旋流选择性吸收硫化氢的机理研究
发布时间：2020-08-22 16:46
【摘要】：近年来,随着煤化工、石油化工的高速发展,二氧化硫排放总量急剧上升。由二氧化硫排放引起得酸雨污染范围不断扩大,现已扩展到长江以南、青藏高原以东的大部分地区,遍及广西、四川、山东等十多个省、市、自治区。目前年均降水pH值低于酸雨临界值5.6的地区已占全国面积的30%左右。2014年,全国二氧化硫排放总量为1974.4万吨,平均浓度为35μg/m3,远远超过了国家《环境空气质量标准》GB 3095-2012规定达标城市比例的11.8%,情况十分严峻。天然气开采时的油田伴生气、炼油工业废气、含硫煤气、化学反应含硫尾气中排出的H2S超标是造成大气中S02排放总量居高不下的主要原因。因此,开发高效的选择性脱硫技术,使工业生产气中的H2S气体变废为宝,在现实生产中具有非常重要的现实意义,也是当前环境化工领域气体净化研究的热点。本文基于旋转湍流场内液滴自转强化气-液吸收效率的新思路,创新性的提出通过旋流吸收器内液滴自转强化吸收剂对H2S选择性吸收的新方法,通过计算流体动力学、高速摄像测试技术和旋流选择性吸收实验等手段,深入研究了旋转湍流场强化选择性吸收H2S的的机理,设计了有效规避短路流的环隙旋流吸收器,提升了对旋转湍流场内颗粒的自转及翻转认识水平,成功开发了工业用旋流选择性脱硫技术,并应用到了克劳斯硫磺液硫尾气脱硫装置中。取得了如下研究进展：(1)采用雷诺应力模型(RSM)模拟了不同操作条件下,旋流吸收器及环隙旋流吸收器的三维速度、压力分布、级效率等,从不同角度研究了设计的环隙旋流吸收器对短路流的规避作用及对分离效率的强化作用。研究发现环隙旋流吸收器的三维速度在环隙处均为0,且在环隙内侧呈现急速线性上升,边界层再急速线性减小的现象。这是和旋流吸收器有明显的不同之处,说明气体逸出了旋流吸收器,盖下短路环流几乎消失,减少了气体的湍流情况和返混现象,提高了气液分离效率。(2)采用离散相模型(DPM)模拟,和采用高速摄像测试技术研究了两种旋流吸收器内不同操作条件下液滴的运动轨迹、停留时间、颗粒自转、公转和翻转运动特性,提升了颗粒运动强化吸收机理的认识。在同等操作条件下,0.5mm液滴的自转、公转和翻转速度都大于0.7 mm的,并且气量越大,液滴的转速也就越大,而自转是强化吸收和影响分离最重要的因素,因为自转速度比公转和翻转速度都至少高出了一个数量级。(3)实验研究了旋流吸收器和环隙旋流吸收器中,液滴的气液接触反应时间、压降、MDEA浓度、酸性气含H2S浓度、MDEA与H2S摩尔比等因素与旋流强化选择性吸收H2S效率的关系。研究表明,液滴与气体的接触反应时间是重要的选择性因素。旋流吸收器不受MDEA浓度的影响,用100%纯MDEA纯溶剂也能得到良好的脱硫效果。实验结果显示对于75mm直径的旋流吸收器,400Pa压降条件下,脱硫效率最高。在进口气含低浓度H2S条件下(H2S浓度200 mg/m3),选择性吸收H2S的效率平稳上升,稳定在90%以上,选择性也大于140;在入口H2S浓度100mg/m3的条件下,脱硫率96.67%,选择性大于180。通过旋流吸收器进行深度脱硫,脱硫效率最高为98.6%,出口H2S含量1 mg/m3。环隙旋流吸收器在相同操作条件下,脱硫效率提高了0.4%～3.8%,说明环隙旋流吸收器确实有更好的脱硫效率。(4)结合模拟研究、实验研究和工业应用经验,成功开发工业用旋流吸收技术,并应用到了克劳斯硫磺液硫尾气脱硫装置中。建成2000 Nm3/h规模的液硫池尾气处理装置,脱硫率显著,稳定在90%以上,最大可达到95%；焚烧炉焚烧后排空的SO2排放量浓度明显下降,SO2含量小于20 mg/m3, H2S含量小于5 mg/m3,达到了直接排放标准。回收硫磺颗粒43 kg/h,一年可回收约105210kg。解决了影响加氢装置循环氢装置长周期运转的技术难题,经济效益和社会效益显著。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701.3
【图文】：
