Niskotemperaturowa kondensacja lotnych związków organicznych w obecności gazu inertnego w spiralnym wymienniku ciepła

Walczyk, H.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Niskotemperaturowa kondensacja lotnych związków organicznych w obecności gazu inertnego w spiralnym wymienniku ciepła

Autorzy

Walczyk H.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://www.iich.gliwice.pl/index.php/pl/prace-naukowe-iich-pan

Identyfikatory

Warianty tytułu

Low temperature condensation of volatile organic compounds (VOCs) in presence of inert gas in a spiral heat exchanger

Języki publikacji

Abstrakty

Proces niskotemperaturowej kondensacji lotnych związków organicznych (VOCs) z mieszanin z gazem inertnym, prowadzony z wykorzystaniem ciekłego azotu jako źródła zimna, pozwala na kondensację od 95% do 99,99% typowych zanieczyszczeń organicznych. W tych warunkach proces wymiany ciepła jest szybszy od wymiany masy (niskie wartości współczynników dyfuzji) do ścianki aparatu, co powoduje powstawanie mgły w fazie gazowej. Jeżeli temperatura ścianki aparatu jest niższa od temperatur krzepnięcia lotnych związków organicznych, powierzchnia wymiany ciepła może pokrywać się warstwą organicznego szronu. Przedstawiono wyniki eksperymentalnych badań, procesu niskotemperaturowej kondensacji n-propanolu i mieszanin octanu etylu i n-propanolu w obecności azotu jako gazu inertnego, prowadzonych w spiralnym dwupłytowym wymienniku ciepła. Konstrukcja tego typu kondensatora pozwala na realizację krzyżowo-prądowego spływu kondensatu względem kierunku przepływu gazu inertnego zanieczyszczonego lotnymi związkami organicznymi. Umożliwia również odbiór frakcji kondensatu z kolejnych zwojów spiralnego kanału wzdłuż drogi przepływu schładzanej mieszaniny gazowej, co jest korzystne ze względu na możliwość bezpośredniego powtórnego wykorzystania poszczególnych frakcji kondensatu w różnych procesach technologicznych. Wartości wlotowych stężeń lotnych związków organicznych w gazowej mieszaninie zmieniano w zakresie 6,8 - 27g Nm -3, a natężenie przepływu gazowej mieszaniny przez spiralny kanał kondensatora od 7,4 do 30,6 Nm3h-1. Jako czynnik chłodzący stosowano gazowy azot o temperaturach z zakreśl. -77,3 do-137°C. Opracowano jednowymiarowy matematyczny model procesu, w którym kondensacja lotnych związków organicznych zachodzi zarówno na ścianach spiralnego kanału jak i w rdzeniu fazy gazowej (kondensacja na kroplach mgły). W modelu, ze względu na niskie wartości (poniżej 3% wag.) wlotowych stężeń związków organicznych w mieszaninie z inertem i stąd małe wartości masowych strumieni kondensujących składników, nie uwzględniano oporów cieplnych i masowych filmu cieczy na ścianie spiralnego kanału. Weryfikację opracowanego matematycznego modelu procesu przeprowadzono wykorzystując wyniki własnych badań eksperymentalnych. Stwierdzono, że opracowany model matematyczny dobrze opisuje proces niskotemperaturowej kondensacji lotnych związków organicznych (VOCs) w obecności inertu w warunkach występowania mgły w fazie gazowej i może być wykorzystany przy doborze spiralnego kondensatora dla instalacji oczyszczania gazowych mieszanin z lotnych związków organicznych.

Słowa kluczowe

zanieczyszczenia powietrza lotne związki organiczne VOCs kondensacja biofiltracja utlenianie adsorpcja absorpcja proces technologiczny

Wydawca

Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk

Czasopismo

Prace Naukowe Instytutu Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk

Rocznik

2006

Tom

nr 6, z. 1

Strony

7--127

Opis fizyczny

bibliogr. 84 poz.

Twórcy

autor

Walczyk H.

