Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса нейтрализации выбросов трубоэлектросварочных производств с исполбзованием плазменных технологий
Особенности производства электросварных труб большого диаметра
Технологические особенности процессов плазменной резки и сварки труб
Состав и объем аэрозольных выделений в процессах плазменной резки и сварки металла
Техногенные свойства аэрозольных выделений при плазменной резки и сварке труб .
Характерные виды локализующей вентиляции установок плазменной резки и сварки труб
Современные методы и средства очистки выбросов установок плазменной резки и сварки труб Выводы по тлаве 1
Натурное исследование выбросов установок плазменной резки и сварки труб
Общая характеристика объекта натурного исследования
Краткая характеристика источников выделения выбросов
Методика проведения инструментальных измерений и обработки их данных
Результаты обобщения данных натурных исследований
Выводы по тлаве 2
Теоретический анализ улавливания в не но динамическом слое поглотителя
Факторы осаждения аэрозольных частиц Оценка условий реализации процесса обеспыливания в не-нодинамическом слое.
Закономерности осаждения аэрозоля при прямоточном движении фаз и пенодинамическом слое Зависимость поверхности осаждения аэрозоля от условий формирования пенодинамического слоя
Взаимосвязь коэффициента массопередачи с условиями формирования пенодинамического слоя
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
Эксперименталбное исследование закономерностей улавливания сварочного аэрозоля в вихрепенном скруббере
Общие условия моделирования исследуемых процессов Аппаратурное оформление экспериментов по исследованию закономерностей пылеулавливания
4.3 Методика проведения экспериментов
4.4 Математическое планирование и проведение эксперимента
4.4.1 Обоснование условий постановки многофакторного эксперимента
4.4.2 Условия и результаты предварительного эксперимента
4.4.3 Выбор факторов и параметров исследуемого процесса
4.4.4 Кодирование факторов, выбор модели плана эксперимента
4.4.5 Проверка воспроизводимости опытов
4.4.6 Определение коэффициентов уравнения регрессии и оценка их значимости
4.4.7 Проверка адекватности уравнения регрессии
4.4.8 Интерпретация полученных результатов ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4
ГЛАВА 5 Анализ условий эффективной нейтрализации выбросов плазменной резки труб с исполбзованием вихрепенных скрубберов
5.1 Условия выбора технологических характеристик очистки выбросов плазменной резки и сварки труб
5.2 Определяющие факторы эффективности рассеивания аэрозольных выбросов плазменной резки и сварки
5.2.1 Влияние конструктивно-планировочных характеристик производственного здания на рассеивание аэрозольных выбросов
5.2.2 Особенности влияния конструктивного исполнения выпуска на формирование факела аэрозольного выброса
5.3 Оценка требуемого эффекта очистки аэрозольного выброса в газоочистной установке
5.4 Режимно-технологические условия построения аппаратурной схемы установки вихрепенной очистки
5.5 Автоматическое регулирование и обеспечение заданного режима работы установки вихрепенной газоочистки
5.5.1 Технологические основы управления процессом очистки
5.5.2 Конструкция блока-регулятора ВПИС
5.5.3 Принцип действия блока-регулятора ВПИС.
5.6 Основы поверочного расчета режимных параметров установок вихрепенной газоочистки
5.7 Оценка технико-экономической эффективности установки вихрепенной газоочистки
Выводы по главе 5
Заключение
Библиографический список
- Техногенные свойства аэрозольных выделений при плазменной резки и сварке труб
- Методика проведения инструментальных измерений и обработки их данных
- Зависимость поверхности осаждения аэрозоля от условий формирования пенодинамического слоя
- Выбор факторов и параметров исследуемого процесса
Введение к работе
Актуальность проблемы: Производство электросварных труб является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности, предприятия которой, как правило, расположены в зоне городских территорий. При этом трубоэлектросварочное производство отличается последовательным осуществлением ряда технологически сложных операций, включая процессы плазменной механизированной сварки и резки металла. В ходе этих процессов образуется значительное количество неоднородных пылегазовых выделений, выбросы которых в атмосферу отличаются высоким уровнем содержания загрязняющих веществ, способных оказать существенное техногенное воздействие на состояние воздушной среды. Так анализ качества внутрицеховой атмосферы воздушной среды промышленных зон предприятий, а также прилегающей к ним городских территорий показывает, что степень защиты воздушного бассейна от загрязнения данными выбросами не в полной мере отвечает нормативным требованиям.
