Закономірності процесу абсорбції технологічних газів у апаратах вихрового типу у виробництві кальцинованої соди

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (16 – Хімічна та біоінженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2021. Роботу виконано на кафедрі Хімічна техніка та промислова екологія Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України. Об’єктом дослідження є вихровий масообмінний апарат для ефективної абсорбції аміаку розсолом в содовому виробництві. Предметом дослідження є закономірності процесу абсорбції та моделювання потоків в апаратах вихрового типу у виробництві кальцинованої соди. Дисертаційне дослідження присвячене розробці удосконаленої конструкції вихрового масообмінного апарату для абсорбції аміаку з технологічних газів, розрахунку та удосконаленню його технологічних показників та режимів роботи. Розглянуто та проаналізовано світовий досвід щодо розробки та удосконалення подібних масообмінних вихрових апаратів. У вступі обґрунтовано науково-технічну актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, надано наукову новизну та сформульовано практичне значення отриманих результатів. Перший розділ присвячено комплексному аналізу науково-технічної інформації щодо сучасних діючих масообмінних апаратів та технологічних процесів виробництва кальцинованої соди. Проаналізовано їх технічні, параметризаційні та процесуальні недоліки. Подано опис матеріалів та аналіз літератури. Розглянуто сучасні проблеми та недоліки використання ПГКЛ-ІІ у содовому виробництві, існуючі конструкції апаратів вихрового типу, основні конструкції масообмінних апаратів з примусовим розпиленням робочої рідини. Розібрано гідродинаміку і енерговитрати в розпилювальних апаратах та інтенсифікацію промивача газу колон-ІІ у виробництві кальцинованої соди. На підставі аналізу сформульовано задачі дослідження та шляхи їх вирішення. У другому розділі подано опис матеріалів, методики досліджень та вимірювальної апаратури. Дослідження ефективності розробленого вихрового контактного пристрою проводилося на лабораторній установці. Експериментальні дослідження проведені в лабораторії кафедри хімічна техніка та промислова екологія НТУ "ХПІ". Третій розділ присвячено дослідженням гідравлічного опору вихрового апарату, масовіддачі у рідкій фазі та бризкоунесення у вихровому апараті. Також приведені дослідження з визначення коефіцієнту корисної дії вихрового апарату щодо абсорбції аміаку розсолом. За виконанням даного розділу отримані наступні результати: – вихровий апарат запропонованої конструкції відрізняються відносно низьким гідравлічним опором та має достатньо високий коефіцієнт масовіддачі, що є перспективним для його використання в содовому виробництві. – бризкоунесення у вихровому апараті при витраті газу менше 1000 м3/год не перевищує 10 %. При підвищенні витрати газу бризкоунесення залежить від кількості рідини, яка подається на абсорбцію; – ефективність апарату підвищується із зменшенням концентрації аміаку, підвищенням витрати рідини та зменшення витрати газу. При зміні вказаних факторів у всіх режимах можливо отримати ефективність абсорбції аміаку на рівні 99% шляхом змінення інших залежних факторів. Встановлено розрахункові залежності коефіцієнту корисної дії апарату від витрати рідини, концентрації аміаку в газі та витраті газу. Їх використання дозволяє визначати ефективність роботи апарату при зміні витрати рідини, концентрації аміаку в газі та витраті газу; – наведені результати експериментальних досліджень щодо впливу концентрації витрати газу та абсорбуючої рідини на масообмін, гідравлічний опір, бризкоунесення та ефективність роботи апарату вихрового типу. В четвертому розділі представлено моделювання гідравлічного опору та швидкості руху потоків у вихровому апараті. Дослідженно особливості течії потоків у вихровому апараті при зміні витрати газу, який містить аміак. Наведено залежність зміни полів швидкостей та тиску уздовж апарату та в перетинах секцій при витратах газу 500, 750 та 1000 м³/год. За виконанням даного розділу отримані наступні результати: – комп’ютерна реалізація моделі вихрового апарату підтвердила його працездатність у режимах роботи при витраті газу від 500 до 1000 м³/год. За рахунок турбулізаційного перемішування потоків у середній секції забезпечується висока ступінь абсорбції газів; – моделювання секцій апарату, працюючого у різних режимах за витратою газу, дозволило встановити, що в нижній секції відбувається розгін газу та пере направлення його до центру, в центральній частині відбувається ефективним масообмін, а верхня секція виконує функцію бризковідбійника. П’ятий розділ присвячений удосконаленню конструкції абсорбційного апарату та рекомендаціям щодо підвищення ефективності його роботи у виробництві кальцинованої соди. Запропонована схема високоефективної абсорбції газів у содовому виробництві, заснована на використанні апаратів вихрового типу замість промивачів газів колон. Теоретично обґрунтована можливість заміни ПГКЛ-ІІ вихровим апаратом запропонованої конструкції з метою зменшення матеріалоємності, бризкоунесення та гідравлічного опору апаратів з одночасним досягненням високого ступеню абсорбції.The thesis is submitted to obtain a scientific degree of Doctor of Philosophy, specialty 161 – Chemical Technologies and Engineering (16 – Chemical and Bioengineering). – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2021. The work was carried out at the Department of Chemical technology and industrial ecology of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The object of