XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителем- абсорбентом. Если поглощенный газ- абсорбтив- химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции.

Физическая абсорбция обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора- десорбция. [1]Десорбция, удаление адсорбированного вещества с поверхности адсорбента. Десорбция происходит при уменьшении концентрации адсорбируемого вещества в среде, окружающей адсорбент, а также при повышении температуры [2].

Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбцию проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.

В промышленности абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

Для получения готового продукта (например, абсорбция SO₃

в производстве серной кислоты, абсорбция HCl с получением хлороводородной кислоты); при этом абсорбцию проводят без десорбции;

Для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

Для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SO_2).

Для осушки газов, когда в абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы- жидкая и газовая- и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или наоборот. Из жидкой в газовую (при десорбции), причем инертный газ и поглотитель являются только носителями компонента соответственно в газовой и жадкой фазе и в этом смысле в массопереносе не участвуют.

Аппараты, в которых происходят процессы абсорбции, называют абсорбаторами [1].

Абсорбцию и десорбцию относят к физическим (массообменным) процессам, по типу массообмена к абсорбционным.

В тепло-массообменных процессах воздействия должны быть связаны с ускорением переноса энергии и массы. Из физической сущности тепломассопереноса следует, что интенсификация может идти по пути создания больших градиентов, влияния на конвективный перенос, непосредственно на коэффициенты переноса, а также по пути управления распределением источников. Когда создание больших градиентов лимитировано свойствами перерабатываемых веществ или технологическими условиями, перспективно физическое воздействие через конвективный тепло-массоперенос. Существенный вклад может дать управляемое пространственно-временное распределение внутренних источников тепла, генерируемых различными полями или частицами. Возможно влияние непосредственно на коэффициенты переноса, например, утончение пограничных слоев поз воздействием колебаний и др. [3] А также одним из преспективных направлений интенсификации процессов абсорбции является проведение процессов аппаратах, конструкция которых позволяет создать два и более режима движения потоков, при которых взаимодействующие между собой среды движутся не только поступательно, но и вращательно, т.е. для увеличения коэффициента массоотдачи. Для интенсификации процессов абсорбции и десорбции можно использовать следующие энергетические воздействия электро-магнитное, акустическое, тепловое, радиоционное.

Ультразвуковая интенсификация абсорбции газов- воздействие ультразвуковыми колебаниями, которые за счет действия кавитации увеличивают межфазную поверхность «газ-жидкость» и ускоряют диффузию газа в жидкость-абсорбент за счет стационарных акустических течений [1, 2].

Для выявления оптимальных режимов воздействия был выполнен теоретический̆ анализ кинетики абсорбции при наложении ультразвуковых колебаний. Теоретический анализ проводился для модельной двухслойной системы «жидкость-газ» [4] (рисунок 3.1) и позволил определить усреднённую концентрацию абсорбируемого газа на выходе технологического объема абсорбционного аппарата (C _outavg = JC(L,y)õy) в зависимости от режимов УЗ воздействия (частота колебаний f, интенсивность колебаний I), толщин слоев газовой смеси h_g и жидкости-абсорбента h, скоростей течения газовой смеси u_g и жидкости- абсорбента u, концентрации абсорбируемого газа вблизи входного торца технологического объема C_gin, протяженности L канала технологического объема, в котором происходит течение.

Рисунок 3.1- Модельная двухслойная система «жидкость-газ» для теоретического анализа кинетики абсорбции.

Проведенный теоретический анализ позволил установить оптимальные режимы ультразвукового воздействия, обеспечивающие максимальную эффективность абсорбции, а именно:

интенсивность УЗ воздействия (рисунок 3.2) должна составлять от 2 до 4 Вт/см2 в зависимости от вязкости жидкости-абсорбента (например, 2 Вт/см2 для жидкости вязкостью 1 мПас, 2,9 Вт/см2- для 3 мПас; 4 Вт/см2- для 7 мПас).

частота УЗ воздействия должна составлять 22 кГц для обеспечения максимальной интенсивности кавитации, способствующей интенсификации абсорбции.

Рисунок 3.2- Зависимости относительного увеличения производительности абсорбции от интенсивности колебаний.

