Совершенствование конструкции массообменного устройства для проведения процесса абсорбции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Афанасенко, Виталий Геннадьевич

• Афанасенко, Виталий Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Афанасенко, Виталий Геннадьевич

Условные обозначения

Введение

1 Способы удаления сероводорода из технологических газов с выявлением наиболее перспективного. Анализ конструкций аппаратов для проведения процесса абсорбции. Исследование основных направлений интенсификации процесса.

1.1 Необходимость очистки технологических и природных газов 11 от серосодержащих соединений. Их классификация.

1.2 Способы удаления серосодержащих компонентов из газовой 13 смеси и аппараты для его осуществления.

1.3 Общие сведения о процессе абсорбции

1.4 Основные типы аппаратов, для проведения процесса аб- 17 сорбции, их основные достоинства и недостатки

1.4.1 Пленочные (поверхностные) абсорберы

1.4.2 Насадочные абсорберы

1.4.3 Барботажные абсорберы

1.4.4 Распылительные абсорберы

1.5 Способы интенсификации массобменных процессов и пути 31 их реализации

1.6 Интенсификация массообменных процессов при использо- 33 вании вихревых эффектов

1.6.1 Преимущества проведения массообменных процессов в ап- 33 паратах вихревого типа

1.6.2 Способы и устройства формирования закрученных потоков

1.7 Кавитирование жидкой фазы как способ интенсификации 38 массообменных процессов

1.8 Выбор прототипа устройства для проведения массообменных процессов с выявлением его основных достоинств и недостатков

2 Разработка конструкции и методики расчета устройства 41 для распыления жидкости

2.1 Процесс дробления дисперсной жидкости

2.2 Описание конструкции и принципа работы форсунки

2.3 Изменение скорости в канале форсунки

2.4 Дробление капельной жидкости в потоке закрученного газа

2.5 Влияние сил сопротивления на движение дисперсной фазы в 58 закрученном потоке сплошной

2.6 Теоретическое определение угла раскрытия факела распыла

2.7 Варианты конструкций устройств подвода жидкой фазы

3 Разработка устройства для смешивания при прямоточ- 69 ном движении сред

3.1 Оценка эффективности прямоточного смесителя

3.2 Описание исследуемой расчетной модели

3.3 Оценка работы диафрагмовых смесителей

3.4 Исследование смесительных устройств вихревого типа

3.4.1 Изменение основных характеристик при изменении длины 77 шага шнека

3.4.2 Исследование изменения дисперсии концентрации после 81 вихревого смесителя с постоянным шагом

3.4.3 Изменение основных характеристик при изменении количе- 83 ства витков шнека

3.5 Разработка конструкций прямоточных смесителей с исполь- 86 зованием аксиальных закручивающих устройств

3.5.1 Использование в смесителе шнека переменного сечения

3.5.2 Использование в смесителе нескольких шнеков на одной оси

3.5.3 Использование в смесителе перфорированных шнеков

4 Совершенствование конструкции массообменного аппарата для проведения процессов в системе «газ-жидкость»

4.1 Разработка конструкций массообменных аппаратов

4.2 Опытно-промышленные испытания кавитационно-вихревого 101 абсорбера на предварительной сероочистке коксового газа ООО «ЛУКОЙЛ - Пермнефтегазопереработка»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкции массообменного устройства для проведения процесса абсорбции»

Основным видом оборудования предприятий химической и нефтеперерабатывающей промышленности являются массообменные аппараты. В таких аппаратах осуществляется процесс переноса вещества из одной фазы в другую. Интенсификация массообменных процессов дает возможность увеличить производительность технологических аппаратов, уменьшить их габаритные размеры, металлоемкость, сократить потребление энергии и многое другое.

Абсорбция, как один из видов массообменных процессов, применяется: с целью получения готового продукта в виде насыщенного сорбента (при этом абсорбцию проводят без десорбции), извлечения ценных компонентов из газовой смеси и очистки газа от примесей перед их использованием в технологических процессах или перед их выбросом в атмосферу.

Одним из перспективных направлений интенсификации абсорбционных, как и других видов тепло- и массообменных процессов, является проведение процесса в условиях закрученного движения потоков, при котором взаимодействующие между собой среды движутся не только поступательно, но и вращательно, что позволяет без значительных изменений габаритных размеров устройства, за счет увеличения скорости, турбуллизировать поток, повышая тем самым коэффициенты массоотдачи. Кроме этого, при закрученном движении потоков наблюдается повышение эффективности перемешивания, приводящее к увеличению удельной поверхности контакта фаз и гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности.