Учитывая возрастающую потребность современной экономики в наращивании объемов производства и сортамента труб, проблему защиты воздушной среды от загрязнения выбросами установок плазменной резки и сварки металла при производстве труб, особенно большого диаметра, следует считать весьма актуальной.
Практика показывает, что применительно к условиям очистки неоднородных пылегазовых выбросов местной вытяжной вентиляции, содержащих как твердофазные, так и газообразные загрязняющие компоненты, в различных отраслях промышленности успешно используются аппараты мокрой очистки. То же самое, отмечается и в отношении аэрозольных (пылевых) выбросов, характеризующихся большим содержанием мелкодисперсных фракций. Так на предприятиях трубной промышленности, для очистки сварочных аэрозолей и отходящих газов от установок плазменной резки труб, наибольшее применение получили аппараты ударно-инерционного действия - ротоклоны отечественного и импортного производства, пенные аппараты различных модификаций и пенновихревые скрубберы. Применение последних представляется наиболее перспективным, т.к. они показывают высокую эффективность извлечения мелкодисперсных пылевых фракций, характеризуются высокой интенсивностью осуществляемых процессов и отличаются значительно меньшими габаритными размерами, требующими значительно меньших дорогостоящих производственных площадей для размещения.
Общим недостатком названных типов аппаратов является относительная ограниченность скоростного (расходного) диапазона эксплуатации, в пределах которого стабильно обеспечивается проектная эффективность очистки. Это существенно снижает возможность эффективной эксплуатации таких аппаратов в условиях нестационарности объемов газов, подаваемых на очистку системами местной вытяжной вентиляции от установок плазменной резки и сварки труб.
Цель работы: снижение экологически опасного воздействия, на воздушный бассейн городских территорий, вентиляционных выбросов трубоэлектросварочных производств, посредством оптимизации режимных параметров и конструктивного оформления процессов их обеспыливания в интенсивных аппаратах вихрепенной очистки.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- оценка процессов механизированной сварки и плазменной резки металла, как источника пылевыделений, определяющего мощность и состав их вентиляционных выбросов в атмосферу;
- исследование дисперсного состава и основных свойств аэрозольных выбросов, образующихся в процессах плазменной резки и сварки металлов в условиях трубоэлектросварочного производства;
- обобщение определяющих факторов и условий эффективной реализации процессов улавливания мелкодисперсных частиц пылей в вихрепенных инжекционных скрубберах;
- теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей улавливания в вихрепенных инжекционных скрубберах мелкодисперсных аэрозольных компонентов пылегазовых выбросов установок плазменной резки и сварки металла трубоэлектросварочных производств;
- совершенствование технологических характеристик вихрепенных инжекционных скрубберов для условий очистки мелкодисперсных пылегазовых выбросов от установок плазменной резки труб трубоэлектросварочных производств;
- разработка инженерных решений и рекомендаций по снижению загрязнений воздушной среды промышленных зон и прилегающих территорий при очистке выбросов от установок плазменной резки труб в вихрепенных инжекционных скрубберах.
Основная идея работы состоит в снижении экологически опасного воздействия аэрозольных выбросов местной вытяжной вентиляции установок механизированной сварки и плазменной резки труб, на состояние воздушной среды промышленных зон и городских территорий, путем совершенствования режимных параметров и конструктивного оформления процессов их обеспыливания в интенсивных аппаратах вихрепенной очистки на основе компоновочной оптимизации размещения устройств пенообразования.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое и физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений механики аэрозолей и аэродинамики струйных течений при моделировании изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях, а также с результатами других авторов и патентной чистотой разработанного технического решения.
