УДК 541.182.2/3; 621.928.2 На правах рукописи

ХУСАНОВ ЖАХОНГИР ЕВАДИЛЛОЕВИЧ

Разработка и расчет процессов комплексной очистки газов в

комбинированном газожидкостном аппарате с автономными

контурами орошения

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Республика Казахстан

Шымкент, 2010

Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном

университете им. М.О. Ауезова
Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Волненко А.А.

доктор технических наук

Ескендиров М.З.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Голубев В.Г.

кандидат технических наук

Жукова Т.А.

Ведущая организация: Таразский государственный

университет им. М.Х. Дулати

Защита состоится «29» ноября 2010 г. в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5, ауд. 342

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5, ауд. 215

Автореферат разослан «28» октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Арапов Б.Р.

Введение

Общая характеристика работы. В различных производствах химической промышленности широко представлены процессы комплексной очистки многокомпонентных газов, которые применяются с разными целями как на технологической стадии производства, так и на стадии санитарной очистки газов. При этом в зависимости от агрегатного состояния и физико-химических свойств компонентов промышленных газов применяются различные схемы (последовательные или параллельные) и методы разделения, включающие как методы удаления взвешенных частиц из газовых потоков (пылеулавливание), так и методы разделения газовых смесей (абсорбционные, адсорбционные, термические, каталитические). При разработке новых систем (аппаратов) комплексной очистки многокомпонентных газов, связанных с многостадийными процессами газожидкостного взаимодействия, большое значение приобретают как интенсивность протекания процессов переноса, так и устойчивость систем к экстремальным изменениям физико-химических свойств контактируемых сред.

Актуальность темы. Для осуществления комплексной очистки газов с параллельным проведением процессов пылеулавливания и абсорбции газов в промышленности нашли успешное применение аппараты комбинированного типа с одноконтурной системой орошения – инерционно-турбулентные с подвижной (регулярной) насадкой (ИТПН), конструкция которых предусматривает зону ударно-инерционного взаимодействия потока газа с зеркалом жидкости и насадочную зону с газокапельным взаимодействием. Однако при работе с газами, содержащими адгезионные и аутогезионные пыли, применение одноконтурной системы орошения приводит к ряду серьезных проблем – зарастанию насадочной зоны отложениями и снижению степени абсорбции как легкорастворимых, так и плохо растворимых газов в связи с наличием в орошающем растворе добавочного растворенного пылевого компонента (не взаимодействующего с абсорбируемым газом). Все это негативно сказывается на эффективности и эксплуатационной надежности работы аппарата.

Указанные проблемы могут быть решены разработкой новой конструкции комбинированного аппарата инерционно-турбулентного действия (КАИТ) с автономными контурами орошения, раздельно для каждой из зон – ударно-инерционной и насадочной, которые позволят предотвратить образование отложений и повысить движущую силу процесса абсорбции. Однако отсутствие соответствующих исследований и научно обоснованных методов расчета сдерживает успешное решение этого вопроса.

Так, в настоящее время нет единой стройной теории гидродинамики ударного взаимодействия газовой струи с поверхностью жидкости. Существующие полуэмпирические методы расчета эффективности не отражают всей совокупности эффектов и механизмов, присущих такому взаимодействию, а методы расчета процесса абсорбции газов в насадочной зоне не учитывают реальный полидисперсный состав капель орошающего раствора и концентрацию в нем добавочного растворенного пылевого компонента. Решение указанных проблем обусловливает актуальность темы диссертационной работы.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ЮКГУ им. М. Ауезова – Б-НГ-06-05-03 «Разработка методологии проектирования, конструирования и расчета высокоэффективных аппаратов и устройств общепромышленного назначения» на 2006-2010 гг.

Цель работы состоит в разработке газожидкостного аппарата комбинированного действия с автономными контурами орошения для осуществления процессов комплексной очистки многокомпонентных газов и создании научно-обоснованных методов расчета процессов осаждения аэрозолей при ударном взаимодействии газового потока с поверхностью жидкости и абсорбции газов с учетом размерного распределения дисперсной жидкой фазы.

Для достижения поставленной цели автором сформулированы и решены следующие научные задачи:

- теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики ударного взаимодействия газовой струи со свободной поверхностью жидкости;

- экспериментальные исследования влияния режимов истечения газовой струи в зону ударного взаимодействия с жидкостью на кинетику процесса фракционного осаждения аэрозольных частиц;

- разработка модели инерционного улавливания частиц аэрозоля на сплошной и капельной поверхности, образующихся в зоне ударного взаимодействия газовой струи с жидкостью;

- разработка математической модели процесса абсорбции газа, учитывающая многокомпонентность газовой смеси и плотность распределения дисперсной жидкой фазы по размерам;

- идентификация и оценка результатов теоретических исследований по экспериментальным данным;

- разработка рекомендаций по проектированию, расчету и эксплуатации комбинированного аппарата при осуществлении комплексной очистки газов.

Методы и объекты исследований. Объектами исследования явились процессы комплексной очистки многокомпонентных газов в лабораторных и промышленных аппаратах комбинированного типа.

