-2-
Оглавление
Введение...............................................................6
Глава 1. Процессы тепло - и массообмена при адсорбционной очистке газов. Состояние вопроса.....................................11
1.1. Принцип работы блока предварительной осушки (БПО) системы очистки воздуха................................................11
1.2. Обзор результатов исследований адсорбционных процессов..........12
1.2.1. Адсорбционное равновесие газов на твердых адсорбентах.......12
1.2.2. Динамика процессов тепло - и массообмена при пропускании газовой смеси через слой адсорбента...............................18
1.3. Постановка задачи исследования..................................26
Глава 2. Экспериментальное исследование тепло- и массообменных
процессов на поглотителе С-6В ...............................28
2.1. Определение изотерм адсорбции...................................28
2.2. Исследование процессов тепло - и массобмена в динамических
; - '..-г:
условиях работы адсорбционного слоя';....:.;- .;.................33
2.2.1. Создание модельной адсорбционной установки..................33
2.2.2. Измерительные системы.......................................38
2.2.3. Экспериментальные данные и их обсуждение....................39
Глава 3. Математическое моделирование тепло- и массообменных
процессов в адсорберах БПО системы очистки воздуха............42
3.1. Система уравнений, моделирующая процесс.........................42
3.2. Определение существенных физических факторов
и граничных условий..............................................45
3.3. Метод решения системы уравнений и алгоритм численного расчета .. 48
3.4. Сравнение результатов численного решения с экспериментом........52
3.5. Расчеты процессов тепло - и массообмена в адсорберах БПО........53
-3-
Глава 4. Оптимизация работы адсорберов БПО системы очистки воздуха ..............................................................57
4.1. Анализ работы блока осушки на стационарных режимах работы.......57
4.1.1. Определение оптимальных режимов функционирования............57
4.1.2. Определение допустимых режимов функционирования БПО.........61
4.2. Исследование возможности повышения энергетической эффективности БПО..............................................62
4.3. Исследование возможности повышения выходных характеристик работы установки...............................................69
4.3.1. Влияние теплофизических и сорбционных
характеристик поглотителя на эффективность работы БПО.......69
4.3.2. Влияние конструктивных изменений адсорберов БПО на выходные характеристики работы установки..........................72
4.4. Обсуждение результатов..........................................74
Выводы................................................................78
Библиографический список использованной литературы.....................79
Приложение............................................................89
-4-
Осповпые условные обозначения.
Л - вязкостный коэффициент сопротивления зернистого слоя; а - концентрация адсорбата в адсорбенте, кг/м3;
ф 3
а - равновесное значение концентрации адсорбата в адсорбенте, кг/м ;
Оооу Ь - параметры изотермы Лэнгмюра, кг/м3 и м3/кг, соответственно;
В - инерционный коэффициент сопротивления зернистого слоя;
Ср - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/кгК;
С* - удельная теплоемкость сухой шихты, Дж/кгК;
Ю - эффективный коэффициент продольной диффузии, м2/сек;
<1, - диаметр зерна адсорбента, м;
/- функции, определяющие кинетику сорбции;
Є - расход газа, м3/час;
/ - длина границы адсорбента, м; р - давление, Па;
ц - удельная теплота адсорбции, Дж/кг; г - текущая координата по радиусу гранулы, м;
Т- температура, К;
Тв* - температура осушаемого воздуха на входе в БПО, °С;
Тро« - температура точки росы воздуха на выходе из БПО, °С;
Тнагр - максимальная температура воздуха, идущего на регенерацию патрона БПО, °С;
I - время, сек;
и - линейная скорость газового потока, м/с,
\У - мощность, подводимая на электронагреватель, Вт;
\Ут11Х - максимальная допустимая мощность, подводимая на электронагреватель, для данного режима, Вт;
Р - кинетический коэффициент, 1/сек,
Г - коэффициент Генри; е - порозиость слоя шихты;
А*- коэффициент теплопроводности шихты, Вт/мК;
р - коэффициент динамической вязкости, кг/м/сек;
р - плотность поглощаемого газа, кг/м3;
ттол- период времени отключения электронагревателя, мин.
