Введение к работе
Актуальность проблемы. Большая часть промышленных выбросов — это аэродисперсные системы, загрязняющими компонентами в которых являются частицы органических и неорганических пылей или туманов, а также в среднем от двух до пяти газообразных веществ. Доля последних может составлять по массе от 59 до 71% выбросов. Значительная их часть обладает свойством суммации действия или способностью трансформации в вещества многократно токсичнее исходных. В условиях фона, характерного для большинства промышленно развитых районов, это становится опасным даже при относительно низких начальных концентрациях. Тем не менее, сложившаяся практика очистки промышленных выбросов в основном ориентирована на извлечение лишь одного — доминирующего компонента, которым в большинстве случаев однозначно принимается пыль. Этим обусловлено большое число работ, посвященных исследованию процессов обеспыливания выбросов и недостаточное внимание к разработке технологий комплексного извлечения неоднородных компонентов.
Актуальность названной проблемы резко возрастает в условиях интенсификации промышленного производства, повышения плотности размещения промышленных предприятий различного профиля, сближения промышленных и селитебных зон, применения новых веществ с недостаточно изученными свойствами суммации и токсичностью. Перечисленные факторы, способствуя интенсивному накоплению в приземных слоях неизвлекаемых компонентов выбросов, повышают степень техногенного воздействия на окружающую среду, а также уровень затрат электрической и тепловой энергии на обеспечение системами общеобменной вентиляции санитарных норм качества воздуха производственных помещений.
Решение проблемы очистки выбросов от нескольких загрязняющих веществ может иметь два принципиальных подхода. Первый — основывается на использовании многоступенчатых установок, в которых путем последовательного подключения соответствующих газоочистных аппаратов раздельно осуществляются процессы селективного извлечения целевых компонентов.
Практика санитарной очистки технологических и дымовых газов в многоступенчатых установках определила область их экономически обоснованного применения. Это - многотоннажные выбросы с высокой начальной концентрацией, стабильным составом, свойствами и возможностью утилизации целевых компонентов в промышленных масштабах. При изменении состава, свойств или объёмов выбросов такие установки становятся малоэффективными и требуют переоборудования, связанного с капиталоёмкой заменой составляющих их устройств.
Второе направление - создание технологий очистки, использующих принцип комплексного ведения управляемых процессов извлечения целевых компонентов на основе агрегатирования средств их реализации в едином аппарате.
Из анализа функциональных возможностей основных методов извлечения компонентов газодисперсных сред следует, что наиболее оптимально эта задача может быть решена в аппаратах мокрой очистки. Наряду с традиционно отмечаемыми преимуществами возможность совмещения и интенсификации физико-
химических процессов позволяет создавать на основе механизмов мокрой очистки новые технологии и эффективно регенерировать теплоту выбросов. Даже в сравнении с наиболее близкими аналогами это даёт возможность сократить до минимума число агрегатируемых в одном аппарате технологических средств и, соответственно, минимизирует важнейшие стоимостные показатели — капитало-и энергоёмкость, а также условия автоматизации управления режимно-технологическими параметрами.
Определяющим фактором успешной реализации совмещённых процессов мокрой очистки является разработка соответствующей многофункциональной и легко трансформируемой при изменении свойств выбросов реакционной аппаратуры, методы расчёта которой должны отражать особенности гидродинамики, массотеплообмена и кинетики совместно протекающих процессов в условиях взаимного влияния. Кроме того, достижение уровня эффективных инженерных решений требует экспериментального и теоретического исследования закономерностей комплексной мокрой очистки, как превращений сложной физико-химической системы, характеризуемой насыщенностью связей детерминирование-стохастических явлений. Решение названных выше задач является предметом настоящей диссертации.
