Дезодорация воздуха в системах жизнеобеспечения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Шпилин Дмитрий Игоревич

• Шпилин Дмитрий Игоревич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Шпилин Дмитрий Игоревич

Условные обозначения

ГЛАВА 1. СОВЕРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ГАЗООЧИСТКИ И ДЕЗОДОРАЦИИ ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1Дезодорация газовоздушных выбросов

1.2 Краткий обзор существующих способов дезодарации воздушных потоков в системах жизнеобеспечения

1.3 Особенности применения абсорбционных методов газоочистки и дезодорации газовоздушных смесей

1.4 Насадочные колонны орошаемого типа

1.4.1 Принцип работы орошаемой колонны с наполнителем

1.4.2 Виды наполнителей

1.5 Анализ методик расчета орошаемых колонн насадочного типа -скрубберов

1.6 Методика определения сопротивления слоя засыпки пористого материала при движении жидкой и газообразной сред

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ ОРОШАЕМОГО ТИПА С НАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

2.1 Оценка влияния смачиваемости пористого материала засыпки на сопротивление течению газожидкостных сред

2.2 Производство полимерной насадки на основе полиэтилена

2.3 Гидродинамический расчет насадочной орошаемой колонны с пористыми полимерным наполнителем, полученным методом пневмоэкструзии

2.4 Математическая модель гидродинамического расчета насадочной колонны орошаемого типа с наполнителем из пористого материала в составе систем очистки дезодорации выбросов

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ДЕЗОДОРАЦИИ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

3.1. Разработка стенда с орошаемым модулем и засыпкой из пористого материала

3.2. Проведение экспериментальных исследований и оценка полученных результатов

3.2.1 Определение аэродинамического сопротивления потоку воздуха, создаваемое слоем пористой насадки

3.2.2 Определение влагоудержания пористой насадки из полимерных материалов

3.3 Разработка стенда и проведение эксперимента на объектах предприятия «ГУП Водоканал» города Санкт-Петербурга

ГЛАВА 4: ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И СИСТЕМЫ ДЕЗОДОРАЦИИ

4.1 Сравнение теоретических и экспериментальных данных с помощью разработанной математической модели

4.2 Сравнительный анализ колонн насадочного типа с полимерной пористой насадкой и насадкой из керамических колец Рашига

4.3 Экономическая эффективность колонн насадочного типа с полимерным пористым наполнителем и наполнителем типа керамических колец Рашига на основе весовых характеристик насадок

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

ВЫВОДЫ

Приложение

Приложение

Приложение

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Условные обозначения

Ар ГПаТ

— - перепад давления на единицу высоты насадки 1—1

м

т - скорость газа

- массовый расход газовой смеси, входящей в скруббер ^С"] Ьн - массовый расход поглотителя, входящего в скруббер | Ск - массовый расход очищенной газовой смеси, выходящей из скруббера| Ьк - массовый расход поглотителя, выходящего из скруббера^С"] G- массовый расход газовой смеси |

Ун - начальная концентрация поглощаемого компонента в воздухе при входе в скруббер^];

Ук - конечная концентрация поглощаемого компонента в воздухе, выходящего из скруббера^];

Ь - массовый расход жидкости

- начальная концентрация поглощаемого компонента в жидкости поглотителя, подаваемой в верхнюю часть скруббера

Хк - конечная концентрация поглощаемого компонента в жидкости поглотителя, вытекающего снизу из скруббера^— ¥ - коэффициент смачиваемости рж - плотность абсорбента^]

иопт - оптимальная плотность орошения р^—|

и - фактическая (рабочая) плотность орошения

И

Эк - диаметр абсорбера [м] Су - массовый расход газа |Кт]

ру - плотность абсорбента [М-] Нн - высота слоя насадки [м]

^ Гкмоль]

иу - мольный расход инертного газа I—с—I

г м3 ]

о - удельная степень орошения насадки 1^7*"] 5св - площадь свободного сечения абсорбера [м2] К - коэффициент массопередачи

кмоль

м'яс*-

кмоль ин.газа-1

ту - число единиц переноса по газовой фазе у - мольный рабочий состав газа [моль] у* - мольный равновесный состав газа [моль] ку - высота единицы переноса, [м]

Дуср- средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе [кПа] F - поверхность массопередачи [м2]

Дрср- средняя движущая сила процесса абсорбции, выраженная через парциальное давление [кПа]

5К - площадь поперечного сечения колонны [м2]

- коэффициент массоотдачи для газа I кмоль I

у Lмz*с*кПаJ

Вх - коэффициент массоотдачи для жидкости I кмоль I

Lмz*с*кПаJ

^ - коэффициент распределения

Ыиу - критерий Нуссельта в газовой фазе

Эу - коэффициент диффузии газа в газе при рабочих условиях

ру - средняя плотность газовой фазы

- эквивалентный диаметр насадки [м]

РГу - критерии Прандтля в газовой фазе Яеу - критерии Рейнольдса в газовой фазе

- наружный диаметр элемента насадки [м] Ц. - свободный объем насадки [м3]

Нр - общая высота перераспределительных разрывов насадки [м] Нк - общая высота колонны [м]

- высота сепарационного пространства над насадкой [м] 2н - расстояние между днищем колонны и насадкой [м]

[Па* с1 —

Ар - разность между давлением воздуха, проходящего через образец, и давлением атмосферного воздуха, [Па]

цу - объемная скорость потока воздуха, проходящего через образец ^^т]

[Па* с1

—I

А - площадь поперечного сечения пористого образца, перпендикулярного к направлению потока воздуха [м2]

[Па* с1

—I

й - толщина образца в направлении потока воздуха [м]

Н

LмJ

и - линейная скорость потока воздуха

аТГ - поверхностное натяжение на границе раздела фаз твёрдое тело - газ аТЖ - поверхностное натяжение на границе раздела фаз твёрдое тело -жидкость

аЖГ - поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость - газ £общ - общий объемный расход жидкости ^^т] Спл - пленочный расход ^^т]

Сф - фильтрационный расход Уф - скорость фильтрации к - коэффициент фильтрации, рж - плотность жидкости [м^

д- ускорение свободного падения Р - давление жидкости [Па]

у - невелировочная высота относительно нижней границы пористой среды [м]

- динамический коэффициент вязкости [Па * с]

Г кгсТ

Уж - удельный вес жидкости I — I

^ - ширина канала свободного для прохода газовой фазы обозначим [м] ^ - динамический коэффициент вязкости воздуха [Па * с]

р - плотность воздуха

d = - гидравлический диаметр плоского канала [м] V - осредненная по ширине канала скорость воздуха

у0 - средняя скорость воздуха относительно поверхности жидкой пленки

Я - коэффициент гидравлического трения

^пов - удельная площадь поверхности кольца насадки [м2]

5пов - площадь поверхности кольца насадки [м2]

ву - объемный расход воздуза [—]

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дезодорация воздуха в системах жизнеобеспечения»

Введение

Актуальность проблемы. Очистка и дезодорация больших объемов атмосферного воздуха являются актуальной задачей для систем жизнеобеспечения современных городов-миллионников, а также промышленных городов. В современных городах одним из факторов, влияющих на ухудшение состояния среды обитания, является загрязнение воздушного бассейна. К основным источникам загрязнения относятся автотранспорт, крупные промышленные предприятия и объекты городского Водоканала. Формирование городских агломераций и одновременно нехватка земель пригодных для строительства жилых домов приводит к тому, что густонаселенный жилой массив приближается к очистным сооружениям, канализационно-насосным станциям, станциям водоотведения и полигонам бытовых отходов. [1, 2, 3, 4, 5]. Так же вопросы загрязняющих веществ, выбрасываемых в воздушный бассейн, остро затрагивают и предприятия городского хозяйства, занимающихся очисткой канализационных стоков. Летучие соединения, которые выбрасываются в окружающую среду, включают целый комплекс различных веществ неорганического и органического происхождения, представляющих опасность для здоровья человека. Кроме того, по мере повышения требований к комфортности проживания в современном городе все больше внимания уделяется не только безопасности воздушной среды, но и присутствию в ней веществ (одорантов), формирующих неприятные запахи даже при концентрациях, не представляющих угрозу для здоровья. К таким дурнопахнущим веществам относятся соединения восстановленной серы (сероводород, легкие меркаптаны), азотосодержащие органические вещества, ароматические углеводороды, органические кислоты, аммиак и др. [6, 7, 8, 9]. Образование сернистых соединений, являющихся основой дурнопахнущих веществ, на

объектах городских водоканалов происходит в жидкой фазе в результате протекания гнилостных процессов. По средствам процесса испарения эти вещества попадают в воздушный бассейн. Проблема выбросов дурнопахнущих веществ тесно связанна с накоплением взрывоопасных, ядовитых газов и биологической коррозией сооружений канализации. Также выделение дурнопахнущих веществ от очистных сооружений при неблагоприятном направлении ветра приводит к появлению жалоб со стороны населения, проживающего в прилегающих районах. [10]

Так же необходимо принять во внимание тот факт, что в 2014 году правительством Российской федерации был принят государственный стандарт, определяющий правила контроля выбросов дурнопахнущих веществ в атмосферу (ГОСТ 32673-2014 Правила установления нормативов и контроля выбросов дурнопахнущих веществ в атмосферу).