Bibliografia

[1] de NEVERS N., Air Pollution Control Engineering, McGraw-Hill, New York, 1995,
[2] Hazardous Air Pollutants, The London Workshop, Organization for Economic Cooperation and Development, Paris, France, 1995
[3] ZEISS R. F., IBBETSON C, Cryogenic Condensation Puts a Chill on VOCs www.poilutioengineering.com
[4] SHAH R. K., THONON B., BENFORADO D. M, Opportunities for heat exchanger applications in environmental systems, Applied Thermal Engineering, 2000, 20, 631
[5] Cryogenic Condensation and Recovery of VOCs Using Liquid, http://p2library.nfesc.navy.mil/
[6] DUECKER W. W., WEST I. R., The manufacture of Sulphuric Acid, Reinhold Publishing Corporation, New York, 1959.
[7] AMIELIN A. G., Powstawanie mgły przez kondensację pary, W N T, Warszawa, 1968
[8] KERN D. Q., Process Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1950
[9] COLBURN A. P., DREW T. B., The condensation of mixed vapors, Trans. A.I.Ch.E., 1937, 33, 197.
[10] COLBURN A. P., HOUGEN O. A., Design of cooler condensers for mixtures of vapours with non-condensing gases, Ind. Eng. Chem., 1934, 26, 1178.
[11] ACKERMANN G., Warmeubertragung und Molekulare Stofubertragung in Gleichen Feld hei Grossen Temperatur- und Partialdruckdifferenzen, VDI Forsch Hit, 1937, 1-16,382.
[12] KRISHNA R., STANDARD G. L., A multicomponent film model incorporating an exact matrix method of solution to the Maxwell-Stefan equations, A. I. Ch. E., 1976, 22, 383.
[13] KRISHNA R., STANDARD G. L., Mass and energy transfer in multicomponent system,Chem. Eng. Com. 1979,3,201.
[14] KRISHNA R., PANCHAL C. B., Condensation of binary mixtures in the presence of an inert gas, Chem. Eng. Sci., 1977, 32, 741.
[15] TOOR H. L., Solution of the linearized equations of multicomponent mass transfer,A.I.Ch.E., 1964, 10, 448.
[16] STEWART W. E., PROBER R., Matrix calculation of multicomponent mass transfer in isothermal systems, Ind. Eng. Chem. Fund., 1964, 3, 224.
[17] A. BURGHARDT, R. KRUPICZKA; Wnikanie masy w układach wieloskładnikowych, Inż. Chem. Proc., cz. I i II, 1975, 5, 487 i 717.
[18] TAYLOR R., L.W. SMITH L.W., On some explicit approximate solutions of the Maxwell-Stefan equations for the multicomponent film model, Chem. Eng. Comm., 1982, 14, 361.
[19] TAYLOR R., KRISHNA R, Multicomponent Mass Transfer, Wiley, New York, 1993.
[20] KRUPICZKA R., PYSZNY J., Application of linearized models of multicomponent mass transfer for calculation of evaporation-condensation process in ternary systems, Chem. Eng. Comm. 1985, 33, 349.
[21] KRUPICZKA R., HERMAN H., Wykraplanie mieszaniny par w obecności inertów, Inż, Chem.Proc., 1979, 9, 673.
[22] SCHRODT T. J., Simultaneous heat and mass transfer from multi-component condensing vapour-gas systems, A I Ch E , 1973, 19, (4), 753.
[23] KRUPICZKA R., ROTKEGEL A., An experimental study of diffusional cross-effects in multicomponent mass transfer, Chem. Eng. Sci., 1997, 6, 1007.
[24] WEBB D. R., SARDESAI R. G., Verification of multicomponent mass transfer models for condensation inside a vertical tube, Int. J. Multiphase Flow, 1981, 7, 507.
[25] WAGNER P. E., Condensation process in aerosols, J. Aerosol Sci., 1995, 26, Supp.l, S 203.
[26] VllSANEN Y., SlREY R., WAGNER P. E., Enhancement of Water Droplet Formation by n-Alcohol Vapors, J. Aerosol Sci., 1995, 26, Supp. 1, S629.
[27] WAGNER P. E., Attachment of vapor molecules to cluster and droplet surfaces, J. Aerosol Sci., 1996, 27, Supp. 1, S 411. [28] FILIPOVICOVA D., ORTNER R., VRTALA A., WAGNER P. E., Expansion chamber experiments on heterogeneous nudeation by nanopartides in unary and binary vapor systems, J. Aerosol Sci., 1997, 28, Supp. 1, S 159.
[29] FILIPOVICOVA D., ORTNER R., REISCHL G. P., WAGNER P. E., Heterogeneous Nudeation by Ultrafine Monodispersed Ag- and NaCl- Particdes in Supersaturated n-Propanol -Water Mixtures, J. Aerosol Sci., 1998,29, Supp. 1, S 135.
