Аэрогидродинамика вихревых аппаратов очистки отходящих газов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
В. И. Петров 
АЭРОГИДРОДИНАМИКА 
ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ 
ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ 
ГАЗОВ 
Монография 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2023 

УДК 66.02:532.527 
ББК 35.111 
П29 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. А. Г. Лаптев 
д-р техн. наук, проф. Э. Р Галимов 
П29 
Петров В. И. 
Аэрогидродинамика вихревых аппаратов очистки отходящих газов : 
монография / В. И. Петров; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. 
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2023. – 156 с. 
ISBN 978-5-7882-3309-3 
Рассмотрены научно-технические основы разработки вихревых аппаратов 
очистки отходящих газов для различных химических производств. Теоретически 
описаны закономерности течения однофазного потока в вихревых контактных 
устройствах (ВКУ). Получены графические зависимости изменения основных 
компонент скоростей газового потока: окружной, осевой и радиальной. Экспериментально исследована структура газового потока вихревых устройств с различными контактными патрубками. Определены три основные зоны течения газового 
потока внутри контактных патрубков. Разработаны конструкции промышленных 
аппаратов улова паров азотной кислоты, оксидов азота и аммиака. 
Предназначена для бакалавров, магистров и специалистов, обучающихся на 
кафедре оборудования химических заводов, а также может быть полезна аспирантам и научным сотрудникам, круг научных интересов которых касается разработки 
новых типов массообменного, газоочистного оборудования вихревого типа. 
Подготовлена на кафедре оборудования химических заводов. 
УДК 66.02:532.527 
ББК 35.111 
ISBN 978-5-7882-3309-3 
© Петров В. И., 2023 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2023 
2

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение 
......................................................................................................................... 5 
Глава 1. АНАЛИЗ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ 
КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ АППАРАТОВ ОЧИСТКИ  
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТОДОМ 
МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ АБСОРБЦИИ ................................................................... 9 
1.1. Классификация и анализ конструкций массообменных контактных 
устройств с закрученными потоками фаз ................................................................. 9 
1.2. Анализ гидродинамики контактных устройств 
.............................................. 17 
1.3. Анализ путей интенсификации массопередачи в ВКУ 
................................. 24 
Глава 2. РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ГИДРОДИНАМИКИ НОВЫХ ВКУ ДЛЯ АППАРАТОВ ОЧИСТКИ 
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ ЛЕГКОРАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ 
....................... 29 
2.1. Разработка новых конструкций ВКУ ............................................................... 29 
2.2. Результаты сравнительных испытаний разработанных ВКУ ...................... 32 
2.3. Теоретические исследования гидродинамики однофазного потока 
в разработанных конструкциях ................................................................................ 39 
2.4. Исследование и проверка адекватности математической модели 
гидродинамики однофазного потока ....................................................................... 48 
2.5. Исследование движения частиц жидкости в разработанных 
конструкциях ............................................................................................................... 64 
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ  
ПЛЕНОЧНО-ВИХРЕВОГО KOHTAKTHOГО УСТРОЙСТВА 
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ................................................................................ 74 
3.1. Выбор основных факторов воздействия на объект исследования .............. 74 
3.2. Исследование гидравлического сопротивления ВКУ ................................... 77 
3.3. Исследование уноса жидкости .......................................................................... 84 
3.4. Исследование массоотдачи в газовой фазе ..................................................... 89 
3.5. Оптимизация конструкции и режимов работы ВКУ 
с цилиндрическим патрубком 
................................................................................... 94 
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВКУ 
С ВЫПУКЛЫМ ПАТРУБКОМ ............................................................................... 101 
4.1. Исследование гидродинамических характеристик ВКУ с выпуклым 
патрубком ................................................................................................................... 101 
4.1.1. Исследование гидравлического сопротивления 
............................... 102 
4.1.2. Исследование уноса жидкости ............................................................ 104 
4.1.3. Исследование удерживающей способности...................................... 108 
3 

4.2. Исследование массопередачи в ВКУ ............................................................. 110 
4.3. Оптимизация работы ВКУ с выпуклым патрубком .................................... 111 
Глава 5. СОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТЬ 
ВИХРЕВОГО АБСОРБЕРА ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ 
С РАЗРАБОТАННЫМИ КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ........................ 115 
5.1. Описание конструкции разработанного промышленного 
многоступенчатого аппарата 
................................................................................... 115 
5.2. Результаты работы вихревого аппарата в промышленных 
условиях 
...................................................................................................................... 121 
5.2.1. Исследование гидравлического сопротивления 
............................... 121 
5.2.2. Исследование уноса жидкости ............................................................ 122 
5.2.3. Исследование и сравнение эффективности работы аппарата ........ 124 
5.3. Разработка и внедрение промышленных установок для абсорбции 
аммиака в производстве минеральных удобрений 
на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», г. Салават .................................................... 132 
5.4. Разработка и внедрение вихревых аппаратов очистки отходящих 
газов в производстве кальцинированной соды на ОАО «Крымский  
содовый завод», г. Красноперекопск 
..................................................................... 138 
Заключение ................................................................................................................ 143 
Литература ................................................................................................................. 145 
4 

