Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Конструкции сепараторов для отделения твердых и жидких частиц от газа 9
1.2. Центробежные сепараторы
1.2.1. Исследования центробежных сепараторов 14
1.2.2. Методы расчета процесса центробежного сепарирования 24
1.3. Выводы и постановка задач исследования 33
Глава 2. Анализ работы центробежных сепараторов 35
2.1. Прямоточные центробежные сепараторы 38
2.2. Противоточные центробежные сепараторы 43
2.3. Вихревые сепараторы .51
2.4. Аппараты с сепарацией в винтовом канале 57
Глава 3. Математическое моделирование процесса центробежной сепарации 74
3.1. Моделирование профилей скорости потока на входе в сепарационную камеру 74
3.2. Математическое моделирование процесса прямоточной центробежной сепарации 84
3.3. Расчет полей скоростей потока в центробежных сепараторах различной конфигурации .89
Глава 4. Экспериментальное исследование прямоточного центробежного разделения двухфазных систем 95
4.1. Описание экспериментальной установки и методики измерения 95
4.1.1. Методика измерения полей скоростей потока 98
4.1.2. Методика определения движения взвешенной фазы 107
4.2. Результаты исследований 110
Глава 5. Практическая реализация работы 119
5.1. Методика расчета процесса прямоточного центробежного разделения двухфазных систем 119
5.2. Расчет проектируемого центробежного аппарата
Основные результаты и выводы 127
Литература
- Центробежные сепараторы
- Противоточные центробежные сепараторы
- Математическое моделирование процесса прямоточной центробежной сепарации
- Методика определения движения взвешенной фазы
Центробежные сепараторы
В работах /36,37,72/ показано, что в качестве оценки оптимальных аэродинамических условий в высокоэффективном циклонном аппарате можно использовать коэффициент сопротивления рм = 2Арп I ра1 (здесь Арп - перепад давления в аппарате); р - плотность среды; а т - максимальное значение тангенциальной скорости (о9, определяющей его аэродинамическое совершенство по затратам энергии на достижение заданного уровня сор. Чем меньше pffl, тем выше аэродинамическое качество аппарата. Методика расчета и со9т изложена в работах /36, 72/. Выбор оптимальных значений dBbK - диаметра выходного канала, отвечающего за аэродинамическую эффективность сепараторов, соответствующих д 9т lddebtx - О, осуществляется по формуле /37/: dZl = 0.261-0ЛШ/вых + ,0347(/ет-0,14)2+0,475/и (1.6) В работе /65/ исследованы центробежные сепараторы, рассмотрено формирование капель в потоке, осаждение их в циклонной камере, движение пленки жидкости, причины возникновения вторичного уноса и способы снижения его интенсивности, а также некоторые вопросы моделирования процесса разделения газожидкостной смеси и расчета сепаратора.
Так, выявлено, что степень разделения газожидкостной смеси в прямоточных циклонных сепараторах в основном зависит от параметра осаждения S , который характеризует отношение силы вязкого сопротивления газа к силе инерции капли, и содержания жидкости в смеси. Проведены экспериментальные испытания на полупромышленной модели сепаратора KB 25004 с циклонной камерой Бщ =147 мм. Исследования проводили на водовоздушной смеси при комнатной температуре, давлении 6 атм. (0,06 МПа) и смеси жидкого азота с холодным воздухом при давлении 2 атм. (0,02 Мпа) Установлено, что при параметре осаждения S = 2 13.5 и содержании жидкости в смеси gH lj6 кг/кг, количество неотсепарированнои жидкости: g = 6.5-lQ-5S2gH (1.7) Степень разделения газожидкостной смеси: Tj = g" gu =1-6,5-КГ5,?2, (1.8) где gH масса жидкости в газе на входе в сепаратор, отнесенный к одному кг газа; gu масса жидкости, попавшей в результате вторичного уноса. При S= 13,5 степень разделения смеси превышает 98,8 %.