Работа выполнялась в соответствии с заданием 02.02.Н "Разработать технологические процессы и оборудование для сокращения потерь при доставке и хранении нефтепродуктов" Всесоюзной научно-технической программы 0.63.05 ГК МТС СССР; координационным планом ГКРФ по науке и технической политике - межрегиональной программы "Экологические проблемы Нижней Волги" — JE 11. 01. 94, а также тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.
Цель работы. Защита воздушной среды от загрязнения многокомпонентными промышленными выбросами посредством создания многофункциональных аппаратов комплексного извлечения загрязняющих веществ в формируемых на основе механизма вихревой инжекции пенодинамических системах.
Основная идея работы состоит в режимно-технологической оптимизации условий совмещения механизмов комплексного извлечения неоднородных компонентов промышленных выбросов на основе разработки математических моделей разделительно-абсорбционных процессов пылегазоулавливаиия в пенодинамических системах с вихреинжекционным механизмом формирования и комплекса экспериментальных исследований закономерностей их реализации.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое и физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа, сопоставление полученных результатов с научно-техническими характеристиками известных аналогов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- теоретически и экспериментально обоснованы принципы режимно-технологической оптимизации разделительно-абсорбционных процессов комплексной очистки, реализуемых на основе вихреинжекционного механизма динамического пенообразования, как фактора интенсификации формирования по-
верхности контакта и межфазного массопереноса, обеспечивающего высокую степень извлечения всех улавливаемых компонентов;
разработана математическая модель процесса инжекции жидкости восходящим закрученным потоком газа в условиях формирования крупномасштабного вихря (стока) над её поверхностью;
теоретически и экспериментально определены закономерности инжекции жидкости вихревым стоком газа, получены расчетные формулы траектории движения газового потока, показано определяющее влияние условий движения последнего на формирование динамической пены и выполнена оптимизация закру-чивателей для генерации формирующего её вихревого стока;
экспериментально установлена инвариантность структурных характеристик пенодинамического (пузырькового) слоя, формируемого посредством вихревой инжекции при прямоточно-возвратном и прямоточном режимах движения жидкой фазы в его объеме;
- разработаны физико-математические модели процесса формирования
межфазной поверхности контакта в условиях прямоточного и прямоточно-
возвратного режимов жидкой фазы в слое динамической пены, образуемой по
средством вихревой инжекции жидкости закрученным потоком газа;
разработаны физико-математические модели процессов массопереноса неоднородных загрязняющих веществ в активном объёме восходящего потока динамической пены, формируемой при вихревой инжекции жидкости, и получены аналитические зависимости, характеризующие эффективность пылегазоулавли-вания в зависимости от свойств её дисперсной фазы, режимных и конструктивных параметров аппарата;
экспериментально получены зависимости, характеризующие влияние режимных и конструктивных факторов вихреинжекционного формирования динамической пены на эффективность совмещённых массообменных процессов комплексной очистки;
обоснованы параметры и условия оптимизации и управления режимами работы модулированного вихреинжекционного пенного аппарата для комплексной очистки неоднородных многокомпонентных промышленных выбросов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объёма экспериментов, использованием современных методик исследования, удовлетворяющей сходимостью аналитических и экспериментальных результатов, патентной чистотой разработанных технических решений и получением прогнозируемого эффекта в практическом использовании.
Практическое значение работы заключается в следующем:
разработан способ осуществления разделительно-химических процессов пылегазоочистки в потоке динамической пены, образуемой путём инжекции жидкости восходящим закрученным потоком газа, новизна которого подтверждается авторским свидетельством и патентом на изобретение (№ 1530223);
разработан модификационный ряд многофункциональных вихреинжекци-онных пенных аппаратов, унифицированных в блочно-модульном виде на основании трансформируемой по целевому назначению компоновочной схемы, новизна которых подтверждается авторскими свидетельствами и патентами на изо-
бретєния (№ 570382, 569271, 637134, 912228, 1142142, 1404100, 1431812, 1526773,1554945,1586784,1607870,1602803,1681918,1692620; 2067029);
разработан способ очистки выбросов от паров органических растворителей в слое динамической пены, образуемой путем инжекции жидкой технологической среды восходящим закрученным потоком воздуха, новизна которого подтверждается патентом на изобретение (№ 1440533);
разработан комплекс методик инженерного расчёта функционально-энергетических характеристик различных разделительно-химических процессов очистки многокомпонентных выбросов в модулированных вихреинжекционных пенных скрубберах, составлено программное обеспечение для выполнения расчётов на ПЭВМ;
- разработана программа оптимизационного расчёта режимно-техноло-
гических параметров и блочно-процессорной элементной базы модулируемых
аппаратов различных модификаций.
