Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 9
1.1 Конструкции роторных пылеуловителей с внутренней циркуляцией и самоорошением рабочей жидкостью 11
1.2 Аэродинамика и энергозатраты в роторных аппаратах 22
1.3 Эффективность пылеочистки в роторных аппаратах 26
1.4 Массоотдача в газовой фазе в роторных распылительных аппаратах 29
1.5 Выводы и постановка задач исследования 31
Глава 2. Техника эксперимента и методы исследования 33
2.1 Схема экспериментальной установки 33
2.2 Выбор модельных пылей и анализ их дисперсного состава 38
2.3 Методики исследования аэродинамических и энергетических характеристик .. 42
2.4 Методика исследования эффективности пылеочистки 49
2.5 Методика исследования коэффициента массоотдачи в газовой фазе 54
2.6 Выводы по главе 59
ГЛАВА 3. Исследование аэродинамических и энергетических характеристик роторного аппарата 60
3.1 Исследование аэродинамических сопротивлений в роторном аппарате.. 60
3.2 Определение диапазона нагрузки по газовой и жидкой фазам 66
3.3 Анализ механических и полных энергозатрат 70
3.5 Выводы по главе 74
ГЛАВА 4. Исследование эффективности пылеулавливания и массоотдачи в роторном аппарате 76
4.1 Влияние основных параметров на КПД пылеочистки 76
4.2 Влияние физико-химических параметров рабочей жидкости на эффективность пылеочистки в роторном аппарате з
4.3 Анализ результатов исследования массоотдачи в газовой фазе в роторном аппарате 85
4.4 Выводы по главе 88
ГЛАВА 5. Разработка методики расчета и рекомендаций по промышленному использованию роторного аппарата 90
5.1 Разработка рекомендаций по расчету и совершенствованию роторного аппарата 90
5.2 Разработка методики расчета роторного аппарата 97
5.3 Рекомендации по промышленному использованию роторного аппарата 101
5.4 Экономическая оценка использования роторного аппарата для очистки сушильных газов от пыли подсырной сыворотки 108
5.5 Выводы по главе 112
Выводы 113
Список использованной литературы 114
- Эффективность пылеочистки в роторных аппаратах
- Методики исследования аэродинамических и энергетических характеристик
- Анализ механических и полных энергозатрат
- Анализ результатов исследования массоотдачи в газовой фазе в роторном аппарате
Эффективность пылеочистки в роторных аппаратах
Вращающийся дисковый аппарат CHEPOSVUCHZ (рисунок 1.6) [15] имеет подобную конструкцию, что и скруббер Флельда. Вода подается на вращающиеся диски - 6 через штуцер - 3 и разбрызгивается, далее вода стекает по внутренней поверхности стенок аппарата и попадает в сопла - 7 по которым она перетекает в желоб - 8 и далее на расположенные ниже распыливающие диски. Когда вода достигает нижнего бункера, она выводится через штуцер - 4. Запыленный воздушный поток поступает в аппарат через штуцер - 1 поднимаясь вверх по спиралеобразной траектории, проходит через струи и капли рабочей жидкости очищается от взвешаных частиц.
Вращающийся дисковый аппарат CHEPOSVUCHZ К достоинствам данного аппарата можно отнести продолжительное время нахождения газовой фазы в орошаемом объеме аппарата за счет закрученного движения. К недостаткам можно отнести громоздкость распылителей выполненных в виде пакета усеченных конусов что увеличивает затраты механической энергии на проведение процесса газо-пылеочистки.
Роторный распылительный газопромыватель Газопромыватель работает следующим образом. Запыленный газ поступает по наклонному патрубку в коническую часть - 1, где приобретает вращательное движение, как за счет тангенциального ввода, так и за счет наклона патрубка. Газ поднимается вверх по спирали за счет установленных напрвляю-щих лопаток - 6. После прохождения всех контактных элементов включающих в себя тарелки - 5, распылители - 7, каплеотбойники - 8 газ поступает в сепаратор - 9, где очищается от капель жидкости уносимой с воздушным потоком. Большое количество контактных элементов увеличивает гидравлическое сопротивление и для его уменьшения в аппарате предусмотрена крыльчатка - 10 установленная на валу -11.