В работах В.Г. Систера /81, 84, 85, 88/ исследованы изменения гидродинамических и физических параметров режима течения пленки жидкости в условиях нисходящего закрученного прямотока. В работах /85, 88/ установлено влияние различных параметров на режимы течения пленки и определены границы возникновения вторичного уноса. Получены новые критериальные уравнения, позволяющие определить критические параметры движения газа и пленки жидкости, при которых происходит нарушение гидродинамической устойчивости пленки и возникает вторичный унос.
Экспериментально определены профили скорости и пульсаций компонент скорости в винтовом канале с непроницаемой внешней стенкой и с отсосом газовой фазы на внешней стенке канала, исследовано влияние скорости газовой фазы на эффективность сепарации и трансформацию дисперсного состава капельной жидкости в винтовом канале /89/.
Так, при исследовании гидродинамической устойчивости 2 рода нисходящего течения пленки жидкости в винтовом канале (под нарушением гидродинамической устойчивости понимается нарушение сплошной поверхности пленки жидкости, т. е. появление вторичного уноса) опыты проводили при атмосферном давлении на 76 центробежных элементах, отличающихся геометрическими характеристиками. Диаметр элементов изменялся от 0,1 до 0,19 м, угол наклона винтовой линии от 8 до 60, ширина винтового канала от 5 до 40 мм. В результате применения различных жидкостей (в качестве рабочего раствора) динамическая вязкость варьировала более чем в 9 раз, поверхностное натяжение в 2,7 раза. Скорость газа изменялась от 10 до 120 м/с (Rer = 6,7-10 - 8,0-104). Установлено, что помимо влияния чисел Рейнольдса газа Rer и жидкости Б1еж на появление уноса существенным образом влияет поле центробежных сил. Получены уравнения (1.9 - 1.10) для нахождения критических значений критериев Рейнольдса газа и жидкости, соответствующих наступлению уноса жидкости с поверхности пленки: Re =0a71Gfl0 [V 11(l0,22 + fea)-2t-6-104 a)2-43)Rier-3,7-104)] (1.9) Re p= 3700-1,66-103 Re, 0,171Ga ш-КР (іО,22 + аУ ) :(tga)-2Ai (1.10)
Отмечено, что в зависимости от условий эксперимента возникает три типа волн, отличающихся масштабом возмущений, характеризующихся величиной относительной амплитуды (З (р - отношение высоты волны к средней толщине пленки) - мелкие волны (Р = 0,1 - 0,15), крупные волны (Р = 0,35 - 0,4) и поверхностные волны (Р = 0,55 - 0,65).
Также проводили исследования движения газовзвеси на моделях винтового канала квадратного поперечного сечения размером ахЬ, равным 30x30 и 50x50 мм с шагом винтовой линии 76 мм. Радиус кривизны внешней стенки канала R2 составлял 130 мм, угол поворота в горизонтальной плоскости ф = 360. Внешняя стенка перфорирована отверстиями диаметром 2 мм. Свободное сечение отверстий - 3 %. Эксперименты проводили на системе воздух - вода.
Противоточные центробежные сепараторы
Класс 2 с поворотом потока. Рассмотрим общепринятую схему движения газового потока в сепараторах данного класса. Газовый поток со взвешенной фазой (жидкость или твердое) с большой скоростью по касательной поступает в цилиндрическую часть корпуса циклона и совершает движение по нисходящей спирали вначале в кольцевом пространстве между корпусом и выхлопной трубой и продолжает это движение в конической части корпуса, делая несколько витков.
Под действием центробежной силы, возникающей при вращательном движении потока, пылевые частицы перемещаются радиально к стенкам циклона. Частицы отделяются от воздуха, как правило, при переходе потока в восходящей, что происходит в конической части корпуса. Поток, продолжая движение в корпусе циклона, поворачивая на 180, образуя внутренний вращающий вихрь, входит в выхлопную трубу и, совершая в ней движение по восходящей спирали, выходит из циклона. Частицы, выделившиеся из потока, поступают через выпускное отверстие в бункер.
