Исследование процесса хемосорбции при прямоточном течении газа и плёнки жидкости в цилиндрических каналах

УДК 66.048

И. А. Дубков, А. И. Дубкова, А. Н. Николаев ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХЕМОСОРБЦИИ ПРИ ПРЯМОТОЧНОМ ТЕЧЕНИИ ГАЗА И ПЛЁНКИ ЖИДКОСТИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

Ключевые слова: хемосорбция, пленка, течение жидкости.

Рассмотрены закономерности процесса хемосорбции при прямоточном течении газа и плёнки жидкости в цилиндрических каналах. Установлено, что диффузионная область процесса хемосорбции существенно зависит от режимных параметров течения. Выявлена область протекания хемосорбционных процессов в режиме быстрой реакции.

Keywords: chemisorption, the liquid film, liquid flow.

Regularities of the process of chemisorption with continuous flow of gas and liquid films in cylindrical channels. It is established that the diffusion region of the chemisorption process significantly depends on the flow regime parameters. Identified area of flow chemisorption processes in the quick reaction.

Одним из перспективных методов интенсификации процессов массопереноса является прямоточное взаимодействие потока газа и пристенной плёнки жидкости, реализуемое в цилиндрических каналах [1, 2]. Такое взаимодействие не накладывает ограничений на скорость движения газа и позволяет создавать компактные высокопроизводительные аппараты. Исследования массопереноса в плёнке жидкости в условиях прямоточного восходящего и нисходящего движения фаз, показали, что значения коэффициентов массоотдачи на порядок превышают их значения в условиях свободного плёночного сте-кания и на два порядка, в условиях распыления жидкости или барботажа [2,3]. При проведении физической абсорбции на длине канала 150-200 мм уже достигается равновесие, что накладывает ограничение на использование трубок большей длины. При хемосорбции достаточно часто используют длинные трубки 5-6 м, поскольку движущая сила процесса остаётся практически постоянной по всей их длине. В связи с тем, что интенсивность массо-переноса в плёнке жидкости при прямоточном взаимодействии фаз очень велика, для поддержания постоянства движущей силы по длине трубки необходимо, чтобы процесс с химической реакцией, проходил в диффузионной области, при условии:

¿Б » ¿р

где 1р - это время реакции, а ¿б - это «эквивалентное время диффузии», независимое от вида применяемой модели. Условие (1) достигается при наличии быстрой или же даже мгновенной реакции.

Эквивалентное время диффузии ¿б можно определить по зависимости, приведённой в работе

[5]:

. БА

в ж

где в ж - коэффициент физической абсорбции, м/с.

Астарита и Данквертс в своих монографиях [4,5] приводят условия, при которых реализуются режимы быстрой реакции:

1«

y]DAkBo Рж

-« Da+Jo- DB (3) \DB q  c'J Da

и режим мгновенной реакции:

4БаЩ ЩА + БВ

вж в 9 • Ба

где Ба и Бв - коэффициенты диффузии абсорбируемого компонента и реагента в жидкой фазе,

м2!с ; Вд - концентрация жидкого реагента в объёме жидкой фазы, моль/ м3 ; к - константа скорости реакции, 1/сек.; СО - концентрация абсорбируе-

мого газа на границе раздела фаз, моль/'м~ ; q -стехиометрический коэффициент.

Рамм в работе [6] конкретизировал данные условия:

Режим быстрой реакции:

[Db > 5 ; л1°АкВ0

\DA

3

D

A

B

о

> 5;

\Db q  c0

Режим мгновенной реакции:

в

-> 2

ж

PaB

B,

> 5 ^

вж ЧИ С>В Я • с'о

При прямоточном сильном взаимодействии фаз при скоростях газовой фазы от 10 до 55 м/с и числах Рейнольдса жидкости Ие^ =300-3500 для малорастворимых газов, как С02 и Н23, коэффициенты массоотдачи находятся в пределах

_3

1 ^ 4 • 10 м/с [7]. Чтобы выполнялось условие (1), нужно, чтобы реакция была быстрая или мгновенная и проходила за время меньшее, чем

гр < гБ/4 = (1.5 + 0.093)• 10_3 сек.

В качестве примера процессов, протекающих с быстрыми реакциями, рассмотрим процесс абсорбцию С02 водными растворами щелочей, процесс абсорбции С02 и Н2Э водным раствором мо-ноэтаноламина (МЭА).

л/ОдМо/р

0 / Нж

о -1

+ -2

* -3

а -4

+  А

—I--1--1-1-1-- в0

0 1 2 3 4 0

Рис. 1 - Зависимость параметра ^ОдВ^к /@ж от начальной концентрации щелочи в жидкой фазе Во при следующих значениях скорости газа W, м/с: 1 - 12; 2 -25; 3 -40; 4 -55

Общую реакцию, протекающую при абсорбции С02 растворами щёлочи, можно записать в виде [4]:

С02 + 20Н - ^ СО^~ + Н20

которую можно считать практически необратимой.

