Использование нестандартной абсорбционной колонны при аварийных выбросах хлора в водоподготовке

УДК 66-03

Н. В. Шильникова, И. В. Чепегин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕСТАНДАРТНОЙ АБСОРБЦИОННОЙ КОЛОННЫ ПРИ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСАХ ХЛОРА В ВОДОПОДГОТОВКЕ

Ключевые слова: риск, авария, газовые выбросы, абсорбционная колонна.

Снижению риска аварий в водоподготовке с применением химически опасного вещества хлор способствует внедрение оборудования, не всегда предусмотренного на объекте. Произведены аппаратурное оформление и расчет абсорбционной колонны, повышающей уровень защиты в случаях аварийных газовых выбросах в водоподготовке.

Keywords: risk, accident, gas emission, absorption column.

The introduction of the equipment not always provided at the facility allows to reduce the risk of accidents in water treatment with the use of such chemically hazardous substance as a chlorine. A hardware design and a calculation of the absorption column, which increases the level of protection in cases of emergency gas emissions in water treatment were produced.

Стабильность эксплуатации химически опасных объектов, применяющих хлор и его производные, должна обеспечиваться высокой надежностью используемой линии оборудования путем, в случае отсутствия, подбора и грамотного расчета дополнительного или нестандартного элемента или единицы оборудования.

Целью работы являлось проведение, с учетом всех требований безопасной эксплуатации, индивидуального расчета нестандартной

абсорбционной колонны, предназначенной для очистки аварийных выбросов хлора на водопроводной насосной станции ООО «Заинск-Водоканал».

Технология хлорирования питьевой воды на этой водопроводной насосной станции обеспечивает безопасность хозяйственно-питьевой воды, которая подается на промышленные предприятия и населению [1,2]. Подача жидкого хлора из склада осуществляется по трубопроводу, проходит испаритель, где переходит в газообразное состояние, через грязевик подается к хлоратору. При подаче рабочей воды на эжектор, в вакуумной трубе хлоратора создается разрежение. После открытия регулировочного клапана, разрежение

распространяется на ротаметр и левую часть мембранной камеры. Правая часть мембранной камеры через вентиляционную трубку соединена с атмосферой. При открытии вентиля на подающем трубопроводе газообразный хлор попадает в хлоратор и через ротаметр поступает в эжектор, где, смешавшись с водой подается в камеры микрофильтров и в трубопровод резервуара чистой воды. В правой части мембранной камеры атмосферное давление, расход хлора определяется степенью разряжения в левой части мембранной камеры, которая изменяется с помощью регулировочного клапана.

Началом развития аварии, как правило, является разгерметизация технологического оборудования, сопровождающаяся выделением опасного вещества в окружающее пространство. Локальные утечки опасных веществ чаще всего происходят через фланцевые соединения, запорную арматуру, сварные швы (свищи, трещины) и т.п.

Неконтролируемое развитие аварийной ситуации может привести к полному разрушению оборудования и выбросу больших количеств опасных веществ. Более редкими являются аварии, развитие которых сразу начинается с полной разгерметизации одного или нескольких аппаратов или с “гильотинного” разрыва трубопровода. В процессе эксплуатации возможна разгерметизация хлоропроводов, аппаратуры хлораторной, контейнера, при полном или частичном разрушении контейнера произойдет утечка хлора [3,4]. Зоны аварий сгруппированы в три основные группы, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Территориально

производственный признак возможных аварий

Зона аварии Потенциальные опасности

Прием жидкого хлора “временные” соединения и ручные операции, ошибки операторов, отказ стыковых узлов.

Хранения жидкого хлора концентрация на ограниченной территории большого объема опасного вещества.

Производст- венный процесс избыт. и высокое давление в оборудовании, разгерметизация (изменение свойств веществ и конструкционных материалов).

