ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООБМЕННОГО ПРОЦЕССА ПРИ МОКРОЙ ОЧИСТКЕ ГАЗОВ В РОТОРНО–ФИЛЬТРУЮЩИМ АППАРАТЕ

АННОТАЦИЯ

В статье исследован массообменный процесс в роторно-фильтрующем аппарате. Приведены результаты проведенных экспериментов по поглощению аммиака в 25%-ном закисленном растворе аммиачной селитры. По гидродинамике аппарата разработана схема для расчета коэффициентов массоотдачи. Определено влияние расхода абсорбента, скорости очищаемого газа и диаметра отверстия фильтрующего материала на изменение коэффициента массоотдачи. Также определены оптимальные значения изменяющих параметров. На основе экспериментальных данных построены графики и получены эмпирические функции.

ABSTRACT

The article studied the process of mass transfer in an experimental device with a rotor filter for wet cleaning of gases. In the experiments, the absorption of ammonia gas into a 25% solution of ammonium nitrate in nitric acid was studied. A scheme for calculating the feed ratio according to the hydrodynamics of the experimental device was developed, according to which the effect of different values ​​of absorbent consumption, purified gas flow rate and the diameter of the filter material coated on the working surface of the rotor was studied. Graphs comparing the values ​​obtained in the experiments were constructed. The optimum values ​​of the filter material hole diameter, absorption fluid flow rate and purified gas flow rate were also determined.

Ключевые слова: абсорбционная жидкость, мокрый способ, ротор-фильтр, рабочая поверхность.

Keywords: absorption fluidity, wet sposob, rotor-filter, operation surface.

Ввдение. Мокрая очистка является лучшим способом для улавливания ценных компонентов из газовых смесей и очистки газообразных выбросов, потому что в аппаратах, работающих мокрым способом, эффективность очистки достигает до 99%. Поэтому с целью максимального улавливания газообразного аммиака выбран мокрый газоулавительный роторно-фильтрующий аппарат. Ниже приведены результаты опытов по улавливанию аммиака. Для определения оптимального энергопотребления и эффективности очистки аппарата исследована массообменная характеристика аппарата. Из результатоа видно, что роторно-фильтрующий аппарат считается ресурсо- и энергоэффективным и может применяться при очистке запыленных вредных или вторичных газов химического производства.

Методика исследования.

Для учета коэффициентов массоотдачи сначала была изучена гидродинамика экспериментальной установки, и по этому принципу работы установки и по его гидродинамке разработана расчетная схема. По разработанной схеме были определены массообменные характеристики аппарата и составлены формулы для ее расчета.

1 – пленечный слой жидкости; 2 – капли жидкости; 3 – отработанная жидкость

Рисунок 1. Схема определения контактных поверхностей экспериментальной установки

1 – направление течения пленки жидкости; 2 – фильтрующий материал; 3 – направление очищаемого газа; β_С; β_Г – коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой фазах, кмоль / м²·с; δ_Ф – толщина фильтрующего матриала, мм; δ_ПЛ – толщина пленки абсорбента, мм

Рисунок 2. Схема взаимодействия пленки жидкости и капель с газовым потоком на рабочей поверхности ротора экспериментальной установки

По схемам, приведенным на рис. 1 и 2, процесс массообмена в роторно-фильтровальном аппарате можно описать следующим образом. Абсорционная жидкость, подаваемая в аппарат через форсунки, попадает в зонт и оттуда стекает на поверхность фильтра. Поверхность фильтра имеет неперфорированные активные поверхности и перфорированные пассивные поверхности. Абсорбент в виде жидкой пленки стекает в ванну с активной поверхности ротора [1]. На образовавшийся слой жидкости воздействуют запыленный газовый поток, подаваемый в аппарат в направлении пересечения. В результате наблюдается поглощение некоторых компонентов в потоке очищаемого газа в пленке жидкости, движущейся по активной поверхности М₁. Также поток газа, поступающий в диффузор, ударяется о поверхность первичной отработанной жидкости, собранной в жидкостной ванне, придавая массе М₂ в жидкой фазе и массе М₃ в газовой фазе движение капель, образующихся на пространстве между ротором и корпусом аппарата [2; 7].

