Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технология очистки и утилизации газовых выбросов, содержащих органические растворители

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Технология очистки и утилизации газовых выбросов, содержащих органические растворители"

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации.

Тульский государственный университет

На правах рухописи

ПУЗЫРЕВ, »эра Михайловна

Г2ХНОЛОГИЯ ОЧИ№И И|УТИКИс^|ИИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИЕ РАСТВОРИТЕЛИ

Специальность 11.00.11 - а Охрана окружающей среды и рзцяонзльноз использование природных рясурссз з

Дйтсрефьрат, диссертации на соискание ученой степени пгндидота технических науч

Тула 1698

- г -

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Володин Николай Иванович

Официальные оппоненты: академик Международной Академии экологии

доктор химических наук, профессор Голосман Евгений Зиновьевич член-корреспондент Российской Академии естественных наук доктор химических наук, профессор Аверьянов Вячеслав Александрович

Ведущая организация - Акционерное обшество открытого типа

фирма НШОГАЗ, Семибратово, Ярославской области

Защита диссертации состоится '¿¿¿■¿¿-¿¿¿-С 1дд8 г.

в /9 часов на заседании диссертационного совета Д063.47.06 в Тульском государственном университете по адресу: 300600, г.Тула, пр. Ленина', 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан __¿¿¿¿Л 1993 г_

Ученый секретарь диссортацтоп .го

совета канд. техшг-шскдх н;/к. /'-ти-!!- И.С.На:; Дурова

Актуальность, прсблэмн. Развитие промышленного'производства щровождается значительным загрязнением окружающей среды вредными ■ сбросами,. что в перспективе может привести в глобальном масштабе необратимым экологическим и экономическим последствиям. Поэтому стуальность работ, направленных на улучшение экологических харак-зристик промышленных производств, возрастает с каждым годом. Это асается как разработки систем обезвреживания или улавливания от-эдов для вновь создаваемых производств, так и для улучшения.сис зм очистки действующих предприятий/ большая часть которых имеет ибо совершенно недостаточные очистные сооружения, либо пракгичес-и лишена их.

Современный научно-технический .прогресс ставит задачу интен-ивного и в толе время экологически обоснованного развития промыт-енности. В связи с этим важное значение приобретают, вопросы тео-ии и практики создания экологически чистых и ресурсосберегающих ехнологий для заддаты атмосферы, которая наиболее страдает от дея-■ельности человека , Важное место при этом занимают вопросы очист-:и технологических и вентиляционных отходящих газов от органически растворителей, выбросы которых тольад в России составляют око-га 6 миллионов тонн в год. Разработка'и внедрение ресурсосберегаю-¡их промышленных технологий практически невозможны без решения ¡опросов очистки, разделения и утилизации многокомпонентных газо-зых смесей абсорбционно-десорбционными методами, что требует"уг- > губленного изучения кинетики.и статики тепло--и массообмешшх про-дессов, создания корректных математических моделей процессов и ¡¡я- . годов расчета технологических схем и соответствующей тепло- и мас-зообменной аппаратуры для их реализации. г

Решение задач реконструкции существующих и создания новых производств с замкнутыми технологическими циклами по органическим ' растворителям при одновременном резком снижении выбросов в атмосферу токсичных веществ позволяет улучшить экологическую обстановку в районе промышленных комплексов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами межвузовских научно-технических программ "Прогноз" и "Конверсия".

Цель работ«. Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей улавливания и последующей утилизации органических растворителей из технологических а е-лш:-

лггционных газов, обеспечивающих разработку и внедрение ресурсосберегающих циклических абсорбционно-десорбционных тепло- и массооб-менных процессов очистки промышленных' выбросов от органических растворителей.

Идея работа. Идея заключается в том, что снижение выбросов б атмосферу' органических 'растворителей и-их утилизация достигается' реализацией циклической' технологии и разработкой массообменной аппаратуры для" нее.

Основные- научниа пол'отшя работы зашачаятся е слздуюцзи:

- создание циклической схемы очистки газовых выбросов от органических растворителей реализует принцип рационального использования природных ресурсов за счет возвращения уловленных компонентов в технологический процесс;

- использование высококипящего органического абсорбента позволяет упростить ■ процесс утилизации уловленных компонентов," так как предложенный ссрбект кы .поглодает паров воды;

- совмещение тепло- и массоб.чена в одном аппарате существенно снижает затраты тепла на регенерацию насыщенного абсорбента.

