в преподавании учебных дисциплин: "Общая химическая технология", "Техника защиты окружающей среды", "Экология" студентам вузов химико-технологического профиля.

основные научно-практические результаты работы были частично внедрены и переданы для использования при очистке газовых выбросов от органических веществ и разделения смесей органических веществ на Стерлитамакский завод СК, Новоярославский НПЗ, вагонное депо Ярославского отделения Северной железной дороги - филиала ОАО "РЖД", ОАО НИИ "Техуглерод", внедрены на предприятиях "Брянскэнерго", "Ярэнерго", "Дагэнерго", НИПИМ - НХИМТЕХ (г. Тула), ЗАО "Солид Системс" (Тульская обл.), ОАО "Тулагипрохим" (г. Тула), ООО "Полихим проект", г. Тула.

Достоверность результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований; обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на корректном использовании статистических методов обработки результатов, подтверждающихся воспроизводимостью и согласованностью лабораторных, экспериментальных данных и результатов, полученных в ходе проведенных научных исследований и опытно-промышленных испытаний.

Личный вклад автора. Вклад автора заключается в определении целей и задач работы, постановке исследований, проведении теоретических и экспериментальных работ, разработке прикладной части и оценке эколого-экономической экономической эффективности работы.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на 3-м Всесоюзном совещании по проблеме "Абсорбция газов" (г. Таллинн, 1987 г.), на Всесоюзном семинаре "Водоподготовка и водный режим на тепловых станциях" (г. Москва, 1988 г.), на научно-технических конференциях Ярославского государственного технического университета в 1990-2000 гг., на 8-й и 9-й Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в экологии" (г. Воронеж, 2005 и 2006 гг.), на Первой Всероссийской научно-технической интернет-конференции "Экология и безопасность" (г. Тула, 2005 г.), на Национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ-2006 (г. Казань, 2006 г.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 46 научных работах, в том числе двух авторских свидетельствах СССР, патенте РФ и одной монографии.

Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит 390 страниц, 86 рисунков, 81 таблицу и состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка использованной литературы (367 наименований) и четырех приложений (общим объемом 50 страниц), в которых приведены акты о внедрении результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, результаты испытаний работ, программное обеспечение и другие материалы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель и основные задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

Аналитический обзор и постановка задач исследований

Проведен анализ известных способов очистки газовых выбросов от органических растворителей. Отмечается, что в настоящее время одним из основных методов очистки газовых выбросов от органических примесей является их термическое разложение. Основной недостаток данного способа заключается в том, что безвозвратно теряются ценные продукты, которые могли бы вновь использоваться в различных технологических процессах. Использование других способов очистки газовых выбросов (адсорбционный, конденсационный) требуют значительного расхода энергоносителей.

Показано, что в настоящее время для очистки газовых выбросов от органических примесей все большее применение находят циклические абсорбционные процессы. Данные процессы отличаются простотой аппаратурного оформления, экономичны, позволяют вновь возвратить уловленные компоненты в технологический цикл.

Как следует из рассмотренного материала, основными причинами отсутствия в промышленной практике циклических процессов выделения и последующей утилизации и рекуперации органических растворителей из газовых, в том числе вентиляционных, потоков являются:

низкая массообменная эффективность абсорбционной аппаратуры и, как следствие, высокая ее стоимость;

очистка паровоздушная смесь газовая

значительное гидравлическое сопротивление абсорбционной аппаратуры, обусловливающее необходимость дополнительного компремирования подлежащего очистке газа и, как следствие, дополнительных капитальных и эксплутационных затрат;

недостаточная эффективность применяемых абсорбентов, затрудняющих абсорбцию и последующее выделение поглощенных компонентов в циклических процессах;

высокие энергозатраты на стадии регенерации абсорбента.

Проведенный анализ литературных источников показал, что добиться интенсификации процесса извлечения органических примесей из газовых выбросов можно в абсорберах, в которых в качестве контактного устройства используется регулярная насадка.

