2 Технологическая схема экспериментальной установки и методика проведения исследований

Биогазовые установки предназначены для переработки жидкого навоза и помета сельскохозяйственных животных в биологический газ и экологически чистые удобрения. Применение биогазовых установок на животноводческих фермах обеспечивает получение дополнительной энергии в виде биогаза и высококачественных органических удобрений, а также позволяет значительно снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду.

Для опытной проверки и демонстрации возможностей возобновляемых источников энергии, а также отработки режимов анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота в лабораторных условиях ЮКГУ разработана и изготовлена лабораторная биогазовая установка с объемом реактора 0,25 м³ (рисунок 2.1).

Согласно схеме из навоза предварительно удаляются посторонние включения (древесная щепа, солома, камни, остатки грубых длинно стебельчатых кормов и т.д.).

Очищенный от этих примесей жидкий навоз направляется в биореактор для анаэробного сбраживания.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до летучих жирных кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метанобразующих превращаются в газообразные продукты - метан и углекислый газ. Одновременно при сбраживании навоза обеспечивается его дезодорация, дегельминтизация, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести и перевод удобрительных веществ в минеральную форму.

Полученный биогаз сжигается в газовых агрегатах, а сброженный навоз собирается в хранилище, а затем используется на полях в качестве удобрения.

Биогазовая установка состоит из трех основных аппаратов - биореактора для анаэробного сбраживания навоза, газгольдера, устройства подготовки навоза к сбраживанию, а также вспомогательных устройств для обеспечения функционирования систем биореактора.

Биореактор представляет собой цилиндрическую емкость-метантенк из черной стали толщиной 7 мм. Высота метантенка 1,5 м, диаметр 530 мм.

Реактор оборудован электронагревателем с площадью поверхности теплообмена 0,33 м².

Перемешивание субстрата в реакторе гидравлическое при помощи насоса и системы трубопроводов с вентилями. При работе насоса в режиме перемешивания субстрат забирается из реактора и по системе трубопроводов нагнетается в его верхнюю часть.

Удаление сброженного навоза происходит по мере поступления свежей порции через систему трубопроводов удаления эффлюента.

Для опорожнения реактора в его нижней части имеется вентиль опорожнения. В таблице 2.1 представлены основные технические показатели биогазовой установки.

Таблица 2.1 – Основные технические показатели биогазовой установки

Показатели	Ед. изм.	Значение
Общий объем биореактора	м3	0,25
Объем газового пространства	м3	0,07
Температура обработки при мезофильном режиме - М при термофильном — Т	оС	35-37 55-57
Продолжительность обработки	сутки	20-22 при М 12-15 приТ
Мощность насоса для перемешивания навоза	кВт	0,37
Установленная мощность эл. нагревателя	кВт	2,0
Площадь поверхности теплообмена	м2	0,33
Производительность: по исходному навозу М-Т по биогазу М-Т	л/сут л/сут	10-15 100-170
Масса, нетто	кг	450

Общие требования к биогазовым установкам, анаэробные условия в метантенке, соблюдение температурного режима, кислотно-щелочной баланс, требования к характеристикам перерабатываемых отходов, режим работы биореактора, требования к конструкции, водо- и газонепроницаемость, стабильность конструкции метантенка, контрольно – измерительные приборы, требования к системе сбора биогаза определялись по стандартам: ГОСТ Р 52808-2007, Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения, ГОСТ Р 53790-2010 Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Общие технические требования к биогазовым установкам, ГОСТ 14920-79 ГАЗ СУХОЙ Метод определения компонентного состава, Технологический регламент. Получение биогаза с полигонов твердых бытовых отходов. Отдел научно-технический информации АКХ. Москва 1990,ГОСТ 22387.2-97 Методы определения сероводорода и меркаптановой серы.

Согласно утвержденного календарного плана на основе разработанной технологической схемы микробарботажной очистки создана экспериментально-исследовательская установка для исследования микробарботажного процесса при разделении СН₄ от СО₂ и H₂S[44,58].

а)

б)

Рисунок 2.1 – Экспериментальная установка для получения и очистки биогаза

а) биореактор для анаэробного сбраживания навоза с газгольдером

б) модуль микробарботажной очистки

Рисунок 2.2 – Пульт управления экспериментальной установки для очистки биогаза и КИПиA

Для проведения микробарботажного процесса разработана конструкция мембранного хемосорбера (рисунок 2.4) с использованием семиканального мембранного модуля изготовленного из керамики[58]. Семиканальный мембранный модуль выбран из соображения увеличения производительности аппарата и степени очистки газовой смеси. Он представляет собой стальной цилиндрический корпус длиной 250 мм и диаметром Ø50×3 мм, внутри которого устанавливается трубчатая керамическая мембрана. В мембранном модуле происходит непосредственный контакт между газовой и жидкой фазами с образованием тонкой дисперсии микропузырьков. Газовая фаза (смесь СН₄ от СО₂ и H₂S) подается под нужным давлением внутрь корпуса с наружной стороны мембраны. Жидкая фаза поступает внутрь керамической мембраны.