Научная новизна работы:
- теоретически обоснована взаимосвязь эффективности осаждения частиц пыли от параметров формирования пенодинамического слоя в режиме вихревой инжекции и конструктивных характеристик узла контактирования очищаемого газа и жидкости;
- предложена математическая модель, характеризующая процесс осаждения аэрозольных частиц в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;
- экспериментально исследованы и обобщены в форме уравнений регрессии, закономерности процесса осаждения аэрозольных частиц в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглощающей жидкости закрученным потоком очищаемого газа;
- на основе корреляционного анализа экспериментальных данных подтверждена удовлетворительная степень реализации полученных уравнений регрессии процесса улавливания аэрозольных частиц и гидравлических потерь напора газа при пенодинамическом контакте очищаемого газа с поглощающей жидкостью в режиме вихревой инжекции;
- обобщением экспериментальных данных установлены закономерности, характеризующие режимно-технологические условия эффективного улавливания аэрозольных частиц и гидравлических потерь в слое динамической пены, формируемом посредством вихревой инжекции поглощающей жидкости.
Практическая значимость диссертационной работы:
- сформулированы принципы унификации аппаратурного оформления процесса очистки выбросов электросварочных процессов при контакте с поглощающей жидкостью в режиме вихреинжекционного пенообразования;
- определена унифицированная структурная и технологическая схемы многокамерного модулированного вихрепенного инжекционного скруббера для очистки выбросов установок механизированной сварки и плазменной резки труб трубоэлектросварочных;
- получены расчетные формулы режимных параметров процесса эффективной очистки аэрозольных выбросов термоагрегатов плазменной резки и сварки труб в вихрепенных инжекционных скрубберах;
- обобщены факторы и уточнены режимно-технологические характеристики, определяющие динамику и закономерности загрязнения воздушного бассейна промышленных зон и городских территорий выбросами от установок механизированной сварки и плазменной резки металла при производстве труб большого диаметра;
Использование результатов работы:
- разработаны и переданы ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой» рекомендации по расчету и эффективной эксплуатации установок вихрепенных инжекционных скрубберов для очистки аэрозольных выбросов систем местной вытяжной вентиляции трубоэлектросварочных производств;
- ООО «НИПИ Волгогорхимстрой» переданы рекомендации по применению многокамерных модулированных вихреинжекционных скрубберов в качестве эффективного средства очистки выбросов мелкодисперсных пылей;
- материалы диссертационной работы используются кафедрой ПБиГЗ ВолгГАСУ при подготовке инженеров по направлению «Техносферная безопасность».
На защиту выносятся:
- теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей улавливания аэрозольных компонентов выбросов от установок механизированной сварки и плазменной резки труб большого диаметра в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглощающей жидкости закрученным потоком очищаемого газа;
- математическая модель, характеризующая процесс осаждения аэрозольных частиц в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции поглощающей жидкости закрученным потоком очищаемого газа;
- уравнения регрессии и расчетные зависимости, характеризующие эффективность работы и гидравлические потери в процессе улавливания аэрозольных компонентов вентиляционных выбросов местных отсосов от установок механизированной сварки и плазменной резки металла труб в многокамерных вихрепенных инжекционных пенных скрубберах;
- результаты натурного исследования определяющих факторов и численного эксперимента, по оценке условий эффективной нейтрализации техногенного воздействия выбросов трубоэлектросварочных производств, на состояние воздушного бассейна городских территорий;
- унифицированная технологическая схема многокамерной модулированной установки вихрепенных инжекционных скрубберов для очистки аэрозольных выбросов от установок плазменной резки металла;
- основы расчета режимных параметров процесса эффективного обеспыливания выбросов от установок механизированной сварки и плазменной резки труб в многокамерных вихрепенных инжекционных скрубберах.
Апробация результатов диссертации.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: Всероссийской научно-технической конференции «Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России» (Кисловодск, 2005), Международной научно-технической конференции «Наука и технологии шаг в будущее» (Белгород, 2006), III международной научно-практической конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2006), Международной конференции «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» (Волгоград, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе в 2-х изданиях, рекомендованных ВАК и 1-им – патентом РФ на полезный образец.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований, и приложений общим объемом 140 страниц, содержит 29 рисунков и 11 таблиц.
Техногенные свойства аэрозольных выделений при плазменной резки и сварке труб
Проходя стан, трубная заготовка 2 надвигается на оправку 5, подвешенную к направляющему ножу и опирающуюся роликами на внутреннюю поверхность трубы. Движение трубы обеспечивается приводными горизонтальными валками стана, причем щель между кромками по мере продвижения заготовки сужается вследствие бокового давления вертикальных неприводных валков и в зоне сварки 3 зазор отсутствует. Движение трубы увлекает ленту, и под сварочной ванной постоянно находится новая пластина, охлажденная сжатым воздухом.
