Улавливание аэрозолей с целью решения экологических проблем

УЛАВЛИВАНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

А.С. Латкин

Рассмотрены проблемы и результаты исследований технико-технологических основ улавливания техногенных и природных аэрозолей. Приведены результаты внедрения разработок в промышленность и перспективные конструкции аппарата и технологической схемы для комплексного использования ресурсов высокотемпературных геотермальных теплоносителей.

Problems and results of explorations of recovery technical and technological bases of man-caused and natural aerosols are examined. The results of projects (developments) application into the industry and perspective constructions of the device and process flowsheet for multiple resources use of high-temperature geothermal heat-carriers are given.

Вопросы улавливания парогазовых аэрозолей являются крайне актуальными в настоящее время. Природные и техногенные аэрозоли могут состоять из паров различных углеводородов, кислот, щелочей, воды с растворенными или сорбированными химическими, биологическими соединениями и радионуклидами. Наибольшую опасность представляют дисперсные смеси, размер частиц которых не позволяет осуществлять их естественное гравитационное осаждение из окружающего воздуха. В этом случае перенос химических, биологических или радиоактивных веществ может осуществляться на тысячи километров. В конце концов это приводит к внезапному осаждению зараженного материала: либо случайно, в результате адгезии, в виде частиц или капель на поверхности, либо, что значительно опаснее, к массовому осаждению активного материала в результате попадания аэрозолей в зону осадков (дожди, снегопады, выпадение росы, инея и т. д.). Улавливание паровых аэрозолей возможно методами конденсации с дальнейшей коагуляцией первичных паровых кластеров и улавливанием полученных систем в специальных высокоэффективных фильтрах.

Конденсация продуктов из газовой или парогазовой среды происходит и при условии создания изобарно-изотермического потенциала системы, превышающего равновесные условия и присутствия центров конденсации в составе равновесных продуктов. Процесс конденсации предполагает образование новых фаз на теплообменных поверхностях, частицах других веществ, ионах, поверхностях зародышей, возникающих произвольно в результате турбулентных пульсаций в парогазовом потоке или объеме в результате нарушения термодинамического равновесия в системе.

Согласно классической теории нуклеации, основным параметром зародышеобразования является увеличение парциального давления в парогазовой среде выше уровня насыщения [1]:

S = Pn/Pp,

где: S - уровень пересыщения;

Pn - парциальное давление в парогазовой среде;

Pp - равновесное давление насыщенного пара над поверхностью.

С увеличением кривизны поверхности возрастает парциальное давление над ней, изменение которого можно рассчитывать по уравнению Кельвина-Томсона:

ln S = ln -P^~ = 2 = mr - mm ,

Pp(T) RT pr RT

где: mr, mm - химические потенциалы частицы радиусом r и массивного тела, приходящегося на одну молекулу;

R - постоянная Больцмана;

p, М - плотность и мольная масса конденсированного вещества;

о - поверхностное натяжение;

Pr - парциальное давление над поверхностью с кривизной радиусом r.

Зародышеобразование в потоке или парогазовом объеме происходит в результате соударения молекул пара с образованием кластеров различного размера. Малые кластеры, парциальное давление пара над которыми превышает их парциальное давление в газовой смеси, обладают

меньшей стабильностью, чем крупные. Таким образом, сохраняются частицы, размеры которых больше критических. На поверхности образовавшихся кластеров происходит конденсация паров, растущие в процессе конденсации частицы могут сталкиваться и коагулировать. Для осуществления процесса нуклеации в пространстве необходимо, чтобы уровень пресыщения был больше единицы; чем больше значение S, тем меньше размер критического зародыша. Конденсация на теплообменных поверхностях уже имеющихся ядер может протекать при S = 1, если же ядрами являются ионы, то конденсация может проходить и в ненасыщенном паре при S <

1. Когда определяющей стадией процесса роста капли является доставка пара из парогазовой среды для конденсации на ее поверхности, скорость роста определяется скоростью диффузии [1]:

дг е — 1

- = ВМРхТк——(Б — 1) , дЯ ЯТгрср

где Б - коэффициент диффузии, а рможно выразить следующим образом:

1,333Кп + 0,7—

р = 1 +-

1 + Кп

где Кп - число Кнудсена.

