Исследование и разработка приставки для снижения остаточной концентрации паров растворителя в рабочем пространстве машины химической чистки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Пешкова, Анна Алексеевна

• Пешкова, Анна Алексеевна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пешкова, Анна Алексеевна

Введение.

Глава I. ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОТХОДНОСТИ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ ОДЕЖДЫ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ РЕКУПЕРАЦИИ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ.

1.1. Аналитический обзор основных методов рекуперации органических растворителей.

I. 2. Рекуперационные камеры машин химической чистки.

I. 3. Централизованные рекуперационные установки для инженерных сетей предприятий химической чистки.

I. 4. Низкотемпературные приставки рекуперации паров растворителя.

Выводы по главе.

Глава II. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ И ПРОЦЕССА РЕКУПЕРАЦИИ ПАРОВ ХЛОРОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ

II. 1. Структуры газожидкостных смесей.

И. 1. 1. Одиночные пузыри.

II. 1. 2. Барботаж.

II, 1.3. Гидродинамика барботажа.

II. 1. 4. Гидродинамика барботажного адсорбера.

II. 1. 5. Массо- и теплопередача.

II. 1. 6. Массоотдача в газовой фазе.

II. 1. 7. Массоотдача в жидкой фазе.

II. 2. Вертикальное пузырьковое и снарядное течение.

II. 2. 1. Одномерное двухфазное течение.

II. 2. 2. Нестационарное одномерное течение.

II. 2. 3. Модель переменной плотности Бэнкова.

II. 2. 4. Обобщенная модель для скольжения (анализ Зубера и

Финдлея).

II. 2. 5. Вертикальное снарядное течение.

II. 3. Обзор теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена при конденсации паров.

II. 3. 1. Режимы конденсации.

II. 3. 2. Термические сопротивления теплоотдаче при конденсации.

II. 3. 3. Гомогенная конденсация.

II. 3. 4. Зародышеобразование.

II. 3. 5. Межфазное сопротивление.

II. 3. 6. Тепло- и массообмен в газовой фазе.

II. 3. 7. Влияние массоотдачи на теплоотдачу.

II. 3. 8. Кривые конденсации.

II. 3. 9. Пар в присутствии неконденсирующегося газа.

II. 3. 10. Конденсация многокомпонентной системы.

II. 4. Моделирование процесса конденсации многокомпонентной паро-жидкостной смеси.

II. 5. Разработка математической модели барботажного слоя.

II. 5. 1. Определение коэффициента теплоотдачи при барботаже.

II. 5. 2. Моделирование гидродинамики барботажного слоя.

II. 5. 3. Моделирование тепломассообменных процессов в барбо-тажномслое.

II. 6. Разработка математической модели процесса теплообмена в барботажном слое.

II. 7. Разработка математической модели нестационарного процесса проветривания в циркуляционном контуре «МХЧ-приставка».

Выводы по главе.

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ПРИСТАВКЕ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ПАРОВ ХЛОРОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ МАШИН ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ.

III. 1. Оборудование и методы экспериментального исследования процесса рекуперации растворителя в низкотемпературной барботажной приставке.

III. 2. Объект экспериментального исследования.

III. 3. Разработка методики экспериментального исследования приставки.

III. 4. Результаты испытания экспериментального образца приставки.

III. 5. Обработка результатов опытов и основные результаты исследования режимов рекуперации паров растворителя в низкотемпературной барботажной приставке.

Выводы по главе.

Глава IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАЦИИ ХЛОР

СО ДЕРЖАЩИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ.

IV. 1. Анализ оптимальных решений и разработка рекомендаций по проектированию низкотемпературных барботажных приставок.

IV. 2. Определение конструктивных параметров приставки.

IV. 3. Определение эффективности низкотемпературной барботаж-ной конденсации.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка приставки для снижения остаточной концентрации паров растворителя в рабочем пространстве машины химической чистки»

Изменение экологической и экономической ситуации в России и за рубежом является основной причиной пересмотра концепций развития технологического оборудования для предприятий химической чистки, в частности рекупе-рационных установок. В последнее время практически во всех промышленно развитых странах действует жесткое экологическое законодательство [1], в соответствии с которым уровень выброса растворителя в окружающую среду в жидкой, твердой и газообразной фазах определяется величиной предельно допустимой концентрации (ПДК), в большинстве случаев весьма жесткой. Так, в ФРГ и Великобритании ПДК перхлорэтилена в контактных водах машин химической чистки составляет 1 мг/л, в США — 5 мг/л и т.д. По воздуху этот показатель составляет для таких стран, как Австрия, Италия, Великобритания, Бельгия - 100 мг/м3, для Голландии, Дании, Норвегии — 30.35 мг/м3, Финляндии, Франции, ФРГ, США — 50 мг/м3 [80]. В России ПДК паров перхлорэтилена в воздухе составляет 10 мг/м3 (вещество, относящееся к 3 классу опасности).