Реализация результатов работы:
разработана конструкторская документация на изготовление и технологические регламенты на эксплуатацию многофункциональных вихреинжекционных пенных модулированных скрубберов (пылеуловителей-абсорберов-рекуператоров), используемых при выполнении договорных и тематических программ с предприятиями и организациями машиностроительной, нефтехимической и строительных отраслей промышленности;
разработаны, прошли промышленные испытания и внедряются в эксплуатационную практику модулированные установки очистки выбросов от паров ксилола и толуола на Минском заводе холодильников АО Атлант;
разработаны, прошли испытания и внедрены в эксплуатационную практику модулированные вихреинжекционные пенные установки очистки выбросов производства асфальтобетона и производства керамзита на Волжском ПО Строй-индустрия;
разработаны, прошли испытания и внедряются в эксплуатационную практику очистки выбросов на предприятиях АООТ "Каустик" модулированные вихреинжекционные пенные скрубберы основных модификаций;
разработана, прошла испытания н внедрена в эксплуатационную практику вихреинжекционная пенная установка очистки выбросов рольганговых печей отжига металла калибровочного цеха Волгоградского ПО тракторных деталей и нормалей;
разработана, прошла испытания и передана для внедрения в эксплуатационную практику вихреинжекционная пенная установка очистки выбросов станций испытания дизельных двигателей Волгоградского моторного завода;
разработана, прошла промышленные испытания и внедрена в эксплуатационную практику вихреинжекционная пенная установка очистки выбросов от вулканизационных газов цеха Jfe 2 Волжского завода РТИ;
рекомендации, выводы и научные результаты работы использованы НПО "Волгоградэкохимпроект", СКБ "Транснефтеавтоматика" Государственного концерна "Роснефтепродукт" при разработке конструкторской документации и технологических регламентов на эксплуатацию модулированных вихреинжекшгон-
ных пенных установок извлечения газо-паровых компонентов из вентиляционных и технологических выбросов при сливо-наливных операциях и переработке нефтепродуктов;
ПСО Волгоградгражданстрой на основе научных результатов работы составлены "Рекомендации по проектированию, расчёту и наладке модулированных установок ВИПС" и внедрены при разработке разделов "Охрана атмосферного воздуха от загрязнения" в проектах ОВ для предприятий бытового обслуживания;
по патентам 1530223 и 1602803 НПО "Волгоградэкохимпроект" приобретены лицензии на модулированные внхреинжекционные пенные рекуператоры паров нефтепродуктов из вентнляционно-технологических выбросов резервуар-ных парков для их использования в системе нефтеперерабатывающих предприятий концерна;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой ОВиОВС ВолгГАСА в курсах лекций, лабораторных циклах, курсовом проектировании по дисциплинам специализаций 2907-01, 2907-03 и 2907-05, а также в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 2907 "Теплогазоснабжение и вентиляция".