１．５．１旋流器的传质特性逡逑本课题主要针对旋流设备，传统上一般用来强化沉降分离过程，如旋风分离器和水逡逑力旋流器。如图１．５所示，流体从沿切线方向进入旋流器，沿着螺旋线高速旋转运动，逡逑在旋流器内超重力的作用下，由于两相密度不同，轻相集中在旋流器中也轴向上运动，逡逑重相沿边壁螺旋向下运动，同样具有强化传热传质过程的作用。逡逑旋流器与离屯、机不同的是，离也机是靠自身的旋转产生超重力场的，是一种动态超逡逑重力机旋流器内流体通过导流产生旋流，从而产生超重力场，是一种静态超重力器。逡逑良好设计的旋流器具有好的对流特性，可避免沟流、滞流等现象逡逑ｄ逦．净化４逡逑１邋＾逡逑＇Ｐ逦警逡逑ｍ邋＂＂Ｉ逡逑Ｉ逡逑图１．５旋流场原理图逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ邋ｏｆ邋ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ逡逑在旋流场中，由于离屯、力的存在，分散相在径向的运动将明显有别于连续相。相关逡逑
邋０．０２逡逑ｒ（ｍ）逡逑图２．８不同进口气虽下的袖向速度图逡逑Ｆｉｇ．邋２．８邋Ｔｈｅ邋ａｘｉａｌ邋ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｉｎｌｅｔ邋ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ逡逑
Ｆｉｇ．邋２．９邋Ｔｈｅ邋ｉ＊ａｄｉａｌ邋ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｉｎｌｅｔ邋ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ逡逑２．３．４环隙旋流器的级效率逡逑图２．１０为不同流量下环隙旋流分离器的级效率曲线，由图中可Ｗ看出该环隙旋流逡逑分离器对微颗粒的捕集效率较高，对于粒径为３＾ｉｍｔＵ上的颗粒几乎全部捕集。对于该逡逑旋流分离器，进口流速的改变导致级效率曲线的变化，可ｌｉｌ看出，进口流速为６０邋ｍＶｈ逡逑时的分级效率是最高的，其次为５０邋ｍ３化条件下。逡逑１邋００邋－邋？邋？邋？？？逡逑—■—Ｑ邋三邋３０ｍＶｈ逦＾逡逑？－Ｑ＝４０ｍＶｈ逦／／邋Ｊ邋Ｉ逡逑Ｑ＝５０ｍ＇／ｈ逦／邋／邋／／卢逡逑令邋００邋－逦—Ｑ＝６０ｍＶｈ逦／邋／逡逑＼＾＼逡逑６０邋Ｌ逦逦；逦；逦逡逑０．１邋１邋２．５邋１０逡逑ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅ（｜ｉｍ）逡逑困２．１０不同进口气量下的级效率逡逑巧控．２．１０邋Ｔｈｅ邋ｇｒａｄｅ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ邋ｕｎｄｅｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅ打ｔ邋ｆｌｏｗ邋ｒａ化Ｓ逡逑相比较常规旋流器的不同进口气量下的分级效率图２．６，发现环隙旋流器不再存在逡逑明显的分级曲线交叉点，４种进气条件下的变化趋势基本一致。这主要是因为环隙旋流逡逑器规避了盖下短路流，减小了流体的端动情况，旋流器不易再随着进气量的不断X棿蠖义鲜沟枚搪妨鱔棿笾敝练⑸祷欤跋旆掷胄省６杂冢校停保翱帕＃掷胄首顨俚氖清义希叮埃恚郑杞跫
本文编号：2800909
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701.3
【图文】：
１．５．１旋流器的传质特性逡逑本课题主要针对旋流设备，传统上一般用来强化沉降分离过程，如旋风分离器和水逡逑力旋流器。如图１．５所示，流体从沿切线方向进入旋流器，沿着螺旋线高速旋转运动，逡逑在旋流器内超重力的作用下，由于两相密度不同，轻相集中在旋流器中也轴向上运动，逡逑重相沿边壁螺旋向下运动，同样具有强化传热传质过程的作用。逡逑旋流器与离屯、机不同的是，离也机是靠自身的旋转产生超重力场的，是一种动态超逡逑重力机旋流器内流体通过导流产生旋流，从而产生超重力场，是一种静态超重力器。逡逑良好设计的旋流器具有好的对流特性，可避免沟流、滞流等现象逡逑ｄ逦．净化４逡逑１邋＾逡逑＇Ｐ逦警逡逑ｍ邋＂＂Ｉ逡逑Ｉ逡逑图１．５旋流场原理图逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ邋ｏｆ邋ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ逡逑在旋流场中，由于离屯、力的存在，分散相在径向的运动将明显有别于连续相。相关逡逑
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