Методологической базой диссертационных исследований явились современные способы моделирования гетерогенных систем, методы и приборы количественного, качественного, физико-химического, барометрического, седиментационного и микроскопического анализа.

Научная новизна работы:

1. 
   Предложены новые теоретические аспекты гидродинамики ударного взаимодействия газовой струи со свободной поверхностью жидкости, определяющие динамику образования жидкостной воронки полуэллипсоидного профиля и изменения ее основных параметров (глубины, диаметра, угла раскрытия) в зависимости от режимов истечения газовой струи и физико-химических свойств жидкости.
   
2. 
   Получен и обоснован новый гидродинамический критерий, определяющий границы устойчивой области существования полуэллипсоидной формы жидкостной воронки.
   
3. 
   Исходя из усло­вия равновесия сил, действующих на единичную каплю, получена формула по расчету среднего диаметра капель, образующихся в объеме жидкостной воронки при разрушении вершин капиллярных волн в межфазном пограничном слое под действием касательных напряжений газового потока.
   
4. 
   На основе основных положений механики аэрозолей разработаны новые модели инерционного осаждения аэрозольных частиц на поверхности жидкостной воронки и на каплях, учитывающие динамику нарастания доли уноса жидкости из объема воронки.
   
5. 
   Базируясь на балансовых уравнениях сохранения массы, количества движения и энергии для жидкой фазы разработана математическая модель процесса абсорбции, учитывающая многокомпонентность газовой смеси и плотность распределения дисперсной жидкой фазы по размерам.
   

Научные положения, выносимые на защиту:

- модель гидродинамики ударного взаимодействия газового потока со свободной поверхностью жидкости с образованием жидкостной воронки полуэллипсоидного профиля;

- гидродинамический критерий устойчивости полуэллипсоидной формы жидкостной воронки;

- гидродинамические модели волновых и капельных течений соответственно на поверхности и в объеме жидкостной воронки;

- критериальное уравнение, устанавливающее функциональную связь между гидродинамическими критериями волнового течения и количеством уносимой жидкости в виде капель из объема жидкостной воронки;

- модель инерционного улавливания аэрозольных частиц на полуэллипсоидной поверхности жидкостной воронки;

- модель инерционного осаждения частиц аэрозоля на каплях, описывающая фракционное изменение числа частиц в единицу времени и объема потока и учитывающая динамику нарастания доли уноса жидкости с поверхности жидкостной воронки;

- математическая модель процесса абсорбции, учитывающая плотность распределения капель по размерам и влияние добавочного растворенного компонента на интенсивность массообмена;

- методика инженерного расчета комбинированного аппарата для осуществления комплексной очистки многокомпонентных газов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловливаются применением фундаментальных законов гидродинамики, механики аэрозолей, балансовых уравнений сохранения массы, энергии и количества движения и идентификацией расчетных данных результатами собственных экспериментальных исследований с использованием современных приборов и методов измерений и данными других исследователей.

Практическая ценность результатов теоретических и экспериментальных исследований заключается в разработке:

- конструкции комбинированных аппаратов с контурным орошением (инновационный патент РК № 20069 и заключение о выдаче инновационного патента по заявке №2009/8081.1 от 8.07.2009 г.);

- методики расчета гидродинамических и кинетических закономерностей улавливания частиц аэрозоля в зоне ударного взаимодействия газа с жидкостью;

- методики расчета процесса абсорбции в насадочной зоне, учитывающей многокомпонентность газовой смеси и плотность распределения дисперсной жидкой фазы по размерам;

- рекомендаций по проектированию и эксплуатации комбинированного аппарата для осуществления комплексной очистки многокомпонентных газов, содержащих адгезионные и аутогезионные пыли.

Апробация практических результатов. Результаты и выводы работы использованы при проектировании и внедрении комбинированного аппарата с автономными контурами орошения для осуществления комплексной очистки газов, отходящих от прокалочной печи №1 в производстве окиси хрома на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» с эколого-экономическим эффектом 3,51млн. тенге в год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и опубликованы в материалах международных научных конференций: М. Ауезов – гений нового времени (Шымкент, 2007); Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках (Москва, 2008); Predni vedecke novinky-2010 (Praha, 2010); Наука в iнформацiйному просторi (Дніпропетровськ, 2010), и опубликованы в научных журналах и сборниках научных трудов – «Наука и образование Южного Казахстана», «Вестник МКТУ им. Х.А.Яссави».
Основная часть

Во введении дана оценка современного состояния решаемой научной про­блемы и обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы. Показана актуальность темы и сформулированы цель работы и задачи исследований. Представлены основания и исходные данные для разработки темы, сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки, патент­ных исследованиях и метрологическом обеспечении диссертации, положения, выносимые на защиту, практическая ценность и апробация практических ре­зультатов.

В первом разделе диссертации рассмотрены основные пути интенсифика­ции процессов пылеулавливания и абсорбции газов при комплексной очистке многокомпонентных газов. Приведены основные свойства пылегазовых смесей, определяющих выбор тех или иных методов и схем очистки газов. Проведен литературный обзор газожидкостных аппаратов комплексной очистки газов и методов их расчета. На основании анализа сформулирована цель и дана поста­новка задач исследований.