Цель и задачи исследования: Разработать математическую модель и методику расчета для проектирования абсорбционных систем дезодорации в системах жизнеобеспечения, с применения пористых материалов, полученных методом пневмоэкструзии, в качестве наполнителя орошаемых колонн.

Достижение поставленной цели потребовало решение следующих задач:

• Проанализировать теоретические и провести экспериментальные исследования насадочных колонн орошаемого типа для дезодорации воздуха с использованием насадки в виде колец на основе полимерных пористых материалов, полученных методом пневмоэкструзии.

• Разработать математическую модель и методику гидродинамического расчета орошаемых колонн с наполнителем из пористого полимерного материала;

• Создать опытные образцы абсорбционных систем дезодорации воздуха и оценка эффективности их работы;

• Внедрить результаты работы на предприятиях соответствующего профиля и в учебном процессе специализированных кафедр;

Научная новизна работы:

Разработаны научные основы создания абсорбционных орошаемых колонн с наполнителем из полимерного пористого материала, для дезодорации воздуха в системах жизнеобеспечения, а именно:

• Предложена методология расчета абсорбционных орошаемых колонн с новым видом наполнителя, позволяющая в первом приближении оценить работоспособность системы дезодорации

• Разработана математическая модель гидродинамического процесса, происходящего в колоннах орошаемого типа в системе дезодорации.

• Получены экспериментальные данные гидродинамического процесса, проходящего в абсорберах с наполнителем из пористого полимерного материала.

Теоретическая ценность работы

Разработанная математическая модель и методика расчета позволят снизить трудозатраты проектировщиков на предпроектном этапе выполнения технического задания. Так же материалы диссертационной работы используются в учебном процессе магистрантов специализированных кафедр.

Практическая ценность работы

Материалы данной работы были использованы при проектировании систем дезодорации воздуха для ГУП «Водоканал» города Сочи, а также при разработки экспериментальных установок дезодорации воздуха для ГУП «Водоканал» города Санкт-Петербург.

Положения, выносимые на защиту

• Разработанная математическая модель и методика расчета орошаемой колонны насадочного типа с применением насадки из пористого пневмоэкструдированного полимерного материала.

• Результаты экспериментального исследования орошаемой колонны насадочного типа с применением насадки из пористого пневмоэкструдированного полимерного материала.

• Результаты анализа эффективности экспериментального образца по разработанной теоретической модели расчета орошаемой колонны насадочного типа с применением насадки из пористого пневмоэкструдированного полимерного материала.

Достоверность теоретических положений, расчетов, экспериментальных данных и выводов

Подтверждается созданием эффективной системы дезодорации для различных промышленных объектов при больших объемах, обрабатываемых газовоздушных смесей и соответствием характеристик этих промышленных объектов техническим заданиям и положительными результатами испытаний

Апробация

Основное содержание диссертации отражено в 6 публикациях, в том числе в 5 журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 в материалах международной конференции.

По результатам работы в период с 2013 по 2017 гг. были представлены и обсуждены доклады на 6 различных конференциях:

• ХКШ научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург 2014 год)

• XLIV научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург 2015 год)

• Конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург 2015 год)

• VII Международной научно-техническая конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург 2015 год)

• IV Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург 2015 год)

• XLVI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург 2017 год)

Внедрение результатов работы. •

• На основе выполненных научных исследований, при непосредственном участии автора, созданы промышленные образцы системы дезодорации.

• Материалы работы были использованы при проектировании систем дезодорации воздуха для ГУП «Водоканал» города Сочи, а также при разработки экспериментальных установок дезодорации воздуха для ГУП «Водоканал» города Санкт-Петербург

• Результаты данных исследований используются в учебном процессе профильных кафедр университета ИТМО

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 69 страниц, 29 таблиц, 63 рисунка, 3 приложения. Список использованной литературы включает 111 наименований работ отечественных авторов.

ГЛАВА 1. СОВЕРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ГАЗООЧИСТКИ И ДЕЗОДОРАЦИИ ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ. ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1Дезодорация газовоздушных выбросов

Дезодорация - это процесс химической, термической или иной деструкции дурнопахнущих веществ, содержащихся в испарениях. При невозможности полной деструкции применяется маскировка на различных объектах городской инфраструктуры (производственных помещениях, жилых домах, систем отведения сточных вод и канализаций и т.д.). Неприятные запахи удаляются при помощи систем вентиляции, озонированием воздуха, распылением дезодоранта, своевременной физической и химической обработкой отходов и нечистот.

Маскировка запаха - способ дезодорации, который подразумевает применение различных аэрозолей и веществ, маскирующий запах. При маскировке запахов следует контролировать концентрацию веществ, до предельно допустимой концентрации.

Полное устранение неприятных запахов - комплекс мер по выявлению источника неприятного запаха и его последующего удаления. Так же, если источник запаха невозможно удалить (например, резервуары сточных вод), то дурнопахнущие вещества отводятся в системы очистки по средствам приточно-вытяжных систем вентиляции.

В данной работе рассмотрен способ частичного удаления дурнопахнущих веществ, при помощи комплексной системы приточно-вытяжной вентиляции с последующей очисткой в орошаемых скрубберах с полимерной пористой насадкой. [11]

1.2 Краткий обзор существующих способов дезодарации воздушных потоков в системах жизнеобеспечения

На данный момент для очистки газовоздушных выбросов используется широкий спектр химических, физикомеханических, физикохимических и биологических методов, частично заменяющих и взаимодополняющих друг друга. К наиболее распространенным из них относятся:

- Адсорбционные методы. Системы адсорбции с использованием активированного угля (непропитанного, либо импригрированного химикатами, в основном (Ыа ОН или К ОН) [12, 13]. Однако из практики стало известно, что непропитанный активированный уголь, обладающий более высокой способностью к поглощению сероводорода, имеет пониженную способность к поглощению органических загрязнений. Альтернативным методом является использование каталитического каменного активированного угля. Принципиальным отличием этого угля является то, что после стадии первичной адсорбции он ускоряет реакцию окисления, но не до элементарной серы, а до серной кислоты. Данное свойство каталитического активированного угля является огромным его преимуществом, так как серная кислота, в отличие от элементарной серы, легко адсорбируется и растворяется в воде. Следовательно, каталитический активированный уголь, истощенный в процессе удаления сероводорода, может быть промыт водой с восстановлением его способности удалять сероводород. Современная адсорбционная технология очистки может быть использована для малых и средних расходов

выбросов. Наиболее распространенными типами адсорбентов являются активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты.

- Биологическая очистка. Основой большинства биологических методов очистки воздуха от сероводородов и прочих источников неприятного запаха, является биохимическая деструкция органических и неорганических загрязняющих веществ микроорганизмами с образованием безвредных и не обладающих запахом веществ. Широко используемым устройством для биологической очистки газовоздушных выбросов является биофильтр, заполненный природным носителем (торф, кора, компост). Для предприятий, перерабатывающих большое количество отходов, использование биофильтров требует значительных площадей, так как среднее время обработки газовоздушной смеси в фильтре составляет (30 - 40) сек. Эксплуатация биофильтров осложняется довольно холодным климатом большинства регионов России [14].