Время реакции в процессах абсорбции С02 растворами щёлочей будет равно:

1

1п =--

Р к г • Во "

где Во - концентрация ионов ОН в объёме жидкой фазы; к1 - константа скорости реакции (I), равная при 20°С и бесконечном разбавлении к I «6000

л/(моль-сек) [5].

Величина концентрации свободной щёлочи

в объёме жидкой фазы В0 может изменяться в

пределах от 0.1 до 4.0 моль/л. Следовательно, с учётом приведённых выше коэффициентов массоотда-

чи, величина произведения у1~ОдВок / в ж может

составлять 0.236+6.

Стехиометрический коэффициент q по реакции (I) равен 2. Поверхностная концентрация двуокиси углерода с 0 при содержании его 1+25 об.% в газе при атмосферном давлении может изменяться в

пределах « 2.2 10^ +9.6 10^ моль/л. По-

этому величина

В

А

В

+ -

В0

В

няться от 7.5 до 117 • 10

Я • соМ 4

В

В

В

может изме-

А

Соотношение величин двух произведений

Во

РаВо*! / вж и

В

А

В

+

о

В

Я • с'0\

В

В

В

указыва-

А

ет на возможность, как режима медленной, так и быстрой реакции. Из рис. 1 видно, что для режима быстрой реакции при абсорбции С02 водными растворами щелочей необходимо, чтобы при прямоточном течении газа и плёнки жидкости в цилиндрических каналах соблюдались следующие условия:

- концентрации щёлочи >0.5моль/л;

- действительные скорости газового потока: <25 м/с при концентрациях щёлочи 0.5-2 моль/л; <40 м/с при концентрациях щёлочи 2-4 моль/л.

При абсорбции С02 водным раствором мо-ноэтаноламина (МЭА) при степени карбонизации 6<0.5 предпочтительно образуется карбамат. Общая реакция образования карбамата имеет вид:

со2 + 2жн2 о тнсоо-+тн+

Время реакции (II) выражается следующим образом [4]:

= 1 = 1

*р = кп \RNH2 ] = кцао

где 3-0 - общая концентрация амина; кд - константа скорости реакции (II) равная при 20 °С кд«10200 л/(моль-сек) [5].

Концентрация амина может меняться в широких пределах. Реальные значения можно принять в интервале от 1 до 12.5 моль/л, что соответствует « 6+80 мас.%. Принимая значение степени карбонизации от 0 до 0.48 и, учитывая приведённые выше коэффициенты массоотдачи, величина

у! ОаВо*ц / в ж может составлять от 0.194 до

13.83. По общей реакции (II) стехиометрический коэффициент равен 2. Поверхностная концентрация

двуокиси углерода с0 при содержании его 1+25

об.% в газе при атмосферном давлении может из-

2.5 • 10~4 +6.2510~3

меняться в пределах

моль/л.

В

А

В

+

В

При

Во

Я • с'о\

4

этом

значение параметра

В

В

В

ляжет

интервал

А

60 +18 • 10

Эти результаты указывают на возможность существования как медленного, так и быстрого режимов реакций. Для достижения быстрого режима реакции при абсорбции двуокиси углерода водным раствором моноэтаноламина (рис.2) при прямоточном течении газа и плёнки жидкости в цилиндриче-

6

5

4

3

2

1

в

ских каналах необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

- - малая степень карбонизации <0.1;

- - действительная скорость газового потока:

< 40 м/с при концентрации моноэтаноламина 1-3 моль/л;

< 50 м/с при концентрации моноэтаноламина 3-5 моль/л.

л/°лкпВ^ р ж 12 -

10 -

8 -

6 -

4 -

2 "

5 В0

0 1 3 5 7 9 11 13

Рис. 2 - Зависимость параметра О/Во*! /вж от начальной концентрации моноэтаноламина в жидкой фазе В0 при следующих значениях скорости газа W, м/с: 1,5 - 12; 2,6 - 25; 3,7 - 40; 4,8 -50; 1-4 - 0=0.1; 5-8 - 0=0.3

Данные условия приведены без учёта влияния вязкости раствора, которое начинает заметно проявляться при повышенных концентрациях мо-ноэтаноламина (>1.5-2 моль/л). Однако увеличение вязкости приводит к ещё большему увеличению

параметра ^ОаВо*ц / в ж и, соответственно, к

уменьшению ограничений скорости газового потока, при которой выполняются условия быстрого режима реакции.

Общую реакцию, протекающую при абсорбции Н2Э раствором моноэтаноламина, можно записать в виде [5]:

н28+тн2 ^ тн+ + ж-

Эта реакция может рассматриваться как необратимая. Константа скорости реакции равна

к III «4300 л/(моль-сек). Концентрация амина может меняться в пределах от 1 до 12.5 моль/л, что соответствует « 6+80мас.%. Следовательно, с учётом приведённых выше коэффициентов массоотда-

чи величина 0.2+9.