Для реализации эффективного технологического процесса, связанного с конденсацией, коагуляцией и сепарацией, необходим многофункциональный технологический аппарат, позволяющий осуществить в своем объеме процесс конденсации части парового потока при определенных термодинамических параметрах с одновременным высокоэффективным разделением конденсата и оставшейся части пара. В этом плане наиболее перспективными являются циклонновихревые устройства, которые используются в промышленности для конденсации и улавливания различных видов паров (вода, органика, ртуть и т. д.), а также возгонов металлов и их легколетучих соединений.

В случае частичной конденсации определяющей операцией является выделение из парогазового потока капель жидкости. Поэтому решено было исследовать улавливающую способность вихревых аппаратов для жидких дисперсных капель и паров. На ряде предприятий Дальнего Востока были установлены конденсаторы-сепараторы циклонного типа и вихревые на основе взаимодействующих закрученных потоков (ВЗП). Эксплуатация циклонно-вихревых устройств показала преимущество аппаратов ВЗП по сравнению с циклонными [2].

Так, конструкция аппарата ВЗП для разделения парогазовых потоков и потоков, несущих жидкие капли, внедренная для улавливания паров и капель масла из воздуха в цехах Владивостокского инструментального завода, развивала улавливающую способность устройства до 99,8 %, в то время как стоявший ранее циклонный аппарат развивал эффективность до 91 %. Иными словами, при наличии гидрозатвора на линии выведения конденсата степень осушки технологических газов в аппарате ВЗП на порядок выше, чем у применяемых в промышленности аналогов. Вместе с тем у ВЗП выше на 5-10 % гидродинамическое сопротивление и на 10-15 % металлоемкость, чем у циклонов с тангенциальным вводом теплоносителя. Разработанная конструкция была опробована в полупромышленных условиях для улавливания паров кислот и щелочей при ведении гальванических и гидрометаллургических процессов, связанных с выщелачиванием ценных компонентов при переработке полиметаллического сырья.

Следует отметить повышение удельной производительности вихревых аппаратов при увеличении уровня крутки в рабочем объеме технологического устройства при конденсации и улавливании парогазовых аэрозолей по сравнению с улавливанием сухих пылевидных материалов. Этот эффект объясняется особенностью поведения пленки конденсата на сепарационной поверхности устройства под воздействием потока аэрозоля в рабочем объеме при ведении технологического процесса. Привлечение чисто математических методов для расчета взаимодействия дает низкую сходимость с реальными процессами, что крайне затрудняет разработку технологических устройств для ведения совмещенных процессов конденсации и сепарации.

Поэтому для изучения эффекта были проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде, схема которого представлена на рис. 1. Методика проведения

экспериментов заключалась в следующем: жидкость подавалась в мерную емкость 1, затем через патрубок 2, отверстия в распыливающей головке 3 сепарировалась на внутренней поверхности трубы

стеклянного корпуса 8 и в виде пленки под действием силы тяжести стекала вниз в сборную емкость 9. Для фиксирования движения потока в жидкость емкости 1 вводились частицы окрашенного трассера, траектории движения которого фиксировались скоростной кинокамерой 4 через прозрачное стекло корпуса 8. Для исследования влияния потока воздуха или аэрозоля на движение пленки установка располагала центробежным вентилятором 7 с регулируемым расходом воздуха.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования скорости движения пленки жидкости на периферии вращающегося потока: 1 - мерная емкость; 2 - патрубок подвода жидкости; 3 -распыливающая головка; 4 -

