Повышение эффективности систем регенерации воздуха для изолированных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Долговская Ольга Владимировна

• Долговская Ольга Владимировна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Долговская Ольга Владимировна

Реферат

Sinopsis

Введение

ГЛАВА 1. Абсорбционные технологии очистки воздуха в системах

жизнеобеспечения

1.1 Основные процессы абсорбционных технологии

1.2 Классификация методов абсорбционного разделения

1.3 Массообменные контактные устройства

1.4 Классификация и конструктивные особенности насадочных контактных устройств

1.5 Моделирование гидродинамической структуры потоков

1.6 Герметичные объекты как область применения систем

регенерации

ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования режимов работы

абсорберов

2.1 Исходные данные для экспериментальных исследований

2.1.1 Выбор рабочего вещества поглотителя

2.1.2 Расчет количества поглотителя

2.2 Схемное решение абсорбера и типы насадок

2.3 Методика экспериментальных исследований

2.3.1 Цель и задачи исследования

2.3.2 Организация последовательности экспериментальных исследований

2.4 Экспериментальный стенд

2.5 Исследование эффективности насадок и оросителей

в стационарном режиме

2.6 Исследование эффективности аппаратов

в нестационарном режиме

2.7 Исследование зависимости эффективности работы абсорбера

от концентрации CO2 в ГВС на входе

2.8 Обоснование эффективной конструкции оросителя

2.9 Зависимость эффективности работы абсорбера от расхода

жидкости орошения

2.10 Зависимость эффективности работы абсорбера от концентрации активного компонента жидкости орошения

2.11 Расчет удельных энергозатрат экспериментального образца

2.11.1 Удельные энергозатраты при использовании LiOH

2.11.2 Удельные энергозатраты при использовании NaOH

2.12 Выводы по результатам экспериментальных исследований

ГЛАВА 3. Математическое моделирование процессов массопереноса

в насадочном абсорбере

3.1 Основы расчета процессов абсорбции

3.1.1 Равновесные процессы при абсорбции

3.1.2 Материальный баланс процесса абсорбции

3.2 Гидродинамические режимы работы абсорберов

3.3 Инженерный расчет насадочного абсорбера

3.4 Математическое моделирование массопереноса в абсорбере

с многослойной насадкой

Заключение

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Публикации по теме диссертации

Publications on the topic of the Thesis

Реферат

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Освоение людьми экстремальной среды обитания с использованием герметичных устройств и приспособлений началось с подводных погружений более трех тысячелетий назад. Порог времени в один час пребывания под водой был преодолен в начале ХУШ века, благодаря применению надводных и подводных средств для дыхания. В этот период были созданы первые модели подводных лодок и водолазных скафандров.

Прогресс в создании подводных герметичных объектов в течение последующих трех столетий характеризует переход от освоения к полномасштабному использованию подводного пространства. Для этого периода характерно бурное развитие средств жизнеобеспечения, что обеспечило длительное пребывание изолированных аппаратах.

Развитие исследований и разработок систем жизнеобеспечения прошло путь от устройств на запасах расходных компонентов до сложных установок регенерационных комплексов. В процессе освоения глубин мирового океана и космического пространства происходит рост длительности нахождения человека в герметичном объеме подводных и космических аппаратов.

Этапы приспособления человека к среде обитания различают явления компенсации (преадаптации) и собственно адаптации. Поскольку адаптационные возможности организма ограничены, нарушается динамическое равновесие в системе «организм - среда обитания», что отражается на здоровье и работоспособности. Данная проблема особенно актуальна при обеспечении длительного пребывания в искусственной среде, что характерно для герметичных объектов.

Таким образом, одной из самых существенных проблем в функционировании систем жизнеобеспечения в герметичных объектах является управление качеством воздуха для обеспечения безопасной среды обитания людей в условиях полной изоляции от земной атмосферы.

Степень разработанности

В связи с высокой актуальностью данной проблемы, исследованиями в области процессов и систем газоочистки занимался ряд отечественных и зарубежных ученых. В.М. Раммом разработаны основы теории абсорбции газов. Ю.В. Аксельродом и В.В. Дильманом разработаны математические модели процессов противоточной абсорбции, с учетом распределения концентрации по высоте массообменного аппарата. Теория гидродинамики в газожидкостных системах описана в трудах С.С. Кутателадзе и М.А. Стыриковича. Ю.И. Дытнерским обобщены основы проектирования установок для проведения типовых массообменных процессов. Основные принципы расчета массообменного оборудования, применяемого для проведения различных химико-технологических процессов, описаны в трудах Т. Шервуда, Р. Пикфорда и Ч. Уилки. Описанию процессов течения вязкой жидкости, энергии, теплового потока, и потока смеси реагентов посвящены работы Р. Берда, В. Стюарта и Е. Лайтфута.

В то же время, применение новых материалов и конструктивных решений насадочных устройств в современных абсорбционных массообменных аппаратах приводит к необходимости дополнительных исследований их эффективности для применения в условиях замкнутых объектов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности систем регенерации воздуха для изолированных объектов»

Цель работы

Целью работы является повышение эффективности процессов поглощения диоксида углерода и производительности абсорбера, в зависимости

от различных типов абсорбентов и насадочных элементов при разных рабочих параметрах системы регенерации.

Задачи работы

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- спроектировать и изготовить макетный образец системы регенерации воздуха, состоящий из генератора кислорода и насадочного орошаемого абсорбера СО2;

- провести экспериментальные исследования с различными абсорбентами при их разной концентрации и с различными насадочными элементами, и способами их укладки;

- разработать математическую модель режимов течения и массообмена в абсорбере с новыми типами насадочных элементов;

- усовершенствовать методику гидродинамического расчета орошаемых абсорберов на базе разработанной математической модели;

- выполнить оценку энергетических затрат для абсорбционного способа поглощения СО2;

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы, заключается в разработке математической модели расчета гидродинамических и массообменных процессов, протекающих в рабочей части абсорберов диоксида углерода с новыми типами и технологией укладки насадок. Практическая значимость заключается в разработке и изготовлении макетного образца системы регенерации воздуха для герметичных изолированных объектов. Разработаны рекомендации производителям по проектированию абсорберов диоксида углерода в системах регенерации воздуха для герметичных изолированных

объектов. Усовершенствована методика инженерных расчетов абсорберов поглощения СО2.

Научная новизна работы

Научная новизна заключается:

- в получении новых данных об эффективности работы абсорбера диоксида углерода в системах регенерации воздуха в различных режимах, с различными абсорбентами, на основе результатов натурного и численного экспериментов;

- в разработке математических моделей расчета гидродинамических и массообменных процессов, протекающих в рабочей части абсорберов СО2 с новыми видами насадочных элементов;

- в усовершенствовании методов инженерного расчета абсорбционных аппаратов на начальном этапе проектирования;

- в обосновании предложенных технических и технологических решений для повышения эффективности процессов поглощения диоксида углерода.

Положения, выносимые на защиту

Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснованные рекомендации по выбору материала и технологии укладки насадочных элементов для широкого диапазона режимов работы в абсорционных аппаратах.

2. Данные о влиянии основных параметров, таких как расход жидкости орошения, расход газовоздушной смеси и концентрации в ней диоксида углерода, на эффективность абсорбционных аппаратов.

3. Обоснование оптимальных диапазонов концентрации жидкости орошения для основных активных компонентов.

4. Эффективные каналы управления системой газоочистки при повышении и понижении производительности, а также при аварийных ситуациях.

5. Математическая модель гидродинамических процессов в насадке абсорбера, основанная на методе эквивалентных каналов.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается применением аналитических и численных методов анализа, вычислительных и физических экспериментов, сравнительным анализом полученных результатов с данными, опубликованными в научно-технической литературе.

Внедрение результатов работы

Результаты работы внедрены на предприятиях ООО «ТВЭЛЛ». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе образовательной программы магистратуры «Проектирование тепломассообменного оборудования и систем жизнеобеспечения» Университета ИТМО.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы обсуждались и докладывались

на:

• XLVI научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 31 января - 3 февраля 2017 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

• VIII международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 15 - 17 ноября 2017 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

• VIII международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» 26 февраля -2 марта 2018 г., ОмГТУ, Омск;

• XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 30 января - 2 февраля 2018 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

• XLVIII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 29 января - 1 февраля 2019 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

• IX международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» 26 - 28 февраля 2019 г., ОмГТУ, Омск;

• IX международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 13 - 15 ноября 2019 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

• XLIX научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 29 января - 1 февраля 2020 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе в международной базе Scopus - 2, в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень, рекомендованных ВАК - 5, в других изданиях - 4.

Объем и структура

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 131 страницах и содержит 41 рисунок и 19 таблиц. Список литературы составляет 97 наименований работ отечественных и иностранных авторов.

Основное содержание работы

Абсорбционные способы очистки газовоздушных смесей разделяются по таким признакам, как: абсорбируемый компонент и тип абсорбента; конструктивное оформление абсорбционной аппаратуры; схемы движения газовоздушной смеси; использование абсорбента и улавливаемых компонентов; организация процесса.

Технология сочетания процессов абсорбции и десорбции позволяет организовать процесс в замкнутом контуре без потерь активного вещества с выделением поглощенного компонента. Эффективность процесса массопереноса при абсорбции зависит от направления относительного движения фаз и структуры потоков. По направлению взаимного перемещения жидкой и пылегазовой фаз различают: прямоточное, противоточное и перекрестноточное движение. В промышленной очистке воздуха от примесей чаще всего используется противоточная схема движения фаз.

В химической, нефтехимической, пищевой промышленности и в системах жизнеобеспечения широко применяются массообменные аппараты с использованием насадочных и тарельчатых контактных устройств. В данных массообменных аппаратах реализуются процессы теплообмена, экстракции, ректификации и абсорбции, протекающие при непосредственном контакте фаз. Основными технологическими требованиями к насадочным контактным устройствам являются следующие: высокая эффективность по процессу массообмена, высокая пропускная способность по расходу контактирующих сред, низкое гидравлическое сопротивление. Данные требования возможно обеспечить за счет высокой доли свободного объема и развитой геометрической поверхности. При этом конструкцией аппарата должно быть обеспечено максимальное омывание поверхностей массообмена контактирующими потоками.

