Research on liquid film neutralization of welding gas emissions

Full Text

Введение

Интенсификация сварочных процессов, применение новых легированных материалов в сварных конструкциях, новых методов сварки и термической резки приводят к появлению в зоне дыхания сварщиков большого количества вредных веществ. В связи с этим необходима разработка
и внедрение эффективных методов борьбы с выделяющимися вредными веществами, их надежной локализации путем создания местных портативных нейтрализующих устройств, встроенных в технологическое оборудование.

Вредные газообразные вещества, попадая в организм, вызывают тяжелые поражения всего организма. К наиболее вредным газам, выделяющимся при сварочных технологиях, относятся:

• окислы азота (особенно двуокись азота), вызывающие заболевания легких и органов кровообращения;
• окись углерода (угарный газ) – бесцветный газ, при концентрации свыше 1 % приводит к раздражению дыхательных путей, вызывает потерю сознания, одышку, судороги и поражение нервной системы;
• двуокись углерода (углекислый газ) – обладает удушающим действием, особо опасен в закрытых и плохо вентилируемых помещениях;
• озон образуется при сварке в инертных газах, вызывает раздражение глаз, сухость во рту и боли в груди.

Выпускные газы транспортных энергетических установок также
содержат, кроме твердых частиц несгоревшего топлива, аналогичные вредные газообразные продукты сгорания. Из применяемых методов жидкостной нейтрализации наибольшую степень извлечения токсичных газов имеет химическая абсорбция, а наибольшее распространение, как наиболее простой, дешевый и доступный метод, получила физическая абсорбция, абсорбентом в которой используется обычная пресная вода [1 – 6].

Жидкостные пленочные массообменные аппараты широко используются в химической технологии в качестве абсорберов газообразных сред
в жидкость, нисходящее движение которой организуется внутри вертикальных труб или на плоской вертикальной поверхности [7 – 9]. Такие аппараты возможно использовать и для очистки уходящих газов, выделяемых, например, при сжигании органического топлива или проведении различных технологических операций, связанных с выбросами значительного количества токсичных газов и аэрозолей [10 – 12].

Для выполнения расчетов процессов абсорбции необходимо определять величины коэффициентов массоотдачи между газом и пленкой жидкости. При массопередаче между газом и жидкостью существуют сопротивления газовой и жидкой фаз. Доля каждого из фазовых сопротивлений определяется растворимостью газов. Для хорошо растворимых газов доля сопротивления жидкой фазы невелика, этим сопротивлением пренебрегают. К таким газам можно отнести NH₃, HCl, SO₂.

Для плохорастворимых газов (СО₂, СО, NO) основное сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе. Тогда сопротивлением газовой фазы можно пренебречь [1]. Для умеренно растворимых газов сопротивления каждой из фаз соизмеримы и пренебрегать ими нельзя.

Для описания процессов тепло- и массообмена обычно используются критериальные уравнения [13]. Каждое из них применимо для определенных условий организации рабочего процесса, конструктивных особенностей аппаратов и т.д. Численные значения коэффициентов при критериях имеют значительные расхождения. Это объясняется тем, что исследования проводятся в узких диапазонах изменения параметров газа и пленки жидкости и применяются различные условия эксперимента.

Цель статьи – исследовать и обобщить в критериальной форме интенсивность снижения концентрации окиси и двуокиси углерода, а также окиси серы в установке жидкостной пленочной нейтрализации (абсорбирующей средой является вода). Для реализации данной цели разработаны методики экспериментов и методология их проведения, а на основе экспериментальных результатов – методика их критериальной обработки и получены численные значения критериальных зависимостей.