-6-
Введение
Настоящая работа посвящена исследованию адсорбционных процессов. Процессы сорбции и десорбции широко применяются в различных областях науки и техники. Адсорбенты используются в процессах очистки нефтепродуктов, при очистке химических веществ в фармакологической промышленности, для сушки и разделения газов и жидкостей, осветления пищевых и других материалов.
Адсорбционные методы выделения и очистки мономеров применяются в производстве каучука, синтетических смол и пластмасс.
При транспортировке газа на большие расстояния возникают осложнения из-за присутствия паров воды в газе. Глубокая осушка природного газа, а также газовых потоков в каталитических процессах достигается применением адсорбентов.
Рекуперация летучих растворителей необходима для предотвращения загрязнения атмосферы в различных химических производствах.
Исключительное значение имеет применение процессов сорбции в атомной промышленности для разделения изотопов, которое невозможно осуществить путем химических реакций.
Основным методом регенерации атмосферы в различных автономных объектах (таких как космические корабли, подводные лодки и т. п.) также является применение сорбирующих материалов. Данная работа непосредственно относится к одной из таких систем - системе очистки воздуха от углекислого газа, функционирующей на космической станции.
Регенерация воздуха является одной из основных проблем в жизнеобеспечении экипажей многих автономных систем. Это обусловлено в первую очередь тем, что человек может в аварийных ситуациях находиться без пищи - больше месяца, без воды - несколько суток, а при неработающей системе регенерации воздуха резервное
-7-
время нахождения, например, экипажа в гермокабине не превышает нескольких часов при сравнительно больших объемах кабин.
В исследуемой системе очистки атмосферы удаление углекислого газа из воздуха осуществляется, как было уже отмечено, с помощью применения явления адсорбции. Перед очисткой воздуха от углекислого газа его осушают в блоке предварительной осушки (БПО) также посредством пропускания через слой адсорбента. БПО состоит из двух попеременно работающих адсорберов, засыпанных зернистым поглотителем - силикагелем. Один из адсорберов работает на осушку воздуха, а второй в это время регенерируется. Длительность каждого полуцикла составляет обычно 1 час, и она определяется появлением за слоем адсорбента концентрации паров воды в воздухе на уровне -20 °С по температуре точки росы. Обеспечение такой степени осушки воздуха требует постоянных затрат электроэнергии (до 240 Вт), которая идёт на нагрев воздуха для регенерации адсорбента.
Поэтому как у нас в стране, так и за рубежом основной задачей исследований по совершенствованию подобных адсорбционных систем является снижение энергетических затрат. Кроме того, как показал длительный опыт эксплуатации исследуемой установки, актуальной является задача создания системы автоматического управления, которая необходима для контроля и оптимизации режимов работы установки. В большинстве подобных циклических адсорбционных установках актуальным также является вопрос повышения выходных характеристик. В частности, одним из требований, предъявляемых к блоку предварительной осушки, является обеспечение по возможности более низкой температуры точки росы воздуха на выходе из блока (не выше минус 40°С) во всём диапазоне рабочих параметров системы. Такое требование, прежде всего, связано с необходимостью осуществлять более эффективную очистку воздуха от углекислого газа.
Решение поставленных задач требует большого объема теоретических и экспериментальных работ. Из-за большого числа параметров, определяющих
эффективность процесса осушки, полный анализ цикла во многом определяется наличием и внедрением в инженерную практику надежных математических моделей и алгоритмов расчета. На их основе возможен как учет особенностей протекания процессов тепло - и массообмена на каждом из шагов цикла, так и их взаимодействие при переходе от предыдущего шага к последующему. Численные эксперименты по прогнозированию поведения адсорбционной системы при различной организации шагов цикла дают возможность не только обоснованно определять технологические параметры процесса, но во многих случаях и уменьшить объем экспериментальных исследований.
Настоящая работа посвящена исследованию процессов тепло - и массообмена в адсорберах блока предварительной осушки системы очистки атмосферы и выполнена в соответствии с планом научно-технических работ в ИЦ им. Келдыша. Она является составной частью научно-исследовательских работ по совершенствованию систем регенерации атмосферы в автономных объектах.