В связи с лучшими, в ряде случаев, технико-экономическими показателями аппаратов с насадками наблюдается устойчивая тенденция роста

интереса к такого типа абсорберам. Основными параметрами, характеризующими геометрию насадок, являются свободный объем, объемная плотность и удельная поверхность. К показателям, характеризующим эффективность насадки, относятся гидродинамическое сопротивление движению потока обрабатываемого газа, высокая смачиваемость поверхности насадки, равномерность движения газового потока в поперечных сечениях аппарата, обновляемость поверхности контакта фаз, отсутствие или минимальные показатели уноса активного вещества потоком газа, сохранение высокой эффективности при изменении расходов контактирующих потоков в широком диапазоне, устойчивость к механическим воздействиям и долговечность.

Существует два типа герметичных объектов, различающихся по условиям взаимодействия с окружающей средой (рисунок 1).

Рисунок 1 - Классификация герметичных объектов

К первому типу относятся условно герметичные объекты, окруженные атмосферой, взаимодействие с которой осуществляется через фильтры (убежища гражданской обороны, командные пункты, подвижная техника и т.п.). Вокруг второго типа объектов атмосфера в привычном понимании этого

слова отсутствует. К объектам, находящимся вне атмосферы и требующим средств жизнеобеспечения, относятся подводные и обитаемые космические объекты. Состав газовоздушной среды данных объектов принципиально отличается от наземных и подземных объектов, связанных с атмосферой через фильтр.

Веществами, легко связывающими диоксид углерода, являются оксиды, озониды и гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Оксиды, а тем более озониды, в данной работе не рассматриваются из-за их бурной реакции с водой. Наиболее распространенными гидроксидами металлов являются LiOH (молекулярный вес 23,94), №ОН (39,99), КОН (56,10) и Са(ОН)2 (74,08). Из уравнений химических реакций следует, что для поглощения одной молекулы углекислого газа необходимо две молекулы гидроксида лития или гидроксида натрия и гидроксида калия, но одна молекула гидроксида кальция.

С точки зрения технологичности и высокой поглотительной способности, для удаления СО2 наиболее эффективным является раствор гидроксида лития LiOH. Основным технологическим преимуществом является возможность фильтрации продукта реакции, а именно карбоната лития, нерастворимого в воде, механическими фильтрами на линии системы подачи жидкости орошения. Поглощающая способность раствора гидроксида лития превосходит остальные исследованные реагенты. Однако необходимо учитывать, что данное вещество имеет высокий класс опасности для здоровья человека и характеризуется необходимостью в дополнительной системе разбавления концентрата до концентрации жидкости орошения.

Одним из технических решений аппаратного обеспечения процесса поглощения углекислого газа щелочными растворами является абсорбер противоточный насадочного типа.

Параметры, характеризующие кинетику процесса, в большей степени зависят от конструкции и режима работы аппарата. Наиболее надежными

следует считать опытные данные, полученные по результатам экспериментов в одних и тех же условиях.

Основой теоретического расчета абсорбер является уравнение материального баланса для потоков, имеющего вид

Ои + ^ - Ок + Ьк

(1)

где:

Ои - расход газовой смеси на входе в абсорбер; Ьи - расход поглотителя на входе в абсорбер; Ок - расход очищенной газовой смеси на выходе из абсорбера; Ьк - расход поглотителя на выходе из абсорбера.

Схематично функционирование данного аппарата (абсорбера) приведено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схемное решение абсорбера

Материальный баланс по распределяемому компоненту описывается уравнением вида

М = О(¥и - Ук) = Ь(Хк - Хи)

(2)

где: G - массовый расход газовой смеси,

YH - начальная концентрация поглощаемого компонента в воздухе при входе в абсорбер,

YK - конечная концентрация поглощаемого компонента в воздухе, выходящего из абсорбера,

L - массовый расход жидкости поглотителя,

XK - конечная концентрация поглощаемого компонента в жидкости поглотителя, вытекающего снизу из абсорбера,

XH - начальная концентрация поглощаемого компонента в жидкости поглотителя, подаваемой в верхнюю часть абсорбера.

Для экспериментальных исследований выбраны следующие материалы и формы насадок. Полипропиленовый материал производства ООО «ФФМК» в виде колец, нарезанных из трубы диаметром 140 мм и толщиной стенки 5 мм, высота колец - 35 мм (насадка № 1). Формованный полипропиленовый лист из листа шириной 170 мм в виде «бантов» (насадка № 2). Полипропиленовые кольца диаметром 55 мм и высотой 60 мм (насадка № 3). Насадки № 4 и № 5 из аналога материала «MATALA» (производство ООО «КАЛАН») в виде плоских листов из переплетенных полимерных волокон. Благодаря такой форме, аналог материала «MATALA» обладает развитым трехмерным распределением и большим свободным объемом до 94 % (рисунок 3).

Рисунок 3 - Внешний вид аналога материала «MATALA»

Для исследований в разрабатываемом макете абсорбера выбраны следующие схемы насадки с применением аналога материала «MATALA».

Насадка № 4 представляет собой комбинацию следующих слоев.

Слой 1 - диск диаметром 140 мм и толщиной 40 мм с удельной площадью

2 3

поверхности 150 м /м ; слой 2 - аналог слоя 1; слой 3 - диск диаметром 140 мм

2 3

и толщиной 35 мм с удельной площадью поверхности 190 м /м ; слои 4-6 -аналоги слоя 3; слои 7-8 - аналоги слоя 1; слои 9-12 - аналоги слоя 3.

Насадка № 5 представляет собой комбинацию следующих слоев.

Слои 1, 3, 5, 7 - диски диаметром 440 мм и толщиной 40 мм с удельной

23

площадью поверхности 150 м /м ; слои 2, 4, 6 - кусковая нарезка аналога материала «MATALA» черная.

Целью экспериментальной части работы являлось исследование эффективности процесса поглощения диоксида углерода и производительности абсорбера от различных видов и конфигураций его элементов при различных параметрах работы системы для выбора оптимальной конфигурации, режимов работы и наиболее эффективных видов элементов для реализации в опытном образце системы регенерации воздуха.

Методологически экспериментальная отработка технических решений и технологических процессов макетных образцов абсорбера включала следующие основные этапы:

o обоснование наиболее эффективных конструктивных решений насадки и оросителя с применением в качестве рабочего вещества гидроксида натрия (NaOH);

o в широком диапазоне его концентрации при различных концентрациях диоксида углерода (СО2) на входе в аппарат;

o исследование эффективности абсорбера в функции от времени; исследование эффективности абсорбера в функции от расхода рабочей жидкости;

o исследование эффективности абсорбера с применением, в качестве рабочего вещества, гидроксида лития (LiOH) в широком диапазоне

концентрации диоксида углерода (СО2) на входе в аппарат, сравнительные исследования эффективности рабочих веществ NaOH и LiOH в широком диапазоне концентрации диоксида углерода (СО2) на входе в аппарат.

Основные технические и технологические параметры исследуемых образцов абсорберов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические и технологические параметры исследуемых образцов

абсорберов

№ п/п Абсорбер Жидкость орошения Газовоздушная смесь

Габариты, диаметрх высота, мм Насадка, № Ороситель, кол-во форсун ок Рабочее вещество Конц ентра ция, % Расход, м3/ч Концентрация СО2 на входе, % Расход, м3/ч

1. 440x650 4 31 №ОИ 4 1,68 0,318 240

2. 5 37 1,62 0,302

3. 3 0,24 0,481; 0,306 300

4. 2 10 1,92 0,330

5. 1-5 15 1,2-3,06 Уаг 240

6. 440x1000 1 16 №ОИ 0,7 Уаг 0,310 240

7. 2 2,16 0,293

8. 0,493

9. 10 0,281

10. - 37 0,268

11. 3 1,32 Уаг

12. 5 90 15 Уаг 0,302 424

13. 50 417

14. 415

15. 2,04 - 1,17 Уаг 396 - 375

16. Уаг 3,0 0,302 417

17. ПОИ 2,5 Уаг 0,302 418

18. 3,0 Уаг 420

19. Уаг 0,302 417

Схема экспериментальной установки для исследования процессов абсорбции диоксида углерода в абсорбере насадочного типа приведена на рисунке 4.

/ I ВЙДУК

и I ^

81

I

0

Е-

Вода

РР1

Н1

РОР 1

Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки

На схеме обозначено: Е1 - емкость хранения концентрированного реагента; НД1 - дозаторный насос; РР1 - резервуар раствора; Н1 - насос подачи реагента на орошение; НК1 - насадочная колонна (абсорбер); В1 -вентилятор, РОР1 - резервуар отработанного раствора.

Концентрированный раствор реагента хранится в емкости Е1. Из емкости Е1 концентрированный раствор реагента дозаторным насосом НД1 подается в резервуар раствора. Туда же из магистрали подается техническая вода. Из резервуара раствора насосом Н1 раствор реагента подается на орошение в насадочный абсорбер НК1. Вентилятором В1 воздух подается на обработку в абсорбер. После обработки воздух возвращается в помещение. После абсорбера раствор реагента возвращается в резервуар.

На первом этапе выполнены исследования эффективности насадок и оросителей в стационарном режиме с рабочим веществом гидроксидом натрия (№ОН) при различных концентрациях рабочего вещества и диоксида углерода на входе. Расход газовоздушной смеси составлял 240 м /ч. Пример результатов измерений эффективности поглощения диоксид углерода в виде разности концентраций на входе и на выходе из аппарата приведен на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5 - Эффективность работы абсорбера и производительности установки для насадки № 1 при концентрации жидкости орошения СмаОИ = 0,7 %

Рисунок 6 - Эффективность работы абсорбера и производительность установки для насадки № 2 при концентрации жидкости орошения СмаОИ = 10 %

Серия исследований выполнена с целью сравнительного анализа эффективности насадок пяти типов. Основным критерием при выборе варианта

насадок служит эффективность поглощения диоксида углерода и связанная с ней производительность установки поглощения:

Для сравнительных исследований эффективности работы абсорбера с различными вариантами насадки выбраны следующие условия: массовая концентрация NaOH в жидкости орошения 15 %, расход жидкости орошения 1,2...3,06 м/ч. При этом изменяемым параметром являлся расход жидкости орошения, подаваемой в корпус абсорбера.

