Гідродинамічні і масообмінні характеристики зваженої насадки в стабілізованому пінному шарі

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 161 – хімічні технології та інженерія (16 Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Об’єктом дослідження є процеси гідродинаміки та масопередачі на комбінованих блочних елементах із зваженою шароподібною насадкою в колонному апараті. Предметом досліджень є гідродинамічні і масообмінні характеристики одиничної зони контакту в комбінованому блочному елементі із зваженою шароподібною насадкою, а також їх режимні та конструктивні параметри. Дисертаційна робота присвячена дослідженню масообмінного обладнання для абсорбційних та десорбційних процесів при безпосередньому контакті газу і рідини з використанням комбінованих блочних елементів із зваженою шароподібною насадкою, а також більш глибокому опису ціх процесів, що є актуальним завданням хімічної технології. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача з підвищення ефективності роботи колонних апаратів із протитечійним рухом фаз завдяки суміщенню та комбінуванню в одному апараті кількох видів контактних пристроїв – регулярних та нерегулярних, а також при використанні режиму розвинутого псевдозрідження. Для зменшення шкідливого впливу бризкоунесення на ефективність тарілки та контактного блоку в сепараційному просторі між тарілками розміщують стабілізатори газорідинного шару при роботі апаратів у інтенсивних режимах при швидкості газу більше 2,5 м/с. Ці стабілізатори також самі є додатковою зоною контакту фаз та працюють одночасно як сепаратори. Для ефективної роботи комбінованого блочного елементу із тарілками провального типу великого вільного перетину зі зваженою шароподібною насадкою конструкція повинна мати велику продуктивність як по газу так і по рідини, мати відносно невеликий гідравлічний опір і володіти достатніми сепараційними характеристиками. Розроблено комбінований блочний елемент який складається із провальної тарілки, шароподібної проникної пористої насадки та стабілізатора газорідинного шару. Така блочна секція відрізняється широким робочим діапазоном, зменшує міжсекційне бризковіднесення та може працювати у широкому діапазоні навантажень як газової, так і рідкої фаз, що дозволяє збільшувати продуктивність та ефективність масообмінних колон при їх реконструкції. У вступі обґрунтовано вибір теми дослідження та актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано зв’язок дисертаційного дослідження з науково-практичною роботою кафедри, наведено дані про наукову новизну, практичне значення отриманих результатів. У першому розділі проведено аналіз результатів попередніх досліджень за темою дисертаційної роботи. На підставі аналізу літературних джерел, було встановлено, що в даний час розробляється безліч конструкцій зважених та регулярних насадок, опорні решітки для зваженої насадки також мають варіювання за конструкцією. При цьому постійно йдуть пошуки більш ефективних масообмінних поверхонь для конкретний технологічних процесів. Апарати зі зваженою псевдозрідженою насадкою можуть бути вдосконалені в напрямку зниження енерговитрат, що є важливим для процесів очищення газів. Серед цієї категорії обладнання окремо виділяються комбіновані апарати з рухомою насадкою, які є складними конструкціями, що поєднують в собі елементи барботажних апаратів та апаратів з трифазним псевдозрідженим газорідинним шаром. Були проаналізовані сучасні регулярні насадкові структури. Розвиток регулярних насадок йде в напрямку створення структурованих насадок зі складними каналами для проходу газу і гофрованою листовою поверхнею, що дозволяє рівномірно розподілити рідину і створити умови для ефективного контакту фаз і здійснення процесу масообміну. В якості насадки для апаратів з псевдозрідженим шаром застосовуються насадкові тіла різної форми, виготовлені з матеріалів, стійких у відповідних робочих середовищах. З точки зору енерговитрат апарати повинні володіти низьким гідравлічним опором. Одним з факторів, що впливають на зниження гідравлічного опору газу, є зменшення щільності рухомих насадкових тіл, при якій, перш за все, забезпечується їх інтенсивний рух у всьому обсязі шару. З метою збільшення поверхні контакту фаз порожнисті сферичні тіла виконуються з наскрізними отворами, забезпечуються лопатями краплеподібної або тороідальної форми, а суцільна кульова насадка – у вигляді з'єднаних пружною половинок, з наскрізними каналами, а також з гофрами на поверхні, шипами і голками. З метою зменшення енергетичних витрат на проведення процесу масообміну доцільно застосування рухомі насадкові тіла з сітчастих матеріалів, такі матеріали дозволяють виготовляти насадки з високорозвиненою поверхнею контакту фаз, які при цьому мають низьку насипну щільність. Одночасно зменшенням довжини блоків із насадками які працюють у активних гідродинамічних режимах досягається більші значення коефіцієнтів масовіддачі. На підставі отриманих результатів аналізу обрано напрями досліджень та поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі представлений опис експериментальних установок, новий тип апарату із контактними комбінованими блочними елементами, приведені варіанти конструкції блоків та шароподібних насадкових елементів. Для дослідження гідродинамічних закономірностей нових конструкцій наведена установка для експериментального визначення