Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ КАПЛЕОБРАЗОВАНИЯ АППАРАТОВ МОКРОЙ ГАЗООЧИСТКИ 10
1.1 Условия формирования и уноса капель в аппаратах мокрой газоочистки 10
1.1.1. Особенности каплеобразования при распиливании жидкости форсунками 12
1.1.2.Особенностиканлеобразования при дроблении жидкости газовым потоком 14
1.2. Особенности генерации каплеуноса в аппаратах с интенсивным режимом контакта фаз
1.3 Анализ конструктивно-технологических характеристик существующих каплеуловителей. 24
1.3.1. Гравитационные каплеуловители 24
1 3 2. Инерционные каплеуловители 26
1.3.3. Центробежные каплеуловители 28
1.3 4 Розеточные каплеуловители 31
1 4. Обобщение режимных условий работы каплеуловителей интенсивных аппаратов мокрой
газоочистки 38
Выводы по первой главе , 43
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ ИНЕРЦИОННОЙ СЕПАРАЦИИ КАПЕЛЬНОЙ ВЛАГИ 44
2.1. Особенности описания движения газового потока с дисперсией взвешенных капель 44
2.2. Условия формирования математической модели движения капель в жалюзийном сепараторе 48
2.3. Анализ определяющих факторов эффективности инерционной сепарации капель 54
2.4. Особенности течения газа с капельной дисперсией в жалюзийном сепараторе 56
2.5. Обобщение закономерностей сепарация капельной влаги в жалюзийном каплеуловителе.
64
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
СЕПАРАЦИИ КАПЕЛЬНОЙ ВЛАГИ В ЖАЛЮЗИЙНЫХ РАДИАЛЬНО-ИНЕРЦИОННЫХ КАПЛЕУЛОВИТЕЛЯХ 71
3.1. Характеристика факторов, определяющих условия реализации исследуемого сеиарационного процесса 71
3.2. Методика проведения экспериментов 74
3.2.1, Планирование эксперимента 74
3.2.2. Описание экспериментального стенда 82
3.2.3. Оценка величины каплеуноса 84
3.3. Результаты исследования закономерностей сепарации капель в радиально - инерционных жалюзийных сепараторах 87
3.4. Результаты исследования эффективности сепарации капельной влаги в радиально-инерционных жалюзийных сепараторах 88
3.4.1 Влияние конструктивных характеристик каплеуловителя па каплеупос 89
3.4.2 Влияние высоты установки каплеуловителя на каплеунос 92
3.4.3 Влияние относительного газосодержания на каплеунос 93
3.4.4. Влияние скорости потока на каплеунос 95
Выводы по главе 3 97
ГЛАВА 4. ОСНОВЫ АППАРАТУРНО - РЕЖИМНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ИНЕРЦИОННЫХ ЖАЛЮЗИЙНЫХ СЕПАРАТОРОВ-КАПЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ 98
4.1. Методологические основы оптимизированного расчета режимно-технологических характеристик процесса каплеулавливания в жалюзийных сепараторах 98
4.2. Анализ аппаратурных схем конструктивного исполпетшя инерционных жалюзийных сепараторов 103
4.3. Определяющие факторы энерго-функциональных характеристик жалюзийного сепаратора 105
4.4 Основы инженерного расчета функционально-энергетической эффективности
инерционных жалюзииных сепараторов 110
Выводы по главе 4 116
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 118
Список литературы 120
ПРИЛОЖЕНИЕ 131
- Условия формирования и уноса капель в аппаратах мокрой газоочистки
- Особенности описания движения газового потока с дисперсией взвешенных капель
- Характеристика факторов, определяющих условия реализации исследуемого сеиарационного процесса
Введение к работе
Актуальность проблемы. Очевидной тенденцией современного развития всех отраслей промышленности является существенная и все возрастающая интенсификация технологических процессов, сопровождающаяся значительным увеличением объема вредных выбросов в атмосферу. Их значительная часть представляет собой неоднородные аэрозольные системы, содержащие как дисперсные, так и газообразные компоненты, обладающие свойствами негативного техногенного воздействия на окружающую среду.
Увеличение общих объемов выбросов создает существующую проблему обеспечения экологической безопасности современного производства, так как в большинстве случаев, требует нейтрализации не только доминирующих по массе дисперсных компонентов, но и газообразных примесей, которые по своим свойствам, в большинстве случаев, способны оказывать значительно большее техногенное воздействие на окружающую среду.