Во втором разделе диссертации проведено моделирование процессов аб­сорбции и пылеулавливания в комбинированном аппарате инерционно-турбу­лентного действия (КАИТ) (рисунок 1).

Базируясь на основных положе­ниях теоретической гидромеханики, разработана модель ударного взаи­модействия газовой струи со сво­бодной поверхностью жидкости, опи­сывающая динамику изменения ос­новных параметров образующейся полуэллипсоидной жидкостной воронки (глубину, диаметр и угол раскрытия) в зависимости от режимов истечения газовой струи и физико-химических свойств жидкости.

В КАИТ взаимодействие набе­гающей газовой струи с зеркалом жидкости происходит в первой зоне обработки пылегазового потока (ри­сунок 1). Допуская, что установившийся режим взаимодействия газовой струи, истекающей из патрубка со скоростью , с зеркалом жидкости является квазистатическим, предложена формула по расчету глубины образуемой жидкостной воронки:
, (1)
в котором ,

Аппроксимация собственных экспериментальных данных зависимости по­зволила получить формулу для расчета коэффициента сопротивления :

. (2)

Согласно исследованиям Прандтля Л., при перпендикулярном столкнове­нии газовой струи с неограниченной неподвижной твердой поверхностью рас­пределение давлений непосредственно у поверхности имеет полуэллипсоидный профиль с соотношением осей 1:1:1/2. В связи с чем, можно предположить, что при взаимодействии струи газа с зеркалом жидкости, вследствие текучести жидкости, ее свободная поверхность будет деформироваться в соответствии с линиями равного давления, образовывая полуэллипсоидный профиль поверх­ности (рисунок 1). При этом диаметр и глубина воронки от числа Рейнольдса изменяются согласно зависимости представленной на рисунке 2.

Для случаев, когда >>, справедливо соотношение:
. (3)

Аппроксимацией собственных эксперимен­тальных данных определен коэф­фициент пропорциональности, который равен:

. (4)

Д
Число Рейнольдса Re_пат

инамика деформации формы жидкостной воронки характеризу­ется еще одним важным парамет­ром – углом раскрытия воронки β_в, который рассчитывается по урав­нению, полученному при следую­щих упрощающих допущениях: де­формация происходит только под действием сил давлений газовой струи и поверхностного натяжения жидкости; деформированная поверх­ность жидкости принимает форму полуэллипсоида, одна из осей которого перпендикулярна на­правлению газового потока; плотность и поверхностное натяжения жидкости по­стоянны. С учетом допуще­ний для угла раскрытия во­ронки получено:
. (5)

Располагая информа­цией об основных геометри­ческих размерах жидкост­ной воронки , , β_в, необ­ходимо знать пара­метры устойчивости формы жидкостной воронки, кото­рые дает критерий формы жидкостной воронки. Для его расчета получено сле­дующее соотношение:

. (6)
Из графика зависимости критерия формы жидкостной воронки K_ф от числа Рейнольдса Re_пат, представленного на рисунке 3, видно, что при Re_пат  10⁵ форма воронки крайне не устойчива. По существу, в этих режимах истечения газовой струи, правильной полуэллипсоидной формы воронки не существует, а имеет место, пульсирующее волнообразное возмущение поверхности жидкости.

В связи с чем выше приведенные формулы, строго говоря, справедливы только для режимов взаимодействия газа и жидкости с устойчивой полуэллипсоидной формой жидкостной воронки, т.е. для областей где Re_пат  10⁵, в которых K_ф  4. Дальнейшие теоретические исследования были проведены для этих режимов взаимодействия.

Растекание газового потока по полуэллипсоидной поверхности жидкостной воронки вызывает образование капиллярных волн, возникновение которых объясняется воздействием больших градиентов пульсационной скорости и давления турбулентного газового потока (Re_тр=10⁵). Вершины капиллярных волн при достижении определенной величины отделяются от поверхности в виде капель, которые под действием подъемной силы транспортируются в ядро потока и в виде газокапельной струи выбрасываются в зону 1 (рисунок 1).

Допуская сферичность образуемых капель и, исходя из усло­вия равновесия сил, действующих на каплю, получено выражение для расчета их среднего диаметра:

, (7)
Обработка экспериментальных данных позволила получить критериальную зависимость по определению количества жидкости, уносимой с поверхности воронки:

. (8)
При моделировании процесса инерционного улавливания аэрозольных частиц в объеме жидкостной воронки рассматривались механизмы осаждения на полуэллипсоидной поверхности жидкостной воронки и на каплях, уносимых с поверхности воронки. В результате получена модель инерционного улавливания аэрозольных частиц на поверхности жидкостной воронки, отличающаяся наличием модифицированного параметра осаждения, справедливого для устойчивых областей существования жидкостной воронки:
. (9)
Обработка экспериментальных данных позволила получить соотношение по определению эффективности улавливания частиц на поверхности воронки, выраженной через параметр θ:

. (10)

Образование капельного течения в объеме жидкостной воронки обусловливает вероятность осаждения частиц на каплях жидкости. Естественно, что это те частицы, которые не осели на поверхности жидкостной воронки. Причем с индексом инерционности меньшим, чем для частиц, осевшим на поверхность воронки (рисунок 4). Благодаря существенному различию в плотности газовой среды и дисперсной составляющей потока - аэрозольных частиц и капель жидкости, последние не полностью увлекаются турбулентными пульсациями. Причем степень увлечения частиц и капель из-за разных масс и размеров неодинакова. Вследствие чего скорости, приобретаемые аэрозольными частицами и улавливающими каплями, существенно различаются.