Основным показателем, определяющим опасность объекта, является частота возникновения аварии в течение года на единицу технологического оборудования, а для некоторых аппаратов химической промышленности - для контейнеров под избыточным давлением - 1-10-4 аварий/год, для эжекторов - 2-10-4 аварий/год, для внутризаводских трубопроводов - 5-10-6 аварий/ м*год. Технические характеристики основного оборудования представлены в таблице 2.

Для устранения аварийной ситуации при нейтрализации хлора следует использовать абсорбционную колонну, которая применяется для очищения воздуха при превышении в нем

Таблица 2 - Технические характеристики основного оборудования

Оборудование и материал Назначе-ние Техническая характеристика

Система дозирования «АДВАНС-240» - сборный Дозирование хлора Производительн. до 40 кг хлор /час. Рабочая среда - газообраз. хлор.

Трубопроводы - сталь В10Г2 Транспортировка хлора Диаметр 40 мм Общая протяжен-ность 27,96м

Контейнер -Емкость 800 л. Хранение хлора Среда - жидкий хлор. Размеры 800x2090

предельно допустимых концентраций хлора. В процессе абсорбции происходит поглощение газа или пара жидким поглотителем, поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. Как известно [4], объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема газовой фазы. Согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении температуры процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика - основными уравнениями массопередачи. Поскольку, при абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз, в абсорберах должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты разделяют на поверхностные, барботажные и распыливающие. При выборе типа абсорбера нами были проанализированы все их достоинства и недостатки, наиболее пригодным требуемым условиям соответствует насадочный тип [5]. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом - большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам, для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости.

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность

пленочных. Однако в последних пленочное

течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах - только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка, при этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг, часть поверхности насадки бывает смочена

неподвижной (застойной) жидкостью. Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м2/м2) и свободный объем є (м3/м3). Свободный объем для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину є.

„ „ . 4Б 4є

Эквивалентный диаметр насадки а = —— = —

а и

Насадочные абсорберы могут работать в

различных гидродинамических режимах, эти режимы видны из графика (рис.2), выражающего зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне. Первый режим - пленочный -наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество

задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке (точка А, рис.2), называемой точкой подвисания.

Рис. 2 - Зависимость гидравлического

сопротивления насадки от скорости газа в колонне (Ь=еоп«1): 1 - сухая насадка; 2 -

орошаемая насадка

Второй режим - режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно интенсивность процесса

массопередачи. Этот режим заканчивается во второй переходной точке (точка В, рис.2), причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена. Третий режим - режим эмульгирования - возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Образуется газо-жидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газо-жидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой, как указывалось, неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает (на рис. 2 этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком ВС). Четвертый режим -уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком, на практике не используется.

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случае определяется не только (и не столько) геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объем насадки. Однако при работе колонны в таком режиме ее гидравлическое сопротивление относительно велико.

В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). Для абсорберов, работающих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что вызовет необходимость работать в пленочном режиме.

Следовательно, наиболее эффективный гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем техникоэкономического расчета. Пределом нагрузки насадочных абсорберов, работающих в пленочных режимах, является точка эмульгирования, или инверсии. В обычных насадочных колоннах режим эмульгирования неустойчив и сразу переходит в захлебывание. Поэтому эту точку называют точкой захлебывания насадочных колонн. Фиктивная скорость Wз газа, соответствующая пределу нагрузки, определяется по уравнению:

( 0 ,16 91 дэ 3. р ж ц ж

= 0,079

1.75ІІ11,4! Р.

1/8

2 2

где Эсв - свободное сечение насадки, м /м ; а -

2, 3

удельная поверхность насадки, м /м ;

Ь' и в' - расходы жидкости и газа, кг/сек.

Из уравнения можно заключить, что с увеличением плотности орошения снижается предельная скорость газа. В точке инверсии скорость газа уменьшается также с увеличением вязкости жидкости и снижением ее плотности. При одинаковых расходах газа и жидкости скорость газа, соответствующая точке инверсии, выше для более крупной насадки.

