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.
|
|
циркуляцией жидкости Устройство и эксплуатация систем мокрой пылеочистки значительно упрощаются, если подвод орошающей жидкости к зонам контакта выполняется в результате ее циркуляции внутри аппарата. Шлам, скапливающийся в бункере, отводится непрерывно либо периодически посредством механических транспортеров, в этом случае необходимость в системе оборотного водоснабжения отпадает, либо отвод шлама производится гидравлическим путем – сливом части воды. В последнем случае устройство системы оборотного водоснабжения может оказаться целесообразным, но нагрузка на нее значительно меньше, чем при циркуляции всего объема воды Для пылеуловителей такого типа характерно наличие емкости, заполненной водой. Очищаемый воздух контактирует с этой водой, причем условия контакта определяются взаимодействием струй воздуха и воды. Это же взаимодействие вызывает циркуляцию воды через зону контакта за счет энергии самого очищаемого воздуха [66, Расход воды устанавливается в виде потерь ее на испарение и с удаляемым шламом. Если удаление шлама производится механическим скребковым транспортером или вручную, то расход воды в таком случае минимальный и составляет порядка 3…5 г на 1 м 3 воздуха. В случае периодического слива сгустившегося шлама, расход воды устанавливают в зависимости от консистенции шлама в соотношении 10…15 г на 1 м 3 воздуха, при непрерывном сливе расход воды не менее 100…200 г на 1 м 3 воздуха. Заполнение пылеуловителей водой должно регулироваться автоматически, а поддержанее ее постоянного уровня имеет важное значение, поскольку его колебания приводят к существенным изменениям как эффективности, таки производительности установки газоочистки. Наиболее популярные конструкции аппаратов внутренней циркуляцией жидкости представлены на рисунке 1. Рисунок 1.9 – Конструкции газопромывателей с внутренней циркуляцией жидкости: а – ротоклон типа N (США б – пылеуловитель ПВМ (Россия в – пылеуловитель ВНИИМТ (Россия г – ротоклон М (Чехославакия); д – пылеуловительWNA(Германия); е – ротоклон "Аско" (Германия ж – пылеуловитель ГИПРОХИМа (Россия з – ротоклон "Клайратор" (США и – пылеуловитель Австрияк ротоклон N НИИОГАЗа (Россия Конструктивно такие аппараты состоят из частично погруженных в жидкость контактных каналов и каплеуловителей, объединенных водном корпусе. Их принцип действия основан на интенсивной промывке газа в контактных каналах различной конфигурации с дальнеешей сепарацией газожидкостного потока в каплеуловителях. Жидкость, отделенная от газа, не удаляется при этом из аппарата, а продолжает циркулировать внутри него за счет кинетической энергии потока газа, многократно используясь в пылеулавливающем процессе. Каждый из таких аппаратов имеет устройство для поддержания постоянного уровня жидкости и устройство для отвода шлама. Процесс осаждения частиц пыли в мокрых пылеуловителях этого типа основан на так называемом механизме удара [71]. Эффективность осаждения обусловливается инерционным параметром η, который зависит от эквивалентного диаметра входного патрубка скорости истечения газового потока из него. Влияние на эффективность аппарата оказывает расстояние от отверстия патрубка до поверхности осаждения. Приуменьшении этого расстояния растет как эффективность осаждения, таки гидравлическое сопротивление аппарата и, наоборот, при увеличении, оба эти параметра понижаются. Поэтому для нормальной эксплуатации ударно-инерционных аппаратов чрезвычайно важно поддержание оптимального уровня жидкости. Отличительные особенности аппаратов. орошение газового потока производится без использования форсунок, что позволяет использовать для очистки газа орошающую жидкость с высоким содержанием взвеси (до 300 мг/м 3 ); 2. замкнутый контур циркуляции жидкости внутри аппарата, позволяющий многократно употреблять жидкость и осуществлять ее расход на газоочистку значительно более рационально, чем в других типах мокрых пылеуловителей. утилизация уловленной пыли из аппарата в виде густого шлама с низкой влажностью, что уменьшает нагрузку на систему очистки воды, либо позволяет полностью отказаться от ее сооружения 37 4. размещение каплеуловителей внутри корпуса, что позволит снизить габаритные размеры аппарата и обеспечить его компактность. Рассмотренные особенности газопромывателей ударно-инерционного действия способствовали их широкой популярности, успешной разработке и внедрению таких аппаратов в России и зарубежом. С целью эксплуатации пылеуловителей в оптимальном режиме производится регулирование режимных параметров, в частности, гидравлического сопротивления, обеспечивающего благоприятные условия взаимодействия фаз при максимальной эффективности улавливания пыли с наименьшими энергетическими