Интенсификация процесса массообмена в газлифтных аппаратах

В химической и смежных отраслях промышленности широко распространены системы, включающие взаимодействие газа с жидкостью [1]. Помимо успешно применяемой для очистки газов и выделения ценных компонентов физической или химической абсорбции [2] используются и химические реакции, такие как окисление, алкилирование, гидроформилирование и др. [3]. Для их проведения разработаны различные типы реакторов, включающие реакторы смешения и вытеснения, каскады реакторов и секционированные аппараты. Основным параметром, характеризующим эффективность реактора для систем газ — жидкость, является поверхность контакта фаз [3]. Ее формирование определяет конструирование различных типов аппаратов, как абсорберов [4] так и реакционных узлов [5].

Аппараты газлифтного типа обеспечивают высокую степень контакта между газом и жидкостью, малоэнергоемки, легко оборудуются системами теплообмена, не имеют подвижных деталей, обладают другими технологическими преимуществами, поэтому они получили широкое распространение в химической, микробиологической и других отраслях промышленности.

Немаловажным их достоинством является возможность совмещения нескольких технологических операций, что обеспечивает подходы к созданию безотходных производств и более экономичных технологических процессов [6]. Газлифтные реакторы играют также важную роль при очистке и утилизации образующихся выбросов и отходов [5, 7, 8].

Расширение сферы применения газлифтных аппаратов с целью создания безотходных или малорасходных технологий является актуальной задачей не только для химической промышленности.

Постоянно нарастающий дефицит пресных вод требует серьезных изменений в технологических решениях рационального использования водных ресурсов, в том числе создания схем замкнутого водооборота в разных отраслях промышленности. Железнодорожный транспорт и его производственная база относятся к числу отраслей, поставляющих в окружающую среду высококонцентрированные сточные воды, содержащие поверхностно — активные вещества, нефтепродукты, свободные и эмульгированные масла, тяжелые металлы и др.

На ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта, в пределах одной дороги, водопотребление, с последующим образованием сточных вод, л составляет ежегодно до 25 млн.м. Прямой сброс этих стоков в водоемы запрещен существующими санитарно — техническими нормами. В то же время традиционные методы очистки, такие как флотация, отстаивание, коагуляция, фильтрование и другие, не всегда удовлетворяют требованиям по обеспечению очистки воды.

Наиболее радикальным способом защиты водных объектов является создание замкнутых систем водоснабжения на уровне отдельных производств, так и предприятий в целом. При этом очистка стоков осуществляется, как правило, комбинированными методами, включающими в себя сочетание традиционных методов разделения жидких смесей. Кроме того, из-за неравномерности распределения загрязнений и больших расходов воды необходимо создавать локальные системы очистки отдельных стоков.

Недостаточное внимание к поддержанию высокого уровня работоспособности существующих и созданию новых средств и технологий для бытовых и производственных очистных сооружений, при сохраняющейся и возрастающей нагрузке на них, приводит к тому, что все чаще результаты ненормируемых бытовых стоков или сбросов токсичных жидкостных отходов производства являются предпосылками экологической катастрофы, масштабы которой имеют тенденцию к увеличению.

В связи с этим постоянно проводятся исследования по усовершенствованию действующих и разработке новых методов очистки сточных вод. Среди последних особый интерес вызывают флотационные методы и конструкции реакторов для их осуществления. Они позволяют достигать высоких степеней очистки при относительно невысоком уровне затрат. Актуальна, поэтому, предпринятая в настоящей работе попытка обоснования целесообразности привлечения новых типов газлифтных аппаратов для повышения уровня утилизации агрессивных свойств бытовых стоков или жидкостных сред, участвующих в технологических процессахснижения, таким образом, объема токсичных жидкостных отходов жизнедеятельности человека, попадающих в окружающую среду и представляющих экологическую опасность.

Несомненными достоинствами процессов с взаимодействующими потоками жидкости и газа являются:

• возможность использования одного источника для одновременного питания нескольких потребителей напорного течения газа;

• хорошая оснащенность разнообразными средствами, способными обеспечить газоподачу с практически любыми заданными параметрами;

• простота конструкции реакторов, в которых осуществляются эти процессы, работающих на принципе газлифта.

Последнее обстоятельство делает актуальным и открывает возможность использования в конструкциях реакторов этого типа новых технических решений, направленных на повышение производительности и скорости протекания, осуществляемых в них технологических процессов.

Однако аппараты, выполненные по традиционной схеме газлифтного реактора, имеют существенный недостаток, выраженный в фактическом затухании массообменных процессов в нисходящей (неаэрируемой) зоне циркуляционного контура.

Поэтому разработка теоретических основ и создание новых типов аппаратов, отвечающих высоким требованиям к ним со стороны экологии, устраняющих указанный недостаток работы газлифтных реакторов, являются актуальными задачами для химической и микробиологической технологии.

Весьма важным является также применение этих разработок в конструкциях, расширяющих сферы применения газлифтных реакторов на процессы, вовлекающие трехфазные системы (газ — жидкость — твердое тело). Наряду с традиционными сферами применения такие реакторы могут эффективно использоваться (в том числе и на предприятиях железнодорожного транспорта), например, при мойке, нанесении и удалении покрытий. К этим же процессам можно отнести обработку сельскохозяйственной продукции перед посевом или хранением, крашение тканей, химическая чистка и т. п.

Именно эти технологические процессы своими отходами и представляют наибольшую опасность для экологической обстановки. Особую актуальность поэтому приобретают действия, направленные на разработку мер по совершенствованию конструкции реакторов газлифтного типа с целью повышения экологической безопасности осуществляемых в них процессов. В настоящей работе такие меры не только предложены, но и представлена конкретная проектноконструкторская разработка, реализующая материальное воплощение этих мер. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое и расчетное обоснование возможности оптимального конструирования газожидкостных реакторов для повышения производительности, экологической и эксплуатационной безопасности технологических процессов с участием агрессивных текучих сред.

