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.
|
|
, определяющих конструктивные и режимные параметры аппарата. Введено понятие "фактор сепарации Ф, связывающий оба критерия и позволяющий разделить процесс газоочистки на две области вторичного уноса пыли и зоны полной сепарации. Результаты исследований положены в основу новой методологии расчета эффективности газоочистки, отличающейся хорошей точностью прогнозируемых значений, простотой получаемых на ее основе решений, а также возможностью оценки эффективности газоочистки при отсутствии сведений о дисперсном составе пыли. Значительное повышение точности предлагаемой методологии обусловлено рассмотрением аппаратов одного класса использованием в расчетах эффективного диаметра частиц, который значительно меньше их медианного диаметра точностью выборки данных эксперимента для определения регрессионных коэффициентов учетом наиболее существенных факторов, влияющих на эффективность сепарации. 4. Разработана методика инженерного расчета газопромывателя, позволяющая определять значения основных режимных и конструктивных характеристик центробежных газоочистных аппаратов. Получена аналитическая зависимость между эффективностью газоочистки и критериями подобия, моделирующими работу газопромывателя. 5. Верификационная проверка показала возможность применения разработанной методики в инженерной практике и подтвердила универсальность полученных решений. Ошибка прогноза составила 1,2...2,6 % . ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЯ 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. 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. Несмотря на обширный теоретический и экспериментальный материал по исследованию процессов сепарации, накопленный применительно к аппаратам с закрученными потоками, ряд наблюдаемых в них явлений не может быть объяснен в рамках сложившихся представлений, а проблема повышения их эффективности остается острой. 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 К перспективным методам интенсификации улавливания мелкодисперсных примесей относится мокрая очистка газа, которая характеризуется сложными массообменными процессами в момент взаимодействия газодисперсного потока с орошающей жидкостью. В результате этого взаимодействия меняются скорость и концентрация фаз, обусловливающие процесс газоочистки. Анализ технической литературы по исследованиям в данной области обнаруживает зависимость выходных характеристик газодисперсного потока от конструктивных параметров и режимных факторов, что указывает на качественно различную гидродинамику потоков при разных значениях этих параметров. Довольно ограниченное практическое применение динамических газопромывателей в отличие от обычных циклонов объясняется не только некоторой усложненностью конструкции этих аппаратов, но и недостаточной изученностью гидродинамических характеристики технологических режимов их работы. Проведенное исследование сепарирующей способности газопромывателя [81] показало, что существуют определенные и весьма широкие области, обусловленные конструктивными и режимными факторами, а также свойствами разделяемых суспензий, в которых проявляются очевидные преимущества аппаратов такого типа по сравнению с обычными цилиндро- коническими циклонами при сопоставимых удельных энергетических затратах. Сложный характер распределения скоростей, наличие градиента давления по радиусу в закрученном газовом потоке значительно усложняет аналитическое решение задачи о гидравлическом сопротивлении аппаратов с закрученным газовым потоком. Установленным фактом следует считать то, что в газопромывателе значения тангенциальной скорости газа, на порядок превышающие осевую и на два порядка - радиальную составляющие суммарной скорости газодисперсного потока [75, 134, 135] и оказывающие превалирующее влияние на процесс центробежной сепарации, в области закрутки потока изменяются в соответствии с уравнением (2.8). Для определения локальных значений и распределения этой скорости в объеме аппарата в настоящее время следует отдать предпочтение экспериментальным методам исследования. В данной работе ставилась задача определения гидравлического сопротивления орошаемого аппарата при изменении нагрузок по фазам, 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 аппаратов и энергозатрат на очистку газа Экспериментальные исследования и методика проведения эксперимента На основании анализа конструкций современных аппаратов для очистки газа разработана и запатентована конструкция динамического газопромывателя. Аппарат снабжен вращающимся лопастным завихрителем и центральной трубой для подачи орошающей жидкости. Центробежные силы, возникающие при вращении ротора, обеспечивают дробление жидкости на мелкие капли, что обуславливает интенсивный контакт газов и улавливаемых частиц с жидкостью. Благодаря действию центробежных