Свежая жидкость поступает в сепаратор - 9, откуда вместе с уловленной в нем жидкостью подается внутрь распылителя - 7. Распылитель - 7 представляет собой перфорированный цилиндр, в нижней части которого имеется заборное устройство, которое подобно осевому насосу обеспечивает непрерывную подачу жидкости в распылитель и циркуляцию жидкости на контактном элементе.
С тарелки - 5 жидкость сливается в промыватель - 4, который также имеет заборное устройство и предназначен для отмывки газа от крупных частиц. Далее рабочая жидкость подается на распределитель - 2, с помощью которого образуется дополнительная поверхность контакта фаз и жидкость равномерно распределяется на стенку конической части - 1, где также взаимодействует с вводимым газовым потоком. Пленочное течение жидкости в конической части -1 обеспечивает смыв уловленных частиц пыли. Далее жидкость в виде шлама отводится через нижний патрубок в конической части. На каждом контактном элементе газ и жидкость движутся прямотоком.
Преимущество данного аппарата заключается в том, что путем подбора соответствующего количества распылителей и промывателей можно обеспечить заданную степень очистки в одном аппарате без предварительных коллекторов и сепараторов. К недостаткам данной конструкции можно отнести повышенную сложность в изготовлении и повышенные затраты механической энергии в силу громоздкости ротора. Вихревой аппарат с пористыми вращающимися распылителями (рисунок 1.8) [36] работает следующим образом - очищаемый газ поступает в аппарат через расположенный тангенциально штуцер - 2. Жидкость через распределительное устройство - 4 подается в пористые вращающиеся распылители - 3. Вал, на котором расположены распылители, приводится во вращение двигателем - 1. Нижний конец вала крепится на опоре - 6. При вращении вала с распылителями срывается монодисперсный поток капель, который попав в закрученный поток газа, двигаясь к стенке аппарата, контактирует с газовым потоком. Таким образом, на внутренней стенке аппарата образуется стекающая вниз пленка жидкости, которая выводится из аппарата через штуцер - 5. Газ, проходя через слой капель, очищается от вредных газообразных и твердых примесей, после чего удаляется из аппарата через штуцер - 7.
Вихревой аппарат с пористыми вращающимися распылителями Достоинством данного аппарата является низкое аэродинамическое со 20 противление, высокий КПД пылеочистки. К главному недостатку данного аппарата и аналогичных можно отнести отсутствие внутренней циркуляции жидкости, что заставляет тратить дополнительную энергии на непрерывную подачу рабочей жидкости на распылители.
Роторный распылительный пылеуловитель (РРП) (рисунок 1.9) [67], содержит вал - 1, подшипниковую опору - 2, сепаратор - 3, крыльчатку-сепаратор - 4, корпус - 5, транспортирующий цилиндр - 6 с насосным устройством - 14, вокруг которого соосно установлен направляющий цилиндр с сеткой для отделения нерастворившихся частиц уловленной пыли - 12. В нижней части пылеотделителя установлен бункер - 11 с гидрозатвором - 9 и патрубком удаления шлама - 10. На корпусе установлен патрубок ввода орошающей жидкости -13.
Методики исследования аэродинамических и энергетических характеристик
Аэродинамическое сопротивление в РА как указывалось ранее, складывается из сопротивлений в неорошаемом аппарате и в факеле распыла (3.1). ЛР0 = АРС + АРСЛ, Па, (3.1) где ЛРС - аэродинамическое сопротивление неорошаемого аппарата; ЛРсл = ЛРф + ЛРВ - аэродинамическое сопротивление с учетом влияния вентиляционного эфекта; ЛРф - аэродинамическое сопротивление слоя капель в факеле распыленной жидкости; ЛРВ - вентиляционный эффект, создаваемый факелом - слоем движущейся распыленной жидкости.
Аэродинамическое сопротивление сухого аппарата можно рассматривать как сумму местных сопротивлений, потери в которых определяются из формулы Дарси-Вейсбаха (2.5). Коэффициент сопротивления Е, может быть определен как сумма коэффициентов местных сопротивлений, которые возникают при прохождении потока газа через сужения, расширения, повороты и обтекании различных конструктивных элементов. Однако, реализовать на практике этот метод расчета достаточно трудно в виду достаточной сложности конструкции аппарата, и эти расчеты требуют определенных допущений и упрощений что снижает их достоверность. Поэтому потери напора на неорошаемом аппарате необходимо определять экспериментально.