2. Результаты лабораторных сравнительных исследований модели газлифтного реактора с открытым струйным течением жидкости в одной из зон циркуляционного контура.

3. Разработка принципиальной схемы и конструктивное воплощение в виде технического проекта, а затем изготовленного в металле опытного образца «экологически безопасного газожидкостного реактора для моечной машины».

4. Результаты технологических и эксплуатационных испытаний опытного образца моечной машины нового типа.

5. Результаты сравнительной оценки экономической эффективности.

Основные результаты и положения диссертационной работы представлены в 17 публикациях, 2 из которых получили патентую защиту, 3 выполнены в виде руководящих технических материалов техническому работнику железнодорожного транспорта- 8 представлены в международных сборниках и на конференциях с международным участием. Материалы диссертационной работы внедрены в технологический процесс ремонтного производства на ВосточноСибирской железной дороге.

Выполненная работа является составной частью плана фундаментальных исследований Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) по темам «Разработка методов и аппаратуры для очистки сточных вод промышленных предприятий», «Разработка аппаратов для мойки деталей подвижного состава», является составной частью совместной работы ВНИИЖТ и ИрГУПС № 513р/03/21−03−02 (раздел 14.2.00. «Рациональное использование и охрана водных ресурсов» плана НИОКР МПС РФ на 2003/04 гг., тема 14.2.10), а также № 196р/04/21−04−02 (раздел 14.2.01 плана НИОКР ОАО «РЖД» на 2004 г) на изготовление опытного образца «Экологически безопасного газожидкостного реактора для моечной машины».

Основные результаты и выводы.

1. Разработаны способы повышения производительности газожидкостных реакторов путем рационализации структуры потоков рабочей смеси для интенсификации процесса массообмена, за счет увеличения поверхности контакта фаз и эффективного продольного и поперечного перемешивания составных элементов рабочей смеси.

2. Обеспечено повышение экологической и эксплуатационной безопасности устройств, привлекаемых к выполнению технологических процессов с участием агрессивных текучих сред, за счет, максимального извлечения и утилизации вредного компонента из состава реагентов (снижения, таким образом, объема токсичных отходов), а также принятия конструктивных мер по защите обслуживающего персонала.

3. В эксперименте выявлена возможность выбора геометрических параметров реакторов с открытым струйным течением жидкости на основании результатов оптимизационных исследований.

4. Предложено теоретическое обоснование и разработан алгоритм оценки эффективности использования кинетической энергии струи жидкости в зоне нисходящего потока для интенсификации процесса перемешивания без привлечения дополнительных источников энергии.

5. Разработан алгоритм оптимизационного расчета для определения геометрических характеристик элементов конструкции газлифтного реактора с «пассивными» перемешивающими устройствами, критерием которого является максимальная величина дополнительной мощности на перемешивание.

6. Разработана конструкция и изготовлен опытной образец моечной машины нового типа, получивший патентную защиту.

5.

Заключение

.

Выбор схемы газлифтного реактора, как базового аппарата для выполнения разнообразных процессов, был обусловлен способностью этих реакторов многократно воздействовать на агрессивные компоненты рабочих сред, с целью извлечения из них вредных составляющих, и, таким образом, способствовать уменьшению объема токсичных отходов. Сужение области привлекаемых устройств группой реакторов этого типа обусловлено возможностью существенного увеличения производительности выполняемых ими процессов, улучшения экологических показателей, повышения энергоотдачи, без привлечения дополнительных источников энергии (за счет эффективного использования энергетики течения жидкости в ЗНП), а также интенсификацией процесса массообмена в ЗНП, где взаимодействие жидкости с газом происходит на противотоке. В процессах с участием агрессивных жидкостей эти обстоятельства способствуют существенному повышению эффективности мер по обеспечению экологической безопасности.

Анализ результатов сравнительных лабораторных исследований, разработка алгоритма и выполнение с его помощью сравнительных расчетных исследований энергетики течений рабочей среды, дали возможность разработки приемов оптимального конструирования и секционирования барботажно-эрлифтных газожидкостных реакторов, осуществляющих технологические процессы в системах «газ-жидкость» и «газ-жидкость-твердое тело». Логическим следствием разработки этих приемов стало создание конструктивной схемы, последующее проектирование и изготовление «экологически безопасного газожидкостного реактора для моечной машины». Схема получила патентную защиту [104], а технический проект реализован в рамках совместной работы ВНИИЖТ и ИрГУПС № 513р/03 (раздел 14.2.00. «Рациональное использование и охрана водных ресурсов» плана НИОКР МПС РФ на 2003/04 гг., тема 14.2.10), а также № 196р/04/21−04−02 (раздел 14.2.01 плана НИОКР ОАО.

РЖД" на 2004 г) на изготовления опытного образца «Экологически безопасного газожидкостного реактора для моечной машины».

Способность газожидкостных реакторов, рассмотренных в работе, и изготовленного опытного образца «экологически безопасного газожидкостного реактора для моечной машины» подчиняться приемам оптимального конструирования и секционирования, а также использовать в осуществляемых ими процессах разнообразные текучие среды, дает возможность привлечения этих реакторов в локальных замкнутых системах водопользования и очистки сточных вод. Кроме того, и к выполнению многих других задач химической промышленности, в том числе, для обеспечения безопасных и комфортных условий труда на производствах, использующих высокотоксичные реагенты, а также для выполнения задач практической медицины.