скоростная

кинокамера; 5 - тангенциальный шлиц ввода воздуха; 6 - система генерации аэрозоля; 7 - вентилятор рабочего

воздуха;

8 - стеклянный корпус вихревой трубы; 9 - сборная емкость; 10 - кран-блокиратор

Поток воздуха по воздуховоду через тангенциальный шлиц 5 поступал в корпус 8, приобретая закрученное движение. Генерация потока аэрозоля осуществлялась при помощи системы 6, которая являлась уменьшенной копией системы 1-3 и вводила распыленную жидкость в поток воздуха в воздуховоде. Подача жидкости в системах 1-3 и 6 осуществлялась включением крана-блокиратора 10. Величина скорости съемки и измеряемая длина траектории частицы трассера позволяла с точностью до 5 % определить скорость движения пленки.

Изменение структуры закрученного потока осуществлялось при помощи вариации площади ввода тангенциального шлица 5, которая производилась за счет установки вертикальных алюминиевых пластинок. В результате этого в ходе экспериментов величина безразмерной площади ввода потока установки А могла изменяться в интервале от 0,01 до 0,02. В каждой серии экспериментов при вариации А сохранялся постоянный расход воздуха и жидкости.

В результате ведения экспериментов удалось получить изменения как осевой, так и тангенциальной составляющих вектора скорости движения пленки, графики которых представлены на рис. 2.

Рис. 2. Взаимосвязь структуры закрученного потока с характером движения пленки конденсата

по внутренней стенке модели:

- безразмерные составляющие вектора скорости движения пленки; - размерные составляющие вектора

скорости движения пленки; - величина скорости стекания пленки при отсутствии работы вентилятора; А = /<х /

пО,Ьк - безразмерная площадь ввода потока;/х - величина площади ввода потока; Ок - внутренний диаметр модели

аппарата;

Ьк - длина корпуса аппарата; О- точки, характеризующие изменение осевой составляющей вектора скорости движения пленки; 0- точки, характеризующие изменение тангенциальной составляющей вектора скорости движения пленки

Анализ результатов исследований показывает, что при постоянных расходах жидкости через установку увеличение крутки потока воздуха или аэрозоля в рабочем объеме приводит к росту как осевых, так и тангенциальных составляющих вектора скорости движения пленки.

Следует отметить различный характер изменения составляющих при росте крутки потока, который пропорционален увеличению площади ввода потока. Осевая составляющая при увеличении площади ввода потока имеет тенденцию к начальному возрастанию с дальнейшим выравниванием значений. Тангенциальная же составляющая имеет тенденцию неограниченного роста в диапазоне изменения режимных параметров проведения наших экспериментов. Характер изменения скорости движения пленки при известном расходе жидкости дает возможность рассчитать толщину пленки, что крайне необходимо при расчете тепло- и массообмена технологического аппарата.

Более сложную задачу представляет собой создание аэрозолей в потоке высокотемпературного геотермального флюида для извлечения из него химических соединений. Учитывая высокий энергетический потенциал, для решения этой проблемы необходим отвод тепла от корпуса конденсатора-сепаратора, в отличие от внедренных на предприятиях устройств для улавливания паров масел и жидкости.

Для работы с высокотемпературными парогазовыми теплоносителями, несущими химические соединения (в частности геотермальными), нами была разработана конструкция [2], позволяющая создать определенные термодинамические параметры в объеме аппарата ВЗП (рис. 3).

