Оценка эффективности инновационных технологий очистки отходящих газов в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности

В. И. Петров

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ В НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ и НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ промышленности

В последние десятилетия заводы химической промышленности и нефтеперерабатывающей промышленности оснащаются многоступенчатыми колоннами, высота которых достигает 50 м, диаметр до 4 м. С внедрением новых инновационных технологий в условиях экономического и экологического кризиса становится актуальным вопрос снижения материалоемкости аппаратов, экономного расходования сырья, энергетических ресурсов и предотвращение экологических катастроф. В то же время важной задачей является интенсификация процессов массопередачи и создание компактного, мобильного оборудования, что соответствует сложившейся в стране ситуации.

Анализ возможных путей интенсификации процессов массопередачи в системе газ-жидкость показывает, что использование для таких процессов барботажных и насадочных аппаратов уже не обеспечивает существенного повышения удельной производительности и эффективности.

В настоящее время проведение процессов массопередачи в условиях действия центробежных массовых сил при закручивании газо-жидкостных потоков находит широкое применение в промышленной практике. Можно отметить, что метод наложения на систему взаимодействующих фаз центробежных массовых сил является наиболее простым способом интенсификации процессов тепломассообмена [1].

Применение вихревых аппаратов позволяет значительно увеличить коэффициенты массоотдачи в 1,6 - 2,5 раза, что определяет возможное уменьшение объемов аппаратов в 1,6*- 2,5 раза. Кроме того, аппараты с вихревыми контактными устройствами (ВКУ) обладают минимальным брызгоуносом жидкой фазы со ступени на ступень, что также приводит к уменьшению высоты ступени и аппарата в целом.

Применение и внедрение ВКУ с завихрителями, установленными внутри контактного патрубка, потребовало соответствующего теоретического и экспериментального исследования с целью математического описания их работы.

Была теоретически исследована гидродинамика однофазного протока в разработанных конструкциях ВКУ. Получены математические зависимости для осредненной тангенциальной компоненты скорости в турбулентном ядре потока и тангенциальной скорости в пристенной области течения. Эта скорость определяет степень закрученности газового потока и тем самым интенсивность турбулентной диффузии. Тангенциальная компонента скорости в турбулентном ядре потока определяется из уравнения

С1 (Ог, )2ехР

Ж1 =

<р

Ог,

\

__к

г у

[(Ог, )3 +(4 - О Х3 - О )(2 - О )]г

„3—О

(3 - О )•

,4-О

Ог

+ С2 ОГк

Тангенциальная скорость в пристенной области течения:

- С Ж11 = -^

<р

г

Ьг2+2

,Ьг,+1

Ьгк + 2

1 ’--------+ С5

ьгк2+1 5

г

к

Здесь Б =

Ь =

В' = 4,26Л\ Л = 445.

Л' у В' у

Общий профиль тангенциальной скорости в ВКУ с тангенциальным завихрителем, расположенным внутри контактного патрубка, получается в результате сращивания профилей в турбулентном ядре потока и пристенной области. Постоянные интегрирования определяем при граничных условиях:

г = Г

Ж1 = Ж .

<р (ре

Г=Г

Ж і = 0

г = 0,9г,

жі = жIі.

СЖІ с1Ж,

іі

<р _

сГ

сГ

тогда

а

СЕс;

с = гк

ЬгІ +1

Сі

(2

Е+МЖ-К

\ЬгІ+2

'5

ьгк2+1

Ьгк +2

С 4 = СіМс.

С целью проверки адекватности полученных уравнений был проведен аэродинамический эксперимент. Исследована аэродинамика однофазного потока в различных конструкциях ВКУ как с цилиндрическим, так и со сферическими патрубками. Получены математические и графические (рис. 1) зависимости распределения компонент скоростей и давления газового потока внутри ВКУ.

г

к

Рис. 1 - Зависимость относительной тангенциальной скорости от изменения радиуса ВКУ: - расчет; эксперимент + - г = 0,055 м, Д - г = 0,07 м

Структура движения газового потока в таких ВКУ отличается от известных тем, что имеется наличие трех зон: первая зона - зона истечения газового потока, вторая -зона формирования газового потока и третья - зона установившегося движения газового потока.

При работе ВКУ с тангенциальным завихрителем, расположенным внутри патрубка, наблюдается следующая картина: в первой зоне жидкость с тарелки попадает во внутрь контактного устройства, дробится на части и в виде мелких капель вылетает из завихрителя. На стенке капли сливаются, и образуется тонкая пленка, которая подымается вверх по контактному патрубку. Во второй и третьей зонах жидкая пленка подымается по контактному патрубку за счет трения газа о жидкость. Однако во второй зоне наблюдается утолщение жидкой пленки за счет сил тяжести и снижения скорости газа при выходе из первой зоны.