Одним из способов увеличения интенсивности газожидкостных массообменных процессов, и в первую очередь процесса массоотдачи в жидкой фазе, является расширение и использование в контактных устройствах зон с нестабилизированным режимом движения потоков, характеризующихся повышенной турбулизацией взаимодействующих фаз, что приводит к существенному повышению локальных коэффициентов массоотдачи. Такая интенсификация процесса массоотдачи, имеющая место на входных и выходных участках контактных устройств получила название концевого эффекта массообменного устройства.

Энергозатраты при регенерации насыщенного абсорбента существенно уменьшаются при совмещении процессов тепло - и массопереноса в одном аппарате, поэтому представляют интерес теплообменники, встроенные в барботажный слой ступени контакта.

Проведен анализ известных процессов выделения третичных амиленов из углеводородных смесей. Отмечается, что для выделения третичных амиленов из фракций нефтепереработки целесообразно использовать их повышенную реакционную способность. В литературе достаточно подробно освещены вопросы гидратации олефинов и дегидратации спиртов в присутствии минеральных кислот и ионообменных смол, однако, в присутствии карбоновых кислот данные процессы описаны мало, что касается кинетики гидратации третичных олефинов и дегидратации третичных спиртов, то здесь кинетические данные в основном относятся к изобутилену и трет-бутиловому спирту.

На основании анализа литературных данных были поставлены следующие задачи:

создание циклической схемы очистки газовых выбросов от органических растворителей, при которой реализуется принцип рационального использования природных ресурсов за счет возвращения уловленных компонентов в технологический процесс с подбором эффективного абсорбента;

создание высокоэффективных массообменных контактных абсорбционных устройств, использующих принцип концевых эффектов барботажа и устройства; экспериментальное изучение гидродинамических и массообменных характеристик абсорбционных контактных устройств, состоящих из пакета ситчатых тарелок и пакетной гофрированной насадки типа "Зульцер";

разработка методики расчета гидродинамических характеристик и эффективности массоотдачи в абсорбционных аппаратах с контактными устройствами из пакета ситчатых тарелок и пакетной гофрированной насадки, разработка методики расчета её геометрии;

разработка схемы регенерации насыщенного абсорбента при совмещении процессов тепло - и массопереноса в одном аппарате, с теплообменником, встроенным в барботажный слой ступени контакта; получение зависимостей для расчета основных гидродинамических тепло - и массообменных характеристик ступени контакта фаз регенератора, позволяющих упростить инженерные расчеты данного процесса;

разработка процесса разделения углеводородных смесей водными растворами муравьиной кислоты; изучение влияния на процесс различных факторов, выделение и идентификация продуктов реакции; исследование кинетики реакций взаимодействия третичных амиленов с безводной и водной муравьиной кислотой;

разработка метода расчета высоты реактора, исходя из данных кинетики реакций и фазовых равновесий.

Разработка технологических и аппаратурных основ очистки газо-паровоздушных смесей от органических растворителей методом абсорбции

В главе представлены схемы экспериментальных установок, приведены методики эксперимента и результаты проведенных исследований регулярных насадок, состоящих из пакета ситчатых тарелок и пакета модифицированной гофрированной насадки. Экспериментальные исследования абсорбции паров органических веществ из газовой смеси проводились на специально созданной абсорбционной установке с пятью ситчатыми тарелками. В абсорбере имелись устройства для отбора газовой и жидкой проб с каждой тарелки.

Опыты проводились с паровоздушными смесями, содержащими компоненты различных органических растворителей. Растворители могут представлять индивидуальное вещество или смесь веществ. Наиболее сложны для последующего разделения многокомпонентные растворители (таблица 1).

Таблица 1. Технические растворители, разбавители

В качестве абсорбентов для улавливания органических растворителей могут применяться низкокипящие органические абсорбенты (чаще всего наиболее высококипящий компонент органического растворителя - НОА) или высококипящие органические абсорбенты (ВОА), абсорбенты имеют свои достоинства и недостатки.