Рисунок 2.3 – Мембранный модуль для проведения микробарботажной очистки биогаза от СО₂

Экспериментально-исследовательская установка состоит из хемосорбера Х для проведения микробарботажного процесса, из емкости Е объемом 30 литров, вихревого насоса Н первой степени пожаробезопасности, из запорных, ВЗ1, ВЗ2, ВЗ3, ВЗ4, ВЗ5 и регулирующих ВР1,ВР2 вентилей, контрольно-измерительных приборов (рисунок 2.4).

Газовая смесь содержащий метан, СО₂, H₂S и другие примеси по трубопроводу Т1 поступает в межтрубное пространство хемосорбера Х, проникает в поры трубчатой керамической микрофильтрационной мембраны и выходит во внутренне пространство в виде микропузырьков. Давление газа на входе 1÷3 атм., образующиеся микропузырьки непрерывно смываются потоком водной суспензии СаО, содержащий микропузырьки. Далее суспензия вместе с пузырьками возвращается в емкость Е. суспензия подается в емкость Е вихревым насосом Н со следующими параметрами: производительность 0,001 м3/с, напор 16 мм.вод.ст., число оборотов 24,15 сек-1[58].

Насос подобран во взрывобезопасном исполнении.

Содержание СаО в суспензии 10-20% масс. Содержание СО₂ в газовой смеси измеряется на входе и выходе показывающим прибором, измерителем концентрации газа. В емкости Е измеряется рН среды. На входе газа в хемосорбер измеряется давление манометром. Расход суспензии на входе в хемосорбер измеряется ротаметром. Объемный расход суспензии содержащей пузырьки 0,5÷1 литр в секунду.

Содержащаяся в суспензии СаО, до полного превращения в карбонат может очистить до 0,8 м3 газовой смеси, содержащего 50% об. СО₂.

В емкости Е измеряется, также уровень суспензии водомерным стеклом и давление на дно манометром, а также давление над газожидкостным слоем.

Заполнение емкости Е производится через вентиль ВЗ4 насосом Н призакрытых вентилях ВР2, ВЗ1, ВЗ2, ВЗ5.

Рисунок 2.4-Технологическая схема микробарботажной очистки газовой смеси содержащий СН₄от СО₂.

Для опорожнения емкости Е отработанной суспензии применяется насос Н при открытых вентилях ВЗ1, ВЗ5 и не полностью закрытом вентиле ВР2, остальные вентили закрыты.

В помещении в котором работает установка снабжена прибором измеряющим концентрацию СН₄ с сигнализацией в случае предельно-допустимой концентрации.

3.Теоретическое и экспериментальное обоснование гидродинамических и массообменных характеристик мембранно-микробарботажного процесса направленное на выяснение возможности применения при очистке биогаза от СО₂

3.1 Математическая модель определения размеров микропузырьков в микробарботажном аппарате при очистке биогаза от СО₂

В этой главе представлены результаты теоретического и экспериментального исследования гидромеханики диспергирования газа на пористых трубчатых мембранах при инерциальном воздействии жидкой фазы. На основе баланса сил, действующих на микропузырек в момент роста на поверхности мембраны, получена математическая модель, связывающая скорость жидкости в канале мембраны и средний диаметр образующихся микропузырьков. Проведено сравнение полученной модели с экспериментальными данными по микробарботажу на трубчатых керамических и стеклянных мембранах с различным размером пор.

При осуществлении процессов, в основе которых лежит контакт между газом и жидкостью, одним из ключевых параметров является площадь поверхности контакта взаимодействующих фаз. Во многих аппаратах газожидкостного контакта, а именно в тарельчатых абсорберах и ректификационных колоннах, газожидкостных реакторах, ферментерах, взаимодействие между газовой и жидкой фазами осуществляется путем барботажа газа через слой жидкости. В этом случае газ, с помощью различных диспергирующих устройств, распределяется в жидкости в виде пузырьков, которые и формируют поверхность контакта фаз. При этом величина поверхности непосредственно зависит от размеров получаемых пузырьков – чем меньший диаметр они имеют, тем больше величина поверхности раздела фаз (при одинаковом газосодержании в барботажном слое).

