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.
|
|
Методология и методы исследования. Общий методологический подход к решению поставленных задач основывается на аналитических и численных методах математического моделирования на базе дифференциальных уравнений движения твердых частиц и уравнений Навье-Стокса в трехмерной постановке с генерацией моделей в программной среде Ansys. Для формального описания процесса пылеулавливания использованы разделы механики сплошных сред, регрессионный анализ, теория гидрогазодинамики. Экспериментальные исследования базируются на теории планирования эксперимента и статистической обработки данных. Объект исследования – устройства с закрученным движением газодисперсных потоков в системах очистки газовых выбросов Предмет исследования – аэрогидродинамика и центробежный механизм осаждения дисперсных частиц на капли орошающей жидкости. На защиту выносятся: 1. Универсальный методологический подход, позволяющий на стадии проектирования осуществлять совершенствование гидродинамической обстановки в аппарате, дающий полное представление о поведении частиц в закрученном потоке и определяющий основные закономерности процесса сепарации. Метод расчета в виде математической модели течения газодисперсной среды, описывающий характер течения и позволяющий рассчитать распределение всех компонент скорости газах, а также функции тока (r, z) и построить характерную гидродинамическую картину течения в программном комплексе Ansys CFX. 3. Аналитические результаты исследования взаимосвязи основных аэрогидродинамических показателей и конструктивных параметров аппарата, позволившие выявить оптимальные гидродинамические условия центробежной сепарации, которые предложено оценивать величиной оптимальной скорости вращения завихрителя, при которой отсутствует вторичный унос. Разработанная на их основе методика расчета гидравлического сопротивления в исследуемом диапазоне нагрузок по фазам. Новый энерготехнологический подход, построенный на определении граничной степени рециркуляции орошающей жидкости и аэродинамическом профилировании лопаток импеллера ударно-инерционных пылеуловителей, на основе которого впервые установлено, что снижение эффективности улавливания мелкодисперсных примесей вызвано ростом вязкости орошающей жидкости и несовершенством аэрогидродинамической обстановки в зоне инжекции аппарата. Результаты исследования гидродинамики и сепарации в аппаратах барботажно-вихревого типа, позволившие выявить закономерности изменения гидравлического сопротивления и фракционной эффективности очистки газа от геометрических параметров завихрителя, закрутки потока и наличия орошения. Результаты внедрения и исследования эффективности работы модифицированного ряда аппаратов для мокрой очистки газовых выбросов полученные на их основе расчетные рекомендации по выбору оптимальных геометрических и режимных характеристик центробежных аппаратов. Достоверность результатов работы обеспечивается применением основных уравнений гидрогазодинамики при разработке математических моделей закрученного потока, асами решения осуществлены классическими методами математического анализа с применением современных расчетных комплексов. Результаты исследований хорошо согласуются с аналитическими решениями и справочными данными, а также прямыми и косвенными экспериментами по многократно апробированным методикам. Погрешность в прогнозе эффективности газоочистки не превышает δi=(0,5...7,5) % (по математическому ожиданию) и δi= (2,15...11,5) % (по среднеквадратичному отклонению в промышленных испытаниях погрешность Апробация работы Результаты диссертационной работы регулярно докладывались и обсуждались на конференциях Республиканской НТК «Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане» (Уфа – 2003); Всероссийской НПК Пути коммерциализации фундаментальных исследований для отечественной промышленности Казань, Международном Конгрессе нефтегазопромышленников России «Нефтегазопереработка» (Уфа, 2003, 2004, 2007 – 2014); II Всероссийской НПК «Нефтегазовые и химические технологии (Самара, 2003); Всероссийской НПК «Интеграционные процессы в науке, образовании и производстве (Кумертау, 2006); Республиканской НТК Инновации, проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий в машиностроении РБ» (Уфа Всероссийской НТК «Мавлютовские чтения (Уфа, 2010 – Всероссийской НПК Наукоемкие технологии в машиностроении, (Ишимбай, 2010 – 2013); Всероссийской НПК Многофазные системы природа, общество, технологии» (Уфа, 2010); Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых с международным участием (Уфа, Международной НПК Деформации и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2011); Международной НПК Технические науки основа современной инновационной системы (Йошкар-Ола, 2012); Международной НТК Динамика и виброакустика машин (Самара, 2012); Международной НПК Технические науки – от теории к практике» (Новосибирск, 2012); Молодёжной международной НПК аспирантов и молодых учёных "Наука XXI века новый подход" (Санкт-Петербург, Международной НПК Современные проблемы механики, посвященной 100- летию Л.