Введение к работе
Актуальность темы.Заци'п окружающей среды от промышленных выбросов стала одноЯ из приоритетных задач современной науки и техники. Для решения этой проблеми раз'-работаны различные і л>ды очистки газовых потоков от взведенных дисперсных частиц, среди которых наиболее экономичными являются методы сухой очистки. Из пылеуловителе?, основанных на этом принципе очистки, наиболее эффективными являются вихревые аппараты, в том числе и аппарата со встречными закрученными потоками (ВЗП). Опыт промышленной эксплуатации аппаратов ВЗІІ показал, что к числу достоинств аппаратов этого типа следует отнести не только более высокую эффективность пылеулавливания, чем у аппаратов аналогичного типа, например циклонов, но и возможность использования ВЗП в качестве аппаратов многофункционального типа, таких как: классификаторы, сушилки безуносного типа, аппараты с кипящим слоем и т.д. Для определения эффективности использования аппаратов ВЗП в качестве основного технологического оборудования в тех или иных процессах, необходимо иметь детальное предстаг." =:ние о гидродинамической обстановке в рабочей зоне аппарата. Существующие методы исследования и, в частности, математические модели, лишь частично удовлетворяют этому требованию, оставляя многие важные вопросы невыясненными. В связи с этим для исследования гидродинамики как . вихревых, так и пне .ионных сепараторов была использована модель взаимопроникающих континуумов, позе:_г".;;цая получить значение любого параметра в любой точке аппарата. Исследования последних лет в области вычислительной математики показали, что наиболее эффективным методом для решения уравнений механики дисперсных систем является метод крупных частиц.
Алгоритмы решения задач, основанные на использовании этого метода, позволяют изучать не только фундаментальные проблемы химической технологии, но и получать ряд важных
2.
прикладных результатов, таких как:оптимиз»ция конструкций сепараторов, определение вффекгииности пылеулавливания для различных значений режимных г.ар^метроэ и т.д.
Разработка различных модификаций метода крупных частиц иксіЄт не только оольиое прикладное значение, но и позволяет глубже изучить такие вопроси, как аппроксимация, сходимость к устойчивость численных схем.
Проблема очистки гызоы-'х выбросов о? мелкодисперсной присси (диаметр ча стш, или капель менее I мкм) является одной из актуальных в газоочзта'ке и даьно выдвинута на первый план экспериментальных и теоретических исследований. Однюі из наиболее перспективных Методов повышения эффективности пылеулавливание мелкодисперсных частиц является мокрая очистка. Этот метод является более сложный и дорогостоящим по сравнению с сухой очисткой, но и более елективним для улавливания мелких частиц. Для него характерны сложные массообкенные процессы в ходе Езаишдействия газодисперсного потока с каплями ороша-іцей жидкости, в результате чего изменяются скорости'и концентрации фаз, определяющие газоочистку. В силу большого числа дей'^твуїоцих факторов возможности физического моделирования здесь ограничены, поэтому создание гидродинамической модели лроч.сса и исследование на ее основе механизма и основных закономерностей процесса актуально и открывает широкие возможности направленного воздействия на сепарацию и совершенствование технологии метода.
Целью работы являлось теоретическое исследование
процесса сепарациа дисперсных частиц в пылеуловителях вихревого и инерционного типа, что включало в сеоя:
-
Построение теории, описывающей дьижение газодисперсных лотокоп в сепараторах вихревого и инерционного типа;
-
Разработку методов расчета сепарации твердых или жидких частиц в пылеуловителях вихревого и инерционного типа;
3)Определение оптимальных конструктивных и режимных параметров аппаратов со встречными закрученными потоками; 4) Создание математической модели процесса сепарации
3.
твердых частиц в мокрых ылеуловптолях типа скруббера Зентури.
Последняя чліть {.-иСлты связана с предыдущей тем, что в обоих случаях:
-
процессы исследуются с единых- позиции механики многофазных сред; .
-
осногные особенности процессов разделения в гетерогенных потоках раскрыты путем анализа газодинамической структуры т 'ения з сепараторах;
3} определяющее влияние на процессы сепарации оказывает
ыежфазное bsv.kmoдействие.
Научная ксниана работы заключается з постановке н реаении ряда норых ванных еадач, разработке методов расчета движения гетерогенных потоков а областях сдояноЬ форьы при наличии интенсивного тифозного взаимодействия, соадании конструкций аппаратов со встречными закрученными потоками с поименной эффективность» пылеулавливания.
В работе впервые представл ;ы и решены следующие задачи:
о взаимодействии двухфазных закрученных потоков в вихревых пылеуловителях при больших содержаниях дисперсной фазы на входе в аппарат;
о взаимодействии газодисперсного потока с торцом полубесконечного цилиндра;
о движении дис;;ерснкх потоков в областях с произвольными границами.
Впервые дано теоретическое обоснование снижения эффективности гшлеулаэливения в вихревых пылеуловителях ^ ростом кон- центрацки частиц во хедных сечениях сепаратора. Выявлено наличие принципиально различных режимов течения в аппаратах ВЗП в зависимости от разных значений определяющих параметров, что позволяет использовать вихревые пылеуловители в качестве аппаратов многофункционального типа.
Еа основе метода крупных частиц разработан численный алгоритм, позволяющий рассчитывать широкий класс сепараторов как , для малых, гак и для больших скоростей несущей фазы. С использованием метода дифференциальных приближений доказано, что по-
4.
лученный вычислительный алгоритм устойчив для скоростей, характерных для ?яда аппаратов химической технологии.