[30] Petersen D., Ortner R., Vrtala A., Laaksonen A., Kumala M., Wagner P.E., Applicability and Limitations of the Capillarity Approximation for Modeling Heterogeneous Nudeation in Binary Vapor Mixtures, J. Aerosol Sci., 1999, Vol. 30, Suppl 1, pp. S 35-S36.
[31] HAMERI K., AUGUSTIN J., KUMALA M., VESELA T., MAKELA J., AALTO P., KRISSINEL E., Evaluation of homogeneous droplet formation inside UCPC (TSI model 3025), J. Aerosol Sci., 1995, 6, 1003.
[32] MIKHEEV V. B., KODENEV, G. G., NEKIPELOV A. T., LAULAINEN N. S., The investigation of homogeneous nudeation rate dependence upon carrier-gas influence, J. Aerosol Sci., 1996, 27, Supp. 1, S 433.
[33] BROUWERS H. J. H., A. K. CHESTERS A. K., Film models for transport phenomena with fog formation: the classical film model, Int. J. Heat Mass Transfer, 1992, 35, 1, 1.
[34] BROUWERS H. J. H., Film models for transport phenomena with fog formation: the fog film model, Int. J. Heat Mass Transfer, 1992, 35,1,13.
[35] BROUWERS H. J. H, VAN DER GELD C. W. M., Heat transfer, condensation and fog formation in cross/low plastic heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 1996, 39,2, 391.
[36] BROUWERS H. J. H., A film model for heat and mass transfer with fog formation, Chem. Eng. Sci., 1992,47, 12,3023.
[37] MAXWELL J. C., DIFFUSION, Encyclopedia Britannica, vol. 2, p. 82; reprinted in The Scientific Papers of James Clerk Maxwell (edited by W. D. Niven) vol. 2, p.625. Cambridge University Press, Cambridge, 1890.
[38] FUCHS N. A., SUTUGIN A. G., Highly Dispersed Aerosol, Ann Arbor, MI, Ann Arbor Science Publishers, 1970.
[39] BARRETT J. C., CLEMENT C. F., Growth rates for liquid drops, J. Aerosol Sci., 1988,19, 2,223.
[40] MASON B. J., The Physics of Clouds, Oxford University Press, Oxford, 1971.
[41] WAGNER P. E., Aerosol Growth by Condensation, Aerosol Microphysics II (edited by H.W. Marlow) pp.129-178. Springer, Berlin, 1982.
[42] YOUNG J. B,, The condensation and evaporation of liquid droplets in a pure vapour at arbitrary Knudsen number, Int. J. Heat Mass Transfer, 1991, 34, 7, 1649.
[43] YOUNG J. B., The condensation and evaporation of liquid droplets at arbitrary Knudsen number in the presence of an inert gas. Int. J. Heat Mass Transfer, 1993, 36, 11, 2941.
[44] PEETERS P., LUUTEN C. C. M., VAN DONGEN M. E. H., Transitional droplet growth and diffusion coefficients, Int. J. Heat and Mass Transfer, 2001, 44, 181.
[45] HEIDENREICH S., BUTTNER H., EBERT F., Droplet growth in gas flows by condensation-experimental and theoretical growth curves. J. Aerosol Sci., 1997, 28, suppl.l, 5735.
[46] WILLIAMS M. M. R., Growth fates of liquid drops for large saturation ratios, J. Aerosol Sci., 1995,26,3,477.
[47] VESALA T., KULMALA M., RUDOLF R., VRTALA A., WAGNER P. E., Models for condensational growth and evaporation of binary aerosol particles, J. Aerosol Sci., 1997,28,4,565.
[48] RUDOLF R., Experimental investigations on condensation of supersaturated acid-water vapor mixture by means of laser light scattering in a newly developed expansion chamber, PhD Thesis, University of Vienna, Austria, 1994.
[49] FLADERER A., KUMALA M., STREY R., Test of the applicability of Kumala's analytical expression for the mass flux of growing droplets in highly supersaturated systems: growth of homogeneously nucleated water droplets, J. Aerosol Sci., 2002, 33, 391.
[50] RODEMAN T., PETERS F., Measurements and interpretation of growth of binary droplets suspended in water-n-propanol nitrogen mixture by means of piston expansion tube. Int. J. Heat Mass Transfer, 1997, 40, 14, 3407.
[51] MATTILA T., KULMALA M., VESALA T., On the condensation growth of a multi-component droplet, J. Aerosol Sci., 1997, 28,4, 553. [52] LEHTTNEN E. J., KULMALA M., VESALA T., JOKINIENMI J. K., Analytical Methods to Calculate Condensation Rates of a Multicomponent Droplet. J. Aerosol Sci., 1998, 29, 9, 1035. [53] HEIDENREICH S., BUTTNER H., Investigation about the influence of the Kelvin effect on droplet growth rates, J. Aerosol Sci., 1995, 26, 2, 335.