сил, интенсивному перемешиванию газа и жидкости и наличию большой межфазовой поверхности контакта, происходит эффективная очистка газа в пенном слое Исследования гидравлического сопротивления газопромывателя с завихрителем высотой 0,25 м проводились на экспериментальной установке, изображенной на (рисунок 3.1). Величина гидравлических потерь определялась по разнице статического давления газового потока дои после ротора. Расход воздуха выбирался в диапазоне скоростей, рассчитанных на контактное сечение канала от 0 до 25 мс. Для этого, посредством поворота шибера, устанавливался расход воздуха, и измерялось газовым счётчиком его значение, одновременно фиксировалось сопротивление аппарата. Было получено порядка 20 точек, в которых проведились замеры с помощью манометра. В процессе исследования менялись следующие параметры: – скорость газа на входе в завихритель υ=1÷20 мс угловая скорость вращения ротора = 0÷100 с направление вращения <90° или >90, где ᾀ – угол между вектором относительной скорости ω и вектором окружной скорости υ; – угол установки лопаток α = Впервой серии опытов было установлено влияние скорости газового потока на гидравлическое сопротивление аппарата без подачи орошающей жидкости. Рисунок 3.1 – Экспериментальная установка Следующая серия опытов выполнялась с наличием орошения в аппарате в системе вода – воздух. Расход воздуха выбирался в диапазоне скоростей, рассчитанных на контактное сечение канала от 5 до 35 мс. Минимальное значение диапазона устанавливалось по наименьшей допустимой скорости газа, зависящей от нагрузки по жидкости. Удельное орошение варьировалось в пределах L/G=(0÷1,6). Все серии опытов проводились при постоянном орошении и изменяющейся скорости воздуха. После устанавления стационарного режима, производились замеры гидравлического сопротивления аппарата (Па расхода воды (л/ч), с пересчетом на удельную плотность орошения (мм расхода газа (м 3 /ч), с пересчетом на скорость газа в контактных каналах (м/с). Давление измерялось в газоходе дои после аппарата. При этом отборные магистрали манометра устанавливались вертикально для предотвращения их забивания. Забивание манометров обычно вызывает пульсация давления, которая приводит к возвратно-поступательному движению аэрозоля в линии манометра, где частицы откладываются. Для стационарного течения забивание частицами магистрали манометра происходит редко. Одним из факторов, препятствующих этому процессу, является броуновское движение. Также осуществлялась продувка отборных магистралей газом в то время, когда измерения не проводились Для фиксированного значения удельного орошения эксперименты по определению гидравлического сопротивления проводились в следующем порядке устанавливалось удельное орошение, равное L/G =0,1; скорость газа в контактных каналах изменялась с помощью шибера, а его расход замерялся газовым счётчиком. Одновременно с помощью манометра замерялось гидравлическое сопротивление аппарата, которое потом пересчитывалось на скорость газа в контактном канале. Далее, с увеличением расхода газа, еще раз измерялось гидравлическое сопротивление. Аналогично были проведены опыты в диапазоне фиксированной величины удельного орошения, равном L/G = Рисунок 3.2 – Схема экспериментальной установки – газопромыватель; 2 – привод 3 – бункер пыли 4 – электродвигатель – шнековый дозатор 6 – вентилятор типа ВВД; 7 – диафрагма – дифманометры; 9 – пробозаборные трубки 11 – электроаспиратор; 12 – напорный бак 13 – ротаметры 14 – пробоотборники Следующая серия экспериментов проводилась для исследования зависимости гидравлического сопротивления от нагрузок по жидкой фазе, которая пересчитывалась на удельную плотность орошения при постоянной скорости газа в контактных каналах. Все измерения проводились аналогично первоначальным опытам. Сначала манометром измерялось сопротивление в сухом аппарате, затем, при фиксированном значении скорости воздуха для различных значений удельного орошения. Экспериментальные исследования эффективности процесса очистки газа проводились на установке, согласно представленной схеме (рисунок Запыленность пылегазовой смеси создавалась с помощью порошка талька и устанавливалась прямым методом. После выхода на соответствующий режим работы газопромывателя – 1, пробы газа исследовались с помощью пробозаборных трубок – 9, с установленными на них сменными наконечниками различного диаметра – 14 и с соблюдением изокинетичности отбора проб. Для выполнения условия изокинетичности отбора проб посредством пневмометрической трубки была предварительно замерена скорость движения потока в газоходе. Сущность метода базируется на обеспечении равных скоростей потока в русле пробозаборной трубки ив газовом тракте. Внешняя фильтрация осуществлялась протягиванием газовой смеси с помощью отарированного электроаспиратора – 11. Скорость отбора проб фиксировалась ротаметром