Выявленные режимы воздействия обеспечивают повышение производительности абсорбции на 80% для жидкостей-абсорбентов с вязкостью 7 мПас, и более чем в 2 раза для жидкостей, по вязкости близких к воде (1 мПас).

Рисунок 3.3- Зависимости изменения концентрации газа, поглощаемого в ходе абсорбции, от протяженности технологического объема при различных пневматических давлениях.

Анализ изменения концентрации проводился для абсорбируемого газа CO2 (углекислый газ). Длина канала технологического объема должна быть ограничена максимальной протяженностью зоны кавитации (зоны возникновения схлопывающихся пузырьков), т.е. значением 50 см при одном излучателе для жидкости абсорбента по вязкости близкой к воде. При этом максимальное пневматическое давление абсорбируемого газа на входе должно составлять не менее 1,5 МПа, чтобы фоновая концентрация CO2 в помещении не скрывала изменение концентрации CO2 в технологическом объеме в результате абсорбции.

Для экспериментального подтверждения выявленных режимов ультразвукового воздействия был изготовлен специализированный̆ стенд, имитирующий реальные условия протекания абсорбции. Технологическая схема стенда представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4- Технологическая схема стенда для экспериментальных исследований ультразвуковой интенсификации абсорбции

Оборудование для комплектации стенда выбиралось исходя из полученных теоретических данных об оптимальных режимах ультразвукового воздействия, необходимом давлении абсорбируемого газа и протяженности канала технологического объема, а именно:

для протекания абсорбционного процесса диаметр технологического объема LC должен составлять 20 см, а протяженность - 50 см;

для УЗ воздействия на жидкость-абсорбент необходимо использовать ультра­ звуковой технологический аппарат «Волна-М-1/22» (ультразвуковой излучатель USR в комплекте с электронным генератором GUSF), способный обеспечить интенсивность УЗ колебаний не менее 4 Вт/см2 на частоте 22 кГц;

для подачи абсорбируемого газа (CO2) следует использовать углекислотный баллон с редуктором-регулятором давления (PR) УР-6-6, обеспечивающий максимальное пневматическое давление не менее 1,5 МПа;

для подачи жидкости-абсорбента следует использовать перистальтический насос NAV-4, способный обеспечить расход не менее 4,5 л/ч;

для определения эффективности абсорбции следует использовать один из стандартных газоанализаторов модели Breeeth, способный измерять концентрацию CO2 в диапазоне от 0 до 10 000 ppm с точностью до ±50 ppm.

На рисунке 3.5 представлены эскиз и фото технологического объема, входящего в со­ став стенда, с установленным УЗ излучателем технологического аппарата «Волна-М-1/22» [5].

Рисунок 3.5- Эскиз (а) и фото (б) технологического объема для протекания абсорбции с установленным ультразвуковым излучателем

При интенсивности воздействия 6 Вт/см2 ультразвуковые колебания ускоряют процесс до 6 раз по сравнению с эффективностью без ультразвукового воздействия[6].

Ультразвуковой излучатель для кавитационно-акустической интенсификации абсорбционных процессов

Кавитационно-акустическое воздействие имеет следующие преимущества:

1. Возможность интенсификации абсорбции независимо от химического состава разделяемых газов и жидких абсорбентов за счет выбора оптимальных режимов и условий воздействия (по частоте, интенсивности, месту, направлению ввода УЗ колебаний и излучающей площади), определяемых физическими свойствами двухфазной системы «жидкость-газ».

2. Простота установки источников ультразвуковых колебаний в существующие абсорбционные аппараты. Установка источников ультразвука не потребует изменения конструкции и функциональных возможностей абсорберов.

3. Низкая энергоемкость. Интенсификация поглощения газа происходит даже при малых интенсивностях УЗ воздействия, если выбрать определенную резонансную частоту колебаний.

4. Возможность одновременной интенсификации хемосорбции, поскольку кавитация способствует разрыву химических связей и образованию новых.

5. Компактность источников ультразвуковых колебаний и электронных генераторов для их питания.

Несмотря на преимущества кавитационно- акустического воздействия, на сегодняшний день отсутствуют излучатели, позволяющие осуществлять эффективное УЗ воздействие на тонкие пленки жидкостей с большой площадью растекания.

