ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 3, с. 335-343
УДК 66.074.51.001.57
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСУБЛИМАЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ГАЗОВОЙ СМЕСИ © 2014 г. В. А. Налетов, В. Л. Лукьянов, Н. Н. Кулов*, А. Ю. Налетов, М. Б. Глебов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва *Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва
glebov@muctr.ru Поступила в редакцию 05.11.2013 г.
Проведено экспериментальное исследование десублимации диоксида углерода из газовой смеси с азотом на охлаждаемой поверхности. Экспериментальный стенд по исследованию процесса десублимации включал источник газовой смеси, измерительную ячейку, систему охлаждения, систему вакуумирования, контрольно-измерительную систему. Определены основные факторы, влияющие на степень извлечения диоксида углерода. Получены эмпирические зависимости степени извлечения диоксида углерода от параметров проведения процесса. Обсуждается возможность промышленной реализации процесса.
Ключевые слова: десублимация диоксида углерода, эксперимент, оценка основных факторов. БО1: 10.7868/80040357114030142
ВВЕДЕНИЕ
Проблема утилизации остаточной теплоты дымовых газов теплоэнергетических систем, металлургических, коксохимических и других производств, а также выделение из них диоксида углерода актуальна как с позиции энергосбережения, так и с позиции охраны окружающей среды. В промышленных масштабах для выделения из промышленных газовых смесей (дымовых газов) диоксида углерода после предварительной, как правило, каталитической очистки дымовых газов от оксидов серы и азота обычно используют сорб-ционные [1] либо криогенные методы [2]. В большинстве существующих способов улавливания диоксида углерода предпочтение отдается сорб-ционным методам (химическая и физическая абсорбции). Однако с учетом целесообразности комплексного решения экологических проблем совместно с проблемами энергосбережения многообещающими являются и криогенные методы. В частности, в работе [3] для решения указанных проблем предложен комбинированный энергоблок тригенерации (генерация электроэнергии, холода и диоксида углерода), осуществляющий с высокой эффективностью утилизацию остаточной тепловой энергии отходящих газов и глубокое улавливание из них диоксида углерода. Было показано, что, несмотря на то, что применение криогенных методов выделения диоксида углеро-
да из дымовых газов более сложно по сравнению с сорбционными методами, интегральные показатели глубины улавливания, термодинамической эффективности и сопутствующих эффектов предложенного энергоблока тригенерации существенно выше по сравнению с имеющимися способами улавливания диоксида углерода. Кроме того, криогенные методы выделения диоксида углерода позволяют получать твердый или жидкий СО2 товарного качества. В общем случае десублимация диоксида углерода из газовой смеси в условиях низких температур может протекать как на охлаждаемых поверхностях, так и в объеме аппарата [2]. В работах [2, 4, 5, 7] приводятся математические модели поверхностной десублимации из смеси газов. В работе [6] рассмотрена динамика хемосорбции диоксида углерода на основе супероксидов щелочных металлов.
Целью настоящей работы было исследовать осаждение твердого диоксида углерода из газовой смеси с азотом (содержание С02 5—16 об. %) на охлаждаемой поверхности в диапазоне температур от минус 196 до минус 110°С. Указанный диапазон содержания С02 в газовой смеси соответствует его содержанию в производственных дымовых газах, а низкие температуры достигаются в холодильном цикле комбинированного энергоблока тригенерации, где может быть реализован процесс низкотемпературной десублимации С02.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторной установки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Установка. При создании исследовательской установки низкотемпературной десублимации С02 из газовой смеси с азотом нами учитывались следующие требования.
1. Установка должна обеспечивать достижение необходимых показателей очистки газа и получение товарного диоксида углерода. При этом должны достигаться и необходимые экологические показатели.
2. Установка должна удовлетворять следующим техническим требованиям: включать источник исходной газовой смеси, лабораторную ячейку для выделения продукта, систему вакуумиро-вания, систему отбора проб продукта и систему охлаждения газовой смеси. Кроме того, установка должна обеспечивать температурный диапазон системы охлаждения от минус 196 до минус 110°С, давление в рубашке измерительной ячейки от 0.001 до 0.11 МПа, расход газовой смеси 0—4.4 л/мин.
С учетом приведенных требований нами была создана экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 1, а общий вид на рис. 2.
В измерительную ячейку из баллонов подавали с постоянным расходом смесь газов. Ячейку помещали в сосуд Дьюара с жидким азотом, где она охлаждалась его парами. Вследствие десубли-мации под действием низкой температуры на
внутренней поверхности ячейки выделялся твердый диоксид углерода. Несконденсировавшиеся газы отводились в атмосферу через открытый патрубок ячейки. Таким образом, давление в ячейке в ходе процесса десублимации было равно атмосферному.
В ходе эксперимента температура внутренней поверхности ячейки в нижней точке непрерывно контролировалась и регистрировалась. Непрерывно контролировалось разрежение в ячейке. Объемный расход N и С02 контролировался визуально по показаниям ротаметров.