Результаты сравнительного эксперимента приведены на рисунке 7. На основании проведенных сравнительных исследований, в соответствии с рисунком 7, наиболее эффективной для поглощения диоксида углерода следует, признать насадку № 5 комбинированного типа, использующую перспективный полимерный материал типа «MATALA». Насадка имеет регулярные слои такого материала и слои с хаотичной засыпкой из кусков материала размерами не более 100x100x40 мм. Насадка такого типа создает максимальную удельную (приведенную к объему) площадь поверхности контакта двух сред, и, в то же время, не создает существенного сопротивления движению потока газовоздушной смеси.

Рисунок 7 - Диаграмма поглощения диоксида углерода от конструкции и материалов наполнителя насадки макета абсорбера

В дальнейшей серии экспериментов выполнены исследования эффективности аппаратов в нестационарном режиме с целью определения времени выхода системы поглощения диоксида углерода на стационарный режим работы после изменения режима. Такая задача возникает в связи с необходимостью разработки требований к системе автоматики абсорбера.

Далее исследованы зависимости эффективности работы абсорбера от концентрации СО2 в ГВС на входе, обоснована эффективная конструкция оросителя, выявлены зависимости эффективности работы абсорбера от расхода жидкости орошения, а также зависимость эффективности работы абсорбера от концентрации активного компонента жидкости орошения.

Математическое моделирование массопереноса в абсорбере с многослойной насадкой выполнялось с целью разработки новых расчетных моделей, основанных на фундаментальных законах массопереноса, на базе которых могут решаться оптимизационные задачи при проектировании абсорберов с насадками нового типа. На рисунке 8 приведена расчетная схема гидродинамической модели исследуемого процесса в абсорбере с несколькими слоями насадки из материала определенной структуры.

Для абсорбционных аппаратов для поглощения С02 характерны такие особенности как относительно низкая скорость движения газовоздушной смеси, относительно большая поверхность раздела фаз и низкая плотность орошения. Таким образом при разработке математической модели обоснованным будет допущение о ламинарном режиме течения фаз.

Для данного режима стационарный режим на поверхности стенки канала в соответствие может быть описан следующим уравнением:

с12У с1Р

где:

ц - коэффициент динамической вязкости;

V- скорость течения; g - ускорение свободного падения; р - плотность жидкости.

Рисунок 8 - Схема гидродинамической модели эквивалентных каналов:

I - первый эквивалентный канал по направлению движения потока газовоздушной смеси в абсорбере; II - второй и последующие каналы по направлению движения потока газовоздушной смеси в абсорбере, в зависимости от числа слоев насадки

В соответствии с принятыми допущениями о том, что градиент давления в насадочном слое является постоянной величиной, можно записать

- Р.-1)

дУг L

С учетом обозначения

Р - Р

Л г (г-1)

А =-- Pg,

искомое уравнение примет вид

V

С учетом граничных условий

0 при х = ° VH при х = 8 '

где: VH - скорость жидкости на границе раздела фаз; 8 - толщина слоя жидкости, после интегрирования получаем

А _ VHx

(5)

дV л Л

А= (6)

(7)

V = (8)

После интегрирования данного уравнения по толщине жидкостного слоя, определим расход абсорбента в условном эквивалентном канале

О = 2L8vdx = + VHL8 (9)

0

Расход газовоздушной смеси в эквивалентном канале определяется выражением

^ = 96^+^ (10)

Перепад давления газовоздушной смеси в слое насадки определяется следующим образом

96Я.ц (- ,

АР= Р - Р(,1) = —¿г^(V - ^), (11)

V ГВС

где: у - = у7 - скорость ГВС, осредненная по расходу.

Для описания перепада давления может быть также использовано выражение вида

Шр - \ 2

АР =-{-(V-V) , (12)

Л _ 96

где: — - коэффициент трения;

Яе= (К- ^) р -ъ . в.

- критерий Рейнольдса.

Выбор гидродинамического режима имеет важное практическое значение для обеспечения оптимальной эффективности работы аппарата. Оптимальный режим должен достигаться с учетом принятых конструктивных и технологических ограничений. Задаваемая при решении оптимизационной задачи целевая функция может быть представлена как свертка нормированных частных критериев эффективности. Частные критерии при этом в общем случае включают такие параметры как технологические, экологические, экономические и прочие.

В разрабатываемой математической модели оптимизационная задача может быть сформулирована с применением аддитивной целевой функции вида

J „ E „ О„

V

Ф = К — - К — - К О = ех1г , (13)

0 0 а0

где: У - удельный поток абсорбируемого газа; Е - энергия, потребляемая абсорбером; Оа - расход абсорбента;

К, Ке, Ка - весовые коэффициенты соответствующих частных критериев.

Применение другого подхода, а именно использование мультипликативной свертки позволяет исключить нормирование

Ф и = 3КзЕ-КеО~Ка = ех1г. (14)

Искомое оптимальное решение не выходит за области решений, полученных для функций Фа и Фт.

Уравнение массопереноса газа из газовоздушной смеси в жидкую фазу пленки абсорбента имеет вид

У = 0К-Он), (15)

где:

СН - объемная концентрация абсорбируемого компонента на границе раздела сред;

С», - концентрация компонента в ядре потока; в - коэффициент массоотдачи.

Коэффициент массоотдачи в является эмпирическим и определяется из критериальных уравнений, например, вида

8И = А1Яеа18еа2Ска—, (16)

где:

- — - критерий Шервуда; „ = уёк р у

ке = - критерий Рейнольдса;

с ^

>ъс = —— - критерий Шмидта;

Ск = ~ - отношение массы активного вещества (абсорбента) к массе растворителя (воды);

Э - коэффициент диффузии абсорбируемого вещества в газовой фазе.

Энергетические затраты при оптимизационном моделировании определяются силами трения между фазами и конструктивными элементами насадки, т.е. преодолением сопротивления до давления Р1 и подъемом жидкости на высоту устройств орошения Н0.

Е = РО + ЩОр. (17)

Разработанная математическая модель гидродинамических процессов в эквивалентных каналах насадки абсорбера позволяет решить оптимизационную задачу при проектировании системы очистки от диоксида углерода, с учетом технических и технологических ограничений на процесс абсорбции.

Основные выводы и результаты

1. Предложена насадка из полимерных материалов и технология ее

укладки для широкого диапазона режимов работы абсорбера, при расходе

—

жидкости орошения от 1,2 до 3,0 м /ч и двух видов активного компонента жидкости орошения.

2. Установлены функциональные зависимости эффективности поглощения диоксида углерода от расхода жидкости орошения. При этом для гидроксида натрия и гидроксида лития в качестве активного компонента увеличение расхода жидкости орошения в 2,5 раза приводит к увеличению эффективности поглощения диоксида углерода в 1,4 - 1,5 раз.

3. Обоснованы оптимальные диапазоны концентраций для двух основных видов активных компонентов. При этом, для NaOH оптимальный диапазон концентраций составляет 10.. .15 %, а для для LiOH -2,0...4,0 %.

4. Представлена зависимость эффективности работы абсорбера и производительности системы от расхода газовоздушной смеси, при постоянной концентрации в ней диоксида углерода, имеющая характер экспоненциально затухающего процесса.

5. Показана зависимость эффективности системы поглощения диоксида углерода от его концентрации, представляющая собой естественную отрицательную обратную связь, наличие которой может быть использовано при кратковременном (часы) превышении содержания диоксида углерода в воздухе герметичного объекта.

6. Разработана математическая модель гидродинамических процессов для новых типов насадок абсорбера, основанная на методе эквивалентных каналов, и решающая оптимизационную задачу при проектировании системы очистки от диоксида углерода, с учетом технических и технологических ограничений на процесс абсорбции.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, индексируемых SCOPUS

1. Tsygankov, A.V., Dolgovskaia, O.V., Kuznetsov, Y.L., Shilin, A.S. Hudrodynamic calculation of rotary regenerative heat exchanger. AIP Conference Proceedings, 2018, Vol. 2007, 030020. DOI: 10.1063/1.5051881

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Долговская Ольга Владимировна, 2020 год

Литература

1. Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Путин Б.В., Путин С.Б. Известковые поглотители нового поколения. М.: «Спектр», 2012. 136 с.

2. Кононов А.Н. Средства регенерации, очистки и газового контроля воздуха. Баку: КВВМУ им. С.М. Кирова, 1981. 495 с.

3. Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981. 616 с.

4. МаршакМ.Е. Физиологическое значение углекислоты. М.: Медицина, 1969. 144 с.

5. Громов Ю.Ю., Матвейкин В.Г., Путин Б.В. Моделирование и управление процессом регенерации воздуха в герметически замкнутом объеме // Теоретические основы химической технологии. 1997. Т.3. № 6. С. 638648.

6. Громов Ю.Ю. Коршунков Л.А., Матвеев С.В. К вопросу моделирования процесса регенерации воздуха в замкнутом объеме. М., 1996. 20 с. Деп. в ВИНИТИ 1996, № 1957-В96.

7. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969. 622 с.

8. Гумеров А.М. Математическое моделирование химико-технологических процессов. СПб., «Лань», 2011. 176 с.

9. Трепнел Б. Хемосорбция. М.: Химия, 1958. 328 с.

10. МельниковА.С. Основы хемосорбции. М.: Наука, 1979. 135 с.

11. Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Дворецкий С.И., Путин С.Б., Ульянова М.А., Ферапонтов Ю.А. Регенеративные продукты нового поколения: технология и аппаратурное оформление. М.: Издательство Машиностроение-1, 2007. 92 с.

12. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995, 368 с.

13. Пронин В.А., Молодов М.А., Шпилин Д.И. Газовоздушные выбросы пищевых предприятий и способы их устранения // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2013, №4.

14. Шпилин Д.И., Пронин В.А. Повышение эффективности очистки и дезодорации газовоздушных выбросов пищевых предприятий в орошаемых колоннах насадочного типа с полимерной насадкой // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2014. №4.