Новизна научш<:: и праткчосилг ,паяс?.штШ:

- предложен высокоэффективный селективный абсорбент для поглощения органических растворителей из низкопотенциальных газовых выбросов, отличающийся тем, что практически не поглощает паров воды, чем существенно упрощает процесс регенерации насыщенного- абсорбента и последующее разделение уловлёниых компонентов;

- обоснованы и экспериментально подтверлдеиы пути интенсификации процесса регенерации насыщенного органическими растворителя- , ми абсорбента за счет совмещения тепло- и массообмена в одном аппарате;

- получены гидродинамические, маесо- я теплообменные характеристики мас'сообменнкх устройств дли совмещенных процессов тепло - и массобмена в процессе регенерации абсорбента ;

- разработана технологическая схема цинического " процесса очистки, выделения и утилизации органических растворителей из низкопотенциальных и вентиляционных газовых педиков, позволяющая вернуть уловленные вещества в технологический процесс.

Достоверность научпаг ¡¡с-я^мст.;'.- вигердо г. рс! подтаермдайтся:

- корректной лостанозкой задач ясся&датУЯ;

- б -

- обоснованным использованием классически* методов для исследования статики и динамики процессов абсорбции и десорбции, применяемых при газоочистке;

- достаточным объемом экспериментов, необходимых для разработки технологических основ циклического процесса очистки газов от органических растворителей;

- удовлетворительной сходимостью фактических характеристик процесса регенерации с расчетными значениями/" полученными использованием математической модели тарельчатого регенератора с совмещением процессов тепло- и массобмена в. одном аппарате (значение средней ошибки не превышало 12 %)..

Практическое значение работы. Разработанная циклическая технология очистки позволяет не только устранить выбросы органических веЕ^ств в атмосферу, но и возвратить их в цикл, а также существенно снизить затраты тепла на процесс регенерации насыщенного абсорбента и за счет этого значительно сократить"срок окупаемости предлагаемой схемы. Подобранный рациональный абсорбент, не поглощающий воду, позволяет упростить процесс■выделения и последующего разделения поглощенных растворителей. Полученные результаты исследований могут быть■частично или полностью использованы для реконструкции существующих и создания новых узлов очистки отходящих вентиля* ционных газов от паров органических растворителей, будучи особенно, эффективными на предприятиях, производящих окраску серийных крупных партий продукции.

Реадггаация работы.Основные научные и практические результаты диссертационной работы' переданы для использования на АО "Точмаш", ,л0 "Маизавод" г. Скопин, АК "Туламашзавод" и ПО "Свема" г.Шостка (Украина).

Лпробгцж! работа. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные.ее разделы докладывались п обсуждйшсь на научных семинарах кафедры ЛОТ и ОС Тул-ГУ, на Международном'экологическом конгрессе. ( г.Воронеж, 1996 г.), на 1-ой Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых, и переработки отходов производства" (г.Тула, 1996 г.), на научной конференция "Экология и общественность" (г. Тула, 1997 г.), на'1-ой Международной конференции по проблемам экологии и безопасности мизиедеятелькости ( г.Тула, 1997 г.), на Международной

конференции "Перспективы совершенствования производства экстракционной фосфорной кислоты" (г. Тула, 1998 г,).

Публикации. По результатам выполненных исследований имеется 8 публикаций.

Объем работи. Диссертация' изложена на 202 страницах машинописного текста, состоит из Б разделов, содержит Б таблиц, 32 рисунка, список литературы из 205 наименований.

•Автор диссертации выражает глубокую признательность д.т.н., проф. Э.М.Соколову и сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ва содействие и поддержку при проведении научных исследований и обсуждении полученных результатов.

СОДЕРЙАШШ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы ее задачи и изложены'основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 представлен литературный обзор по существующим способам очистки газовых.выбросов от органических веществ. Рассмотренная литература и другие материалы позволяют сделать вывод о серьезном недостатке данных, необходимых для разработки и создания отвечающих современным требованиям установок очистки технологических и вентиляционных тазовых выбросов от паров органических соединений. Необходимость очистки определяется .двумя обстоятельствами: обеспечением экологической-безопасности производства и тем., что большая часть содержащихся в газовых смесях органических соединений - это ценные и дефицитные продукты, возврат которых в производство в ряде случаев-может заметно улучшить его технико-экономические показатели. Наиболее широкое применение б промыаленности нашли "затратные" методы - окисление токсичны;; примесей до менее токсичных, тогда ка1; наиболее перспективные "возвратные" - сорбци-олные- методы очистки газов встречаются значительно реже л осуществляются чаще всего в случае наличия в очищаемых газах больших количеств вредных примесей.