Для измерения и регистрации значений температуры и давления использовали термопару с диаметром спая 1.25 мм и микропроцессорный тензо-резистивный датчик давления-разрежения АИР-10, связанные с многоточечным измерителем-регулятором типа ТМ5103.
В ходе исследований использовались измерительные ячейки двух видов: с рубашкой (рис. 3а) и без рубашки (рис. 3б). Из рубашки перед началом эксперимента вакуум-насосом откачивался воздух до остаточного давления 0.002 МПа, после чего рубашка герметизировалась. Это позволило существенно уменьшить скорость снижения температуры во время эксперимента по сравнению с ячейкой без рубашки.
Методика эксперимента. Вначале ячейку было необходимо освободить от остатков диоксида уг-
ным расходом. В ходе эксперимента расходы и С02, и N2 поддерживались постоянными. По достижении заданной длительности эксперимента подача С02 и N прекращалась, ячейку с находящимся внутри десублиматом вакуумировали, герметизировали и снова взвешивали.
Масса десублимированного диоксида углерода определялась как разность массы измерительной ячейки после эксперимента и до него. Взвешивание выполняли на электронных весах с точностью до 0.01 г. На рис. 4 приведены фотографии ячейки с десублиматом по окончании эксперимента.
Обработка данных. На основании полученных значений массы десублимата рассчитывали степень извлечения диоксида углерода ф по формуле
Аг
Ф =
ва
(1)
где ^ — изменение веса измерительной ячейки, О — общий массовый расход газа; С — массовая доля диоксида углерода в газе; / — время.
Плотность газа существенно зависит от температуры. Для учета этого влияния общий массовый расход газа будет выражаться как
ЯТУ
в = — ( Ыщ + V со2 Мсо2),
(2)
Рис. 2. Вид лабораторной установки десублима-ции СО2.
лерода и посторонних примесей. С этой целью из внутреннего пространства ячейки с помощью вакуум-насоса откачивали воздух, ячейку герметизировали и взвешивали, затем помещали в сосуд Дьюара, внутреннее пространство которого заполнялось азотом и продувалось им в течение 10— 15 мин с заданным расходом.
По достижении требуемой начальной температуры в ячейке начинали подавать С02 с задан-
где р — атмосферное давление; Я — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура;
— объемный расход /-го компонента газовой смеси; М/ — молярная масса /-го компонента газовой смеси.
Целью первой серии опытов было изучение влияния расхода исходной газовой смеси V на степень извлечения диоксида углерода ф. Газовая смесь с различными значениями расхода и при средней концентрации С02 в ней 9.5 об. % пропускалась через измерительную ячейку без рубашки (рис. 3б, 4б). Рабочая поверхность ячейки составляла 413 см2. В ходе эксперимента средняя температура в нижней точке ячейки составила минус 156.6°С. Результаты эксперимента приведены
Таблица 1. Результаты экспериментов первой серии
V, л/мин 0.96 1.3 2.2 2.9 3.55 4.67
, л/мин 0.85 1.16 2.01 2.65 3.25 4.27
УС0г, л/мин 0.11 0.14 0.19 0.25 0.3 0.4
X, об. % 11.6 10.8 8.6 8.6 8.5 8.6
Т °С -161.6 -159.2 -157.1 -155.1 -154.9 -151.9
ф, % 100 98.8 95.8 68.6 58 49
В атмосферу Исходная
(а)
смесь газов
К вакуум-насосу
В атмосферу Исходная
(б)
смесь газов
осферу осферу
К вакуум-насосу
Рис. 3. Измерительные ячейки: (а) — с рубашкой; (б) — без рубашки.
в табл. 1 и на рис. 5. Эти результаты показали, что при расходе газовой смеси 2.5 л/мин и менее достигается степень извлечения С02 более 80%.
Зависимость степени извлечения от расхода газовой смеси можно описать следующим уравнением:
Г-3.35^ + 103.18 при V < 2.15;
, „-n.-0.3595
(3)
71.926 (V - 1.75 )0 3595 при V > 2.15
Представляло интерес оценить влияние содержания диоксида углерода в газовой смеси на степень его извлечения. Это было выполнено в серии опытов, где изучалась зависимость ф от концентрации диоксида углерода в исходной газовой смеси. Использовалась измерительная ячейка без рубашки, рабочая поверхность которой составляла 413 см2. Была выполнена серия из четырех опытов, в которых расход азота оставался постоянным и равным 2 л/мин, а расход газообразного диоксида углерода менялся от 5.3 до 16.4 л/мин. Эксперимент проводили при средней температуре в нижней точке ячейки, равной минус 154.7°С. Результаты эксперимента приведены в табл. 2 и
на рис. 6. Искомая зависимость описывается полиномом 2-го порядка
Ф = -0.0535х2 - 1.1229* + 107.49. (4) Наблюдаемое падение степени десублимации с ростом содержания диоксида углерода в исходной газовой смеси объясняется диффузионным торможением и ростом слоя десублимата на охлаждаемой поверхности при неизменных параметрах хладагента.
Важнейшей режимной характеристико
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.