15. Цыганков А.В., Пронин В.А., Шпилин Д.И., Алешин А.Е. Гидродинамический расчет орошаемой колонны с пористыми насадочными телами // Вестник Международной академии холода. 2014. № 2. С. 34-36.

References

1. Gladyshev N.F., Gladysheva T.V., Putin B.V., Putin S.B. Izvestkovye poglotiteli novogo pokoleniya. Moscow, Spektr Publ., 2012. 136 p.

2. Kononov A.N. Sredstva regeneratsii, ochistki i gazovogo kontrolya vozdukha. Baku, University Kirova Publ., 1981.495 p.

3. Straus V. Promyshlennaya ochistka gazov. Moscow, Khimiya Publ., 1981, 616 p.

4. Marshak M.E. Fiziologicheskoe znachenie uglekisloty. Moscow, Meditsina Publ., 1969, 144 p.

5. Gromov Yu.Yu., Matveikin V.G., Putin B.V. Modelirovanie i upravlenie protsessom regeneratsii vozdukha v germeticheski zamknutom ob"eme. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 1997, V.3, no. 6, pp. 638648.

6. Gromov Yu.Yu. Korshunkov L.A., Matveev S.V. K voprosu modelirovaniya protsessa regeneratsii vozdukha v zamknutom ob"eme. Moscow, 1996, 20 p. Dep. v VINITI 1996, no. 1957-V96.

7. Levenshpil' O. Inzhenernoe oformlenie khimicheskikhprotsessov. Moscow, Khimiya Publ., 1969, 622 p.

8. Gumerov A.M. Matematicheskoe modelirovanie khimiko-tekhnologicheskikhprotsessov. St. Petersburg, Lan' Publ., 2011, 176 p.

9. Trepnel B. Khemosorbtsiya. Moscow, Khimiya Publ., 1958, 328 p.

10. Mel'nikov A.S. Osnovy khemosorbtsii. Moscow, Nauka Publ., 1979, 135 p.

11. Gladyshev N.F., Gladysheva T.V., Dvoretskii S.I., Putin S.B., Ul'yanova M.A., Ferapontov Yu.A. Regenerativnye produkty novogo pokoleniya: tekhnologiya i apparaturnoe oformlenie. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2007, 92 p.

12. Dytnerskii Yu.I. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii: uchebnik dlya vuzov. Chast' 2. Massoobmennye protsessy i apparaty. Moscow, Khimiya Publ., 1995, 368 p.

13. Pronin V.A., Molodov M.A., Shpilin D.I. Gazovozdushnye vybrosy pishchevykh predpriyatii i sposoby ikh ustraneniya. Scientific journal NRUITMO. Series Processes and equipment for food production. 2013, no. 4.

14. Shpilin D.I., Pronin V.A. Povyshenie effektivnosti ochistki i dezodoratsii gazovozdushnykh vybrosov pishchevykh predpriyatii v oroshaemykh kolonnakh nasadochnogo tipa s polimernoi nasadkoi. Scientific journal NRU ITMO. Series Processes and equipment for food production. 2014, no. 4.

15. Tsygankov A.V., Pronin V.A., Shpilin D.I., Aleshin A.E. Gidrodinamicheskii raschet oroshaemoi kolonny s poristymi nasadochnymi telami. Bulletin of the International Academy of Refrigeration. 2014, no. 2, pp. 34-36.

Статья поступила в редакцию 27.10.15

УДК 697.922.2 / 697.642.2

Совершенствование насадочных абсорбционных систем газоочистки в системах жизнеобеспечения

Д. И. ШПИЛИН1, д-р техн. наук В. А. ПРОНИН2, О. В. ДОЛГОВСКАЯ3

[e-mail], 2таюг.ргошп@тай.т, [e-mail] Университет ИТМО 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Исследована эффективность работы пористой насадки, произведенной на основе полиэтилена высокого давления, в насадочных абсорбционных системах газоочистки и дезодорации воздуха. Проведен ряд экспериментов по определению качественных и количественных показателей работы: смачиваемость пористой насадки и сопротивление слоя насадки воздушному потоку, а также оценено влияние способа укладки насадки на работу системы. На основании теоретических данных и данных, полученных в ходе эксперимента, была разработана математическая модель, позволяющая оценить процессы, проходящие в колоннах и рассчитать удельное сопротивление насадки потоку воздуха c учетом орошения насадки жидкостью. Полученные результаты позволяют рекомендовать пористую насадку в качестве наполнителя орошаемых колон систем жизнеобеспечения. Ключевые слова: колонны насадочного типа, мокрые скрубберы, пористые насадочные тела, дезодорация, очистка воздуха, полимерная насадка, сопротивление потоку воздуха.

Информация о статье

Поступила в редакцию 27.01.2017, принята к печати 09.02.2017

ао1:10.21047/1606-4313-2017-16-1-45-48

Ссылка для цитирования

Шпилин Д. И., Пронин В. А., Долговская О. В. Совершенствование насадочных абсорбционных систем газоочистки в системах жизнеобеспечения // Вестник Международной академии холода. 2017. № 1. С. 45-48.

Improving of packed absorption gas cleaning systems in life support systems

D. I. SHPILIN, D. Sc. V. A. PRONIN, O. V. DOLGOVSKAYA

[e-mail], [e-mail], [e-mail]

ITMO University 191002, Saint-Petersburg, Lomonosov str., 9

The article deals with the issue of efficiency ofporous nozzle made of high pressure polyethylene for airflow purification in packet columns. A number of experiments have been made to analyze the qualitative and quantitative parameters of the performance: nozzle wetting and its reactance to air flow. The influence of the nozzle installation method on the system performance is also investigated. Theoretical and experimental data allow to develop mathematical model for estimating the processes in columns and to calculate specific resistance of the nozzle to air flow taking into account nozzle wetting rate. The results obtained allow to recommend the porous nozzle as a packing for spray columns of the life support systems.

Keywords: packed type columns, wet scrubber, packed porous body, deodorization, air purification, polymeric nozzle, airflow resistance.

Абсорбционная очистка основана на поглощении загрязняющих веществ жидким абсорбентом. В качестве абсорбента чаще всего используются растворы гипохло-ритов (например, натрия). В большинстве случаев, абсорбционные газоочистные системы выполняются в виде колонны или набора орошаемых колонн насадочного типа. В колоннах данного исполнения процесс очистки воздуха происходит за счет контакта очищаемой газовоздушной смеси и абсорбента.

Газовоздушная смесь при мокром улавливании эффективно очищается от частиц, размер которых составляет не менее 3-5 микрон. Более мелкие частицы улавливаются довольно плохо в силу двух основных причин. Во-первых, мельчайшие частицы, двигаясь вместе с по-

током газовоздушной смеси, огибают поверхность жидкости, даже с ней не соприкасаясь. Во-вторых, рядом с мокрой поверхностью есть газовый пограничный слой, который мизерная частица часто попросту не может преодолеть.

Если частицы обладают таким свойством, как ги-дрофобность (способность не смачиваться жидкостью), то для эффективного их улавливания у таких частиц должен быть дополнительный запас кинетической энергии, который позволит преодолеть им силы поверхностного натяжения.

Ранее, когда требовалась очистка от гидрофобных частиц, для того, чтобы несколько улучшить их смачиваемость, в жидкость вводили специальные поверхност-

5

I)

Рис. 1. Кольцо пористой насадки: D — внешний диаметр, h — высота, S — толщина стенки кольца

но-активные вещества. Однако при применении данного способа сточные воды, образующиеся при мокрой очистке, загрязнялись органическими веществами. Сегодня такой метод не отвечает установленным экологическим требованиям. [1, 2]

Стоит отметить, что мокрая очистка газовоздушных смесей наиболее эффективна только тогда, когда увлажнение и охлаждение очищаемой от пыли газовоздушной смеси вполне допустимы, а твердые частицы, которые требуется отделить, не представляют особой ценности. Охлаждение очищаемой газовоздушной смеси до температуры, которая ниже температуры конденсации паров жидкости, содержащихся в этой смеси, несколько увеличивает массу частиц, служащих своего рода центрами конденсации, что в значительной степени облегчает их улавливание. Помимо этого, водяные пары способны конденсироваться на поверхности аппарата в виде холодных капелек. [2, 3]

В абсорбционных насадочных колоннах орошаемого типа используют 2 типа насадок:

— Насыпные насадки. Насыпную насадку укладывают на опорную решетку (колосник), которая должна иметь минимальное гидравлическое сопротивление и обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдержать вес насадки и удерживаемой ею жидкости. Элементы насадки изготавливают из керамики, фарфора или тонколистового металла. Насадка должна быть засыпана ровным слоем.

— Хордовые насадки. Насадки хордовые делают из крупных элементов: деревянных, пластмассовых или керамических брусьев, сеток и гофрированных листов.

В проведенном исследовании применялся концептуально новый вид насыпной насадки — насадка из пористых полимерных материалов. [3, 4]

За счет пористой структуры, исследуемая полимерная насадка отвечает основным требованиям, а именно:

— обладает большой поверхностью контакта в единице объеме;

г, Па-с/м2 301-

I, м3 /ч

Рис. 2. Сводная диаграмма зависимостей удельных сопротивлений всех видов насадок: 1 — малая 840 мм; 2 — крупная горизонтальная; 3 — каскадная; 4 — малая 540 мм; 5 — средняя; 6 — малая 270 мм; 7 — крупная

— хорошо смачивается орошаемой жидкостью;

— оказывает малое гидравлическое сопротивление газовому потоку;

— равномерно распределяет орошающую жидкость;

— устойчива к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне;

— имеет малый удельный вес.

Для того чтобы определить качественные и количественны показатели эффективности работы пористой полимерной насадки, такие как смачиваемость пористой насадки и сопротивление слоя насадки воздушному потоку, был проведен ряд экспериментов [5].

На первом этапе эксперимента определялось сопротивление потоку воздуха, слоя пористой насадки. А также оценивалось влияние способа укладки насадки на работу системы. Эксперимент проводился на лабораторно-экспе-риментальном стенде при заданном расходе воздуха.