Вторая составляющая в правой части уравнения (3.1) - ЛРсл представляет собой сумму двух абсолютных значений. Это собственное сопротивление слоя капель АРф, поскольку они уменьшают свободное пространство для прохода газа и АРВ- вентиляционный эффект, создаваемый движущимися каплями и диспергирующим устройством. Исследование потерь напора на неорошаемом контактном элементе проводилось без подачи рабочей жидкости при неподвижном распылителе, поскольку предварительные испытания показали, что частота вращения распылителя и диаметр диспергирующих отверстий не влияют на аэродинамическое сопротивление сухого аппарата.
Экспериментальные данные представлены в приложении Ж. В связи с тем, что исследования проводились в широком диапазоне скоростей газа в аппарате (0,74-3,95 м/с), то соответственно коэффициент аэродинамического сопротивления был не одинаков. В данном диапазоне скоростей газа можно выделить три участка, для которых коэффициент сопротивления будет не одинаков (рисунок 3.1). Для 1 участка при скоростях газа 0,74-2 м/с: коэффициент аэродинамического сопротивления i=656; для 2 участка при скоростях газа 2-3,12 м/с: коэффициент аэродинамического сопротивления 2= 141; для 3 участка при скоростях газа 3,12-3,95 м/с: коэффициент аэродинамического сопротивления з=84.
Отклонение экспериментальных данных от расчетных не превышает 4,3%. Выражение (3.3) справедливо в пределах Ur=0,74-3,95 м/с, рг=1,2 кг/м3.
Измерения полного аэродинамического сопротивления проводились при различных физико-химических характеристиках рабочей жидкости (таблица 2.2) при варьировании параметров процесса. Результаты измерений приведены в приложении И. Как видно из графика (рисунок 3.2) аэродинамическое сопротивление факела распыла возрастает при увеличении скорости газа, та же картина наблюдается и при увеличении скорости истечения жидкости из диспергирующих отверстий. Этот факт объясняется следующим образом, увеличение скорости вращения распылителя приводит к увеличению его производительности Qp (3.4) и следовательно, к некоторому уменьшению свободного пространства в факеле для прохода газа. где: ф - коэффициент скорости, для цилиндров с толщиной стенки 8 = (0,4-2)-d0 - рекомендуется принимать [88] ф = 0,73, а при 8 (0,3 d0) - ф = 0,62 [51]; К0 - число распыливающих отверстий на поверхности распылителя; f0 -площадь сечения одного распыливающего отверстия; ю - угловая скорость распылителя; Rp = Dp I 2 - радиус распылителя; гсл - радиус свободной поверхности жидкости внутри распылителя.
Из работы [59] известно, что при увеличении скорости истечения жидкости аэродинамическое сопротивление факела распыла снижается, поскольку с ростом скорости полета капель существенно возрастает вентиляционный эффект. При продолжительной работе аппарата без подпитки рабочей жидкостью параметры шлама (рабочей жидкости) такие как вязкость, плотность, поверхностное натяжение возрастают, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления (рисунок 3.3), при этом время за которое вязкость шлама дости 64 гает 2,5 мПас для каждой пыли индивидуальное (мука - 60 мин; сыворотка -135 мин; дрожжи - 145 мин). На наш взгляд это связано с природой и свойствами пылевидного продукта. При повышении плотности и вязкости рабочей жидкости диаметры капель увеличиваются (3.6), это приводит к росту аэродинамического сопротивления.
Инертная пыль не способна растворяться в воде и поэтому при ее улавливании шлам представляет собой суспензию, из которой частицы пыли оседают на дно бункера 9 (рисунок 2.1). Часть пыли захватывается заборным устройством вместе с водой, но это количество не оказывает существенного влияния на аэродинамическое сопротивление РА. Поверхностное натяжение образцов шлама составляла - 72,8-10" Н/м, вязкость - 1,005 мПас, по истечению 60 мин. работы РА. Плотность шлама изменялась в пределе 1002,3-1004,1 кг/м3.