затратами. Регулирование сопротивления приобретает большое значение также для стабилизации процесса газоочистки применяющихся параметрах очищаемого воздуха. Ряд таких газопромывателей представлен на рисунке Рисунок 1.10 – Мокрые пылеуловители с регулируемыми параметрами: а – по патенту №1546651 (ФРГ б – АС СССР в – АС № 598625 (СССР); г – АС №573175 (СССР д – по патенту № 1903985 (ФРГ); е – АС № 13686450 (Франция ж АС 332845 (СССР з – АС 318402 (СССР); и – АС № 385598 (СССР к – типа РПА НИИОГАЗа (СССР) Поворот регулирующих перегородок в пылеуловителях на рисунке 1.10, а, б, осуществляется вручную или дистанционно посредством привода электродвигателя, а в аппарате на рисунке 1.10, в – вручную, путем перемещения перегородок друг относительно друга на резьбовом соединении. На рисунке, еж пылеуловитель снабжен нижними перегородками в виде поплавка, что способствует стабилизации процесса газоочистки при изменяющемся уровне жидкости. В аппаратах на рисунке 1.10, и, к контактные устройства размещены на стенках плавающей камеры, погруженной в жидкость, что позволит автоматически поддерживать постоянное гидравлическое сопротивление при изменяющейся нагрузке по газовой фазе. За рубежом в США) применяют барботажный пылеуловитель, скомпонованный водном блоке с центробежным вентилятором [70]. Такой аппарат называют ротоклоном типа N (рисунок 1.11). В этом аппарате газ проходит через щелевые каналы (импеллеры), образованные изогнутыми лопатками, нижняя часть которых опущена в жидкость. При этом создается завеса из капель разбрызгиваемой жидкости. Рисунок 1.11 – Ротоклон типа N: 1 – устройство для подвода газа – направляющие лопатки – уровень воды 4 – зона промывки – каплеотбойник; 6 – устройство для вывода газа В этой завесе газ охлаждается и очищается от пыли. Скорость газа в щелевых каналах ротоклона не превышает мс. Жидкость в аппарате поддерживают на определенном уровне, который играет важную роль в нормальной эксплуатации ротоклона. Ротоклон типа N предназначен для очистки вентиляционного воздуха от волокнистой и липкой пыли. Шлам удаляют из аппарата периодически по мере накопления в нем определенного количества пыли. Для компенсации уноса и испарения воды ее подают в ротоклон в количестве, не превышающем 0,03 кг/м 3 Производительность ротоклонов от 2,5 до 90 тыс м 3 /ч. Газовую нагрузку принимают, исходя из площади зеркала воды в резервуаре. Она равна в среднем 39 1000 м 3 /(ч∙м 2 ). Длина щелевого канала составляет от 0,8 дом при гидравлическом сопротивлении ротоклона не более 1,0÷2,5 кПа В России применяют следующие ударные пылеуловители [70,71]: конструкции института "Гидротяжмаш", работающий по типу ротоклона N, производительностью 10 и 40 тыс м 3 /ч; конструкции ВЦНИИОТа типа ПМВК производительностью 45 и 10 тыс мчи конструкции института "ЦНИИ промзданий" типа ПВМ (рисунок производительностью 3,5; 10; 20 и 40 тыс м 3 /ч. Применяют и ротоклон типа "Уралу которого газовая нагрузка нам щели составляет тыс м 3 /ч при гидравлическом сопротивлении 1000 Па. Рисунок 1.12 – Ротоклон типа П – патрубoк подачи газа 2 – кoрпуc; 3 – верхний импеллер; 4 – нижний импеллер; 5 – cлив жидкости – уровень воды 7 – каплеотбойник; 8 – вытяжной вeнтилятoр Известные конструкции газопромывателей с внутренней циркуляцией жидкости очень чувствительны к изменению уровня жидкости и к газовой нагрузке на контактные каналы, даже небольшие отклонения от оптимальных значений этих параметров приводят к раскачке уровня жидкости в контактных каналах, неустойчивым режимам работы и понижению эффективности очистки. Такие аппараты, как правило, имеют большие габариты, обусловленные низкими скоростями газа в контактных каналах. Указанные недостатки аппаратов, а также малая изученность протекающих в них процессов, отсутствие достоверных методов расчета, затрудняют разработку новых конструкций газопромывателей такого типа и их массовое внедрение в производство. Для обеспечивания высокой эффективности пылеулавливающей установки, особенно при очистке от тонкодисперсной пыли, нужно иметь ввиду, что получить необходимое значение конечной запыленности можно, в зависимости от аппаратуры для улавливания, различными путями и разными способами При выборе между сухими мокрым способом пылеочистки нужно учитывать, что несмотря на более простую возможность добиться желаемой степени очистки в аппаратах мокрого типа, энергозатраты в них для выполнения высокоэффективной пылеочистки значительно выше, чем в сухих аппаратах. Общим недостаткам мокрых аппаратов является необходимость обработки шлама, отходящего от аппарата, с отстаиванием в нем уловленной пыли и возвратом оборотной воды снова на проведение процесса газоочистки. Недостатком также является зарастание системы трудноудалимыми