Введение к работе
Актуальность работы. Высокоэффективное оборудование для очистки газов от аэрозольных частиц, загрязняющих окружающую среду или представляющих собой продукт производства, в настоящее время является важнейшей составной частью аппаратурного оформления большинства технологических процессов. Наиболее сложная задача состоит в выделении из аэрозолей твердой или жидкой фазы, малые размеры частиц которой (менее 5 мкм) ограничивают использование традиционных способов разделения под действием гравитационных, инерционных или электростатических сил. По сравнению с широко известными аппаратами, агрегаты мокрой очистки обладают более высокой эффективностью улавливания аэрозольных частиц. Они могут успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как тканевые и волокнистые фильтры, и использоваться в тех случаях, когда последние не применимы, например, при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгорания и взрыва аэрозоля. Позволяют также эффективно улавливать газообразные выбросы. Именно процессам происходящим в аппаратах мокрой очистки газов и посвящено настоящее исследование.
Проектирование и совершенствование установок по очистки газов становится все более трудным делом, поскольку структура их непрерывно усложняется. Эта сложность объясняется характером протекающих в них процессов и условиями конкретного производства, где они используются. С появлением ЭВМ одним из наиболее важных и полезных орудий анализа закономерностей функционирования аппаратов в условиях производства и может быть имитационное моделирование. Имитационное моделирование дает возможность постичь суть явлений, не прибегая к экспериментам на реальном объекте. По сути, каждая модель есть форма имитации. Имитационное моделирование является весьма широким и недостаточно четко определенным понятием, имеющим большое значение, в частности, при проектировании сложных технических объектов. Имитационное моделирование — это конструирование модели, описывающей работу реального процесса или аппарата, и постановка экспериментов на этой модели с целью понять закономерности его функционирования, либо определить оптимальные геометрические размеры и технологические параметры его работы. Какое же место имитационное моделирование занимает среди проектных процедур?
Инженер-конструктор в своей практической деятельности стремится иметь набор конструктивных решений, приспосабливаемых им к конкретным условиям производства. Трудности состоят в том, что нет двух заданий на проектирование, которые были бы одинаковыми. Однако, оказывается возможным незначительно изменить некоторые технологические параметры и геометрические размеры аппарата, чтобы получить экономически оптимальное техническое течение, согласно заданию на проектирование. Имитационное моделирование поможет инженеру в этом случае предска-
зать и оптимизировать характеристики аппарата, значительно сократить время на проектирование и его стоимость, исключить дорогостоящие экспериментальные исследования. Настоящее исследование посвящено методам создания моделей, которые имитируют процессы конденсационного пылеулавливания Основное внимание уделено математическим аспектам создания моделей и их связи с физическими особенностями конкретного процесса улавливания. Предлагаемые модели просты по своей структуре и обладают достаточной универсальностью.
Работа выполнялась в соответствии с открытым Координационным планом АН СССР по проблеме «Разработка высокоэффективных способов улавливания аэрозольных частиц» на 1981- 1985г.г., код 2.21 АЛЛ м по проблеме «Теоретические основы химической технологии» на 198б-1990г.г.
Цель работы. Конечной целью работы, как научного исследования, явилась разработка физически обоснованных математических и вычислительных основ для создания высокоэффективных аппаратов конденсационной очистки газов от аэрозолей с использованием методов имитационного моделирования.
Научная новизна работы. Анализ фрактальных свойств дисперсных систем позволил предложить новый подход к прогнозированию флуктуации содержания дисперсных частиц в контрольном объеме в зависимости от их свойств, размеров и объема самой системы. Показано, что :
состояние смеси со случайным распределением компонентов не зависит от особенностей ее образования и является инвариантной ее характеристикой;
в случае спонтанной конденсации пара мы имеем типичный пример странного аттрактора, и наблюдаемые колебания вероятности образования зародышей являются хаотическими. Чем точнее мы задаем пересыщение, тем яснее проявляется структура странного аттрактора;
предложенная поправка к уравнению тепловой коагуляции теоретически обосновывает влияние на скорость коагуляции размера аэрозольных частиц.
