Вычислительный эксперимент работы мембранноабсорбционных устройств удаления углекислого газа из биогазовой смеси

Таким образом, подтверждается правильность измерения симметричных составляющих токов прямой /] , обратной 12 и нулевой /0 последовательности в сети 0,38 кВ, и в целом правильность результатов экспериментальных исследований.

В табл. 1-3 приведены результаты экспериментальных исследований потерь мощности в сети 0,38 кВ при изменяющейся однофазной нагрузке, хотя эксперимент проведен и для других режимов работы сети:

при переменной несимметричной трехфазной активной нагрузке;

при переменной однофазной активной нагрузке и работающим с полной нагрузкой трехфазным асинхронным электродвигателем номинальной мощностью 4,5 кВт.

Из табл. 1 - 3 и графиков (рис.3 - рис.4) видно, что присоединение ФСУ в сеть 0,38 кВ с трансформатором У/Ун при несимметричной нагрузке позволяет существенно снизить потери мощности в трансформаторе и линии 0,38 кВ. Так, при однофазной нагрузке коэффициент потерь мощности от несимметрии токов в трансформаторе Кпз(ш) при подключении ФСУ в узле нагрузок снижается в 12(10,5) - 5,4(4,5) раза по мере увеличения однофазной нагрузки (рис.3), причем симметрирующий эффект ФСУ зависит от способа его включения. Наибольший эффект ФСУ оказывает при его включении в узле нагрузки. При подключении ФСУ к шинам НН трансформатора его симметрирующий эффект немного снижается, что видно из данных, приведенных выше в скобках.

Коэффициент потерь мощности от несимметрии токов в линии 0,38 кВ Кпз(при включении ФСУ в узле нагрузок снижается в 4,3(4,1) - 2,4(2,3) раза с увеличением однофазной нагрузки (рис.4).

Одним из качественных показателей электроэнергии в сети 0,38 кВ при несимметричной нагрузке является коэффициент нулевой последовательности напряжений Кои . Зависимость этого коэффициента от однофазной нагрузки в сети 0,38 кВ с трансформатором У/Ун приведена в табл. 1 -3. Из этих таблиц видно, что включение ФСУ в узле нагрузок позволяет уменьшить величину Кои в 2,5(2,1)-3,1(2,2) раза.

Таким образом, применение ФСУ в сельских сетях 0,38 кВ с трансформатором У/Ун с несимметричной нагрузкой позволяет снизить потери мощности в трансформаторе и линии и повысить качество электрической энергии. ФСУ, в котором используются конденсаторные батареи, отличается простотой конструкции и надежностью в эксплуатации, не требует автоматического регулирования при изменении нагрузки. Оно одновременно с симметрирующим эффектом позволяет скомпенсировать реактивную мощность трехфазной сети.

Литература

1. Бородин И.Ф., Сердешнов А.П. Потери электроэнергии в сельских сетях и пути их снижения // Техника в сельском хозяйстве. - 2002. - №1. - С.23-26.

2. Пат. 110876 ИИ. Полезная модель / Ф. Д. Косоухов, А. О. Горбунов, В. А. Романов, М. Ю. Теремецкий. №2011117909; Заявл. 04.05.2011; Зарег. 27.11.2011г.

3. Косоухов Ф.Д., Петров В.Ф., Теремецкий М.Ю., Криштопа Н.Ю. Снижение потерь электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. - №5. -С.14-17.

УДК 662.767.2 Канд. техн. наук Д.В. КОСТРОМИН

(Поволжский ГТУ, Ко81гопшгОУ(й)Уо^а1ес11.пе1) Доктор техн. наук В.А. СМЕЛИК

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ РАБОТЫ МЕМБРАННО-АБСОРБЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ УДАЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ИЗ БИОГАЗОВОЙ СМЕСИ

Мембранные технологии, очистка биогазовых смесей, вычислительный эксперимент, абсорбер, десорбер

Теоретические и экспериментальные исследования по качественной очистке и выделению требуемого компонента биогаза при помощи мембранно-абсорбционных газоразделительных систем позволили получить математические модели функционирования мембранных модулей,

устанавливающих взаимосвязь массоиереиоса в газовой и жидкой фазах через мембрану, а также численные методики решения систем уравнений массоиереиоса в газ-жидкостных мембранных контакторах, реализующих данные модели [1, 2]. Эти численные методики основаны на применении двух подходов - в первом случае использован метод аппроксимирующих функций, а во втором - метод конечных разностей. Разработанные методики позволяют проводить расчетные исследования процессов газоразделения в мембранных контакторных системах плоскорамного типа.

