Dissert-UsmanovaПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТКИ ГИДРОДИНАМИК. Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление аппарата Исследование влияния жидкой фазы Исследование влияния вращения ротора Выбор оптимального
 Скачать 5.14 Mb.
|
|
2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................... 5 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ….. 1.1 Состояние и перспективы развития газоочистного оборудования Методы повышения эффективности газоочистки Обзор известных конструкций газопромывателей с внутренней циркуляцией жидкости Проблемы расчета гидродинамики и сепарации многофазных сред Проблемы конструирования инерционных аппаратов с активной гидродинамикой……………………………........................ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................ ГЛАВА 2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ И РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗА В АППАРАТЕ Обзор математических моделей многофазных течений Моделирование в программном пакете Ansys CFX ................. 2.3 Визуализация и анализ результатов расчета Математическая модель движения дисперсных частиц в закрученном потоке Определение критической траектории частицы и верификация результатов расчета Оптимизация процесса сепарации............................................... ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2...................................................................... 23 23 26 35 41 44 48 49 51 51 55 64 76 91 97 102 ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЯ........................................................................ 3.1 Экспериментальные исследования и методика проведения эксперимента Анализ результатов эксперимента Исследование влияния режимно-конструктивных параметров аппарата на оптимальную скорость вращения завихрителя….......... 3.4 Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление аппарата Исследование влияния жидкой фазы Исследование влияния вращения ротора Выбор оптимального положения оросителя для подачи жидкости в аппарат Расчет критерия оптимального положение оросителя........... ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3........................................................................ 104 104 111 2 113 117 117 120 123 128 133 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСАЖДЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В РОТОКЛОНЕ.................................................................................... 4.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента Экспериментальные исследования эффективности улавливания различной пыли Математическое моделирование движения дисперсных частиц в лопатках импеллера.......................................................................... 4.4 Вывод уравнения движения частиц в ротоклоне........................ 4.5 Аэродинамическое профилирование лопаток импеллера........ 4.6 Экспериментальные исследования и расчет граничных концентраций орошающей жидкости................................................. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4....................................................................... 135 135 142 148 151 155 158 169 ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ПРОЦЕССОВ СЕПАРАЦИИ В БАРБОТАЖНО-ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ Современные методы интенсификации вихревой сепарации Аэродинамика вихревых аппаратов Закономерности движения газа и жидкости Факторы, влияющие на аэродинамическую структуру потока Экспериментальное исследование влияния режимно- конструктивных параметров на степень очистки газа и гидравлическое сопротивление Влияние эффекта коагуляции на процесс осаждения частиц пыли Коагуляция монодисперсных сферических частиц Осаждение частиц на каплях при распылении жидкости……... ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.......................................................................... 171 171 180 181 183 188 206 210 ГЛАВА 6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ, РАСЧЕТУ И ПРОМЫШЛЕННОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЯ....................................... 6.1. Гидродинамические задачи проектирования газоочистных сооружений ……………………………………………………..….…… 6.2 Основы выбора проектных решений Особенности проектирования мокрых газоочистных аппаратов Рекомендации по проектированию, расчету и промышленному использованию динамического газопромывателя…………………….. 6.5 Очистка газов от пыли в промышленности Технико-экологическое обоснование выбора системы газоочистки ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6............................................................................ 