- Абсорбционная очистка. Процесс абсорбции основан на поглощении дурнопахнущих веществ жидкостью - абсорбентом. В качестве абсорбента чаще всего используются растворы гипохлоритов (например, лития) [15, 16] Следует отметить, что абсорбционный способ дезодорации может быть осуществлен в замкнутом цикле. Учитывая низкую концентрацию дурнопахнущих веществ в рабочем объеме, расход дифектанта на их поглощение оказывается не значительным [17, 18, 19].

- Хемосорбционная очистка. Процесс сорбции, при котором поглощаемое вещество и поглотитель (хемосорбент) взаимодействуют химически, в результате чего образуется новое химическое соединение. Сорбенты, применяемые для очистки

воздуха от вредных газов в системах жизнеобеспечения, - это твердые гранулированные или дробленые тела. В изолирующих системах для очистки газодыхательной смеси применяются исключительно хемосорбенты [20, 22, 22, 23].

- Ультрафиолетовая обработка. Применяется при стерилизации и обеззараживании воздуха и воды. Установлено, что ультрафиолет может быть использован для нейтрализации дурнопахнущих веществ [24].

Кроме приведенных методов известны также: электрофильтрационный, озонирование, термокаталитический, плазменный, газофазный, термический и ряд других. Следует отметить, что перечисленные выше методы имеют как преимущества, так и недостатки, поэтому наибольшая степень очистки может быть достигнута в совместном использовании ряда методов выбранных с учетом особенностей объекта, а также набора веществ, подлежащих удалению и объемов очищаемого воздуха.

1.3 Особенности применения абсорбционных методов газоочистки и дезодорации газовоздушных смесей

Газовоздушная смесь, при орошении ею жидкостью, эффективно очищается от частиц, размер которых превышает 3-5 микрон. Частицы с меньшими размерами улавливаются значительно хуже, в силу двух основных причин. Во-первых, меленькие частицы, двигаясь вместе с потоком газовоздушной смеси, не попадают на поверхность жидкости, более того даже с ней не соприкасаются. Во-вторых, рядом с смоченной поверхностью есть

газовоздушный пограничный слой, который частица размером менее 3 микрон не может преодолеть [25, 26, 27, 28].

Если частицы обладают способностью не смачиваться жидкостью (гидрофобностью), то для эффективного их улавливания, такие частицы должны обладать дополнительным запасом кинетической энергии, который позволит преодолеть им силы поверхностного натяжения [29].

На практике, когда требовалась очистка от гидрофобных частиц, для того, увеличивали их смачиваемость путем введения в жидкость специальных поверхностно-активных веществ (ПАВ). На сегодняшний день такой метод не отвечает установленным экологическим требованиям [30, 31, 32]. Ввиду того, что при применении данного способа сточные воды, образующиеся при мокрой очистке, загрязнялись органическими веществами. Сегодня т.

Необходимо обратить внимание на тот факт, что абсорбционная очистка газовоздушных смесей эффективна только тогда, когда увлажнение и охлаждение очищаемой газовоздушной смеси допустимы, а твердые частицы, выделяемые из смеси, не представляют особой ценности. Охлаждение очищаемой газовоздушной смеси до температуры ниже температуры конденсации паров жидкости, присутствующих в этом газе, незначительно увеличивает массу частиц, служащих своего рода точками конденсации, что в большей степени облегчает их улавливание. Также, водяные пары способны конденсироваться на поверхности аппарата в виде холодных каплей. В следствии чего, возникает движение молекул газа, которое помогает частицам вещества перемещаться к каплям. Абсорбционную очистку часто используют для того, чтобы выделить из газавоздушной смеси определенные частицы, имеющие большую ценность.

1.4 Насадочные колонны орошаемого типа.

В конце 20-го века, по мнению специалистов, наиболее заметным явлением в области очистки газовоздушных смесей стало резкое повышение степени очистки этих смесей при помощи орошаемых насадочных колонн по сравнению с колоннами тарельчатого типа. На сегодняшний день общепринято на предпроектной стадии рассматривать возможности использования насадок различных видов для выполнения множества технологических процессов в системах газ (пар) - жидкость [33].

Первые орошаемые колонны с насыпной насадкой нашли свое применение в химической промышленности еще в 20-х годах XIX столетия. До 40-50 г.г. прошлого века расчет основных характеристик таких аппаратов плохо поддавались расчетам и проектированию, также область их применения была существенно ограничена (обработка агрессивных сред, малые диаметры колонн). Масштаб применения орошаемых колонн начал меняться после разработок "открытых" (сквозных) насадок, в которых потоки могут проходить через элементы насадки (кольца Рашига, седловидная насадка, кольца Палля и т.д.). Было обращено самое серьезное внимание на возможность применения таких насадок в больших промышленных колоннах [34, 35, 36].

Насадочные колонны орошаемого типа нашли широкое применение в процессах абсорбции, охлаждения, очистки и увлажнения газов, в редких случаях ректификации.

Рисунок 1.1. Схема насадочной колонны орошаемого типа. На рисунке 1.1 представлена схема орошаемой колонны насадочного типа, на которой представлены основные элементы колонны:

1. Оросительная тарелка

2. Перераспределительное устройство

3. Насадка

4. Корпус

5. Люки

По способу расположения насадки в рабочем области, насадочные колонны могут быть разделены на несколько типов, представленных на рисунке 1.2:

Рисунок 1.2 Типы насадочных колонн. а. - полностью насаженные, б. разделенные на секции; в - частично насаженные.

Высота слоя у колонн с загружаемой в навал насадкой, обычно не более 6 ^ 8 диаметров аппарата тем самым они являются полностью насаженными колоннами.

Если высота слоя насадки больше 6 ^ 8 диаметров аппарата, насадку располагают отдельными слоями (секциями) - разделенные на секции в по высоте колонны. У частично насаженных колонн над слоем насадки образуется значительное свободное пространство, где жидкость реагирует с газовоздушнойсмесью в распыленном состоянии [37, 38, 39, 40].

1.4.1 Принцип работы орошаемой колонны с наполнителем

Дисперсные частицы взаимодействуют с поверхностью жидкости под действием силы тяжести, ударов молекул, инерции и турбулентной пульсации, по средствам которых движутся эти самые частицы.

Наибольшая эффективность очистки газовоздушных смесей в насадочных колоннах достигается при обильном и равномерном орошении насадки жидкостью. В связи с этим, при работе насадочных колонн орошаемого типа различают несколько режимов работы аппаратов:

- Пленочный режим. Данный режим работы насадочной колонны наблюдается при малых скоростях газа (газовоздушных смесей) и малой плотности орошения. При этом подаваемая в аппарат жидкость движется по орошаемой насадке в виде капель и пленки, передвигающихся от одного элемента насадки к другому и т.д. Контакт между газовоздушной смесью и орошающей жидкостью, происходит на границе раздела двух фаз жидкости и газовоздушной смеси. При этом, гаазовоздушная смесь движется непрерывным сплошным потоком, заполняя весь свободный объем насадки. Дисперсной фазой при этом режиме является жидкость, а сплошной фазой — газ. То есть иными словами при пленочном режиме работы жидкость, омываемая газом, стекает по элементам насадки вниз;

- Промежуточный режим работы насадочной колонны возникает при увеличении расхода подаваемой жидкости (тем самым увеличивается плотность орошения) и скорости газа в момент перехода в турбулентный режим. В промежуточном режиме уже

явно выражено сопротивление пара по отношению к подаваемой жидкости. Пленки и струи в этом режиме, взаимодействуя с паром, заставляют его образовывать вихревые потоки, при этом сплошной фазой в этом режиме, также остается газ. При дальнейшем повышения скоростей газа достигается турбулентный режим.

- Турбулентный режим работы насадочной колонны отличается тем, что жидкость в нем достигает скоростей, характерных для турбулентного движения, но течение ее сохраняет пленочно-струйный характер. Турбулентный режим образуется при достижения таких скоростей газа, при которых газовоздушная смесь препятствует стоку жидкости и вызывает подвисание жидкой фазы в насадке. Взаимодействие фаз происходит на поверхности пленки жидкости. Сплошной фазой, в данном режиме, также остается газовая фаза [41, 42, 43].