Полученные результаты имитационного моделирования движения частиц аэрозоли при расширении газового потока в диффузоре позволили:
предложить критерии подобия изучаемого движения, построить диаграмму для расчета относительной скорости частица - поток газа;
показать, что движение аэрозольной частицы может быть, как детерминированным, так и хаотическим. Существует также переходная область, где, наряду с направленным движением, частица способна совершать хаотические колебания. Построена диаграмма, которая позволяет, предсказать характер движения частицы;
выявить существование спонтанной разно скоростной коагуляции, когда при достижении некоторого критического отношения размеров частиц возможен резкий рост скорости коагуляции.
Получены зависимости для расчета термодинамических параметров турбулентного смешения пара и газа, содержащего аэрозольные частицы. Это позволило определить оптимальные геометрические параметры камеры смешения и вычислить массу сконденсировавшихся паров. Из условия равновесия гетерогенной конденсации при расширении перенасыщенного парогазового потока, получено уравнение для расчета массы сконденсировавшихся паров в зависимости от входных параметров и геометрии диффузора. Показана применимость полученных зависимостей в широком диапазоне изменения параметров.
Доказана гипотеза о существовании в аппаратах циклонного типа упорядоченных парных вихрей, которые значительно снижают эффективность улавливания частиц аэрозоля. Предложено выражение для расчета интенсивности вихря в зависимости от осевой скорости потока газа. Имитационное моделирование движения частицы в закрученном потоке с учетом наличия упорядоченных парных вихрей в аппаратах центробежного типа позволило определить действительную их эффективность в зависимости от геометрии аппарата, плотности и вязкости газа, плотности частиц и их дисперсного состава.
Практическая значимость и реализация работы. Разработан аппарат конденсационного пылеулавливания, обеспечивающий эффективность улавливания аэрозолей размером 0,4-5 мкм, состоящий из камеры смешения, диффузора, где происходит укрупнение частиц за счет конденсации пара, и циклона с температурным градиентом, создаваемым в закрученном газовом потоке. Экспериментально изучено влияние градиента температуры в циклоне на эффективность улавливания дисперсной фазы. На основании проведенных исследований разработаны и прошли промышленные испытания установки: для отбора аэрозолей из атмосферы (Радиометрическая станция г.Зеленогорск), очистки выхлопных газов дизелей (машиностроительный завод «Звезда» г.Ленинград), очистки отходящих газов в производстве ферментов (Всесоюзный научно-исследовательский институт антибиотиков и ферментов гЛенинград).
Подробное рассмотрение предложенной модели движения газов в циклоне позволило разработать новую конструкцию аппарата вихревого типа с вторичным потоком чистого газа, в котором создаваемый вращающийся кольцевой поток чистого газа препятствует проскоку пылевых частиц через «опасные» зоны нисходящего потока газа. Промышленная эксплуатация такого типа аппаратов на Сланцевском цементном заводе (г.Сланцы Ленинградской обл.) и на заводе»Кулон»(г.С.-Петербург), показала отличные результаты и доказала целесообразность их использования.
Предложено использовать одігу из конструкций циклонного аппарата в качестве четвертой ступени запечного суспензионного теплообменника для очистки отходящих газов после обжиговой печи. Причем, вместо вторичного потока чистого газа в данном случае необходима подача паров во-
ды, так как это улучшает степень декарбонизации сырьевой муки, что позволяет значительно увеличить производительность действующих печей, работающих по сухому способу.
Апробация работы. Основные положеній диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Проблемы охраны труда» (Кишинев 1978), Всесоюзной научной конференции «Современные машины и аппараты химических производств» (Ташкент 1983), Всесоюзном научном семинаре «Применение аппаратов мокрого типа для очистки отходящих газов от твердых примесей» (Москва 1985), Всесоюзной конференции «Современные проблемы химической технологии» (Красноярск 1986), Международной конференции «Теория и практика процессов измельчения, разделения, смешения и уплотнения» (Одесса, 1998), научных семинарах кафедр: «Оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры» (Санкт-Петербург 1977-1986 годы), «Инженерного проектирования»(Санкт-Петербург 1987-1996годы) и «Машины и аппараты химических производств» в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) (Санкт-Петербург 1997-1999 годы).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе монография и 5 авторских свидетельств, еще одна монография «Химико-технологические агрегаты конденсационного улавливания пыли» находится в печати (Издательство С.-Петербургского университета, 320с.)