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.
|
|
Коэффициент захвата. Пусть две сферические частицы с радиусами R 1 ≤ движутся под действием силы тяжести в невозмущенной среде. Изучение Частота столкновения частиц лучше всего описана в работах Марбла [121], в которых в качестве упрощения было рассмотрено столкновение между частицами только двух размеров для ускоряющегося потока газа. Если обозначить максимально возможную скорость соударения как ω 0 , то частица радиусом будет соударяться с частицей радиусом в цилиндре с радиусом R 1 + R 2 . При этом, константа коагуляции примет следующий вид 1 0 2 0 2 2 1 Если движение частицы следует закону Стокса, то она будет стремиться снова приобрести скорость, которую имела бы вовремя релаксации, при отсутствии столкновений. Отношение этого времени существенно меньше единицы. При этом анализ задачи упрощается в том случае, если частота соударений частиц очень велика и не озволяет частицам достигнуть состояния приближенного равновесия с газом. Однако взаимное воздействие гидродинамических полей частиц и возможность их взаимодействия между собой могут привести к искривлению их траектории в поле силы тяжести. Константа коагуляции в общем случае запишется , , 2 1 1 0 2 0 2 2 1 Искривление траекторий частиц приводит к отклонению сечения захвата от геометрического и характеризуется параметром ε(R 1 ,R 2 ), который называется коэффициентом захвата. Поскольку не каждое столкновение приводит к коагуляции частиц, параметр также можно назвать коэффициентом столкновений. Пусть размеры частиц существенно различны R 1 ≤≤ R 2 , тогда можно допускать, что меньшая из частиц будет находиться в гидродинамическом поле большей. Пренебрегая силами гидродинамического взаимодействия среды и неоднородностю этого поля, представим уравнение движения частицы в виде при , 9 2 2 0 2 2 1 R R R St c d c * Re 2 0 1 c c R R (5.84) где е – единичный вектор критерий Стокса – вектор движения частицы в гидродинамическом поле. Если уравнение движения малой частицы формально привести к физическому контакту двух частиц, получим задачу чисто инерционного осаждения. Уравнение (5.84) можно также рассматривать в качестве основы к описанию процесса образования агломератов при движении частиц взвесив цилиндре. Однако недостаточно охарактеризовать агломерат только по размерами содержанию в нем частиц. Важными компонентами его описания являются также форма частиц и внутренние сдерживающие силы агломерата. Эта трудность аналитического описания агломератов является серьезным ограничением для использования такого подхода. К тому же следует заметить, что агломераты могут легко разрушаться, и это их свойство необходимо было бы учесть в уравнениях (5.83–5.84). Например, при течении в цилиндрической системе координат с центром, расположенным в центре большой частицы, скорость образования агломератов обычно равна скорости их разрушения. Если воспользоваться для наглядности непрерывной формой описания, то малая частица с радиальной координатой y ( при) столкнется с большой частицей при y ∞ ≤y 0 , а при избежит столкновения. Определив y 0 , параметр захвата можно определить по формуле 2 2 Расчеты параметра захвата для случая инерционной сепарации были впервые выполнены Лэнгмюром и Блоджетт [14, 15]. Анализ применимости этх моделей показал, что расчет коэффициента захвата приводит к несколько завышенным результатам во всем диапазоне значений константы коагуляции k c . Лэнгмюром [30] предложены следующие эмпирические зависимости: 1000 Re и k при k k 1000 Re и k при k k c c c c c c 214 , 1 214 , 1 2 ln 4 3 1 12 1 5 , 0 2 2 Численные расчеты по (5.86) неоднократно были проверены другими исследователями [117, 194], при этом расхождение результатов находилось в пределах нормы, что свидетельствует о возможности использования предложенных зависимостей, конечно, в границах их применимости. Для средних чисел Рейнольдса Лэнгмюром предложена формула 214 , 1 2 ln 4 3 1 30 Re 1 1 2 Точность этой формулы была подвергнута исследователями [51, тщательному анализу. Было установлено, что для средних значений k c и формула (5.87) ведет к заниженным результатам. Поэтому при