- Эмульгационный режим работы. Турбулентный режим переходит в следующий - завершающий режим, режим эмульгирования. Эмульгационный режим наиболее эффективный режим работы орошаемой колонны. При достижения данного режима работы насадочной колонны, практически невозможно, определить, какая из фаз является дисперсной, а какая сплошной. Фазы находятся в непрерывном взаимодействии и чередуются ролями в технологическом процессе. Происходит активное перемешивание фаз. Этот режим возникает при высокой плотности орошения и больших скоростях газавоздушной смеси. В обеих фазах, при эмульгационном режиме, возникает множество вихревых потоков. При последующем увеличении скорости газа в определенный момент жидкость перестает стекать вниз и увлекается потоком газоздушной смеси. Происходит процесс, называемый

«захлебыванием» колонны. Жидкость поднимается выше верхнего уровня насадки и выбрасывается из аппарата. Иначе говоря, эмульгационный режим возможен только тогда, когда вся насадочная колонна заполнена жидкостью, а через ее слой барботирует газ между элементами насадки [44, 45, 46, 47, 48, 49, 50]

1.4.2 Виды наполнителей

Существует 2 типа насадки, применяемые в орошаемых колоннах: - Насыпные насадки. Насыпную насадку размещают на колосник (опорную решетку), который должен обладать минимальным гидравлическим сопротивлением и иметь необходимую механическую прочностью для того, чтобы удерживать вес насадки и вес жидкости, находящийся в рабочем объеме колонны. Изготавливают элементы насадки, как правило, из фарфора, керамики или тонколистового металла. В орошаемые колонны насадку необходимо укладывают ровным слоем. В противном случае, образовавшиеся пустоты и щели резко ухудшает эффективность работы колонны. В промышленности наиболее часто применяются кольца Рашига диаметром от 10 до 150 мм. Они дешевы в изготовлении, просты по конструкции и обеспечивают удовлетворительный контакт между жидкостью и газовоздущной смесью. Также в орошаемых колоннах, в качестве засыпки, применяются кольца Палля, основным их отличием от колец Рашига является то, что они имеют отогнутые внутрь язычки. Данные язычки увеличивают пропускную способность газожидкостной смеси, увеличивают площадь контакта жидкости и газовоздушной смеси, уменьшают перепад давления. Седловидная насадка Берля

предпочтительна при работе с продуктами, загрязняющими насадку. Как было замечено ранее, насыпная насадка бывает трех основных видов: кольца Рашига, кольца Палля и седловидная насадка (см. Рис. 1.4)

Рисунок 1.3. Основные виды насыпной насадки. а - кольца Рашига, б - кольца Палля, в - седловидная насадка.

- Хордовые насадки. Хордовые насадки изготавливают из крупных элементов: пластиковых, деревянных, или керамических брусьев, гофрированных листов и сеток. Хордовые насадки обеспечивают удовлетворительный контакт между жидкостью и газовоздушной смесью, при этом, обладая малым гидравлическим сопротивлением. Широкое применение, такие насадки, получили в вакуумных колоннах. Основные виды хордовых насадок представлены на рисунке 1.5 [51, 52].

5) в)

Рисунок 1.4. Основные виды хордовых насадок. а -плоскопараллельная, б - сотовая, в - зигзагообразная. Для эффективной работы насадки, необходимо, чтобы она удовлетворяла следующие основные требования:

1. Насадка должна обладать большой поверхностью в единице объема;

2. Хорошо смачиваться подаваемой в колонну жидкостью;

3. Оказывать минимальное гидравлическое сопротивление газовоздушному потоку;

4. Равномерно рассредотачивать орошающую жидкость;

5. Быть устойчивой к химическому воздействию, подаваемых в колонну жидкости и газвоздушной смеси;

6. Иметь малый удельный вес;

7. Обладать высокой износостойкостью и прочностью;

8. Иметь низкую стоимость.

1.5 Анализ методик расчета орошаемых колонн насадочного

типа - скрубберов

Скруббер (абсорбер) представляет собой колонну, загруженную насадкой. Наличие насадки позволяет значительно увеличить площадь контакта фаз. Как упоминалась выше, к наиболее распространенным насадкам относятся насадки, в виде тонкостенных колец (например, колец Рашига) высотой, равной диаметру кольца. Схема работы скруббера

представлена на рисунке 1.6. Очищаемая газовоздушная смесь подается в нижнюю часть колонны (входной поток - G, Yн). Далее проходит через слой насадки и выводится через верхнее выпускное отверстие (выходной поток - G, Yк). На протяжении всего технологического процесса насадка смачивается. Смачивающая жидкость подается в верней части колонны (входной поток жидкости - L, Хн), удаляется отработанная жидкость из нижней части колонны (выходной поток жидкости - L, Хк).

Ь, Хн

в, Ук

в, Ун

I, Хк

Рисунок 1.5. Схема работы скруббера Основные размеры орошаемых колонн, такие как диаметр и высота определяются путем расчета, исходя из полученного технического задания. Также необходимо принимать во внимание данные по кинетике и статике процесса. Информацию по статике процесса берут из справочных таблиц, определяют с помощью термодинамических параметров или находят опытным путем. Кинетические данные зависят от режима работы аппарата и его типа. В большинстве случаев эти данные отсутствуют и приходится прибегать расчётным и экспериментальным исследованиям. Наиболее надежны данные, получают в результате проведения экспериментов при одинаковых условиях.

В настоящее время существует несколько методов, позволяющих с помощью расчетов определить коэффициент массопередачи, а также на основе лабораторных или модельных экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шпилин Дмитрий Игоревич, 2017 год

(Уд -

где - Уд = - осредненная по расходу скорость воздуха.

96

Запишем полученную зависимость через коэффициент трения Я = — , где

(уа—Ун^Рл^

Де = —-— - число Рейнольдса.

АР=^(уд-УнУ

(2.32)

Дополним уравнения (2.28) и (2.32) условием сплошности на границе раздела сред

6х

х = 8

йх

х = —

2

(2.33)

После дифференцирования уравнениий (2.27) и (2.30) и вычисления

£

производных при X = 8 И Х = - 2 получим

6х

х = 8

= ^ |

2Дг 5 .

йх

£

в*

х = -1 2Н 2

После подстановки этих равенств в (2.33) вычислим скорость движения границы раздела сред

рн А8

2Дг

BBS AS2 VH =--1--.

2Vg

Соотношение расходов жидкости и воздуха, поступающих в абсорбер, должно обеспечивать эффективный гидравлический режим работы насадки. Из рисунка 2.3 видно, что этот режим определяется скоростью потоков на границе раздела сред. При небольших скоростях движения воздуха влияние газового потока на скорость стекания жидкой пленки незначительно. В этом

режиме, который принято называть пленочным, ^^ «0, vH < 0. Увеличение

скорости подаваемого газовоздушного потока приводит к соответствующему увеличению силы трения на границе раздела фаз и снижении скорости движение жидкостной пленки газовым потоком. Отсюда следует, что толщина пленки и количество жидкости, удерживаемой в насадке увеличиваются. В

этом режиме торможения (подвисания) выполняются условия ^^ > 0,vH < 0

(этот режим показан на рис.2.2). Пределом увеличения скорости газа в насадочных колоннах является условие vH > 0 при котором наступает режим уноса, или обращенного движения жидкости, т.е.

^ + ^<0. (2.34)

2Vg V '

Опыт эксплуатации аппаратов газоочистки показывает, что их эффективность в основном определяется энергетическими затратами. В работах [74, 75] предлагается в качестве оценки эффективности использовать зависимость

tj = 1 — ехр(-к1Ек2), где Е - энергетические затраты, к± > 1,к2 > 1 — эмпирические коэффициенты зависящие от конструктивных и технологических характеристик оборудования. Если пренебречь потерями энергии в магистралях и вспомогательном оборудовании, то энергетические затраты в рассматриваемой модели связаны только с преодолением сил трения между стенками, жидкостью и воздухом. Тогда к± = к2 = 1, а энергия тратится

только на сжатие воздуха до давления Р± и подъем жидкости на высоту насадки - Н.

Е = Е(Рг, Н, а, е) = Р^ + НдС1 = ех*т (2.35)

Таким образом гидродинамический расчет сводится к поиску максимума целевой функции (2.35) при выполнении равенств (2.28), (2.31) и условия (2.34). С учетом конструктивных и технологических характеристик абсорбера в расчет могут вводится дополнительные условия и ограничения, например,

НЬ8р1<[М1], Р^И, Н<[Н].