Для создания и поддержания закрученного движения зачастую целесообразно использовать энергию потока, что позволяет не только уменьшить габаритные размеры, но и существенно упростить конструкцию устройства, облегчая тем самым разработку компактных, малогабаритных массообменных аппаратов.

Таким образом, совершенствование конструкций прямоточных массооб-менных устройств для проведения абсорбционных, как и других видов обменных процессов, путем создания и оптимизации вихревого движения контактирующих потоков является актуальной задачей.

На основании вышеизложенного, были определены основные задачи исследования:

1. Разработать конструкцию камеры предварительного смешения газовой и жидкой фазы, а также методику расчета ее основных параметров.

2. Разработать конструкции устройств для прямоточного вихревого смешения и систему критериев для оценки эффективности их работы.

3. На основе проведенных исследований совершенствовать ранее существующие конструкции прямоточных массообменных устройств для проведения процесса абсорбции путем оптимизации вихревого движения, контактирующих потоков.

4. Проверить в промышленных условиях теоретические расчеты и про-ектно-конструкторские решения с целью повышения эффективности массообменного процесса в системе «газ-жидкость».

Научная новизна.

Построена математическая модель движения дисперсных частиц во вращающемся потоке газа, а также предложена методика расчета размеров капель жидкости, образующейся в закрученном потоке сплошной фазы, на основе которых доказана возможность вторичного дробления капель на периферии вращающегося потока.

Предложена система критериев для оценки эффективности работы прямоточных смесителей, предназначенная для оптимизации гомогенных процессов с использованием подобных устройств.

Выявлены качественные зависимости основных характеристик устройств для прямоточного смешения на основе закручивающих устройств, выполненных в виде шнеков, от их геометрических размеров.

Практическая значимость.

Разработана конструкция прямоточного распыливающего устройства для очистки газов (патент 66218 РФ), а также его модификации (патенты 70153, 70815 РФ), использование которых позволит интенсифицировать мас-сообменный процесс абсорбционного поглощения из газовой смеси гомогенных примесей. С целью увеличения угла факела распыла разработана конструкция устройства для диспергирования жидкой фазы (патент 68653 РФ).

Конструкция кавитационно-вихревого абсорбера (патент 70153 РФ) быо ла испытана и внедрена на ООО «ЛУКОЙЛ - Пермнефтегазпереработка» (г.Пермь) для предварительной очистки газа коксовой установки от сероводорода.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались:

1) на III Всероссийской научной конференции «Теория и практика массо-обменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)» (г.Уфа, 2006 г.);

2) Международной научно-практической конференции «НЕФТЕГАЗО-ПЕРЕРАБОТКА И НЕФТЕХИМИЯ - 2007» (г. Уфа, 2007г.);

3) VIII Международной молодежной научной конференции «Севергео-экотех-2007» (г. Ухта, 2007 г.);

4) Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.);

5) XI региональном конкурсе научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа (г. Уфа, 2007 г.);

6) Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно - энергетического комплекса» (г. Уфа, 2007 г.);

7) Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008» (г. Москва, 2008 г.);

8) региональной научно-практической конференции «Технология, автоматизация, оборудование и экология промышленных предприятий» (г. Стерлитамак, 2008 г.).

Основное содержание работы изложено в 15 публикациях, из них 4 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК и 1 статья - в центральной печати; также получено 4 - патента РФ на полезную модель.

Работа выполнена на кафедре «Пожарная и промышленная безопасность» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Афанасенко, Виталий Геннадьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана конструкция прямоточного устройства для очистки газов (патент 66218 РФ), а также его модификации (патенты 70153, 70815 РФ), использование которых позволит интенсифицировать массооб-менный процесс абсорбционного поглощения из газовой смеси гомогенных примесей за счет оптимизации вихревого движения контактирующих потоков.

2 Разработана конструкция камеры предварительного смешения газовой и жидкой фазы, предназначенной для эффективного взаимодействия компонентов на начальном этапе процесса под действием кавитацион-но-вихревых эффектов.

3 Построена математическая модель движения дисперсных частиц во вращающемся потоке газа и предложена методика расчета размеров капель жидкости, образующейся в закрученном потоке сплошной фазы, на основе которых доказана возможность вторичного дробления капель жидкости на периферии вращающегося потока.

4 Разработана конструкция устройства для диспергирования жидкой фазы (патент 68653 РФ), направленная на увеличение угла факела распыла. Повышение эффективности работы форсунки обеспечивается большей площадью контакта выходящей жидкости со сплошной фазой за счет использования сопла кольцевой формы.

5 Предложена система критериев для оценки эффективности работы прямоточных гомогенных смесителей, предназначенная для сравнения и подбора оптимальных для заданного процесса конструкций подобных устройств.