А. Галина (Москва, 2012); Всероссийской молодежной НПК Химия и технология полимерных и композиционных материалов (Москва, Международной НТК Дифференциальные уравнения и смежные проблемы» (Стерлитамак, 2011 – 2013); X Всероссийской ежегодной конференции молодых ученых "Физика-химия и технология неорганических материалов" (Москва Международных Научных чтениях И.А. Одинга Механические свойства современных конструкционных материалов Москва, Международной НПК Химия состояние, перспективы развития (Грозный, Связь исследований с научными программами. Исследования в данном направлении выполнялись в период с 2000 по 2004 гг. в Уфимском государственном нефтяном техническом университете и с 2005 по 2014 гг. в Уфимском государственном авиационном техническом университете в рамках ГНТП РБ "Разработка физико-математических и технических методов исследования многофазных потоков в неоднородных средах применительно к технологиями аппаратам нефтехимических производств" в 2011–2013 гг.; по Госконтракту №13/5-ФМ "Разработка физико-математических и технических методов исследования нелинейных систем и процессов в аппаратах нефтехимических производств" по теме НИР "Разработка методики расчета аэрогидродинамических характеристик газовых потоков и конструкций аппаратов, обеспечивающих высокую эффективность очистки" в 2010–2011 гг. Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в работах в российских и зарубежных изданиях, в том числе в 63 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 5 монографиях, 10 патентах на изобретение. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения изложена на 279 страницах машинописного текста, содержит список литературы из 270 наименований, 106 рисунков, 12 таблиц Первая глава носит обзорно-аналитический характер. Выполнен анализ литературных данных, освещающих современные проблемы в области конструирования газоочистных аппаратов, в том числе использующих нестандартные решения. Обозначены проблемы расчета гидродинамики и сепарации газоочистных установок. Разработка новых математических подходов к расчету турбулентных закрученных течений в аппаратах с активной гидродинамикой является необходимым условием в создании адекватных методов их расчета с целью оптимизации технологических и конструктивных параметров и исключения дорогостоящих экспериментальных исследований. В настоящее время произошли значительные изменения в области математического моделирования, связанные с применением вычислительных технологий и пакетов программ, что дает возможность прогнозировать аэрогидродинамические характеристики аппаратов уже на стадии проектирования, можно предусмотреть такие конструктивные решения отдельных узлов аппарата, которые позволят значительно повысить эффективность газоочистки. Подробно рассмотрены основные теоретические подходы к решению рассматриваемых задач. Обозначены проблемы, не нашедшие достаточно полного освещения в существующих публикациях поданной тематике. На основе проведенного анализа были сформулированы цели и задачи исследования. Вторая глава посвящена анализу основных механизмов осаждения пыли на каплях жидкости и разработке алгоритма моделирования процесса сепарации твердых частиц в динамическом газопромывателе, позволяющего определять потенциальные возможности газоочистных аппаратов. Произведен обзор математических моделей многофазных течений и выполнен гидродинамический расчет аппарата в программном комплексе Ansys CFX. Основными механизмами осаждения частиц пыли в газопромывателе являются осаждение под действием центробежных сил, инерционное соударение, перехват и диффузионное осаждение. Разработанная аналитическая модель течения газодисперсной среды позволяет рассчитать распределения всех компонент скорости U' φ , U' r , ха также функции тока ψ (r, z) и построить характерную гидродинамическую картину течения в радиальной проекции. В численных экспериментах оценивалось влияние интенсивности закрутки потока на структуру течения, число Рейнольдса варьировалось от 1·10 до 60·10 Установлено, что при увеличении числа Рейнольдса структура течения изменяется