В работе были проведены экспериментальные исследования с целью оценки поглотительной способности различных абсорбентов. Все опыты проводились при следующих условиях: скорость газа в свободном сечении аппарата составляла 0,5-1,5 м/с, плотность орошения до 10 м³/м²?ч, температура в абсорбере составляла ? 20 С, давление атмосферное. Выбранные параметры абсорбционного процесса при проведении исследований на лабораторной установке соответствуют параметрам, обычно применяемым в промышленной практике. Состав парогазовой смеси на входе в абсорбер во всех опытах был практически постоянным. Варьируя скоростью газа, плотностью орошения и живым сечением тарелки процесс абсорбции проводили так, что провал жидкости на тарелках во всех опытах отсутствовал. Состав парогазовой смеси на входе в абсорбер и результаты проведенных экспериментальных исследований поглотительной способности абсорбентов для растворителя полимерных материалов (см. состав в таблице 1) приведены в таблице 2. Кроме НОА и ВОА в таблице 2 приведены результаты по использованию наиболее распространенного абсорбента - воды.

Таким образом, экспериментальные исследования по подбору абсорбента показали, что лучшие результаты у высококипящего органического абсорбента, представляющего собой топливо дизельное А - 0,2 (0,4) ГОСТ 305-82, модифицированное бутилбензолом. Высококипящий органический абсорбент является наиболее рациональным для извлечения органических веществ из газовой смеси; он обладает достаточной поглотительной способностью по улавливаемым компонентам, практически не поглощает пары воды, что является принципиальным, так как при последующей регенерации насыщенного улавливаемыми компонентами абсорбента не создается азеотропных смесей, которые практически не позволяют выделение к повторному использованию индивидуальных компонентов.

Таблица 2. Экспериментальные данные, полученные при очистке газовой смеси различными абсорбентами

Известно, что интенсификация работы газо-жидкостных массообменных аппаратов в основном осуществляется за счет увеличения в них плотности орошения и скорости газа. При этом достигаемая интенсификация массообменного процесса невелика, так как повышение плотности орошения и скорости газового потока имеют определенный предел, выше которого происходит захлебывание аппарата. Одним из способов интенсификации газо-жидкостных процессов, особенно процессов, лимитируемых скоростью массоотдачи в жидкой фазе, является расширение и использование в контактных устройствах зон с нестабилизированным режимом движения потоков, характеризующихся повышенной турбулизацией взаимодействующих фаз, что приводит к повышению локальных коэффициентов массоотдачи. Такая локальная интенсификация процесса массоотдачи имеет место на входных и выходных участках контактных устройств, которая носит название концевого эффекта массообменного устройства.

В данной работе исследована возможность повышения интенсивности массоотдачи в жидкой фазе за счет использования концевого эффекта барботажа для двух различных типов контактных устройств: для барботажного слоя, где поверхность контакта фаз формируется в результате барботажа газа через слой жидкости на перфорированной тарелке и для регулярной модифицированной пакетной гофрированной насадки.

Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе ?? проводились опыты по абсорбции плохо растворимого газа (СО₂ водой). В этом случае сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь и считать, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе приблизительно равен общему коэффициенту массопередачи К_ж.

В работе было проведено экспериментальное исследование контактного устройства, состоящего из шести ситчатых тарелок, установленных с шагом по 50 мм по высоте, с живым сечением 10 %. Так как в барботажных абсорберах сложно определять поверхность контакта фаз, то для оценки интенсивности массообмена в исследуемом барботажном слое, секционированном ситчатыми тарелками, использовался объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе (_жv), отнесенный к единице рабочего объема всего секционированного барботажного слоя. Исследования контактного устройства проводились при изменении скорости газовой смеси в диапазоне от 0,4 до 1,45 м/с и плотности орошения от 104 до 343 м³/м²ч. Результаты экспериментальных исследований по определению зависимости _жv от скорости газовой фазы и плотности орошения представлены на рис.1.