Названные обстоятельства делают очевидной потребность в комплексной очистке таких выбросов, эффективность реализации которой может быть достигнута только на основе методов мокрой очистки.
Однако эффективность их применения в значительной мере обусловлена надежностью обеспечения сепарации капельной влаги из очищаемого потока на выходе из газоочистных установок. Это особенно важно при использовании наиболее перспективных аппаратов с интенсивным режимом газоочистки. Наличие каплеуноса и его рост в условиях интенсификации режима очистки, способны не только резко понизить эффективность газоочистной установки, а, при определенных условиях, сделать ее малопригодной для решения вопросов обеспечения экологической безопасности оснащаемого источника выброса.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы — повышение надежности высокоэффективной очистки газов в интенсивных скрубберах посредством функционального технологического
совершенствования их инерционных каплеуловителей.
Для достижения указанной цели в работе решаются следующие основные задачи:
- анализ и обобщение определяющих факторов эффективной сепарации
капельной влаги в инерционных каплеуловителях;
выбор и обоснование оптимизационной по функционально-энергетическим характеристикам схемы инерционного каплеуловителя;
- разработка математической модели процесса сепарации капельной влаги
для условий реализации оптимизационной схемы инерционного каплеуловителя;
экспериментальное исследование функционально-энергетических закономерностей реализации процесса сепарации капельной влаги в условиях оптимизированной схемы инерционного каплеуловителя;
- оценка адекватности описания процесса сепарации капельной влаги в
условиях реализации оптимизированной схемы инерционного каплеуловителя;
- конструктивная разработка инерционного каплеуловителя с
оптимизированной схемой реализации процесса сепарации;
- сравнительный анализ функционально- энергетических характеристик
оптимизированного инерционного каплеуловителя с известными конструкциями
инерционных сепараторов.
Основная идея работы состояла в исследовании и определении условий эффективного осуществления процесса сепарации капельной влаги посредством оптимизационного анализа аппаратурных схем и режимных параметров инерционных каплеуловителей аппаратов с интенсивным режимом газоочистки.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность научных положений, выводов и реализаций обоснована применением классических положений теоретического анализа5 моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных
исследований в лабораторных и опытно-промышленных условиях, а также результатами исследований других авторов. Научная новизна работы:
- теоретически обоснована перспективность использования инерционных
жалюзийных сепараторов в качестве высокоэффективного средства
предотвращения капельного уноса из интенсивных аппаратов мокрой газоочистки
пылегазовых выбросов систем вентиляции;
- предложена математическая модель для описания закономерностей
процесса движения капель жидкостной дисперсии в каналах инерционных
жалюзийных сепараторов;
- посредством вычислительного и физического экспериментов
исследованы и обобщены закономерности движения капель жидкостной
дисперсии в каналах жалюзийных сепараторов, определяющие условия
проявления механизмов их инерционного осаждения на поверхностях
жалюзийных пластин;
- экспериментально подтверждена удовлетворяющая степень адекватности
описания предложенной математической моделью закономерностей движения
капель жидкостной дисперсии на примере сравнения с данными расчетов для
капель размером от 5 до 40 мкм, характеризуемых относительной погрешностью
не более ±6.1%;
- получены экспериментально уточненные расчетные зависимости,
характеризующие режимно-технологические условия осаждения капель
жидкостной дисперсии на поверхности жалюзийных элементов сепаратора;
- посредством вычислительных экспериментов с использованием расчетных
зависимостей, характеризующих режимно-технологические условия осаждения
капель на поверхности жалюзийных пластин, обоснована схема оптимизации
конструктивных параметров жалюзийных сепараторов.
Практическая значимость работы;
- разработана оптимизированная структурно-технологическая схема
компоновки жалюзийных сепараторов радиально-инерционного действия для
улавливания капельной влаги из вертикально восходящих потоков очищенного газа в интенсивных аппаратах мокрого типа;
установлена область режимно-технологических параметров эффективной сепарации капельной влаги в жалюзийных сепараторах радиально-инерционного действия, ограничиваемая значениями скорости газа до 12,5 м/с и удельным содержанием жидкости в потоке до 1,6 г/м3;
разработаны новые конструкции жалюзийных сепараторов радиально-инерционного действия с конфузорными, плоскокольцевыми и лопаточными пакетами сепарирующих элементов, выполненными в виде круговых гидродинамических решеток, новизна которых подтверждена решением о выдаче патента на изобретение, заявка №2003114183/15(014906);
составлен алгоритм оптимизационного расчета режимно-технологических
параметров процесса эффективной сепарации капельной влаги из восходящего
потока газа, посредством радиально-инерционного осаждения на поверхностях сепарирующих элементов;
- разработана методика инженерного расчета режимных параметров энерго
эффективного процесса сепарации капельной влаги в жалюзийных сепараторах
радиально-инерционного действия;
-определены условия энерго-эффективной работы и составлены рекомендации по подбору модели жалюзийного сепаратора радиально-инерционного действия.
