Etude du transfert de matiere et des depenses energetiques dans deux laveurs gaz - liquide: le venturi de haute energie et l’ ejecteur venturi

Abstract

Scrubbing in special devices (gas/liquid scrubbers) is one of the processes used to remove gaseous and particulate pollutants from industrial gas discharges into the atmosphere. Close contact between the gas to be treated and a selective liquid contained in these devices results in the transfer of pollutants from the gas phase to the liquid one. The efficiency of this process may be increased by a chemical reaction between the pollutants and chemical substances present in the liquid phase.Scrubbers are classically shaped installations of large dimensions (e.g. packed towers or spray towers) or less classical shapes of smaller dimensions. The latter consume more energy, while they are more efficient (e.g. complicated packed towers, jet scrubbers) like Venturi scrubbers, which have a converging part (up to the throat), followed by a diverging one (eventually, with a cylindrical or rectangular part in between). The objective of this thesis was the comparative energy and interfacial mass transfer study of a High Energy Venturi and of an Ejector Venturi scrubber. In the first one the gas, which is the driving force of the process, passes through the Venturi at a high velocity, of the order of 100 m.s-1 in the throat, and the resulting aerodynamic forces disperse the injected liquid. In second one, the liquid, which is the driving force of the process, is dispersed under pressure and its expansion causes the suction/pumping of the gas to be treated at a low velocity, of the order of 10 m.s-1 in the throat).The energy study involved the single-phase (gas or liquid) and two-phase flow through the Venturis. The axial, the radial and the mixed injection of liquid is studied by monitoring the pressure drop through the Venturi as a function of various parameters (mainly, gas and/ or liquid flowrate and nozzle(s) diameter).As far as mass transfer is concerned, including appropriate chemical reactions, its three characteristics (interfacial area and mass transfer coefficients in the gas and the liquid phase) were determined as a function of various parameters (liquid and gas flowrate, nozzle(s) diameter and liquid injection type).The two Venturi scrubbers were compared to each other and with other, already studied, scrubbers, with respect to the measured interfacial surface (or mass transfer coefficient in the gas phase) in relation to the consumed energy. Empirical correlations based on the results of this thesis and of the international literature have been proposed.The general conclusions of this thesis are:- The Venturi scrubber can operate either in the gas suction or the gas compression areas.- For a given energy consumption, the mixed (axial-radial) liquid injection is as efficient as the axial injection regarding the interfacial mass transfer.- Empirical correlations allow predicting the energy consumption, as well as mass transfer parameters.- Venturi scrubbers are more efficient compared to other types of scrubbers.

Για την αφαίρεση αερίων και σωματιδιακών ρύπων από τα απορριπτόμενα στην ατμόσφαιρα αέρια βιομηχανικά απόβλητα, μεταξύ άλλων τεχνικών, χρησιμοποιείται και η έκπλυση σε ειδικές συσκευές (πλυντρίδες αερίου/ υγρού). Το προς καθαρισμό αέριο και ένα επιλεκτικό υγρό έρχονται σε επαφή, ώστε οι ρύποι να μεταφερθούν από την αέρια φάση στην υγρή. Η απόδοση αυτής της διαδικασίας μπορεί να αυξηθεί από μια χημική αντίδραση μεταξύ των ρύπων και χημικών αντιδραστηρίων παρόντων στην υγρή φάση.Οι πλυντρίδες έχουν κλασσικά σχήματα και μεγάλες διαστάσεις (π.χ. κολώνες πληρωτικών υλικών ή καταιονισμού) ή λιγότερο κλασσικά σχήματα μικρότερων διαστάσεων, περισσότερο ενεργοβόρα, αλλά με καλύτερες αποδόσεις (π.χ. περίπλοκες κολώνες πληρωτικών υλικών, πλυντρίδες με ακροφύσιο). Μεταξύ των τελευταίων είναι και οι τύπου Βεντούρι με βασικό τμήμα έναν συγκλίνοντα (προς τον λαιμό) αγωγό, αμέσως ακολουθούμενο από έναν αποκλίνοντα (με ενδεχόμενη παρεμβολή ενός κυλινδρικού ή παραλληλεπίπεδου τμήματος).Στόχος της παρούσας διατριβής (εφεξής: διατριβής) ήταν η συγκριτική μελέτη, ενεργειακή και διαφασικής μεταφοράς μάζας, ενός Βεντούρι Υψηλής Ενέργειας (το αέριο, που αποτελεί την κινούσα δύναμη της διεργασίας, διασχίζει το Βεντούρι με υψηλή ταχύτητα, της τάξης των 100 m.s-1 στο λαιμό, και αναπτυσσόμενες αεροδυναμικές δυνάμεις διασπείρουν το εισαγόμενο υγρό) και ενός Εκχυτήρα Βεντούρι (το υγρό, που αποτελεί την κινούσα δύναμη της διεργασίας, διασπείρεται υπό πίεση και η εκτόνωσή του προκαλεί την αναρρόφηση/ άντληση του αερίου προς επεξεργασία με χαμηλή ταχύτητα, της τάξης των 10 m.s-1 στο λαιμό.).Η ενεργειακή μελέτη αφορούσε τη μονοφασική (αερίου ή υγρού) και τη διφασική ροή μέσα στα Βεντούρι. Εξετάσθηκε η αξονική, η ακτινική και η αξονική-ακτινική έγχυση του υγρού με καταγραφή της πτώσης πίεσης στο Βεντούρι συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων (κυρίως παροχή αερίου ή/ και υγρού και διάμετρος ακροφυσίου(-ων)). Οσον αφορά τη μεταφορά μάζας, με κατάλληλες χημικές αντιδράσεις προσδιορίσθηκαν τα τρία μεγέθη που τη χαρακτηρίζουν (διαφασική επιφάνεια και συντελεστές μεταφοράς μάζας στην αέρια και στην υγρή φάση) συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων (παροχή υγρού και αερίου, διάμετρος ακροφυσίου(-ων) και τρόπος έγχυσης του υγρού). Οι δύο πλυντρίδες Βεντούρι συγκρίθηκαν τόσο μεταξύ τους, όσο και με ήδη μελετημένες άλλου τύπου πλυντρίδες με βάση τη μετρούμενη διαφασική επιφάνεια (ή τον συντελεστή μεταφοράς μάζας στην αέρια φάση) συσχετισμένη με την αντίστοιχη δαπανόμενη ενέργεια, ενώ προτάθηκαν εμπειρικές συσχετίσεις βασισμένες στα πειραματικά αποτελέσματα της διατριβής και της διεθνούς βιβλιογραφίας. Τα γενικά συμπεράσματα της διατριβής είναι τα ακόλουθα:-Η πλυντρίδα τύπου Βεντούρι μπορεί να λειτουργήσει τόσο στον τομέα αναρρόφησης, όσον και σε αυτόν της κατάθλιψης του αερίου.-Για την ίδια ενεργειακή δαπάνη η αξονική-ακτινική έγχυση του υγρού είναι το ίδιο αποδοτική με την αξονική, όσον αφορά τη διαφασική μεταφορά μάζας.-Εμπειρικές συσχετίσεις επιτρέπουν την πρόβλεψη της ενεργειακής δαπάνης και των χαρακτηριστικών μεγεθών της μεταφοράς μάζας.-Το Βεντούρι είναι πολύ ανταγωνιστικό συγκριτικά με άλλου τύπου πλυντρίδες.