Такое относительное движение предопределяет их столкновение и слияние (осаждение). Для расчета эффективности улавливания аэрозольных частиц на каплях получено следующее уравнение (рисунок 4):
, (11)

Здесь - эффективная длина, учитывающая нарастание концентрации капель в объеме воронки по течению потока.

П
Число Рейнольдса Re_пат
ри разработке математической модели процесса абсорбции опирались на уравнения сохранения массы, энергии и импульса при следующих допущениях: балансовые уравнения движения единичной капли учитывают только силы тяжести, сопротивления газовой среды и реактивной силы; циркуляционные течения в единичной капле игнорируются. В результате была предложена следующая система уравнений, описывающая процесс абсорбции:

(12)

Начальные условия для системы уравнений (12) запишутся следующим образом:

; при (13)

Результаты расчетов, полученные для различных фракций капель, усреднялись с учетом их полидисперсности. Для нахождения концентрации поглощаемого компонента в жидкой фазе применяли интегральную зависимость:

, (14)

Присутствие в растворе растворенного пылевого компонента (не взаимодействующего с растворяющимся газом) снижает растворимость газа. Понижение растворимости определяли по эмпирической формуле из монографии Рамма В.М.

Всестороннему и детальному изучению влияния физико-химичес­ких свойств взаимодействующих фаз на массообмен и теплообмен в аппаратах с РПН с различными типами элементов насадки (шары, пластины, цилиндры и др.) посвящено множество работ. Анализ этих работ позволил сделать выбор основных параметров модели (12).

Третий раздел диссертации посвящен экспериментальным исследованиям процессов пылеулавливания и абсорбции в аппарате КАИТ. Экспериментальные исследования полностью подтвердили изложенные во втором разделе теоретические аспекты гидродинамики ударного взаимодействия газовой струи со свободной поверхностью жидкости. Было установлено, что зависимость диаметра капель и количества уносимой жидкости из жидкостной воронки от скорости истечения газа изменяются по квадратичному закону.

При этом содержание уносимой жидкости в ядре потока растет по мере удаления от точки растекания газового потока.

Исходя из правила аддитивности гидравлических сопротивлений зон обработки газа в КАИТ, разработана методика расчета гидравлического сопротивления.

Э
Диаметр частиц пыли d_ч, мкм
кспериментальные исследования (рисунок 5) по фракционной эффективности улавливания пыли фосфорита в КАИТ показали, что степень очистки увеличивается с ростом скорости истечения газа из патрубка, что характерно для всех аппаратов ударно-инерционного действия. Результаты исследований подтверждают превалирующую роль сил инерции на про­цесс осаждения для частиц радиусом выше 2 мкм.

Частицы меньше 2 мкм должны осаждаться, главным образом, за счет механизма турбулентной и молекулярной диффузии. Однако время пребывание аэродисперсного потока в области жидкостной воронки недостаточно для эффективного проявления механизмов диффузии, что видно из рисунка 5 – резкое снижение эффективности улавливания частиц меньше 2 мкм.

Для идентификации математической модели процесса абсорбции были проведены эксперименты по изучению процесса абсорбции газов в слое с РПН с пластинчатыми элементами насадки в трех вариантах исполнения. Пластины с ровными, волнистыми и зигзагообразными краями.

На рисунке 6 приведена зависимость изменения концентрации аммиака (NH₃) в абсорбенте (вода) по высоте зоны абсорбции при различных размерах образуемых капель. В зависимости от конфигурации краев пластин изменяется периметр слива жидкости, что ведет к изменению диаметра и соответственно количества, образующихся в слое насадки капель. При абсорбции аммиака, являющегося легко растворимым газом, основное сопротивление сосредоточено в газовой фазе. В связи с чем, увеличение количества капель в единице объема приводит к росту скорости абсорбции. Кроме этого немаловажное значение имеет увеличение поверхности контакта фаз, рост которой также вызван уменьшением диаметра капель.

Влияние концентрации растворенного пылевого компонента в воде на степень абсорбции газа рассматривался на примере поглощения фтористого водорода HF водянным раствором двойного суперфосфата Ca(H₂PO₄)₂ (рисунок 7).

График зависимости, приведенный на рисунке 7, показывает, что с ростом концентрации добавочного растворенного компонента (пыль Ca(H₂PO₄)₂) в абсорбенте (вода) скорость абсорбции HF падает. Это доказывает, что присутствие в абсорбенте растворенного пылевого компонента, не взаимодействующего с газообразным компонентом, снижает степень поглощения. Отсюда следует, что при абсорбции газов из запыленных газовых смесей, когда пылевой компонент растворим в абсорбенте, для поддержания максимальной интенсивности процесса необходимо проводить предварительное обеспыливание газа. При этом в аппаратах мокрого типа, где совмещены процессы пылеулавливания и абсорбции, необходимо предусматривать последовательную зонную очистку с автономными контурами орошения каждой из зон.