До недавнего времени, несмотря на достаточно жесткие ПДК, выбросы в окружающую среду никак не лимитировались из-за отсутствия действенного экологического контроля.

В последнее время ситуация меняется по двум причинам: во-первых, в начале 90-х годов были введены и вступили в силу весьма внушительные платежи за предельно допустимые выбросы (ВДВ) и превышение ПДВ, во-вторых, ухудшение экономической ситуации, и ё частности состояния товарно-сырьевого рынка, привели к резкому удорожанию растворителя.

Указанные причины явились достаточным стимулом для совершенствования процессов рекуперации растворителя и их конструктивного оформления.

В данной работе представлены некоторые тенденции развития рекупера-ционной техники в России и за рубежом, отражающие достаточно представительный спектр возможных технологических и технических решений в данной области.

Актуальность темы.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом в эксплуатации находится определенная часть машин химической чистки, имеющих разомкнутый технологический процесс сушки-рекуперации. Это приводит к выбросам паров хлорсодержащих растворителей в окружающую среду.

В России существует парк машин КХ-020, КХ-020А (несколько сотен машин), которые эксплуатируются неэффективно или совсем выведены из эксплуатации из-за недостаточной степени улавливания растворителя в рекупера-ционных установках этой машины, а так же из-за их несоответствия современным экономическим требованиям.

Кроме того, хлорорганические растворители токсичны и обладают кумулятивным эффектом, следовательно, снижение концентрации растворителя в зоне работы обслуживающего персонала повлечет за собой снижение профессиональной заболеваемости.

Таким образом, создаются предпосылки для интеграции машин химической чистки, оснащенных системами для рекуперации и регенерации основных масс растворителя и установок для тонкой очистки хвостовых выбросов машин химической чистки с высокой степенью взаимоувязки всех материальных и энергетических потоков и с единой системой управления и контроля.

Цель работы: Исследование и разработка приставки для снижения остаточной концентрации паров хлорорганических растворителей в рабочем пространстве машины химической чистки одежды. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на эффективность процесса улавливания паров растворителя.

2. Теоретическое обоснование процесса рекуперации паров растворителя в низкотемпературной барботажной приставке.

3. Разработка принципиальной схемы низкотемпературной барботажной приставки и замкнутого циркуляционного контура «машина химической чистки - приставка».

4. Экспериментальное исследование основных закономерностей рекуперации паров растворителя в циркуляционном контуре «машина химической чистки - приставка» и влияния конструктивно-технологических факторов на эффективность процесса рекуперации.

Объект исследования:, Низкотемпературная барботажная приставка, циркуляционный контур «Машина химической чистки - приставка».

Метод исследования: Оптимизация параметров замкнутого контура «машина химической чистки - приставка» проведена с использованием многофакторного планирования эксперимента с применением теории вероятности и математической статистики.

Теоретические разработки выполнены с использованием методов математического моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены методами физического моделирования на лабораторном макете и на действующей модели приставки.

Научная новизна диссертационной работы заключена в следующем: -На основании исследования процесса низкотемпературной барботажной конденсации паровоздушной смеси разработана приставка для снижения остаточной концентрации паров растворителя в рабочем пространстве машины химической чистки. Выявлено, что применение разработанной приставки позволяет снизить остаточную концентрацию паров растворителя в паровоздушной смеси с 130 до 20 мг/м3.

- Разработана методика исследования процесса тепломассообмена при низкотемпературной барботажной конденсации паров растворителя, включающая последовательный анализ модели всплывающего в охлажденном растворителе пузырька паровоздушной смеси и модели замкнутого циркуляционного контура «машина химической чистки - приставка».