отложениями, котроые снижают эксплуатационную надежность установки, особенно если пыль имеет склонность к цементации при обработке водой. Мокрые методы предпочтительны, если необходимо одновременное охлаждение очищаемого газа до точки росы, либо улавливаемая пыль будет использоваться в последующем производстве в виде пульпы. В ряде случаев мокрые пылеулавливающие установки применяются для очистки взрывоопасных, либо токсичных газов, что объясняется малыми габаритами установок, позволяющими лучше обеспечить условия герметизации корпуса. Снижение энергозатрат в мокрых схемах может быть достигнуто при применении мокрых электрофильтров, но это приведет к увеличению капитальных затрат и габаритов установок. Все вышесказанное обуславливает проведение комплексного теоретического и экспериментального исследования газопромывателей с внутренней циркуляцией жидкости с целью интенсификации систем очистки промышленных газов Проблемы расчета гидродинамики и сепарации многофазных сред Разработка новых математических подходов к расчету турбулентных закрученных течений является важным шагом в создании адекватных методов расчета инерционных аппаратов с целью оптимизации их 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. Основное внимание необходимо уделить исследованию смежных задач гидродинамики, а также статистическим подходам для прямого численного моделирования закрученных течений многофазных среди задачам турбулентности. Наиболее интересна разработка эффективного численного метода решения многомерных чисто гиперболических уравнений, либо уравнений параболического типа, содержащих гиперболические части. Для описания пространственно - нестационарных задач течения многофазных сред применяются такие математические модели. Проблема построения вычислительного алгоритма решения такого типа задач достаточно сложна и, как правило, решается поэтапно Сформулируем некоторые общие положения математической реализации таких схем. Гиперболичность уравнений. Гиперболическая часть параболических уравнений является источником возникновения больших градиентов в узких зонах (в чисто гиперболических задачах появляются разрывы решений). Эффективные методы решения гиперболических уравнений имеют, таким образом, широкую сферу применения. Действительно, методы расщепления по физическим процессам позволяют довольно формально и эффективно вводить практически любой ранее разработанный (для решения гиперболических уравнений) метод в общий алгоритм решения параболической задачи, содержащей гиперболическую часть. В качестве примера можно привести расщепление в методе типа частиц в ячейках (на конвективную и неконвективную части схемы Маккормака (нсвязкое обтекание и пограничный слой модификации сеточно-характеристического метода и др. Многомерность. Наиболее универсальными и эффективными подходами решения многомерных параболических и гиперболических уравнений (явные и неявные схемы) являются разнообразные методы расщепления по пространственным переменным. Используя подобные подходы, можно практически любой одномерный численный алгоритм естественным образом обобщить на многомерный случай. Исходная задача, таким образом, существенно упрощается и сводится к поиску хороших одномерных схем. Метод неопределенных коэффициентов. Весьма конструктивным является использование метода неопределенных коэффициентов (с введением линейных пространств этих коэффициентов) на этапе анализа разностных схем для простейших уравнений переноса. Этот подход позволяет построить для произвольных сеточных шаблонов все множество разностных схем с положительной аппроксимацией (монотонных или мажорантных схем подругой терминологии, играющих важную роль в вычислительной математике. В самом общем случае удается доказать отсутствие разностных схем с положительной аппроксимацией и с более высоким (чем первый) порядком точности на решениях исходных уравнений. На основе этого же подхода для наиболее употребительных сеточных шаблонов (как явных, таки неявных) построены сеточно-характеристические схемы второго и третьего порядка точности, наиболее близкие во введенном в рассмотрение пространстве коэффициентов к схемам с положительной аппроксимацией. Данный подход является весьма перспективными при построении так называемых гибридных схем для эффективной регуляризации разрывных численных решений [225]. 