Для воздействия на жидкость-абсорбент на сегодняшний день известны излучатели с грибовидным (рисунок 3.7) и многозонным (рисунок 3.8) рабочим инструментом.

Рисунок 3.7- Излучатель с грибовидным рабочим инструментом

Рисунок 3.8- Излучатель с многозонным рабочим инструментом

Недостатком излучателей с грибовидным инструментом является малая поверхность воздействия и, как следствие, малый объем кавитационной зоны.

Недостатками многозонного излучателя являются:

– большая дисперсия времени пребывания жидкости-абсорбента из-за вихревых акустических течений; – неравномерность распределения амплитуд, обусловленная наличием участков, колеблющихся в противоположной фазе;

–сниженная прочность из-за наличия изгибных мод на участках максимальной толщины.

Поэтому для устранения вышеуказанных недостатков необходимо передавать колебания через стенки объема, в котором протекает абсорбционный процесс.

Этой возможностью обладает излучатель с трубчатым рабочим инструментом (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9- Излучатель с трубчатым рабочим инструментом

Преимущества данной конструкции:

– малая дисперсия времени пребывания жидкости- абсорбента;

– высокая надежность излучателя за счет жесткости конструкции;

– равномерность диффузии по объёму жидкости-абсорбента из-за отсутствия взаимной компенсации колебаний [7].

Способы абсорбционной очистки природного и попутного газов с применением электромагнитных излучений

. Исходный газ после очистки от влаги и твердых частиц в фильтре 1 сжимают в компрессоре 2, затем охлаждают в теплообменнике 3 и направляют на абсорбцию в аппарат 4. Сечение входного сопла аппарата 4 выполнено таким образом, чтобы обеспечить скорость газа в пределах 650- 700 м/с и вакуум величиной 0,005-0,007 МПа (абс) для создания турбулентного режима и интенсификации процесса абсорбции. В сечении выходного из вакуумной полости сопла скорость газа поддерживается в пределах 180- 250 м/с, при этом давление повышается до 1,5 МПа. Одновременно под действием перепада давления в вакуумную полость из электролизера 8 подают щелочную воду, предварительно пропущенную через магнитный аппарат 12 с индукцией 0,2-0,3 Тл. Образовавшуюся в аппарате 4 парогазовую смесь охлаждают в теплообменнике 5 циркулирующей водой и направляют на разделение в вихревой сепаратор 6. Очищенный газ направляют на дальнейшую переработку, а отделенную воду регенерируют в десорбере 14.

Технический результат - повышение коэффициента массопередачи при контакте очищаемого газа и абсорбента, снижение массогабаритных размеров аппарата и уменьшение удельных затрат [8].

1-фильтр; 2-компрессор; 3,5-теплообменник; 4-абсорбер; 6-сепаратор; 8-электролизер 12-магнитный аппарат; 14-десорбер.

Рисунок 3.10 Изобретение для очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений

Способ комбинированной очистки природного газа

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к способам и устройствам комбинированной очистки газов от кислых компонентов природного газа, двуокиси углерода, сернистых соединений. Способ включает два этапа очистки газа. Вначале исходный газ предварительно очищают от кислых компонентов абсорбцией в аппарате, обеспечивающем контакт очищаемого газа и хемсорбента. Отделяют поглощенные кислые компоненты газа от хемсорбента в десорбере за счет его нагрева, затем охлаждают хемсорбент в теплообменнике и подают насосом в абсорбер. На втором этапе проводят глубокую очистку и осушку газа адсорбцией на попеременно работающих адсорберах, причём абсорбцию кислых компонентов проводят в винтовом компрессоре в процессе сжатия газа. В рабочую полость сжатия винтового компрессора подают хемсорбент, который обрабатывают в электромагнитном поле магнитной индукцией 0.15-0.25 Тл. Десорбцию продуктов очистки проводят в десорбере под давлением 0.8-0.9 бар (абс.), создаваемым водокольцевым вакуум-насосом, которым одновременно улавливают пары воды и хемсорбента. Описано также устройство для осуществления способа. Изобретение позволяет повысить коэффициент массопередачи при контакте очищаемого газа и хемсорбента, снизить массогабаритные размеры блока комбинированной очистки и его материалоёмкость [9].