практических расчетах коагуляции частиц разных размеров рекомендуется использовать интерполяцию по графикам, представленным на рисунках 5.20 и Рисунок 5.20 – Зависимость коэффициента захвата от константы коагуляции Кв диапазоне чисел Рейнольдса Рисунок 5.21 – Сравнение экспериментальных значений коэффициента захвата с расчетными данными При интерполяции учитывается, что коэффициент захвата был рассчитан при формальном описании уравнения движения частицы до момента ее физического контакта с каплей жидкости ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 1. Анализ известных конструкций вихревых контактных устройств позволил выявить основные факторы (нагрузка по жидкой фазе, пережим и отрыв потока, размеры выходного патрубка, оказывающие влияние на аэродинамическую структуру потока. Экспериментально установлено, что угол наклона лопастей завихрителя оказывает сильное влияние на структуру потока. Общим для профилей скоростей в завихрителях различного вида является тот факт, что, с увеличением интенсивности крутки, возрастают значения тангенциальных составляющих скорости газа. Рассмотрены конструктивные параметры интенсивности крутки, полученные для различных типов завихрителей. Для характеристики интенсивности крутки воздушного потока предложено использовать среднерасходные значения скорости потока, определяемые по геометрическим характеристикам аппарата. Сравнение сепарационных возможностей завихрителей различных типов выявило наиболее выгодный параболический профиль, обеспечивающий высокую производительность по очищенному газу и эффективность пылеулавливания. Предложены зависимости для расчета гидравлического сопротивления в различных типах завихрителей: аксиально-лопаточных, тангенциальных улиточных, со спиральными и плоскими лопастями. Экспериментально определена зависимость гидравлического сопротивления и эффективности очистки от параметров газодисперсного потока. Установлено, что с ростом скорости газодисперсного потока до 27 мс степень очистки повышается до 76 %. Последующее повышение скорости в диапазоне от 30 мс до 40 мс сопровождается снижением эффективности сепарации до Обнаружено, что при небольших нагрузках по жидкой фазе (гидравлическое сопротивление орошаемого аппарата даже ниже сухого, однако с ростом относительной нагрузки по жидкости, гидравлическое сопротивление приближается к сопротивлению сухого аппарата и при Ĺ≥2 начинает превосходить его. Этот факт может быть объяснен интенсивным изменением профиля осевой и тангенциальной скорости газа, а также гашением турбулентных пульсаций в потоке. Экспериментально установлено, что угол наклона лопастей завихрителя оказывает сильное влияние на структуру потока. Общим для профилей скоростей в завихрителях различного вида является то, что с увеличением интенсивности крутки возрастают значения тангенциальных составляющих скорости. Увеличение угла наклона лопастей в пределах 5÷12 приводит к тому, что максимум скоростей при достаточно большой интенсивности крутки перемещается ближе коси вращения. Это позволяет подбором соответствующего угла наклона лопастей и интенсивности крутки получить практически любые размеры зоны рециркуляции вплоть до ее полного устранения. Проведенные испытания показали, что степень очистки воздуха от пыли талька, несмотря на плохую ее смачиваемость, равна в среднем 77,3% при достаточно резком колебании начальной запыленности от 3 до 62 г/м 3 Наибольшее значение эффективности очистки газа достигается при наклоне лопаток завихрителя 40 0 ÷45 и скорости пылевоздушного потока 25 мс. Сточки зрения расхода энергии, за оптимальное значение угла наклона лопаток можно принять 45 0 , несмотря на относительно высокую степень очистки при значении угла в 35 0 . Это объясняется ростом величины гидравлического сопротивления, которое опережает рост эффективность очистки газа и составляет 800 Па при значении угла в 35 и 550 Па для угла наклона лопаток 45 0 5. Рассмотрена коагуляция монодисперсных сферических частиц, механизм которой базируется на возникновении инерционных отличий между частицами разных размеров. Показано, что искривление траекторий частиц приводит к отклонению сечения захвата