висоти газорідинного шару, гідравлічного опору, газовмісту та показників бризковіднесення, також представлені методики проведення експериментальних досліджень. В процесі експериментальних досліджень використовувалися методи візуального спостереження поведінки трифазної системи всередині комбінованого блочного елементу, методами інструментальних вимірювань визначали гідродинамічні характеристики. Для оцінки якісного і кількісного складу сумішей використовували методи фізико-хімічного аналізу. Графічне представлення та статистичну обробку результатів дослідження проводили з використанням методів математичної статистики та прикладного програмного забезпечення. Для визначення характеристик масопереносу та вивчення фазової масовіддачі у розділі представлена установка для дослідження процесів поглинання аміаку та десорбції діоксиду вуглецю в потік повітря на комбінованих блочних елементах та обрана методика для обробки експериментальних даних і оцінки похибки вимірів. У третьому розділі представлені результати теоретичних та експериментальних досліджень характеристик гідродинаміки для комбінованого блочного елементу. Були визначені зони та режими роботи трифазної газорідинної системи, які відрізняються від досліджених раніше. Отримані залежності для висоти пінного шару, гідродинамічного опору комбінованого блочного елементу для визначення робочих параметрів нової конструкції. Рекомендована висота розташування стабілізатора над полотном тарілки 250-300 мм. Показано, що при застосуванні стабілізації газовміст у комбінованому блочному елементі скорочується, а це призводить до більш стабільної та рівномірної роботи апарату. У розділі наведені рівняння для розрахунку висоти газорідинного шару, гідравлічного опору, відносної щільності газорідинного шару яка характеризує газовміст, приведені емпіричні залежності для визначення величини бризковіднесення для різних режимів роботи комбінованого блочного елементу. У четвертому розділі приведено результати експериментальних досліджень параметрів масообміну при роботі комбінованого блочного елемента із застосуванням стабілізації. Визначили залежності для розрахунку ефективності роботи комбінованого блочного елементу від конструктивних та режимних параметрів. Результати розрахунків за отриманими залежностями показують достатньо високу кореляцію із експериментальними даними, а відхилення для залежностей коливається в межах 5-15%. У п’ятому розділі наведені рекомендації із впровадження дослідженої конструкції із комбінованими блочними елементами із зваженою насадкою у промислові технологічні схеми. Запропоновано модернізований апарат для санітарної промивки технологічних газів содового виробництва. Дані рекомендації щодо впровадження апаратів у виробництвах мінеральних добрив, а також при реконструкції апаратів декарбонізації у технологічних системах водопідготовки для ТЕЦ і котелень. За висновками щодо ефективності дисертаційного дослідження відзначені такі наукові результати: 1. Вперше запропоновано механізм формування потоків взаємодіючих фаз у комбінованому блочному елементі; виявлено існування 5 режимів роботи трифазної газорідинної системи. 2. Вперше отримані залежності висоти пінного шару, гідродинамічного опору комбінованого блочного елементу для двох режимів роботи даної конструкції. Встановлені залежності для розрахунку відносної щільності газорідинного шару для газорідинного шару, який формується у комбінованому блочному елементі для двох основних робочих режимів конструкції. 3. Встановлені рекомендовані конструктивні параметри стабілізатору піни: висота блоку 50 мм, кут нахилу гофри до горизонтальної осі – 45о, кут між гранями гофри ламелей блоку – 60о, висота грані гофрування 10-15 мм. Обґрунтована висота розташування стабілізатора над провальною тарілкою у діапазоні 250-300 мм. Показано, що при застосуванні стабілізаторів пінного шару разом із зваженою шароподібною насадкою газовміст на контактному елементі зменшується, що сприяє стабільній та рівномірній роботи апарату. 4. Розширені уявлення про механізм утворення бризковіднесення в комбінованому блочному елементі та наведені емпіричні залежності для визначення його величини залежно від режимних параметрів. 5. Отримали подальшого розвитку залежності для розрахунку ефективності роботи комбінованого блочного елементу залежно від режимних та конструктивних параметрів, що описують процеси, які спостерігались при експериментальних дослідженнях та показують достатню кореляцію із експериментальними даними. Достовірність отриманих теоретичних результатів підтверджено експериментальною перевіркою. Практичне значення отриманих результатів дослідження полягає в тому, що запропоновано нову конструкцію зваженої пористої насадки для використання у контактних апаратах із провальними тарілками у активному гідродинамічному режимі розвинутого псвдозрідження із стабілізацією газорідинного шару. Надано відповідні рекомендації щодо впровадження розробленої насадки у промислову практику та щодо проектування апаратів із запропонованим контактним елементом.Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 161 – chemical technologies and engineering (16 Chemical and bioengineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2023. The object of study is the processes of hydrodynamics and mass transfer on combined block elements with a weighted spherical nozzle in a column apparatus. The subject of study is the hydrodynamic and mass transfer characteristics of a single contact zone in a combined block element with a weighted spherical nozzle, as well as their regime and design parameters. The dissertation is devoted to the study of masstransfer equipment for absorption and desorption processes in direct contact of gas and liquid using combined block elements with a weighted spherical nozzle, as well as a more in-depth description of these processes, which is an urgent task of chemical technology. In the dissertation work, the scientific and practical task of increasing the efficiency of column apparatuses with countercurrent movement of phases is solved due to the combination and combination in one apparatus of several types of contact devices, both regular and irregular, and the use of the advanced fluidization mode. To reduce the harmful effect of splashing on the efficiency of the plate and the contact block, stabilizers of the gas-liquid layer are placed in the separation space between the plates during the operation of the devices in intensive modes at a gas speed of more than 2.5 m/s. These stabilizers are also an additional phase contact zone and work simultaneously as separators. For effective operation in a combined block element with plates of a large free cross section with a weighted ball-shaped nozzle, the design must have a high productivity both for gas and liquid, have a relatively small hydraulic resistance and have sufficient separation characteristics. A combined block element consisting of a hole plate, a spherical permeable porous nozzle and a gas-liquid layer stabilizer was developed. Such a block section has a wide working range, reduces inter-sectional splashing and can work in a wide range of both gas and liquid phase loads, which allows to increase the productivity and efficiency of mass exchange columns during their reconstruction. The introduction substantiates the choice of the research topic and the relevance of the dissertation, formulates the goal and tasks, defines the object, subject and research methods, shows the connection between the dissertation and the scientific and practical work of the department, provides data on scientific novelty, and the practical significance of the obtained results. The first chapter analyzes the results of previous research on the topic of the dissertation. On the basis of the analysis of literary sources, it was established that many designs of weighted and regular nozzles are currently being developed, the support grids for the weighted nozzle also have variations in design. At the same time, the search for more effective mass transfer surfaces for specific technological processes is ongoing. Apparatus with a weighted fluidized nozzle can be improved in the direction of reducing energy consumption, which is important for gas purification processes. Among this category of equipment, combined devices with a moving nozzle stand out separately, which are complex structures that combine elements of bubble devices and devices with a three-phase fluidized gas-liquid layer. Modern regular nozzle structures were analyzed. The development of regular nozzles is in the direction of creating structured nozzles with complex channels for the passage of gas and a corrugated sheet surface, which allows to evenly distribute the liquid and create conditions for effective contact of phases and implementation of the mass transfer process. As nozzles for devices with a fluidized bed, nozzle bodies of various shapes are used, made of materials stable in the corresponding working environments. From the point of view of energy consumption, the devices should have low hydraulic resistance. One of the factors affecting the reduction of the gas hydraulic resistance is the decrease in the density of the movable nozzle bodies, which, first of all, ensures their intensive movement throughout the entire volume of the layer. In order to increase the contact surface of the phases, hollow spherical bodies are made with through-holes, provided with teardrop-shaped or toroidal blades, and a solid spherical nozzle - in the form of elastically connected halves, with through-flow channels, as well as with corrugations on the surface, spikes and needles. In order to reduce energy costs for carrying out the mass transfer process, it is advisable to use mobile nozzle bodies made of mesh materials, such materials allow the production of nozzles with a highly developed phase contact surface, which at the same time have a low bulk density. At the same time, by reducing the length of blocks with nozzles that work in active hydrodynamic modes, higher values of mass transfer coefficients are achieved. Based on the results of the analysis, research directions were chosen and the main tasks of the dissertation work were set. The second chapter presents a description of the experimental installations, a new type of apparatus with contact combined block elements, the options for the construction of blocks and spherical attachment elements are given. In order to study the hydrodynamic regularities of new structures, an installation for experimentally determining the height of the gas-liquid layer, hydraulic resistance, gas content, and spray flow indicators is