Для изготовления основных деталей в качестве конструкционного материала

рекомендуем нержавеющую сталь Х18Н10Т, как наиболее стойкую до температуры 600°С в сильно агрессивных средах [6].

Также был произведен расчет концентрации хлора в помещении при аварийной утечки из контейнера. Основной величиной для расчета абсорбционной колонны является концентрация абсорбтива на входе в колонну, она должна быть максимальной из возможных вариантов. Было установлено, что с учетом погрешности в расчетах, несвоевременное срабатывание насоса и вентилятора,

незначительное влияние концентрации на размеры аппарата, при концентрации абсорбтива на входе в колонну 1 гр/м3, по расчетам такая концентрация возникнет через 18 мин. [7].

Далее произведен технологический расчет абсорбера, который предназначен для поглощения С12 из воздуха 20% раствором ЫаОН. Средняя температура в абсорбере 20° С. Через абсорбер пропускается смесь воздуха и абсорбтива, содержащий 0,01 кг/м3 хлора. Чистого воздуха в этой смеси содержится 1350 м3/ч. На выходе из абсорбера воздух должен содержать не более 0,000001 кг/м3 С12.

Для определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя используем молекулярные массы (кг/кмоль): - ЫаОН Мр - 40,0; Н2О Мв - 18,0; С12 Мхл - 70,9; воздуха Мв-х - 29,0; растворв Мр-р - 22,4. Относительная массовая концентрация хлора в

Сун 0,001

начальная уН =.

рг.с — Су

16,89 — 0,001

воздухе, = 0,00005925

, кг хлора/кг воздуха;

Плотность воздуха в абсорбере - 16,89 кг/м3. Относительная массовая концентрация хлора в воздухе, конечная:

Ук = •

С у

0,001

рг С — С у

16,89 — 0,001

0,000000059

хлора/кг воздуха;

относительная массовая концентрация хлора в водном растворе ЫаОИ, начальная: Хн = 0, кг хлора/кг водного раствора ЫаОИ; относительная массовая концентрация хлора в водном растворе ЫаОИ,

^ Х'н 0,00002251 ппппппл1.пл

конечная: Хк =-----=----------------= 0,000001501 ,

Р 1,5

кг

кг хлора/кг водного раствора NaOH.

Коэффициент Генри для хлора E=402000 мм.рт.ст.; П=10640 мм.рт.ст общее давление газовой смеси. Коэффициент распределения: m=E/P2=37,78 m' = m • Мр - р/Мв - х = 37,78 • 22,4/29 = 29,18 Уравнение равновесной линии:

Y' = m'X'

Построим равновесную линию, заданную в виде прямой линии, по оси абсцисс отложили относительные концентрации абсорбтива в абсорбенте, а по оси ординат абсорбтива в инертном газе. Определяем относительную массовую концентрацию хлора в водном растворе NaOH при равновесии,

начальная: X'н = — = 0,00005925 = 0 000002251 , m ' 26,32

кг хлора/кг водного раствора NaOH.

Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат:

Gh =VPh Yh= 0,375-16,89-(1-0,0000242)=6,33, кг/с.

Были определены:

- производительность абсорбера по поглощаемому компоненту (расход поглощенного хлора);

- минимальный расход водного раствора NaOH;

- рабочий расход водного раствора NaOH который составил

L = PLmin = 1,5 • 26,3 = 249,9 кг. вод.р-ра NaOH /с

Удельный расход водного раствора NaOH: l = L/G = 49,9/6,331 = 39,45 кг.

А также произведен расчет движущей силы абсорбции:

- 2.4 10-6, кг хлора/кг воздуха.

В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига размерами - 50x50x5; удельная поверхность насадки - а = 90, м2/м3; свободный объем насадки - е = 0,785, м3/м3;

эквивалентный диаметр насадки - d3=0,035, м; Насыпная плотность насадки - рнас=530, кг/м3.