Анализ экспериментальных данных показал, что _жv изменяется в пределах от 0,25 до 0,555 1/с, что значительно выше, чем в обычных барботажных слоях (_жv = 0,050,14 1/с). Полученные результаты экспериментальных исследований показали, что данное контактное устройство дает возможность получить высокие значения _жv в широком диапазоне изменения скоростей газа и плотности орошения. Перенос вещества от границы раздела фаз в ядро газовой или жидкой фазы описывается уравнениями гидродинамики и конвективной диффузии. Ввиду сложности решения дифференциальных уравнений конвективной диффузии эти уравнения обычно преобразуют методом теории подобия, при этом находят критерии подобия, пользуясь которыми можно описать процесс, не интегрируя уравнения.

Рис.1. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи (_жv) от скорости газовой смеси (W_г) и плотности орошения L в секционированном барботажном слое: - L = 342,6 м³/м²ч; - L = 308,5 м³/м²ч; - L = 223,4 м³/м²ч; - L = 138,3 м³/м²ч; - L = 104,3 м³/м²ч

Связь между критериями подобия устанавливается только экспериментальным путем. В результате обработки экспериментальных данных были получены зависимости критерия Нуссельта для жидкой фазы (уравнения (1) и (2)).

Как показал анализ экспериментальных данных характер зависимостей объемного коэффициента массоотдачи _жv от плотностей орошения L и скорости газовой смеси W_г в исследованных пределах 0,41,45 м/с существенно изменяется при превышении плотности орошения порядка 250 м³/м²ч. Поэтому решение критериального уравнения выполнялось отдельно для каждой из двух областей:

для плотностей орошения L = 104,3223,4 м³/м²ч

, (1)

для плотностей орошения м³/м²ч

. (2)

Сравнение значений критерия Нуссельта, полученного расчетным путем с экспериментальными значениями показало удовлетворительную сходимость. При этом для уравнения (1) среднее относительное отклонение не превышало 6,0 %, а для уравнения (2) - 1,5 %.

Гидравлическое сопротивление орошаемого контактного устройства изучалось в зависимости от основных влияющих факторов - скорости воздуха W_г и плотности орошения. Исследования выполнялись при изменении скорости воздуха от 0,35 до 1,6 м/с и плотности орошения в диапазоне от 153 до 383 м³/м²ч. Полученные экспериментальные данные показывают, что с увеличением скорости газа при всех плотностях орошения общее гидравлическое сопротивление монотонно возрастает. При неизменной плотности воздуха с повышением плотности орошения сопротивление барботажного слоя также увеличивается, но при этом, чем выше фиксированная скорость воздуха, тем выше темп роста сопротивления Р с ростом плотности орошения. В результате обработки экспериментальных данных было получено выражение (3) для определения гидравлического сопротивления барботажного слоя, секционированного ситчатыми тарелками,

+. (3)

где А - безразмерный коэффициент, определяемый графически.

Сравнение расчетных значений общего гидравлического сопротивления секционированного барботажного слоя, полученных по уравнению (3) с экспериментальными значениями, показали хорошую сходимость. Среднее относительное отклонение расчетных величин не превышало 5 %. На рис.2 показано контактное устройство для тепло массообмена, состоящее из ситчатых тарелок (патент РФ №53583).