электроаспиратора ЭА – 55, а время замерялось по секундомеру. Каждый фильтр АФА-10 был взвешен дои после замеров с помощью аналитических весов. Для каждого режима работы аппарата проводилось 8 замеров с различным временем отбора проб. Эффективность очистки воздуха определяли по разности весов фильтра G 2 после очистки и G 1 до очистки = (ΔG 1 – G 2 )/ Расход воздуха Q в мс) определялся с учетом скорости воздушного потока υ, мс через поперечное сечение воздуховода S, м 2 по формуле = υ · где скорость воздушного потока, измеренная с помощью образных манометров по динамическому давлению, определялась как 108 д H 2 , где – плотность воздушного потока, кг/м 3 Отбор проб производился с учетом адгезии частиц на внутренней поверхности устройств отбора. Погрешность, вызываемая адгезией, проявляется двояким образом: 1)общее содержание частиц может быть заниженным) мелкие частицы более легко слипаются со стенками, чем крупные. Таким образом, в измеряемом диапазоне будет осуществляться тенденция к завышению части крупных частиц. Погрешность, вызванная адгезией, наиболее значительна для небольших расходных концентраций частиц в пробах, что объясняется скоростью стабилизации толщины и состава отложжений, которая зависит от условия течения в пробоотборнике. Таким образом, при одинаковой скорости отбора поток плотной взвеси станет независимым от влияния адгезии раньше, чем ноток разреженной взвеси. Однако во всех-случаях этот источник погрешности можно полностью исключить, производя сравнение последовательно взятых проб. Исследуемые пробы с пометкой времени отбора направлялись в отдельный фильтрующий блок с короткой подводящей трубой. Этот блок включался в контур, только когда это требовалось. Указанный эффект нельзя учесть коррекцией данных, так как имеет значение механизм когезии. В исследовании [59] этот эффект был исключен путем непрерывной аспирации взвеси. Исследуемые пробы с пометкой времени отбора направлялись в отдельный фильтрующий блок с короткой подводящей трубой. Этот блок включался в контур, только когда это требовалось. Обработка полученных результатов проводилась по известной методике. Для экспериментального исследования использовалась пыль порошка талька, относящаяся к мелкодисперсной пыли и подчиняющаяся логарифмически- нормальному закону распределения частиц со среднеквадратичным отклонением 2,10 и насыпной плотностью от 924 до 1245 кг/м 3 , углом естественного откоса 36,8°. Рисунок 3.3 – Расчет содержания частиц пыли Ввиду отсутствия данных по дисперсности пыли были проведены исследования по определению ее дисперсного состава. В результате эксперимента установлено, что исследуемая пыль не содержит частиц диаметром более 100 мкм. Результаты исследований представлены на (рис) и позволяют сделать вывод, что исследуемая пыль содержит 70% частиц диаметром менее 30 мкм, из них около половины диаметром до 10 мкм. В результате экспериментальных исследований был определен фракционный состав улавливаемых частиц, что позволило определить эффективность газопромывателя, а также сопоставить его эффективность для частиц различного диаметра. На рисунках 3.4 и представлены полученные значения эффективности очистки. Согласно графику (рисунок 3.5), скорость газа на входе в аппарат оказывает влияние на эффективность газоочистки, при этом, значительный рост эффективности наблюдается только для скорости газа в диапазоне от 20 до мс. Это означает, что определение эффективной скорости газа представляет собой оптимизационную задачу – между ростом гидродинамического сопротивления газопромывателя и ростом эффективности очистки газа. Верификация результатов эксперимента проводилась при сравнении с Рисунок 3.4 – Эффективности очистки при различной закрутке потока Рисунок 3.5 – Эффективности очистки при различной скорости газа 109 Рисунок 3.3 – Расчет содержания частиц пыли Ввиду отсутствия данных по дисперсности пыли были проведены исследования по определению ее дисперсного состава. В результате эксперимента установлено, что исследуемая пыль не содержит частиц диаметром более 100 мкм. Результаты исследований представлены на (рис) и позволяют сделать вывод, что исследуемая пыль содержит 70% частиц диаметром менее 30 мкм, из них около половины диаметром до 10 мкм. В результате экспериментальных исследований был определен фракционный состав улавливаемых частиц, что позволило определить эффективность газопромывателя, а также сопоставить его эффективность для частиц различного диаметра. На рисунках 3.4 и представлены полученные значения эффективности очистки. Согласно графику (рисунок 3.5), скорость газа на входе в аппарат оказывает влияние на эффективность газоочистки, при этом, значительный рост эффективности наблюдается только для скорости газа в диапазоне от 20 до мс. Это означает, что определение эффективной скорости газа представляет собой оптимизационную задачу – между