Материалы и методы

В работе для очистки воздуха от газовых выбросов и аэрозолей предлагается использование жидкостного пленочного нейтрализатора
[7, 10, 14]. Данная установка представляет собой закрытый корпус с вертикально установленными пластинами, в верхней части которых закреплены пленкообразующие устройства. С их помощью жидкость растекается по обеим сторонам пластин в виде пленки. Загрязненный газ поступает
в корпус снизу через входной патрубок и движется вверх между пластинами. Благодаря большой площади контакта пленка жидкости как абсорбент интенсивно поглощает газообразные и твердые загрязняющие вещества и, стекая вниз по пластинам, удаляется из корпуса нейтрализатора. Жидкость после очистки и нейтрализации может подаваться на пленкообразующие устройства для повторного использования. Нейтрализаторы такого типа обладают существенным достоинством – низким гидравлическим сопротивлением, малым брызго- и влагоуносом, что является важным фактором для создания портативных устройств очистки газов.

Для изучения рабочих процессов, происходящих в жидкостном пленочном нейтрализаторе, проведены исследования на экспериментальном стенде, основными элементами которого являлись латунные пластины длиной 1100 и 600 мм [14]. Они жестко закреплены в корпусе c патрубками входа загрязненного и выхода очищенного воздуха. Подача воды на латунную пластину осуществляется через пленкообразующее устройство, пленка воды движется вниз по поверхности рабочей пластины, а очищаемый воздух – вверх, при их контакте происходят процессы абсорбции газов в пленку жидкости. Для измерения скорости воздуха используется трубка Прандтля с U-образным жидкостным манометром, расход жидкости определяется объемным способом и контролируется по жидкостному манометру. Концентрация двуокиси углерода СО₂ определяется с помощью интерферометра ШИ-10, оксидов углерода СО и серы SO₂ – с помощью переносного многокомпонентного газоанализатора МАГ-6П.

Основной задачей исследований является определение зависимости изменения концентрации различных газовых загрязнений по длине рабочей пластины. В настоящей работе в качестве газового загрязнения воздуха использовались окись углерода СО с начальной концентрацией 40…80 мг/м³, двуокись углерода СО₂ (30…90 г/м³) и окись серы (0,2…0,33 г/м³).
Результаты измерений изменения концентраций в воздухе двуокиси углерода СО₂ и окиси углерода СО по длине контакта при скорости воздуха V_воз = 1…4 м/с представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Изменение концентрации СО2 (a) и СО (б) по длине контакта L: Rег = 20×103: 1 – Rепл = 110; 2 – 230; Rег = 31×103: 3 – Rепл = 76; 4 – 45; 5 – 28; Rег = 19×103: 6 – Rепл = 76; Rег = 2,2×103, Rепл = 278: 7, 8, 9 – с начальными концентрациями С0 соответственно 40, 50, 80 мг/м3

 

В качестве характеристик процесса абсорбции используются критерии Re_г (газовый) и Re_пл (пленочный):

${\mathrm{Re}}_{г}=V_{воз}\left(d_{экв}/{\nu }_{г}\right)$; (1)

${\mathrm{Re}}_{пл}={\Gamma }_v/{\nu }_{пл}$, (2)

где $d_{экв}=\sqrt{4S/\pi }$ – эквивалентный диаметр, м; S – площадь сечения рабочего канала, м²; Г_v = G_v / П – орошение пластины, м²/с; G_v – объемный расход пленки, м³/с; П – смоченный периметр, м; n_г, n_пл – кинематические вязкости воздуха и пленки соответственно, м²/с.

Результаты исследования

При исследованиях абсорбции получены следующие результаты.

1. Зависимость снижения концентрации газа по длине рабочей пластины имеет экспоненциальный характер. Наиболее значительное изменение концентрации происходит на начальном рабочем участке.
2. Интенсивность изменения концентрации газа по длине значительно зависит от его начальной концентрации: чем выше начальная концентрация, тем значительней ее изменение.
3. При использовании воды в качестве абсорбирующей среды оптимальная скорость воздуха составляет V_воз = 0,8…1 м/с, оптимальное значение орошения составляет Г_v = (3,3...3,8) × 10^–4 м²/с.
4. Концентрации окиси и двуокиси углерода возможно снизить
   на 30 – 45 %, а окиси серы – в 1,5 – 2 раза на длине контакта 0,6…1 м.
5. Расход жидкости слабо влияет на интенсивность абсорбции. Так,
   в диапазоне изменения критерия Re_пл = 28 – 76 изменение концентраций отличается незначительно (см. рис. 1, а, кривые 3 – 5).