- Разработана математическая модель процесса изменения концентрации и температуры паров растворителя в многокомпонентной паровоздушной смеси во всплывающем пузырьке паровоздушной смеси. Температура и паросодержа-ние паровоздушной смеси в пузырьке снижается по мере всплывания пузырька в охлажденном растворителе по экспоненциальной зависимости в интервале изменения начальной температуры паровоздушной смеси 30 - 40 °С, начального паросодержания паровоздушной смеси ОД 4 -г 0,24 кг/кг, температуры растворителя в баке барботажной приставки (-20) - (-10) °С, диаметра отверстий барбо-тажного устройства 1,5 - 2,5 мм и высоты всплытия пузырька 0 -1 м.

- Разработана математическая модель замкнутого контура «машина химической чистки - приставка», позволяющая проследить динамику изменения концентрации паров растворителя в паровоздушной смеси в технологическом режиме проветривания с включением в циркуляционный контур барботажной приставки. Паросодержание и температура паровоздушной смеси в циркуляционном контуре снижается с течением времени процесса проветривания по экспоненциальной зависимости в интервале изменения начальной температуры паровоздушной смеси 30 - 40 °С, начального паросодержания 0,14 - 0,19 кг/кг, температуры растворителя в приставке (-20) - (+5) °С, расхода паровоздушной смеси 0,5 ± 0,2 м3/ч, глубины погружения барботажного устройства 0,2 - 1,0 м.

- Определено, что для достижения заданной (значением ПДК) концентрации паров растворителя (20 мг/м3) в хвостовом выбросе машины химической чистки при сохранении заданной производительности (время проветривания не более 10 мин) оптимальными технологическими параметрами являются: температура растворителя в приставке -10 °С, расход паровоздушной смеси 0,5 м3/ч, глубина погружения барботажного устройства 0,4 м.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Функциональная схема приставки для снижения остаточной концентрации паров растворителя (перхлорэтилена) в рабочем пространстве машины химической чистки.

2. Методика последовательного анализа параметров процесса рекуперации растворителя.

3. Математическая модель тепломассообмена в процессе всплывания пузырька паровоздушной смеси в охлажденном растворителе.

4. Математическая модель тепломассообмена при нестационарном процессе проветривания изделий в машине химической чистки с включением в циркуляционный контур барботажной приставки.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивно-технологических параметров приставки на эффективность процесса рекуперации.

Практическая ценность работы:

Разработана функциональная схема низкотемпературного барботажного конденсатора.

Разработана конструктивная схема циркуляционного контура «машина химической чистки - приставка», предотвращающего выброс паровоздушной смеси с высокой концентрацией растворителя.

Разработаны аналитические зависимости, описывающие влияние основных конструктивно-технологических решений на эффективность процесса рекуперации растворителя.

Определены технологические режимы рекуперации паров растворителя.

Разработана методика определения рациональных параметров процесса рекуперации паров растворителя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Первой научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1994 г.; научно-технической конференции "От фундаментальных исследова

10 ний до практического внедрения в условиях рыночной экономики" Москва, ГАСБУ, 1995 г.; научно-технической конференции "Наука - сервису", Москва, ГАСБУ, 1996 г., и других научно-технических конференциях.

Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 печатных работах.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, 9 приложений и списка литературы, включающего 120 наименований.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Пешкова, Анна Алексеевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. На основании математического моделирования и результатов экспериментального исследования процесса низкотемпературной барботажной конденсации паровоздушной смеси разработана приставка для снижения остаточной концентрации паров растворителя в рабочем пространстве машины химической чистки. Выявлено, что применение разработанной приставки позволяет снизить остаточную концентрацию паров растворителя в паровоздушной смеси с 130 до 20 мг/м3.

2. Разработана методика исследования процесса тепломассообмена при низкотемпературной барботажной конденсации паров растворителя, включающая последовательный анализ модели всплывающего в охлажденном растворителе единичного пузырька паровоздушной смеси и модели замкнутого циркуляционного контура «машина химической чистки - приставка».

3. Разработана математическая модель тепломассообмена в процессе всплывания пузырька паровоздушной смеси в охлажденном растворителе. Показано, что в интервале изменения начальной температуры паровоздушной смеси 30 - 40 °С, начального паросодержания паровоздушной смеси 0,14 ч- 0,24 кг/кг, температуры растворителя в баке барботажной приставки (-20) - (-10) °С, диаметра отверстий барботажного устройства 1,5 - 2,5 мм и глубине погружения барботажного устройства 1 м паросодержание и температура паровоздушной смеси снижаются по мере всплывания пузырька по экспоненциальной зависимости.