Произведен расчет скорости газа и диаметра абсорбера

ig

W ПР 2 р У

gdэ2рх

= A - B

(

PL

P ч

lg(W пр 2 • 0,0795 )=—2,67

Предельная фиктивная скорость газа:

^^пр=0,163, м/с Рабочая скорость газа:

WПР=0,45•0,163=0,0735, м/с Расчетный диаметр абсорбера:

й = д/ 4Уг.с /((Л/-) = [40,375/(3,140,0735)]0,5 = 2,549, м.

Стандартный диаметр обечайки абсорбера: йСТ=2,6, м. Действительная рабочая скорость газа:

W = W п

Площадь

D

De

= 0,0735

2,549

2,6

поперечного

= 0,0707 , м/с.

сечения абсорбера

Расчет коэффициентов массоотдачи коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

Nu-Dy 85,46-0,000000746

P'y =-

= 0,00182, м/с.

с1э 0,035

Выразим коэффициент массоотдачи в выбранной размерности:

Ру = р'у • ру = 0,00182-16,89 = 0,0308, кг/(м2-с). Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

Ыих • йх 18,41 • 0,0000000008 24

р х = ---------= -----------------------------

8пр 0,00006594 ,

= 0,00023 . - м / с

Выразим коэффициент массоотдачи в выбранной размерности:

Рх = р'х • рх = 0,00023-1109 = 0,2551, кг/(м2-с).

Коэффициент массопередачи по газовой фазе:

1 1

= 0,073698

Ky =

m.

P y p X

,2

1

29 ,18

0,03076 0,25507

, кг/(М-с).

Определим поверхности массопередачи и высоты насадки

Поверхности массопередачи:

M 0,00003751

F

Ky A Ye

, м2.

Высота H F

0,073698 - 0,000002434

= 209 ,1

насадки:

209,121

= 0,5, м.

Баул 5,307 • 90 • 0,914

Объем занимаемый насадкой:

V = БН = 5,307 • 0,5 = 2,65, м3.

Высота абсорбера рассчитывалась с учетом высоты опорной решетки, высоты опорного кольца, высоты опорной косынки, высоты цилиндрической части абсорбера, высоты днища (крышки), высоты отбортовки крышки, высоты опоры. Для подачи воды наиболее подходит центробежный насос Х2/25. Для нейтрализации хлора используем раствор соды каустической (не прихотлив в хранении и приготовлении), в концентрации не менее 5-10 г/л, а также могут использоваться гидроокись кальция ("известковое молоко"), карбонат натрия (сода

кальцинированная).

Следует отметить, что в случае когда абсорбционная колонна не будет справляется с потоком загрязненного воздуха, локализация аварии должна проводиться с включенной аварийной вентиляцией и подачи воды в сухотруб для создания водяной завесы при помощи которой происходит нейтрализация хлора.

Предложенные мероприятия по аппаратурному оформлению хлорирования питьевой воды на водопроводной насосной станции позволят снизить риски и возможный ущерб в аварийных ситуациях.

S = 0,785Dct2 = 0,785 - 2,62 = 5,307 , м2.

0,16

B

2

2

Литература

1. ПБ 09-594-03. Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора. - М., 2003.

2. СанПиН 2.1.4.2496-09 (2.1.4.1074-01) "Питьевая вода. Гигиенич. требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.

3. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов РД 03-418-01.

4. Довженок Е.Ю., Шильникова Н.В., Андрияшина Т.В. Анализ причин аварий при использовании контейнеров с хлором. Жить в 21 веке. КГТУ -2009, С.38-40.

5. Рамм В.М. Абсорбция газов /В.М. Рамм. - М.: Химия, 1976. - 656 с.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию /Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1983. - 272 с.

7. Шильникова Н.В., Гаврилов Е.Б. Повышение уровня безопасности при работе с хлором. Вестник КГТУ, Казань, №12, 2011, С.105-109.

© Н. В. Шильникова - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ. И. В. Чепегин - канд. техн. наук, проф. той же кафедры, prombez@knitu.ru.