Основные недостатка существующих систем выделения из газов ■органических соединений являются результатом следующего:

- низкой эффективности абсорбционной аппаратуры и, как следствие, высокой ее стоимости;

- ? -

- значительного. "гидравлического сопротивления абсорберов, обуславливающего необходимость дополнительного компремкрования подлежащего очистке газа;

- недостаточной эффективности применяемых абсорбентов, затрудняющих абсорбцию, и последующего выделений поглощенных компонентов;

- высоких затрат тепла на регенерацию насыщенных абсорбентов.

Таким образом современное состояние, знаний по рассматриваемой проблеме, 'цель и идея работы определили необходимость постановки и ресения следующих задач:

- реализации принципа рационального использования природных ресурсов путем создания циклической схемы очистки газовых выбросов от органических растворителей, позволяющей вернуть уловленные вещества в технологический процесс.

- подбор и исследование наиболее рационального абсорбента или группы абсорбентов: 1

- разработку эффективной абсорбционной аппаратуры;

- разработку способа регенерации насыщенного абсорбента, рЗеспочившдег'о снижение затрат тепла.

; Глава 2 пссвягдепа разработке технологических основ процесса улавливания паров органических растворителей из газовых смесей.

Анализ литературных источников позволил установить, что су- > чествует несоответствие меЛду теоретической к практической важностью проблемы - очистки газовых выбросов от паров органических растворителей абсорбционным методом и. количеством исследований посзяцешшх этой проблеме.

Отмеченное несоответствие объясняется, во-первых, очень большой трудоемкостью экспериментальных исследований по абсорбции пмэси паров органических растворителей из газовых выбросов, связанной с резким возрастанием числа переменных, характеризующих абсорбционное равновесие з многокомпонентных системах, по сравнению с абсорбцией индивидуального вещества; во-вторых, тем, что при те-срет'.пзсской интерпретации полученных данных не только сохраняются вс? трудности и нерепе'нные вопросы, которые характерны для абсорбции- чистого индивидуального вещества, ко возникает -и новые вопросы, связанные в основном с взаимодействием разнородных молекул при поглощении ия жидким' абсорбентом.

к

Оптимальный абсорбент должен отвечать, следующим требованиям: иметь минимально возможное равновесное давление паров над насыщенным раствором, термическую и химическую устойчивость, низкую теплоемкость, малые водопоглощение, токсичность и стоимость.

Для улавливания 'паров органиче'ских веществ обычно применяют различные абсорбенты, которые можно объединить в три группы: вода, низкокипящие органические растворители, (например, циклогексанон) 1! высококипящие органические абсорбенты (ВОА) - силиконовые масла, каменноугольные масла и другие.

Наряду с очевидными достоинствами вода, как абсорбент, имеет существенные недостатки: низкую растворимость в ней большинства органических соединений и-образование азеотропных смесей (вода -органическое соединение), сильно затрудняющих извлечение чистых органических соединений из их раствора в абсорбенте.

При применении низкокипяших органических растворителей, кан правило, приходится создавать вторую ступень очистки газа от паров растворителя, уносимых очищенным газом из абсорбера.. Кроме того, низкокипящие органические растворители способны абсорбировать_парь воды в количествах,• достаточных для осложнения процесса выделения растворенной органики из-за образования азеотропных смесей. Таким образом, эффективное" применение низкокипяших органических абсорбентов возможно только при очистке газовых смесей, не содержащих водяных паров в газовых потоках.

Высококипящие органические растворители не имеют,отмеченных выше недостатков, .но их применение связано с.более высокими затратами тепча на стадии выделения поглощенной органики и регенерации абсорбента.

Для проверки изложенных' выше предподожений была проведена экспериментальная работа по исследованию выделения (абсорбции) органических веществ из их смеси с воздухом.

Для исследований были принят реальный состав газовой фазы, состоящей из тетрагидрофурана (ТГФ), метилэтилкетона (ГОК), дихлорэтана (ДХЭ), бутанола и циклогексанона (ЦГН), который соответствует отходящим газам производства полимерных материалов и некоторых покрасочных цехов машиностроительных заводов.

Абсорбция паров- проводилась тремя абсорбентами: водой, цик-логексаноном и высококипящим органическим растворителем. Температура абсорбции, плотность орошения', содержание компонентов в очи-

щаенон смеси и другие условия во всех трех случаях поддерживались одинаковыми. Динамическая поглотительная способность упомянутых абсорбентов ^полученная в опытах, приведена в. таблице 1.

Как и предполагалось,, из-за плохой растворимости органических соединений .в - воде ее поглотительная способность значительно нике, чем у циклогексанона и БОА. Так., по тет'рагидрофурану поглотительная способность воды ниже, чем у BOA, в 7 раз; по метилзтил-кетону - в 13,3 раза; по дихлорэтану - в 24 раза; по бутанолу - tí 30 раз и по циклогексанону - в'16 раз.