от геометрического и характеризуется параметром, который называется коэффициентом захвата. Рассмотрены эмпирические зависимости для расчета коэффициента захвата частиц и установлено, что расчеты по ним приводят к заниженным результатам. Для практических расчетов коагуляции частиц разных размеров предложено использовать интерполяцию по графическим зависимостям, показывающим наилучшее согласование результатов ГЛАВА 6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ, РАСЧЕТУ И ПРОМЫШЛЕННОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЯ В последние годы в России издан ряд законодательных и директивных документов, резко повышающих требования к охране атмосферного воздуха [29, 30]. Соответственно, изменились условия проектирования оборудования для очистки и обезвреживания летучих промышленных выбросов. Промышленные предприятия стремятся к тому, чтобы это оборудование было высокоэффективным, надежным, долговечными недорогим, то есть имело бы высокие технико-экономические показатели Гидродинамические задачи проектирования газоочистных сооружений Газоочистные установки, состоящие из комплекса последовательно и параллельно работающих аппаратов и коммуникаций, представляют собой аэродинамическую систему, имеющую ряд особенностей. В большинстве случаев, через тракт газоочистки движется не газа аэрозоль (твердый, жидкий, смешанный. Промышленные аэрозоли всегда полидисперсны. Если гидродинамика дисперсных потоков вообще достаточно сложна, тов полидисперсном потоке [12] она многократно усложняется. При прохождении через тракт газоочистки аэрозольный поток непрерывно претерпевает изменения скорости и направления движения, обтекает препятствия и преодолевает каналы различной конфигурации. Изменение направления может быть плавным, внезапными на любой угол. Специфическими типами каналов являются слои пены на решетках пенных аппаратов. Особыми видами препятствий служат циклоны, где на коротком отрезке пути и за очень малое время поток претерпевает много воздействий. В газоочистных сооружениях часто существуют так называемые свободные затопленные струи [13]. Они возникают, например, при входе потока из пылегазопровода в аппарат значительно более крупного сечения, уже заполненный газом. При этом между вводимой струёй таза (аэрозоля) и смесью внутри аппарата возникают сложные контакты, результат которых нередко выражается в нерасчетном выпадении аэрозольных частиц. Указанное явление не всегда желательно. Например, в скруббере полного испарения, используемом как кондиционер, ноне как пылеосадитель, нижняя часть превращается всухую пылеосадительную камеру. Особая сложность в аэродинамике газоочистительных сооружении состоит в том, что в очень многих случаях приходится рассматривать динамику газовой и дисперсной фаз аэрозоля раздельно [3, 10]. Аэрозольные частицы, за исключением мельчайших (от 2 до 3 мкм, в связи со своей инерционностью и длительностью времени релаксации, не успевают следовать за движущейся газовой фазой, а отклоняются от неё. Отклонение происходит иногда настолько резко, что это зачастую решающим образом влияет на показатели пыле- улавливающих аппаратов. Недоучет данного фактора приводит к грубым проектным ошибками нередко вынуждает вносить дорогостоящие переделки в уже построенные сооружения. При проектировании газоочистных сооружений необходимо анализировать и решать три основные гидроаэродинамические задачи а) расчет гидравлического сопротивления тракта, выбор тягодутьевых машин и определение мест их расположения б) обеспечение на всем тракте газоочистки режима движения газа (аэрозоля, наилучшим образом отвечающего заданным условиям в) обеспечение равномерного (в пределах допустимых отклонений) распределения газовой и пылевой нагрузки между аппаратами и внутри них Основы выбора проектных решений Недостатки, присущие газоочистным аппаратам, работающим с использованием эффекта воздействия на разделяемую неоднородную смесь исключительно сил центробежного поля, вызывают настоятельную необходимость интенсификации процессов разделения дисперсных систем в этих простых в конструктивном оформлении и надежных в эксплуатации аппаратах К основным направлениям