РаВо^Ш / вж

может составить

Стехиометрический коэффициент q по реакции (I) равен 1. Поверхностная концентрация сероводорода с0 при содержании его 0.1+1 об.% в газе при атмосферном давлении может изменяться в

пределах « 10 3 +10 2 моль/л. Соответственно,

величина

Л

В

А

В

+

Во

В

я • со\

В

В

В

может изменяться

А

от 13.3 до 1.5 •Ю4 .

л/оЛкЛ/Р 10

ж

0

о -1

+ -2

А -3

п -4

...а...

В0

1 3 5 7 9 11 13

Рис. 3 - Зависимость параметра ^ОаВо*!!! /вж от начальной концентрации моноэтаноламина в жидкой фазе В0 при следующих значениях скорости газа W, м/с: 1 - 12; 2 - 25; 3 - 40; 4 - 50

Эти результаты указывают на возможность существования как медленного, так и быстрого режимов реакций. Для достижения быстрого режима реакции при абсорбции сероводорода водным раствором моноэтаноламина (рис.3) при прямоточном течении газа и плёнки жидкости в цилиндрических каналах необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

- - концентрации моноэтаноламина >1 моль/л;

- - действительные скорости газового потока:

< 25 при концентрации моноэтаноламина 1-3 моль/л;

< 40 при концентрации моноэтаноламина 3-5 моль/л;

< 50 при концентрации моноэтаноламина 5-11 моль/л.

Таким образом, можно заключить, что, соблюдая указанные выше условия, при прямоточном высокоскоростном течении газа и плёнки жидкости

8

6

4

2

в цилиндрических каналах можно проводить такие хемосорбционные процессы как абсорбция С02 водными растворами щелочей и абсорбция С02 или Н2Э водным раствором моноэтаноламина (МЭА). Применяются же данные процессы в промышленности довольно широко. Так примерами использования могут послужить очистка ацетилена от примесей С02 моноэтаноламином в процессе получения ацетилена методом термоокислительного пиролиза метана [8], очистка водорода от вредных примесей С02 и Н2Э раствором моноэтаноламина на предприятиях жировой промышленности [9], очистка технологических газов, полученных методом конверсии от Н2Э раствором моноэтаноламина и доочистка этих газов от С02 моноэтаноламином или щёлочью.

Литература

1. Хакимова Ю.А. Очистка газовых выбросов в плёночных аппаратах/ Ю.А. Хакимова, А.И. Дубкова, И.А. Дубков, А.Н. Николаев. Вестник Казанского технологического университета. №1, 2014.- С. 103-106

2. Николаев Н.А. и др. Интенсификация переноса массы в плёнке жидкости, двигающейся прямоточно с высоко-

скоростным потоком газа или пара / Н.А.Николаев, Л.П. Холпанов, В.А.Малюсов, Н.М.Жаворонков // Теор. основы хим. технол. №5, Т.23, 1989. - С.563-568.

3. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции / П.В. Дан-квертс // М.: Химия. - 1973. - 296 с.

4. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией / Дж. Астарита // М.: Химия. - 1971. - 224с.

5. Рамм В.М. Абсорбционные процессы в химической промышленности/ В.М. Рамм// М.: Госхимиздат. -1951.-415с.

6. Коновалов Н.М. и др . Массоотдача в турбулентных плёнках в условиях вертикального прямоточного движения газо-жидкостного потока/ Н.М. Коновалов, Н.А. Войнов, Н.А. Николаев // Теор. основы хим. технологии. №1, Т.31, 1997. - С.1-6.

7. Ганз С.Н. Технологические процессы и оборудование производств синтез-газа и связанного азота / С.Н. Ганз // Харьков: Изд-во ХГУ им. Горького. - 1960. - 550 с.

8. Калимуллин И. Р. Применение аппаратов с интенсивными гидродинамическими режимами для снижения выбросов двуокиси углерода / И. Р. Калимуллин, Д. Д. Латыпов, А. В. / И. Р. Калимуллин, Д. Д. Латыпов, А. В. Дмитриев // Вестник Казанского технологического университета. 2009. - № 3. - С. 15-19.

© И. А. Дубков - канд. техн. наук, доц. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, opp-srv@rambler.ru; А. И. Дубкова - студ. К(П)ФУ; А. Н. Николаев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, andr_nik_nik@rambler.ru.

©1 A. Dubkov - candidate of technical Sciences, docent of the Department "Equipment for food industry", KNRTU, opp-srv@rambler.ru; A. 1 Dubkova- student of K(P)FU; A. N. Nikolaev - doctor of technical Sciences, Professor, head of the chair of the Department of Equipment for food industry", KNRTU, andr_nik_nik@rambler.ru.