Рис.2. Устройство тепло и массообмена: 1 - емкость; 2 и 3 - подшипники; 4 - ось; 5 - пакет ситчатых тарелок; 8 - втулка; 9 - привод; 10 - эксцентрик; 12 - опорные кольца; 13-18 - трубопроводы (6 - ситчатая тарелка, 7 - рычаг - не показаны)

Исследование модифицированной регулярной пакетной гофрированной насадки проводилось на той же установке и по тем же методикам, что и для барботажного слоя, секционированного ситчатыми тарелками. Анализ описанных концевых эффектов насадочного контактного устройства приводит к предположению, что существенная интенсификация процесса массопередачи в пакетных насадках может быть достигнута путем организации движения жидкой пленки и газа по коротким каналам. Поэтому вместо сплошного слоя насадки по всей высоте ступени контакта фаз необходимо использовать отдельные пакеты насадки малой высоты, установленные на небольшом расстоянии один от другого. Такая модификация насадочного контактного устройства позволит заметно повысить эффективность работы абсорбционных аппаратов, в первую очередь, в тех случаях, когда скорость процесса лимитируется массоотдачей в жидкой фазе.

Для рассматриваемого процесса очистки низкопотенциальных газовых потоков была изготовлена и испытана на реальных средах насадка из гофрированной мелкоячеистой нержавеющей сетки с размером ячеек 1 х 1 и 1,5 х 1 мм. Гофрирование сетки было необходимо для того, чтобы не происходило слипание закручивающегося полотна насадки. Изготовленная таким образом насадка не создает обходных путей для газа и жидкости, равномерно распределяет жидкость по всему сечению аппарата, что является одним из главнейших условий для эффективной работы контактного элемента насадки.

Было проведено исследование интенсивности жидкофазной массоотдачи в слое модифицированной пакетной гофрированной насадки в зависимости от плотности орошения L (м³/м²Чч), скорости газовой смеси W_г (м/с), считая на полное сечение абсорбционной колонки, и высоты одиночных пакетов насадки l_п, из которых набирался слой. При выполнении опытов плотность орошения изменялась в пределах от 10 до 120 м³/м²Чч. Высота одиночных пакетов в слое насадки составляла 25, 50 и 100 мм. Скорость газа в свободном сечении колонки изменялась от 0,5 м/с до скоростей порядка 3,5ё2,5 м/с, соответствующих началу подвисания жидкости в насадке при исследованном интервале плотности орошения. Однако влияние скорости газового потока на массоотдачу в жидкой фазе при исследованных гидродинамических условиях обнаружено не было.

Полученные экспериментальные данные по зависимости объемного коэффициента массоотдачи (массопередачи) b_жv от плотности орошения L и высоты одиночных пакетов насадки l_п представлены на рис.3.

Рис.3. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи (b_жv) от плотности орошения (L) и высоты одиночных пакетов (l_п) в модифицированной пакетной гофрированной насадке типа "Зульцер": Ў - насадка с высотой пакетов l_п = 25 мм; D - насадка с высотой пакетов l_п = 50 мм;  - насадка с высотой пакетов l_п = 100 мм

Главный вывод, который следует из анализа полученных экспериментальных данных, состоит в том, что с уменьшением высоты одиночных пакетов насадки l_п при прочих одинаковых условиях объемные коэффициенты массоотдачи b_жv для слоя модифицированной насадки типа “Зульцер”, благодаря влиянию концевых эффектов, существенно возрастают. Так, можно видеть, что при плотности орошения L = 15,7ё16,5 м³/м²Чч коэффициент массоотдачи в жидкой фазе b_жv увеличивается от 0,0135 1/с при высоте пакетов l_п = 100 мм до 0,019 1/с при высоте пакетов l_п = 25 мм, или в 1,4 раза, а при плотности орошения L = 110,5 м³/м²Чч b_жv увеличивается от 0,0414 1/с до 0,065 1/с, или в 1,57 раза.

Исследование гидравлического сопротивления модифицированной гофрированной насадки типа "Зульцер", состоящей из отдельных пакетов малой высоты, размещенных в слое на небольшом расстоянии один от другого, производилось на системе вода-воздух. Исследовалась насадка с высотой пакетов l_п 25, 50 и 100 мм. Величина зазора между отдельными пакетами в слое насадки во всех случаях была одинаковой и равнялась 10 мм. Общая высота слоя насадки Н в колонке незначительно изменялась в зависимости от исследуемой высоты пакетов l_п и составляла: Н = 200 мм при высоте пакетов l_п = 25 мм, Н = 230 мм при l_п = 50 мм, Н = 210 мм при l_п = 100 мм.