ростом гидродинамического сопротивления газопромывателя и ростом эффективности очистки газа. Верификация результатов эксперимента проводилась при сравнении с Рисунок 3.4 – Эффективности очистки при различной закрутке потока Рисунок 3.5 – Эффективности очистки при различной скорости газа 109 Рисунок 3.3 – Расчет содержания частиц пыли Ввиду отсутствия данных по дисперсности пыли были проведены исследования по определению ее дисперсного состава. В результате эксперимента установлено, что исследуемая пыль не содержит частиц диаметром более 100 мкм. Результаты исследований представлены на (рис) и позволяют сделать вывод, что исследуемая пыль содержит 70% частиц диаметром менее 30 мкм, из них около половины диаметром до 10 мкм. В результате экспериментальных исследований был определен фракционный состав улавливаемых частиц, что позволило определить эффективность газопромывателя, а также сопоставить его эффективность для частиц различного диаметра. На рисунках 3.4 и представлены полученные значения эффективности очистки. Согласно графику (рисунок 3.5), скорость газа на входе в аппарат оказывает влияние на эффективность газоочистки, при этом, значительный рост эффективности наблюдается только для скорости газа в диапазоне от 20 до мс. Это означает, что определение эффективной скорости газа представляет собой оптимизационную задачу – между ростом гидродинамического сопротивления газопромывателя и ростом эффективности очистки газа. Верификация результатов эксперимента проводилась при сравнении с Рисунок 3.4 – Эффективности очистки при различной закрутке потока Рисунок 3.5 – Эффективности очистки при различной скорости газа результатами, полученными путем расчета эффективности аппарата с аналогичными параметрами по предложенной методике расчета (рисунок Рисунок 3.6 – Зависимость эффективности очистки от параметра Стокса Полученные результаты качественно подтверждают физические закономерности движения частиц в газопромывателе и характеризуют влияние различных конструктивных и технологических параметров на эффективность газоочистки, что позволяет выявить их оптимальное значение Анализ результатов эксперимента Результаты исследования орошаемого аппарата, представленные на (рисунок 3.7, аи б) показали, что зависимость ζ=ϯ(L/G) имеет возрастающий характер ив заданном диапазоне имеет однозначную связь, за исключением небольшой области при скоростях газа до 5÷7м/с. а) б) Рисунок 3.7 – Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от режимных и конструктивных параметров процесса: а – влияние угла установки лопаток и критерия Рейнольдса; б – влияние закрутки потока и удельного орошения Анализ полученных результатов позволил установить, что рост величины удельного орошения в аппарате за счет увеличения высоты факела распыляемой жидкости не оказывает существенного влияния на гидравлическое сопротевление. Это объясняется тем, что на потери напора оказывает существенное влияние скорость газового потока и степень перекрытия жидкостью контактной зоны аппарата, при этом сформировавшаяся в зоне завихрителя структура потока не измененяется при его прохождении вдоль угловой координаты. Влияние жидкой фазы на гидравлическое сопротивление газопромывателя исследовалось при скорости газа в закручивающем устройстве от 5 до 20 мс и отношениях массовых расходов воды и газа = 0,1÷1,5. При максимальных относительных нагрузках L/G наблюдается рост гидравлического сопротивления, что связано с возникающими в процессе работы затратами энергии газового потока на транспорт жидкой фазы. При этом с ростом области орошения эти потери будут увеличиваться. Анализ результатов эксперимента, представленный на (рисунок 3.7, б, показал, что гидравлическое сопротивление орошаемого аппарата при невысоких относительных нагрузках L/G снижается по отношению к гидравлическому сопротивлению сухого аппарата. Существенное снижение величины гидравлического сопротивления наблюдается при удельном орошении, а при значении L/G=0,6÷0,8 принимает постоянное значение, близкое к сопротивлению сухого аппарата. Дальнейшее увеличение соотношения L/G приводит к росту сопротивления. Понижение гидравлического сопротивления объясняется особенностью гидродинамической обстановки в аппарате [47]. Капли орошающей жидкости образуют на лопастях завихрителя жидкостную пленку, которая, срываясь с лопастей, вовлекается во вращающийся капельный слой. В ходе экспериментов установлено, что при прекращении подачи орошающей жидкости гидравлическое сопротивление снижается не сразу, и только при просыхании стенок аппарата и лопастей завихрителя, принимает значения сухого аппарата. Снижение гидравлического сопротивления можно обосновать благотворным воздействием капельного слоя на поверхности лопастей завихрителя, уменьшением трения о стенки аппарата, а также подавлением турбулентных пульсаций газового потока каплями жидкости 112 |