Метод исследования изменения теплофизических характеристик зерненых сорбентов в процессе хемосорбции Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Процессы и аппараты химических и других производств. Химия

УДК 681.2.082:54.084

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРНЕНЫХ СОРБЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ ХЕМОСОРБЦИИ П.В. Балабанов, С.В. Пономарев

Кафедра «Управление качеством и сертификация»,

ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; [email protected]

Ключевые слова и фразы: метод измерения; теплофизические характеристики; хемосорбенты.

Аннотация: Приведена методика исследования зависимости эффективных теплофизических характеристик насыпного слоя зерненых хемосорбентов диоксида углерода от степени их отработки, которая характеризуется количеством поглощенного диоксида углерода. Представлена схема измерительной установки и приведены экспериментальные данные, подтверждающие, что в процессе поглощения диоксида углерода происходит изменение эффективной теплопроводности насыпного слоя хемосорбента, вследствие изменения порозности и химического состава.

Обозначения и

й - температуропроводность, м2/с; с - объемная теплоемкость, Дж/(м3-К);

I - координата границы слоя, м;

Н - толщина слоя, м;

Н^ - тепловой эффект хемосорбции СО2 , Дж/кг;

^ - линейная скорость ГВС, рассчитанная на площадь поверхности слоя, м/с;

- мощность источников теплоты, Вт/м3; х - пространственная координата;

X - теплопроводность, Вт/(м-К);

аббревиатуры

Ф - текущее поглощение СО2 , м3/ м3; р - плотность, кг/ м3; т - время, с;

ГВС - газовоздушная смесь;

ИЯ - измерительная ячейка;

КиИСЗ - коллективные и индивидуальные средства зашиты;

ТФХ - теплофизические характеристики; х, г - индексы, относящиеся к хемосорбенту и газу;

1, 2, 3, 4 - индексы, относящиеся к соответствующим слоям ИЯ.________________________

Хемосорбенты, основным компонентом которых являются надпероксиды и гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, широко применяют в составе КиИСЗ для поглощения диоксида углерода и обогащения воздуха кислородом.

При проектировании средств защиты, управлении их работой требуется моделировать процессы регенерации воздуха, в том числе процессы теплопереноса. Анализ имеющихся работ в этой области показал, что в математических моделях делается допущение о постоянстве во времени значений ТФХ хемосорбентов. Это объясняется недостаточностью информации о зависимостях теплопроводности и объемной теплоемкости используемых материалов от температуры и степени отработки хемосорбента. Между тем известно, что процессы регенерации воздуха сопровождаются значительными тепловыделениями, при этом температура хемо-

сорбента повышается на десятки градусов и происходит не только изменение химического состава хемосорбента, но и деструкция его зерна. Поэтому расчетнотеоретическое определение и оптимизацию важнейших параметров процессов регенерации воздуха, конструкционных параметров аппаратов необходимо проводить с учетом эффектов изменения ТФХ хемосорбентов в процессе регенерации.

В данной работе предложен метод исследования закономерностей изменения эффективных ТФХ плоского слоя зерненых хемосорбентов в процессе поглощения диоксида углерода.

Метод исследования включает циклически повторяющиеся этапы подготовки пробы и последующего измерения искомых характеристик.

На этапе подготовки пробы через слой сорбента продувают ГВС с заданными параметрами (по расходу, температуре, влажности, концентрации СО2). В результате чего изменяется химический состав исследуемого материала и по-розность насыпного слоя. Продолжительность этого этапа определяется в зависимости от требуемой степени отработки хемосорбента, которая контролируется в ходе осуществления этапа. После этого переходят к этапу измерения ТФХ.

Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных этапов.

Этап подготовки пробы. Измерительную ячейку с исследуемым хемосорбентом помещают в установку подготовки пробы (рис. 1).

Измерительная ячейка состоит из фторопластового корпуса 4 с закрепленной в центре воздухопроницаемой оболочкой 1, по обе стороны которой размещают тонким слоем (3-4 мм) исследуемый материал, который закрывают сверху воздухопроницаемыми оболочками 2 и 3. На воздухопроницаемых оболочках размещены медные термометры сопротивления (ТС) (рис. 2) таким образом, чтобы они не перекрывали ячейки (Я) оболочки. Через слои хемосорбента посредством побудителя расхода 11 продувают ГВС из камеры 10. Для большей равномерности отработки слоев хемосорбента предусмотрена возможность смены направлений продувки за счет использования электромагнитных клапанов К1...К4. На рисунке 1 стрелками показано одно из двух возможных направлений потока ГВС. При этом клапаны К2, КЗ открыты, К1, К4 закрыты. Для равномерного распределения потока по площади поверхности хемосорбента предусмотрено наличие обечаек 8, 9. Сигналы и - из с выхода мостовой схемы 12 пропорциональны температурам Т - Т3, измеряемым термометрами 5, 7, 6 соответственно.