Гидравлическое сопротивление орошаемой модифицированной насадки исследовано при стабилизированных значениях плотности орошения L, равных L = 11, 24 и 62 м³/м²Чч, в широком диапазоне изменения скорости газа W_г, вплоть до начала захлебывания насадки. Полученные экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению слоев орошаемой насадки, набранных из пакетов насадки высотой l_п =50 мм, в зависимости от скорости газа W_г и плотности орошения L представлены на рис.4.

Для сравнения на рисунке представлены данные по влиянию скорости газа на сопротивление слоев сухой насадки. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что гидравлическое сопротивление орошаемых слоев модифицированной гофрированной насадки возрастает как с увеличением скорости газа W_г при неизменной плотности орошения L, так и с повышением плотности орошения при постоянной скорости газа. При этом, однако, можно видеть, что при одинаковых значениях плотности орошения L и скорости газа W_г гидравлическое сопротивление орошаемых слоев насадки увеличивается с уменьшением высоты пакетов l_п, из которых набраны слои насадки. Так, например, при плотности орошения L = 24,0 м³/м²?ч и скорости газа W_г = 2,0 м/с, гидравлическое сопротивление орошаемых слоев насадки возрастает от = 96 Па при высоте одиночных пакетов, составляющих слой, равный l_п = 100 мм, до ? 190 Па при l_п = 50 мм, и до ? 260 Па при l_п = 25 мм. Это объясняется тем, что, как и в случае сухой (неорошаемой) насадки, при уменьшении высоты одиночных пакетов l_п, составляющих слой, увеличивается число концевых эффектов в пределах слоя насадки одинаковой высоты Н, вследствие чего повышается степень турбулизации газового потока и увеличивается гидравлическое сопротивление слоя.

Таким образом, испытания данной насадки на модельных средах показали, что она имеет высоту эквивалентную одной теоретической тарелке порядка 0,1 м при гидравлическом сопротивлении, не превышающем 98-196 Паскаль на один метр высоты насадки, тогда как гидравлическое сопротивление колец Рашига (25х25х5 мм) составляет около 686 Паскаль на один метр насадки, а высота эквивалентная одной теоретической тарелке - 1,5 м. Проведенные сравнения расчетных значений гидравлического сопротивления орошаемой модифицированной гофрированной пакетной насадки с экспериментальными показали удовлетворительную сходимость. Среднее относительное отклонение не превышало 3 %.

Рис.4. Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой гофриро-ванной насадки высотой Н = 0,23 м, набранного из пакетов высотой l_п = 0,05 м, в зависимости от скорости газа W_г и плотности орошения L: а - L = 0, сухая насадка; о - L = 11 м³/м²Чч; D - L = 24 м³/м²Чч;  - L = 62 м³/м²Чч

Экспериментальные исследования контактных устройств позволили получить критериальные уравнения для расчетов коэффициентов массоотдачи, величин их гидравлического сопротивления, которые могут быть использованы для расчета массообменных аппаратов при очистке газовых выбросов от улавливаемых компонентов.

Разработка технологических основ процесса регенерации насыщенного абсорбента

Предложена схема регенерации абсорбента, насыщенного уловленными органическими растворителями, с рекуперацией тепла непосредственно в самом регенераторе. Для исследования гидродинамических, массо - и теплообменных характеристик на барботажной тарелке с расположенными на ней теплообменными элементами была создана специальная установка, состоящая из перфорированной барботажной тарелки с организованным переливом жидкой фазы и уложенных на ней теплообменных трубках.