Здесь [дг], [М1], [Р±], [Н] допустимые значения удельного расхода раствора абсорбента, массы жидкости в насадке, давления на входе, высоты насадки соответственно.

Решение оптимизационных задач такого типа проводится эволюционными методами [76, 77] которые исходно ориентированы на поиск глобального экстремума целевой функции. Необходимо учитывать возможность локальных экстремумов, которые близки к глобальному, но существенно отличаются от него по набору варьируемых параметров, поэтому анализ вариантов таких решений необходимо считать обязательным элементом алгоритма решения задачи.

Эффективность полученного решения можно оценить, используя гидродинамическую аналогию переноса массы и импульса [74, 78]. Запишем уравнения сохранения массы и массоотдачи абсорбируемого компонента для элемента поверхности канала dF = 2Ldy .Так как концентрация абсорбируемых газов в системах дезодорации мала, то можно принять что интенсивность массообменного процесса по высоте насадки постоянная, поэтому

] = Ggdy,

] = 0(СЮ - Сн^.

где J - удельный поток абсорбируемого газа к поверхности пленки,

Д- коэффициент массоотдачи, Сот - концентрация абсорбируемого газа в ядре

потока (на оси симметрии канала), Сн - концентрация на границе раздела фаз.

Так как левые части уравнений одинаковы, то

Ggdy = 0(СМ — CH)dF. (2.36)

После интегрирования (2.36) по всей поверхности канала получим

jCq dy =

С1 СЮ_СЯ Gg

где F = 2LH - площадь поверхности канала, Сх - концентрация поглощаемого газа на входе в канал, С0 - концентрация поглощаемого газа на выходе из канала.

Jci См-Сн

В теории массообмена величину N - называют числом единиц переноса. Для газов гидродинамические и диффузионные числа Прандтля близки к единице, поэтому используя гидродинамическую аналогию можно принять Р « у , где у - коэффициент переноса импульса к поверхности канала. Тогда

N = (2.37)

Уравнение баланса сил для газа во всем канале имеет вид

thF = ДР5 , (2.38)

где тн - касательное напряжение на поверхности канала. Касательное напряжение можно определить из уравнения сохранения импульса

-CH = YPg{vgo — vH) , (2.39)

где VgQ - скорость воздуха на оси канала. Из уравнения (2.30) при х = 0 получим

в .

va0 =--+ VH-

д0 8fig Н

Из уравнений (2.38), (2.39) найдем

APS

У =

Fpg{yg0-VHy

После подстановки в (2.37) получим

N = APS = 8 APS^g

GgPg(vg0-VH) BGgPg^2'

Эффективность дезодорации связана с числом единиц переноса выражением [72, 79].

л = £iz£o = ! — ехр(—

В связи с тем, что во время эксперимента использовались несколько типоразмеров насадок, отличающихся не только по размеру, но и по способу укладки, в построении программы использовали численные значения, полученные из экспериментов

При сопоставления данных полученных экспериментально, и полученных по средствам математического моделирования определяется работоспособность данной модели и необходимые поправочные коэффициенты для дальнейшего исследования.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ДЕЗОДОРАЦИИ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

3.1. Разработка стенда с орошаемым модулем и засыпкой из

пористого материала

Для разработки лабораторного экспериментального стенда была, была смоделирована работа насадочной орошаемой колонны. В соответствии с необходимыми рабочими условиями, такими, расход воздуха в колонне, скорость движения воздуха в колонне, расход жидкого абсорбента, были спроектированы и построены главные части стенда и подобрано сопутствующее оборудование [80, 81, 82].

Н - насосная станция Metabo HWW 3000/20 G, пропускная способность 3м3/ч, номинальная мощность 0,9кВт, объем гидробака 24л.

Р - счетчик холодный воды одноструйный с крыльчаткой максимальный расход до 1,5 м3/ч

В рабочей полости колонны жидкость распыляется при помощи форсунки.

Жидкостной резервуар представляет из себя бочку, объемом 0,2 м3.

Вентилятор батутный ВР 3,15 БУ, с потребляемой максимальной мощностью 0,75 кВт, максимальный заявленный расход воздуха 1000 м3/ч

Максимально возможный загружаемый объем насадки определяется конструкцией и равен 0,1м3.

Принцип работы экспериментального стенда следующий:

По средствам нагнетания вентилятором воздух, через гибкий воздуховод попадает в установку, расход подаваемого воздуха регулируется при помощи дроссель - клапана установленного на выходе вентилятора. Газовоздушная смесь проходит сквозь орошаемую жидкостью насадку. На поверхности насадки происходит контакт между жидкостью и воздушным потоком, затем обработанная газовоздушная смесь выбрасывается в помещение (объект). Для предотвращения уноса капель жидкости из стенда был устанавлен каплеуловитель. Количество подаваемой в колонну жидкости устанавливается с помощью двух шаровых вентилей, находящихся на главной и байпасной линиях. Для определения требуемых параметров влагоудержания на емкости с жидкостью предустановлена мерная трубка. Конструкция колонны разработана является быстросъемным, для удобства замены насадки разных типоразмеров и применения разных способов укладки. Также это необходимо для оперативного извлечения насадки, чтобы ее просушить. [83, 84, 85, 86].

Схема экспериментального стенда и фотография данного стенда представлены на рисунках Рис 3.1 и Рис 3.2 соответственно.

Рисунок. 3.1 - схема лабораторного экспериментального стенда

Рисунок 3.2. Фото собранного лабораторного экспериментального стенда

Насадка представляет собой полимерные кольца, имеющие пористую структуру и изготовленные методом пневмо экструзии. В отличии от других материалов (металл, керамика), применяемых при изготовлении насадок в виде колец, они дешевле и легче своих конкурентов [87, 88, 89, 90].

В данной работе рассматриваются следующие размеры колец, применяемые в слое насадке, пористого материала и способы их укладки:

Описание понятия видов насадки используемых в исследовании:

Малая 0,8м - кольца 50х50х5 мм, высота слоя засыпки 0,8м. Количество колец в слое 480 штук. Укладка хаотичная;

Средняя - кольца 75х75х5 мм, высота слоя засыпки 0,8м. Количество колец в слое 160 штук. Укладка хаотичная;

Крупная хаотичная - кольца 100х100х5 мм, высота слоя засыпки 0,8м. Количество колец в слое 85 штук. Укладка хаотичная;

Крупная структурированная - кольца 100х100х5 мм, высота слоя засыпки 0,8м. Количество колец в слое 85 штук. Укладка структурированная горизонтальная;

Каскадная - кольца 50х50х5 - 150 штук, кольца 75х75х5 - 75 штук, кольца 100х100х5 - 30 штук мм, высота слоя засыпки 0,8м. Количество колец в слое 85шт. Укладка хаотичная;

Малая 0,54м - кольца 50х50х5 мм, высота слоя засыпки 0,54м. Количество колец в слое 320 штук. Укладка хаотичная

Малая 0,27м - кольца 50х50х5 мм, высота слоя засыпки 0,54м. Количество колец в слое 160 штук. Укладка хаотичная

Где D - внешний диаметр мм; h - высота мм; s - толщина стенки кольца, мм (рисунок 3.3)

в

О

Рисунок 3.3. Кольцо насадки

Средняя масса колец:

Крупное кольцо - 80 г, среднее кольцо - 55г, малое кольцо 30г

Вес и большая поверхность контакта пористых колец являются главным преимуществом, по сравнению с ближайшим конкурентом, такого как кольца Рашига произведенные из фарфора или керамики. При одинаковых размерах, что и насадка изготовленная из полиэтилена, керамические кольца имеют массу каждого кольца 720, 373 и 80 грамм соответственно. [91, 92]

Необходимо отметить еще один факт, что полимерные кольца, полученные методом пневмоэкструзии, обладают пористой структурой и имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, следовательно, существует возможность производить данные кольца без перфорации необходимой для снижения аэродинамического сопротивления слоя насадки потоку воздуху. [93, 94, 95]

Ниже приведен расчет площади поверхности контакта слоя насадки на единицу объёма:

Насадка, состоящая из набора крупных колец. Далее по тексту, для определения данного вида насадки используется термин - крупная насадка:

Площадь поверхности кольца

5пов = 2лтвнешЛ + 2лтвнугрЛ = 2 * 3,14 * 0,05 * 0,1 + 2 * 3,14 * 0,045 * 0,1 = = 0,06 м2 (3.1)

Объём, занимаемый 1 кольцом

V = пг2к = 3,14 * 0,052 * 0,1 = 0,000785 м3 (3.2)

*20В = (1) 5пов = = 76,4 (м7 з) (3.3)

п0в пов 0,000785 V ' м6) у '

Насадка, состоящая из набора средних колец. Далее по тексту, для определения данного вида насадки используется термин - средняя насадка:

5пов = 2лтвнешЛ + 2лгвнутрЛ. = 2 * 3,14 * 0,035 * 0,07 + 2 * 3,14 * 0,03 * 0,07 = 0,0286 м2 (3.4)

V = пг2к = 3,14 * 0,0352 * 0,07 = 0,000269 м3 (3.5)

*20В = (1) ^пов = = 106,3 (м2/ 3) (3.6)

п0в пов 0,000269 V ' м6) у '

Насадка, состоящая из набора малых колец. Далее по тексту, для определения данного вида насадки используется термин - малая насадка:

5пов = 2лтвнешЛ + 2лгвнутрЛ = 2 * 3,14 * 0,025 * 0,05 + 2 * 3,14 * 0,020 * 0,05 = 0,0141 м2 (3.7)

V = пг2к = 3,14 * 0,0252 * 0,05 = 0,000098 м3 (3.8)

Уд = (!) ^пов = ^^ = 143,8 (м2/ 3) (3.9)

\У/ пов 0,000098 V ' м6) х '

пов \лт, пов 0,000098

Насадка, состоящая из набора крупных, средних и малых колец, уложенных послойно. Далее по тексту, для определения данного вида насадки используется термин - каскадная насадка:

^ = (76'4+10633+143,8) = 108,8 (м2/м3) (3.10)

Объём, занимаемый насадкой, засыпанной высотой слоя 0,8 м, 0,54 м, 0,27 м: 70 8м = 3,14 * 0,22 * 0,8 = 0,1005 (м3) ~ 0,1 (м3) (3.11)

70,54м = 3,14 * 0,22 * 0,54 = 0,0678 (м3) (3.12)

Уо,27М = 3,14 * 0,22 * 0,27 = 0,0339 (м3) (3.13)

Виды насадок представлены на рисунках Рис. 3.4 и Рис 3.5

и \ рр

Рисунок. 3.4. Фото Малая насадка

Рисунок.3.5 Фото Крупная насадка

3.2. Проведение экспериментальных исследований и оценка полученных результатов

Для того, чтобы определить качественные и количественны показатели пористой полимерной насадки, такие как смачиваемость пористой насадки и сопротивление слоя насадки воздушному потоку, был проведен ряд экспериментов.

3.2.1 Определение аэродинамического сопротивления потоку воздуха, создаваемое слоем пористой насадки.

Цель эксперимента: определение сопротивления насадки из полиэтилена воздушному потоку в лабораторном стенде при разных условиях загрузки насадки. Оценка влияния способа укладки насадки на сопротивление системы воздушному потоку.

Условия проведения эксперимента: эксперимент осуществляется на лабораторно-экспериментальном стенде, в котором размещен слой насадка заданной высоты и устанавливается необходимый расход воздуха.

Под понятием «хаотично уложенная насадка» в данной работе подразумевается способ укладки полимерных колец в слое насадке, без соблюдения какой-либо последовательности.

Регулирование напорно-расходных характеристик газовоздушной смеси осуществляется с помощью дроссель-клапана.

Установка необходимого постоянного значения расхода воздуха проводится путем измерения скорости воздушного потока за дроссель-клапаном цифровым дифференциальным манометром ДМЦ-01М. Затем по полученным данным скорости воздуха рассчитывается расход подаваемого воздуха.

После того как установлены необходимые входные данные (расход и скорость воздушного потока), в систему укладывается слой насадки и проводятся ряд замеров перепада давления и скорости потока воздуха. Замеры производятся в точках, указанных на рисунке 3.6. [96, 97, 98, 99, 100, 101]

рис. 3.6 - Схема точек измерений дифференциального давления и скорости воздуха

Входные и выходные экспериментальные данные

• Входные экспериментальные данные: скорость воздуха.

• Выходные экспериментальные данные: перепад давления на насадке.

• Построение зависимостей по результатам эксперимента: перепад

с

давления от расхода воздуха;

• Написание полученных выводов. Расход подаваемого воздуха приведен в таблице 3.1

Расход воздуха, м3/ч Расход воздуха, м3/с

650 0,18

550 0,153

450 0,125

300 0,084

150 0,042

Данные полученные во время эксперимента представлены в таблицах 2.1-2.70 (см. Приложения 2).

Полученные данные занесем в таблицу средних значений удельного сопротивления воздуху и на основе данной таблицы построим график зависимостей удельного сопротивления от расхода воздуха.

Таблица 3.2

Средняя Крупная Крупная горизонт Каскадная Малая высота слоя 0,8 м Малая высота слоя 0,27 м Малая высота слоя 0,54 м

Расход г, Па*с/м3

воздуха а

м3/час

625 12,272 5,736 17,992 13,153 25,267 7,552 12,829

550 10,272 5,03 15,643 11,054 23,06 4,76 9,896

450 8,186 4,238 13,048 9,159 19,2 3,479 8,697

300 3,643 1,5 5,073 3,57 7,25 2,09 4,65

150 1,563 1,206 1,971 0,996 2,741 1,347 2,294

X ш

25

о о. с

о и

О т

и <ъ т

20

15

га х

X

ч

о

.

О)

о

X .0

ш

£

10

Средняя

Крупная

Крупная

горизонт

Каскадная

■Малая высота слоя 0,8 м Малая высота слоя 0,27 м Малая высота слоя 0,54 м

100

200 300 400 500

Расход воздуха G, м3/час

600

700

Рисунок 3.7. Сравнительная характеристика удельного аэродинамическое сопротивление насадок потоку воздуха

Из приведенных данных очевидно, что каскадная насадка имеет меньшее аэродинамическое сопротивление потоку воздуха по отношению к крупной насадки, уложенной горизонтально, и малой насадки высотой слоя 0,8м, а также большую площадь поверхности контакта, в отличии от малой насадки высотой слоя 0,27м и крупной насадки. Из этого, можно сделать заключение, что каскадная насадка, засыпанная хаотичным способом, является оптимальной насадкой для имеющегося аппарата, она имеет большую удельную площадь поверхности контакта фаз и наименьшее, из приведенных способах засыпки насадки, удельное сопротивление потоку воздуха

5

0

0

3.2.2 Определение влагоудержания пористой насадки из полимерных материалов

План эксперимента по определению влагоудержание пористой насадки.

Цель эксперимента: определение влагоудержание пористой насадки при разных условиях загрузки насадки. Оценка влияния влагоудержания на работу системы.

Условия эксперимента: эксперимент осуществлялся на лабораторно-экспериментальном стенде, в который помещен слой насадка определенных типоразмеров и укладки. Выставляются расход воздуха и жидкостного абсорбента, а также фиксируется уровень жидкости в емкости. В соответствии с техническими характеристиками насосной станции максимальный расход жидкости принимается равным 3м3/ч. Установка заданного расхода жидкости производится при помощи регулирующих шаровых вентилей и одноструйного счетчика холодный воды с встроенной крыльчаткой, установленного на основной линии. Максимальный расход, измеряемый счетчиком, определяется из его технических характеристик и равен 1,5м3/ч. В связи с этой особенностью счетчика все измерения будут проводится при расходе жидкости не более 1,5м3/ч. Установка расхода осуществляется до момента, достижения необходимых значений показаний счетчика. Установка расхода жидкости производится при удаленной из системы слоя насадки, в противном случае данные, которые будут получены в ходе осуществления эксперимента, будут недостоверными.

Установка расхода воздушного потока происходит с помощью дроссель-клапана.