интенсификации процесса разделения в газопромывателях можно отнести следующие [98, 143]: совершенствование конструкций аппаратов центробежного типа изменение технологических параметров процесса разделения дисперсных систем применение воздействий на разделяемую среду разнородных физических полей или комбинации перечисленных способов. Интенсификация за счет конструктивного изменения основных отдельных узлов газопромывателя получила довольно широкое применение в практике. Большое количество исследований посвящено определению оптимальных или рациональных геометрических размеров корпуса аппарата и длины цилиндрической части, глубины погружения и формы сливного патрубка, угла конусности аппарата, наклона входного патрубка к главной оси аппарата, размеров отверстий и способов отвода шлама и т.д. Интенсификация процесса сепарации в газопромывателях технологическим путем осуществляется, например, выбором схемы установки аппаратов и их количества с целью получения требуемого качества одного из продуктов разделения [22, 89]; путем регулировки давления на входе в аппарат, изменением реологических свойств суспензий за счет их разбавления, добавок ПАВ и всевозможных коагулянтов и т.д. [5, 11, 13, К третьему направлению следует отнести интенсификацию процесса сепарации под воздействием следующих физических полей наложения дополнительного поля центробежных сил, создаваемого вращающимся завихрителем [95]; наложения магнитного поля, создаваемого магнитной или электромагнитной системой [26]; наложения ультразвуковых колебаний различной частоты и амплитуды (Патент № Влияние наложения ультразвуковых колебаний на процесс разделения о газопромывателях практически не изучено, но, очевидно, что степень воздействия этих колебаний на однородные частицы дисперсной фазы зависит в первую очередь от их физических свойств, ив частности, от размеров частиц. Комбинированные способы интенсификации процесса разделения подразумевают одновременные совмещения двух или нескольких указанных направлений интенсификации сспарационных процессов. Эти способы позволяют целенаправлено воздействовать на показатели разделительного процесса в газопромывателях. Нормальная работа технологического оборудования в ряде случаев зависит от эффективной работы газоочистной установки. Интенсификация технологических процессов привели к увеличению количества дымовых газов и дисперсности содержащейся в газах пыли. В этих условиях эксплуатирующиеся аппараты и системы аппаратов газоочистки не обеспечивали эффективной очистки газа. Потребовались меры интенсификации их работы. На практике применяют следующие способы интенсификации работы газопромывателей: 1. Ликвидация подсосов воздуха в газовый тракт ив аппараты очистки, особенно в центробежные газопромыватели, которые при увеличении роста газа в них работают неэффективно Равномерное распределение очищаемых газов по сечению аппаратов, позволяющее увеличить их эффективность работы. Этого достигают устройством в самих аппаратах направляющих лопаток, завихрителей, рациональным расположением входного патрубка по отношению к корпусу аппарата и другими средствами. Укрупнение содержащихся в очищаемых газах частиц пыли, что позволяет более полно осаждать их в аппаратах любых типов и обеспечивает в определенных условиях приданной эффективности аппарата рост его производительности. Для укрупнения содержащихся в газе частиц используются следующие методы. Использование акустических коагуляторов, а для пылей, хорошо проводящих электрический ток, электрофильтров-коагуляторов 2. Увлажнение газа путем ввода в него мелкораспыленной жидкости или водяного пара, который в газе при определенных условиях конденсируется. При этом, содержащиеся в газе частицы пыли сталкиваются с каплями воды и укрупняются. Применение веществ, улучшающих смачивание частиц пыли, что способствует их укрупнению. Некоторые пыли в высокодисперсном состоянии плохо смачиваются водой. К числу плохо смачиваемых (гидрофобных) пылей относятся, например, окись кремния, белая сажа, пыли красителей и др. Для улучшения смачиваемости таких пылей применяют специальные растворы поверхностно активных веществ, которые вводят