Коэффициент корреляции при этом равен R=0,98. Применимость уравнения (3.7) подтверждена в следующих пределах изменения параметров: Ur=0,74-3,95 м/с; иж=3,1-3,9 м/с; рж=1000-1160 кг/м3; дж=1,03-2,91 мПа-с; аж=(72,8 85,8)-10-3 Н/м; d0=l,4-2,5 мм. В указанных пределах отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по уравнениям (3.7) не превышает 8,2 %, что подтверждает правильность выбора параметров, определяющих аэродинамическое сопротивление факела распыла. И, следовательно, уравнение (3.7) может быть рекомендованы для инженерных расчетов, а также может быть использовано для выбора рациональных режимов и параметров работы РА.
Анализ результатов исследований аэродинамического сопротивления показывает, что потери напора в сухом и орошаемом аппарате определяется, главным образом, скоростью газа. Увеличение диаметра капель связанное с ростом плотности и вязкости рабочей жидкости и уменьшением скорости капли и поверхностного натяжения приводит к росту аэродинамического сопротивления факела распыла
Анализ механических и полных энергозатрат
Многие технологические процессы на предприятиях пищевой промышленности сопровождаются интенсивными выделениями пыли. За частую, пылевидные выбросы оказывают пагубное влияние на людей, животных, оборудование и окружающую среду. Поэтому снижение запыленности должно способствовать улучшению условий труда, увеличению срока службы оборудования, повышению качества и снижению потерь готового продукта. Пыль, которая образуется в процессе производства в пищевой промышленности, отличается большим разнообразием физико-химических свойств, дисперсным составом, плотностью и воздействием на окружающую среду.
Одним из наиболее важных аспектов экономичной эксплуатации любого оборудования является снижение потерь сырья, готового продукта, на всех стадиях технологического процесса. В этом отношении сушильные установки в перерабатывающих отраслях пищевой промышленности являются наименее экономичными не только потому, что в них не утилизируется теплота отработанного сушильного агента (воздуха), но и потому, что потери готового продукта в атмосферу могут достигать нескольких процентов от производительности по готовому продукту [17, 20].
Поэтому максимально полная очистка сушильного агента от пыли готового продукта является важной задачей. Рассмотрим примеры использования РА для очистки газовых выбросов от пылей подсырной сыворотки и кормовых дрожжей.
Сыворотка, образующаяся на большинстве предприятий России, при переработке молочного сырья в основном использовалась на корм скоту или сливалась в канализацию. Однако отношение к сыворотке меняется, сейчас она является важным сырьем для получения продуктов спектр применения, которых достаточно широк. Получение сухой сыворотки с достаточно приемлемой себестоимостью - вот решение проблемы.
По сути, сухая сыворотка - сухой концентрат сывороточных белков. Это и предопределяет ценность белкового концентрата и широкую область его применения в различных отраслях пищевой промышленности. Таким образом, вместо уплаты штрафов за слив сыворотки в канализацию или оплаты расходов, связанных с транспортированием сыворотки на фермы для использования на корм скоту, возможна продажа сухой сыворотки или ее концентрата.
Заключительной стадией производства сухой сыворотки является сушка, т. е. окончательное концентрирование полуфабриката с содержанием сухих веществ 35-45% масс, до 96% масс. Удаление воды из сыворотки значительно экономичнее проводить в выпарном аппарате. Известно, что качество порошка сухой сыворотки будет выше при сушке концентрата с более высоким содержанием сухих веществ (55-60% масс). При сушке концентратов сыворотки используются распылительные сушилки. Температура сушильного агента (воздуха) подаваемого в сушилку 180±15С, на выходе из сушилки 65-85С.
Применяется традиционная схема очистки сушильных газов от порошка сухой сыворотки: разгрузочные одиночные или групповые циклоны - первая ступень очистки; мокрые пылеуловители - на второй. Вторая ступень очистки сушильных газов используется крайне редко: рукавные фильтры имеют высокое гидравлическое сопротивление, поэтому энергоемкие; фильтровальная ткань дорогостоящая при замене; задержка частиц продукта на поверхности ткани увеличивает время термического воздействия на них сушильного агента, что снижает их качество.