Исследовались образцы насыпной пористой насадки в виде колец (рис. 1):

— насадка с мелкими кольцами, уложенная хаотично. Высота слоя 840 мм. Размер колец не превышал 50x50x5 мм (ВхИхБ);

— насадка с мелкими кольцами, уложенная хаотично. Высота слоя 540 мм. Размер колец не превышал 50x50x5 мм;

— насадка с мелкими кольцами, уложенная хаотично. Высота слоя 270 мм. Размер колец не превышал 50x50x5 мм;

— насадка с послойным набором колец (каскадная), уложенная хаотично. Крупные кольца — 100x100x5 мм, средние кольца — 70x70x5 мм, малые кольца — 50x50x5 мм. Насадка укладывалась послойно хаотичным образом, сначала насыпалась хаотично уложенный слой крупной насадки, затем хаотично уложенный слой средней насадки, затем хаотично уложенный мелкой насадки;

— насадка со средними кольцами, уложенная хаотично. Размер колец не превышал 70x70x5 мм;

— насадка с крупными кольцами, уложенная хаотично. Размер колец не превышал 100x100x5 мм;

Рис. 3. Зависимость влагоудержания от расхода воды: а — при L = 0 м3/ч; б — при L = 150 м3/ч; в — при L = 450 м3/ч; г — при L = 650 м3/ч; 1 — насадка малая; 2 — насадка каскадная

б

а

в

г

— насадка с крупными кольцами, уложенная структурировано (линия симметрии кольца находится перпендикулярно линии симметрии колонны). Размер колец не превышал 100*100x5 мм. Насадка укладывалась структурированным образом (горизонтально), линия симметрии кольца находится перпендикулярно линии симметрии колонны [5, 6].

По экспериментальным данным были построены зависимости удельного сопротивления слоя насадки от расхода воздуха.

Проанализировав полученную диаграмму, можно сделать вывод, что насадки: средняя, каскадная и малая при высоте слоя 540 мм имеют приблизительно одинаковое удельное сопротивление, однако они имеют различную удельную площадь поверхности в заданном объеме; каскадная — 10,9 м2/м3, средняя — 10,6 м2/м3, малая на 54 см — 9,77 м2/м3 [7-9].

После проведения эксперимента были сделаны следующие выводы: насадка, уложенная каскадным способом, имеет меньшее удельное сопротивление потоку воздуха. Следовательно, каскадный способ засыпки насадки является самым оптимальным для насадочной орошаемой

колонны, кроме того данный способ имеет максимальную удельную площадь поверхности контакта [10].

На втором этапе эксперимента определялась смачиваемость насадки из полиэтилена при различных условиях загрузки насадки, а также влияние смачиваемости на работу системы и определение оптимальной степени смачиваемости. После проведения эксперимента и составления по полученным данным ряда зависимостей, был сделан вывод, что смачиваемость насадки создает дополнительное сопротивление газовоздушному потоку, однако смачивание материала необходимо в насадочных орошаемых колоннах для обеспечения наиболее приемлемого контакта обрабатываемого воздуха с водным раствором окислителя. Данный эксперимент проводился на 2 видах насадки — малой, уложенной хаотично (высота слоя 840 мм), и каскадной, уложенной хаотичным образом [11, 12].

По полученным данным были построены графики зависимостей смачиваемости от расхода жидкости при фиксированном значении расхода воздуха Ь, м3/ч (рис. 3).

Было установлено, что для полного смачивания имеющегося объема насадки 0,1 м3, т. е. для нахождения точ-

ки полного насыщения, достаточно установить в системе расход жидкости 0,6 м3/ч, т. е. 6 м3/ч на 1 м3 засыпки.

На основании теоретических данных и данных, полученных в ходе экспериментов, была разработана математическая модель, позволяющая оценить процессы, проходящие в колоннах и рассчитать некоторые основные параметры, такие как: удельное сопротивление насадки потоку воздуха с учетом орошения насадки жидкостью.

В заключении необходимо отметить, что полученные в данной работе результаты, дают основания рекомендовать пористую насадку в качестве наполнителя орошаемых колон систем жизнеобеспечения.

Литература

1. Шпилин Д. И., Пронин В. А. Повышение эффективности очистки и дезодорации газовоздушных выбросов пищевых предприятий в орошаемых колоннах насадочного типа с полимерной насадкой // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2014. № 4 (22). С. 195-203.

2. Экологические проблемы мегаполисов и промышленных агломераций: учеб. пособие / М. А. Пашкевич, М. Ш. Баркан, Ю. В. Шариков и др. — СПб., 2010. 202 с.

3. Майоров В. А. Запахи их восприятие, воздействие, устранение. — М.: Мир, 2006. 366 с.

4. Леонтьев Н. Е. Основы теории фильтрации. — М.: Изд-во ЦПИ при механико-математическом факультете МГУ, 2009. 88 с.

5. Патент РФ на полезную модель. № 113170. Насадочный скруббер. / В. А. Пронин, А. П. Верболоз, А. В. Утин/ публикация патента: 10.02.2012.

6. Ефимова Н. В., Рукавишников В. С., Кауров П. К. и др. Факторы окружающей среды: опыт комплексной оценки. — Иркутск: НЦ РВХ СО РАМН, 2010. 232 с.

7. Патент РФ на полезную модель. № 125877. Насадочный скруббер. / В. А. Пронин, А. П. Верболоз, А. В. Утин / публикация патента: 20.03.2013.

8. Цыганков А. В., Пронин В. А., Шпилин Д. И., Алешин А. Е. Гидродинамический расчет орошаемой колонны с пористыми насадочными телами // Вестник Международной академии холода. 2014. № 2.

9. Пронин В. А. Молодов М. А., Шпилин Д. И. Газовоздушные выбросы пищевых предприятий и способы их устранения // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2013. № 4.

10. Большая энциклопедия нефти и газа. [Электронный ресурс]: http://www.ngpedia.ru/id440846p1.html

11. ГОСТ Р ЕН 29053-2008 Группа Ж19. Методы определения сопротивления продуванию потоком воздуха.

12. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. — М.: Энергопромиздат, 1990. 367 с.

References

1. Shpilin D. I., Pronin V. A. Increase in efficiency of cleaning and deodorization of air-gas emissions of the food entities in the irrigated columns of nozzle type with a polymeric nozzle. Nauchnyi zhurnal NIU ITMO. Seriya «Protsessy i apparaty pishchevykh proizvodstv». 2014. No 4 (22). p. 195-203. (in Russian)

2. Environmental problems of megalopolises and industrial agglomerations: education guidance / M. A. Pashkevich, M. Sh. Barkan, Yu. V. Sharikov ets. SPb., 2010. 202 p. (in Russian)

3. Maiorov V. A. Smells their perception, influence, elimination. Moscow, Mir, 2006. 366 p. (in Russian)

4. Leont'ev N. E. Bases of the theory of a filtration. Moscow, 2009. 88 p. (in Russian)

5. Russian Federation patent for useful model. No. 113170. Nozzle scrubber. / V. A. Pronin, A. P. Verboloz, A. V. Utin / patent publication: 10.02.2012. (in Russian)

6. Efimova N. V., Rukavishnikov V. S., Kaurov P. K. ets. Environment factors: experience of complex assessment. Irkutsk, 2010. 232 p. (in Russian)

7. Russian Federation patent for useful model. No. 125877. Nozzle scrubber./ V. A. Pronin, A. P. Verboloz, A. V. Utin / patent publication: 20.03.2013. (in Russian)

8. Tsygankov A. V., Pronin V. A., Shpilin D. I., Aleshin A. E. Hydrodynamic calculation of the irrigated column with porous nozzle bodies. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2014. No 2. (in Russian)

9. Pronin V. A. Molodov M. A., Shpilin D. I. Air-gas emissions of the food entities and methods of their elimination. Nauchnyi zhurnal NIU ITMO. Seriya «Protsessy i apparaty pishchevykh proizvodstv». 2013. No 4. (in Russian)

10. Big encyclopedia of oil and gas. [Electronic resource]: http:// www.ngpedia.ru/id440846p1.html (in Russian)

11. GOST R EN 29053-2008 Gruppa Zh19. Methods of determination of resistance to blowing off by an air stream. (in Russian)

12. Kutateladze S. S. Heat transfer and hydrodynamic resistance. Moscow, Energopromizdat, 1990. 367 p. (in Russian)

УДК 628.84

Методика подбора фильтров для чистых помещений

Д-р техн. наук А. В. ЦЫГАНКОВ1, канд. техн. наук В. И. ЛЫСЕВ2, О. В. ДОЛГОВСКАЯ3, А. ХИЛДАЯТИ 1ра1Ша-М@тйэрго^рЬ.т, 2и^еу@согрл£то.т, [e-mail]

Университет ИТМО

Рассмотрена обобщенная схема фильтрации и сформулирована оптимизационная задача проектирования фильтров для чистых помещений, представлен анализ механизма удерживания пылевых частиц. Предложена модель фильтра, состоящая из множества цилиндрических эллиптических каналов, по которым движется запыленный воздух. Геометрические размеры каналов определяются из решения задачи линейного программирования минимизируюшей погрешность между результатами моделирования и предусмотренных действующими стандартами натурных испытаний фильтров. В качестве целевой функции оптимизационной задачи принят взвешенный аддитивный критерий, представляющий собой свертку комплекса технико-экономических параметров, заданных техническим заданием на проектирование системы фильтрации. Вектор варьируемых параметров представлен совокупностью воздушных фильтров с известными технико-экономическими параметрами. В качестве внутренних ограничений области допустимого решения выступают массогабаритные характеристики, количество ступеней фильтрации, количество потоков фильтрации, требования по акустике и т. п. Внешние ограничения — это параметры приточного и рециркуляционного воздуха (температура, влажность), дисперсионный состав пыли и ее физико-технические характеристики.

Ключевые слова: чистые помещения, фильтрация, эквивалентный канал, дисперсионный состав пыли, ламинарное течение, оптимизационная задача, приточный и рециркуляционный воздух.