Отсюда общее количество вещества, поглощенного пленкой жидкости, жидкостью в ванне и каплями при контакте абсорбента с газом в экспериментальной установке, можно записать в следующем виде, кг;

.                                               (1)

Протекание процесса массопереноса в экспериментальной установке изучается в зависимости от гидродинамического состояния, формирующегося при взаимодействии жидкой и газовой фаз в установке. При исследовании массообменого процесса в роторной фильтрующей экспериментальной установке необходимо определить коэффициенты массоотдачи. Процесс массоотдачи в экспериментальном аппарате рассчитивается по формуле:

,                                                (2)

где А, m и n – коэффициенты, зависящие от конструкции аппарата.

Это определяется опытном путем. В нашем случае А = 0,021; m = 0,75 и n = 0,3÷0,5.

Режим движения пленочного слоя, образующегося на поверхности ротора, рассчитывается следующим образом:

,                                              (3)

где Q_C – расход абсорбента, м³/час;

μ – динамическая вязкость, Па·с;

ρ_С – плотность абсорбента, кг/м³;

h – высота фильтрующей поверхности, м;

2πr – длина фильтрующей поверхности, м.

Процесс массоотдача в роторно-фильтровальном аппарате исследуется по Нуссельту, как и в других типах массообменных расчетов Прандтля, входящего в критерий Нуссельта, рекомендуется рассчитывать из следующего уравнения:

,                                                    (4)

где D_C – коэффициент диффузии в жидкой фазе, м²/с.

Следует отметить, что изменение числа диффузий влияет на интенсивность массообмена. Коэффициент диффузии в жидкостях в 10 000 раз меньше, чем в газах. По Арнольду, при расчете коэффициента диффузии, входящего в уравнение (4), используется следующая формула при температуре жидкости 20 °С [7; 6], м²/с:

,                                (5)

где A и B – поправочные коэффициенты: для газов A = 1; для воды B = 4,7;

μ – коэффициент динамической вязкости абсорбента, Па·с;

v_A и v_B – мольные объемы абсорбента и газа, см³/кмоль;

M_A ва M_B – молярные массы абсорбента и газа.

Коэффициент диффузии абсорбционной жидкости, подаваемой в роторно-фильтрующую экспериментальную установку, определяется по следующему уравнению [3; 7], м²/с:

.                                 (6)

Уравние (5) применяется в лабораторных условиях, но уравнение (6) применимо для промышленных исследований процесса массоотдачи при рабочей температуре процесса.

В общем виде уравнение для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе имеет следующий вид [3; 7], м/с:

.                                             (7)

Подставив уравнения (2) и (5) в (7), получим уравнение, описывающее процесс переноса веществ в фильтрующем пленочном слое роторно-фильтрующей установки [6; 10], м/с:

.                                  (8)

В результате движения капель, образующихся в роторно-фильтровальном аппарате, в газовой фазе наблюдается массоперенос, определенный компонент газовой смеси поглощается каплей жидкости. Для расчета этого процесса были проанализированы процессы массопереноса в устройствах с аналогичной гидродинамикой и контактными поверхностями фаз, а также разработано уравнение для расчета процесса массопереноса в газовой фазе для экспериментального аппарата. Для расчета массопереноса в газовой фазе важно определить диаметр капли, который в процессе не изменяется по площади поверхности и объему. При изменении диаметра сопла изменяются диаметр и поверхность капли. Объем и диаметр поверхности полученной капли, неизменяющий в процессе, определяли по следующему уравнению, мкм [3; 4]:

,                                                (9)

где d_х – диаметр капли в фракции i, мм;

d_с – объемно-поверхностный диаметр капли, м.

Скорость газа, проходящего через отверстие фильтрующего материала, определяется по следующему уравнению, м/с [3]:

,                                             (10)

где w_ап – скорость газа при входе аппарата, м/с;

ΣF_теш – площадь фильтрующей поверхности, м².