На рис. 2.7 показаны наиболее известные конструкции сепараторов с поворотом потока /66/. Такие сепараторы применяются в качестве отделителей жидкой и твердой фаз. Некоторые модификации сепараторов (рис.. 2.7, б - д) используются в качестве влаго - и маслоотделителей /23/, а (рис.2.7, е) - для очистки природного газа от влаги и пыли /41/. При скорости газа UBX = 10-20 м/с сепараторы обеспечивают отделение 90-98 % жидкости. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к резкому снижению степени разделения смеси из-за интенсивного вторичного уноса жидкости.
Анализ данных ряда исследований показывает, что в циклонах с поворотом потока вторичный унос жидкости возникает при "проскоке" в центральную трубу пленки жидкости, увлекаемой потоком газа и в результате уноса жидкости ядром вихря. "Проскок" пленки происходит в верхней части циклонной камеры под воздействием вторичных центростремительных токов газа. Унос жидкости ядром вихря возникает в случае захвата жидкости из сборника восходящими токами газа в центре циклонной камеры.
К классу 2.1. (без вставок) следует отнести сепараторы на рис. 2.7 б -в, в которых для уменьшения уноса жидкости ядром вихря сборник отделен от циклонной камеры пористой перегородкой. Проведенные во ВНИИкриогенмаше исследования показали, что пористая перегородка из колец Рашига, прикрытых сверху диском с отверстиями 8-10 мм, над которым установлен сплошной диск меньшего диаметра (см. рис. 2.7 б), позволяет полностью предотвратить унос жидкости ядром вихря.
Также, к классу 2.1. относятся циклонные вертикальные сепараторы с тангенциальным вводом потока в верхнюю часть корпуса высокого давления /97/ (рис. 2.6). Газожидкостная смесь при входе в сепаратор приобретает вращательное движение, в результате чего жидкость под действием центробежных сил отбрасывается на стенку сепаратора и в виде пленки стекает в сборник аппарата. Газ выходит вверх по оси аппарата через вытеснитель конической формы. Для предотвращения воздействия закрученного потока газа на отсепарированную жидкость в центральной части сепаратора установлены радиальные пластины с зазором у стенки сепаратора. Недостатком данной конструкции сепаратора является то, что при тангенциальном подводе потока при больших нагрузках по газу возможно попадание пленки жидкости на внутреннюю поверхность верхней крышки сепаратора, а с нее на поверхность вытеснителя, что приводит к уносу этой жидкости из аппарата. Кроме того, поворот газового потока на 180 в зоне разделения фаз способствует возникновению вторичных вихрей и уносу дисперсной фазы /88/.
Для уменьшения вторичного уноса жидкости из-за "проскока" пленки в аппаратах класса 2.3. (с ламиниризующими вставками) установлено на верхней крышке циклонной камеры сепаратора (рис. 2.7, в) кольцевое ребро, которое затрудняет движение пленки. Это позволило несколько снизить величину вторичного уноса. К классу 2.4. (с отсосом) следует отнести конструкции (рис 2.7, г, д). В сепараторе (рис. 2.7, д), разработанном Родериком и Хаеронсом, имеется устройство для отсоса пленки, которая поднимается вверх по стенке циклонной камеры. Максимальная степень разделения смеси в таком сепараторе 97%.
В сепараторе (рис. 2.7, е) для уменьшения уноса жидкости ядром вихря отвод жидкости производится через отверстия в стенке циклонной камеры.
К классу 2.4. относятся аппараты цилиндроконической формы (рис.2.7, а), ряд циклонов, разработанные в институте НИИОГаз, такие как ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24. Цифровое обозначение циклона соответствует углу наклона крышки аппарата и патрубка, подводящего запыленный поток. Например, циклон ЦН-11 предназначен для очистки воздуха (газов) от сухой неслипающейся неволокнистой пыли, образующейся в различных помольных и дробильных установках и при транспортировании сыпучих материалов.