Полученные данные позволяют заключить, что использование воды в качестве абсорбента при улавливании паров органических веществ нецелесообразно-,' несмотря на ее низкую стоимость.

Таблица 1

Экспериментальные данные, полученные пси очистке газовой смеси различными 'абсорбентами •

1 I ]Наименование | компонента i Концентрация¡ Концентрация в абсорбере 1 % масс|

n потеке i Абсорбент

абсорбер,%об| вода i i 1 цгн | ! 1 f ВОД |

|Тетрагндроууран i . 1,2090 | i 0,3600 1 Í I 1,0100 | 1 1 2,4400 !

| Мзтилзтилкетон 1 0.32Е0 | i 0,1400 1 1 |. 1,8100 I 1 1 1,8600 I

| Дихлорэтан 1 0,2360. | i 0,0700 1 1 | 1,5200 i i i 1,6700 1

| Бутанел 1 0,0180 | 1 ■ 0,0200 1 ! ! 0,5800 | 1 i 0,6100 !

| Циклогексанон 1 0,0130 1 0,0300 1 1 I 92,160 | i i 0.БС00 |

1 Вода 1 3,0000 1 99,390- 1 ,1 | 2,0200 | Г | 0,0090 |

|ч Воздух i ....... i 95,210 | i 1 1 1 1 :1 ! 1 ......" .i

Если сравнить поглотительные способности BOA и циклогекспно-

на, то из данных табл. 1 следует, что они практически одинакова. В то же время экспериментально установлена существенная абсорбция паров воды, находящихся в газовом потоке, низкокипящим органическим абсорбентом (ЦГН). Как видно из табл.1, содержание воды при использовании ЦГН превышает содержание отдельно взятых органичес-■ ких компонентов, и в первую очередь при последующем разделении на индивидуальные вещества образуется азеотропная смесь с дихлорэтаном при температуре 71,6 °С и содержании воды 8,2 %. В то же время:. содержание воды в кубе абсорбера при использовании БОА, как и ожидалось, практически равно нулю.

Важное значение дли- расчета процесса абсорбции имеют зависимости равновесных концентраций паров" токсичных примесей в газовой фазе от их концентраций в жидкой фазе. Показано, что наблюдается прямо пропорциональ-зя зависимость во всем исследованном диапазоне концентраций (рис.1). '

Рис.1. Равновесные значения для системы тетрагкдроуран -

вод

Аналогичные результаты получены для ыетилэтилкетша, д1идо-рзтана, бутанола и циклогексанона. (Тематическая обработка полученных экспериментальных данных показала, что зависимость равновесной концентрации паров органических растворителей в газовой фа-8е от их концентрации в жидкой фазе подчиняется закону Рауля й справедлива во всем исследованном диапазоне концентраций органи-| ческих растворителей в абсорбенте (0 до 5,5 X мольных). Средняя

\

шбка расчетных значений от экспериментальных не превышала 7 %.

Для-разработки промышленного процесса абсорбции необходим не мько рациональный абсорбент, но и требуется создание вксокоэф-жтивного массоо'бменного аппарата - абсорбера - основного аппара-1, необходимого"для поглощения компонентов из газовой смеси.

Эффективность работы абсорберов в. основном зависит от , коне-зукции . используемых в них контактных элементов, то есть уст-жств,' которые должны создавать максимально развитую поверхность энтакта .между жидкой и газовой фазами при минимальном гидравли-эском сопротивлении ступени контакта. Наиболее совершенны в этом гношении тарельчатые аппараты. Однако тарелки обладают относи-эльно большим гидравлическим сопротивление?.«, например, сопротив-эние одной ситчатсй тарелки с организованным переливом жидкости оставляет от 390 до 1570 Па, а общее количество тарелок в аппара-е обычно составляет * 10 штук. Так как часто очищаемые газовые отоки, а особенно вентиляционные выбросы, имеют напор порядка 60-1960 Па, то использование тарельчатых абсорбционных колонн без оздания дополнительного напора невозможно, то есть необходима ус-ановка высоконапорных газодувок или "компрессоров,, а это приводит дополнительным капитальным и энергетическим затратам.