Рисунок 3.11 Изобретение для комбинированной очистки природного газа

Список использованных источников

Дытнерский Ю.И. «Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты» Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. М.: Химия, 1995.—368 с.: ил.—ISBN 5-7245-1007-3

Косаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии» Учебник для ВУЗов- 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. с изд. 1973 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2004-753 с.

Кардашев Г.А. «Физические методы интенсификации процессов химической технологии» М.: Химия, 1990. — 208 с.

Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Нестеров В.А., Генне Д.В., Хмелёв М.В. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ АБСОРБЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В сборнике: Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности Материалы X Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. 2017. С. 29-33.

Р.Н. Голых, В.Н. Хмелёв, В.А. Нестеров, С.В. Казанцев, Р.С. Доровских, В.А. Шакура, Е.В. Ильченко ВЫЯВЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ДЛЯ КАВИТАЦИОННО- АКУСТИЧЕСКОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ АБСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ . Южно-Сибирский научный вестник. 2017. № 3 (19). С. 44-48.

Скородумов Б.А., Герасимов В. Е., Передельский В.А., Дарбинян Р.В. «Способ комбинированной очистки природного газа». Тип: патент на изобретение. Номер патента: RU 2270233 C1 Патентное ведомство: РоссияГод публикации: 2006. Номер заявки: 2004123941/04Дата регистрации: 06.08.2004Дата публикации: 20.02.2006

Рыжов С.О., Бальчугов А.В. Основные направления совершенствования процесса десорбции газов Современные технологии и научно-технический прогресс. 2010. Т. 1. С. 26.

Рыжов С.О., Васильев А.В., Бальчугов А.В. Интенсификация процесса десорбции углекислого газа из жидкости с помощью электромагнитного поля. Вестник Ангарской государственной технической академии. 2010. № 4. С. 30-33.

List of sources used

Dytnersky Yu.I. “Processes and apparatuses of chemical technology. Part 2. Mass-exchange processes and devices» Textbook for universities. Ed. 2nd. In 2 books. M.: Chemistry, 1995.—368 p.: ill.—ISBN 5-7245-1007-3

Kosatkin A.G. "Basic Processes and Apparatuses of Chemical Technology" Textbook for High Schools - 10th ed., stereotyped, revised. Reprint. from ed. 1973 - M.: LLC TID "Alliance", 2004-753 p.

Kardashev G.A. "Physical methods of intensification of processes of chemical technology" M.: Chemistry, 1990. - 208 p.

Golykh R.N., Khmelev V.N., Nesterov V.A., Genne D.V., Khmelev M.V. ULTRASONIC INTENSIFICATION OF ABSORPTION FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF GAS MIXTURE SEPARATION In the collection: Technologies and equipment of the chemical, biotechnological and food industries Proceedings of the X All-Russian scientific and practical conference of students, graduate students and young scientists with international participation. 2017. S. 29-33.

R.N. Naked, V.N. Khmelev, V.A. Nesterov, S.V. Kazantsev, R.S. Dorovskikh, V.A. Sha-kura, E.V. Ilchenko DETECTION OF THE OPTIMAL DESIGN OF ULTRA-SOUND EMITTER FOR CAVITATION-ACOUSTIC INTENSIFICATION OF ABSORPTION PROCESSES BY COMPUTER SIMULATION METHODS. South Siberian Scientific Bulletin. 2017. No. 3 (19). pp. 44-48.

Skorodumov B.A., Gerasimov V.E., Peredelsky V.A., Darbinyan R.V. "Method of Combined Purification of Natural Gas". Type: invention patent. Patent number: RU 2270233 C1 Patent office: Russia Year of publication: 2006. Application number: 2004123941/04 Registration date: 08/06/2004 Publication date: 02/20/2006

Ryzhov S.O., Balchugov A.V. Main directions of gas desorption process improvement Modern technologies and scientific and technical progress. 2010. T. 1. S. 26.

Ryzhov S.O., Vasiliev A.V., Balchugov A.V. Intensification of the process of desorption of carbon dioxide from a liquid using an electromagnetic field. Bulletin of the Angarsk State Technical Academy. 2010. No. 4. S. 30-33.

Код для цитирования: Скопировать