research is a vortex-type mass transfer apparatus for effective absorption of ammonia by brine in soda production. The subject of research is the regularities of the absorption process and modeling of flows in vortex-type apparatus in the soda ash production. The thesis research is devoted to the development of an improved design of a vortex-type mass transfer apparatus for the absorption of ammonia from process gases, calculation and improvement of its technological indicators and operating modes. The world experience in the development and improvement of such mass exchange vortex-type apparatuses is considered and analyzed. In the introduction, the scientific and technical relevance of the thesis is substantiated, the aim and objectives are formulated, the object, subject and methods of research are determined, the connection between work with scientific topics is shown, scientific novelty is provided and the practical significance of the results obtained is formulated. The first section is devoted to a comprehensive analysis of scientific and technical information about modern operating mass transfer apparatus and technological processes for the soda ash production. Their technical, parameterization and procedural shortcomings are analyzed. Description of materials and analysis of literature are given. The modern problems and disadvantages of using PGKL-II in soda production, the existing designs of vortex-type apparatus, the main designs of mass transfer apparatus with forced atomization of the working fluid are considered. The hydrodynamics and energy consumption in the spray apparatuses and the intensification of the gas scrubber Colon-II in the soda ash production are analyzed. Based on the analysis, the research tasks and the ways of their solution are formulated. The second section contains a description of materials, research methods and measuring equipment. The study of the effectiveness of the developed vortex contact device was carried out on a laboratory setup. Experimental studies were carried out in the laboratory of the Department of Chemical Engineering and Industrial Ecology of NTU "KhPI". The third section is devoted to the study of the hydraulic resistance of the vortex-type apparatus, mass transfer in the liquid phase and breeze loss in the vortex-type apparatus. Also, studies are given to determine the efficiency of the vortex-type apparatus for the absorption of ammonia by brine. After completing this section, the following results were obtained: – the vortex-type apparatus of the proposed design is characterized by a relatively low hydraulic resistance and has a sufficiently high coefficient of mass transfer, which is promising for its use in soda production. – breeze loss in a vortex-type apparatus at a gas flow rate of less than 1000 m³/h does not exceed 10%. When the gas flow rate increases, the breeze loss depends on the amount of liquid supplied for absorption; – the efficiency of the apparatus increases with a decrease in the ammonia concentration, an increase in the liquid flow rate and a decrease in the gas flow rate. By changing these factors in all modes, it is possible to obtain the efficiency of ammonia absorption at the level of 99 % by changing other dependent factors. The dependences of the efficiency of the apparatus on the liquid flow rate are calculated, the ammonia concentration in the gas and the gas flow rate is established. Their use makes it possible to determine the efficiency of the apparatus when changing the liquid flow rate, the concentration of ammonia in the gas and the gas flow rate; – the results of experimental studies of the influence of the concentration of the flow rate of gas and absorbing liquid on mass transfer, hydraulic resistance, breeze loss and the efficiency of the vortex-type apparatus are presented. In the fourth section, simulations of hydraulic resistance and flow velocity in a vortex-type apparatus are presented. The features of the flow of flows in a vortex-type apparatus with a change in the flow rate of gas, which contains ammonia, are investigated. The dependence of the change in the velocity and pressure fields along the apparatus and in the sections of the sections at gas flow rates of 500, 750 and 1000 m³/h is given. After completing this section, the following results were obtained: – computer implementation of the vortex-type apparatus model confirmed its operability in operating modes with a gas flow rate from 500 to 1000 m³/h. Due to the turbulized mixing of the streams in the middle section, a high degree of gas absorption is ensured; – modeling of the sections of the apparatus operating in different modes in terms of gas consumption, made it possible to establish that in the lower section the gas is accelerated and redirected to the center, in the central part there is an effective mass transfer, and the upper section serves as a breeze-blower. The fifth section is devoted to the improvement of the design of the absorption apparatus and recommendations for increasing the efficiency of its operation in the soda ash production. The proposed scheme of highly efficient gas absorption in soda production is based on the use of vortex-type apparatus instead of column gas washers. The possibility of replacing PGKL-II with a vortex-type apparatus of the proposed design is theoretically substantiated in order to reduce material consumption, breeze loss and hydraulic resistance of the apparatus, while simultaneously achieving a high degree of absorption.