Казалось бы,. что в качестве аппаратов для абсорбционной чистки низкопотенциальных вентиляционных выбросов от паров орга-ических растворителей можно использовать насадочные абсорберы, идравлическое сопротивление которых незначительно.. Однако, хотя :асадочные аппараты обладают низким гидравлическим сопротивлением,' йссообменная . эффективность их значительно ниже тарельчатых, так вк используемые в промышленной практика насадки (хордовая, плос-;о-параллельнай, кольца Рашига, Берля, седла ИНТАЛ0КС и другие) ¡бладают низкими значениями величин удельной поверхности контакта. Гоэтому абсорберы-с насадкой упомянутых типов для обеспечения глу->окой очистки низкопотенциальных газовых и вентиляциднных выбросов >т органических примесей будут иметь большую-высоту насадки, что фиведет к росту не только капитальных, но и эксплуатационных затрат на стадии абсорбции.

Исходя из вышеизложенного, наиболее целесообразно использование в качестве контактных' устройств в абсорбционных аппаратах насадки, представляющей собой пакеты из просеченных металлических лент или пластин, имеющей развитую поверхность контакта фаз

к малое гидравлическое сопротивление.

Наш была разработана и изгот-рвлена. насадка из гофрированной мелкоячеистой нержавеющей сетки с размером ячеек 1x1 и 1,6x1,5 мм. Гофрирование сеж! было необходимо для того,* чтобы не- происходило слипание закручивающегося полотна насадки. Изготовленная таким образом насадка не создает обходных путей для газа и жидкости, равномерно распределяет жидкость по всему сечению аппарата, что является одним из главнейших условий -для эффективной работы контактного элемента насадки. Испытания данной насадки на реальных среда;-', поглзали, что она имеет высоту, эквивалентную одной теоретически", тарелке, порядка 0,1 м, при гидравлическом сопротивлении, не превышающем 98-196 Па на один метр высоты насадки, тогда как гидравлическое сопротивление колец Раашга (25x25x5мм) той же высоты составляет около 690 Г , а высота насадки,' эквивалентная.одной теоретической тарелке, 1,6 м.

В еаювочёиие необходимо отметить, что в результате проведенных исследований недобран эффективный абсорбент (БОА), не поглоща-■ вдш воду; экспериментально получены равновесные данные для систем органические растворители (тетрагидрофуран, цийлогексанон, дихлорэтан, л1ет;ьгатилкетон, бутаноя) - BOA (необходимые для расчета процесса абсорбции: и иредлокенс висскозффгктшшя насадка для проведения процесса абсорбции

Для разработки циклического процесса очистки газовых выбросов от органических растворителей необходим-- создание ' не только узла абсорбции, но -и узла регенерации. ■ • .

Разработке способа регенерации насыщенного абсорбента посвящена глава 3. Исследования процесса выделения поглощении/, органических продуктов из насыщенного абсорбента проводились- на специально созданной'лабораторной установке. .Состав насыщенные оргапи-' ческими растворителями абсорбентов приведен в табл.1, а результаты проведенных экспериментов по их'регенерации приведены в табл.2.

Как видно" из табл. 2, . и::полъзевание в качестве абсорбента BOA наиболее предпочтительно, так-как отгон имел состав продуктов, не содержащий воды, которая при дальнейшем разделении уловленных продуктов создает практически ¡¡¿-преодолимые трудности иэ-sa слож-.ности разделения .азеотропных смесей орг&'глчеекм продуктов-с во--дой.

Насыщенный абссрОе.»г рс-гечерарулт чаще'всего путем нагрева-

ния. Этот процесс представляет собой ректификацию, при которой б качестве дистиллята получают смесь поглощенных в абсорбере органических компонентов, а в качестве кубовой.жидкости - регенерирован-

Таблица 2

Экспериментальные данные по регенерации насыщенного абсорбента

Компоненты

Концентрация в отгоне, 7= масс.

Абсорбент

Вода ЦГН ! 1 ' BOA

ТГФ | 45*0 1 22.8 | 33.4

мэк ! 17.3 21.1. Г, 24.2

дхэ ¡ 10.1 20.6 | 25.6-'

Бутанол | 2.6 7.0 | 8.0

ЦГН | 4.9 10.2 | 8.6

Вода 1 20.1 18.3 ] 'Следы

BOA ' | - - 1 -

ный '(содержащий следы поглощенной органики) абсорбент. Основные затраты тепла при этом связаны с необходимостью нагрева абсорбента до температуры кипения. Например, при использовании в качестве абсорбента BOA температуру в кубе колонны регенерации абсорбента не-, обходимо иметь на уровне 200-220 °С. При температуре процесса абсорбции 30-35 °С затраты тепла на нагрев абсорбента в установке производительностью 40000 м3 газа в час составят 1,5-Ю7 кДж. что эквивалейтно -8-9 т/час греющего пара.