Очистка сушильных газов в циклонах позволяет выделить основную массу пыли с размером частиц больше 5 мкм. Согласно опубликованным данным в результате масса частиц размером меньше 5 мкм в газах после циклонов увеличивается примерно в два раза [20]. Именно частицы таких размеров представляют наибольшую опасность для здоровья человека и наносят ущерб окружающей среде, ухудшая санитарно-гигиеническую обстановку предприятий, рабочих мест и т. п.
В работах ВНИМИ отмечается, что в сушильных газах прошедших циклоны может содержаться до 4% и более продуктов сушки от производительности сушилки по готовому продукту [17]. Применение группы параллельных циклонов позволяет снизить потери.
По данным зарубежной печати рентабельность производства сухой сыворотки начинается с объема 300 т/сутки, однако и меньшие объемы также представляют интерес для России. Нетрудно подсчитать, какие потери сухой сыворотки имеют место на молокоперерабатывающих предприятиях при недостаточно эффективной очистке сушильных газов.
Мокрая пылеочистка целесообразна тогда, когда уловленная пыль вместе с орошающей жидкостью (шлам) используется в технологии. Применение в качестве орошающей жидкости сыворотки поступающей на упаривание оправдано. Пройдя мокрый пылеуловитель, сыворотка несколько насыщается сухими веществами, утилизирует часть тепла из очищаемых сушильных газов и далее поступает на упаривание. Такой вариант дает дополнительные преимущества мокрому способу очистки сушильных газов от пыли молочной сыворотки.
Как отмечено в [17] распылительная сушка в настоящее время является безальтернативным способом консервирования молочных продуктов на ближайшие годы. Наиболее целесообразным направлением ее совершенствования является модернизация вспомогательного оборудования: подогреватели воздуха, фильтры для очистки воздуха, устройства для очистки сушильных газов от пыли. Очистка сушильных газов на второй ступени пылеулавливания мокрым способом представляется наиболее актуальным вопросом, поскольку обеспечивает наибольший экономический эффект [17].
Анализ результатов исследования массоотдачи в газовой фазе в роторном аппарате
В работах ВНИМИ отмечается, что в сушильных газах прошедших циклоны может содержаться до 4% и более продуктов сушки от производительности сушилки по готовому продукту [17]. Применение группы параллельных циклонов позволяет снизить потери.
По данным зарубежной печати рентабельность производства сухой сыворотки начинается с объема 300 т/сутки, однако и меньшие объемы также представляют интерес для России. Нетрудно подсчитать, какие потери сухой сыворотки имеют место на молокоперерабатывающих предприятиях при недостаточно эффективной очистке сушильных газов.
Мокрая пылеочистка целесообразна тогда, когда уловленная пыль вместе с орошающей жидкостью (шлам) используется в технологии. Применение в качестве орошающей жидкости сыворотки поступающей на упаривание оправдано. Пройдя мокрый пылеуловитель, сыворотка несколько насыщается сухими веществами, утилизирует часть тепла из очищаемых сушильных газов и далее поступает на упаривание. Такой вариант дает дополнительные преимущества мокрому способу очистки сушильных газов от пыли молочной сыворотки.
Как отмечено в [17] распылительная сушка в настоящее время является безальтернативным способом консервирования молочных продуктов на ближайшие годы. Наиболее целесообразным направлением ее совершенствования является модернизация вспомогательного оборудования: подогреватели воздуха, фильтры для очистки воздуха, устройства для очистки сушильных газов от пыли. Очистка сушильных газов на второй ступени пылеулавливания мокрым способом представляется наиболее актуальным вопросом, поскольку обеспечивает наибольший экономический эффект [17].
Эффективность улавливания пыли подсырной сыворотки в РА составляет не менее 99% и не менее 96% при длительной работе в условиях самоорошения (раздел 4.1). Таким образом, экономическая целесообразность внедрения РА в качестве второй ступени очистки сушильного агента от пыли подсырной сыворотки на установках, имеющих только сухую очистку в циклонах вполне очевидна. Кроме того, снижение выбросов подсырной сыворотки в атмосферу снизит ущерб окружающей среде и улучшит санитарно - гигиеническую обстановку на территории производства.