Сварку под флюсом производят двумя дугами, горящими в одной сварочной ванне, что обеспечивает хорошее формирование шва при скорости сварки 170—190 м/ч и толщине стенок 12 мм. Для уменьшения размера кратера концевые участки швов длиной 150—220 мм выполняют одной дугой при одновременном снижении скорости сварки. К установке для сварки внутреннего шва труба поступает по рольгангу и подается внутрь подвижных люлек, поднимающих и поворачивающих трубу швом вниз. Люльки смонтированы на подвижной тележке, с помощью которой труба надвигается на сварочную головку, прикрепленную к штанге длиной 12 м.
Трубы с двумя продольными швами собирают из двух предварительно отформованных корыт, подаваемых укладчиком на две параллельные нитки входных рольгангов сборочного устройства. Кромки заготовок выравнивающим приспособлением устанавливаются в одной горизонтальной плоскости, и в таком положении корыта рольгангами подаются в раскрытое сборочное устройство.
Технология изготовления 12-метровых прямошовных труб диаметром 1220-1620 мм отличается последовательностью выполнения швов, приемами формовки и калибровки труб, а также организацией контроля качества. Листы после выборочного ультразвукового контроля и правки подбираются по длине в специальной установке. Формовка полуцилиндрических заготовок происходит в роликах семиклетьевого стана, откуда они попарно поступают на сборку и прихватку технологическими швами, выполняемыми либо токами высокой частоты, либо в среде СО2 в одном из двух агрегатов, установленных параллельно друг другу.
Увеличение диаметра труб, используемых при укладке магистральных трубопроводов, требует увеличения толщины стенки. Толщина полос рулонной стали обычно не превышает 14 мм. Поэтому спиральношовные трубы диаметром 1420 мм и более изготовляют либо из отдельных листов, либо в два слоя из рулонной стали.
Непрерывный процесс изготовления спиральношовных труб диаметром до 2520 мм из отдельных листов осуществляют на специальных станах. Листы по одному подаются на рольганг листоукладчиком, центрируются и поступают на участок фрезеровки торцов, где каждая пара кромок, подлежащих стыковке, обрабатывается одновременно. Затем листы подаются к неподвижной сварочной установке, где производятся сборка и сварка стыка между ними на медной подкладке пол флюсом с постановкой заходных технологических планок. После этого карта из двух листов рольгангом подается на летучую сварочную ус 14 тановку, предназначенную для сборки и сварки стыков между картой и концом непрерывной полосы. В процессе выполнения операции летучая установка движется вместе с концом полосы, причем секции поддерживающего полосу рольганга автоматически опрокидываются, пропуская ее, и поднимаются вновь для поддержания привариваемой карты. Затем специальный механизм отламывает технологические планки и непрерывная полоса проходит те же операции обработки продольных кромок под сварку, формовки трубы, двусторонней сварки спирального шва, его контроля и резки на мерные части [85, 100].
Рассмотренное многообразие операций сварки и резки металла, выполняемые в процессе изготовления труб, соответственно определяет многообразие источников и условий образования значительных объемов вредных аэрозольных выделений. Очевидно, что обеспечение их эффективной локализации и особенно последующей оценки возможна лишь на основе учета характерных особенностей формирования ассимилирующих вредности потоков аспирацион-ного воздуха.
Методика проведения инструментальных измерений и обработки их данных
Основными операциями технологического процесса ТЭСЦ, на стадии которых происходит интенсивное выделение пыли и газов, являются поточно осуществляемая сварка под слоем флюса и плазменная обрезка торцевых сечений труб. Процессы сварки и плазменной резки труб осуществляются на технологических установках, работающих в полуавтоматическом режиме. Все установки плазменной резки и сварки труб оборудованы местными отсосами локализации непосредственно зон активного выделения аэрозоля. По схеме сочетания с обслуживаемым технологическим оборудованием местные отсосы установок ТЭСЦ могут быть отнесены к локализующим устройствам, которые классифицируют как встроенные (механическое сварочное оборудование) и внешние (установки плазменной резки.)