В В Е Д Е Н И Е
Недостатком многих химических производств является выброс 
в атмосферу большого количества токсичных веществ. К числу таких 
предприятий относятся заводы производства нитроклетчатки, предприятия, производящие различные минеральные удобрения, кальцинированную соду. Эффективность аппаратов по очистке отходящих 
газов на указанных заводах не удовлетворяет современным требованиям санитарных норм. Так, газовые выбросы только процессов нитрации целлюлозы превышают допустимые нормы в десятки раз. Для 
интенсификации процесса абсорбции паров азотной кислоты, являющихся легкорастворимыми, необходимо применить высокую степень 
турбулизации фаз. 
Разработанные ранее насадочные башни и абсорберы ОТБ-40 не 
соответствуют по физическому смыслу требованиям процессов газоочистки из-за малой производительности по газу, низкой эффективности газоочистки и большого брызгоуноса. Внутри этих абсорберов не 
предусматривалось использование фильтрующих элементов для улова 
тумана азотной кислоты, хотя его доля превышала долю оксидов азота. 
Поэтому работа ранее применявшихся насадочных башен и абсорберов 
ОТБ-40 сопровождалась выбросом в атмосферу большого количества 
не только тумана, но и брызг азотной кислоты, что нарушало экологические требования.  
Проведенные исследования гидродинамики и массопередачи 
вихревых контактных устройств (ВКУ) показали, что по технико-экономическому критерию В. П. Майкова наиболее перспективными являются прямоточные ВКУ, работающие при скоростях, значительно больших, чем скорости в насадочной башне и абсорбере ОТБ-40 [1]. 
Анализ показал, что для абсорбции паров легкорастворимых 
веществ достаточно трех ступеней с вихревыми устройствами и комплекта рукавных фильтрующих элементов на выходе, обеспечивающих улов паров и тумана азотной кислоты на 99 % и более. При этом 
вихревой абсорбер по сравнению с насадочной башней при равных 
энергозатратах может быть меньше по размерам в десятки раз.  
На сегодняшний день проблема очистки отходящих газов остается по-прежнему актуальной из-за отсутствия эффективных аппаратов глубокой очистки газов от смеси паров, тумана азотной кислоты 
5 

и оксидов азота. Большие газовые выбросы наносят непоправимый 
урон организму людей, флоре и фауне. Технико-экономический анализ показывает, что в производстве нитроцеллюлозы выброс азотной 
кислоты с отходящими газами достигает 150–250 кг на тонну продукта и более. В этих условиях является актуальной не только очистка 
отходящих газов, но и утилизация ценного сырья [1, 4]. Эти системы 
требуют наличия множества кислотных насосов, отапливаемого помещения, большого количества промежуточных кислотных емкостей, 
а также обслуживания. Кроме того, с увеличением объемов производства оказалось, что действующие системы газоочистки не способны 
работать при повышенных расходах газа и тем более не справляются 
с эффективной газоочисткой при полной нагрузке производства. 
Одной из основных проблем при создании скоростных аппаратов 
очистки отходящих газов от паров азотной кислоты является трудность 
обеспечения высокоэффективного многоступенчатого контакта фаз [16], 
т. е. такого контакта, когда до минимума сокращен брызгоунос и провал 
жидкости между ступенями контакта фаз. Так, расчетный оптимальный 
брызгоунос между ступенями допускается не более 3–5 кг жидкости при 
расходе газа 40 тыс. м3/ч, а провал жидкости практически недопустим. 
Из известных аппаратов этим требованиям могут удовлетворять лишь аппараты вихревого типа [6, 9, 53]. Большой вклад в разработку данных аппаратов был внесен сотрудниками Казанского национального исследовательского технологического университета [2, 8, 10, 58, 126]. 
В связи с этим ставилась цель разработать новую конструкцию 
ступени контакта фаз с вихревыми контактными устройствами, обладающими минимальным брызгоуносом и обеспечивающим  надежный 
высокоэффективный многоступенчатый контакт фаз. Поставленная 
цель была достигнута путем последовательного анализа известных конструкций вихревых контактных устройств (ВКУ), разработки принципов проектирования новых ВКУ, теоретического исследования структуры однофазного газового потока и траектории движения капель 
в контактных устройствах, экспериментального исследования и оптимизации как режимных, так и конструктивных параметров разработанных ВКУ. Новые конструкции многоступенчатых аппаратов с разработанными ВКУ при апробации в промышленных условиях показали высокую эффективность по очистке отходящих газов.  
В основу эффективного способа очистки газов от токсичных выбросов различных химических предприятий  предложены установки 
6 