220 220 221 226 229 238 246 250 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………… СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 5 ВЕДЕНИЕ Интенсификация технологических процессов привела в настоящее время к существенному ухудшению экологической обстановки. Наиболее остро стоит проблема загрязнения воздушного бассейна газовыми выбросами промышленных предприятий. Решение проблемы защиты атмосферы базируется на внедрении малоотходных или замкнутых технологий, однако в данное время эти направления еще не получили достаточного развития, и задача разработки эффективного оборудования для очистки газовых выбросов промышленных предприятий является актуальной. В химической промышленности и смежных с ней отраслях производства используются газоочистные аппараты с закрученным движением дисперсной среды, эффективность которых полностью определяется гидродинамическим совершенствованием процесса сепарации. Из современных газоочистных аппаратов наиболее распространены циклоны, скрубберы, вихревые аппараты, которые различаются способом организации закрученных течений или конструкцией узла разделения фаз. Основными недостатками известных устройств являются низкая эффективность улавливания тонкодисперсных частиц, вторичный унос дисперсной фазы, высокое гидравлическое сопротивление, склонность к залипанию пыли. Указанные недостатки обусловливают поиск новых оригинальных конструктивно-схемных и технологических решений для перехода к современным газопромывателям нового поколения, в которых низкие энергетические затраты на газоочистку, эксплуатационная надежность и простота конструктивного оформления, сочетаются с высокой эффективностью процесса сепарации дисперсных частиц. Наиболее простыми эффективным способом очистки промышленных газов от дисперсных примесей является мокрый способ очистки, получивший в настоящее время значительное развитие в отечественной и зарубежной промышленности. Мокрый способ применяется для тонкой очистки газов, при которой реализуется процесс взаимодействия потоков газа с пленкой или каплями орошающей жидкости. Эффективность сепарации определяется запыленностью газа, размерами улавливаемых частиц, скоростью газового потока и удельным расходом жидкости. Мокрая очистка применяется в случае технологической допустимости увлажнения и охлаждения газа, в частности, для подготовки и предварительной очистки газа перед подачей его в газоочистные устройства другого типа, например, в сухие (электрофильтры, рукавные фильтры, а также когда отсепарированные из газа частицы не представляют ценности. Целесообразно проводить мокрую очистку при условии создания частичной рециркуляции, либо замкнутого цикла орошения, с применением в качестве орошающей жидкости оборотной воды, а также в том случае, когда сухие методы очистки по тем или иным причинам недопустимы. К недостаткам мокрых пылеуловителей можно отнести потери жидкости с брызгоуносом; плохие условия для рассеивания в атмосфере влажного очищенного газа, содержащего агрессивные компоненты необходимость в обработке и удалении значительного количества стоков и шламов; высокие энергозатраты; технологическая необходимость использования антикоррозийных конструкционных материалов для изготовления аппаратуры. Указанные недостатки могут быть компенсированы путем разработки высокоэффективных аппаратов с относительно низким потреблением энергии, повышением степени сепарации газовых и жидких фаз, использованием загрязненной орошающей жидкости для рециркуляции и т.д. Несмотря на обширный теоретический и экспериментальный материал по исследованию процессов сепарации, накопленный применительно к инерционным аппаратам с активной гидродинамикой, ряд наблюдаемых в них явлений не может быть объяснен в рамках сложившихся представлений, а проблема повышения их эффективности остается острой. Одной из причин ограниченного использования таких газоочистителей является отсутствие достоверного метода расчета гидрогазодинамики и происходящих в них процессов и недостаточная изученность процесса масштабного перехода от лабораторной модели к производственным установкам. Сложность общей гидродинамической картины сепарации многофазных потоков, а также взаимодействие этих потоков между собой обуславливает трудности ее математического описания. Этим объясняется необходимость исследования влияния режимных и конструктивных параметров на эффективность процесса газоочистки с параллельным изучением вклада отдельных элементов для более детального понимания физического механизма центробежной интенсификации. Несмотря на эти недостатки, мокрые газоочистные аппараты могут с успехом применяются в химической, нефтеперерабатывающей, газовой промышленности, черной и цветной металлургии, энергетике и других отраслях промышленности. Степень разработанности темы. Конструктивные решения известных газоочистных аппаратов в большинстве своем разрабатывались десятки лет назад, когда отсутствовали эффективные инструменты для реального мониторинга аэрогидродинамической обстановки в них. Значительный вклад в развитие теории и техники процесса газоочистки внесли отечественные ученые: П.А. Коузов, АИ. Пирумов, В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Е.П. Теверовский, С.Б. Старк, МИ. Шиляев, А.