от слоистого до усложненного развитыми вторичными вихрями. Качественно выделяются следующие три типа течения слоистое течение, течение с приосевым вихрем, течение с приосевым и пристенным присоединенными вихрями. Выявлено, что условием, необходимым для возникновения обратных токов, является не сама закрутка, а падение крутки. Качественная картина, полученная теоретически, хорошо согласуется с известными экспериментальными данными. Получено удовлетворительное совпадение профилей на удалении от лопастей завихрителя. При приближении к завихрителю ошибка возрастает. Достаточная для практики точность расчета обеспечивается на расстоянии от лопастей Результаты расчета используются в уравнениях движения частиц для определения ожидаемой эффективности процесса газоочистки. Предложен единый подход к расчету газопромывателей, основывающийся на теории геометрического подобия и позволяющий учесть основные тенденции гидродинамических процессов сепарации, а также геометрические параметры аппарата. Установлена однозначность влияния на вторичный унос пыли критериев геометрического подобия С г, и С р, определяющих геометрические и режимные параметры аппарата. Связывающий оба критерия фактор сепарации Ф позволяет разделить процесс газоочистки на две области вторичного уноса пыли и зоны полной сепарации. Разработан универсальный метод расчета, согласно которому определение эффективности газоочистки сводится к определению эффективного диаметра частиц d эф , полностью улавливаемых аппаратом. Важно отметить, что эффективный диаметр частиц значительно меньше их медианного диаметра, обычно вводимого в расчет, что и обуславливает неточность известных зависимостей. Введение эффективного диаметра частиц позволило значительно сблизить экспериментальные и расчетные данные. Значительное повышение точности предлагаемого метода также обусловлено рассмотрением аппаратов одного класса достоверностью выборки экспериментальных параметров для определения коэффициентов регрессии учетом наиболее существенных факторов, оказывающих влияние на эффективность сепарации. Сравнительный анализ с известными методами расчета показал, что универсальный метод является более точным. Ошибка прогноза эффективности очистки в пределах δ i = (0,5...+4,5) В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса сепарации газопылевого потока в динамическом газопромывателе. Приводится описание методики проведения эксперимента по исследованию гидравлического сопротивления и эффективности процесса очистки газа. Решена задача определения гидравлического сопротивления орошаемого аппарата при изменении нагрузок по фазам, а также, при принудительной закрутке потока, с учетом угловой скорости вращения ротора и изменении направления вращения лопастей завихрителя. Исследование этих факторов и создание методики расчета гидравлического сопротивления является важной задачей в снижении металлоемкости аппарата и энергозатрат на очистку газа. Получены полуэмпирические зависимости для расчета гидравлического сопротивления газопромывателя. Рассмотрены экспериментальные исследования эффективности процесса очистки газа, в результате которых был определен фракционный состав улавливаемых частиц, что позволило определить эффективность газопромывателя, а также сопоставить его способность сепарации для частиц разного диаметра. Результаты по экспериментальной эффективности сравнивалась с результатами, полученными теоретическим расчетом эффективности геометрически подобного аппарата с теми же параметрами с использованием разработанной методики расчета. Исследовано влияние на эффективность и гидравлическое сопротивление конструктивных параметров газопромывателя: угла наклона лопастей завихрителя, количества лопастей, геометрических размеров завихрителя, а также основных режимных параметров скорости и направления вращения лопастей завихрителя. Реализован метод целенаправленной интенсификации турбулентности, движущейся в поле центробежных сил среды, что достигается с помощью вращающегося лопастного завихрителя. Основой управления турбулентностью среды является формирование области интенсивной закрутки, где ключевым параметром выступает угловая скорость вращения завихрителя ω опт Выявлены оптимальные гидродинамические условия центробежной сепарации, которые предложено оценивать величиной оптимальной скорости вращения завихрителя, при которой отсутствует вторичный унос пыли. Получены следующие рекомендации для проектирования максимальная эффективность сепарации обеспечивается при установке лопаток на угол α= 10 ÷30° и отрицательном направлении вращения, те = 100 + 