Нами проведено моделирование процесса гидродинамики для жидкой пленки в орошаемом ВКУ с тангенциальным завихрителем, расположенным внутри контактного патрубка. Получена система уравнений [2,3] движения жидкой пленки в винтовой системе координат. Уравнение движения пленки жидкости в винтовой системе координат в напряжениях выглядит следующим образом:

V

Э д,

, Э V3

кд,2 (V3 )2=У 1т11 + У2+12+У3т13

^ 2 2Ч,кУ 'V3 + д,2 (V3 )2 + кд2 V ^ = V іГ21 + У2г22 + У3т

ад, ад3 ад3

23

дЛ

дд, дд,

Уравнение неразрывности:

тлі /і^V 7 2(тг3\2 тг3 л

2 V1 Л—— + кд,2 (V3) + V3 Л— ^ 4 ' ад3

V ,г

31

+ У2т32 + У3г

33

V1

Vі _ ,_3 Эк

Эд, д,

+ д,кР

7 2 2

к д,

Граничные условия:

д, = Я0: V3 = 0;

д3

V1 = 0

Эд3

0

д2 = Я,: V3 = V

т

.г - Ж

Э V Э д,

3 Л

/г=Яо

д3

0: Л = ЯА

Я

зу

2

Анализ полученных уравнений с учетом модельных допущений показал, что структура движения пленки жидкости по высоте контактного патрубка резко меняется. На рис.2 представлена расчетная зависимость толщины пленки жидкости по высоте ВКУ. На рис.3 показана расчетная зависимость изменения параметра крутки потока в ВКУ с различными завихрителями.

*

0 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1

О 0,4 0,8 1,2 1,6 НЮ

Рис. 2 -Расчетная зависимость изменения толщины пленки жидкости по высоте

ВКУ и типа завихрителя:--------тангенциальный;---------аксиальный.

О = 2,78^10"2 м3/с; Ь = 3,58-10"5 м3/с

- ч V

- к

- 1 1 ч

ч

-

г"1— —1— —1— —1— —|—1 —1— -г-

0 0,4 0,8 1,2 1,6 НЮ

Рис. 3 - Расчетная зависимость изменения крутки потока по высоте ВКУ и типа

завихрителя: :----тангенциальный;---------аксиальный.

О = 2,78^10-2 м3/с; Ь = 3,58-10-5 м3/с

Остро встает вопрос очистки отходящих газов до современных санитарных норм в таких отраслях химической промышленности, как производства ВВ, удобрений, кислот.

Однако выбросы в этих отраслях промышленности значительно отличаются друг от друга, поэтому возникает необходимость разработки новых технологий и аппаратов для абсорбции токсичных веществ. На разработку вихревых аппаратов влияет множество факторов: производительность по газу, расход жидкости, входные концентрации, растворимость газа в воде, конструкция ВКУ, выбор материала, его стоимость и др. [4].

Вихревые многоступенчатые аппараты, применяемые для интенсификации процессов массообмена, имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными: о большая пропускная способность по газу;

о возможность расширения диапазона применения аппаратов за счет вариации ВКУ; о высокая турбулизация газовой фазы;

о максимальная эффективность массопередачи в единице объема; о интенсивное обновление поверхности контакта фаз;

о небольшой конструктивный объем, предполагающий сравнительно малый вес и небольшие занимаемые площади; о высокая удерживающая способность ВКУ для процессов с малым отношением Ь^.

Для сокращения капитальных и эксплуатационных затрат перспективная технология очистки газовых выбросов в различных отраслях должна опираться на способы энерго-и ресурсосбережения. Это может быть достигнуто на основе совмещения различных технологических процессов.

Так на заводах отрасли для очистки отходящих газов в процессах этерификации целлюлозы ранее применяли два типа абсорбционных установок: систему насадочных колонн или пленочный многоступенчатый абсорбер [5]. В последнее время в отрасли нашли широкое применение вихревые аппараты. В таблице 1 дано сравнение показателей их работы.

Из сравнительной таблицы 1 видно, что вихревой многоступенчатый абсорбер с исследованными ВКУ имеет значительные преимущества по сравнению с другими аппаратами. Это малая материалоемкость и низкие энергозатраты. Кроме того, производительность многоступенчатого аппарата может меняться в широком диапазоне нагрузок за счет изменения количества ВКУ на тарелке.

Таблица 1 - Сравнительные показатели промышленных абсорберов улова смеси паров, тумана азотной кислоты и окислов азота из отходящих газов

Наименование абсорбера Расход газов, 3/ тыс. м /ч Суммарные энергозатраты, кВт/ч Материалоемкость абсорберов, т Эффективность улова паров и тумана НМ03, %

Система насадочных колонн 28,0 244 1700 82

Пленочный абсорбер ОТБ-40 25,0 223 30 80

Вихревой одноступенчатый абсорбер 25,0 250 15,9 95

Вихревой многоступенчатый абсорбер 20,0 130 5,5 98

Промышленные испытания вихревых аппаратов на различных заводах показали высокую эффективность при абсорбции паров, тумана азотной кислоты и позволяют рекомендовать их для разработки и внедрения новых технологий очистки отходящих газов, содержащих аммиак, в производствах кальцинированной соды и минеральных удобрений.

Литература

1. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. - Киев: Наукова Думка, 1989. - 192 с.

2. Петров В.И., Булатов А.А., Зинатуллин Н.Х., Сергеев С.В. Построение уравнений движения жидкой пленки в винтовой системе координат.

3. Деп. в ВИНИТИ г. Москва, № 1504-В99 12.05.99 г. - 8 с.

4. Булатов А.А., Зинатуллин Н.Х., Петров В.И., Сергеев С.В. Моделирование процессов гидродинамики для жидкой пленки в орошаемом ВКУ. Деп. в ВИНИТИ г. Москва, № 2165 - В99 05.07.99 г. - 12 с.

5. Петров В.И., Балыбердин А.С. и др. Анализ конструкций вихревых контактных устройств для интенсификации тепломассобменных физико-химических процессов: Материалы докл.в между-нар. науч.-техн. и метод. конф. «Современные проблемы технической химии». - Казань, 2004. - С 425-431.

© В. И. Петров - канд. техн. наук, ст. науч. сотр., доц. каф. оборудования химических заводов КГТУ.