6 Разработаны конструкции смесительных прямоточных устройств, работа которых основана на создании нестационарного закрученного движения потока и интенсификации турбулентных возмущений с применением аксиальных закручивающих устройств.

7 Выявлены качественные зависимости основных характеристик прямоточных вихревых смесителей, выполненных на основе шнеков, от их геометрических размеров.

110

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Афанасенко, Виталий Геннадьевич, 2008 год

1. Исмагилов Ф.Р., Вольцов А.А., Аминов О.Н. и др. Экология и новые технологии очистки сероводородсодержащих газов, Уфа: Экология, 2000, 214 с.

2. Босняцкий Г.П. Природный газ и сероводород, справочное пособие, под научной редакцией Седых А.Д., Гриценко А.И., Мурина В.И., Усошина В.А,- М: «Газоилпресс», 1998. 224с.

3. Мазур И.И. Экология нефтегазового комплекса: Наука. Техника. Экономика. М.: Недра, 1993. 496 с.

4. Гриценко А.И., Аюпова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и газ. М.: Недра, 1997. 598 с.

5. Современные технологии переработки сероводородсодержащих природных газов// Газовая промышленность. 1998, №7

6. Хабибуллин P.P., Рогозин В.И., Вышеславцев Ю.Ф. Современные методы очистки газов от кислых компонентов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988. - 60 с.

7. Гриценко А.И., Галанин И.А., Зиновиева Л.М. Мурин В.И. Очистка газов от сернистых соединений при эксплуатации газовых месторождений. М.: Недра, 1985. 270 с.

8. Мак К.И. Перевод установок аминной очистки газов на растворители МДЭА// Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1993, №6

9. Хафизов Ф.Ш., Афанасенко В.Г., Гильмуллина А.Ф., Хафизов Н.Ф.

10. Способы очистки газа от сероводорода и выбор приорететного направления развития процесса // Международная научно-практическая конференция «НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКА И НЕФТЕХИМИЯ -2007». г. Уфа: ГУЛ ИНХП РБ, 2007. с. 81-82

11. Семенова Т.А., Лейтес И.Л., Аксельрод Ю.В. и др. Очистка технологических газов, М: Химия, 1969 г., 392 с.

12. Гафиатуллин P.P. Разработка экологически безопасных и ресурсосберегающих процессов переработки сероводорода. Диссертация к.т.н. Уфа, 2000

13. ОСТ 51.40-93 Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам. Технические условия

14. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов: справочное пособие. — М.: Химия, 1983.-224 с.

15. Николаев В.В., Бусыгина Н.В., Бусыгин И.Г. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа. — М.: Недра, 1998. — С. 184.

16. Кузьменко Н.М. и др. Очистка природных газов от сернистых соединений. М.: Обзорная информация ЦИНТИ ХИМНЕФТЕМАШ, 1980,-47с.

17. Коуль А.Л., Ризенфельд Ф.С. Очистка газа.- М.: Недра, 1968-392 с.

18. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е перераб и доп. М.: Химия, 1976. 656 с.

19. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. -Изд. 3-е. В 2-х кн.: Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 2002. 368 с

20. Кафаров В.В. Основы массопередачи. 3-е изд., перераб. и доп. М: Высшая школа, 1979. - 439 с.

21. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию, под редакцией Дытнерского Ю.И, изд. 2-е перераб и доп. М.: Химия, 1991. 496 с.

22. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник в 2-х кн. М.: Логос; Высшая школа, 2003. Кн. 2. 872 с.

23. Комиссаров Ю.А., Глебов М.Б., Гордеев Л.С. и др. Химико-технологические процессы. Теория и эксперимент: М.: Химия, 1998. — 360 с.

24. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 7-е. М.: Государственное Научно-техническое издательство химической литературы, 1961.- 818с.

25. Скобло А.И., Трегубова И.А., Малоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности, изд 2-е перераб и доп. М.: Химия, 1982 584 с.

26. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты, М.: Химия, 1971 -295 с.

27. Аксельрод Ю.В. Газожидкостные хемосорбционные процессы. М.: Химия, 1989-240 с.

28. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. М., Химия, 1980. —408 с.

29. Плановский А. Н., Николаев П. И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Химия, 1972. — 496 с.

30. Цибровский Я.Н. Основы процессов химической технологии Перевод с польского под ред. Романкова П. Г. Л.: Химия, 1967. — 720 стр.

31. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973 - 752 с.

32. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие. М.: Химия, 1981. - 812 с.

33. Оленовский В.М., Ручинский В.Р., Кашников A.M., Чернышев В.И. Пленочная тепло- и массообменная аппаратура. Под ред. Оленовского В.М. -М.: Химия, 1988. 240 с.