в орошаемую жидкость. Охлаждение газов, которое необходимо для обеспечения эффективной работы турбулентных промывателей, газопромывателей и других аппаратов для очистки газов. Кондиционирование газов при помощи реагентов, понижающих электрическое сопротивление слоя пыли. К кондиционирующим реагентам, которые добавляют в очищаемые газы можно отнести S0 3 , NH 3 , хлориды натрия и калия. Например, для снижения электросопротивления пыли кремнистых соединений применяют S0 3 . Действие этих реагентов усиливается с повышением влажности газов и понижением их температуры. Механизм действия этих веществ пока еще полностью не изучен, нет и методики расчета количества этих реагентов. Введение в очищаемый газ мелкодисперсных электропроводных частиц; К таким частицам относят кокс, сажу и др. Их влияние на увеличение проводимости пыли является чисто физическим. Электросопротивление слоя пыли снижается вследствие образования в этом слое цепочки проводящих ток частиц. Предварительная очистка газа. Эффективность работы некоторых типов аппаратов возрастает в том случае, если газ, содержащий в большом количестве пыль, предварительно подвергается грубой очистке в аппаратах инерционного или центробежного действия. Показатели различных газоочистных сооружений определяются, преимущественно, техническим уровнем проектов. Однако, проектирование газоочистных сооружений в России в общей сложности отстает от мирового уровня. Работа над устранением этой проблемы совершается недопустимо медленными темпами. Защита атмосферы от загрязнения представляет собой многопланавую задачу и научные основы ee осуществления еще недостаточно реализованы Главная задача - это снижение объемов летучих выбросов входе основного технологического процесса. Нередко экономический эффект, полученный в сфере основного производства, полностью перекрывается затратами на очистку больших объемов газовых выбросов. Роль газоочистных сооружений в системе мероприятий по защите атмосферы состоит в ликвидации и обезвреживании тех выбросов, которые невозможно предотвратить профилактическими мерами. Такая постановка проблемы диктуется элементарными экономическими представлениями. По мировым данным, стоимость газоочистных сооружений составляет от 10 до 50 % по отношению к стоимости основного пылевыделяющего оборудования и имеет тенденцию к дальнейшему росту, в связи с ужесточением санитарных требований. Проектирование системы газоочистки, необходимо начинать с изучения конструкционных и эксплуатационных характеристик известных газопромывателей. Любой пылеулавливающий аппарат рассчитан на определенные условия работы: предельные давление и температуру, допустимые объемы запыленного газа, возможность монтажа на открытом пространстве, нагрузки от подводящих газоходов. Следует отметить недостатки, преодолеть которые необходимо в ближайшие годы. Недостаточность номенклатуры газоочистительного оборудования и ее отставание от растущих мощностей промышленности. Недостаточная точность расчетной базы, в которой преобладают эмпирические функции. 3. Отсутствие строгих научных критериев для проектирования газоочистных сооружений многоступенчатой очистки воздуха. По этой причине при проектировании таких сооружений значительную роль играет чисто эвристический фактор. Малодостоверная проработанность вопросов, связанных с причинением газовыми выбросами ущерба окружающей среде и, соответственно, с определением экономического эффекта от предотвращения данного ущерба Настоящие проблемы необходимо решать уже сегодня при проектировании газоочистных сооружений Особенности проектирования мокрых газоочистных аппаратов При выборе того или иного аппарата газоочистки обычно исходят из того, какая требуется степень очистки. Поскольку в расчетах ПДК учитывается остаточная запыленность газовых выбросов, высокие показатели степени очистки газопромывателя в ряде случаев не могут обеспечить выполнение санитарных норм. Так, золоулавливание в электрофильтре, обеспечивающее высокую степень эффективности (98÷99%) при концентрации золы в отходящих газах на уровне 60 г/м 3 позволяет понизить остаточную запыленность лишь догм. Для обеспечения ПДК в приземном