Высота контактной зоны Hн , м Конфигурация краев пластин: 1 – зигзагообразная; 2 – волнистая; 3 – ровная. Условия эксперимента: Wг = 2 м/с; L=25 м3/м2ч; = 0,510–3 кг/нм3; Tг.н= 297К; Tв.н.=291К. Линии – расчет; точки – эксперимент Рисунок 6 – Профиль изменения концентрации аммиака X в жидкой фазе по высоте контактной зоны H при различных дисперсных составах капель орошающей жидкости

Высота контактной зоны Hн , м Условия эксперимента: Концентрация раствора , кг/кг(H2O): 1 – 0; 2 – 0,05; 3 – 0,15. Wг = 2 м/с; L=40 м3/м2ч; = 0,3810–3 кг/нм3; Tг.н.= 297К; Tв.н.=291К. Линии – расчет; точки – эксперимент Рисунок 7 – Степень абсорбции фтористого водорода раствором двойного суперфосфата по высоте контактной зоны

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования полностью подтвердили результаты теоретических исследований и показали значительное влияние дисперсного состава капель орошающей жидкости и концентрации добавочного растворенного пылевого компонента в абсорбенте на интенсивность

процесса абсорбции газов в слое с регулярной насадкой. При этом идентификация расчетных и экспериментальных данных показала хорошее соответствие, а максимальная погрешность составила –  11÷15%.

В четвертом разделе приведены результаты промышленных испытаний, рекомендации по проектированию и инженерная методика расчета аппарата.

Комбинированный аппарат инерционно-турбулентного действия (КАИТ) с автономными контурами орошения прошел промышленные испытания и внедрен в схему комплексной очистки газов, отходящих от прокалочной печи №1 в производстве окиси хрома на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» с эколого-экономическим эффектом 3,51 млн. тенге в год.

Заключение

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований

1. 
   На основе теоретического рассмотрения гидродинамики ударного взаимодействия газовой струи со свободной поверхностью жидкости разработана модель, позволяющая определить динамику изменения основных параметров образующейся жидкостной воронки полуэллипсоидного профиля (глубину, диаметр и угол раскрытия) в зависимости от режимов истечения газовой струи и физико-химических свойств жидкости.
   
2. 
   Получен и обоснован новый гидродинамический критерий, определяющий границы устойчивой области существования полуэллипсоидной формы жидкостной воронки.
   
3. 
   Исходя из усло­вия равновесия сил, действующих на единичную каплю, получена формула по расчету среднего диаметра капель, образующихся в объеме жидкостной воронки при разрушении вершин капиллярных волн в межфазном пограничном слое под действием касательных напряжений газового потока.
   
4. 
   Разработана модель инерционного улавливания аэрозольных частиц на поверхности жидкостной воронки, отличающаяся наличием модифицированного параметра осаждения, справедливого для устойчивых областей существования жидкостной воронки.
   
5. 
   Используя уравнение общего числа столкновений аэрозольных частиц с каплями в единицу времени и объема турбулентного потока с учетом динамики нарастания доли уноса жидкости по длине жидкостной воронки, разработана модель инерционного улавливания частиц аэрозоля на каплях.
   
6. 
   Базируясь на балансовых уравнениях сохранения массы, количества движения и энергии для жидкой фазы и функции плотности распределения капель по размерам разработана математическая модель процесса абсорбции, учитывающая влияние растворенного пылевого компонента на интенсивность массообмена.
   
7. 
   Экспериментально подтверждены теоретические аспекты гидродинамики ударного взаимодействия газовой струи со свободной поверхностью жидкости при этом установлены закономерности изменения основных параметров образующейся жидкостной воронки полуэллипсоидного профиля (глубины, диаметра и угла раскрытия) от режимов истечения газовой струи.
   
8. 
   Установлено существенное влияние размерного распределения капель орошающей жидкости в контактной зоне и концентрации растворенного пылевого компонента в абсорбенте на интенсивность процесса абсорбции газов.
   
9. 
   Комбинированный аппарат инерционно-турбулентного действия (КАИТ) с автономными контурами орошения прошел промышленные испытания и внедрен в схему комплексной очистки газов, отходящих от прокалочной печи №1 в производстве окиси хрома на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» с эколого-экономическим эффектом 3,51 млн. тенге в год.
   

Оценка полноты решений поставленных задач. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, промышленных испытаний и их внедрение в промышленность в процессы комплексной очистки многокомпонентных газов полностью отражают решение поставленных задач диссертации.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные результаты рекомендуются использовать при расчете режимных и конструктивных параметров контактных зон существующих и проектируемых аппаратов комбинированного типа, предназначенных для комплексной очистки многокомпонентных газов, содержащих адгезионные и аутогезионные пыли.