Процесс проведения исследований с целью поиска оптимальных, технологически целесообразных режимов эксплуатации установок с точки зрения вычислительных экспериментов представляет собой исследование влияния входных параметров, таких как толщина зазора жидкости, площадь мембраны, потоки жидкости и газа, проницаемости мембраны по компонентам смеси и других на выходные параметры, характеризующие процесс разделения - потоки газа,

концентрации компонент в выходных потоках, энергопотребление системы.

Многопараметрическая оптимизация процесса с целью определения эффективных режимов работы газоразделительной мембранно-абсорбционнной установки представлена вычислительными экспериментами.

Задача существенно упрощается после введения безразмерных параметров, которые сокращают число неизвестных. Расчеты проведены с использованием следующих безразмерных параметров [3]:

й о,К Ащ ок

л, =-=--

2Ц 2а, О, " ^ ;

т.е. отношение проницаемостей по ¡-му компоненту мембраны и жидкого слоя;

V ъ1

р _ птах Ьд

е ^дГ' <2)

т.е. число Пекле относительно ¿-го компонента; _ § 1_

Л. = — J с( (х, у) • У(2 — с/у — степень насыщения жидкости по ¿-му компоненту;

3 о

/X

з0

с = ——-— безразмерная концентрация j-го компонента в жидкости;

(П. =

т.е. безразмерное отношение потоков жидкости и газа,

у ^

х. =-,

Яр

т.е. безразмерное отношение проницаемости мембраны к потоку питания, где: с - концентрация j-го компонента в жидкой фазе;

01 - проницаемость мембраны по ¿-му компоненту газовой смеси; Р - давление газа; ^ - объемный расход жидкости; К - константа равновесия;

И - коэффициент диффузии j-го компонента в жидкой фазе; / - длина жидкого канала;

gj - концентрация ¿-го компонента в газовой фазе;

х = —, 0<х<1 _ безразмерная продольная координата;

2у

у =-, 0 < у <> 1 - безразмерная поперечная координата;

Ьъ - толщина зазора жидкого канала;

{/|Т1.|;; - скорость течения жидкости в центре жидкостного зазора;

<Т, - растворимость ¿-го компонента в жидкости.

Так, например, число Ре относительно углекислого газа характеризует то, насколько к выходу из модуля успевает распространиться пограничный слой растворенного углекислого газа. Чем выше число Ре, - тем меньшая часть потока жидкости участвует в абсорбции, а чем ниже, тем ближе профиль концентрации данного компонента на выходе к линейному. Развитие пограничного слоя, растворенного в жидкости, можно видеть на рис. 1.

Рис. 1. Распределение концентрации растворенного газа в жидкости: Ре=1, В=1

Таким образом, изменение зазора, потока жидкости, длины жидкостного канала не приводят к изменению конвективно-диффузионного режима в случае, если число Ре по абсорбируемому компоненту сохраняется.

По результатам проведенных вычислений установлено, что для достижения режимов высокого разделения необходимо использование противоточных режимов работы абсорбера и десорбера и реализация достаточно низких чисел Пекле по углекислому газу Ре<2. При этом снижение чисел Пекле ниже 0,5 практически не дает повышения разделения.

Приведенная выше формула для данного безразмерного параметра (2) приведена с использованием таких параметров, как толщина зазора, длина канала, скорость течения жидкости. Используя соотношение между скоростью потока жидкости и объемным расходом жидкости, данный параметр можно переписать в виде:

¡'-К,

где 8 - рабочая площадь мембраны в модуле.