Местные отсосы подключены к аспирационным системам по групповым и индивидуальным схемам (один отсос на один побудитель движения аспира-ционного воздуха). Побудители тяги - вентиляторы размещены непосредственно в помещении ТЭСЦ на отметке пода. Выпуск отводимого от источников выделения аэрозольной смеси осуществляется аспирационными системами через индивидуальные шахты круглого сечения диаметром 500 мм, на высоте 21м.
Аспирационные системы частично оснащены пылеулавливающими установками - ротоклонами Р8Ь , мокрыми пылеосадителями МНВП-22-ЗЬ -335 и ПВМ 10К. срок эксплуатации аспирационных систем и пылеулавливающего оборудования - более 20 лет.
Идентификация источников выбросов ТЭСЦ в качестве характерных объектов исследования осуществлялась посредством обобщения их отличительных признаков на основании таксономической теории [51]. В качестве таких признаков обобщения инвентаризуемых источников в группы, формирующие идентичные выбросы приняты: функциональное назначение (установки плазменной резки - установка сварки труб); схема оснащения местными отсосами (встроенные - внешние); схема подключения к аспирационным системам (групповое -индивидуальное); оснащенность пылеулавливающим оборудованием (оснащенные - не оснащенные); режим работы (непрерывный - периодический); секундный объем выброса; температура выброса.
Согласно перечисленным классификационным признакам в качестве характерных объектов анализа приняты следующие источники - табл. 2 Источники выделения Таблица №№ пп Наименование (шифр) источника выделения Процесс образования аэрозоля 1 Стан №1 Сварка под флюсом 2 Трубообрезной стан ТОС 19 Плазменная резка 3 Стан № 2520 Плазменная резка 2.3 Методика проведения инструментальных измерений и обработки их данных. В соответствии поставленными в п.2.1, с целью и задачами натурного исследования параметров выбросов установки плазменной резки труб был выполнен следующий состав инструментальных замеров; - определение объемного расхода газовоздушной смеси на основе измерения профиля скорости в сечении потока газовоздушной смеси отводимой от источника выброса; - определение пылесодержания (концентраций пыли) газовоздушной смеси; - определения плотности пыли; - определение дисперсностного состава пыли - твердодисперсной фазы газовоздушной смеси; - определение концентраций газовых примесей.
Профиль скорости определялся по результатам прямого инструментального измерения ее значений в замерном сечении воздуховода аспирационной системы, выбираемом в максимальном приближении к местному отсосу плаз-морежущей установки. В соответствии с нормативными требованиями замерное сечение воздуховода разделялось на условные кольца с равновеликими площадями точки замеров принималась на середине ширины каждого условного кольца.
По локальным значениям скорости рассчитывалась величина осреднен-ной скорости потока газовоздушной смеси в замерном сечении &=(S1+.... + 3J/ri, (2.1) где &1...&ГП - значения локальной скорости в соответствующих контрольных точках замерного сечения, м/с. Исходя из значения средней по замерному сечению скорости газовоздушной смеси определялся ее объемный расход I = 0,,85 -d2- .м3/с, (2.2) где d - диаметр воздуховода в замерном сечении, м. Для приведения результатов измерения к нормальным условиям (1 = 0С; Рат = 760 мм.рт.ст.) использовалось выражение Z = ш(р 3 ±Рс ,нм3/с (2.3) 273 + t где L - расход газовоздушной смеси при замерных условиях, м7с; Рат - барометрическое давление, мм.рт.ст; Рст - среднеарифметическое значение статического давления, принимаемое за весь период измерений , мм.рт.ст; т - температура газовоздушной смеси, С (среднеарифметическое значение , принимаемое за весь период измерений). Концентрация пыли измерялась методом внешней фильтрации с отбором проб [77] (пылевых навесок) на аналитические фильтры типа АФА -20. Отбор проб для определения концентрации пыли проводился с помощью пылезабор-ных трубок конструкции НИИОГАЗ, укомплектованных набором сменных наконечников с диаметром входного отверстия от 4,2 до 12,2 мм. В качестве побудителя расхода исследуемой газовоздушной смеси применялся ротационный аспиратор ПРУ -4.