Режим движения газа, проходящего через фильтрующий материал, определяется следующим уравнением:

,                                            (11)

где w_теш – скорость газа, проходящего через отверстие, м/с;

ν – коэффициент кинематической вязкости газа, м²/c;

– диаметр капли, мкм.

Зависимость скорости перехода компонента в газовую фазу от физико-химических свойств фаз и параметров процесса выражается в виде критериальных уравнений. Критериальное уравнение, предложенное Фреслингом, было выбрано для расчета процесса массопереноса в газовой фазе в роторно-фильтровальном аппарате. Это уравнение основано на тестах на массоперенос между каплей жидкости и газом и позволяет вычислять предельные значения чисел Рейнольдса и Прандтля в уравнении на большем интервале, чем в других предложенных уравнениях [3; 4; 8; 9]:

,                                               (12)

где ­Re_Г – режим движения газа, проходящего через фильтрующие отверстия; Pr­_Г ­– число Прандтля для газовой фазы.

Общее уравнение коэффициента массоотдачи при поглощении компонентов газового потока каплями жидкости выражается следующим образом, м/с [3; 4]:

,                                              (13)

где Nu_Г – число Нуссельта в газовой фазе;

D_Г – коэффициент диффузии при поглощении газообразного аммиака каплями абсорбента, м²/c.

Подставив уравнения (9) и (12) в уравнение (14), получили уравнение для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе для экспериментальной установки:

.                              (14)

Результаты исследования. Эксперименты по поглощению газообразного аммиака, испускаемого при производстве аммиачной селитры в роторной фильтрующей установке, проводились при следующих значениях переменных коэффициентов. При определении коэффициентов переноса вещества диаметр барабанного фильтрующего материала с паронитовым покрытием d_ф = 2 мм; d_ф = 3 мм; d_ф = 4 и диаметр отверстия форсунки, подающей жидкость в рабочую камеру, d_ш = 1 мм; d_ш = 2 мм; d_ш = 3 мм. В качестве абсорбента использован 25%-ный раствор аммиачной селитры в азотной кислоте. Значения расхода абсорбента Q_сую = 0,068÷0,160 м³/ч; Q_сую = 0,071÷0,168 м³/ч и Q_сую = 0,072÷0,178 м³/ч были определены экспериментально по показанию жидкостного ротометра.

Для получения различных значений скорости очищаемого газа и определения коэффициентов массоотдачи на всасывающем патрубке вентилятора установлен шебер 0°, 30°, 45°, 60°, 90°.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе учтен с помощью уравнения (13) при значении скорости газа в диапазоне ʋ_г = 5÷30 м/с, и изучалось влияние различных значений расхода абсорбента на коэффициенты массоотдачи на основании следующих графиков (рис. 3, 4, 5).

1–d_ф = 2 мм; 2–d_ф = 2 мм; 3–d_ф = 4 мм; d_ш = 1 мм-const, Q_сую = 0,068÷0,160 м³/ч

Рисунок 3. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от расхода абсорбента

1–d_ф = 2 мм; 2–d_ф = 2 мм; 3–d_ф = 4 мм; d_ш = 2 мм-const, Q_сую = 0,071÷0,168 м³/ч

Рисунок 4. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от расхода абсорбента

1 –d_ф = 2 мм; 2–d_ф = 2 мм; 3–d_ф = 4 мм; d_ш = 3 мм-const, Q_сую = 0,072÷0,178 м³/ч

Рисунок 5. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от расхода абсорбента

Из рисунки 3 видно, что диапазон изменения расхода жидкости составляет Q_сую = 0,068÷0,160 м³/ч, а значение коэффициента массоотдачи β_Г = 0,00082÷0,0020 кмоль/м²·с при диаметре отверстие d_Ф = 4 мм фильтрующего материала. При диаметре отверстие фильтрующего материала d_Ф = 4 мм коэффициент массоотдачи изменился при интервале β_Г = 0,0011÷0,0064 кмоль/м²·с. По рисунку 4: при интервале Q_сую = 0,071÷0,168 м³/ч расхода абсорбента и при отверстии фильтрующего материала d_Ф = 4 мм; d_Ф = 3 мм и d_Ф = 2 мм коэффициент массоотдачи увеличился от β_Г = 0,00076 кмоль/м²·с до β_Г = 0,00279 кмоль/м²·с.