С целью снижения затрат тепла обычно организуют его частичную рекуперацию. Для этого регенерированный абсорбент пропускают через выносной теплообменник, где он отдает большую часть тепла насыщенному абсорбенту, поступающему на регенерацию. Выделение поглощенных в абсорбере органических растворителей происходит в десорбере за счет нагрева паро-газовой смесью, создаваемого подводом тепла постороннего теплоносителя к регенерируемому абсорбенту. Отогнанные из насыщенного абсорбента продукты конденсируются в хо-

- 14 -

V

лодилышке. Таким образом обычно удается рекуперировать йе более 30% затраченного на нагрев абсорбента тепла..- При попытках увеличить рекуперацию тепла возникают.трудности, связанные с ростом упругости паров абсорбента и загрязнением ими выделяемых компонентов. .

Для снижения затрат тепла на регенерацию высокотемпературного органического абсорбента без сопутствующего увеличения капитальных. и эксплуатационных затрат нами предлагается схема регенерации высококипящих органических абсорбентов при совмещении процессов тепло- и массообмена в одном аппарате - регенераторе.

Согласно этой схеме насыщенный органическими соединениям! абсорбент с температурой » 30 °С подают на верх регенератора. Стекая -по контактным^устройствам регенератора, .ск взаимодействует с поднимающейся вверх паро-газовой смесью (ПГС), образующейся в кипятильнике, обогреваемом посторонним теплоносителем. На ступеш контакта одновременно с процессом массообмена (выделение поглощенных органических растворителей) протекает процесс теплообмена, пр* этом насыщенный абсорбент нагревается не только за счет тепла ПГС, но и за счет тепла регенерированного раствора , который насосом кг куба регенератора прокачивается через теплообменные элементы, размещенные на ступенях контакта в регенераторе. Таким образом происходит совмещение процессов массо- и теплообмена в-одном аппарате. При этом значительно (в 4-5 раз) возрастает коэффициент теплопередачи при рекуперации тепла регенерированного раствора , что приводит к резкому снижению капитальных и эксплуатационных затрат. Нсс-■ле охлаждения до температуры, определяемой температурой насыщенного раствора и эффективностью встроенного в регенератор теплообменника, регенерированный раствор поступает на абсорбцию. Б данноь случае при любой степени рекуперации тепла регенерированного раствора на орозение регенератора будет поступать насыщенный абсорбент с постоянной температурой, определяемой условиями' процесса абсорбции. . '

Внедрению такой высокоэффективной технологической схемы регенерации с внутренним теплообменом ■ мешает отсутствие теории \ практики создания контактных устройств с совмещением процессе! тепло-.и массообмена .на одной ступени контакта. Основными требованиями, предъявляемыми к контактным устройствам.массообменных аппа-. ратов, являются их высокая эффективность при повышенной производи-

тельности по раствору, низкие знергозатраты на проведение процесса регенерации, низкая металлоемкость конструкции и способность работы на загрязненных средах.

В промышленности встречаются теплообменники, в какой-то мере аналогичные рассматриваемому наш, -но методы расчета теплоотдачи от внешней стенки к газожидкостному барботажному слою практически не разработаны. Не изложен даже общий подход к-получению количественных связей между параметрами, характеризующими гидродинамическую и массообменную обстановку в барботажнсм слое, и интенсив-костью теплоотдачи к нему от внеаних стенок теплообменных трубок.

Поэтому для исследования гидродинамических, массо- и тепло-обменных характеристик на барботажной тарелке с расположенными на ней тешюобменными элементами была создана специальная установка, в которой основным элементом является секцич, состоящая из перфорированной барботажной тарелки с организованным переливом жидкой фазы и уложенных на ней теплообменных трубок . Исследования проводились на системе воздух-вода. Цель экспериментов состояла в установлении основных гидравлических и- массообменных характеристик контактного устройства.

Полное гидравлическое сопротивление ступени контакта состоит кз. суммы сопротивлений "сухой" тарелки и газожидкостного слоя. Гидравлическое сопротивление "сухой" тарелки ДРй для десорбера с внутренним теплообменом склацызается из 2-х составляющих гидравлического сопротивления ситттсго ■ полотна ДРсп';и гидравлического сопротивления трубного пучка ДРтр.л (ДРй - АРсп+ А^тр.п }. Гидравлическое сопротивление ситчатого полотна, определяется по известным формулам. Для расчета гидравлического сопротивления трубного пучка использовали следующую формулу:

Г/)2

ЛРтр.п = 2.ГР.П- --- -Рй-2 , - (1)

тр. п

Где ?. - количество радов труб по высоте пучка; ра - плотность газа, кг/м3;

'^тр.п " свободное сечение трубного пучка м2/м2;

* У- скорость газа в сечении трубного пучка, м/с.