Реализация результатов работы:
- разработаны и переданы к использованию ЗАО "Северсталь-метиз"
конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию моделей жалюзийного сепаратора радиально-инерционного действия с лопаточным исполнением сепарирующих элементов для установок вихреинжекционных пенных скрубберов при очистке многокомпонентных выбросов от термоагрегатов проволочноканатных производств;
- прошла испытания и передана для внедрения ЗАО "Северсталь-метиз"
опытно-промышленная модель жалюзийного сепаратора радиально-инерционного
действия с лопаточным исполнением сепарирующих элементов для оснащения
установки по очистке выбросов технологической вентиляции от нагревательных,
патентировочных и сушильных печей;
НПО "Волгоградхимпроект" переданы рекомендации по применению модели жалюзийного сепаратора с лопаточным исполнением сепарирующих элементов в качестве эффективного каплеуловителя для установок вихреинжекционных пенных скрубберов при очистке технологических выбросов термоагрегатов с использованием трибутилфосфата в качестве поглотителя;
материалы диссертационной работы используются кафедрой ОВЭБ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности "Инженерная защита окружающей среды" и "Теплогазоснабжение и вентиляция".
На защиту выносятся:
- теоретические и экспериментальные результаты исследования
закономерностей сепарации капельной влаги в инерционных жалюзииных
каплеуловителях применительно к условиям вертикально восходящих потоков
очищенного газа в интенсивных аппаратах мокрого типа;
- математическая модель описания закономерностей процесса движения жидкостной дисперсии в каналах инерционных жалюзииных сепараторов;
- экспериментальные зависимости, характеризующие режимно-
технологические условия осаждения капель жидкостной дисперсии на
поверхностях жалюзииных элементов сепаратора;
- оптимизированная структурно-технологическая схема компоновки
жалюзииных сепараторов радиально-инерционного действия для улавливания
капельной влаги из вертикально восходящих потоков очищенного газа в
интенсивных аппаратах мокрого типа;
- новые конструкции жалюзииных сепараторов радиально-инерционного
действия с конфузорными, плоскокольцевыми и лопаточными пакетами
сепарирующих элементов;
- методика инженерного расчета режимных параметров энерго-эффективного
процесса сепарации капельной влаги в жалюзииных сепараторах радиально-
инерционного действия.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 2005г); международных научно-технических конференциях "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград, 2ООЗ-2О06г), "Региональные технологические и экономико-социальные проблемы развития строительного комплекса" (Волгоград, 2003г), "Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России" (Кисловодск, 2005г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2002-2006 г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, и приложений общим объемом 139 страниц, содержит 20 рисунков и 26 таблиц.
Условия формирования и уноса капель в аппаратах мокрой газоочистки
Процесс брызгоуноса в газоочистной аппаратуре определяется характером взаимодействия между жидкостью и газом [11,63,103]. При достижении определенных критических параметров режим работы аппаратов может резко нарушаться, возникают такие явления, как захлебывание (при встречном течении жидкости и газа), вторичный унос уже осевшей жидкости, разрушение пленочного течения и др.
Критические скорости, при которых происходят эти явления, весьма разнообразны и зависят от характера процесса, физических свойств взаимодействующих сред, а также от геометрических размеров и формы аппарата.
Однако, все эти явления объединяет общая природа всех процессов, заключающаяся в нарушении устойчивости течения жидкости при достижении газом некоторой критической скорости. Эта общая закономерность позволяет установить единую форму для соответствующих расчетных выражений [62].
При взаимодействии потоков различной плотности на их поверхности возникают волны, и при определенном значении относительной скорости наступает потеря устойчивости системы [104], Это явление усиливается трением, приводящим к ускорению жидкости потоком газа при их параллельном попутном течении, а при встречном движении - к замедлению, а затем к обращению течения. В итоге начинается интенсивный унос жидкости. Эти процессы связаны с взаимодействием сил инерции, тяжести, поверхностного натяжения и трения.