Информация о статье:

Поступила в редакцию 14.01.2019, принята к печати 28.02.2019 DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-1-11-16 Язык статьи — русский Ссылка для цитирования:

Цыганков А. В., Лысев В. И., Долговская О. В., Хилдаяти А. Методика подбора фильтров для чистых помещений. // Вестник Международной академии холода. 2019. № 1. С. 11-16.

The selection of a filter for cleanrooms

D. Sc. A. V. TSYGANKOV1, Ph. D. V. I. LYSEV2, O. V. DOLGOVSKAIA3,

A. HILDAYATI

[e-mail], [e-mail], [e-mail]

ITMO University

General chart offiltration is analyzed and an optimization task offilter design for cleanrooms is formulated. An analysis of dust particles retention process is presented. A filter model of consisted of numerous cylindrical elliptical channels in which dust-loaded air is moved is proposed. Geometrical dimensions of the channels are defined from a linear programming task which is to minimize the divergence between the simulation results and the standardized results of field tests for the filters. As an objective function for the task of optimization weighted additive criterion is taken, which is a convolution of technico-economical parameters set by design specification for a ventilation system. Vector of varying parameters is represented by complex of air filters with known technico-economical parameters. Internal constrains for acceptable solution are physical data, the number of filtration stages, the number of filtration flows, acoustic requirements etc. External constraints are the parameters of intake and recirculation air (temperature, humidity), dispersive composition of dust and its physicochemical characteristics.

Keywords: cleanroom, filtration, equivalent channel, dispersive composition of dust, laminar flow, optimization task, intake and recirculation air.

Article info:

Received 14/01/2019, accepted 28/02/2019 DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-1-11-16 Article in Russian For citation:

Tsygankov A. V., Lysev V. I., Dolgovskaia O. V., Hildayati A. The selection of a filter for cleanrooms. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2019. No 1. p. 11-16.

Введение

Чистые помещения (ЧП) широко используются в современных производствах, которые предъявляют особые требования к качеству внутренней воздушной среды. Основными требованиями производства биологических, медицинских материалов и микроэлектроники является безусловное соблюдение нормативов чистоты воздушной среды и поддержание технологических или комфортных параметров микроклимата в заданных пределах [1]. Опыт эксплуатации ЧП показывает, что качество продукции существенно зависит от эффективности воздухоподготовки и во многом определяет энергозатраты на единицу выпускаемой продукции. Стандарты международной организацией стандартизации ИСО регламентируют всю технологическую последовательность проектирования, испытания и эксплуатации чистых помещений [2]. Эти нормативные документы ориентированы, прежде всего, на формирование задач проектирования и организации мониторинга качества воздушной среды в процессе эксплуатации. Задачи повышения энергетической эффективности и сокращения затрат на воздухоподготовку решаются как правило на основе рекомендаций, сформулированных на основе опыта эксплуатации ЧП существующих производств. Такой подход вполне оправдан при проектировании типовых объектов и использовании апробированных технических решений, но не эффективен при использовании новых технологий, материалов и специфических параметрах приточного воздуха. В настоящее время разработаны высокопроизводительные эффективные технологии фильтрации воздуха, которые становятся приемниками традиционных фильтров классической конструкции [3-6]. Поэтому разработка оптимальной, с позиции энергоэффективности, системы воздухоподготовки, фильтрации и методов ее проектирования является актуальной задачей.

Постановка задачи исследования

Внедрение новых технологических процессов в производство товаров и услуг требует создания высокоэффективных систем кондиционирования воздуха. Системы воздухоподготовки в таких производствах являются основными потребителями энергии. Проектирование систем фильтрации воздуха, обеспечивающих оптимальное техническое решение, требует разработки обобщенной модели фильтрации, позволяющей решать комбинаторные задачи выбора технического решения с учетом разнообразия технологий, материалов, внешних и внутренних ограничений.

Методика проектирования системы фильтрации

Выбор фильтров для систем кондиционирования воздуха может быть сформулирован в виде стандартной оптимизационной задачи, поиска глобального или локального экстремума целевой функции при заданных ограничениях [7].

ехЦ-=^ (X), (1)

где Е (X) — целевая функция; X — вектор варьируемых параметров.

В общем случае, при проектировании системы фильтрации целевая функция состоит из комплекса технико-экономических параметров:

К1 — капитальные затраты на систему фильтрации, включающие стоимость оборудования, его монтаж и наладку;

К2 — эксплуатационные затраты, включающие замену и (или) регенерацию фильтрующего материала, стоимость энергии для привода вентиляторов, сервисное обслуживание;

К3 — размер частиц с максимальной проникающей способностью;

К4 — допустимый перепад давления в системе фильтрации;

К5 — пылеемкость системы фильтрации;

К6 — эффективность фильтрации частиц определенного диапазона размеров.

Перечисленный комплекс параметров не является исчерпывающим и может быть дополнен в зависимости от назначения, особенностей и требований к системе.

В качестве целевой функции принят взвешенный аддитивный критерий [7]

F (X) = £=■+а,К; ,= 1,2,....т, К

(2)

где а.— весовые коэффициенты, лежащие в диапазоне 0-1 и определяющие значимость конкретного параметра в целевой функции;

К0 — нормирующие величины, которые выбираются из прототипа проектируемой системы или из диапазона параметров определяемого техническим заданием;

т — количество параметров, входящих в целевую функцию.

Знак в формуле (2) выбирается в зависимости от того, следует уменьшать или увеличивать параметр. Так при поиске минимума целевой функции параметры К—К имеют знак плюс, а К4—К6 — знак минус.

Вектор варьируемых параметров X представляет собой совокупность воздушных фильтров с известными технико-экономическими параметрами, которые могут быть установлены в проектируемой системе фильтрации.

Вектор варьируемых параметров должен находиться в допустимой области внутренних и внешних ограничений задаваемых в форме равенств и неравенств. В качестве внутренних ограничений могут выступать мас-согабаритные характеристики, количество ступеней фильтрации, количество потоков фильтрации, требования по акустике и т. п. Внешние параметры (ограничения) — это, прежде всего, параметры воздуха (температура, влажность) и дисперсионный состав пыли и ее физико-технические характеристики.

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема системы фильтрации чистых помещений, состоящая из параллельных потоков приточного и рециркуляционного воздуха и фильтров грубой ^1^4), средней (М5-М6), тонкой ^7^9) и сверхтонкой (Е10-Е12) очистки.

Количество параллельных потоков приточного воздуха и места входа в приточный поток рециркуляционного воздуха и его расход определяются требованиями к качеству фильтрации, габаритными размерами системы, акустической нагрузкой и т. д.

При разработке систем фильтрации техническим заданием должны быть определены:

qn — расход наружного приточного воздуха, м3/с; qp — расход рециркуляционного воздуха, м3/с; mn (jj — удельная масса пыли наружного воздуха j-го размера, г/м3;

mp ® — удельная масса пыли рециркуляционного воздуха /-го размера, г/м3;

mout (i) — удельная масса пыли после фильтрации воздуха /-го размера, г/м3.

На рис. 2 показана характерная гистограмма распределения массы пыли в воздухе. Очевидно, что гистограмма изменяется после прохождения каждой ступени фильтрации и смешения приточного и рециркуляционного воздуха. Место смешения потоков зависит от качества рециркуляционного воздуха.

Общая пылевая нагрузка приточного и рециркуляционного воздуха вычисляется по формулам:

V n (j) min = lin^ej=!min ;

n (i)

mp = qp ^=гтУ> где т — время движения воздуха через фильтры.

Время движения воздуха через фильтр — это то время, которое проходит от установки нового или регенерированного фильтра до достижения им рекомендуемой пылеемкости, которая контролируется по перепаду давления на фильтрующем материале.

Таким образом, при проектировании системы фильтрации необходимо определить время т для каждой ступени очистки при заданной пылевой нагрузке.

Самым распространенным типом материалов воздушных фильтров являются материалы, изготовленные из волокон различной толщины, формы и плотности переплетения или прессования. При прохождении запыленного воздуха через фильтрующий материал аэрозольные частицы осаждаются в теле материала, что очищает воздух и увеличивает аэродинамическое сопротивление фильтра.

В работах [8-10] рассматриваются четыре механизма удерживания пылевых частиц.

Механизм сита действует, если проходное сечение воздушных каналов на поверхности материала меньше размеров частиц. В этом случае пыль оседает не в теле фильтра, а на его поверхности блокируя движение воздуха и увеличивая перепад давления при фиксируемом расходе воздуха.

Механизм зацепления (адгезии) действует, если частица пыли попадает в тупиковый канал внутри фильтрующего материала или силы молекулярного взаимодействия частицы и поверхности фильтрующего материала больше силы аэродинамического давления на осевшую частицу.

Механизм инерционного взаимодействия проявляется, если происходит столкновение частиц в воздушном потоке. В этом случае траектория движения частиц не совпадает с линией тока, а, следовательно, возрастает вероятность контакта частицы с фильтрующим материалом. С другой стороны, столкновение с частицей, ранее осевшей на фильтре, может приводить к ее отрыву и возвращению в воздушный поток.

Рис. 1. Структурная схема системы фильтрации Fig. 1. Structure chart of filtration system

■ 0-0.1 MKM

■ 0.1-0.2 мкм ■ 0.2-0.3 мкм

■ 0.3 -0.4МКМ

■ 0.4-0.5

1 0.5-0.6 0.6-0.8

□ >0/8

1 I

II_

Размер частиц

Рис. 2. Зависимость удельной массы пыли от размеров частиц Fig. 2. Dependence of dust specific gravity on particle size

Механизм молекулярного течения проявляется, если броуновское движение молекул газа оказывает влияние на траекторию движения частиц. В этом случае движение воздуха должно описываться уравнениями молекулярного взаимодействия в газовой смеси.

Для некоторых фильтрующих материалов необходимо учитывать электростатический эффект. Вследствие трения частиц о воздух, на поверхности аэрозолей возникает электростатический заряд. Если фильтрующий материал является электропроводящим, то можно во всем его объеме поддерживать электрический заряд. Электростатический эффект приводит к появлению силы притяжения между частицей и поверхностью фильтра и увеличению сил адгезии.