Для аппаратов со встречными закрученными Потоками и калю-зийных кшілеуловнтелей разработала Методика инженерного расчета, связывающая объективность пыле- и каллеуландииония со всеми основными определяющими параметрами. Ъ^ерние выявлено влияние дисперсных включений на структуру потока о гофрированных каналах, в частности получено, чти:
"^ эффективность канлеулавливания в іілогких «алвзях выше, чем в осесимметричных;
2) наличие большого количества включений приводит к спрямлению потока, что значительно снижает эффективность использования жалюэийшх сепараторов.
Для сепараторов мокрой очистки разработана математическая модель и метод расчета, позволявшие учитывать влияние большого числа факторов ь комплексе: з а, ді лени ость газового потока в приемной камере скруббера Вентури, интенсивность обмена иы-нульсом и массой между частицами твердой фааы и каплями оро-шаицей жидкости, дисперсный состав жидкой и твердой фазы. На основе численного моделирования проанализировано влияние основных технологических параметров, характеризующих процесс села ции в скрубберах Вентури. Получены оптимальные значения дисперсного состава и объемного расхода орошамцей жидкости, увеличивающие эффективность пылеулавливания в скоростных газопромывателях.
Практическая ценность работы состоит в создании методологии исследования процессов разделения в гаэодясиврсных средах и применении полученных результатов для ^>^^ШШ:ШЩШЩЫ вихревого и инерционного типа. Так, например, анализ распре- . деления концентрации частиц вдоль боковой поверхности аппаратов со встречными закрученными потоками позволил усовершенствовать конструкцию бункера для сбора уловленной пыли. Результаты исследования движения газокапельных потоков в жалюэях позволили не только расширить представление о физических процессах, цротекащцих в них, но и выбрать оптимальные геометри-
j.
ческне рздмеры курированных каналов. Разработагаде методы расчета скрубберов Вентурл лоэюляют оптиг'жзиров^.ть расходные характеристики ар^іащей жидкости, подаваемой в конфуэориую часть сепараторе.
В процесс выполнения pf-Soru автор сотрудничал со специалистами из различных «кад'.'м/часних » отраслевых институтов и, в частности, с Вычислительный центром АН СССР и ВНШАЭС. Результата этого сотрудни-іастБ* явилось создание пакетов .. л'лцдных программ, внедренных в ряде институтов, подтэерж-денное соответствующими дзкумеуітами. По ссноыйл! техническим реаения:*, напр&ьленным на модификаций конструкцій дихрзвых и инерционных Ссиараторо.и, получено 2'авторских сэчцетелл :гьа. Усовершенствованные конструкции вихревых пылеулоейгелей внедрены на различных промышленных предприятиях, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Результаты, полученные в диссертации, отражены а монографии академика РАН Р.И.Нигматулина. результаты работы продолжают развиваться s трудах многих ученых, о чем саид&тельсїяу-ют ссылки на труды автор*.
Апробация работы.Основные положения и результаты хлбгты докладывались и получил;' положительную сценку на Ш Всесоюсной научной конференции "П'Аромеханические процессы разделения гзтерогеш*х систем" (Тйй >в, 1991 г.), Щ и У Всесоюзных семинарах "Современные проблеми механики жидкаоти и газа" (Грозный, 19со г.; Iip;vyrCK, 1990 г.), Всесоюзной научно-практической конферосциь "Пути интенсификации производстве с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торгоЕле и на транспорте" (Одесса, 1989 г.), Республиканской конференция по механике жидкости и газа (Ташкент,1989 г.), УІ Всесоюзной научно-технической конференции Минхиммаша СССР (Ленинград, 1988 г.), ІУ Всесоюзного совещания " Современные проблеми аэрогидродинамики" (Хд'*иоа, 1383 г.), Всесоюзных конференциях "Метод крупных частиц: теория и приложения" (Москва, 1986 г., 1908 г., 1992 г.), Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1908 г.), У Всесозноя конференции "Лоро-
6,
золи и их приметшие в народном хозяйстве" (Юрмала, IS87 г.), Областном научно-техническом семинаре "Совершенствование к автоматизация технологии утилизации отходов, очистки сточімх вод и газовых выбросов химических производств" (Черкассы, 1987 г.). У1 Всесоюзном съезде по теоретической и прикладкой механике (Ташкент, 1986 г,)» Всесоюзном научно-техническом семинаре "Унификация, перспективы разработки и осьоения сухих "члеуловителей-циклонов" (Ыосква, 1986 г.), Всесоюзной конференции "Процессы и аппараты для микробиологических производств" (Грозный, 1966 г.), Итоговой научно-практической конференции "UD - Главыикробиопром" (Москва, 1986 г.), У Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и теплообмена я пути повьпеьпя эффективности энергетических установок" (F 'Рва. 1965 г.). Ш Всесоюзной научной конференции " Современные машины и аппараты химических производсті" (Ташкент, 1983 г.). Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидродкнамлчо процессов кипения и конденсации" (Рига, 1982 г.)і а такяе на научно-технических конференциях, проводимых в МИХМе (Москва, 1985 г., 1987 г., 1989 г.).Результаты реSoты обсута>.ались на семинарах академиков A.M. Кутепова, Р.Н.Кигматулина.Г.й.Петрова, проф. А.Н.Ыг-рстюка.
Структура и об-ьем работы.Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения; содержит 339 стр., включая 9*1 стр. с рисунками н 31 стр. списка литературы. В работе 9М рисунка и AfO библиографических ссылок.