Обобщение результатов исследований абсорбции газов в пленку жидкости проведено в системе безразмерных критериев с учетом размерных параметров пленочного течения жидкости, предложенного в [15],

$Sh=A{\mathrm{Re}}_{г}^m{\mathrm{Re}}_{пл}^{n}S{c}^p{\left(\delta /L\right)}^k$, (3)

где $Sh=\beta \delta /\rho D$ – число Шервуда; $\beta =g_{г}/\Delta C$ – коэффициент массоотдачи, кг/(м²·с); $g_{г}=G_{аб}/S_{аб}$ – удельный поток абсорбированного газа, кг/(м²с); $G_{аб}$ – поток абсорбированного газа, кг/с; $S_{аб}=П\Delta L$ – площадь абсорбции, м²; $П$– смоченный периметр, м; $\Delta L$ – участок канала, м; $\Delta C$ – концентрационный напор (движущая сила абсорбции), кг/кг; r – плотность среды, кг/м³; d – толщина пленки, м; L – длина контакта, м;  – число Шмидта; D – коэффициент диффузии, м²/с.

Составляющие критериев Re_г и Re_пл представлены в уравнениях (1), (2). В расчетах критериев Re_г, Re_пл и Sc использованы экспериментальные и справочные данные.

Для окиси и двуокиси углерода коэффициенты кинематической вязкости и диффузии выбирались для пленки воды, окиси серы – воздушной среды.

Поток абсорбированного газа G_аб на каждом участке рабочего канала DL находится по измеренным значениям его концентрации в потоке воздуха перед ${С}_{i-1}^{г}$ и за участком ${С}_i^{г}$, кг/м³,

$G_{аб}=G_{воз}\left({С}_{i-1}^{г}-{С}_i^{г}\right)$, (4)

где G_воз – расход воздуха в рабочем канале, м³/с.

Концентрация абсорбированного газа в пленке воды в конце участка ${С}_i^{пл}$, кг/кг, и концентрационный напор ΔС, кг/кг, рассчитываются по следующим зависимостям:

${С}_i^{пл}=C_{i-1}^{пл}+\frac{G_{аб}}{G_{пл}}$; (5)

$\Delta C_i^{пл}={С}_i^{г}-C_i^{пл}$, (6)

где  – концентрация абсорбированного газа в пленке перед участком рабочего канала, кг/кг;  – массовый расход пленки воды, кг/с.

При расчете средних значений коэффициента массоотдачи на участках разной длины контакта концентрационный напор ΔС рассчитываются по средним значениям концентраций в воздухе и пленке.

При противоточном движении воздуха и пленки воды расчет начальной (по ходу воздуха) концентрации абсорбированного газа в пленке воды (в нижней части рабочей пластины), кг/кг, проводился по массовому балансу по зависимости

$C_0^{пл}=\frac{G_{воз}\left({С}_0^{г}-{С}_L^{г}\right)}{G_{пл}}$, (7)

где ${С}_0^{г}$, ${С}_L^{г}$ – концентрации газа в воздухе в начале и конце рабочего канала соответственно, кг/м³.

Конечная концентрация абсорбированного газа в пленке воды $C_L^{пл}=0$.

