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.
|
|
Рисунок 4.23 – Зависимость степени рециркуляции от концентрации пыли и объемного расхода рециркулирующей жидкости Предполагая, что вся пыль практически полностью улавливается на поверхности жидкости, можно записать уравнение баланса массы пыли как: r cir вх вых вх c Q c G c c G ) ( (4.28) где r вых вх c c c ) ( – предельная концентрация пыли, г/м 3 Тогда с учетом (4.28) формулу для расчета степени рециркуляции можно представить, как: r cir вх c Q c G r 1 (4.29) Таким образом, при известной граничной концентрации c r можно определить граничную степень рециркуляции орошающей жидкости, обеспечивающую стабильную эффективность пылеулавливания ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 1. Разработана новая конструкция ротоклона, позволяющего решить задачу эффективной сепарации пыли из газового потока. В представленном аппарате подвод воды к зонам контакта осуществляется в результате ее циркуляции внутри самого устройства. Экспериментально показано, что захват жидкости газовым потоком при последовательном прохождении лопаток импеллера является одной из определяющихся стадий гидродинамического процесса в ротоклоне. 3. Теоретически получены и подтверждены экспериментальными данными значения эффективности ударно-инерционного осаждения дисперсных частиц в ротоклоне. Полученные расчетные соотношения, позволяют оценить вклад как характеристик улавливаемой пыли (размера и плотности дисперсных частиц, таки режимных параметров, к основным из которых относится скорость газового потока при прохождении через лопатки импеллеров. 4. Превышение граничной концентрации суспензии, при которой она теряет свойства ньютоновской жидкости, вызывает снижение эффективности пылеулавливания. При известной граничной концентрации c r можно определить граничную степень рециркуляции орошающей жидкости, обеспечивающую стабильную эффективность пылеулавливания. На основе исследования работы пылеуловителя можно утверждать, что изменение вязкости орошаемой жидкости влияет на условия генерирования межфазной поверхности и, особенно, на интенсивность образования брызго-капельного слоя. Величина граничной концентрации зависит от физико-химических свойств системы жидкость – твердое тело и изменяется в широких пределах, от нуля до нескольких десятков процентов. Эта величина может быть в настоящее время определена только лабораторными методами. Снижение эффективности работы аппарата при превышении граничной концентрации связано, прежде всего, с понижением фракционной эффективности улавливания мелких частиц с размерами менее 5 мкм 170 6. Экспериментально установлено, что аэродинамическое профилирование лопаток импеллера по синусоидальной кривой позволяет на снизить гидравлическое сопротивление устройства (это достигается благодаря обтеканию входного участка профиля лопаток с большой постоянной скоростью и увеличению рикошетов от профилированной части лопаток). Выявлена возможность целенаправленно моделировать структуру течения потока, что достигается посредством регулирования положения лопаток импеллера синусоидального профиля, при этом лопатки могут быть установлены на угол от 5 o до 30 o вдоль радиуса аппарата. При этом происходит увеличение эффективности очистки газа допри минимальных энергозатратах. Подбор конструкционных и режимных параметров, гарантирующий высокую эффективность пылеулавливания при малом коэффициенте потребления воды, позволяет рекомендовать такие пылеуловители для реализации в промышленности ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ПРОЦЕССОВ СЕПАРАЦИИ В БАРБОТАЖНО-ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ Современные методы интенсификации и расчета вихревой сепарации Многоступенчатые вихревые аппараты (ВА) с общим противоточным движением взаимодействующих потоков по конструкции аналогичны колоннам барботажного типа, но имеют и некоторые отличия, обусловливающие их преимущества [5]. Во-первых, на тарелках фиксируются контактные устройства (КУ) прямоточного взаимодействия фаз. Газ с высокой скоростью входит в КУ, захватывает жидкость, поступающую через специальные каналы, и образует с ней совместное однонаправленное движение. На выходе из контактного устройства поток газа разделяется с жидкостью. При условии прямоточного взаимодействия потоков, жидкость из области контакта выводится на большой скорости. Испытания показали, что наиболее эффективное отделение жидкости от газа достигается в поле центробежных сил. Во-вторых, вихревые аппараты характеризуются наличием вихревого, поступательно-вращательного движения в КУ. Значительная скорость легкой фазы, захватывающей жидкость в прямоточное движение, а также эффективная сепарация фаз при взаимодействии в вихревом потоке, позволяют враз усилить массоперенос и повысить пропускную способность аппарата. Наиболее распространенные конструкции