Известно из графика, приведенного на рисунке 5, при наибольшем расходе Q_сую = 0,178 м³/ч и при диаметре отверстие d_Ф = 2 мм фильтрующего материала значение коэффициента массоотдачи составило β_Г = 0,00296 кмоль/м²·с. С графиков 3, 4 и 5 получены следующие эмпирические функции:

при интервале расхода абсорбента Q_сую = 0,068÷0,160 м³/ч,

y = –0,0084x² + 0,0186x – 0,0001     R² = 0,9999          (15)

y = –0,0117x² + 0,017x – 0,0002       R² = 0,9997          (16)

y = 0,0122x² + 0,0096x + 0,0001      R² = 0,9937          (17)

при интервале расхода абсорбента Q_сую = 0,071÷0,168 м³/ч,

y = 0,0338x² + 0,0085x + 0,0004      R² = 0,9973          (18)

y = 0,0368x² + 0,0053x + 0,0005      R² = 0,9975          (19)

y = 0,0017x² + 0,0098x + 0,0001      R² = 0,9511          (20)

при интервале расхода абсорбента Q_сую = 0,072÷0,178 м³/ч,

y = 0,0157x² + 0,0127x + 0,0002      R² = 0,9991          (21)

y = 0,0089x² + 0,0117x + 0,0001      R² = 0,9994          (22)

y = –0,0003x² + 0,0135x – 0,0001     R² = 0,9978          (23)

1–d_ф = 2 мм; 2–d_ф = 2 мм; 3–d_ф = 4 мм; d_ш = 1 мм-const, Q_сую = 0,068 м³/ч

Рисунок 6. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от скорости очищаемого газа

1–d_ф = 2 мм; 2–d_ф = 2 мм; 3–d_ф = 4 мм; d_ш = 1 мм-const, Q_сую = 0,130 м³/ч

Рисунок 7. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от скорости очищаемого газа

1–d_ф = 2 мм; 2–d_ф = 2 мм; 3–d_ф = 4 мм; d_ш = 1 мм-const, Q_сую = 0,178 м³/ч

Рисунок 8. Изменения коэффициента массоотдачи в зависимости от скорости очищаемого газа

Из рисунка 6 видно, что при меньшем расходе абсорбента Q_сую = 0,068 м³/ч и при интервале υ_Г = 5÷30 м/с скорости очищаемого газа и в d_Ф = 4 мм диаметре отверстия фильтрующего материала определено наименьшое значение коэффициента массоотдача β_Г = 0,00189 кмоль/м²·с. Также максимальное значение коэффициента массотдачи наблюдалось при β_Г = 0,02508 кмоль/м²·с при максимальной скорости потока очищаемого газа υ_Г = 30 м/с и диаметре отверстия фильтрующего материала d_Ф = 2 мм. Также при минимальной скорости газа υ_Г = 30 м/с и в среднем расходе абсорбента Q_сую = 0,130 м³/ч определено меньшее значение коэффициента массотдачи β_Г = 0,00361 кмоль/м²·с при отверстии с диаметром d_Ф = 4 мм фильтрующего материала. Коэффициент значения массотдачи достиг β_Г = 0,04858 кмоль/м²·с при скорости газа υ_Г = 30 м/с и при диаметре отверстия d_Ф = 2 мм фильтрующего материала. По рисунку 8, при максимальном расходе абсорбента Q_сую= 0,178 м³/ч и очищаемый газ проходил со скоростю υ_Г = 5 м/с через отвестие с диаметром d_Ф = 4 мм фильтрующего материала, получено значение коэффициента массоотдачи β_Г = 0,00493 кмоль/м²·с. При подводе очищаемого газа со скоростю υ_Г = 15 м/с и при его проходе через фильтр с диаметром d_Ф = 2 мм определен коэффициент массоотдачи с значением β_Г = 0,01479 кмоль/м²·с, при том же отверстии фильтрующего материала и при скорости газа υ_Г = 30 м/с увеличился коэффициент массоотдачи до β_Г = 0,03055 кмоль/м²·с. Также при подводе газа со скоростью υ_Г = 5 м/с и при диаметре отверстия d_Ф = 2 мм фильтрующего материала получен коэффициент массоотдачи β_Г = 0,01202 кмоль/м²·с, это значение массоотдачи увеличилось до β_Г = 0,03669 кмоль/м²·с, когда скорость газа увеличилась до υ_Г = 15 м/с, массоотдача тоже увеличилась до β_Г = 0,03669 кмоль/м²·с.