На защиту выносятся:
теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей образования взвешенного слоя динамической пены (газожидкостной пузырьковой системы) посредством инжекции жидкости вихревым восходящим стоком газа;
физико-математические модели формирования межфазной поверхности контакта в условиях прямоточного и прямоточно-возвратного режимов течения жидкой фазы в объеме взвешенного слоя динамической пены;
физико-математические модели процессов массопереноса неоднородных загрязняющих веществ в активном объёме взвешенного слоя динамической пены, образуемого за счёт механизма вихревой инжекции жидкости;
-теоретические и экспериментальные результаты режимно-технологической оптимизации разделительно-абсорбционных процессов комплексного извлечения неоднородных компонентов в пенодинамическом слое, образуемом посредством механизма вихревой инжекции, как фактора интенсификации межфазного переноса и развития поверхности контакта;
экспериментальные зависимости, характеризующие влияние режимных и конструктивных факторов вихреинжекционного формирования динамической пены на эффективность совмещённых массообменных процессов комплексной очистки и условия их оптимизации;
модель оптимизации и управления режимами работы модулированного вихреинжекционного пенного скруббера при комплексной очистке неоднородных многокомпонентных промышленных выбросов;
защищенные авторскими свидетельствами и патентами способы обработки газа и модифицированный ряд многофункциональных вихреинжекционных пенных модулированных аппаратов-скрубберов;
— комплекс научно обоснованных методик технологического расчёта и оптимизации разделительно-химических процессов очистки многокомпонентных выбросов в модулированных вихреинжекционных пенных скрубберах, а также рекомендаций по оптимизации режима их работы.
Апробация работы. Основное содержание работы доложено на: 1. Международной научной конференции "Akrualne zagadnienia klimatyzacji Miedzynarodowa Konf. Naukowa, 28-30 wrzesnia. (Wroclaw, 1977); Всесоюзном совещании "Основные направления повышения качества и эффективности проектирования и монтажа систем отопления и вентиляции зданий и сооружений" (Монино, 1979); Всесоюзных шестых научных чтениях (Белгород, 1982); Научно-техническом семинаре "Повышение качества и эффективности вентиляции на предприятиях стройиндустрии" (Пенза, 1982); Всесоюзной научной конференции "Струйные течения жидкостей и газов" (Новополоцк, 1982); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение аппаратов мокрого типа для очистки отходящих газов от твёрдых и газообразных вредных примесей" (Москва, 1985); Межотраслевом научно-техническом совещании "Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха" (Волгоград, 1986); Всесоюзном совещании по проблеме охраны воздушного бассейна от выбросов предприятий химической промышленности и промышленности строительных материалов (Ереван, 1986); Международной научной конференции " Аіг-Conditioning and District Heat. — Rational, of Design Modes: Third International Conf., Wroclaw, May 14-15, (Wroclaw, 1987); Всесоюзном проблемном совете "Медицинские аспекты охраны окружающей среды" (Тарту, 1988); Межотраслевом научно-техническом семинаре "Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха" (Волгоград, 1988); Научно-технической конференции "Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов" (Новополоцк, 1989); Всесоюзной научно-практической конференции "Человек — труд — экология" (Волгоград, 1990); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Современное оборудование вентиляционных систем" (Москва, 1990); Региональной научно-практической конференции "Повышение энергетической эффективности систем теплоснабжения и вентиляции зданий и сооружений" (Челябинск, 1991); Международной научно-технической конференции "Высшая школа в решении экологических проблем Нижне-Волжского региона" (Волгоград, 1994); Международной научно-технической выставке-семинаре "Энергосбережение, энергоэффективность, экологическая безопасность" (Волгоград, 1996); Международном научном симпозиуме "Экология и безопасность жизнедеятельности" (Волгоград, 1996); научно-технической конференции "Достижения в теории я практике теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха" (С-Петербурт, 1997); Международной научно-технической конференции "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 1997); на ежегодных научно-технических конференциях Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 64 работах, в том числе: 2 монографиях; 2 учебных пособиях, 10 авторских свидетельствах, 7 патентах, а также научно-технических отчётах.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объём работы 484 страницы, в том числе: основной текст на 370 стр., 90 рис. на 67 стр., 10 фотографий на 3 стр., список литературы из 412 наименований на 28 стр., 12 приложений — 85 стр.