Из формулы видно, что для обеспечения малых значений чисел Ре необходимо либо снижать удельный расход жидкости (Ь/8), либо снижать зазор жидкой фазы, так как коэффициент диффузии

является величиной постоянной для каждой конкретной системы: жидкий абсорбент - газовый компонент (С02) и температуры процесса.

Снижение величины Ь/в приводит к снижению производительности контактора, соответственно, к повышению капитальных затрат, поэтому целесообразно максимально возможно снижать величину жидкостного зазора. Однако снижать величину жидкостного зазора можно лишь до определенной степени, так как имеются два ограничения - инженерные особенности конструкции и гидравлическое сопротивление жидкой фазы. Режим течения жидкости в контакторе ламинарный (Яс< 1 ООО), в результате этого, в соответствии с законом Пуазейля и постоянством расхода жидкости, с уменьшением зазора гидравлическое сопротивление возрастает в кубической степени.

Ориентируясь на выбранную ранее конструкцию мембранного контактора (плоскорамный модуль с параллельным расположением мембранных элементов), использовать зазоры менее 70 мкм нецелесообразно, так как при данном значении жидкостного зазора в жидкостном канале, например, длиной 25 см при величине числа Ре=2 перепад давления в жидкости составляет 1 атм. Данное гидравлическое сопротивление весьма существенно и определяет высокие энергетические затраты на перекачку жидкости. В соответствии с конструкторскими особенностями и результатами расчетов величина жидкостного зазора была выбрана равной 100 мкм, что определяет перепад давления около 0,3 атм при Ре=2.

Мембранно-абсорбционная система, предназначенная для разделения газовой смеси (в данном случае для извлечения углекислого газа), как минимум, состоит из двух основных модулей - абсорбера и десорбера. В абсорбере происходит поглощение углекислого газа, а в десорбере - регенерация жидкости с извлечением абсорбированного С02. Десорбцию осуществляют за счет следующего:

- нагрева жидкости до подачи в десорбер;

- вакуумной откачки газовой фазы десорбера;

- сдувки газовой фазы десорбера, например, воздухом.

При извлечении углекислого газа с использованием воды в качестве жидкого абсорбента первый способ оказывается чрезмерно энергоемким из-за относительно невысокой сорбционной емкости абсорбента. Таким образом, в данном случае эффективно использование изотермического режима циркуляции жидкости. В изотермическом режиме требования к десорберу аналогичны требованиям к абсорберу. Необходимо обеспечить достаточно низкое значение безразмерного параметра Ре, для этого целесообразно выбрать зазор жидкой фазы на уровне 100 мкм.

Рис.2. Зависимость концентрации углекислого газа на выходе абсорбера от распределения площадей мембран в РМК при различных потоках жидкости

Остается невыясненным вопрос, как должны соотносится рабочие площади абсорбера и десорбера? Для этого были проведены специальные расчеты, результаты которых представлены на рис. 2. На данном рисунке приведены зависимости концентрации С02 на выходе абсорбера в зависимости от площади мембран абсорбера. Сумма площадей мембран контакторов задана

постоянной, равной 4 м2. Поток питания составляет 100 нл/ч, содержит 40% СО:, в десорбере поддерживают вакуумный режим, а в абсорбере давление составляет 1 атм. Мембраны - ПВТМС, зазор жидкой фазы 100 мкм.

Видно, что при достаточно малых потоках жидкости существует область оптимальных площадей мембран абсорбера, что связано с тем, что и в абсорбере, и в десорбере при данном потоке жидкости в этом диапазоне реализуются достаточно малые числа Пекле, и степени насыщения и обеднения соответственно близки к максимальному. Увеличение потока жидкости приводит к уменьшению плата, которое переходит в точку минимума, положение которой смещается от большей площади абсорбера к большей площади десорбера. (рис.3). Следует отметить, что выгодное с технологической точки зрения задание одинаковых площадей абсорбера и десорбера в большинстве случаев не является оптимальным по глубине очистки. Однако при этом отличия от оптимальной глубины очистки невелики и на практике площади можно задавать равными.