После того как установлены необходимые входные данные, такие как расход жидкости и расход воздуха, в систему укладывается слой насадки и проводятся ряд замеров изменения уровня жидкости в емкости (замер проводится с помощью мерной трубки, установленной на емкости с жидкостью. В связи с поэтим, в первом приближении, погрешность при можно определить, как цену одного деления = 1 мм, и соответствующего 0,267 л жидкости = 0,267 *10-3 м3), затем осуществляется пуск насосной станции. Спустя установленное время равное 30 минутам, система выходит на установившийся режим работы, проводится измерение уровня жидкости в емкости. Установив разницу между уровнями жидкости и сопоставив данные на цену одного деления мерной трубки, осуществляется определение количества удерживаемой в насадке жидкости. Затем с помощью вентилятора подается воздушный поток. После выхода системы на установившейся рабочий режим, производятся замеры уровня жидкости. В связи с тем, что установка заданного расхода воздуха при функционирующей системе не влияет на измеряемые показатели, выставляем необходимый расход без остановки системы и повторяем эксперимент.

Необходимо обратить внимание на тот факт, что после осуществления ряда экспериментов на одном типоразмере и способе укладки слоя насадки, ее следует извлечь и полностью высушить, и только после этого проводить дальнейшие эксперименты при новом установленном расходом жидкости.

Для оценки влияние влагоудержания насадки на работу орошаемой колонны, следует провести дополнительные экспериментальные замеры. В каждом эксперименте необходимо замерить давление воздушного потока на входе и на выходе из рабочей области насадки, а также скорость воздушного потока насадки. Подобные замеры необходимо осуществить как с орошением, так и без него, при выключенной насосной станции [102, 103, 104, 105].

Входные и выходные экспериментальные данные

- Входные экспериментальные данные: расход жидкости, расход газовоздушной смеси, уровень жидкости в емкости

- Выходные экспериментальные данные: уровень жидкости в баке.

• Построение зависимостей по результатам эксперимента: зависимость влагоудержания насадки от расхода жидкости при установленных расходах газовоздушной смеси.

• Написание выводов.

Экспериментальные анные, полученные входе исследования, отражены в таблицах 3.1 - 3.7 (см. Приложение 2)

Как упоминалось ранее 1мм на мерной трубке равен 0,267 *10-3 м3 жидкости, исходя из этого был произведен расчет количества жидкости удерживаемой в насадке и полученные данные занесли в таблицы 3.8 - 3.14 (см. Приложение 2)

По полученным расчетным данным были построены зависимости влагоудержания от расхода жидкости

3,5

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Расход жидкости, м3/ч

Крупная хаотичная • Средняя • Малая, 0,8м • Каскадная

Рис.3.8 Зависимость влагоудержания от расхода жидкости при расходе

воздуха = 0 м3/ч

Рис.3.9 Зависимость влагоудержания от расхода жидкости при расходе

воздух = 150 м3/ч

Рис.3.10 Зависимость влагоудержания от расхода жидкости при расходе

воздух = 450 м3/ч

3,5

т ■

о

.. 2,5

1,5

х т

О т О т

Ь 1

I 0,5

0,2

Крупная хаотичная

0,4 0,6 0,8

Расход жидкости, м3/ч

Средняя

Малая, 0,8м

Каскадная

1,2

Рис.3.11 Зависимость влагоудержания от расхода жидкости при расходе

воздух = 650 м3/ч

Анализируя полученные зависимости, можно сделать следующие заключения:

- Чтобы достичь точки полного насыщения жидкостью насадки объемом 0,1м3, необходимо подавать в систему расход жидкости равный 0,6 м3/ч, дальнейшее увеличение расхода жидкости нецелесообразна, ввиду того, что это приведёт к большим капитальным и энергетическим затратам, при этом качество дезодорации повышаться не будет;

- Уменьшение рабочего расхода жидкости ниже значения 0,6 м3/ч, также малоэффективно, так как это способствует уменьшению качества процесса дезодорации.

3

2

0

0

- Проведение последующих экспериментов, необходимых для оценки влияния влагоудержания насадки на гидродинамические характеристики, целесообразно проводить при расходе воды 0,6 м3/ч. С полученными данными можно ознакомиться в таблицах 3.15 - 3.28 (см. Приложение 2).

Ниже приведены расчетные данные количества жидкости, которое может задержаться в насадке объемом 1м3 (см. таблицу 3.9.)

Таблица 3.9

Тип насадки Расход газовоздушной смеси, м3/ч

0 150 450 650

Количество удержанной жидкости, м3/ч

Малая 0,0037 0,0037 0,0040 0,0040

Средняя 0,0027 0,0027 0,0027 0,0030

Крупная, укладка хаотичная 0,0023 0,0023 0,0023 0,0027

Крупная, укладка горизонтальная 0,0027 0,0027 0,0027 0,0030

Каскадная 0,0033 0,0033 0,0033 0,0037

Также были проведены расчеты по определению сопротивления потоку воздуха. Расчет приведен исключительно для каскадной хаотичноуложенной насадки, так как на основании полученных данных, она проявила себя, как наиболее эффективная. Полученные данные отображены в таблицах 3.10 -3.12.

Я=—, (3.22)

Чт>

qv - объемная скорость потока воздуха, проходящего через образец R - аэродинамическое сопротивление продуванию потоком воздуха, л.. = л " (3.23)

-разность давления с двух сторон образца пористого материала - удельное сопротивление продуванию потоком воздуха,

- площадь поперечного сечения воздуховода,

(3.24)

г - удельное сопротивление потоку воздуха,

_ Кг _ й

(3.25)

d - высота измеряемого слоя, м

При расходе воздушной смеси равной 650 м3/ч

Область измерени я Без учета орошения С учетом орошения

** Па*с/ м3 , Па*с/ м г, Па*с/ м2 -а Па*с/ м3 , Па*с/м г, Па*с/ м2

1 120,44 92,204 11,58 1 14,476 121,77 96,951 12,177 15,221

106,08 81,999 10,29 9 12,874 137,45 109,435 13,745 17,181

97,64 76,215 9,573 11,966 148,41 120,572 15,144 18,930

2 102,56 78,515 9,862 12,327 152,19 123,643 15,530 19,412

117,33 89,823 11,28 2 14,102 151,88 122,145 15,341 19,177

109,56 83,874 10,53 5 13,168 141,09 113,467 14,252 17,814

Среднее значение 108,93 5 83,772 10,52 2 13,152 142,132 114,369 14,365 17,956

При расходе воздушной смеси равной 450 м3/ч

Таблица 3.11

Без учета орошения С учетом орошения

Область , г, , Па*с/м г,

измерения ,Па Па*с/ м3 Па*с/ м Па*с/ м2 -,,Па Па*с/ м3 Па*с/ м2

73,27 77,781 9,769 12,212 83,79 86,639 10,882 13,602

1 52,58 55,817 7,011 8,763 67,12 72,216 9,070 11,338

44,94 47,707 5,992 7,490 67,48 77,864 9,780 12,225

52,53 56,518 7,099 8,873 69,85 80,599 10,123 12,654

2 51,47 54,639 6,863 8,578 72,6 82,575 10,371 12,964

53,49 57,551 7,228 9,035 63,35 73,098 9,181 11,476

Среднее значение 54,71 3 58,336 7,327 9,159 70,698 78,832 9,901 12,377

При расходе воздушной смеси равной 150 м3/ч

Область измерени я Без учета орошения С учетом орошения

,Па Па*с/ м3 Па*с/ м г, Па*с/ м2 „Па Па*с/ м3 , Па*с/м г, Па*с/ м2

1 4,25 7,519 0,944 1,181 4,78 15,857 1,992 2,490

4,54 8,033 1,009 1,261 5,68 19,662 2,470 3,087

4,61 8,156 1,024 1,281 5,53 19,143 2,404 3,005

2 3,91 6,918 0,869 1,086 4,66 15,459 1,942 2,427

3,54 6,127 0,770 0,962 5,24 17,383 2,183 2,729

4,03 6,975 0,876 1,095 5,57 18,478 2,321 2,901

Среднее значение 4,147 7,288 0,915 1,144 5,243 17,664 2,219 2,773

• Без орашения С орашением

Рис. 3.12 -Зависимость перепада давления на насадке от расхода

газовоздушной смеси.

140

120

100

80

га

С 60

<и

X 40

т

го 20

0

100

200 300 400 500

Расход воздуха, м3/ч

600

700

Без орашения

С орашением

Рис. 3.13 - Зависимость перепада давления на насадке от расхода

газовоздушной смеси

Проанализировав полученные зависимости можно сделать вывод, что орошенная насадка имеет большее аэродинамическое сопротивлением. Следовательно, выше перепад давления. [106].