Исходными данными для использования результатов диссертационной работы являются технические и проектные задания по основным технико-экономическим показателям аппаратов и физико-химическим свойствам контактируемых сред.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Эколого-экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в производство окиси хрома на АО «Актюбинский завод хромовых соединений» составил – 3,51 млн. тенге в год.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Внедрение и использование результатов диссертационной работы и разработанных методов расчета комбинированного аппарата обеспечит высокую эффективность и интенсивность последовательного протекания процессов пылеулавливания и абсорбции, а также устойчивость и эксплуатационную надежность систем к экстремальным изменениям физико-химических свойств контактируемых сред, что свидетельствует о высоком научном уровне выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.

Условные обозначения: - площадь поверхности воронки, м²; ,- коэффициенты сопротивления; - скорость газа в патрубке; - расход газа, м³/с; - расход жидкости, м/с; -коэффициент захвата; - разность относительных скоростей частицы и капли, м/с; - средняя скорость газа в объеме воронки, м/с; - число Лапласа; d - диаметр частицы, капли, м; W- скорость, отнесенная к поперечному сечению аппарата, м/с; - шаг между пластинами и струнами, м; μ - коэффициент динамической вязкости, Пас; z, x – координаты; X – концентрация компонента в жидкой фазе, кмоль/кмоль;

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. 
   Раматуллаева Л.И., Волненко А.А., Хусанов Ж.Е. Расчет гидродинамических характеристик аппарата с ударно-вихревым взаимодействием потоков//«М.Ауезов – гений нового времени»: Тр. Междун. науч.-практ.конф. Т.10. -Шымкент: ЮКГУ им. М.Ауезова, 2007-С.46-49.
   
2. 
   Раматуллаева Л.И., Волненко А.А., Хусанов Ж.Е. Расчет структурных составляющих жидкой фазы в контактных зонах аппарата с ударно-вихревым взаимодействием потоков//Наука и образование Южного Казахстана-2007.- №5-6(64-65).-С.167-171.
   
3. 
   Раматуллаева Л.И., Волненко А.А., Хусанов Ж.Е. Аппарат с насадкой для тепломассообмена и пылеулавливания. Инновационный патент №20069 МПК В01D 53/20, В01D 47/14 (2006.01).
   
4. 
   Балабеков О.С., Раматуллаева Л.И., Волненко А.А., Кумисбеков С.А., Киыкбаев Б.А., Хусанов Ж.Е. Гидродинамические закономерности при организованном вихревом и соударяющимся движении газожидкостных потоков //Третья межд.конф. «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». – М., 2008. – s611–8c.
   
5. 
   Раматуллаева Л.И., Волненко А.А., Хусанов Ж.Е. Расчет энергозатрат и эффективности пылеулавливания аппарата с ударно- вихревым взаимодействием потоков//Наука и образование Южного Казахстана-2009.- №4(77).-С.51- 55.
   
6. 
   Волненко А.А., Хусанов Ж.Е., Ескендиров М.З., Раматуллаева Л.И. Аппарат с насадкой для тепломассообмена и пылеулавливания/Заключение о выдаче инновационного патента на изобретение по заявке №2009/0881.1 от 8.07.2009г. МПК B01D 3/00, B01D 5/00,B01D 47/05
   
7. 
   Хусанов Ж.Е., Волненко А.А., Ескендиров М.З., Раматуллаева Л.И. Гидродинамика взаимодействия набегающей струи газа с зеркалом жидкости// Вестник МКТУ 2010.- №.4-5(70-71).-С.359-363.
   
8. 
   Хусанов Ж.Е., Волненко А.А., Ескендиров М.З., Раматуллаева Л.И. Эффективность инерционного осаждения аэрозольных частиц при ударном взаимодействии струи газа с зеркалом жидкости//Вестник МКТУ 2010.- №.4-5(70-71).-С.346-349.
   
9. 
   Хусанов Ж.Е., Ескендиров М.З., Волненко А.А., Раматуллаева Л.И. Модель осаждения аэрозольных частиц на каплях в инерционно-турбулентном аппарате//Materialy VI Mez. ved.-prak. konf. «Predni vedecke novinky-2010». D.6. – Praha, 2010. -С.16-20.
   
10. 
    Ескендиров М.З., Волненко А.А., Хусанов Ж.Е., Шакирова А.Б. Расчет гидравлического сопротивления комбинированного инерционно-турбулентного аппарата//Maт. VI Miж. науково-прак. конф. «Наука в iнформацiйному просторi». Т.1. -Днепропетровск, 2010.-С.63-66.
    
11. 
    Ескендиров М.З., Волненко А.А., Хусанов Ж.Е., Шакирова А.Б. Моделирование процесса абсорбции газов в аппарате с регулярной подвижной насадкой//Maт. VI Miж. науково-прак. конф. «Наука в iнформацiйному просторi». Т.1.-Днепропетровск, 2010.-С.67-71.
    

Түйіндеме

Хусанов Жахонгир Евадиллоевич
«Жеке себелеу құрылымда газсұйықты қиыстырылған аппараттағы кешенді газ тазалау процестерін әзірлеу және есептеу»
Техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін іздену диссертациясы

05.17.08 – Химиялық технологияларлардың процестері мен аппараттары

Зерттеу немесе әзірлеу нысаны – көпкомпонентті газдарды зертханалық және өнеркәсіптік қиыстырылған типтегі аппараттарда кешенді тазалау процестері.