слое при этом понадобится сооружение дымовой трубы для рассеивания золы. При этом, газоочистка с эффективностью 98÷99% вполне приемлема при начальной запыленности на уровне 10 гм. В этом случае остаточная запыленность близка к 0,05÷0,1 гм, что в большинстве случаев является вполне достаточными не потребуется доочистка или специальные мероприятия по рассеиванию. При выборе центробежного аппарата для предварительной ступени очистки руководствуются следующим при начальной запыленности газа более 200÷300 г/м 3 в качестве грубой системы очистки целесообразно устанавливать два последовательно расположенных циклона. Во избежание сильного абразивного износа первого циклона условную скорость газа в нем не следует принимать более 2,5 мс. Чтобы повысить эффективность второй ступени циклона (учитывая, что наиболее грубая пыль уже уловлена в первом циклоне, скорость можно увеличить до 3÷3,5 мс. В этом случае типы применяемых циклонов могут быть одинаковы, например циклоны ЦН-15. Возможно в качестве первой ступени очистки использовать циклон ЦН- 24, а в качестве второй - БВА при той же скорости газа. В этом случае будет несколько снижено гидравлическое сопротивление системы газоочистки. При выборе схемы газоочистки, расчет ее эффективности ведется по остаточной запыленности газа. Если невозможно достигнуть требуемой остаточной запыленности водном газопромывателе, необходимо реализовывать многоступенчатые схемы очистки газов. В частности, применяются установки сухого пылеулавливания в циклонах с последующей доочисткой в рукавных фильтрах. При мокром методе обеспыливания газа в качестве предварительной ступени очистки применяется полый скруббер перед высоконапорными скрубберами Вентури. Иногда используются комбинированные схемы, состоящие из сухой очистки в механических аппаратах с доочисткой в высокоэффективных аппаратах с орошением. При начальной запыленности, превышающей 100 г/м 3 газа, может быть необходима установка механических ступеней очистки. Применение указанных многоступенчатых и комбинированных схем позволяет повысить производительность наиболее эффективных газопромывателей и снизить содержание твердых отложений при мокрых методах очистки. Класс мокрых аппаратов чрезвычайно обширен. Лишь небольшая часть его оформлена в виде нормализованных рядов, а серийный выпуск ограничен всего несколькими типами. Многие аппараты изготавливаются как нестандартное оборудование на предприятиях, либо непосредственно на монтажной площадке. В последнем случае качество изготовления оказывается низким. Мокрые аппараты выполняют следующие функции: охлаждают газ с утилизацией теплоты орошающей жидкости, которая в процессе нагревается; увлажняют или кондиционируют газ перед подачей его на очистку; процесс нередко осуществляется в режиме полного испарения охлаждающей жидкости; абсорбируют газовые компоненты из газового выброса или из дисперсионной среды аэрозоля; улавливают твердые частицы дисперсной фазы. Перечисленные функции во многих случаях реализуются одновременно, даже если это не предусмотрено целями очистки. Побочные функции могут изменить всю кинетику процесса и свойства циркулирующего раствора до такого состояния, что это может повлечь за собой его дополнительную сложную обработку. В мокрых аппаратах реализуются тепло- и массообменные процессы Их скорость зависит от характера и интенсивности контакта фаз. Продукт, уловленный в газоочистных аппаратах, может находиться в двух состояниях: в виде жидкости, если входе очистки происходила только абсорбция компонентов газовой фазы выбросав виде шлама, если в мокром аппарате происходило улавливание пыли. Жидкость либо принимается предприятием, которое использует ее по своему усмотрению, либо направляется в общезаводскую систему очистки стоков, либо проходит локальную очистку в пределах газоочистного сооружения и вновь подается на орошение аппарата (замкнутый цикл орошения). Шлам транспортируется на шламовое поле, где высыхает и может быть использован, или же пропускается через систему отстойников и фильтров после фильтрации жидкость возвращается на орошение, а отфильтрованная масса (в виде так называемых кеков) утилизируется. |