4. Разработана математическая модель тепломассообмена при нестационарном процессе проветривания изделий в машине химической чистки с включением в циркуляционный контур барботажной приставки. В результате проведения теоретических расчетов и серии экспериментов установлено, что в интервале изменения начальной температуры паровоздушной смеси 30 - 40 °С, начального паросодержания 0,14 - 0,19 кг/кг, температуры растворителя в приставке (-20) - (+5) °С, расхода паровоздушной смеси 0,5 ± 0,2 м3/ч, глубины по

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пешкова, Анна Алексеевна, 2000 год

1. Бельфер Ф.П. Теория и практика безотходных производств предприятий химической чистки. М.: Легпромбытиздат, 1987.

2. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Кутателадзе С. С. Теплопередача при конденсации и кипении.2-е изд. М.-Л.: Машгиз, 1952.

4. Кутепов А. М., Стерман Л. С., Стюшин Н. Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1983.

5. Е. Н. Камайданов, А. А. Пешкова. "Приставка для снижения концентрации паров растворителя в машине химической чистки". М.: ГАСБУ, 1995.

6. Теплопередача в двухфазном потоке. Под ред. Д. Баттерворса, Г. Хьюитта, Д. А. Лабунцова. М.:Энергия, 1980.

7. Ackerman G, (1937). W,zjrmeubergang und molekulare Stoffbbertrangung im gleichen Feld bei grossen Temperaturen und Paitialdrackdifferenzen. Forschungsheft N 382.

8. Badger W. L., Monrad С. C. and Diamond H. W. (1930). Evaporation of caustic soda, to high concentrations by means of diphenyl vapours. Ind. Eng Chem. 23 (7), 700—7.

9. E. H. Камайданов, А. А. Пешкова. "Методика расчета потерь растворителя в процессе химической чистки одежды". М.: ГАСБУ, 1997.

10. Bell К. J. and Ghaly М. А. (1972). An approximate generalized design method for multicomponent/partial condensers. Am. Inst. Cliem. Engrs. Symp. Ser. 69 (131), 72-9.

11. E. H. Камайданов, А. А. Пешкова. "Разработка математической модели низкотемпературного барботажного конденсатора для рекуперации хлорсодержащих растворителей на предприятиях химической чисткиодежды". М.: ГАСБУ, 1999.

12. Е. Н. Камайданов, А. А. Пешкова. "Исследование процессов снижения концентрации паров перхлорэтилена в рабочем пространстве машины химической чистки". М.: ГАСБУ, 1995.

13. Bromley L. А. (1956). Discussion of paper by Rohsenow (1956). Trains, ASME. 78(8). 1647—8.

14. Chen M. M. (1961). An analytical study of laminar philm condensation: Part I — Flat plate. Trans. A. S. M. E. J. Heat Transfer. 83c(l), 48-54.

15. Chilton Т. H. and Colburn A. P. (1934). Mass transfer (absorption) coefficients. Ind. Engng. Chem. 26, 1183.

16. Colburn A. P. (1933). A method of correlating forced convection heat-transfer data and comparison with fluid friction. Trans. Am. Inst. Chem. Engrs. 29, 174—209.

17. Colburn A. P. (1934). Notes on the calculation of condensation when a portion of the condensate layer is in turbulent motion. Trans. Am. Inst. Chem. Engrs. 30, 1873.

18. Colburn A. P. and Drew Т. B. (1937). The condensntion of mixed vapours. Trails. Am. Inst. Chem. Engrs. 33, 197—215.

19. Colburn A. P. and Hougen 0. A. (1934). Design of cooler condens.ers for mixture of vapours with non condensing gases. Ind. Engng. CHem. 26,1178—82.

20. Danel F. and Delhaye J. M. (1971). Optical method for the measurement of local voids in two phase flow. Mesures, 99-101, Aug. Sept.

21. Davies C. N. (1966). Deposition of aerosols from turbulent flow through pines. Proc. R. Soc. Ser. A. 289, 235-^6.

22. Delhaue J. M. and Chevrier C. (1966) The use of resistivity probes for the measurement of local voids fraction in two-phase flow. Center d'Etudes nucleates de Grenoble Rep N S. E. N. TT-70.