вихревой абсорбции газов с фильтрацией газа через рукавные фильтрующие элементы. Разработанные научно-технические основы для создания принципиально новых аппаратов, обеспечивающих интенсификацию абсорбции газов, являются универсальными не только для абсорбции паров азотной кислоты, но и для многих других физико-химических процессов в гетерогенных системах «газ – жидкость», а также 
в системах «газ – жидкость – твердые частицы». 
Для достижения поставленной цели автором в работе решались 
следующие задачи: 
– классификация ВКУ, их сравнение с позиций существующих
вихревых аппаратов с целью определения возможности и перспективности их внедрения в различных химических отраслях; 
– исследование аэрогидродинамики одно- и двухфазного течения
с целью определения наличия зон движения газового потока, их влияния на гидродинамику ВКУ и разработка методов расчета основных характеристик аппарата; 
– проведение оптимизации ВКУ с различными контактными патрубками; 
– разработка, внедрение и оценка эффективности промышленных вихревых аппаратов в различных химических отраслях. 
Для ускорения решения проблемы очистки кислотных газовых 
выбросов заводов отрасли по совместному приказу министра машиностроения СССР и министра высшего и среднего специального образования РСФСР в 1981 г. в Казанском химико-технологическом институте им. С. М. Кирова на кафедре оборудования химических заводов была открыта отраслевая научно-исследовательская лаборатория 
«Регенерация отработанных кислот и комплексная очистка газовых 
выбросов» [1]. 
Выражаю особую благодарность доктору технических наук, 
профессору, лауреату Государственной премии СССР А. Ф. Махоткину за предложенную идею разработки и исследования вихревых 
контактных устройств различного назначения, за ценные советы при 
создании промышленных многоступенчатых вихревых аппаратов, 
доктору технических наук, профессору, лауреату Государственной 
премии СССР Р. А. Халитову – за совместные исследования и проектирование промышленных аппаратов очистки отходящих газов, денитрации отработанных кислот и концентрирования серной кислоты, 
7 

доктору технических наук, профессору А. М. Шамсутдинову – за 
совместную работу в области аэродинамики однофазного газового 
потока и исследований вихревых контактных устройств. Выражаю 
благодарность всему коллективу кафедры ОХЗ за активную поддержку при внедрении разработанных аппаратов на промышленных 
предприятиях. 
8 

Г л а в а  1 .  А Н А Л И З  П У Т Е Й  
С О В Е Р Ш Е Н С Т В О В А Н И Я  В И Х Р Е В Ы Х  
К О Н Т А К Т Н Ы Х  У С Т Р О Й С Т В  Д Л Я  А П П А Р А Т О В  
О Ч И С Т К И  О Т Х О Д Я Щ И Х  Г А З О В  Н И З К О Й  
К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И И  М Е Т О Д О М  
М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т О Й  А Б С О Р Б Ц И И  
При создании контактных устройств аппаратов газоочистки необходимо выбирать такой тип контактной ступени, которая обеспечивала 
бы эффективное многоступенчатое контактирование фаз при высоких 
нагрузках аппаратов по газу. С точки зрения гидродинамики такие вихревые контактные устройства (ВКУ) должны обеспечивать не только эффективное контактирование газа и жидкости, но и ликвидацию брызгоуноса и провала жидкости со ступеней контакта фаз. Для этих условий 
наиболее перспективными являются аппараты вихревого типа. 
1 . 1 .  К л а с с и ф и к а ц и я  и  а н а л и з  к о н с т р у к ц и й  
м а с с о о б м е н н ы х  к о н т а к т н ы х  у с т р о й с т в  
с  з а к р у ч е н н ы м и  п о т о к а м и  ф а з  
В связи с многообразием конструкций ВКУ массообменных аппаратов возникла необходимость их классификации, которая позволили бы 
более объективно подойти к выбору того или иного типа контактного 
устройства и выявить направление их дальнейшего совершенствования. 
Работы, посвященные созданию классификационных схем, 
можно разделить на «общие» и «локальные». В «общей» классификации авторы охватывают разнородные классы массообменных аппаратов, в «локальной» – лишь один тип. К числу работ в этих областях следует отнести «общую» классификационную схему, предложенную 
В. В. Кафаровым [11]. Дальнейшее развитие и детализацию эта классификация получила в работах [12–16]. Известно, что эффективность 
и производительность ВКУ предопределяется гидродинамическими 
и конструктивными особенностями. 
9 

Рассмотрим отличительные особенности различных конструкций ВКУ и условия взаимодействия потоков в них в соответствии 
с предлагаемой нами классификацией (рис. 1.1). 
Рис. 1.1. Классификационная схема анализа конструкций ВКУ 
Данная классификационная схема анализа конструкций ВКУ разбита на две основные подгруппы, включающие гидродинамические 
и конструктивные особенности. Такой подход позволяет нам оценить 
гидродинамическую обстановку и выявить влияние конструктивных 
параметров на эффективность работы ВКУ многоступенчатого массообменного аппарата.  
Рассмотрим особенности конструкции ВКУ и схемы взаимодействия газожидкостных потоков. По направлению движения фаз можно 
выделить перекрестно-противоточные [17, 18] и перекрестно-прямоточные типы ВКУ. При этом перекрестно-прямоточные конструкции можно 
подразделить на ВКУ с нисходящим [19–21] и восходящим [22–32] 
направлениями движения фаз на контактной ступени. Различное относительное движение фаз предопределяет использование различных сил для 
сепарации жидкости. В ВКУ, кроме гравитационных и инерционных сил, 
для сепарации жидкости создаются значительные центробежные силы. 
Количественное сравнение различных типов контактных устройств по 
10