Математическое моделирование процесса прямоточной центробежной сепарации
Далее процесс в аппаратах двух видов несколько отличается. В сопловом аппарате на запыленный поток воздействуют струи вторичного воздуха (газа), выходящие из сопел, расположенных тангенциально. Поток переходит во вращательное движение.
Отброшенные под воздействием центробежных сил к стенкам аппарата пылевые частицы захватываются спиральными потоками вторичного воздуха (газа) и вместе с ним движутся вниз в бункер. Здесь частицы пыли выделяются из потока, а очищенный воздух (газ) снова поступает на очистку.
В аппарате лопаточного типа вторичный воздух, отобранный с периферии очищенного потока, подается кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопатками. По основным показателям аппараты лопаточного типа оказались более эффективными.
Применяют следующие способы подведения к вихревому пылеуловителю воздуха, необходимого для закручивания обеспылеваемого потока: из окружающей среды, из очищенного потока, из запыленного потока. Первый вариант целесообразен, если очистке подвергается горячий газ, который необходимо охладить. Применяя второй вариант, можно несколько повысить эффективность очистки, так как для использования в качестве вторичного воздуха отбирают периферийную часть потока очищенного воздуха с наибольшим содержанием остаточной пыли. Третий вариант наиболее экономичен: производительность установки повышается на 40-65 % с сохранением эффективности очистки.
Наилучшие результаты по эффективности улавливания достигается при установке сопел, распыливающих вторичный газ, не менее чем в четыре ряда и под углом 30. В качестве оптимальной рекомендуется установка лопаток завихрителя под углом 30-40 при отношении диаметра завихрителя к диаметру аппарата 0,8-0,9 /3/. Эффективность вихревых пылеуловителей с увеличением диаметра аппарата падает. На эффективность очистки оказывает незначительное влияние изменение нагрузки (в пределах от 50 до 115 %) и содержание пыли в очищаемом газе - от 1 до 500 г/м . Аппарат может применяться для очистки газов с температурой до 700 С. В вихревых пылеуловителях не наблюдается износ внутренних стенок аппарата, что связано с особенностями его воздушного режима.
Достоинства вихревых пылеуловителей по сравнению с циклонами: 1) более высокая эффективность улавливания высоко дисперсной пыли; 2) отсутствие абразивного износа внутренних поверхностей аппарата; 3) возможность очистки газов с более высокой температурой за счет исцользования холодного вторичного воздуха; 4) возможность регулирования процесса сепарации пыли за счет изменения количества вторичного газа. Недостатки: 1) необходимость дополнительного дутьевого устройства; 2) повышение за счет вторичного газа общего объема газов, проходящих через аппарат (в случае использования атмосферного воздуха); 3) большая сложность аппарата в эксплуатации; 4) проскок мелкой дисперсной фазы.
Эффективность вихревых пылеуловителей при очистке воздуха (газа) от ряда пылей и пылевидных материалов, имеющих различный диаметр частиц, характеризуют следующие данные: Пыль или пылевидный Медианный диаметр Эфф( гктивность материал частиц, мкм пылеулавливания, % Синтетический порошок 4 98,0 Целлюлоза 6 96,5 Стиральный порошок 10 98,0 Карбонат кальция 11 99,0 Эпоксидная смола 22 98,0 Полиакрилнитрил 32 99,8 Известны отечественные конструкции вихревых пылеуловителей, например аппарат Киселева В.М., Соловьева В.И., Буханцева Г.В.