Оптимальная площадь абсорбера, м2

4

3

2

1 0

0 100 200 300 400 500Ьл/ч

Рис. 3. График зависимости оптимальной площади абсорбера от потока жидкости при постоянной сумме площадей мембранных контакторов

Помимо геометрических параметров модулей, следует также проанализировать влияние мембраны на процесс массопереноса. Предполагая, что лимитирующей стадией переноса углекислого газа из газовой фазы в приповерхностный слой жидкости является диффузия через мембрану, проницаемость мембраны в системе газ-мембрана-жидкость можно приравнять к ее величине в системе газ-мембрана-газ.

Разработанные и испытываемые мембранные модули изготовлены с использованием асимметричной мембраны на основе ПВТМС (поливинилтриметилсилана). Использованная мембрана характеризуется следующими значениями газопроницаемости:

0(Н2О)= 10000 нл/м2/ч/атм;

0(С02)=1600 нл/м2/ч/атм;

0(СН4)=300 нл/м2/ч/атм.

Следует отметить, что данные величины являются оценочными и, при необходимости, подлежат дополнительному определению для каждой конкретной партии мембраны и для каждого модуля. Проведем оценки влияния мембраны на процесс удаления углекислого газа. Влияние мембраны на процесс массопереноса характеризуется безразмерным параметром В, введенным выше. Зазор жидкой фазы выбираем равным 100 мкм, коэффициенты диффузии углекислого газа и метана при комнатной температуре составляют соответственно 1,8*10"9 м2/с и 1,5*10"9 м2/с [4], значения растворимостей газов в воде - 0,83 нл/л/атм для С02 и 0,03 нл/л/атм для СРЦ [4].

Подставляя данные значения в формулу для безразмерного параметра В, имеем: 5(С02)=15; £(СН4)=93.

Как можно видеть из расчетных кривых (рис.4), данные значения параметра достаточно велики, и мембрана не оказывает существенного влияния на массоперенос (при Ре=2 и близких к ним).

Рис.4. Зависимость степени обеднения смеси по хорошо сорбируемому компоненту (СО:) от отношения потоков жидкости и газа при различных проницаемостях С02:

1 - В1 = В, = ОЭ ; 2 - 25 ; 3 - 5 ; 4 - 1; 5 - 0.2 ; Ре1=Ре2=2; — = 30; ^ = 0.4

К1

На рис.4 представлены зависимости концентрации С02 от безразмерного потока жидкости срх при различных значениях В1 . С увеличением <рх значения gl уменьшаются и достигают сколь угодно малой величины, причем различие между кривыми сокращается с ростом В] и уже при >5-П0 становится малым. Это означает, что, с одной стороны, при фиксированных свойствах жидкого носителя, начиная с некоторого значения, величина проницаемости мембраны не влияет на процесс массопереноса, а с другой стороны, при заданной проницаемости мембраны, уменьшение сорбционной емкости жидкого носителя по отношению к С02, начиная с некоторой величины, также слабо влияет на процесс. Из рисунка видно, что практически полное удаление С02 до величины

-= 100 при

Вх >25 и Ре: = 2 реализуется уже при срх= 3 (безразмерное отношение потоков

жидкости и газа, см. (3)).

Обобщая результаты анализа, можно сформулировать требования к обеспечению эффективного улучшения потребительских свойств биогаза методом мембранно-абсорбционного удаления углекислого газа:

1. С учетом специфики разработанных плоскорамных модулей зазор жидкой фазы должен быть на уровне 100 мкм.

2. Исходя из линейности системы, расход разделяемого биогаза можно увеличивать пропорционально давлению данной смеси, сохраняя при том расход жидкости, параметры абсорбера и десорбера. При этом для обеспечения функционирования модулей давление жидкости во всех сечениях модулей должно быть выше давления газа.

Исходя из потока разделяемого биогаза в 1м7ч с входным давлением 1 ата, на основании проведенного анализа можно сформулировать следующие требования к режиму и площади мембран абсорбера и десорбера:

- расход воды на уровне 2 м 7ч:

- абсорбер и десорбер одинаковые с площадью мембран порядка 20м2 каждый;

- мембраны пористые или непористые, достаточно производительные по углекислому газу (не менее 500 нл/м2/ч/атм).

