Расчет эффективности многоступенчатых вихревых абсорберов с рециркуляцией потока очищаемого газа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.074.5/.7: 665.612

Р. Р. Фатыхов, О. В. Козулина, А. Н. Николаев РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ВИХРЕВЫХ АБСОРБЕРОВ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ПОТОКА ОЧИЩАЕМОГО ГАЗА

Ключевые слова: массообмен, промышленные газы, биогаз, сжигание, диоксид углерода, вихревой аппарат,

математическое моделирование процессов абсорбции.

Получены расчетные зависимости для определения эффективности очистки газа в многоступенчатом вихревом аппарате с рециркуляцией потока газа. Выполнен расчетный анализ влияния числа ступеней контакта и кратности циркуляции газа на эффективность процесса очистки на примере очистки биогаза от диоксида углерода водным раствором моноэтаноламина.

Keys words: Mass transfer, industrial gases, biogases, burning, dioxide carbon, devices of vertical, mathematical

simulation of processes of absorption.

Settlement dependences for definition of efficiency of clearing of gas in the multistage vortical device with recycling of a stream of gas are received. The settlement analysis of influence of number of steps of contact and frequency rate of circulation of gas on efficiency ofprocess of clearing on an example of clearing of biogas from dioxide carbon by a water solution monoetharolamine is made.

Вихревые многоступенчатые абсорберы [1,2] являются одним из наиболее предпочтительных типов массообменного оборудования при очистке больших объемов газов. В ряде практических случаев исходный газ имеет высокое содержание очищаемого компонента, что существенно затрудняет достижение требуемой степени очистки. Примером может служить процесс очистки биогаза перед его сжиганием от диоксида углерода, который является негорючим компонентом, водным раствором моноэтаноламина. Содержание диоксида углерода в неочищенном биогазе может достигать 40% об. и более [3-5].

В тех случаях, когда очищаемый газ имеет высокое содержание СО2 для очистки газа до концентраций диоксида углерода 5% об. и ниже в абсорбере потребуется большое количество контактных вихревых ступеней (рис. 1).

Рис. 1 - Схема рециркуляции газа через вихревой аппарат

Степень извлечения компонента из газа на i-й контактной ступени вихревого аппарата составляет

Ej = y ж - y к!, (1)

У Hi

где yHi, yKi - концентрации в газе на входе в ступень и на выходе их нее. Для каждой контактной ступени справедливо выражение

у к! = у н! (1- Ei). (2)

Для n контактных ступеней

У к n = У Hill (1 - Ei). (3)

i=1

Соответственно, эффективность очистки в вихревом аппарате составляет

E „ = = 1 -П (1- Ei), (4)

Уу1 i=1

где n - число контактных ступеней.

В результате обработки данных по поглощению СО2 из газа в вихревом контактном элементе [1] получена зависимость

E = 0,495(Lm/Gm) (5)

i y°i6 .

Зависимость (5) позволяет вычислить значения интенсивности процесса с точностью до 2% в интервалах значений параметров: отношения массовых расходов жидкости и газа в вихревых элементах Lm/Gm = 0,5 -2,0; начальной степени карбонизации поглотителя а= 0,15 кмоль/кмоль); начальной концентрации диоксида углерода в газе ун = 0,05 - 0,55 моль. дол.

Как теоретические, так и экспериментальные исследования процесса поглощения СО2 показали небольшие значения эффективности для одного контактного элемента, как правило, не превышающие 0,5. Такие значения не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к очистке газа, и приводят к необходимости использования нескольких контактных элементов, последовательно расположенных по высоте вихревого аппарата.

На рисунках 2 и 3 показано влияние числа ступеней контакта на эффективность очистки биогаза в вихревом массообменном аппарате. Выявлено, что при увеличении количества ступеней контакта с 2 до 5 наблюдается увеличение эффективности более чем в 2 раза при одинаковых соотношениях массовых расходов поглотителя и газа в контактных элементах. При уменьшении начального содержания диоксида углерода в газе Ун степень увеличения эффективности снижается (рис.3).

Необходимо отметить, что дальнейшее (свыше 5) увеличение количества ступеней контакта нецелесообразно, так как гидравлическое сопротивление аппарата станет значительным и увеличатся энергетические затраты. В расчетах получено, что степень извлечения диоксида углерода из биогаза достигает необходимой величины 0,95 только при небольших начальных концентрациях СО2 в биогазе ( ун < 0,15 мольн. доли).

Для уменьшения количества ступеней целесообразно применять рециркуляцию газа через аппарат (рис.1), когда часть очищенного газа возвращается на вход в аппарат. Это позволит, во-первых, создать в аппарате интенсивный гидродинамический режим, а во-вторых - снизить концентрацию поглощаемого компонента на входе в вихревой аппарат. Так как в исследуемом процессе эффективность существенно увеличивается с уменьшением начальной концентрации газа, то применение рециркуляции позволяет повысить как эффективность массообменного аппарата, так и всей циркуляционной установки в целом.

Баланс для газовой фазы по циркуляционному контуру:

Gy н + G У к =(G + G )y н1 или Gy н + GKy к =(G + GK )y н1, (6)

где О - объемный расход газа на очистку, Об - расход газа в циркуляционном контуре (рис. 1),К = Оа/О - кратность циркуляции в контуре.