Исследования по определению гидродинамических и тепло - массообменных характеристик данной тарелки проводились при изменении скорости воздуха в колонне от 0,2 до 3,8 м/с и нагрузке по жидкости 6, 9, 12 и 17 м³/ (м²ч), то есть при режимах наиболее часто встречающихся в промышленной практике. На установке были получены зависимости логарифма гидравлического сопротивления слоя lgДP_{G. L} тарелок от логарифма скорости газа lgW при различных нагрузках по жидкости (Г) при средней высоте переливной перегородки h_п=0,08 м. Как и в случае постоянной нагрузки по жидкости, наблюдается уменьшение ДP_{G. L} с ростом скорости газа W. В результате обработки представленных экспериментальных данных получена расчетная зависимость для определения гидравлического сопротивления газожидкостного слоя при любых соотношениях плотности орошения, скорости газа и высоты переливной планки:

ДP_{G. L} = 323,5 W^-0,92Г^0,42h_П^0,34. (4)

Среднее отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по зависимости (4) составляет 13 %. Экспериментальные данные показывают, что рост гидравлического сопротивления барботажного слоя наблюдается с увеличением высоты перелива и плотности орошения, а с ростом скорости газа по сечению колонны ДP_{G. L} слоя уменьшается.

Зависимости для расчета эффективности массообмена в двухфазном газожидкостном слое обычно представляют собой уравнения связи характеристики массообмена с гидродинамикой аппарата, которые выводятся на основе тех или иных предположений о структуре газожидкостного слоя. Параметрами слоя, в значительной мере определяющими его массообменные характеристики, являются поверхность контакта и степень перемешивания фаз. Важнейшим параметром, характеризующим интенсивность массопереноса, является коэффициент массопередачи (коэффициенты массоотдачи), зависящий в общем случае от гидродинамической обстановки в аппарате. Совместное рассмотрение указанных параметров позволяет судить об интенсивности процесса массопередачи в аппарате в целом.

На рис.5 представлены экспериментальные зависимости логарифма массоотдачи lg в_GF от логарифма скорости газа lgW при изменении плотности орошения 6, 9, 12, 17 м³/ (м²ч), при высоте переливной перегородки h_п = 0,08 м.

Обработка экспериментальных данных (рис.5) позволила для вычисления коэффициента массоотдачи в газовой фазе на системе воздух-вода получить следующее уравнение для тарелки с шахматным пучком трубчатки:

в_GF = 9900 W^1,26Г^-0,324h_П^-0,31, (5)

средняя погрешность уравнения составила 7,6 %.

Так как в качестве абсорбента использовали высококипящий органический абсорбент, то перенос полученных данных с системы воздух-вода на процесс регенерации с использованием высококипящего органического абсорбента может быть осуществлен с применением известных закономерностей.

Обработка экспериментальных данных (таблица 3) показывает, что предложенное теплообменное устройство обеспечивает высокую интенсивность теплообмена. В зависимости от режима работы величины общего коэффициента теплопередачи К достигают значения порядка 8400-10500 кДж/м²Кч. Как и предполагалось, величина К зависит главным образом от значений б₁ и б₂ (коэффициенты теплоотдачи от горячей среды к внутренней стенке трубы и от наружной стенки трубы к барботажному слою соответственно). Расчет б₁ течения жидкостей в трубах хорошо описан в литературе и его определение не представляет сложности. Однако зависимостей по расчету б₂ для трубчатки, находящейся в барботажном слое и данных, полученных на достаточно крупногабаритных установках, не известно. Поэтому полученные экспериментальные данные представляют значительный теоретический и практический интерес.

lgв

Рис.5. Коэффициенты массотдачи на тарелке при средней высоте переливной планки h_П = 0,08 м и различной плотности орошения: 1 - Г=6 м³/м²ч; 2 - Г=9 м³/м²ч; 3 - Г=12 м³/м²ч; 4 - Г=17 м³/м²ч

Таблица 3. Экспериментальные данные по интенсивности теплообмена в барботажной колонне