С целью соблюдения условий изокинетичности отбора проб, исходя из полученных значений локальной скорости, для контрольных точек замерного сечения отдельно определялся аспирационный объем отбираемой пробы газовоздушной смеси L = 0,047-Зг&\, л/мин (2.4) Где Si - значение локальной скорости газовоздушной смеси в соответствующей контрольной точке замерного сечения, м/с; dTp - диаметр входного отверстия сменного наконечника пылеот-борной трубки, мм. Исходя из полученных значений L j для каждой контрольной точки определялось время отбора достоверной пробы [3]. т, = V/L! , мин (2.5) где V - объем аспирационного воздуха, обеспечивающий достоверность навески пыли на аналитическом фильтре, л. В соответствии с условиями изокинетичности, пробы отбирались интегральным способом путем последовательного перемещения пылеотборной трубки по контрольным точкам замерного сечения воздуховода. Суммарный привес пыли определялся по разности масс фильтра фиксируемых при взвешивании до и после отбора пробы. Концентрация пыли в исследуемой газовоздушной смеси рассчитывалась по формуле: с=АМ = М мг/мз ,26, V V-ri где AM - привес пыли на аналитическом фильтре, мг; п - число контрольных точек в замерном сечении, по которым осуществлялся отбор проб.
Определение плотности пыли осуществлялось пикнометрическим способом, основанным на определении объема жидкости вытесняемой навеской исследуемой пыли, масса которой предварительно измерялась. В качестве пикно-метрической жидкости использовался керосин с плотностью р = 0,792г/см3 при стандартных условиях (I = 20С, Рат = 760 мм.рт.ст.) Измеряемая навеска исследуемой пыли готовилась путем длительного отбора пробы (не менее 2х часов) в нулевой точке замерного сечения. Значение плотности исследуемой пыли вычислялось по формуле: рп = Мп -рж /Мж, г/см (2.7) где Мп - масса навески исследуемой пыли, г; рж - плотность пикнометрической жидкости, г/см3; Мж - масса жидкости, вытесненной навеской пыли, г.
Зависимость поверхности осаждения аэрозоля от условий формирования пенодинамического слоя
Согласно проведённому в разделе 2.3 анализу, величина К в (3.28) и (3.29), является интегральной характеристикой, степени реализации механизма переноса аэрозольных частиц к поверхности раздела фаз, их осаждения и ассимиляции на этой поверхности в зависимости от свойств аэрозоля и жидкости. Будучи отнесённой через величину G к объёму пенного слоя в камере инжектора, величина К характеризует интенсивность процесса осаждения аэрозоля.
Как и в характерных процессах переноса (теплоты, массы, количества движения) величина К может быть найдена только на основе экспериментов [72, 83]. Это не вызывает особых трудностей в процессах тепло- и массообмена, т.к. параметры, определяющие К, могут непосредственно измеряться в ходе эксперимента. Но, применительно к процессу обеспыливания, задача осложняется тем, что в выражение К входит неизвестная величина СжР, которая одновременно зависит как от гидродинамических условий формирования пенного слоя, так и от свойств аэрозольных частиц - их размера, формы, плотности, смачиваемости и т.п. Однако, если допустить, что для конкретного аэрозоля с доминирующим свойством - размером частиц [68] можно считать, что величина СжР зависит только от скорости газа и расхода жидкости (в прямоточном режиме - объёма ее подачи на формирование пенного слоя).
Это даёт возможность нахождения расчётной зависимости для определения величины Сжр, исходя из результатов обобщения экспериментальных данных, полученных при постоянных значениях расхода газа (скорость в камере инжектора ua = const) и циркуляционного расхода жидкости на формирование пенного слоя.
Основой для нахождения искомой зависимости является полученное из уравнения материального баланса (3.23) выражение (3.24), Для каждых двух попарно проводимых экспериментов, обозначаемых соответственно индексами (1) и (2), выражение (3.24) имеет вид
Для условий вывода соотношения (3.45) полученное уравнение позволяет вычислять значения СжР по данным, прямых инструментальных измерений. Отсюда, становится возможным и расчёт величины коэффициента массопередачи К, на основе выражения (3.26) при допущении К КС 0.
Для оценки величины СжР были проведены эксперименты на модельной пыли (dso = 5,6 мкм) при расходах очищаемого газа, соответствующих изменению приведённой скорости иа в пределах значений 1 -ь 12 м/с.