Рис. 2 - Зависимость эффективности многоступенчатого вихревого аппарата от соотношения массовых расходов жидкости и газа и от количества ступеней контакта. а= 0,15 кмоль/кмоль; ун = 0,3 мольн.доли; П: 1 - 2; 2 - 3; 3 - 4; 4 - 5

Рис. 3 - Зависимость эффективности многоступенчатого вихревого аппарата от начальной концентрации СО2 в газе и от количества ступеней контакта. а = 0,15 кмоль/кмоль; Lm^Gm = 2; П: 1 - 2; 2 - 3; 3 - 4; 4 - 5

Из последнего выражения получим

у = ОУ н + ОКУ к = у н + КУ к (7)

Ун1 О + ОК 1 + К . ( )

После подстановки (7) в (3)

У к = У кп = її (1-Е,). (8)

1 + К 1=1

Общая эффективность очистки газа на установке с рециркуляцией

Е общ = Ън^, (9)

У н

Отсюда, 1 - Еобщ = ук/ун . Разделив правую и левую часть выражения (8) на ун,

получим

(1 -Е'“ КіГк + І7К(1-Е“ Й(1-Е). (10)

Из (10) после несложных преобразований получим

(1 + KI1 -П(1-Е)] = (1 + K )е .

1 + K

1 -П(1 - E¡ )

¡=1

На рис.4 представлены зависимости эффективностей многоступенчатого вихревого аппарата Еап и газоочистной установки с рециркуляцией газа Еобщ от кратности циркуляции.

Из графика видно, что при увеличении кратности циркуляции К возрастает не только общая эффективность установки, но и эффективность отдельно взятого аппарата. Это связано с тем, что при увеличении расхода возвращаемого на вход аппарата очищенного потока концентрация диоксида углерода на входе в аппарат уменьшается, что сказывается на эффективности аппарата.

Рис. 4 - Эффективности вихревого аппарата (б) и установки с циркуляцией газа (а) в зависимости от кратности циркуляции.а = 0,15 кмоль/кмоль; n = З; y н, мольн. доли;: 1 -0,1; 2 - 0,З; З - 0,5

При увеличении кратности циркуляции значения эффективности вихревого аппарата стремятся к некоторому предельному значению. Это связано с особенностью распределения жидкой фазы (поглотителя) в рабочем объеме вихревых элементов и наличием зоны «проскока» газа. Несмотря на этот факт, общая эффективность установки при возрастании К стремится к 1, что указывает на предпочтительность использования циркуляции газовой фазы при очистке биогаза. При использовании циркуляции газа эффективность очистки увеличивается тем больше, чем больше начальная концентрация СО2 в очищаемом газе.

Наиболее важным вопросом при расчете подобных установок является вопрос: какое значение должна иметь величина К для обеспечения заданной степени очистки биогаза. Если задаться требуемой общей эффективностью установки Е^бщ при известном значении Еап, то из (11) можно определить значение минимально допустимой кратности циркуляции газового потока через аппарат.

Е - Е

1^ _ ■-общ ■-ап

Кт" “ Е (1 - Е ) . (12)

ап общ

Минимальные требуемые значения К, определенные по зависимости (12) приведены на графике (рис.5) для трех значений Еобщ : 0,95; 0,97; 0,99. При ужесточении требований к

очищенному газу требуемая интенсивность циркуляции газа увеличивается на порядки. Значительные интенсивности циркуляции связаны с высоким расходом газа через установку, большими энергетическими и капитальными затратами. В связи с этим при проектировании установок должен достигаться некий компромисс и выставляемые требования к степени очистки газа не должны быть чрезмерно завышенными.

Рис. 5 - Минимальная кратность циркуляции в зависимости от требований у степени очистки биогаза. Еобщ : 1 - 0,95; 2 - 0,97; 3 - 0,99

Выполненный анализ показал, что применение рециркуляции газа является эффективным и гибким инструментом для управления процессом очистки газа.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. (Гос. контракты 02.740.11.0062, П560).

Литература

1. Николаев, А.Н. Численное исследование процесса очистки промышленных газовых выбросов в многоступенчатых аппаратах вихревого типа / А.Н.Николаев, О.В.Козулина, А.А.Овчинников, Р.Р. Фатыхов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. -№11. - С.82-90.

2. Николаев, А.Н. Математическое моделирование процессов физической абсорбции газов в многоступенчатых вихревых аппаратах / А.Н.Николаев, О.В.Козулина, Р.Р. Фатыхов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14. -№3. - С.155-161.

3. Волова, Т.Г. Биотехнология / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук. - 1999. - 252 с.

4. Гелетуха, Г.Г. Современные технологии анаэробного сбраживания биомассы / Г.Г. Гелетуха, С.Г.Кобзарь // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2002 - №4 - С. 3 - 9.

5. Баадер, В. Биогаз: теория и практика / В.Баадер, Е.Доне, М. Бренндерфер. - М.: Колос- 1982 -С.148

© Р. Р. Фатыхов - асп. каф. оборудования пищевых производств КГТУ, [email protected]; О. В. Козулина - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; А. Н. Николаев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КГТУ.