Введем допущения: потери теплоты с торцевых сторон слоя хемосорбента пренебрежимо малы, скорость ГВС постоянна (так как объем выделившегося кислорода за все время опыта значительно меньше суммарного объема продуваемой ГВС), перенос теплоты конвективным потоком ГВС много больше переноса теплоты теплопроводностью, перенос теплоты от газа к хемосорбенту и обратно осуществляется мгновенно, объемная теплоемкость хемосорбента в ходе этапа подготовки постоянна. Для соблюдения последнего допущения на практике необходимо потребовать, чтобы продолжительность текущего подготовительного этапа была небольшой, это позволит считать, что за время его осуществления изменение порозности и химического состава слоя практически не повлияют на его теплоемкость.

С учетом принятых допущений по измеренным температурам можно вычислить мощность внутренних источников теплоты, действующих в слое хемосорбента в текущий момент времени тг-,

7 (т ) = c Tl(Ti+l) - Tl(Ti-l) + T3(Ti ) - T2(Ti)

qv (Ti ) - Сх --------------------- + ^Сг

Ti+l - Ті-і

h

(l)

где тг- е [0; тк], тк - конечный момент времени этапа подготовки.

Мощность внутренних источников теплоты естественным образом связана со скоростью поглощения диоксида углерода

= Чу (т)/НЕРС02 ,

что позволяет определить величину ф текущего поглощения СО2, характеризующую степень отработки хемосорбента, интегрируя зависимость (2) в интервале времени от начала текущего этапа до его окончания,

(2)

К

Ф - Фо + j

дф(т)

5т

dT.

(З)

где фо - количество СО 2, поглощенного единицей объема хемосорбента на предыдущих этапах подготовки пробы.

Этап измерения ТФХ. После окончания продувки ГВС переходят к этапу измерения ТФХ. Измерения осуществляют методом двух альф [1] в две стадии.

Первая стадия. После окончания этапа подготовки пробы термостатируют внешние воздухопроницаемые оболочки ИЯ при температуре Т1к - То = 7...10 °С с использованием жидкостных теплообменников, через которые с большим расходом прокачивается теплоноситель при постоянной температуре То. Значение Т1к соответствует конечной температуре, достигнутой на этапе подготовки пробы. Регистрируют температуру ©1 = (Т - То) /(Т1к - То) в моменты времени

Бо = йзт / /2 , где аз - температуропроводность оболочки; /3 - геометрический размер ИЯ, физическая модель которой представляет собой трехслойную симметричную систему (рис. 3, а). Определяют тангенс 81 угла наклона прямолинейного участка зависимости 1п ©1 = f (Бо) и, задаваясь значениями теплопроводности X2

из диапазона [Я2

], численно решают относительно температуропро-

водности Й2 задачу Штурма-Лиувилля

yj (x) + 6^3/a(x)^i(x) = 0, y1 (0) = 0, y1(1) = 0, i = 1,2; (4)

l, l,

- 0) = y^ + 0);

l3 l3

которая соответствует краевой задаче теплопроводности в трехслойной плоской системе (см. рис. 3, а), на внешних поверхностях которой заданы граничные условия первого рода. Функция а(х) имеет вид а(х) = а[ = аз - для первого и третьего слоев системы и а(х) = а2 для исследуемого материала. Граничные значения интервала [X2т{п;X2тах] задают исходя из предположительных значений теплопроводности исследуемого материала. В результате решения задачи (4) получают зависимость а2 = /[(X 2).

Вторая стадия. После окончания первой стадии внешние воздухопроницаемые оболочки ИЯ приводят в тепловой контакт с защитной оболочкой 4 (рис. 3, б) из полиметилметакрилата, предназначенной для предотвращения контакта исследуемого материала с диоксидом углерода и парами воды, содержащимися в воздухе. Измерительную ячейку термостатируют при температуре Т[к, а затем посредством воздушного термостата задают на внешних поверхностях ИЯ постоянные условия теплообмена, характеризуемые числом Ы < 1,5 и постоянной температурой Т0. По экспериментальным данным определяют значение е2, как тангенс угла наклона прямолинейного участка графика зависимости 1п ©[ = /(Бо),

где Бо = а4Т / /4 ; а4 - температуропроводность полиметилметакрилата; /4 - геометрический размер ИЯ, физическая модель которой представлена на рис. 3, б. Численно решают в интервале [X 2т;п; X 2тах] относительно а2 задачу Штурма-Лиувилля

y'1 (x) + 6^4/ а(x)yi(x) = 0, yl (0) = 0, i = 1,2,3

(5)

1

0 l.