Значения коэффициента теплоотдачи от внешней стенки к барботажному слою б₂ изменяются в диапазоне от 5656 до 29505 кДж/м²Кч и, как и предполагалось, определяются практически только интенсивностью барботажа, то есть количеством поданного воздуха, и очень мало зависят от расхода воды через межтрубное и трубное пространства теплообменного устройства. При имевших место значениях расхода воздуха, приведенная скорость по сечению колонны менялась от 0,2 до 3,8 м/с, то есть не выходила за принятый в промышленной практике диапазон скоростей газа по сечению колонны, и, иначе говоря, интенсивности барботажа. В данной серии экспериментов геометрические характеристики трубчатки не варьировали. В результате обработки экспериментальных данных для расчета величин б₂ было получено следующее уравнение:

, (6)

в котором критерий Рейнольдса для жидкой фазы рассчитывается по приведенной скорости газовой фазы

. (7)

Уравнение (6) удовлетворительно описывает экспериментальные данные во всем исследованном диапазоне изменения параметров процесса с погрешностью не более 10%. Проведенная обработка экспериментального материала показывает, что принятый тип встроенного теплообменника обеспечивает высокую интенсивность работы (К 9000-10500 кДж/м²Кч) в достаточно широком диапазоне параметров работы и может быть реализован в промышленном аппарате, совмещающем процессы массо - и теплообмена в одном аппарате (регенераторе).

Таким образом, проведенная работа показала возможность устранения основного недостатка (большие расходы тепла на регенерацию насыщенного абсорбента), препятствующего широкому применению высококипящих органических растворителей в установках очистки газов от паров органических веществ. В этом случае можно рассчитывать, что при использовании разработанной технологической схемы регенерации насыщенного абсорбента с встроенным теплообменником ректификация выделенной смеси органических продуктов при применении высококипящего органического абсорбента позволит существенно снизить как капитальные, так и эксплутационные затраты на очистку газов от паров органических веществ. В результате проведенных исследований предложена схема регенерации насыщенного абсорбента с рекуперацией тепла; получены зависимости для расчета гидродинамических, тепло - и массообменных характеристик процесса регенерации.

Экспериментально были получены составы отгона при регенерации уловленных органических растворителей. Результаты по десорбции компонентов для растворителя полимерных материалов и бензина каталитического крекинга представлены в таблице 4 (это наиболее сложные многокомпонентные растворители).

Отгон, состоящий из органических растворителей, полученный при регенерации насыщенного абсорбента (графа 2 таблицы 4), разделяли путем ректификации под атмосферным давлением. Исходную смесь подавали в среднюю часть колонны. При температуре верха колонны около 60°С, куба колонны - 90°С и флегмовом числе около 5 получали в качестве верхнего продукта тетрагидрофуран чистотой 99,5 % масс., а кубовый продукт, состоящий из метилэтилкетона, дихлорэтана, бутанола, циклогексанона, повторно разгоняли на той же колонне. В результате повторной разгонки, также под атмосферным давлением, в качестве кубового продукта получали при температуре куба 160,5°С циклогексанон чистотой 99,5 % масс. и при температуре верха 82,5°С - смесь, состоящую из метилэтилкетона, дихлорэтана и бутанола. Температура кипения перечисленных выше компонентов при атмосферном давлении близки, поэтому дальнейшее разделение этой смеси затруднительно. Представляет практический интерес вопрос об использовании смеси трех компонентов - метилэтилкетона, дихлорэтана и бутанола без предварительного разделения, так как в любом случае разделение этой смеси будет сопряжено с существенными затратами.

Таблица 4. Экспериментальные данные по регенерации насыщенного абсорбента

Еще сложней процессы разделения другого отгона (графа 6 таблицы 4), но обращает на себя внимание высокая концентрация изоамиленов, которые являются важным химическим сырьём в различных производствах и, особенно, для производства изопрена. Для выделения изоамиленов (третичных амиленов) можно воспользоваться их повышенной реакционной способностью, обусловленной наличием третичного атома углерода.