Для каждой линии графиков, приведеных на рисунках 6, 7, 8, получены следующие эмпирические функции:

при диаметре отверстия фильтрующего материала d_Ф = 2 мм:

y = 5e – 06x² + 0,0007x + 0,0009      R² = 0,9964                   (24)

y = 1e – 05x² + 0,0012x + 0,0021      R² = 0,9991                   (25)

y = 2e – 06x² + 0,0022x + 0,0011      R² = 0,9980                   (26)

при диаметре отверстия фильтрующего материала d_Ф = 3 мм;

y = 9e – 06x² + 0,0003x + 0,0009      R² = 0,9978                   (27)

y = 9e – 06x² + 0,0008x + 0,0013      R² = 0,9972                   (28)

y = 4e – 06x² + 0,0013x + 9E-05       R² = 0,9937                   (29)

при диаметре отверстия фильтрующего материала d_Ф = 4 мм:

y = 2e – 06x² + 0,0003x + 0,0002      R² = 0,9991                   (30)

y = 4e – 06x² + 0,0006x + 0,0004      R² = 0,9993                   (31)

y = 4e – 06x² + 0,0009x + 0,0005      R² = 0,9996                   (32)

Выводы. С учетом выше приведенных данных рекомендованы следующие оптимальные значения изменяющих параметров для применения экспериментальной установки при очистке аммиака с закисленным раствором аммиачной селитры:

– расход абсорбента Q_сую = 0,178 м³/ч;

– интервал подвода очищаемого газа υ_Г = 5÷15 м/с;

– диаметр отверстия фильтрующего материала d_Ф = 2 мм.

Список литературы:

1. Ахроров А.А., Тожиев Р.Ж., Исомидинов А.С. Исследование пленочного слоя на рабочей поверхности роторно-фильтрующего аппарата // Universum. – М., 2021. – № 7 (88). – С. 42–48.
2. Выбор фильтрующего материала и анализ расчетных уравнений массообменного процесса в роторном фильтрующим аппарате / А.А. Ахроров, Р.Ж. Тожиев, А.С. Исомидинов, И.М. Мамаризаев // Universum. – М., 2021. – № 5 (86). – С. 22–26.
3. Дегтярев В.С. Интенсификация технологических процессов. – Запорожье, 2002. – 282 с.
4. Исхаков А.Р., Лаптев А.Г. Эффективность абсорбции в полых распиливающих аппаратах // Вестник технологического института. – Казань, 2015. – Т. 18, № 18.
5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппарты химической технологии. – М. : Химия, 2004. – 752 с.
6. Паджи Л.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. – М. : Химия, 1984. – 256 с.
7. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М. : Химия, 1976. – 656 с.
8. Синицин Н.Н., Пронин К.С. Тепломассоотдача при движении капли воды в газовом потоке, содержащем аммиак // Вестник Череповского технологического университета. – Черповец, 2013. – Т. 2, № 4.
9. Химвинга М., Панов С.Ю. Интенсификация процесса абсорбционной очистки газов в аппаратах распылительного типа // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – Тамбов, 2016. – Т. 22, № 1.
10. Akhrorov A. Study of mass taransfer process in rotary – filter gas cleanaer // Austrian journal of technical and natural science. – Vienna, 2021. – № 11–12. – P. 3–19.