Судья по результатам опубликованных в последнее время работ [13,14] авторов можно сделать вывод о том, что при диспергировании газа через пористые мембраны образуются микропузырьки, имеющие размеры от 0.5 до 100 мкм. Благодаря столь малым размерам микропузырьки обладают рядом уникальных свойств и могут найти широкое применение в химической, пищевой, фармацевтической промышленностях, а так же в области биотехнологии и медицины. Так в работе [13] указывается на возможность применения процесса мембранного диспергирования газа для создания высокоэффективных аппаратов газожидкостного контакта – абсорберов, реакторов, ферментеров. В работе [15] процесс мембранного диспергирования газа был применен для очистки сточных вод от органических красителей. При этом было обнаружено, что распределение кислорода в виде микропузырьков увеличивает константу скорости разложения органического вещества более чем в два раза. В пищевой промышленности тонкое диспергирование газа может быть использовано для улучшения текстуры и свойств продуктов на кремовой и гелевой основах [16]. В химической технологии получение микропузырьков может быть использовано для получения различных высокопористых материалов, таких например как микроячеичные пластичные пены [17]. Широкое применение микропузырьки находят и в области флотации [18-21]. При этом важной отличительной особенностью данного процесса является увеличение эффективности флотирования мелких частиц, размеры которых сопоставимы с размерами микропузырьков.

Из сказанного выше следует, что ключевую роль во всех указанных применениях играет размер образующихся микропузырьков. Размер микропузырьков в свою очередь зависит от способа осуществления мембранного диспергирования (диспергирование в подвижную или неподвижную жидкую фазу) и от характеристик используемой мембраны. Так в работе [13] процесс получения микропузырьков осуществлялся путем диспергирования газа через трубчатые стеклянные мембраны с различным средним размером пор, внутри которых с различной скоростью протекала жидкость. При этом экспериментально была выявлена зависимость среднего диаметра образующегося пузырька от скорости жидкости внутри мембраны. Кроме того, отмечается, что с уменьшением размера пор мембраны уменьшаются и размеры образующихся пузырьков. Однако, несмотря на важность решения данной задачи до сих пор отсутствует теоретическое обоснование зависимости диаметра пузырька от скорости жидкости и размера мембранных пор. Учитывая важность получения такой зависимости, данная работа была посвящена разработке и экспериментальной проверке математической модели, связывающей диаметр микропузырьков со скоростью жидкости и характеристиками мембраны.

Рассмотрим пористую керамическую мембрану. Исходя из величины пористости мембраны близкой к 50%, можно оценить величину расстояния между порами. Если принять, что поры мембраны расположены по сторонам квадратов, то отношение расстояния между центрами пор τ к диаметру поры можно выразить формулой (при пористости мембраны равной 50%):

, (1)

где N – число пор на стороне квадрата. При больших величинах N отношение стремиться к . Так, при N = 100 расстояние между центрами пор составляет 1.266d_o, а расстояние между краями соседних пор соответственно 0.266d_o. При столь малых расстояниях между порами рост размеров пузырьков приводит к уменьшению толщины прослойки жидкости между ними. Поскольку на поверхности мембраны присутствуют поры разных размеров, а скорость роста пузырьков пропорциональна d⁴, а так же если принять во внимание, что давление внутри пузырька обратно пропорционально диаметру пузырька, это приводит к тому, что на поверхности мембраны присутствуют пузырьки, диаметры которых очень сильно отличаются друг от друга: под пузырьками большого диаметра расположены пузырьки очень малых диаметров. В ходе роста, поверхности пузырьков большого и малого диаметров сближаются. Соответственно толщина прослойки жидкости между ними уменьшается. При уменьшении толщины прослойки жидкости возникают силы электростатического отталкивания при больших толщинах и силы взаимного притяжения при меньших толщинах. При очень сильном сближении поверхности снова возникают силы отталкивания. Это приводит к появлению взаимного механического давления пузырьков, а так же к появлению электростатических сил отталкивания двойных электрических слоев, образующихся в результате адсорбции на поверхности пузырьков молекул ионогенного ПАВ диссоциирующих в воде [54,60]. Когда сила взаимного притяжения становится существенно больше сил электростатического отталкивания, между большими пузырьками и маленькими пузырьками, находящимися под ними, возможно образование так называемых черных ньютоновских пленок. Причем при отрыве больших пузырьков от поверхности мембран, маленькие пузырьки могут оставаться на поверхностях больших. Это явление мы наблюдали при диспергировании воздуха через микропоры плоской, горизонтально расположенной мембраны, когда отрыв пузырьков осуществлялся за счет архимедовой силы. При этом на пузырьках, образованных на крупных порах диаметром 1 – 2 мм наблюдалось заполнение части поверхности этих пузырьков мелкими пузырьками диаметром 10 – 20 мкм. Как показывают расчеты, а так же фотографии, на мелких пузырьках диаметром менее 150 мкм такой эффект невозможен. Рост маленьких пузырьков, находящихся под большими, приводит к возникновению нормальных и тангенциальных сил давления: маленькие пузырьки вытесняют большие. Тангенциальные силы бокового давления в силу симметрии будут взаимно компенсироваться. Некомпенсированными остаются нормальные силы взаимного давления пузырьков и силы трения между потоком жидкости и пузырьками. Следует отметить важное значение нормальных сил давления пузырьков меньшего размера на большие пузырьки, размер которых соответствует моменту отрыва от поверхности[58-61].