Результаты графической обработки СжР, как величины, функционально зависящей от расхода динамической пены одномерно профилированными газа в логарифмической системе координат проявляют прямую связь СжР с условиями формирования структуры динамической пены, которые задаются величиной h0. Обобщение экспериментальных данных методом средних [5, 24] позволило представить исследуемую зависимость эмпирической формулой СжР = 0,176 h 243, (3.48) где Нж - высота объёма "светлой" жидкости в камере инжектора, м. Полученная формула аппроксимирует экспериментальные данные с достаточным приближением ± 8,6 % для зон устойчивого формирования пенного слоя. Применительно к условиям формирования закручивателями, величина СжР С указанным выше приближением определяется формулой C3KF=0J54-h-J 243, (3.49)
Исходя из опытных значений остаточной концентрации С"т характеризующей эффективность процесса улавливания аэрозоля, на основе выражения (3.29) были определены значения коэффициента , соответствующие условиям получения С"а. При тех же условиях и вычисленных по формуле (3.44) значени 62 ях F были рассчитаны численные значения коэффициента пропорциональности Кс в выражении (3.26). Осреднение найденных значений Кс позволило рассматривать его как константу, величина которой представлена значением Кс = 0,0044 - для двумерно профилированных и Кс =0,0035 - для одномерно профилированных закручивателей.
Проведенные обобщения позволяют установить функциональные связи коэффициента массопередачи К с режимными параметрами процесса улавливания аэрозоля на основе анализа выражения (3.33). Представленного в виде к 0{Са-С"а)/Сж, 1 GAAa , /а„ч — 1 — 1 J.JU) Рассматривая его левую часть как характеристику интенсивности процесса переноса аэрозольных частиц через единицу поверхности контакта фаз, можно видеть её зависимость от расходов газа G и инжектируемой жидкости W. Будучи отнесёнными к размеру формируемого пенного слоя (через его поперечное сечение, равное сечению камеры инжектора), названные параметры могут быть представлены соответственно через приведённую скорость газа На и высоту "светлой" жидкости Ь.ж. То есть, для оценки связи К с режимными параметрами процесса достаточно рассмотреть его зависимость от иа и Иж_
Основываясь на выводах об определяющем влиянии на изменение К скоростного режима движения газа [49,56], можно считать это проявлением затрат энергии потока газа (потерь давления) на пульсацию газовых пузырьков в объёме пенного слоя. Последнее может быть формально представлено как отношение потерь давления в пенном слое АР„ к части его объёма, составляющего газовую фазу, т,е. как соотношение t\PJVn(pn. Тогда, в соответствии с рассмотренным механизмом турбулентно-пульсационного осаждения аэрозольных частиц, данное соотношение количественно будет определять интенсивность переноса частиц через поверхность контакта фаз - ПКФ, сформированную за счёт энергетических затрат, характеризуемых потерями давления АР„. То есть, для процесса улавливания, отнесённого к единице ПКФ, будет справедливо соотношение К/КС = АР,/Уп- где Кс следует рассматривать как отнесённую к единице ПКФ долю затрат энергии (потерь давления АРп) на осаждение аэрозольных частиц. Тогда K = Kc- . (3.49) П т V Таким образом, полученное выражение позволяет практически решать задачи расчёта эффективности разделения аэрозолей исходя из режимно-технологических параметров формирования слоя динамической пены в камере инжектора.