3.3 Разработка стенда и проведение эксперимента на объектах предприятия «ГУП Водоканал» города Санкт-Петербурга.

При выборе технологической схемы очистки и дезодорации воздуха необходимо учитывать такие факторы как:

■ объем вентилируемого помещения и требуемая воздухообмена;

■ состав газовыделений и их концентрация;

■ органолептический уровень содержания примесей;

кратность

0

— наличие энергоресурсов;

— требование к выбросам в окружающую среду.

В качестве предполагаемых объектов для внедрения систем по газоочистке и дезодорации воздуха от дурнопахнущих веществ были определены очистные сооружения ГУП Водоканал Санкт-Петербурга. Для решения задач по газоочистке от ДПВ по указанным объектам была предложена трехступенчатая очистка, включающая водную очистку, окисления раствором гипохлорита лития, а также обработку ультрафиолетом. Выполненные предпроектные проработки позволяют считать целесообразным совместить системы очистки воздуха от дурнопахнущих веществ и систем вентиляции в единый технологический комплекс. Технологическая схема представлена на рисунке 3.14 (Рис.3.14).

Рис. 3.14 Технологическая схема дезодорации газовоздушных смесей

В целях экономии энергоресурсов и производственных площадей предлагается до 85% воздуха, после его обработки в системах газоочистки, возвращать в рабочие помещения, тем самым обеспечивая рециркуляцию воздушного потока, остальная часть очищенного воздуха удаляется из помещения и компенсируется приточным наружным воздухом. Для экспериментальной оценки выбранной схемы газоочистки была спроектирована и изготовлена опытная установка в привязке к комплексу обработки осадка на центральной станции аэрации (остров Белый). При разработке опытной установки ставилась задача обеспечить возможность оценки эффективности выбранной технологической схемы газоочистки.

Принцип работы экспериментального узла основан на методе абсорбции дурнопахнущих веществ в воде и гиполхориде натрия, а также последующей обработки ультрафиолетовым излучением. В точке 1а происходит локальный забор воздуха от источника загрязнения, далее воздух поступает на первую ступень газоочистки, где по средствам орошения очищается от крупных включений (пыли), которые абсорбируют в воде (точка 1б). Затем через смоченную насадку, каплеуловитель и воздуховоды воздух поступает на вторую ступень обработке (точка 2а). На второй ступени воздух проходит через смоченную гипохлоридом натрия насадку, вследствие этого происходит очищение от дурнопахнущих веществ (точка 2б). После очищение на второй ступени газоочистного узла, поток воздуха проходит ультрафиолетовую очистку с помощью блока ультрафиолетового облучения, затем очищенный воздух поступает обратно в помещение.

Необходимо отметить, что в ходе выполнения настоящих экспериментов был спроектирован, изготовлен и испытан экспериментальный узел газоочистки. Проведенные испытания показали необходимые работоспособность и эффективность узла газоочистки, которые оценивались специалистами СПБГМА им И.И. Мечникова (см. Приложение 3).

3.4 Проведение мероприятий по дезодарации газовоздушных выбросов на объекте водоканала города Сочи, ОСК «Бзугу»

В 2013 году ГУП «Ленгипроинжпроект» при участии автора, была спроектирована, изготовлена и установлена на предприятии по очистки сточных вод города сочи ОСК «Бзугу» система очистки воздуха от вредных и дурнопахнущих веществ. В основе данной системы был использован способ очистки газвоздушной смеси с помощью многоуровневой системы очистки.

При определении основных источников загрязнения было выявлено, что в процессе очистки сточных вод и обработки осадков сточных вод на ОСК Бзугу образуются газовые выбросы. Газовые выбросы возникают вследствие испарений сточных вод и осадков и проникают они в окружающую среду через открытые поверхности или неплотности оборудования.

На объекте ОСК Бзугу, при помощи специалистов ФГУП "НИИ АТМОСФЕРА" было произведено инвентаризацию газовых выбросов и определил источники выделения загрязняющих веществ от сооружений основного производства: главная насосная станция; здание решеток и песколовок; первичные горизонтальные отстойники; отделение насосов сырого осадка при первичных отстойниках; аэротенки; вторичные горизонтальные отстойники; реагентное хозяйство; здание ультрафиолетового (УФ) облучения: зал ультрафиолетового облучения очищенной сточной воды; вспомогательные помещения здания ультрафиолетового облучения; илоуплотнители; воздуходувная станция; цех обработки осадка: камера смешения осадков; механическое оборудование обезвоживания осадка -центрифуги и др.; реагентное хозяйство; цех сушки осадка: установка сушки осадка; бункер высушенного осадка (гранулята); лабораторный корпус.

Основными загрязнениями являются: - метан; аммиак; смесь природных меркаптанов; сероводород; диоксид серы; фенол; формальдегид; диоксид

азота; углеводороды предельные С1-С5 без метана; углеводороды предельные С6-С10; масло минеральное нефтяное.

Дезодорации подлежат наиболее загрязнённые вентиляционные газовые выбросы ОСК: главная канализационно-насосная станция, помещение решеток, отделение песколовок, первичные горизонтальные отстойники, цех обработки осадка, илоуплотнители, бункер обезвоженного осадка и технологические газовые выбросы установки сушки осадка.

Источники газовых выбросов подразделяются на организованные и неорганизованные. Из выше перечисленных источников, подлежащих очистке, к организованным источникам газовых выбросов относятся: главная канализационно-насосная станция, здание решеток и песколовок, цех обработки осадка, бункер обезвоженного осадка, установки сушки осадка. К источникам неорганизованных газовых выбросов относятся: первичные горизонтальные отстойники, илоуплотнители. Для преобразования неорганизованных выбросов в организованные в проекте газоочистки были предусмотрены мероприятия по локализации и отведению газовых выбросов на газоочистку. С этой целью сооружения и подводящие каналы герметически перекрываются, а из пространства между поверхностью сточных вод и перекрытием принудительно отбираются газовые выбросы на газоочистку. Затем выделяющиеся от оборудования и сооружений вентиляционные газовые выбросы по вытяжным воздуховодам поступают на газоочистку.

Для снижения концентрации загрязнений в газовых выбросах очистных сооружений служит система газоочистки [107, 108]. Исходя из расположения основных источников загрязнений, система газоочистки разделена на 4 газоочистных модуля. Состав модулей определен исходя из газовой нагрузки (м3/час), состава и концентрации загрязнений. Сбор и транспортировка газовоздушной смеси на очистку осуществляется системой вытяжной вентиляции. Система вентиляции обеспечивает пятикратный в час

воздухообмен в помещениях сооружений на предприятии и подачу отводимого воздуха на газоочистку.

Состав и концентрация загрязнений рассчитаны на основании данных НИИ Атмосферы и поставщика оборудования сушки осадка фирмы УОММ (Италия).

Исходя из этого, концентрация загрязнений, поступающих на газоочистку, может быть рассчитана по формуле:

-^-, г/м3 (3.14)

3 5хУСООр/3600 4 7

где:

КЗ - Концентрация вредных и дурнопахнущих веществ, г/м3 МВз - Мгновенные выделения загрязнений, г/сек 5 - Кратность вентиляции, час-1 Усоор - Объем помещения, м3

При объединении газовоздушных выбросов от различных объектов (источников), концентрация загрязнений, поступающих на газоочистку рассчитана по формуле:

^^тМт1' г/м3 (3.15)

¿£=1 ^

где:

Кз - Концентрация загрязнений, г/м3

МВзi - Мгновенные выделения загрязнений, г/сек

- Объем газовоздушной смеси, поступающей от каждого источника,

м3/сек

На данном объекте имеются два основных типа источников загрязнений, подлежащих чистке.

Это выделения от объектов биологической очистки (насосной станции, помещение решеток, отделение песколовок, первичные горизонтальные

отстойники, цех обработки осадка, илоуплотнители, бункер обезвоженного осадка) - первый тип.

Второй тип - выделения от установок сушки осадка.

Выделения от объектов биологической очистки очищаются на трех однотипных газоочистных модулях различной производительности.

Выделения от установок сушки осадка проходят очистку на газоочистном модуле № 4.

Газоочистные модули системы газоочистки Таблица 3.21

Объем