Неизвестным составляющим зтоМ уравнения является только ко-еффйциент сопротивления трубного пучка (ХТр.п)- Для его расчета была экспериментально подучена следующая зависимость:

■р

- 16 -

е.тр.п = 28,4 + 6,33 W*

(2)

Другой, составляющей полного гидравлического сопротивле* ступени контакта.является гидравлическое.сопротивление двухфазнс барботажного слоя. Экспериментально установлено (рис.2), что мере повышения скорости газа- в сечении аппарата гидравличес? сопротивление снижается, в то время как увеличение нагрузки жидкости и высоты переливной перегородки тарелки приводит к е росту. На основании экспериментальных данных для расчета гидраш ческого сопротивления газожидкостного слоя на ступени контакта г лучено следующее выражение: .

¿PG.L = 323,Б -W где W - скорость газа, м/с;

3g(APGL)

0,92 .рО, 42

■ h °-3i fin ,

(3)

плотность орошения,

zs

ÍL-t

2.9

2.1

т

" ТУ — -*

.......ч 4 — —• 0

-ъ 0

0.1

0.1S

C.i

»8

Рис.2. Гидравлическое сопротивление слоя на тарелке при средней высоте переливной планки )1п •= 0,08 м при различной плотности орошения: 1- Г= 6 м3/(м2-ч), 2 - Г = 9 м3/(м2-ч),

3 - Г = 12 ы3/(м2-ч), 4

Г = 17 м3/(м2-ч).

Установлено также, что коэффициент массоотдачи в газовой ае зависит от трех гидродинамических параметров - скорости га плотности орошения и высоты переливной планки. Причем, с повыше ем скорости газа коэффициент массоотдачи на тарелке возрастает,

о

- Г7 -

ростом плотности орозеиия и высоты переливной планки уменьшает-ь Для расчета коэффициента массоотдачи получено следующее урав-зние:

3GF- - 9900 W1, 26 Г~0-324 hn"0'31 . (4)

Исследование коэффициентов теплоотдачи от поверхности тепло-Зменных трубок к газожидкостному слою показало, что предложенное ' зплообменнсе устройство обеспечивает высокую интенсивность тепло Змена. • В исследованном диапазоне работы ступени контакта фаз с эшюобмешшм. трубным• пучком на специально созданной- установке порчены величины общего- коэффициента теплопередачи К равные значении порядка 8380 кДж./м2оСчас. Величина К зависит, главным обра-, ом, от значений и «г . .

Расчёт «1 для течения жидкостей в трубах хорошо списан н ли-ературе и не представляет сложности. Однако зависимостей для рас-эта «2 е барботаяном слое трубчатки нами не найдено. В результате Эработки экспериментальных данных для расчета величин коэффициея-а теплоотдачи «2 было получено -следующее уравнение:

Nujtt = 0,651 -Re«0-55 -РГх0'cs . ^ - - (б)

Работы, проведенные по исследованию гидродинамики,- тепло- и асссбмена на ситчатой тарелке с организованным переливом жидкой азы, имеющей лекальные превышения уровня газожидкостного слоя в one располодения теплообменных элементов, позволили разработать сковные конструктивные и технологические аспекты для регенерации асыщенного абсорбента при использовании принципа совмещения про-ессов тепло- и массобмена.

В главе 4, описана разработанная математическая модель расче-а массо- и теплоабменного аппарата с дискретным контактом фаз, риведен алгоритм и блок-схема расчета. Приведены данные, подтверж-ающие адекватность разработанного метода расчета.

В главе 5 дана сравнительная характеристика эколого-экономи-еской эффективности различных "возвратннх"сп'оссбав очистки газо-ых выбросов; В результате убедительно доказана экономическая зф-«ктивность предлагаемой схемы очистки (рис.3).

В результате проведенных аналитических и экспериментовчьи' >йбот разрэботйны технологические основы для' создания р^-гско--

тненои циклической технологической схемы по очистке технологических и вентиляционных -выбросов от органических растворителей. Для дальнейших разработок "возвратной" системы очистки газов целесообразно принять в качестве абсорбента дизельное топливо, в качестве контактного элемента на стадии абсорбции использовать разработанную гофрированную насадку, а также технологическую схему для регенерации насыщенного абсорбента при совмещении процессов тепло- и массобмена в одном аппарате.