Многообразие типов фильтров и сложность сопряженных физических процессов, проходящих в них, стали причиной того, что проектирование систем фильтрации базируется на рекомендациях, сформулированных в процессе эксплуатации систем очистки воздуха. Многочисленные экспериментальные исследования позволили получить только качественные оценки эффективности фильтрации. Необходимо отметить, что даже в стандартах [11-12], где приводятся результаты и методики экспериментальных исследований, специально оговаривается, что полученные результаты не могут применяться

для прогнозирования эффективности при эксплуатации и срока службы фильтров.

Решение оптимизационных задач может проводиться на основе сравнения нескольких вариантов технического решения, которые сводятся к единой компаративной модели, сформированной на основе обобщенных характеристик проектируемого объекта.

В качестве модели фильтра рассматривается множество цилиндрических эллиптических каналов, расход воздуха через которые эквивалентен расходу через реальный фильтр [13—14]:

п, — количество каналов;

к '

1к — длина канала;

ак — размер большой полуоси эллиптического сечения;

Ьк — размер малой полуоси эллиптического сечения.

В ГОСТе [11], формулирующем требования к фильтрам очистки воздуха общего назначения, приведена методика испытаний фильтров. Эффективность фильтров определяется по отношению концентрации частиц в воздухе до фильтра и отношению концентрации частиц после него. В приложении D этого стандарта приведены результаты испытаний фильтра, которые использовались в дальнейшем при разработке модели. При испытании фильтров получают зависимости:

ДР=т, (3)

AP =f (M), ¡=1, 2.

..да;

..m;

Ml = 2 MiE (Ml); M2 = Mj + [E (Mj) + E (M2)]

M2 - Mj

M2 - M

M2 = M + [E (Mj) + E (M2)] 2- 1;

Mz - Mz -

Mz = Mz + [E (Mz-j) + E (Mz)]

(6)

При ламинарном движении расход воздуха в эллиптическом канале модели вычисляется по формуле [15]

Чк =

Щ

8(1 + e2)mk

(7)

где ДРк—перепад давления в канале;

ц — динамический коэффициент вязкости воздуха;

е = — — эксцентриситет эллиптического канала (а, > Ь.);

Ь к к

ак — размер большой полуоси эллиптического модельного канала с учетом изменения проходного сечения, вследствие адгезии частиц пыли, осевших в фильтре;

Ьк — размер малой полуоси эллиптического модельного канала.

Примем ряд допущений:

— каналы идентичны, в них оседает одинаковое количество пыли;

— частицы пыли равномерно оседают на всей внутренней поверхности канала;

— эксцентриситет проходного сечения канала — величина постоянная;

— плотность пыли, осевшей в фильтре, величина постоянная, не зависящая от дисперсионного состава пыли.

С учетом допущений, формулы для вычисления ак и Ьк примут вид

(4)

(5)

а, = а, - tz;

. = b, - tz.

(8)

Е=. (М), .= 1, 2.

где ДР — перепад давления при подаче на фильтр чистого (без пыли) воздух, Па;

q — расход чистого воздуха в диапазоне 0,25-1,25 от номинального расхода;

ДР. — перепад давления на фильтре при подаче кварцевой пыли .-го размера и контрольном расходе воздуха; М . — масса пыли .-го размера, поданной на фильтр, г; Е. — эффективность фильтрации для частиц . -го размера и контрольном расходе воздуха;

. — количество диапазонов размера кварцевой пыли, поданной на фильтр.

Испытания фильтра проводились для десяти диапазонов размеров частиц пыли. Оценка эффективности проводилась последовательно, после подачи определенной порции пыли. Пыль подавалась на фильтр до достижения конечного давления ДР.

Зависимость (4) удобно представить в виде ЛР= = /М2 = / (М,Е)— общая масса пыли, находящейся в фильтре после подачи 2-ой порции пыли, определяется из выражения Мг = |0 г Е(ММ.

При численном интегрировании методом трапеций, вычисление можно проводить по рекуррентной формуле

1

Толщина слоя t после 2-ой порции пыли вычисляется из квадратичного уравнения

Mz nk<?f

= plk [akbk - (ak - tz Ж - tz)]>

(9)

где t — толщина слоя пыли в канале;

плотность пыли, осевшей в канале.

Решение системы уравнений (6)—(9) позволяет найти расход воздуха через модельный канал, в зависимости от массы пыли, поданной в канал, эффективности фильтра и перепада давления на фильтре. Если расход воздуха известен, то вычисляется перепад давления.

Параметры модельного канала пк, 1к, ак, Ьк определяются из решения задачи линейного программирования, которая заключается в нахождении параметров, обеспечивающих минимальную погрешность между экспериментальными данными, полученными при испытании фильтра, и результатами моделирования. Среднеквадратичная погрешность определяется функционалом

ф=N i \y¡ т )2 - (др )2

Nj=l\ j

где N — количество экспериментальных точек.

Решение этой задачи может быть проведено в приложении «Solver» программы Excel, по эволюционному алгоритму.

Формулы (6)-(9) позволяют определить зависимость изменения перепада давления на фильтре от времени т при известном расходе воздуха q. и удельной массе пыли в воздухе m. Значения M , входящие в уравнение (6), вычисляются по формуле M=q .m¡n w т, т. е. интегрирова-

ние по массе пыли, поданной на фильтр, заменяется на интегрирование по времени.

Заключение

Необходимо отметить, что предлагаемая расчетная модель не ориентирована на вычисление дисперсионного состава аэрозольных загрязнений, прошедших

систему фильтрации и изменения аэродинамического сопротивления фильтров в процессе эксплуатации реального технического объекта. Модель позволяет оценить влияние варьируемых параметров, технических и технологических ограничений на процесс фильтрации на начальных этапах проектирования чистых помещений.

Литература

1. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.

2. ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха по концентрации частиц.

3. Alexandrescu L., Syverud K., Nicosia A., Santachiara G., Fabrizi A., Belosi F. Airborne nanoparticles filtration by means of cellulose nanofibril based materials // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. 2015. V. 7. P. 29-36.

4. Kim S. J., Chase G., Jana S. C. The role of mesopores in achieving high efficiency airborne nanoparticle filtration using aerogel monoliths // Separation and Purification Technology. 2016. V. 166. P. 48-54.

5. ArajiM. T., Ray S. D., LeungL. Pilot-study on airborne PM2.5 filtration with particle accelerated // Sustainable Cities and Society. 2016. V. 28. P. 101-107.

6. Yuna K. M., Hogan Jr. C. J., Matsubayashi Y., Kawabe M., Iskandar F., Okuyama K. Nanoparticle filtration by electrospun polymer fibers // Chemical Engineering Science. 2007. V. 62. P. 4751-4759.

7. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оптимизация в технике. Т. 1. М.: Мир, 1986, 349 с.

8. Сотников А. Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции. T. 2. СПб.: ООО»АТ», 2006. 416 c.

9. Вальдберг А. Ю. Технология пылеулавливания. Л.: Машиностроение, 1985. p. 192.

10. Самсонов В. Т. Обеспыливание воздуха в промышленности. Методы и средства, М.: ИНФА-М, 2016. p. 233.

11. ГОСТ Р ЕН 779-2014. Фильтры очистки воздуха общего назначения. — М.: Стандартинформ, 2014.

12. ГОСТ Р ЕН 14799-2013. Фильтры воздушные для общей очистки воздуха. М.: Стандартинформ, 2013.

13. Цыганков А. В., Алешин А. Е. Моделирование процессов конденсации и испарения в канале регенеративного тепло-утилизатора // Вестник Международной академии холода. 2016. № 1. c. 82-85. DOI: 10.21047/1606-4313-2016-15-182-85

14. Цыганков А. В., Пронин В. А., Шпилин Д. Н., Алешин А. Е. Гидродинамический расчет орошаемой колонны с пористыми насадочными телами. // Вестник Международной академии холода. 2014. № 2. c. 34-36.

15. Luitsyansky L. H. Mechanics of fluid and gas. New York: Wiley, 1961.

References

1. State standard 30494-2011. Residential and public buildings. The parameters of the microclimate in the premises. (in Russian)

2. State standard R ISO 14644-1-2017. Clean rooms and associated controlled environments. Part 1. Classification of air cleanliness by concentration of particles. (in Russian)

3. Alexandrescu L., Syverud K., Nicosia A., Santachiara G., Fabrizi A., Belosi F. Airborne nanoparticles filtration by means of cellulose nanofibril based materials. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. 2015. V. 7. P. 29-36.

4. Kim S. J., Chase G., Jana S. C. The role of mesopores in achieving high efficiency airborne nanoparticle filtration using aerogel monoliths. Separation and Purification Technology. 2016. V. 166. P. 48-54.

5. Araji M. T., Ray S. D., Leung L. Pilot-study on airborne PM2.5 filtration with particle accelerated. Sustainable Cities and Society. 2016. V. 28. P. 101-107.

6. Yuna K. M., Hogan Jr. C. J., Matsubayashi Y., Kawabe M., Iskandar F., Okuyama K. Nanoparticle filtration by electrospun polymer fibers. Chemical Engineering Science. 2007. V. 62. P. 4751-4759.