Жұмыс мақсаты: көпкомпонетті газадарды кешенді тазалау процестерін жүзеге асыруға арналған жеке себелеу құрылымды қиыстырылған әсердегі аппаратты әзірлеу және газ ағынының су бетіменен соққылы әсері кезіндегі аэрозольдердің тұну және дисперсиялы сұйық фазасының біркелкі таралуын ескерудегі газдардың абсорбциялану процестерін есептеудің ғылыми-тұжырымдалған әдістерін құру болып табылады.

Жұмысты жүргізу әдістері немесе методологиясы. Диссертациялық зерттеудің методологиялық базасы, бұл әртекті жүйелерді модельдеудің заманауи тәсілдері, мөлшерлік, сапалық, физико-химиялық, барометрлік, седиментациялық және микроскопиялық талдау әдістері мен приборлары болып табылады.

Жұмыс нәтижелері:

- газ толасының ағындау режимі мен сұйықтардың физико-химиялық қәсиеттеріне байланысты жартылай эллипсоидтық пішіндегі сұйықтық иірімнің қалыптасуының негізгі параметрлерінің (тереңдігіне, диаметріне және ашылу бұрышына) өзгеру динамикасын анықтауға мүмкіндік беретін модел әзірленді;

- жартылай эллипсоидтық пішіндегі сұйықтық иірімнің тұрақты қалыптасуының шегін анықтаушы, жаңа гидродинамикалық шектері алынып тұжырымдалды;

- сұйықтық иірімнің көлеміндегі қалыптасытын тамшының газ толасының жанама кернеулері әсеріменен фазааралық шекаралық қабаттағы капилярлы толқындар жоталарының күйреуі кезіндегі орташа диаметрін есептеу бойынша өрнек алынды;

- тұнудың модификацияланған параметрлерінің болуымен ерекшеленетін, сондай-ақ сұйықтық иірімнің орын алуының тұрақты кезеңі үшін ақиһат сұйықтың иірім бетіндегі аэрозольдік түйіршіктердің екпінді тұтылуының моделі әзірленді;

- тамшылардағы аэрозольдік түйіршіктердің екпінді тұтылу моделі әзірленді;

- ерітінділенетін шаңдық компоненттердің массаалмасу қарқындылығына әсерін ескеруші, абсорбция процесінің математикалық моделі әзірленді;

- газ толасының сұйықтың еркін бетімен соққылы әсерлесуінің гидродинамикасының теориялық аспекталары тәжрибелі түрде дәлелденді, және де бұл кездегі газ толасының ағындау тәртібіне байланысты жартылай эллипсоидтық пішіндегі сұйықтық иірімнің қалыптасу, оның негізгі параметрлерінің (тереңдігі, диаметрі және ашылу бұрышы) өзгеру заңдылығы орнатылды;

- газдардың абсорбциялану қарқындылығына контакталық аймақтағы себеленуші сұйық тамшыларының өлшемдік таралуының және ерітінділенген шаң компоненттері концентрацияларының елеулі әсері орнатылды.

Негізгі конструктивті, технологиялық және технико-пайдаланудың сипаттамалары. Режимдік параметрлердің өзгеру аралығы: келте құбырдағы газ жылдамдығы W_г=5÷40 м/с; келте құбыр қимасы мен сұйық беттінің арасындағы аралық h₁=0м; тұтқама аймағындағы себелеу тығыздығы L=10÷50м³/(м²сағ); конструктивті параметрлердің: тұтқама өлшемдері 50х50 мм; тұтқамалардың көлденең бағыттағы t_р=1b, тік бағыттағы t_в=2b адымдары; тұтқамалардың орналасу – шахматтық.

Енгізу дәрежесі. Жеке себелеу құрылымды екпінді-турбулентті әсердегі қиыстырылған аппарат (ҚЕТА) өнеркәсіптік сынақтан өтіп «Ақтөбе хромдық қосылыстар зауыты» АҚ-дағы хром тотығы өндірісіндегі №1 қыздыру пешінен бөлінген газдарды кешенді тазалау схемасына енгізілді.

Енгізуге ұсыныстар немесе ғылыми-зерттеу жұмыстарының енгізілу нәтижесі. Диссертациялық жұмыста алынған теориялық және тәжрибелік нәтижелерді құрамында адгезиялық және аутогезиялық шаңдары бар көпкомпонентті газдарды кешенді тазалауға арналған, қиыстырылған типтегі қолданыстағы немесе жобаланушы аппараттарды әсерлесу аймағының режимдік және конструктивті параметрлерін есептеуде қолдануғы ұсынылады.

Қолдану саласы: Алдын-ала ірі түйіршіктерді және соңынан құнды немесе зиянды газдарды абсорбциялау процестерін қарастырушы газды кешенді тазалау қолданылатын химиялық, металлургиялық, энергетикалық өнеркәсіптер.