provided, and the methods of conducting experimental studies are also presented. In the process of experimental research, methods of visual observation of the behavior of the three-phase system inside the combined block element were used, hydrodynamic characteristics were determined by instrumental measurement methods. Methods of physical and chemical analysis were used to assess the qualitative and quantitative composition of mixtures. Graphic presentation and statistical processing of research results were carried out using methods of mathematical statistics and application software. In order to determine the mass transfer characteristics and study the phase mass transfer, the section presents an installation for researching the processes of ammonia absorption and carbon dioxide desorption into the air flow on combined block elements and a selected technique for processing experimental data and estimating the measurement error. The third chapter presents the results of theoretical and experimental studies of the characteristics of hydrodynamics for the combined block element. Zones and modes of operation of the three-phase gas-liquid system were determined, which differ from those studied earlier. Derived dependencies for the height of the foam layer, hydrodynamic resistance of the combined block element to determine the operating parameters of the new design. The recommended height of the stabilizer above the plate is 250-300 mm. It is shown that when stabilization is applied, the gas content in the combined block element is reduced, and this leads to more stable and uniform operation of the apparatus. The section contains equations for calculating the height of the gas-liquid layer, hydraulic resistance, the relative density of the gas-liquid layer, which characterizes the gas bridge, and empirical dependences for determining the amount of splashing for different modes of operation of the combined block element. The fourth chapter presents the results of experimental studies of mass transfer parameters during the operation of a combined block element with the use of stabilization. We determined the dependences for calculating the efficiency of the combined block element on structural and mode parameters. The results of calculations based on the obtained dependencies show a fairly high correlation with experimental data, and the deviation for the dependencies ranges from 5 to 15%. The fifth chapter provides recommendations for implementing the researched design with combined block elements with a weighted nozzle into industrial technological schemes. A modernized apparatus for sanitary washing of technological gases of soda production is proposed. These are recommendations for the introduction of devices in mineral production, as well as during the reconstruction of decarbonization devices in technological water treatment systems for boiler and thermal power plants. Based on the conclusions regarding the effectiveness of the dissertation research, the following scientific results were formed: 1. For the first time, the mechanism of formation of flows of interacting phases in a combined block element is proposed; the existence of 5 operating modes of the three-phase gas-liquid system was revealed. 2. For the first time, the dependences of the height of the foam layer and the hydrodynamic resistance of the combined block element for two modes of operation of this design were obtained. Inserted dependencies to calculate the relative density of the gas-liquid layer for the gas-liquid layer that is formed in the combined block element for the two main operating modes of the design. 3. The recommended design parameters of the foam stabilizer are set: the height of the block is 50 mm, the angle of inclination of the corrugation to the horizontal axis is 45о, the angle between the corrugation faces of the lamellae of the block is 60°, the height of the corrugation face is 10-15 mm. The justified height of the location of the stabilizer above the failure plate is in the range of 250-300 mm. It is shown that when foam layer stabilizers are used together with a weighted ball-shaped nozzle, the gas content on the contact element decreases, which contributes to the stable and uniform operation of the device. 4. Expanded ideas about the mechanism of formation of spatter in a combined block element and given empirical dependences for determining its value depending on mode parameters. 5. Obtained further development of the dependence for calculating the efficiency of the combined block element depending on the mode and design parameters, which describe the processes that were observed during experimental studies and show a sufficient correlation with the experimental data (within 5-15%). The reliability of the obtained theoretical results was confirmed by experimental verification. The practical significance of the obtained research results is that a new design of a weighted porous nozzle has been developed and investigated for use in contact devices with falling plates in the active hydrodynamic mode of developed pseudo-liquefaction with stabilization of the gas-liquid layer. Appropriate recommendations are provided for the implementation of the developed nozzle in industrial practice and for the design of devices with the proposed contact element.