23. Drew Т. B. (1938). Personal communication quoted by McAdams W. H. (1954), Heat transmission (3rd edn.). McGraw-Hill, New York.

24. Dukler A. E. (1960). Fluid mechanics and heat transfer in vertical falling film systems. Chem. Engng. Prog. Symp. Ser. 56 (30). 1—10.

25. Friedlander S. K. and Johnstone H. F. (1957). Deposition of suspended particles from turbulent gas streams. Ind. Engng. Chem. 49,1151-6.

26. Fujii Т., Uehara H. and Oda K. (1972). Filmwise condensation on a sufrace with uniform heat and body force convection, Heat Trinsfer Jap. Kes. N 4, 76—83.

27. Hutchinson P., Hewitt G. F, and Dukler A. E. (1971). Deposition of liquid or solid dispersions from turbulent gas streams: A stochastic model. Chem. Engng. Sci. 26, 319-39.

28. Kinney R. B. and Sparrow E. M. (1970). Turbulent flow, heat transfer and mass transfer in a tube with surface suction. J. Heat Transfer 92,117-25.

29. А. А. Пешкова. "Исследование методов контроля концентрации паров перхлорэтилена при работе машины химической чистки". М.: ГАСБУ, 1995.

30. Lee J. (1964). Turbulent film condensation. Am. Inst. Chem. Engng. J. 10(4), 540—4.

31. Leslie D. C. (1973). Analytical treatment of turbulent pipe flow with wall suction. J. Br. Nucl. Energy Soc. 12, 323—8.

32. Malnes D. (1966). Slip racion and friction factors in the bubble flow regime in vertical tubes. Rep. N KR-110. Inst. Atomenergie, Kgeller, Norway.

33. Meyrial P. M„ Morin M. M., Wilcox S. J. andRohsenow W. M. (1970). Effect of precision of measurement on reported condensation coefficients for liquid metals-including condensation data on a horizontal surface. Int. Heat Transfer Conf., paper C5 1.1.

34. Mickley H. S., Ross R. C., Squyers A. L. and Stewart W. E. (1954). Heat, mass and momentum transfer for flow over a flat plate with blowing or suction. National Advisory Committee for Aeronautics Rep. N NACA—TN— 3208.

35. Miller N. and Mitchie R. E. (1970). Measurement of local voidage in liquid gas two phase flow sistems using a universal probe. J. Br. Nucl. Energy Soc. 9,94-100.

36. Mills A. F. and Seban R. A. (1967). The condensation coefficient for water. Int. J. Heat Mass Transfer 10, 1815—27.

37. Nusselt W. (1916). Surface condensation of water vapour Z. Ver. dt. lug. 60(27), 5-11-546: 60(26), 509—75.

38. А. А. Пешкова. "Управление процессом сушки-проветривания методом контроля концентрации паров перхлорэтилена в рабочем пространстве машины химической чистки". М.: ГАСБУ, 1996.

39. Rohsenow W. М. (1956). Heat transfer and temperature distribution in laminar—film condensation. Trans. A. S. M. E. 78(8), 1645—8.

40. Rouhani Z. (1974). Effect on wall friction and vortex generstion on radial distribution-the wall-vortex effect. European Two Phase Flow Group Meeting, Harwell, June 1974, paper B6.

41. Serisawa A. (1974). Fluid dynamic characteristyc of two-phase flow. Ph. D. Thesis, Kyoto University.

42. Silver L. (1947). Gas cooling with aqueous condensation. Trans. Instn. Chem Engrs. 25, 30—42.

43. Wallis G. B. (1968). Use of the Reynolds flux concept for analysing one— dimesional two phase flow. Part I. Derivation and verification of basic analytical technique Int. J. Heat Mass Transfer 11, 445—58.

44. Wallis G. B. (1969). One-dimensional two—phase flow. MeGraw—Hill, New York.

45. E. H. Камайданов, А. А. Пешкова. "Исследование структуры жидкостных смесей в процессе низкотемпературного барботажа". М.: ГАСБУ, 1997.

46. Van Der Walt J. and Kroner D. G. (1972). Heat transfer during film con-drnsatoin of saturated and superheated Freon-12. Prog. Heat Mass Transfer 6,47