Жұмыстың экономикалық тиімділігі немесе маңыздылығы. Диссертациялық жұмыс нәтижелерін «Ақтөбе хромдық қосылыстар зауыты» АҚ-дағы хром тотығы өндірісіне енгізілуден келген экологты-экономикалық әсер жылына 3,51 млн. тенгені құрады.

Зерттеу нысанын дамыту жөніндегі болжамдық ұсыныстар. Диссертациялық жұмыстың нәтижелері мен қиыстырылған типтегі аппаратты есептеудің әзірленген әдісін енгізу мен қолдану шаңтазалау және абсорбциялау процесстерінің кезектестіріле жүргізуінің жоғары тиімділігі мен қарқындылығын, сондай-ақ жанаушы орталардың физико-химиялық қасиеттерінің экстремальді өзгеруіне жүйелердің тұрақтылығы мен пайдалану сенімділігін қамтамасыз етеді.

Summary

Khussanov Zhakhongir Evadilloevich
“Development and calculation of processes of complex purification of gases in combined gas-liquid device with autonomous circuits of irrigation”

Dissertation for an academic degree of a candidate of engineering science

05.17.08 – Processes and apparatuses of chemical technologies
The object of the research or development: The objects of the research have been processes of complex purification of multicomponent gases in laboratory and industrial apparatuses of a combined type.

The aim of the work consists in development of gas-liquid device of combined action with autonomous circuits of irrigation to realize processes of complex purification of multicomponent gases and create scientifically substantiated methods of aerosol deposition processes calculation at impact interaction of gaseous flow with the surface of liquid and gases absorption taking into consideration equal distribution of disperse liquid phase.

The method and methodology of carrying out the work. The modern methods of modeling heterogenous systems, methods and devices of quantative, qualitative, physico-chemical, barometric, sedimentation and microscopic analysis have been methodological base of dissertation research.

The results of the work.

• 
  the model, allowing to define the dynamics of change of main parameters of formed liquid funnel of oval profile (depth, diameter and expansion angle) depending on modes of gas jet efflux and physico-chemical properties of liquid has been developed;
  
• 
  new hydrodynamic criteria, defining the boundary of the sustainable field of oval form existing of liquid funnel has been obtained and substantiated;
  
• 
  the formula of calculation of effective diameter of drops, formed in the volume of liquid funnel at destructing capillary waves tops in interphase boundary layer under the action of tangential stresses of gaseous flow has been got;
  
• 
  the model of inertial catching of aerosol particles on the surface of liquid funnel, distinguished by the availability of modified parameter of sedimentation, right for sustainable fields of presence of liquid funnel has been developed;
  
• 
  the model of inertial catching of aerosol particles on drops has been developed;
  
• 
  mathematical model of absorption process, taking into account the influence of dissolved dust component on massexchange intensity has been developed;
  
• 
  theoretical aspects of hydrodynamics of impact interaction of gas jets with free surface of liquid have been theoretically confirmed and at this laws of changes of main parameters of formed liquid funnel of oval profile (depth, diameter and expansion angle) from modes of gas jet efflux have been established;
  
• 
  essential influence of dimensional distribution of drops of scrubbing liquid in contact zone and concentration of dissolved dust component in absorbent on intensity of gases absorption process has been established.
  

Main constructive, technological and engineering-maintenance characteristics. Changes range of mode parameters: of gas speed in fitting pipe W_{fitting pipe}=5-40m/s; split between fitting pipe cut and liquid reflector h=0 m; irrigation density in packed zone L=10÷50 m³/(m²·hour); constructive parameters: sizes of checker filling 50x50 mm; steps of checker filling location in horizontal direction t_r=1b, in vertical one t_v=2b; checker filling location – checkered.

Introduction degree. The combined apparatus of inertial-turbulent action (CAIT) with autonomous circuits of irrigation has passed industrial testing and has been introduced into the scheme of complex purification of gases, exhausting from calcining furnace №1 in producing chrome oxide at “Aktyubinsk plant of chrome compounds” JSC.

Introduction recommendations or scientific-research work introduction results. The received theoretical and experimental results in the dissertation work are recommended to use at calculating mode and constructive parameters of contact zones of existing and planned apparatuses of a combined type, intended for complex purification of multicomponent gases, containing adhesive and autohesion dusts.

The range of use. Chemical industry, metallurgy, power engineering, where complex purification of gases is realized, including processes of preliminary remove of suspended particles in gases with the consequent absorption o valuable or harmful gases.

Economic efficiency and significance of the work. Ecologically-economic effect from the introduction of dissertation work results in chrome oxide production at “Aktyubinsk plant of chrome compounds” JSC comprised – 3,51 mln. tenge per year.

Predicted suggestions on the development of research object. Introduction and employment of dissertation work results and developed methods of calculation of combined apparatus will provide high efficiency and intensity of consequent flow of processes of dust catching and absorption, and also sustainability and maintenance reliability of systems to extreme changes of physico-chemical properties of contact environments.

Подписано в печать 27.10.2010г. Формат бумаги 60х84 1/16.

Бумага типографическая. Печать офсетная. Объем 1,25пл.

Тираж 100 экз. Заказ 1908

Издательский центр ЮКГУ им. М.Ауезова, г.Шымкент.

пр. Тауке хана, 5