Выбор факторов и параметров исследуемого процесса
При больших значениях скорости воздушного потока (свыше 10 м/с) гидравлическое сопротивление модулей по абсолютной величине соответственно превышает значение 750 Па (для 4-х камерного модуля) и 1930 Па (для 7 ми камерного модуля). При этом, в последнем случае (О»10 м/с) разность гидравлического сопротивления составляет менее 10%. Следовательно, при выборе режимов испытаний, для условий планирования многофакторного эксперимента, скорость воздушного потока не должна превышать 10 м/с, из-за нерационально высоких энергетических затрат на осуществление процесса обеспыливания в аппаратах подобного типа [1, 6, 53, 56]. Кроме того, принимая во внимание, что при значениях скорости менее 10 м/с разность гидравлических сопротивлений для обоих модификаций испытываемых модулей не превышает 10%, планирование эксперимента (и его проведение) было вы 77 полнено применительно к конструктивно-технологическим параметрам 7 ми камерного модуля, как наиболее перспективного по расходным характеристикам. Исследование эффективности пылеулавливания данного модуля с диаметром камер dk = 125 мм проводилось в скоростном интервале от 6,0 м/с до 10 м/с. Начальная концентрация модельной пыли менялась в диапазоне от 2,0 до 3,5 г/м . При этом полученные данные показали, что изменения концентрации пыли в этих пределах практически не влияют на эффективность пылеулавливания многокамерного модуля ВПИС. Результаты предварительных экспериментов представлены в табл. 6
Эффективность пылеулавливания модуля ВПИС Таблица Скорость воздуха в инжекторной камере, м/с 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Эффективность пылеулавливания, % 97,21 97,63 97,92 98,27 98,44 Выводы проведенного выше анализа полностью согласуются с результатами обобщений В.Г. Диденко и С.В.Шишкина для многокамерных скрубберов [56, 115]. Основываясь на них можно считать наиболее рациональным по энергетическим затратам (представленным через гидравлические потери) скоростной режим 6-10 м/с, при котором для инжекторных камер с 2х профилированными закручивателями гидравлические потери при реализации процесса пылеулавливания будут составлять от 0,93 до 1,93 кПа 7ми камерных модулях ВПИС. При этом, для скоростных режимов около 8 м/с эти потери составляют менее 1,3 кПа при эффективности обеспыливания около 98,0% - рис.26. Для высокодисперсных пылей, подобных рассматриваемому аэрозолю, в большинстве практических случаях это является, вполне достаточным результатом [14,17, 27]. 7J
В качестве параметров, характеризующих процесс обеспыливания воздушного потока в 7-ми камерном модуле ВПИС, приняты гидравлическое сопротивление (АР) и степень проноса пыли на выходе из аппарата (е= 100-г). В качестве факторов, определяющих значения этих параметров, приняты: скорость воздуха (и) в сечении инжекторной камеры (отнесенная к свободному сечению камеры); начальный уровень жидкости (h0) по отношению к входному сечению инжекторных камер; дисперсный состав поступающей в испытываемый модуль пыли, характеризующийся медианным диаметром частиц (d5o).
Начальная концентрация пыли в потоке очищаемого воздуха не рассматривалась в числе факторов, влияющих на исследуемые параметры модуля ВПИС. Проведенные предварительные эксперименты показали, что изменение величины начального пылесодержания потока после выхода модуля ВПИС на устойчивый режим работы (временной период менее 3 с) практически не влияет на эффект очистки воздуха. Таким образом, рассматриваемая система состоит из трех факторов и двух параметров оптимизации.
На основании обобщения результатов предварительных экспериментов была выбрана область экспериментирования и интервалы варьирования факторов-табл.7 Кодирование факторов при исследовании процесса пылеулавливания в 7ми камерном модуле Таблица Наименование фактора Уровни Ах{ -1 0 +1 Скорость воздуха в сечении контактной камеры, м/с 6,0 8,0 10,0 2,0 Медианный диаметр частиц пыли dso, мкм 2,0 2,9 3,8 0,9 Относительный начальный уровень жидкости, h0 = у, 0,08 0,16 0,24 0,08 В общем случае, при прочих равных условиях, для выбора вида статистической модели процесса предпочтительными являются степенные ряды, точнее их часть - алгебраические полиномы [5, 24, 48, 57]. Из условия, что более низкой степени полинома соответствует меньшее число коэффициентов в нем и, тем самым, требуется меньшее число опытов для определения их значений, в качестве статистической модели процесса был принят следующий полином вида; _ Y = Ь0 + X Ъ& + X bvxiXj + X V/ ; / (4.11) в качестве матрицы планирования был выбран план полного факторного эксперимента типа 2 . На каждом сочетании уровней проводилась серия их 2-х опытов. Результаты реализации плана эксперимента представлены в табл. 8 и 9. 4.4,5 Проверка воспроизводимости опытов
Для проверки воспроизводимости проводимых опытов на каждом сочетании уровней факторов (в каждой точке факторного пространства) принято провести М опытов. Так как на каждом сочетании уровней факторов имеется одинаковое число параллельных опытов, воспроизодимость опытов может быть проверена по критерию Кохрена. Критерий Кохрена (а) отражает закон распределения отношения максимальной эмпирической дисперсии к сумме всех дисперсий