Рис

р!;тзср

.3. Принципиальная циклическая.схемй. очистки газовых

выбросов от органических растворителей: 1- абсорбер; 2 - регенератор; 3 - холодильник регенерированного абсорбента; 4 - йасос регенерированного абсорбента; 5 - холодильник дистиллята; 6 - кипятильник; 7 - насос насыщенного ¡, абсорбента

Следует отметить, что промышленная реализация предложенной схемы регенерации высококилящего. органического абсорбента будет 'первым практическим шагом в осуществлении идеи создания "обратимого" процесса ректификации, или десорбции, то есть .процесса с минимальными затратами тепла. ■

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе по результатам выпэлксшигл экспериментальных и теоретических исследований'разработаны технологически.;.- основы улавливания и последующей утилизации ерга^е^лх ргстворктелог: из те:-;-

дологических и вентиляционных газов с применением циклической схе- ■ мы очистки и совмещения тепло- и массобмена в процессе регенерации, что обеспечивает снижение газовых выбросов, .содержащих пары органических загрязнений в атмосферу, существенно улучшая экологическую обстановку в районе промышленных комплексов и экономические показатели производства.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Реализован принцип рационального использования природных ресурсов путем создания циклической схемы очистки газовых выбросов от органических растворителей, позволяющей вернуть уловленные вещества в технологический процесс.

2. Разработаны технологические предпосылки для создания циклической схемы процесса очистки газовых выбросов от органических растворителей. Предложено и проверено на реальных средах высокоэффективное контактное устройство для процесса абсорбции паров органических веществ, имеющее низкое гидравлическое сопротивление и высокую поверхность массобмена.

3. Экспериментально исследовано выделение из газового потека смеси пяти органических соединений с использованием трех различных абсорбентов: воды, низко- и бысококипящих органических абсорбен- > тов. Доказано, что наиболее перспективно для создания циклического процесса очистки использование специально подобранных бысококипящих органических абсорбентов, не поглощающих воду.

4. Предложена и проверена схема регенерации насыщенного абсорбента с использованием BOA при совмещении процессов тепло- и массопереноса в одном аппарате, в результате чего расход тепла на процесс регенерации снижается на математический порядок. Экспериментально доказана высокая эффективность теплообменника, встроенного в барботажный слой ступени контакта.

Б. Получены зависимости для расчета основных гидродинамических , тепло- и массообменных характеристик ступени контакта фаз регенератора, позволяющие упростить инженерные расчеты данного процесса.

6. Разработала математическая модель расчета тарельчатого регенератора и ее алгоритм.

7. Проведен сравнительный экономический анализ различных "возвратных" способов очистки газовых выбросов в результате которого видно , что с точки зрения окупаемости капиталовложений предлагаемая схема очистки наиболее выгодна.

8. Предложенный тип регенератора и абсорбент прошли опытную проверку на промышленных предприятиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Volodin N.L.Pashkov V.P., Puziriova V.M Cyclic rcetods of purifying gases from organic solvent //International ecological congress, September 22-28, 1996,- Voroneg, Russia.- C.80-81

2. Соколов Э.М..Володин Н.И., Качурин H.M., Пузырева В.М., Мирошина В.В. Переработка органосодержащих отходов //Тез.докл.1-ой "Междунар.конф.по пробл. создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отхо дов горного производства.- Тула, 1996. - С. 122-124.

3. Володин Н.И..Пузырева В.М., Мирошина В.В., Пискарева Т.В. Защита атмосферы от выбросов органических веществ //Тезисы докладе научной конференции "Экология и общественность", ТулГУ.- Тула 1997,- С.78.

4. Володин Н.И., Пузырева В.М., Мирошина В.В. Абсорбенты для улавливания органических веществ //Тезисы доклада' 1-ой Международной конференции но проблемам экологии и безопасности ;глзнедея-тельности, ТулГУ. Тула, 1997. - С.293

6. Володин Н.И., Пузырева В.М., Мирошина В. В.. Очистка газо! от органических растворителей //Известия ТулГУ, Серия:"Экология i безопасность жизнедеятельности". - Тула, 1997. - С.320-326.

6. Володин Н.И., Пузырева В.М., Сороко В.Е. Очистка газов о1! примесей органических растворителей абсорбцией // Жури, прикл.'химии. - 1997. - N 10. - С.1745-1747.

7. Володин Н.И., Пузырева В.М., Сороко В.Е. К вопросу о выделении органических растворителей из насыщенного абсорбента // Нурн. прикл. химии. - 19С7. - N 12. - С.2066-2068.

8. Володин Н.И., Пузырева В.М., Пашков В.II., Чуканов A.B. Защита атмосферы от выбросов органических веществ абсорбционным! методами // Известия ТулГУ, Серия:"Экология и безопасность жизнедеятельности". - Тула, 1998. - C.147-1Ö0. Jhbf__

Тир. /СО экз. За к. ivs J

О [I1C4CUMU в ТулГУ