а)

б)

Рис. 3. Физическая модель ИЯ на различных стадиях опыта:

а - первая; б - вторая; 1, 3 - оболочки; 2 - хемосорбент; 4 - защитная оболочка

Рис. 4. Результаты эксперимента

^ (1) + Б1у1(1) = 0,

которая соответствует краевой задаче теплопроводности в четырехслойной плоской симметричной системе. Значение Б1 определяют из опыта с эталонной ячейкой, изготовленной из материала с известными ТФХ по методике, изложенной в работе [1]. В результате решения получают вторую зависимость а2 = /г(Х2), координаты а2, X2 точки пересечения графиков зависимостей

а2 = /1(Х2) и а2 = /2(Х2), построенных по данным первой и второй стадий, определяют значения искомых ТФХ.

После окончания второй стадии при необходимости повторяют весь цикл эксперимента, начиная с этапа подготовки пробы. При этом в уравнении (1) в качестве значения объемной теплоемкости сх используют величину X 2/ а2 , определенную в предыдущем эксперименте, а в качестве фо используют величину ф, вычисленную по формуле (3).

Результаты исследований. Разработанным методом мы исследовали изменение ТФХ зерненых сорбентов на основе КО 2 и ПОИ в процессе хемосорбции. Результаты позволяют сделать вывод: в процессе хемосорбции эффективная теплопроводность слоя исследуемого материала увеличивается в 1,5...3 раза. В качестве примера на рис. 4 приведены результаты исследований одного из химических продуктов на основе КО2 зернением 2-3 мм при средней температуре опыта 40 °С и начальной насыпной плотности 1179 кг/м3. В точках 1, 2 и 3 значения объемной теплоемкости равны соответственно 1,45; 1,82 и 2,58 МДж/(м3-К).

Представленные результаты свидетельствуют о том, что при моделировании теплопереноса в процессах сорбции диоксида углерода зернеными хемосорбентами на основе надпероксидов и гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов необходимо учитывать изменение эффективных ТФХ насыпных слоев указанных веществ.

Список литературы

1. Балабанов, П.В. Применение теории метода двух альф для исследования теплофизических характеристик регенеративных продуктов и химических поглотителей / П.В. Балабанов, С.В. Пономарев // Измер. техника. - 2010. - № 11. -С. 45-49.

Method of Studying Changes in Thermo-Physical Characteristics of Graining Chemisorbent in the Process of Chemisorption

P.V. Balabanov, S.V. Ponomarev

Department “Quality Control and Certification ", TSTU; [email protected]

Key words and phrases: method of measurement; thermal characteristics; chemisorbent.

Abstract: The paper presents the method for investigating the dependence of effective thermo-physical properties of bulk layer of graining chemisorbent of carbon dioxide on the extent of mining, which is characterized by the quantity of absorbed carbon dioxide. We describe the scheme of the measuring device and the experimental data confirming that in the process of absorption of carbon dioxide there is a significant change in the effective thermal conductivity of bulk layer chemisorbent due to changes in its porosity and chemical composition of the layer.

Methode der Untersuchung der Veranderung der warme-physikalischen Charakteristiken der kornigen Chemosorptionsmittel im Prozess der Chemosorption

Zusammenfassung: Es ist die Methodik der Untersuchung der Abhangigkeit der effektiven warme-physikalischen Charakteristiken des Auftrages der kornigen Chemosorptionsmittel des Kohlendioxides von dem Grad ihrer Bearbeitung, die durch die Menge des absorbierten Kohlendioxides charakterisiert wird, angefuhrt. Es ist das Schema der MePanlage vorgelegt und es sind die experimentellen Angaben angefuhrt, die bestatigen, dass im Prozess der Absorbierung des Kohlendioxides die wesentliche Veranderung der effektiven Warmeleitfahigkeit des Auftrages des Chemosorptionsmittel infolge der Veranderung des Leerraumanteils seiner Schicht und der Analyse geschieht.

Methode de l’etude de la dependance des caracteristiques thermophysiques des hemosorbants granuleux au cours de la hemosorbtion

Resume: Est citee la methode de l’etude de la dependance des caracteristiques thermophysiques efficaces de la couche rapportee des hemosorbants granuleux du dioxyde de l’hydrogene a partir du degre de leur traitement qui est caracterise par une quantite du dioxyde de l’hydrogene absorbe. Est presente le schema de l’installation de mesure et sont citees les donnees experimentales confirmant que lors de l’absorbtion du dioxyde de l’hydrogene a lieu un changement suffisant de la conductibilite thermique de la couche rapportee des hemosorbants par suite du changement de la porosite de sa couche et de sa composition chimique.

Авторы: Балабанов Павел Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление качеством и сертификация»; Пономарев Сергей Васильевич - доктор технических наук, профессор, исполняющий обязанности заведующего кафедрой «Управление качеством и сертификация», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Рецензент: Чуриков Александр Алексеевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Управление качеством и сертификация», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».