прямоточно-вихревых аппаратов предложено классифицировать последующим характерным признакам (таблица 5.1) В аппаратах снисходящим прямотоком жидкость и пар (газ) в зоне контакта движутся сверху вниз, поэтому они могут работать в очень широком интервале нагрузок по жидкости и газу. Нов этом случае для сохранения общего противотока в аппарате требуются дополнительные каналы для подвода газа (пара) на вышележащие ступени. Поэтому такие аппараты рекомендуются для процессов с большим удельным расходом жидкости, а также для процессов газоочистки с одной ступенью контакта Таблица 5.1 – Классификация прямоточно-вихревых аппаратов Характерные признаки Виды, типы Количество ступеней Вид ступеней Направление движения потоков Движение жидкости через контактную зону Тип завихрителя Способ подачи жидкости в зону контакта Способ сепарации Одноступенчатые Многоступенчатые Одноэлементные Многоэлементные Нисходящий прямоток в зоне контакта Восходящий прямоток Перекрестный прямоток Без циркуляции жидкости С частичной рециркуляцией С полной рециркуляцией Осевой Тангенциальный Переходный Периферийный Центральный Комбинированный Центробежно-гравитационный Центробежно-инерционный Центробежно-фильтрационный В аппаратах с перекрестным прямотоком происходит локальное однонаправленное движение потоков, как правило, с последующей центробежно-гравитационной сепарацией. Предельная скорость легкой фазы в аппаратах этого типа составляет от 6 до 10 мс. Такие аппараты целесообразно использовать, например, в процессах со значительными тепловыми эффектами. Наиболее высокой производительностью обладают ВА с восходящим прямотоком. В зоне контакта таких аппаратов скорость легкой фазы составляет при средних давлениях от 15 до 40 мс. Они широко применяются в промышленности и являются наиболее перспективными. Конструирование вихревых контактных устройств Основным элементом вихревых аппаратов являются вихревые контактные устройства (ВКУ). Поступательно-вращательное движение в ВКУ создается осевыми, тангенциальными или комбинированными завихрителями. В ВКУ небольшого диаметра (20÷50 мм) устанавливают двухзаходные спирали (рисунок, а) или используют тангенциально-щелевой завихритель (рисунок 5.2, а) Спираль представляет собой скрученную вдоль продольной оси металлическую полоску. Рисунок 5.1 – Виды осевых завихрителей: а – двухзаходная спираль б – многозаходная спираль в – мультилопастной завихритель Наибольшее распространение получили мультилопастные осевые завихрители (рисунок 5.1, в) и тангенциально-лопастные (рисунок 5.2, б) применяющиеся в ВКУ диаметром от 50 до 150 мм. Они имеют направляющие плоские или профилированные лопасти, образующие каналы для прохода газа. Первые отличаются компактностью, вторые обеспечивают более интенсивный массоперенос. Рисунок 5.2 – Комбинированные завихрители: а – щелевой б – лопастный в – циклонный Комбинированные завихрители (рисунок 5.2) [134] обладают улучшенными характеристиками, но из-за относительной сложности рекомендуются для ВКУ большого диаметра. Рисунок 5.3 – Комбинированные завихрители: а – конический б – тангенциально-криволинейный; в – тангенциально-ступенчатый; г – тангенциально-осевой Завихрители характеризуются относительным сечением, степенью перекрытия и коэффициентом крутки. Относительное сечение представляет собой соотношение суммарных площадей поперечного сечения газового канала и контактного патрубка. Коэффициент крутки n характеризуются соотношением количеств движения в тангенциальном и осевом направлениях. Степень перекрытия S является отношением проекции длины газового канала на плоскость завихрителя к ширине канала в этой плоскости Таблица 5.2 – Расчет характеристик завихрителя Тип завихрителя Относительное сечение Коэффициент крутки Степень перекрытия S Двухзаходная спираль 2 1 1 2 tg 0 3 2 tg D htg 0 2 Многолопастный осевой 2 1 cos 1 2 2 tg z D zh cos Тангенциальный щелевой Тангенциальный лопастный sin где z, δ – число и толщина лопаток соответственно b – ширина канала для прохода жидкости α – угол между осью канала и радиусом КУ H – высота завихрителя; h – ширина лопасти завихрителя; D – диаметр КУ d – диаметр центральной втулки. В таблице 5.2 приведены соотношения, по которым рассчитываются указанные параметры. Способ подачи жидкости в зону контакта определяется диаметром ВКУ. В небольших ВКУ используют периферийный ввод жидкости через кольцевые зазоры, щели, отверстия, расположенные выше, ниже или в зоне самого завихрителя (рисунок 5.4) [14, 134]. Величина коэффициента крутки зависит от типа ВА и диаметра КУ. Некоторые рекомендации по выбору n для ВА с восходящим прямотоком приведены в таблице Таблица 5.3 – Определение коэффициента крутки для ВА с восходящим прямотоком Диаметр контактного устройства Тип завихрителя Степень крутки Ввод жидкости Относительна я высота контактного патрубка Тип сепаратора – Спиральный или