Я. Тарат, И.Н. Мухленов, В.С. Швыдкий, В.Т. Стефаненко, среди зарубежных исследований поданной тематике можно отметить работы В. Страуса, ГМ. Инглунда, С. Калверта и Н. Сайреда. С единой точки зрения исследователей существуют недостатки, преодолеть которые необходимо в ближайшие годы. Недостаточность номенклатуры газоочистительного оборудования и ее отставание от растущих мощностей промышленности. Невысокая точность расчетной базы, основанной на использовании эмпирических вероятностных функций. 3. Отсутствие научно-обоснованных критериев для проектирования газоочистительных сооружений с числом ступеней очистки две и более. По указанной причине при проектировании таких сооружений большую роль играет эвристический фактор. Недостоверный подход для прогнозирования ущерба, связанного с выбросами в окружающую среду и, соответственно, с определением экономического эффекта от ликвидации этого ущерба. В настоящее время произошли значительные изменения в области математического моделирования, связанные с применением вычислительных технологий и пакетов прикладных программ, что позволяет исследовать аэрогидродинамические характеристики аппаратов еще на стадии разработки и проектирования. Необходимость создания методологических основ повышения эффективности процесса газоочистки, базирующихся начисленном анализе влияния геометрических и режимных параметров на степень улавливания пыли и реализуемых в высокоэффективных газоочистных аппаратах, с применением новых схем компоновки газоочистных установок, определяют актуальность данного исследования. Затронутые выше вопросы рассмотрены в диссертации для газоочистных аппаратов различных принципов действия ротационного, ударно-инерционного и центробежного. Каждому виду газопромывателей дана оценка сточки зрения оптимизации гидродинамических условий его работы, что позволит обоснованно подойти к выбору нужной компоновочной схемы при проектировании установок газоочистки. Цель работы. Повышение эффективности газоочистки на основе теоретических и экспериментальных исследований закономерностей изменения гидродинамических характеристик инерционных аппаратов с активной гидродинамикой, разработки методик их расчета и рекомендаций по проектированию и созданию новых конструкций. Задачи исследования. Разработать научно-обоснованный обобщенный метод прогнозирования эффективности газоочистки на основе анализа гидродинамики газодисперсных потоков в различных зонах газопромывателя, с оценкой вклада отдельных составляющих на основные показатели работы аппарата. Определить основные критерии подобия, моделирующие работу широкого класса газоочистных аппаратов. Исследовать движение частиц в закрученном потоке и получить качественную картину распределения составляющих скорости газа по сечению аппарата. Разработать численный алгоритм для расчета движения 9 газодисперсных потоков при различных режимах течения газовзвеси в рабочей зоне аппарата. Определить оптимальные режимы течения движущейся в поле центробежных сил среды в зависимости от интенсивности закрутки потока. Предложить варианты конструктивного оформления лопастного завихрителя, позволяющего реализовать эти режимы. Произвести сопоставление эффективности газоочистки, полученной путем обобщенного расчетного метода прогнозирования и прямого эксперимента. Экспериментально установить оптимальные гидродинамические условия центробежной сепарации и разработать рекомендации по подбору соответствующих им конструктивно-схемных решений отдельных узлов аппарата, которые позволят значительно повысить эффективность газоочистки. 5. Исследовать процесс гидродинамического взаимодействия фаз в аппаратах ударно-инерционного действия. Разработать методику инженерного расчета, учитывающую вязкость орошающей жидкости и структуру течения потока, определяемую профилем лопаток импеллера. Выявить возможные пути повышения эффективности газоочистки при минимальных энергозатратах. Исследовать рабочие процессы в аппаратах барботажно-вихревого типа, выявить закономерности изменения гидравлического сопротивления и фракционной эффективности очистки газа от технологических параметров. Разработать перспективные конструктивно-схемные решения и сопоставить сепарационные возможности новых аппаратов. Разработать рекомендации по совершенствованию конструктивно-схемных решений системы газоочистки и внедрить наиболее эффективные научно- технические разработки для проектирования газоочистных систем на промышленных предприятиях, а также оценить их технико-экологическую эффективность. Научная новизна. Впервые разработаны методологические основы повышения эффективности процесса газоочистки, в основе которых лежит универсальный детерминированный подход, отличающийся тем, что в нём учитывается безразмерный комплекс Ф (фактор сепарации, связывающий критерии геометрического подобия С г , и С р , и включающий оценку критической траектории движения частицы. Установлена однозначность влияния на вторичный унос пыли критериев