-9-
Цель диссертационной работы. Исследование и совершенствование адсорбционных
систем по очистке газовых смесей.
Задачи исследования.
1. Экспериментальное исследование характеристик поглотителя и влияния параметров функционирования установки на процессы тепло - и массообмена в адсорбционном слое.
2. Разработка математической модели, адекватно отражающей процессы тепло - и массообмена в исследуемой адсорбционной установки на всех стадиях адсорбционного цикла.
3. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.
4. Анализ и оптимизация работы исследуемой адсорбционной установки по осушке воздуха.
Актуальность работы.
1. Актуальность работы заключается в необходимости совершенствования систем регенерации воздуха. В частности, в исследуемой установке актуальной является задача создания системы автоматического управления, которая необходима для контроля и оптимизации режимов работы установки
2. Исследование циклических адсорбционных процессов также актуально с целью создания замкнутых систем регенерации воздуха, которые смогли бы обеспечить длительное пребывание человека в условиях автономного объекта (космическая станция, подводная лодка и т.п.). Применение процессов адсорбции в данных системах является основопологающим.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. В реализации комплексного подхода к анализу циклических адсорбционных процессов.
- 10-
2. В экспериментальном определении равновесных и динамических характеристик используемого поглотителя ( силикагель С-6В)
3. В разработке математической модели, адекватно отражающей физические процессы на всех стадиях адсорбционного цикла.
Иракти ческая цеп ноет ь.
Практ ическая ценность работы определяется следующим:
1. Разработкой и экспериментальным подтверждением методов расчета, позволяющих проанализировать особенности процессов тепломассообмена на различных стадиях адсорбционного цикла.
2. Решением практических задач, связанных с повышением эффективности работы изучаемой адсорбционной установки.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях
молодых ученых МФТИ в 1998-1999 гг. В ходе работы над диссертацией опубликовано
6 печатных работ.
На защиту выносятся:
1) Результаты экспериментальных исследований характеристик используемого адсорбента в равновесных и динамических условиях работы
2) Алгоритмы решения задач и программы расчета процессов тепло - и массообмена в адсорбционной регенерируемой установке.
3) Результаты параметрических расчетов процессов тепло - и массообмена на каждой из стадий адсорбционного цикла и для всего цикла в целом.
4) Результаты теоретических и расчетно-экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию работы исследуемой адсорбционной установки.
- 11-
Глава 1. Процессы тепло - и массообмена при адсорбционной очистке газов. Состояние вопроса.
1.1. Принцип работы блока предварительной осушки (БПО) системы очистки воздуха
Как было отмечено выше, данная работа непосредственно относится к системе очистки атмосферы, функционирующей на борту КС и предназначенной для очистки воздуха от углекислого газа в жилых отсеках станции. Схема данной системы очистки атмосферы представлена на рисунке 1 (см. Приложение).
Система очистки атмосферы состоит их двух основных блоков: блока
предварительной осушки (БПО) и блока удаления СО2. Оба блока основаны на применении сорбирующих материалов и работают по схожим схемам. Влажный воздух, содержащий углекислый газ, перед очисткой от СО2 осушается в БГІО посредством пропускания его через слой зернистого адсорбента. При этом происходит поглощение паров воды гранулами сорбирующего материала. Далее на выходе из БПО сухой воздух с повышенным содержанием СО2 пропускается через слой другого зернистого сорбента. При этом уже происходит поглощение углекислого газа.
Настоящая работа посвящена изучению процессов, происходящих именно в блоке предварительной осушки воздуха. Блок предварительной осушки необходим для эффективной работы блока очистки от углекислою газа и существенного уменьшения потери влаги из объекта Основной характеристикой БПО является влажность выходящего из него воздуха. Чем ниже влажность, тем эффективней работает система очистки атмосферы. Блок состоит из двух поглотительных патронов, работающих в циклическом режиме (рис. 1). В то время как один из патронов работает на поглощение, во втором происходит регенерация поглотителя. Для этого сухой и очищенный от углекислого газа воздух возвращают в БПО, нагревают в электронагревателе и пропускают через отработавший слой сорбента. Таким образом, обеспечивается непрерывная очистка воздуха.
- Київ+380960830922