тангенциально- щелевой – Периферийный завихритель 5 – С прорезями – Осевой лопастный 1 – Центральный завихритель 2 – Дырчатый или с отсекателем жидкости 176 100 – Тангенциальный лопастный – Центральный завихритель 1 – 2 Тангенциально- щелевой или с отсекателем жидкости В представленных ВКУ массоперенос реализуется через поверхность пленки жидкости, проходящей по контактному патрубку. Отношение поверхности пленки к расходу легкой фазы при заданной скорости пропорционально величине контактного патрубка, с увеличением которой эффективность массопереноса возрастает, но при этом повышается и удельная металлоемкость КУ. Рисунок 5.4 – Периферийный ввод жидкости: а, в – кольцевой зазор б – отверстия Для обеспечения достаточной эффективности ВКУ диаметром более 50 мм жидкость необходимо вводить в приосевую зону. Ввод реализуется через радиальные, осевые, U- и Г-образные трубки выше или ниже завихрителя (рис) [11, 14]. Ввод жидкости над осевым завихрителем (рисунок 5.5, а, б) способствует образованию конусообразного факела распыла капельной жидкости. Рисунок 5.5 - Центральный ввод жидкости через патрубки: а – осевой б – образный в – радиальный г – Г-образный Газ проходит через факел и интенсивно контактирует с жидкостью. Жидкость, под действием центробежной силы, осаждается на стенках контактного патрубка и движется по нему в виде пленки, продолжая взаимодействовать с газом. В случае ввода жидкости под осевым завихрителем (рисунок 5.5, в) формируется осевой факел распыла, происходит частичное осаждение примесей и вторичное диспергирование жидкости, благодаря чему массоперенос дополнительно интенсифицируется. В ВКУ с тангенциально-лопастными завихрителями жидкость вводится в донную часть завихрителя [14,16,20]. Под воздействием газового потока образуется кольцевой слой капель, которые соударяются с кромками лопаток и находятся в зоне контакта значительно дольше, чем в факеле распыла ВКУ с осевыми завихрителями. Удерживающую способность тангенциального завихрителя можно увеличить посредством задания ему криволинейной формы (рисунок 5.3, били встраиванием в верхнюю часть пережимной шайбы. Однако по сравнению с осевыми тангенциальные завихрители характеризуются более высоким гидравлическим сопротивлением. Для подвода жидкости в зону контакта предлагается использовать полые лопасти осевых, конических или тангенциальных завихрителей [14]. Но они сложны в изготовлении и уменьшают относительное сечение завихрителя, что ограничивает область их применения. Диаметр и высота контактных патрубков существенно влияют на металлоемкость аппарата и эффективность массопереноса. Для интенсификации массопереноса в ВКУ допускается выполнять на поверхности контактных патрубков рифления, выступы, пластины, увеличивающие турбулентность потока. Предложена также конструкция нежесткого контактного патрубка, способного вибрировать Однако это усложняет изготовление ВКУ и несколько повышает их гидравлическое сопротивление Для отделения проконтактировавшей жидкости от легкой фазы используют сепараторы с прорезями, щелями, отверстиями. При умеренных нагрузках эффективными могут быть сепараторы с горизонтальными или вертикальными прорезями (рисунок 5.6, а, б, в которых преимущественно используются в ВКУ небольшого диаметра. Наиболее распространены сепараторы с / отсекателями пленки жидкости (рисунок 5.6 в, г) Рисунок 5.6 – Сепарационные устройства: а, б – с прорезями; в, гс отсекателями пленки жидкости Конструктивно простыми эффективным является сепаратор с сопло образными круглыми отверстиями, в котором происходит постепенный отток жидкости из зоны контакта. При значительной нагрузке по газу используются комбинированные сепараторы, снабженные вертикальными или тангенциальными прорезями в сочетании с отсекателем Конструирование контактных ступеней вихревых аппаратов Конструктивное оформление контактных ступеней вихревых аппаратов основывается на двух ключевых направлениях. Первое направление предполагает увеличение диаметра ВКУ с центральным вводом жидкости до размеров аппарата. Одноэлементные ступени просты конструктивно, имеют низкую металлоемкость. Нов них с увеличением диаметра происходит усиление радиальной неравномерности распределения фаз, уменьшаются центробежная сила и допускаемая осевая скорость газа. Поэтому в таких аппаратах преимущественно используется прямоточно-перекрестное взаимодействие фаз с центробежно-гравитационной сепарацией Второе направление заключается в создании контактных ступеней, состоящих из нескольких параллельно работающих ВКУ небольшого размера. Детальное экспериментальное исследование гидродинамических и массообменных характеристик отдельных ступеней обусловливает надежность проектных расчетов. Вихревые аппараты различной производительности обладают высокой степенью унификации, что позволяет снизить затраты на их изготовление. В ВКУ небольшого диаметра