4. Проблемы верификации результатов численного моделирования. Эта проблема приобретает особенную актуальность, когда речь идет о прямом численном моделировании сложных (комплексных) явлений или процессов. В этом случае существенным моментом оказывается обнаружение, распознавание и идентификация новых эффектов. Задачи распознавания представляют собой, по существу, построение дискретных аналогов проблем поиска оптимальных решений. Математические модели течения многофазных сред должны, с одной стороны, максимально точно прогнозировать показатели газоочистки при модифицировании какого-либо параметра, ас другой стороны, показывать возможные пути интенсификации процесса сепарации. Для этого модель должна обеспечивать характеристики всех важных аспектов течения (граничные условия, физические параметры многофазных сред, турбулентность и геометрические характеристики) с возможностью решения таких уравнений. В настоящее время далеки от совершенства даже модели однофазных турбулентные течений, хотя имеются уже достаточно эффективные модели, расчет по которым не вызывает принципиальных сложностей. Моделирование течения дисперсной фазы в инерционных аппаратах осложняется детерминированно-стохастическим характером движение частиц в турбулентном закрученном потоке, который осложняется взаимодействием частиц друг с другом и со стенками аппарата, сложностью задания входных условий, модификацией частиц в результате дробления и коагуляции. Достаточно хорошо обосновано использование метода математического моделирования для исследования потока мелкодисперсных частиц, движение которых подчиняется закону Стокса. В случае очень крупных частиц при их высокой концентрации и значительной частотой соударений, перспективные методы в этом направлении отсутствуют. Агломерацию и коагуляцию частиц также можно отнести к особо сложным факторам для моделирования. Расчет турбулентных закрученных течений при создании адекватных методов расчета инерционных аппаратов должен давать корректные результаты в широком диапазоне переменных, а также сочетаться с простыми недорогим лабораторным исследованием характеристик пыли, результаты которого могут применяться в качестве входных данных. Наиболее оптимальный метод расчета выбирается только после многочисленных опытов, при неизбежном несовпадении результатов для первого численного расчета с характеристиками оборудования. Сложные процессы, например коагуляция, может быть учтена посредством эмпирических соотношений при условии, что они в количественном соотношении достаточно реальны Проблемы конструирования инерционных аппаратов с активной гидродинамикой В настоящее время область промышленного распространения инерционных аппаратов с активной гидродинамикой с каждым годом все расширяется. Их использование приводит к росту производительности газоочистных установок при их компактности, сокращению сроков окупаемости, повышению эффективности протекающих в них процессов. Эффективность инерционных аппаратов отмечается многими авторами в монографиях и обзорных статьях поданной тематике. Тем не менее, существуют факторы, усложняющие распространение инерционных аппаратов с активной гидродинамикой. Несмотря на активное расширение области применения мокрой очистки газа, отсутствуют данные о полной замене такими инерционными аппаратами традиционной сепарационной аппаратуры (циклоны, мокрые фильтры, скрубберы) хотя бы водной из областей промышленности [10, 12, Основную причину ограниченного использования таких аппаратов многие авторы [16, 19, 20] видят в отсутствии достоверных методов расчета гидроаэродинамических процессов в газопромывателях, а также критериев масштабного перехода от лабораторных моделей к промышленным установкам. Интенсификация процессов в инерционных аппаратах приводит к существенному увеличению крутки потока, что может повлечь за собой потерю устойчивости, для которой характерен распад осесимметричного вихревого ядра и возникновение после области распада возмущенного движения в виде одиночных или двойных винтообразных вихрей. Возможность образования вихря определяется значением критерия Рейнольдса и параметром крутки. Установлено, что увеличение крутки потока ведет к ускорению распада вихревого ядра, тем самым расширяя границу неустойчивой работы инерционных аппаратов. В современных исследовательских работах в теории и практике газоочистного оборудования можно отметить обширный диапазон исследований в этой области, что объясняется кажущейся простотой реализации закрученных потоков в промышленных установках. Однако в большинстве работ игнорируется сложная структура реального течения [182]. Многие исследователи ограничиваются замером лишь осредненных характеристик потока, которые не дают представления о пространственных структурах реального течения, без изучения которых невозможно определить, достигнута ли максимальная эффективность процесса сепарации, найти границы переходных зон и верно оценить новые конструктивно-схемные решения. При этом остается невозможным создание теории подобия сильно закрученных потоков, необходимой для целенаправленного совершенствования инерционных аппаратов для газоочистки. Этот факт