Примером лопаточного типа вихревого пылеуловителя могут служить сепараторы, описанные в работах /119, 120/. Рис. 2.11. Вихревой сепаратор /23/
Потоки газа с взвешенными твердыми или жидкими частицами подаются в аппарат по двум каналам (рис. 2.11). Первичный поток газа поступает через аксиальный завихритель 2 и закручивается в направлении против часовой стрелки. Вторичный поток газа подается в верхнюю часть сепаратора через тангенциальное сопло 3, при этом газ в корпусе 1 закручивается по часовой стрелке. Первый и второй поток подается со скоростью 25-32 м/с. Отношение объемного расхода первого потока ко второму равен 0,55-0,65. Вследствие движения по спирали потоков газа взвешенные частицы отбрасываются на боковые стенки корпуса 1, с которых стекают вниз (или смываются потоками воды). Образовавшаяся при этом шламовая вода выводится из аппарата через патрубок 6, а очищенный газ -через выхлопной патрубок. В аппарате образуется область между первичными и вторичными потоками, в которой скорость движения газа близка к нулю, в то же время энергия турбулентных пульсаций на порядок выше, чем в остальной части объема аппарата. При этом в этой области давление выше, чем в прилегающих областях, так как течение газа описывается интегралом Бернулли P/p-bU /2=const, где Р - давление, р -плотность газа, U - скорость газа ( при U = 0, давление Р - максимальное). В данном случае сдвигается фазовое равновесие. При этом чрезвычайно важно, что в этой области происходит интенсивное перемешивание турбулентными вихрями, что приводит к столкновению образующихся мелких капель между собой. В результате коалесценции размеры капель увеличиваются и капли легко сепарируются.
В результате возвратно-прямоточный сепаратор можно разделить на 6 зон по степени эффективности процесса сепарации: осевая область с незначительными центробежными силами; зона высоких скоростей (подкручивающая основной поток); зона укрупнения частиц (коагуляции или слипания, в зависимости от типа взвешенной фазы); зона сепарации; зона турбулентного слоя и область удаления частиц (рис.2.12).
Методика определения движения взвешенной фазы
В основу метода фотохромной визуализации (ФХВ) положено явление фотохромизма в жидких фотохромных растворах. В потоке фотохромной жидкости под действием лазерного излучения создаются цветовые метки. Фотоиндуцированная излучением в УФ-диапазоне окраска фотохромного раствора сохраняется некоторое время после его фотоактивации, в течение которого происходит регистрация метки специальной скоростной кинокамерой. По результатам скоростной киносъемки определяются гидродинамические характеристики потока.
Огромное значение при проведении экспериментов, основанных на применении метода фотохромной визуализации, имеет выбор фотохромного соединения, которое должно быть растворимым в возможно большем количестве нетоксичных и неагрессивных жидкостей; обладать высокой эффективностью фотоокрашивания при малых концентрациях в растворах; высокой светочувствительностью, позволяющей создавать окраску с достаточной оптической плотностью под действием излучения, которое может быть получено при использовании современных квантовых оптических генераторов, обладающих высокой мощностью и коротким импульсом.
В настоящее время известно большое количество органических и неорганических соединений, обладающих фотохромными свойствами. Однако большинство из них растворяются только в органических растворителях. Так, например, в работе /129/ использовали органические фотохромные вещества из класса нитробензилпроизводных, которые растворялись в керосине и этиловом спирте. Эти вещества обладают приемлемыми спектральными характеристиками фотоиндуцированной формы. Однако данные вещества недостаточно светочувствительны и полоса поглощения исходной формы находится в области коротких длин волн. Кроме того, растворы этих соединений при нормальной температуре характеризуются высокой константой скорости спонтанного обесцвечивания фотоиндуцированной формы, что делает время жизни фотоиндуцированной формы коротким /114/. Так, применение органических фотохромных веществ из класса нитробензил, в силу указанных причин, является нецелесообразным, а использование в качестве рабочего раствора органических соединений, таких как керосин, делает проведение эксперимента небезопасным.