геометрического подобия С г , и С р , определяющих конструктивные и режимные параметры аппарата. Разработанный подход дает возможность с приемлемой погрешностью, не превышающей 10%, оценить эффективность газоочистки при отсутствии сведений о дисперсном составе пыли. Разработана модель течения газодисперсной среды, отражающая основные особенности закрученного движения фаз в характерной гидродинамической зоне аппарата и позволяющая рассчитать распределение всех компонент скорости, U' r , х, отличающаяся тем, что в ней впервые учитывается влияние характера падения крутки на интенсивность обратных токов. Реализован метод целенаправленной интенсификации турбулентности движущейся в поле центробежных сил среды, отличающийся тем, что основой управления турбулентностью является формирование области интенсивной закрутки, где ключевым параметром выступает угловая скорость вращения завихрителя ω опт , при которой отсутствует вторичный унос пыли. На его основе впервые выполнен анализ и оптимизация скорости и направления вращения лопаток завихрителя с учетом конструктивных параметров газопромывателя. 4. Разработан новый метод определения гидравлического сопротивления газопромывателя, отличающийся тем, что в нём учитывается сумма перепада давлений на транспорт жидкой фазы и на принудительную закрутку потока с учетом количества и направления вращения лопастей завихрителя. В отличие от существующих методов разработанный метод позволяет с приемлемой погрешностью, не превышающей 15%, рассчитывать гидродинамические характеристики газопромывателя. 5. Разработан и реализован метод моделирования структуры течения потока в аппаратах ударно-инерционного действия, особенностью которого является аэродинамическое профилирование лопаток импеллера, позволяющее устранить отрыв потока на кромках и повысить эффективность газоочистки на 30% по сравнению с прямыми лопатками при минимальных энергозатратах Сформулирован новый подход к определению граничной степени рециркуляции орошающей жидкости, в основе которого лежит гипотеза об обновлении межфазной поверхности, при этом показано, что снижение эффективности улавливания мелкодисперсных частиц обусловлено ростом вязкости орошающей жидкости. Предложена модель для расчета процесса пылеулавливания в барботажно- вихревом аппарате, особенностью которой является исследования закономерностей изменения гидравлического сопротивления и фракционной эффективности очистки газа от геометрических параметров завихрителя. Сформулирован новый подход к определению сепарационных возможностей завихрителей различных типов, при этом установлено, что подбором соответствующего угла наклона лопастей и интенсивности крутки можно получить практически любые размеры зоны рециркуляции вплоть до ее полного устранения. Новизна технических решений подтверждена патентами РФ. Практическая значимость работы определяется следующими положениями. Решена важная народнохозяйственная задача создания высокоэффективных и экологически надежных инерционных аппаратов с активной гидродинамикой за счет разработки теоретической и экспериментальной методики, инженерных и практичееких рекомендаций по интенсификации процесса газоочистки. Разработана научно обоснованная методология повышения эффективности процесса газоочистки путем совершенствования гидродинамической обстановки с учетом режимно-конструктивных параметров аппарата. Предложены критерии оценки аппаратов сточки зрения теории геометрического подобия с последующим определением критических траекторий движения частиц. Установлены зависимости, позволяющие на стадии проектирования провести подбор оптимальных геометрических и режимных параметров газоочистных установок с учетом целенаправленного использования фактора сепарации. Методология применима в широком диапазоне геометрических и режимных параметров аппаратов и может быть использована для расчета газопромывателей различного технологического назначения. На основе предложенной методологии разработаны рекомендации по комплексной очистке газовых выбросов в промышленности, включающие в себя разработку систем газоочистки, оценку газоочистных сооружений, позволяющую провести сравнительный анализ конкурирующих систем уже на стадии проектирования, а также учесть затраты на эколого-экономическую безопасность процесса. Разработаны и реализованы на ЭВМ инженерные методики расчета газоочистных аппаратов, которые позволяют решать задачу расчета технологических параметров газоочистной установки и задачу выбора компоновочной схемы газоочистки для конкретного производства. Разработан широкий модернизированный ряд аппаратов для мокрой очистки газовых выбросов, позволяющих на порядок уменьшить расход жидкости на орошение газа при высокой эффективности процесса сепарации, новизну которых подтверждают патенты на изобретения. Разработаны, опробованы и внедрены схемы очистки газовых выбросов с реализацией наиболее перспективных газоочистных аппаратов в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. |