[54] LUUTEN C. C. M, BOSSCHAART K. J., VAN DONGEN M. E. H., A mew method for determining binary diffusion coefficients in dilute condensable vapors, Int. J. Heat Mass Transfer, 1997,40, 15,3497.
[55] REID R. C., PRAUSNITZ J. M., POLING B. E., The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, New York, 1987.
[56] MANTHEY A., SCHABER K., The formation and behavior of fog in tube bundle condenser, Int. J. Therm. Sc.,2000, 39, 1004.
[57] BONTEMPS A., Heat Transfer in Condensation and Evaporation Application to Industrial and Environmental Processes, Proceedings of the Eurotherm Seminar n° 62, 17-19 November 1998, 382.
[58] SILVER L., Gas cooling with aqueous condensation, Trans. Inst. Chem. Eng., 1947, 25, 30.
[59] BELL K. J., GHALY M. A., An approximate generalized design method for multicomponent /partial condensers, A. I. Ch. E. Symp. Ser., 1973, 69, 131, 72.
[60] KAUFMANN S., HILFIKER K., Prevention of fog in the condensation of vapour from mixtures with inert gas, by a regenerative thermal process, Int. J. Therm. Sci., 1999, 38, 209.
[61] RINNER M., KIND M., SCHLUNDER M. A., Separated solvent recovery from waste gas with cryo-condensation, Separation and Purification Technology, 2002, 29, 95.
[62] GUPTA V. K., VERMA N., Removal of volatile organic compounds by cryogenic condensation followed by adsorption, Chem. Eng. Science, 2002, 57, 2679.
[63] PARTHASARATHY G., EL-HALWAGI M. M., Optimum mass integration strategies for condensation and allocation of multicomponent VOCs, Chem. Eng. Sci., 2000, 55, 881.
[64] VAN P. CAREY, Liquid-vapor phase-change phenomena: An Introduction to the Thermophysics of Vaporization and Condensation Processes in Heat Transfer Equipment, Hemisphere Publication Corporation, 1992.
[65] STEINMEYER D.E., Fog Formation in Partial Condensers, Chem. Eng. Progress, 1972, 68, 7, 64.
[66] SCHABER K., Aerosol formation in absorption processes, Chem. Eng. Sci., 1995, 50, 1347.
[67] EHRLER F., SCHABER K., Spontane Kondensation und Aerosolbildung, in VDI-Warmeatlas, Springer Verlag, Chapter Je, 1997.
[68] HEDH, Hemisphere Publishing Corporation, Chapter 2.6.7, 1983.
[69] FEDER J., RUSSEL K. C., LOTHE J., POUND G. M, Homogeneous nucleation and Growth of Droplet in Vapours, Adv. Phys., 1966, 15, 111.
[70] HINDS W. C., Aerosol Technology, Properties, Behaviour and Measurements of Airborne Particles, Wiley, New York, 1982.
[71] FUCHS N. A., The mechanics of aerosols, Pergamon, New York, 1964.
[72] VDI-Warmeatlas, Je 9, Springer Verlag, Berlin, 9 Auflage, 2002.
[73] WALCZYK H., ROTKEGEL A., Wyznaczanie współczynników wnikania ciepła i oporów przepływu w płytowym wymienniku spiralnym. Inż. Chem. Proc., 1999, 20, 423.
[74] BIRD R.B., STEWART W. E., LIGHTFOOT E. N., Transport Phenomena, J. Wiley & Sons, Inc., 1960.
[75] BRODOWICZ K., M. GRABOWSKI M., Spiralne wymienniki ciepła, Inż. Ap. Chem., 1976, 3, 1.
[76] HARGIS A. M., BECKMANN A. T., LOIACONO J. J., Applications of Spiral Plate Heat Exchangers, Chem. Eng. Progress, 1967, 63, 7, 62.
[77] MINTON P. E., Designing Spiral-Plate Heat Exchangers, Chem. Eng., 1970,4, 103.
[78] ZALESKI T., KRAJEWSKI W., Metoda obliczania wymienników spiralnych, Inż;. Chem., 1972,11, 1,35.
[79] ZALESKI T., LACHOWSKI A., Stacjonarne profile temperatur w równoległoprądowym spiralnym wymienniku ciepła, Inż. Chem. Proc., 1984, 5, 1, 157.
[80] VDI Heat Atlas, VDI Verlag, Diisseldorf, 1993.
[81] REID R. C., PRAUSNITZ J. M., SHERWOOD T. K., The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, New York, 1987.
[82] ChemCad II Version 2.30, Proces Flowsheet Simulator, Chemstation Inc., 1988.
[83] KEMBLOWSKI Z., MICHAŁOWSKI S., STRUMILLO C., ZARZYCKI R., Podstawy teoretyczne inżynierii chemicznej i procesowej, WNT, Warszawa, 1985.
[84] CHAPMAN S., COWLING T. G-, The Mathematical Theory of Non-uniform Gases, The University Press, Cambridge, 1970.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BAT1-0018-0001