В работе [104] рассматривается вопрос о выборе достаточно рациональной формы записи критериев для определения условий устойчивости системы жидкость-газ. За определяемую величину принимается критическая скорость газа i9r, а в качестве определяемого критерия — критерий Кутателадзе Vg-cr-(P -Pr) где - критическая скорость газа, м/с; рг,рж— плотность газов, жидкостей, кг/м3; а- поверхностное натяжение жидкости на границе раздела фаз газ жидкость, н/м. Поскольку в невязкой и в целом неподвижной жидкости этот комплекс будет величиной постоянной, поэтому во многих работах, посвященных исследованию брызгоуноса, величина его связывается с критерием Кутателадзе. Согласно [104], критический режим работы аппарата может быть, в первом приближении, оценен параметром рД3. Этот параметр имеет определенные значения в различных типах каплеуловителеи. По величине параметра можно определить максимально допустимую скорость газа в аппарате. При распылении жидкости форсунками или дроблении жидкости за счет энергии газового потока (скрубберы Вентури), размер образующихся капель составляет от 50 до 500мкм[13]_ Оросители, используемые в тарельчатых колоннах и насадочных скрубберах, образуют крупные капли - 600-800 мкм и более [69]. В этих же аппаратах образование капель может происходить в процессе разрыва пузырей. В этом случае образуются капли, размеры которых располагаются в пределах двух интервалов; 20-30 и 600 - 1200 мкм. Доля мелких капель, не превышает 3,0-3,5% уноса (по массе) и их наличие мало влияет на общий характер каплеуноса.
Наиболее мелкие капли ( 10 мкм) образуются при конденсации пара. Максимально возможный объем выноса капель может быть рассчитан по скорости витания капель, которая принимается равной скорости газов в свободном сечении аппарата. Таким же важным фактором при оценке величины уноса и выборе типа каплеуловителя является размер капель, который обусловлен способом их формирования.
Особенности описания движения газового потока с дисперсией взвешенных капель
При оценки пределов реализуемости уравнения (2.7), пренебрегаем возможностью действия поперечной подъемной силы и вращательным движением капли жидкости, которое имеет значение только при соударении капель, и в принятых условиях анализа изменяет значение коэффициента С не более чем на 10% [95].
Одновременно считаем течение газа установившимся, т. е. без изменения скорости потока со временем в любой точке. Допустимо не учитывать влияние турбулентности потока на сопротивление движению частицы. Так же, принимая во внимание известные результаты исследований, которые свидетельствуют , что при интенсивности турбулентности 3% значения С изменяются относительно значений ламинарного течения не более чем на 5% при Re 200, на 15% при Re 600 и на 20-25% при Re 1000 [95].
Влиянием стенок канала на коэффициент сопротивления также пренебрегают, так как оно заметно сказывается только в пристенном слое толщиной менее 56 [110]. Поэтому в реальных условиях капли жидкости не могут перемещаться продолжительное время в этом тонком слое, не осаждаясь на стенках каналов, образуемых сепарируемыми элементами каплеуловителя.
При небольшом содержании капель пренебрегают их обратным воздействием на движение газа, так как объем капель жидкости составляет незначительную часть в двухфазном потоке Для определения силы аэродинамического сопротивления необходимо знать распределение скоростей газа. Поэтому вторым исходным условием, при моделировании движения капель в каналах сепарирующего устройства, является расчет скоростей движения газа.
По сравнению с силой аэродинамического сопротивления все другие силы, указанные в формуле (2.3), малы. Что подтверждают и результаты оценочных расчетов.
В реальных условиях архимедова сила приводит к незначительному уменьшению равнодействующей PG + РА вследствие малости отношения плотностей газа и капель жидкости. Сила тяжести (в рассматриваемых условиях движения капель) на несколько порядков меньше силы аэродинамического сопротивления. Если, например, плотность вещества капли р - 1000 кг/м3; 5= 10 мкм= - 10" м, v = [м/с, плотность газа - носителя рг - 1,2 кг/м, а его кинематическая вязкость при 20 С v = 15,1 10 м /с, то с учетом формул (2.5) и (2.6) имеем соотношение Рс/Ра = 0,3 Л0 .