Рис. 3. Общий вид вихревого конденсатора ВЗП:

1 - патрубки тангенциального ввода теплоносителя,

2 - патрубок вывода очищенного теплоносителя;

3 - кольцевая камера, 4 - кольцевое отверстие,

5 - патрубок ввода охлаждающего агента,

6 - перфорированное дно камеры, 7 - патрубок ввода первичного потока, 8 - патрубок вывода шлама,

9 - патрубок вывода конденсата, 10 - перфорированные стенки камеры, 11 - внутренняя обечайка, 12 - внешняя обечайка; 13 - патрубок вывода охлаждающего агента

Аппарат представляет из себя конструкцию, состоящую из узлов с фланцевыми соединениями, и состоит из двух кольцевых камер 3, расположенных в верхней и нижней частях. Теплоноситель через тангенциальные патрубки ввода 1 поступает в кольцевые камеры, где приобретает закрученное движение (спутное в обеих камерах). Нижний закрученный поток через патрубок 7 поступает в рабочий объем аппарата 10, а верхний - через кольцевое отверстие 4.

Капли, имеющиеся и образующиеся в потоке, под действием центробежных сил закрученного потока оседают на внутреннюю цилиндрическую поверхность. Внутренняя поверхность выполнена перфорированной отверстиями с диаметром 2 мм в шахматном порядке с шагом 10 мм.

Отсепарированная на стенку влага по этим отверстиям вытесняется в пространство между перфорированным корпусом и внутренней обечайкой 11, где из-за пограничных эффектов отсутствует увлекающее влияние парогазового потока рабочего объема. Под действием силы тяжести полученная жидкость стекает вниз и удаляется из аппарата через патрубок 9 диаметром 50 мм. Для создания определенных температурных условий имеется рубашка, образованная цилиндрическими поверхностями обечаек 11 и 12, куда через патрубки 13 и 5 прокачивается реагент с необходимой температурой.

Предложенная конструкция в определенных технологических схемах позволяет осуществлять как полную, так и частичную конденсацию паровой части теплоносителя с эффективным улавливанием и выделением последнего и предполагает работу по следующей схеме (рис. 4). По обсадной колонне 2 скважины 1 геотермальный пар подается в технологическую систему, однако в случае необходимости при помощи задвижек 4 через отверстие 3 он может частично или полностью сбрасываться в атмосферу. Проходя через теплообменник 5, пар приобретает необходимые термодинамические параметры и по патрубкам 6 и 7 поступает в конденсатор ВЗП. Полученный конденсат по патрубку 14 поступает в теплообменник 15 и выводится из системы как готовый полупродукт. Для регулирования температуры на стенке вихревого аппарата из емкости 8 по трубе 10 в кожух аппарата подается вода или пар заданной температуры, который сбрасывается через патрубок 11.

Рис. 4. Технологическая схема установки конденсатора ВЗП для извлечения ценных соединений из высокотемпературных парогазовых теплоносителей:

1 - геотермальная скважина, 2 - обсадная колонна; 3 - патрубок аварийного сброса флюида; 4 - задвижки;

5 - теплообменник; 6 - патрубок первичного потока; 7 - патрубок вторичного потока; 8 - емкость охлаждающего агента; 9 - патрубок продувки; 10 - линия подвода агента к конденсатору; 11 - патрубок вывода агента; 12 -вихревой конденсатор; 13 - шламовый патрубок; 14 - линия конденсата; 15 - теплообменник; 16 - патрубок вывода

очищенного теплоносителя

Представленная технологическая схема носит принципиальный характер и впервые представлена в работе [3]. В настоящее время имеются более совершенные и рациональные разработки. Например, в работе [4] на основе экспериментального исследования теплообмена при конденсации пара в модели устройства с изменяемой структурой потока предложена более продуманная и реализуемая схема.

Литература

1. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1974. - 567 с.

2. Латкин А.С. Вихревые аппараты для технологических процессов. - Владивосток: Дальнаука, 1988. - 248 с.

3. Кутепов А.М., Латкин А.С. Вихревые процессы для модификации дисперсных систем. -М.: Наука, 1999. - 270 с.

2. Ляндзберг А.Р. Разработка рациональной технологии комплексного извлечения полезных компонентов при переработке высокотемпературных геотермальных флюидов: Дис. ... канд. техн. наук. - Чита, 2002. - 177 с.