В данных режимах достижимо удаление углекислого газа из биогазовой смеси со снижением его концентрации в 10 раз и более.

3. Десорбцию целесообразно осуществлять либо вакуумным способом, либо сдувкой воздухом, однако при этом кислород и азот в небольших количествах будут проникать в абсорбер (около нескольких объемных процентов кислорода и азота в потоке газа на выходе абсорбера). Второй способ является достаточно малоэнергоемким, в то время как первый позволяет обеспечить концентрирование одновременно и метана и углекислого газа.

Литература

1. Сидыганов Ю.Н., Шамшуров Д.Н., Костромин Д.В. и др.Разработка и исследование работы мембранно-абсорбционной газоразделительной системы обеспечивающей улучшение потребительских свойств биогаза //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. -№ 23.-С. 377-384.

2. Сидыганов Ю.Н., Шамшуров Д.Н., Окунев А.Ю. Модель массопереноса многокомпонентной смеси в мембранных контакторах для оптимизации процесса газоразделения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006,- № 12. -С.30-32.

3. Окунев А.Ю., Лагунцов Н.И. Селективный массоперенос в мембранном абсорбере. // ИФЖ. - 2006. Т.79. -№5. - С. 26-35.

4. Рамм В.М. Абсорбция газов,- М.: Химия, 1976.

УДК 638.382 Канд. с.-х. наук Ю.Н. БРАГИНЕЦ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАВМООПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Травмоопасность, технологии, животноводство, теоретический анализ

Продукция животноводства, в частности молочного скотоводства, занимает одно из ведущих мест в продовольственной корзине населения. В обслуживании практически 9-миллионного дойного стада крупного рогатого скота (КРС) в стране занята значительная часть сельского населения [1]. Это значит, что эта часть населения ежедневно в течение года (годов) контактирует непосредственно по нескольку раз в день с биологическим объектом - животным, выполняя технологические процессы по кормлению, поению, доению, уборке навоза, чистке и мойке животных и другим операциям производственного, санитарно-гигиенического, ветеринарного, экологического, пожарно-технического и трудоохранного характера. Положение усугубляется тем, что стареет материально-техническая база животноводства, недостаточными темпами растет уровень механизации и автоматизации технологических процессов. Труд животновода теряет привлекательность и всё больше переходит в разряд потребности для выживания [2]. Такой ситуации способствует и высокий уровень травматизма и заболеваемости в животноводстве. Достаточно отметить, что на животноводство из года в год приходится около 20% всех травм с летальным исходом, случающихся в сельском хозяйстве страны. Высокотравмоопасными подотраслями в сельском хозяйстве являются также растениеводство, процессы механизации и ремонта, технического обслуживания и диагностики техники и другие [3-6]. Вредные и опасные условия труда генерируются отклонениями санитарно-гигиенических параметров от нормируемых значений. По данным работы [2], физические нагрузки на ряде видов работ в АПК в 1,5-2 раза выше нормируемых, запыленность воздуха в 5-6 раз (а иногда и в десятки раз) превышают ПДК, вибрации в области низкочастотных случайных колебаний - в 1,52 раза, уровень шума - в 1,5-3 раза. Температура в холодный период года ниже нормируемой на 813 С, а в теплый - выше на 6-15 С. Имеют место неудобства рабочей позы с поворотом туловища (до 60% рабочего времени); освещенность рабочей зоны на 15-30 Лк ниже нормируемой.

Травматизму, производственно-обусловленным и профессиональным заболеваниям способствуют травмоопасности и вредности технологических процессов в животноводстве и других подотраслях АПК. Применительно к молочному скотоводству КРС отметим, что производственные процессы в отрасли в целом реализуются при наличии технологий. Об основных из них дают представления сведения, приведенные на рис. 1 (по анализу ситуаций на молочном комплексе СПК «Детскосельский» с беспривязным содержанием 1315 коров).