Результаты обработки данных по локальным значениям абсорбции двуокиси углерода СО₂ в пленке пресной воды в широком диапазоне изменения критериев Re_г, Re_пл показаны на рис. 2, а; по средним значениям абсорбции – рис. 2, б. Критерий $K_D$ представляет собой комплекс критериев

$K_D={\mathrm{Re}}_{г}^{\mathrm{0,6}}{\mathrm{Re}}_{пл}^{\mathrm{0,15}}S{c}^{\mathrm{0,33}}\left(\delta /L\right)$. (8)

Критериальные уравнения, описывающие результаты этих данных, имеют вид:

• для локальных значений на каждом участке рабочего канала

$Sh=\mathrm{2,6}{\mathrm{Re}}_{г}^{\mathrm{0,5}}{\mathrm{Re}}_{пл}^{\mathrm{0,13}}S{c}^{\mathrm{0,28}}{\left(\delta /L\right)}^{\mathrm{0,86}}$; (9)

 

Рис. 2. Обработка экспериментальных данных по локальным (а) и средним (б) значениям абсорбции СО2 в безразмерных координатах

 

Рис. 3. Обработка экспериментальных данных по локальным значениям абсорбции СО (а) и SO2 (б) в безразмерных координатах

 

• для средних значений массоотдачи на участках рабочего канала разной длины

$Sh=\mathrm{5,1}{\mathrm{Re}}_{г}^{\mathrm{0,45}}{\mathrm{Re}}_{пл}^{\mathrm{0,11}}S{c}^{\mathrm{0,25}}{\left(\delta /L\right)}^{\mathrm{0,76}}$. (10)

Экспериментальные данные обобщаются уравнениями (9), (10) с погрешностью ± 15 %.

Результаты обработки данных по абсорбции окиси углерода СО и окиси серы SO₂ в пленке пресной воды для локальных значений на каждом участке рабочего канала представлены на рис. 3.

Критериальные уравнения, описывающие результаты данных исследований, имеют вид:

• для окиси углерода СО (с погрешностью ± 20 %)

$Sh=\mathrm{2,9}{\mathrm{Re}}_{г}^{\mathrm{0,5}}{\mathrm{Re}}_{пл}^{\mathrm{0,12}}S{c}^{\mathrm{0,27}}{\left(\delta /L\right)}^{\mathrm{0,83}}$; (11)

• для окиси серы SO₂ (с погрешностью ± 25 %)

$Sh=\mathrm{3,7}{\mathrm{Re}}_{г}^{\mathrm{0,34}}{\mathrm{Re}}_{пл}^{\mathrm{0,1}}S{c}^{\mathrm{0,2}}{\left(\delta /L\right)}^{\mathrm{0,57}}$. (12)

Заключение

Полученные критериальные зависимости позволяют рассчитать значения коэффициентов массоотдачи и поток абсорбции газа в пленку жидкости по длине контакта и, соответственно, габаритные характеристики жидкостных пленочных массообменных аппаратов в широком диапазоне изменения концентраций газа, расходов жидкости и скорости движения загрязненного воздуха или газа.

В результате анализа процесса абсорбции окиси- и двуокиси углерода в пленочном жидкостном аппарате можно сделать вывод, что при использовании воды в качестве абсорбирующей среды оптимальная скорость движения газов V_воз = 0,8…1,0 м/с, оптимальное значение орошения
Г_v = (3,3…3,8) × 10^–4 м²/с, при этом концентрация газов СО и CO₂ снижается на 30 – 45 %, SO₂ – в 1,5 – 2 раза.

Данный метод может использоваться для очистки технологических выбросов, а также выпускных газов от различных энергетических установок,
в которых обычно содержатся токсичные газообразные компоненты.

Основная задача следующих исследований – определение изменения концентрации таких токсичных технологических выбросов, как NO и NO₂, а также аэрозольных загрязнений от длины контакта при жидкостной пленочной нейтрализации. Результаты исследований будут обобщаться в виде критериальных зависимостей.

About the authors

V. N. Statsenko

Far Eastern Federal University

Author for correspondence.
Email: vladsta@mail.ru

доктор технических наук, профессор департамента промышленной безопасности

Russian Federation, Vladivostok

A. V. Gridasov

Far Eastern Federal University

Email: vladsta@mail.ru

кандидат технических наук, директор департамента промышленной безопасности

Russian Federation, Vladivostok

R. H. Sadykov

Far Eastern Federal University

Email: vladsta@mail.ru

аспирант департамента промышленной безопасности

Russian Federation, Vladivostok

References

Supplementary files