При рассмотрении действующих сил не учитывалась подъемная архимедова сила, так как в данном случае она пренебрежимо мала по сравнению с тангенциальной силой трения и нормальной составляющей сил бокового давления пузырьков.

Сила трения, действующая со стороны жидкости на пузырьки, расположенные по периметру мембраны на продольной длине равной диаметру одного пузырька имеет вид:

. (2)

Поскольку пузырьки при наличии в жидкости ПАВ имеют заторможенную поверхность, при определении коэффициента гидравлического трения мы рассматривали пузырьки как зернистую шероховатость. Величина λ рассматривалась по формуле Альтшуля [55]:

. (3)

При этом считалось, что средняя величина выступа шероховатостей самой керамической мембраны соизмерима с диаметром пузырька.

При расчете числа пузырьков, расположенных по периметру мембраны следует учитывать наличие пузырьков меньшей величины, чем пузырьки в момент отрыва, а так же то, что поперечные ряды пузырьков прерываются выступами шероховатостей мембраны. Поскольку влияние этих факторов на число пузырьков в поперечном ряду противоположно они, по крайней мере, частично компенсируют друг друга. Поэтому мы приближенно определяли число пузырьков, расположенных периметру мембраны, исходя из диаметра пузырька в момент отрыва как . Учитывая это, получим величину силы трения, действующей на один пузырек:

. (4)

Нормальная составляющая сил бокового давления меньших пузырьков на пузырек большего размера в момент отрыва пропорциональна размерам этого пузырька. Кроме того, нужно учитывать, что сила трения потока жидкости дополнительно прижимает пузырьки друг к другу, увеличивая поверхность соприкосновения и уменьшая толщину прослойки жидкости между пузырьками. Таким образом, воздействие потока жидкости увеличивает силу взаимного давления, в том числе и ее нормальную составляющую. При постоянной величине плотности и вязкости жидкости влияние сил трения на величину нормальной составляющей сил бокового давления имеет вид:

, (5)

где k и n – эмпирически определяемые величины. В виду того, что величина нормальной силы зависит от расстояния между порами, соотношения размеров контактирующих пузырьков и величины шероховатости мембран, следует ожидать, что величина коэффициента k зависит от пористости мембран, среднего размера пор, вида распределения размера пор и шероховатости. Кроме того, на величину k так же влияют параметры определяющие силы электростатического отталкивания, такие как природа ПАВ, его концентрация в растворе, наличие и концентрация электролитов в растворе и другие величины, влияющие на величину расклинивающего давления.

Реакция сил поверхностного натяжения на силы, действующие по нормали к поверхности мембраны, имеет вид:

. (6)

При действии только тангенциальных сил, реакция сил поверхностного натяжения, действующих вдоль поверхности мембраны на элементарной длине окружности поры dl :

, (7)

где β и α углы между направлением силы df_t и направлениями соответственно вдоль и поперек поверхности мембраны. Интегрирование выражения (7) по всей окружности поры дает выражение силы реакции поверхностного натяжения на тангенциальные силы, действующие вдоль поверхности мембраны:

. (8)

Поскольку тангенциальная и нормальная силы реакции поверхностного натяжения пропорциональны соответствующим действующим тангенциальной и нормальной силам, получим уравнение баланса сил:

. (9)

Преобразовав уравнение (9) с учетом выражений (4) и (5), получим выражение для диаметра пузырька:

. (10)

Как показывают дальнейшие расчеты, ввиду преобладания нормальных сил над тангенциальными, с достаточной степенью точности можно использовать силу реакции поверхностного натяжения в виде . С учетом этого, можно получить упрощенную формулу для расчета диаметра пузырька:

. (11)

Так же следует отметить, что расчет величины λ в выражениях (10) и (11) можно производить по формуле Блазиуса:

. (12)

Это значительно упрощает расчеты, а отклонение от расчета на основе выражения (3) не превышает 1%.

Следует отметить, что в полученной математической модели фигурирует средний диаметр пор, что может вносить некоторую ошибку, так при этом не учитывается распределение размеров пор.