Рис. 4.4. Фотохимическая реакция в индолиновом спиропиране под действием лазерного излучения Поскольку регистрация движения цветовых меток в жидкости осуществляется фотографическим способом, то наиболее целесообразным оказывается использование растворов прозрачных в исходном и окрашенном в фотоиндуцированном состоянии. Наиболее перспективным классом фотохромных соединений для гидродинамических исследований являются соединения из класса индолиновые спиропираны. Индолиновые спиропираны (СПП) под действием лазерного излучения переходят из одного состояния в другое (из бесцветного состояния в окрашенную форму) в результате фотохимической реакции (рис. 4.4.). Результатом такой фотохимической реакции в фотохромном растворе является появление цветовой метки за время 10" - 10 " с, а энергия активации составляет 0,9 Дж. Интенсивность перехода фотохромного раствора из исходной в фотоиндуцированную форму определяется энергией активирующего излучения. Количество энергии, необходимое для получения достаточной оптической плотности окрашенной метки, определяется светочувствительностью фотохромного соединения. Светочувствительность СПП, у которых под действием света происходит химическое изменение валентных связей, определяется энергией разрыва этих связей и составляет около 170 кДж/моль. Анализ возможности получения тонких с достаточной плотностью окрашенных цветовых меток в жидких фотохромных растворах показал, что наиболее эффективным для фотоокрашивания растворов фотохромных соединений является использование интенсивных лазерных источников фотоиндуцирующего излучения.
Для исследования структуры течения в гидроциклоне методом ФХВ использовалась лазерная установка, позволяющая формировать в потоке цветовые метки.
Экспериментальная лазерная установка включала два канала фотоактивации, канал регистрации, канал управления установкой и гидродинамический стенд. Схема каналов фотоактивации, регистрации и управления приведены на рис. 4.5, где 1,2 - рубиновые лазеры с преобразователем гармоник; 3, 5 -кварцевые призмы; 4 - сечение гидроканала; 6 - осветитель; 7 - тепловой фильтр; 8 - рассеивающий экран; 9 - самописец; 10 - генератор импульсов; 11 - источник временных сдвигов; 12 - пульт управления; 13 - цилиндрические кварцевые линзы; 14, 15, 16 -фотодиоды; 17 - кинокамера. Каналы фотоактивации 1,2 формируют УФ излучение и фокусируют его в исследуемый гидроканал. Для получения излучения в каналах фотоактивации использовались твердотельные оптические квантовые генераторы с активным элементом из синтетического рубина, помещенного в четырехламповый осветитель, который в свою очередь расположен в резонаторе, образованном плоскими глухими зеркалами и плоскими выходными зеркалами.
Для преобразования основного излучения во вторую гармонику с длиной волны 347 нм использовался нелинейный кристалл КДП. На выходе кристалла КДП устанавливался фильтр ФС-7, пропускающий УФ излучение и поглощающий рассеянный свет импульсных ламп лазера и основное излучение с длиной волны 694 нм. Контроль энергии излучения во второй гармонике излучения осуществлялся измерителем энергии типа ИМО-2, в который излучение попадает с помощью кварцевых пластин. Фокусировка УФ излучения в исследуемое сечение гидроканала осуществлялась с помощью. кварцевых линз, поворотных призм и диафрагм. При этом, учитывая, что исследования течения проводились в гидроканале диаметром 30-64 мм, энергия УФ излучения в каналах фотоактивации составляла 0,1-0,05 Дж, при длительности импульса (30-50)х10"9 с.
Канал регистрации производил фотосъемку движения фотоиндуцированных меток в потоке в различных сечениях с помощью скоростной кинокамеры. Для этих целей была произведена модернизация отечественной камеры РФК-5 , что позволило достигнуть скорости 100 кадров в секунду. Специальная серия экспериментов по подбору кинопленки для. регистрации цветовых меток, инициированных в модельном фотохромном растворе лазерным излучением, показала, что лучше всего для регистрации меток подходит черно-белая высококонтрастная пленка «Микрат-200». При этом пленка «Микрат-200» обрабатывалась в мелкозернистом проявителе КЦ-1, что обеспечивало высокий контраст окрашенной метки на пленке. Использование современных цветных пленок типа «Кодак», «AGFA» дает более высокий контраст цветовых меток, но значительно увеличивает стоимость исследований.