На рисунке 5.4 представлен пример аппаратурного оформления стадии очистки сушильного агента после сушки подсырной сыворотки на Рубцовском молочном заводе филиале «ВБД». По данной схеме часть исходного сырья с концентрацией сухих веществ 6,5% поступает в роторный аппарат - 10 для орошения и улавливания готового продукта. Отработанный сушильный агент (с концентрацией пыли К=400 мг/кг) из циклонов - 8 поступает в РА - 10, где неуловленный продукт (сухая сыворотка С = 96% масс.) улавливается рабочей жидкостью (сыворотка 6,5% масс). Далее шлам (сыворотка С = 6,52 % масс.) собирается в емкость - 11 в которой предусмотрен пеногаситель, затем через фильтры - 12 сыворотка центробежным насосом - 8 подается обратно в емкость для предварительного хранения сыворотки. При проведении экспериментальных исследований РА диаметром 0,25 м было установлено, что эффективность пылеулавливания составляет не менее 96,6% в широком диапазоне варьируемых параметров. Следовательно, концентрация пыли после РА будет составлять 4 мг/кг отработанного сушильного агента. При использовании подсырной сыворотки в качестве рабочей жидкости происходит ее концентрирование как за счет увеличения количества уловленного продукта, так и за счет испарения влаги сушильными газами. При этом максимально возможная концентрация сухих веществ в шламе на выходе из РА составляет 10%. В линии производства сухой сыворотки происходит следующее: количественное концентрирование сухих веществ: исходное сырье - 6,5-6,7%; после нанофильтрации - 18%; после вакуум-выпарной установки - 55-62%; на выходе из сушилки - 96%. В результате проведенного анализа линии можно предложить следующее: для того чтобы не нарушать целостность потока и технологию производства не следует доводить концентрацию сухих веществ в шламе РА до максимально возможной, для этого необходимо обеспечить подпитку РА исходным сырьем (сыворотка С = 6,5% масс.) в количестве 60 - 300 т/сутки, это позволит довести концентрацию исходного сырья до 6,7 - 6,52% масс, соответственно.
В качестве рабочей жидкости в РА можно использовать воду. За счет того, что вода обладает меньшей вязкостью и плотностью эффективность пылео-чистки в аппарате возрастает до 99,6%. При использовании воды в качестве рабочей жидкости можно доводить концентрацию сухих веществ в шламе до 6,5% масс, после чего отправлять полученный шлам (раствор) в емкость для первичной приемки сыворотки. Техническая характеристика РА разработанного по методике изложенной в разделе 5.2 приведена в таблице 5.1.
Кормовые дрожжи, при производстве которых пыль представляют собой летучий продукт соответствующих процессов переработки: сушка дрожжей, пневмотранспортирование. Дисперсный состав пыли до и после циклонов рассмотрен в работе [20], из данных видно, что циклоны плохо улавливают частиц размером менее 5 мкм. Концентрация пыли в газах после сушилки составляет 4,2 г/м , а после циклонов 0,45 г/м . Дрожжевая пыль, не обладает высокой токсичностью, содержит неприятно пахнущие вещества, которые оказывают неблагоприятное воздействие на санитарно - гигиенические условия на территории предприятия, так же дрожжевая пыль может вызывать кожно-аллергические реакции. Являясь ценным кормовым продуктом, дрожжевая пыль, теряемая вследствие недостаточной степени очистки сушильных газов, что снижает экономическую эффективность ее производства.
Применение процесса мокрого пылеулавливания дрожжевой пыли из сушильных газов обеспечивает достаточно высокую эффективность, вследствие чего он и используется в промышленности [20, 72, 73]. Достоинством мокрого пылеулавливания в данной технологии является то, что шлам используется в технологическом процессе. Таким образом, обеспечивается полезное использование уловленного продукта. Предлагаемая принципиальная схема двухступенчатой очистки сушильного воздуха с применением РА на второй ступени работает следующим образом (рисунок 5.5). Теплоноситель поступает в сушилку - 2 из тепловой установки - 1. Воздух из сушилки - 2 через воздуховод - 3, посредством вытяжного вентилятора - 5 поступает в циклоны - 4 и далее нагнетается в РА - 6 по воздуховоду - 7.