110°; увеличение числа лопаток может быть целесообразным, если требуется увеличение давления газа на выходе из аппарата и не является рациональным способом повышения эффективности очистки газа; целесообразно обеспечивать умеренные значения υ (до 30 мс) и ω опт (до 100 с -1 ). В четвертой главе приведены методика и результаты исследований эффективности очистки технологических газов от пыли в аппарате ударно- инерционного действия. Установлено, что в рассматриваемом аппарате наблюдается снижение фракционной эффективности сепарации мелкодисперсных частиц, обусловленное повышением вязкости орошающей жидкости, ноне настолько резкое, как в других типах пылеуловителей. Были исследованы пыли, различающиеся своей смачиваемостью (талькомагнезит молотый ТМП, белая сажа и порошок мела. Важным итогом проведенных исследований явилось определение граничных концентраций суспензии различных пылей, после превышения которых общая эффективность пылеулавливания снижается. Определена граничная степень рециркуляции орошающей жидкости, обеспечивающая стабильную работу ротоклона, при этом показано, что снижение эффективности улавливания мелкодисперсных частиц обусловлено ростом вязкости орошающей жидкости. Установлено, что в установках ударно-инерционного типа, где инерционный механизм является основным при выделении частиц пыли из газа, общая эффективность пылеулавливания существенно падает при увеличении концентрации суспензии, что связано со все уменьшающейся способностью системы задерживать мелкие частицы Рассмотрен вопрос аэродинамического профилирования лопаток импеллера. Придание лопаткам импеллера синусоидального профиля позволяет устранить отрыв потока на кромках. При этом происходит обтекание входного участка профиля лопаток с большой постоянной скоростью и увеличение рикошетов от профилированной части лопаток, с учетом которых можно прогнозировать увеличение эффективности очистки газа. Выявлена возможность целенаправленно моделировать структуру течения потока, что достигается с помощью регулируемых лопаток импеллера синусоидального профиля, при этом лопатки могут быть установлены вдоль радиуса любым необходимым образом. Обнаружено, что аэродинамическое профилирование лопаток импеллера позволяет добиться более высокой эффективности газоочистки при минимальных энергозатратах. Для более детального изучения аэрогидродинамических характеристик в аппарате было применено компьютерное моделирование в программе Ansys CFX. Моделировалось течение газа без дискретной фазы, т.к. силовое и тепловое влияние частиц мало и им можно пренебречь. Целью исследования ставилось установление роли лопаток импеллера, для чего были проведены сравнительные испытания эффективности работы одного аппарата в двух конструктивных исполнениях: а) обычный ротоклон; б) ротоклон с лопатками импеллера, предложенными в настоящей работе. Установлено, что газовый поток в аппарате с лопатками импеллера в зоне инжекции имеет многочисленные равномерные завихрения. За лопатками импеллера образуется турбулентный следи рост частоты турбулентных пульсаций, что связано с отрывом пограничного слоя от его поверхности. Полученные в результате расчета поля скоростей показывают, что с установкой синусоидальных лопаток импеллера, наблюдается более равномерное распределение скоростей в аппарате, что положительно сказывается на эффективности сепарации мелкодисперсных примесей. В пятой главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований работы барботажно-вихревого аппарата, направленных на определение влияния конструктивных параметров завихрителя, удельного орошения, режимов работы аппарата на аэродинамику газожидкостного потока и эффективность газоочистки. Исследование зависимости ξ от профиля лопастей завихрителя и параметров закрутки потока К, проводилось на четырех завихрителях различного конструктивного исполнения. Сравнение сепарационных возможностей завихрителей различных типов выявило наиболее выгодный параболический профиль, обеспечивающий высокую производительность по очищенному газу и эффективность пылеулавливания. При коэффициенте закрутки Кон обеспечивает потери напора до Паи эффективность очистки 97%. С учетом анализа опытных данных была разработана методика расчета коэффициента гидравлического сопротивления, учитывающая влияние геометрических параметров завихрителя, закрутку потока и наличие орошения. Для расчета эффективности очистки газа в БВА сохраняется та же математическая модель, что и для газопромывателя. При этом структура газодисперсного потока определяется не угловой скоростью вращения ротора, а параметром закрутки потока. |