7. Reklatis G., Ravindran A., Ragsdell K. Optimization techniques. Vol. 1. Moscow: Mir, 1986, 349 p. (in Russian)

8. Sotnikov A. G. Processes, devices and systems of air conditioning and ventilation. Vol. 2. — SPb.: AT LLC, 2006. 416 p. (in Russian)

9. Valdberg A. Y. Technology of dust collectors. Leningrad: Mechanical Engineering, 1985. p. 192. (in Russian)

10. Samsonov V. T. Dust removal in industry. Methods and means. Moscow: INFA-M, 2016. p. 233. (in Russian)

11. State standard R EN 779-2014. General-purpose air filters. Moscow: Standartinform, 2014.. (in Russian)

12. State standard R EN 14799-2013. Air filters for General air purification. Moscow: Standartinform, 2013.. (in Russian)

13. Tsygankov A. V., Aleshin A. E. Simulation of evaporation and condensation processes into the channels of regenerative heat exchangers. VestnikMezhdunarodnoiAkademiiKholoda. 2016. No 1. pp. 82-85. DOI: 10.21047/1606-4313-2016-15-1-82-85. (in Russian)

14. Tsygankov A. V., Pronin V. A., Shpilin D. I., Aleshin A. E. Calculation of hydrodynamics for spray tower with porous packing. Vestnik Mezhdunarodnoi Akademii Kholoda. 2014. No 2. p. 34-36.. (in Russian)

15. Luitsyansky L. H. Mechanics of fluid and gas. New York: Wiley, 1961.

Сведения об авторах

Цыганков Александр Васильевич

д. т. н., профессор факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail], РИНЦ SPIN-код 6394-8045, Scopus ID 57192671898

Лысев Владимир Иванович

к. т. н., старший научный сотрудник, старший преподаватель факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail], РИНЦ SPIN-код 6287-7848

Долговская Ольга Владимировна

аспирант факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail], РИНЦ SPIN-код 9181-9946

Хилдаяти Анниса

аспирант факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Information about authors

Tsygankov Aleksander Vasilyevich

D. Sc., Professor of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail], Scopus ID 57192671898

Lysev Vladimir Ivanovich

Ph. D., senior researcher, senior lecturer of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Dolgovskaia Olga Vladimirovna

Postgraduate Student of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Hildayati Annisa

Postgraduate Student of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

V Международная научно-техническая конференция

Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ

с 23 по 24 мая 2019 г.

Организаторы: Университет ИТМО Международная академия холода

Основные научные направления конференции:

> Состояние теплофизических измерений в области низких и умеренных температур (методы и приборы). Результаты исследований теплофизических свойств. Вопросы автоматизации теплофизических измерений. Состояние метрологии теплофизических измерений.

Срок подачи заявок на участие в конференции до 21 апреля 2019 г. Срок сдачи докладов до 15 мая 2019 г.

Конференция проводится на базе мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем Университета ИТМО Место проведения: Ленинградская обл., Приозерский район, поселок Ягодное

Телефон для справок: [phone], [phone], Тамбулатова Екатерина Викторовна

Е-таП: т^р^р Ь @д та i I. со т

Подробная информация на сайте: www.tfi.ifmo.ru

УДК 697.94

Исследование насадок орошаемого скруббера в системах регенерации воздуха при поглощении CO2

Д-р техн. наук В. А. ПРОНИН1, О. В. ДОЛГОВСКАЯ2, канд. техн. наук Ю. В. ТАТАРЕНКО3, Ю. ГАРМАЛЫГА4

[e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail],

Университет ИТМО

При разработке систем регенерации воздуха необходимо решение основных задач, таких как поглощение углекислого газа и регенерация кислорода. В настоящей работе проведено исследование оценки эффективности ряда насадок при абсорбционных процессах насадочного скруббера. Использовались насадки из пропиленового материала: в виде колец диаметром 140 мм, толщиной 5 мм, высотой 35 мм; в виде колец диаметром 55 мм, толщиной 5 мм, высотой 60 мм; а также материал «MATALA» SM150. Для формирования рабочей зоны скруббера использовались различные схемы укладки насадок: навалом и послойно. При подаче в скруббер изменялись концентрация CO2 и концентрация и расход абсорбента (NaOH) для каждого вида насадки. Данные, полученные в ходе эксперимента анализировались и сравнивались с показаниями безнасадочного скруббера. Произведена оценка эффективности насадок на заключительном этапе и наиболее эффективной для поглощения CO2, следует признать насадку комбинированного типа, использующую полимерный материал «MATALA», которая имеет регулярные слои такого материала и слои с хаотичной засыпкой из кусков этого же материала размером не более 100^100^40 мм. Полученные результаты позволяют выдать практические рекомендации проектировщикам систем регенерации воздуха для герметично замкнутых объектов.

Ключевые слова: насадочный орошаемый скруббер, поглощение CO2, полимерные насадки, система регенерации воздуха, пористые насадочные тела, эффективность поглощения CO2.

Информация о статье:

Поступила в редакцию 28.01.2019, принята к печати 09.04.2019 DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-2-43-48 Язык статьи — русский Для цитирования:

Пронин В. А., Долговская О. В., Татаренко Ю. В., Гармалыга Ю. Исследование насадок орошаемого скруббера в системах регенерации воздуха при поглощении CO2 // Вестник Международной академии холода. 2019. № 2. С. 43-48.

The packed beds of water-spray scrubber in air regeneration systems during CO2 absorption

D. Sc. V. A. PRONIN1, O. V. DOLGOVSKAIA2, Ph. D. Yu. V. TATARENKO3, Yu. GARMALIGA4

[e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail],

ITMO University

While designing the systems of air regeneration the process like CO2 absorption and oxygen regeneration are the main issues. The paper investigates the efficiency ofthe packed beds in absorption processes ofpacked scrubber. Thefollowing polypropylene packed beds are used: rings of 140 mm diameter, 5 mm thickness, and 35 mm height; rings of 55 mm diameter, 5 mm thickness, and 60 mm height; and MATALA SM 150 material. Different ways of capping have been usedfor scrubber working site: in bulk and in layers. For every type of packed bed CO2 concentration, as well as the concentration and flow rate of the absorbent (NaOH), are changed while supplying into the scrubber. The experimental data have been analyzed and compared with the datafor packless scrubber. The packed beds have been evaluated in terms oftheir CO2 absorption efficiency. The packed bed of combined type using MATALA polymeric material with regular layers of the material and the layers with chaotic fillingfrom the pieces of the same material of the size not more than 100*100*40 mm should be considered as the most effective one. The results obtained allows formulating practical recommendations for designers of air regeneration systems for hermetically closed rooms.

Keywords: packed water-spray scrubber, CO2 absorption, polymeric packed bed, air regeneration system, porous packings, CO2 absorption efficiency.

Article info:

Received 28/01/2019, accepted 09/04/2019 DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-2-43-48 Article in Russian For citation:

Pronin V. A., Dolgovskaia O. V, Tatarenko Yu. V, Garmaliga Yu. The packed beds of water-spray scrubber in air regeneration systems during CO2 absorption. VestnikMezhdunarodnoi akademii kholoda. 2019. No 2. p. 43-48.

Введение

Насадочные скрубберы представляют собой аппараты, рабочая часть которых заполняется насадочными компонентами, которые различаются как по форме, так и по видам материалов, из которых они изготовлены [1, 2].

По форме насадочные тела могут быть в виде колец, шаров, пластин, седел, хорд и других геометрических фигур. Основными материалами, из которых изготавливают насадку орошаемых колонн, являются — керамика, металлы, различные виды пластмасс и т. д.

Основные требования, предъявляемые к насадке, состоят в создании развитой поверхности контакта жидкой и газообразной фаз, минимальной потери рабочего давления газовоздушной среды, а также равномерного распределения контактирующих фаз по поперечному сечению скруббера. Кроме перечисленных свойств насадка должна обладать химической стойкостью и механической прочностью. По способу укладки различают упорядоченную насадку, когда насадочные тела ориентируются в пространстве и хаотичную насадку, когда насадочные тела засыпаются беспорядочно. Выбор вида насадки и способ ее укладки существенно влияют на эффективность работы скруббера, что подтверждается как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями. [3, 4].

В настоящей работе в качестве поглотителя углекислого газа в системе регенерации воздуха использовался насадочный орошаемый скруббер.

Одной из основных задач исследования является оценка эффективности различных видов насадок при абсорбционных процессах в рабочей части аппарата и сравнение их с данными безнасадочного скруббера.

Экспериментальная часть

Для проведения исследования был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд, состоящий из поглотителя углекислого газа (СО2), генератора кислорода, вспомогательных систем и устройств, измерительного комплекса, а также систем автоматики и защиты от нестандартных ситуаций. В целом, стенд имитировал работу системы регенерации воздуха для герметичных изолированных объектов. При проектировании насадочного абсорбента задавались следующие величины:

— расход газовоздушной смеси (ГВС) — V;

— начальная концентрация СО2 в ГВС — Сн;

— степень извлечения С02 из ГВС -X;

— поступающий на абсорбцию абсорбент, не содержащий С02, — Хн=0;

— рабочее давление процесса Р:=0,611 МПа;

— атмосферное давление в абсорбере — Р0;

— мольные массы: в абсорбере — МШ2=44 кг/моль, водный раствор абсорбента Ма=(18-20) кг/моль; воздух Мв=29 кг/моль.

При составлении материального баланса и расчете расхода жидкости орошения использовались следующие зависимости [5, 6, 7]:

1. Расход воздуха (при нормальных условиях)

V! ^ (1 - Сн) или в=Крв, где рв — плотность воздуха.

2. Относительные массовые концентрации

_ мсо Сн

н Мв(1 - Сн) 3. Массовое поглощение СО2 составит:

т=Ов (Ся - С),

где СК=СН ХСН

4. Уравнение линии равновесия можно представить в виде:

мсо, РХ

Р = -

Мв Р0

5. Расход раствора абсорбента

<2=Кт- (X-Хн),

где Хк — концентрация СО2 в водном растворе абсорбента на выходе из абсорбера при равновесии с входящей ГВС, Хк= т<+Хн; К — коэффициент запаса, £=0,15-0,20.

На следующем этапе проектирования определялась скорость ГВС и диаметр абсорбера, исходя из типа насадки [8, 9, 10].

Фиктивную предельную скорость ГВС в точке инверсии можно описать выражением:

Ра 1 °

д0,25 рОД25

Ра

где — предельная скорость ГВС;

ца— динамическая вязкость раствора абсорбента; / — удельная поверхность насадки; е — свободный объем рабочей части абсорбера; В — эмпирический коэффициент для насадки; ра- плотность раствора абсорбента; рв — плотность воздуха.

Определяем рабочую скорость ГВС для предотвращения режима захлебывания.

Гр=0,75Гпр

Диаметр рабочей части абсорбера можно определить из выражения:

й _

40_ Жркрв

После определения диаметра абсорбера (площади поперечного сечения) определяется плотность орошения д:

Q

4 =

SPа

рй 2

где S _ -4- — площадь поперечного сечения абсорбера. Оптимальная плотность орошения:

допт К*2f

где К2 зависит от свойств насадки.