34. Систер В.Г., Мартынов Ю.В. Принципы повышения эффективности тепломассообменных процессов. — Калуга: Издательство Н.Бочкоревой, 1998. 508 с.

35. Мухутдинов Р.Х., Амиров Р.Я., Альмеев Л.Э., Ханнанов М.М. Эффективность внедрения вихревых аппаратов (применительно к нефтехимическим производствам). Под ред. Амирова Н.С. Уфа: Изд-во «Реактив», 2001. 347 с.

36. Мухутдинов Р.Х. Еще раз о сущности вихревого эффекта. //Вихревой эффект и его промышленное применение /Материалы III Всесоюзной научно-технической конференции. -Куйбышев.- 1981.- С.42-45

37. Дмитриев А.В., Латыпов Д.Н., Николаев А.Н. Динамика сплошной фазы в аппаратах вихревого типа, предназначенных для комплексной очистки газовых выбросов промышленных предприятий// Химия и химическая технология, 2004. т. 47 №10 с 85 88.

38. Хафизов Ф.Ш., Хафизов Н.Ф., Ванчухин Н.П. «Процессы нефтепереработки в кавитационно вихревых аппаратах». - Уфа: Изд-во Фонда содействия развитию научных исследований, 1999. - 110с.

39. Юминов И.П. Разработка кавитационно-вихревого аппарата для процесса окисления углеводородного сырья. Диссертация УГНТУ Уфа. 1999г.

40. Николаев A.M., Овчинников А.А., Николаев Н.А. Высокоэффективные вихревые аппараты для комплексной очистки больших объемов промышленных выбросов// Химическая промышленность, 1992. №9

41. Хафизов Ф.Ш., Афанасенко В.Г., Хафизов И.Ф. Интенсификация мас-сообменных процессов в условиях закрученного движения потока //

42. Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». -СПб: т. 11,2007. с.277-278

43. Систер В.Г., Трубачев Ю.Г. Исследование гидродинамических и массообменных характеристик центробежного абсорбера// Химическое и нефтяное машиностроение. 1992, №11

44. Крылов B.C. Теоретические основы интенсификации процессов межфазного обмена // Теор. основы хим. технологии. 1983. Т. 17. №1. С. 15-17

45. Протодьяконов И.О., Люблинская И.Е. Гидродинамика и массообмен в системах «газ-жидкость», Л.: Наука, 1990.

46. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки: пер. англ/ Под ред. Крашенинникова. М.: Мир, 1987.

47. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. Под. ред. Леонтьева А.И. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000 - 412 с.

48. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? М.: «Энергия», 1976, 150с.

49. Пиралишвили Ш.А. К вопросу определения профиля окружной скорости вынужденного вихря //Вихревой эффект и его применение в технике /Материалы 2-й Всесоюзной научн-техн. конф. -Куйбышев.-1976.-С. 19-24.

50. Соколов Е.Я. Характеристика вихревой трубы. //Теплоэнергетика.-1966.-№ 7, С.62-67.

51. Хафизов Ф.Ш., Разработка технологических процессов с использованием волновых воздействий, диссертация д.т.н., Уфа, 1996

52. Метенин В. И. Исследование противоточных вихревых труб //Инженерно физический журнал.- 1964.- Т.7.- № 2.- С.95-102.

53. Вихревые аппараты/ АД. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин и др./ Под ред. А.Д. Суслова. М.: Машиностроение, 1985.

54. Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы II Всесоюзной науч.-техн. конференции. Куйбышев: КуАИ, 1976. 273 с.

55. Теория турбулентных струй/ Под ред. Абрамовича. М.: Наука, 1984

56. Нигматуллин Р. И. Динамика многофазных сред. -T.I. -М.: Наука. Гл.ред. физ.-мат.лит., 1987. 464с.

57. Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения. Труды второго н.-т.к. КуАИ им. С.П. Кололева. Куйбышев, КуАИ 1976, 275 с.

58. Абросимов Б.Ф. Газодинамические особенности и механизм энергетического разделения закрученного потока в цилиндрических диафрагмированных каналах. Диссертация канд. техн. наук. Уфа. 1988. -205 с.

59. Ильина Т.Ф. Разработка низконапорных аппаратов вихревого типа для улавливания твердой фазы из аэродисперсных потоков. Диссертация канд. техн. наук. Уфа. 1993.

60. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев: Наукова думка, 1989

61. Щукин В.К. Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осимметричных каналах. М.: Машиностроение. 1982.-138с.

62. Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. // М.: Машиностроение. 1986. 183 с.63