Сила, действующая на сферическую каплю при ее движении в неравномерном поле давлений, также невелика, К прочим силам могут быть отнесены силы аэродинамического взаимодействия между каплями и также их взаимодействия при столкновениях, которыми в силу малой концентрации капель в двухфазном потоке реальной дисперсии можно пренебречь. Исходя из приведенных сравнительных оценок, показывающих незначительность влияния рассмотренных сил по сравнению с силой аэродинамического сопротивления, уравнение (2Л) можно записать в следующем виде
class3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
СЕПАРАЦИИ КАПЕЛЬНОЙ ВЛАГИ В ЖАЛЮЗИЙНЫХ РАДИАЛЬНО-ИНЕРЦИОННЫХ КАПЛЕУЛОВИТЕЛЯХ class3
Характеристика факторов, определяющих условия реализации исследуемого сеиарационного процесса
Моделируемое устройство жалюзийного каплеуловителя по принципу действия относится к инерционным сепараторам. В основу осуществляемого в нем процесса сепарации, положен эффект возникновения равновеликих по величине центробежных импульсов (количества движения) капель и эквивалентных им объемов газа, проявляющийся при повороте воздушного потока, содержащего капельную дисперсию» В результате проявления этого эффекта происходит вынос капель дисперсии, обладающих большой плотностью, за пределы основного ядра потока газа и их последующее торможение вследствии касания направляющих газовых поверхностей.
При заданной скорости, эффективность инерционной сепарации прямо пропорциональна величине угла поворота потока. Одновременно, с увеличением угла поворота потока, возрастает гидравлическое сопротивление системы вследствие повышения турбулентных пульсаций потока, то есть
Существующие виды инерционных жалюзийных сепараторов реализуют один из вариантов решения вопроса снижения непроизводительных потерь напора газа при повороте потока на определенный угол, величина которого обеспечивает эффективное отделение капель дисперсной фазы. Суть решения состоит в разделении первичного угла на некоторое число равных углов меньшей величины (до 30) с последовательным их расположением и периодическим чередованием направления их сторон. Сумма таких углов, вызывая многократное, но относительно незначительное изменение направления движения, обеспечивает равновеликий эффект отделения частиц при меньшем пульсационном возмущении потока. Следует отметить, что в реальных условиях сумма углов, обеспечивающая равновеликий эффект сепарации, оказывается несколько большей.
Недостатком данной схемы сепарации является значительное увеличение пути поступательного движения потока для эффективной сепарации капель; необходимость снижения скорости движения потока из-за значительной интенсификации вторичного каплеуноса с поверхности пленки жидкости, образующейся на направляющих плоскостях (жалюзях) сепаратора. К этому следует отнести и большую металлоемкость устройства, его значительные габаритные размеры и сложность эксплуатации - замены отдельных пластин, их очистки и т.д. Но основным недостатком являются ограничение верхнего предела скорости в условиях интенсификации скоростного режима работы контактных тепломассообменных аппаратов.
В моделируемом устройстве функциональная схема радиально -инерционной сепарации включает ряд последовательно выполняемых операций:
- коаксиальный ввод сепарируемого двухфазного потока в зону сепарации;
- разделение двухфазного потока на некоторое число составляющих потоков (для снижения их импульса);
- поворот составляющих потоков на угол не менее 90 и формирование радиально направленных веерных течений (первый этап сепарации);
- повторный поворот двухфазных потоков на угол 90 (второй этап сепарации);
- слияние отсепарированных газовых потоков при условии сохранения постоянства количества движения (импульса 9r « const);
- коаксиальный вывод потока газа из зоны сепарации.
При осуществлении первого поворота потоков возникают центробежные силы, величина воздействия которых прямо пропорциональна массе материальных частиц m или при оценке воздействия на равновеликие по объему Vm частицы их плотности р гдек - скорость капли; R - радиус кривизны траектории движения капли жидкости.
Под воздействием сил инерции капли жидкости, составляющие дискретную фазу, плотность которых в 10 превышает плотность газа, практически сохраняют первоначальное направление движения, В результате происходит их смещение в периферийный пограничный слой потока и торможение при ударе о направляющие поверхности сепарирующего элемента. При этом слиянием отдельных капель на поверхности образуется пленка жидкости, дрейфующая в направлении поступательного движения потока газа - по радиусу к наружной кромке направляющих сепарирующего элемента. Одновременно происходит утолщение пленки в направлении ее поступательного движения за счет поступления более мелких капель (имеющих меньшую кривизну траектории выхода из потока) и накопления массы жидкости в объеме пленки, прилегающем к краю направляющих сепарирующего элемента.
При достижении критической толщины пленки, когда действие силы тяжести начинает превышать силы поверхностного натяжения, происходит локальный отрыв некоторой массы жидкости в виде отдельных капель и наблюдается явление вторичного уноса. При этом диаметр вторично образованных капель значительно превышает величину первоначально вносимых и характеризуется некоторым постоянным осредненньш значением 500-700 мкм.