надежная сепарация при высоких нагрузках обеспечивается значительной центробежной силой. Поэтому использование многоэлементных контактных ступеней считается наиболее перспективным в создании высокопроизводительных ВА с прямоточно- восходящим взаимодействием фаз. Многоэлементные контактные ступени различаются конструкцией ВКУ, а также организацией потоков жидкости. Наиболее распространены ступени с рециркуляцией жидкости, 19, 21], в которых жидкость, покидающая ВКУ, смешивается с массой жидкости, двигающейся по ступени. Рисунок 5.7 – Контактные ступени с рециркуляцией жидкости: а – с общим перетоком; б – с распределенным перетоком Подача жидкости со ступени на ступень осуществляется по шахтным (рисунок 5.7, а) или распределенным трубчатым (рисунок 5.7, б) перетокам, что позволяет либо увеличить длину пути жидкости на ступени, либо позволяет более рационально использовать сечение аппарата. В контактных ступенях без рециркуляции жидкости, разделение может быть достигнуто за счет изготовления дополнительной горизонтальной перегородки (рисунок 5.8, а) [102, 105], либо посредством изготовления отдельных переточных каналов (рис. 5.8, б) [20, 102, Рисунок 5.8 – Контактные ступени: а – с дополнительной перегородкой б – с отдельными переточными каналами Частичная рециркуляция создается установкой на ВКУ ниже сепараторов наклонных воротников, отражательных шайб (рисунок 5.9, а) [106, 107] или использованием специальной системы жидкостных каналов (рисунок 5.9, б. Повышенная металлоемкость, сложность изготовления и монтажа являются основными недостатками таких ступеней. Рисунок 5.9 – Контактные ступени с частичной рециркуляцией жидкости: а – с воротниками б – с двойным вводом жидкости Расчеты показывают, что отрицательное воздействие смешения при рециркуляции жидкости может быть существенно снижено увеличением времени пребывания жидкости в зоне контакта. Поэтому выбор конструктивного варианта контактной ступени определяется соотношением между удельным расходом жидкости L/G для аппарата в целом и оптимальной или предельной величиной удельного расхода ∆L/∆G для ВКУ на основе сравнительного расчета. При конструировании многоэлементных ступеней контактные устройства на последовательных ступенях следует располагать соосно и по возможности на небольшом расстоянии друг от друга для сохранения вихревого движения легкой фазы [101, 107]. На контактных ступенях с рециркуляцией жидкости каналы для ввода жидкости в ВКУ располагают так, чтобы в них попадало наименьшее количество жидкости, поступающей из ВКУ. Расстояние между ступенями определяется либо высотой ВКУ, либо их гидравлическим сопротивлением и составляет, как правило, от 300 до 600 мм Аэродинамика вихревых аппаратов Структура турбулентного закрученного потока существенно отличается от поступательного. Под действием центробежных сил в закрученном потоке появляются градиент давления по радиусу, обратные токи, повышенные скорости у стенки, деформация профиля касательных напряжений. Эти явления оказывают сильное влияние на закономерности движения капель жидкости в пылеуловителе и характер течения в пограничном слоена границе раздела фаз газ-жидкость, те. определяют и степень очистки, и гидравлическое сопротивление, и критические режимы работы пылеуловителей. По характеру распределения аксиальной скорости, закрученные потоки классифицируются следующим образом [234]: 1. Слабо закрученный поток, который характеризуется тем, что в любом его сечении осевая компонента скорости имеет максимальное значение. Профиль осевой скорости близок к профилю прямоточной струи. Умеренно закрученный поток имеет "провал" осевой компоненты скорости, отсутствует обратное течение, скорость имеет М-образный профиль. 3. Сильно закрученный поток характеризуется наличием зоны возвратного течения. Предложенная классификация закрученных потоков не является полной. Так, например, известны завихрители, конструктивные особенности, которых деформируют профили скоростей таким образом, что, несмотря на интенсивную закрутку струи, в осевой зоне не возникают обратные течения Закономерности движения газа и жидкости Исследования показывают [33, 49], что профили скоростей газового потока для геометрически подобных завихрителей автомодельны по диаметру контактного устройства и расходу газа. В установившемся потоке выделяют приосевую зону квазитвердого вращения и периферийную зону потенциального вращения с соответствующими приближенными профилями [33]: b m z z b m b b m Z z b m r r W W r r W W r r r r W W r r W W ; ; (5.1) где и W z – максимальные значения окружной (тангенциальной) и осевой скоростей газа соответственно радиус зоны квазитвердого вращения. Профили скоростей непосредственно над осевым завихрителем, где формируется вихревой поток, предложено описывать приближенными уравнениями [33]: cos 1 1 6 sin 1 1 6 где Ŵ z – среднерасходная скорость = 2r/D |