спровоцировал создание большого количества противоречивых рекомендаций для выбора конструктивных параметров газопромывателей (закручивающих устройств и размеров проточной части, которые были реализованы в разнообразных промышленно выпускаемых аппаратах. Рисунок Конструктивная схема газопромывателя : 1 – цилиндрическая обечайка коническая обечайка труба выхлопная; 4 – тангенциальный входной патрубок Рекомендации по конструированию базируются, как правило, только на данных экспериментального исследования, что сужает диапазон их применимости. В качестве пояснения к рисунку 1.13 в таблице 1.1 приводятся обобщенные значения рекомендуемых параметров [60], диапазон разброса которых свидетельствует о неблагополучии сложившейся ситуации. До настоящего времени в области применения газоочистных аппаратов отсутствует единая терминология, не разработаны единые модифицированные ряды аппаратов, не разработан общий подход для оценки основных технологических показателей аппаратов Таблица Рекомендации для выбора конструктивных параметров Параметр Вид Значение Относительная ширина входного патрубка b/D 0,05÷0,35 Относительный диаметр входного патрубка d/D 0,15÷0,75 Соотношение размеров входного патрубка h/b 1÷6 Соотношение площади входа и выхода A вх /A вых 0,6÷2,5 Относительная длина выхлопной трубы L вых /D 0,5÷1,8 Относительная длина корпуса аппарата l/D 1,5÷5,5 Отношение конической части к длине корпуса L к /l 0÷1 Подобная ситуация наблюдается ив промышленном производстве, где динамические газопромыватели изготовляются в условиях единичного выпуска, т.к. для них невозможна технология изготовления из листового металлопроката, широко используемая в случае циклонного оборудования ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 1. Анализ современного состояния и перспектив развития газоочистного оборудования показал, что 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. Современные газоочистные аппараты различаются, как правило, способом организации закрутки потока или конструктивным оформлением узла разделения фаз. 2. 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 инерционным аппаратам с активной гидродинамикой, в которых низкие энергетические затраты на газоочистку, эксплуатационная надежность и простота конструктивного оформления, сочетаются с высокой эффективностью процесса сепарации дисперсных частиц. Несмотря на сравнительно большое число исследований в этой области, практически отсутствуют работы, охватывающие принципы расчета газоочистного оборудования с единых методологических позиций. Сточки зрения большинства исследователей существуют задачи, решить которые необходимо в ближайшие годы отсутствие комплексного подхода к оценке параметров аппаратов и технологических процессов, способного обеспечить оптимальную настройку аппаратов и максимальную эффективность процесса недостаточная точность известных методов расчета эффективности, основанных на аппроксимации фракционной эффективности пылеуловителей эмпирико-вероятностными функциями. 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 оценкой вклада отдельных элементов для более детального понимания физического механизма центробежной интенсификации ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Анализ достоинств и недостатков различных методов очистки газов от газообразных примесей позволил сделать вывод о том, что при очистке больших объемов газовых выбросов наиболее простыми надежным в реализации является очистка в инерционных аппаратах с активной гидродинамикой. Целью настоящей работы является 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. Для достижения поставленой цели в работе решались следующие задачи: 1. 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. 2. Исследовать движение частиц в закрученном потоке и получить качественную картину распределения составляющих скорости газа в сечении аппарата. Разработать численный алгоритм для расчета движения газодисперсных потоков при различных режимах течения газовзвесей в рабочей зоне аппарата. 3. Получить принципиально различные режимы течения движущейся в поле центробежных сил среды в зависимости от интенсивности закрутки потока, формируемого вращающимся лопастным завихрителем. Экспериментально установить закономерности процесса сепарации и произвести сопоставление опытных и расчетных эффективностей очистки газа от дисперсных примесей. 4. 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 49 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. 6. Исследовать рабочие процессы в инерционных аппаратах с активной гидродинамикой, 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 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 ГЛАВА 2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ |