Підвищення ефективності очищення газів вентиляційних викидів вихровим турбулентним промивником

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 697.9

ПІДВИЩЕННЯ ЭФЕКТИВНОСТІ ОЧИЩЕННЯ ГАЗІВ ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ ВИКИДІВ ВИХРОВИМ ТУРБУЛЕНТНИМ ПРОМИВНИКОМ

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Пранцуз Оксана Сергіївна

Харків-2005



Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Шушляков Олександр Васильович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри "Теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних енергоресурсів"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шапорев Валерій Павлович, завідувач кафедри хімічної техніки та промислової екології, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

кандидат технічних наук, доцент Косенко Наталія Олексіївна, доцент кафедри безпеки життєдіяльності та інженерної екології, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра теплогазопостачання і вентиляції, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 9 листопада 2005 р. об 11⁰⁰ годині на засіданні вченої ради Д.64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (Україна, м. Харків, вул. Сумська, 40)

Автореферат розісланий 8 жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.І. Колотило



АНОТАЦІЯ

Пранцуз О.С. Підвищення ефективності очищення газів вентиляційних викидів вихровим турбулентним промивником. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.03.- Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2005. конструкція турбулентний промивник вентиляційний

Дисертація присвячена актуальній темі щодо підвищення ефективності очищення вентиляційних і технологічних газів, що викидаються в атмосферу із джерел промислових підприємств шляхом розроблення і впровадження високоефективних апаратів - вихрових турбулентних промивників.

Запропоновано конструкцію вихрового турбулентного промивника і обраний режим його роботи, які забезпечують високу ефективність очищення газів вентиляційних викидів мокрим способом (понад 99,9%), високу ефективність уловлювання крапель (понад 99,8%), низький гідравлічний опір до 1500 Па при витраті рідини на зрошення 0,032 л на 1 м³ газу, що очищується. При цьому за рахунок рециркуляції рідини питоме зрошення становить понад 30 л на 1 м³ газу, що очищується.

Розроблено методику аналітичного визначення ефективності вловлювання завислих домішок у вихровому турбулентному промивнику.

Отримано залежності щодо визначення гідравлічного опору вихрового турбулентного промивника, ефективності очищення газу від пилу, ефективності вловлювання крапель рідини, витрати рідини, циркулюючої в апараті.

Розроблено, виготовлено і змонтовано модулі промислових вихрових турбулентних промивників продуктивністю 6000 м³/год і 10000 м³/год для очищення аспіраційного газу. Встановлено, що вихровий турбулентний промивник може застосовуватися для комплексного очищення газу і як абсорбційний апарат. Розроблено документацію на параметричний ряд вихрових турбулентних промивників продуктивністю по газу, що очищується, від 2500 до 18000 м³/ч.

Установлено, що впроваджені вихрові турбулентні промивники забезпечують досягнення соціального ефекту за рахунок поліпшення стану приземного шару атмосфери і запобігання специфічних захворювань населення. Економічний розрахунковий ефект від відверненого збитку складає 118 тис. грн на один апарат.

Ключові слова: вихровий турбулентний промивник, ефективність очищення газів, завислі домішки, вловлювання крапель, гідравлічний опір, краплинно-зернистий фільтр.



АННОТАЦИЯ

Пранцуз О.С. Повышение эффективности очистки газов вентиляционных выбросов вихревым турбулентным промывателем. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03.- Вентиляция, освещение и теплоснабжение.- Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена актуальной теме повышения эффективности очистки выбрасываемых в атмосферу вентиляционных и технологических газов от источников промышленных предприятий путем разработки и внедрения высокоэффективных аппаратов - вихревых турбулентных промывателей.

Проанализированы конструкции и принцип работы существующих аппаратов мокрой очистки газа, эффективность очистки газов от взвешенных примесей и гидравлическое сопротивление аппаратов. Рассмотрена тенденция развития вихревых технологий для очистки газа мокрым способом от взвешенных примесей, газообразных компонентов и капель.

Предложена конструкция вихревого турбулентного промывателя, и выбран режим его работы, обеспечивающие высокую эффективность очистки газов вентиляционных выбросов мокрым способом (более 99,9%), высокую эффективность улавливания капель (более 99,8%), низкое гидравлическое сопротивление до 1500 Па при расходе жидкости на орошение 0,032 л на 1 м³ очищаемого газа. При этом за счет рециркуляции жидкости удельное орошение составляет более 30 л на 1 м³ очищаемого газа.

Разработана методика аналитического определения эффективности улавливания взвешенных примесей в вихревом турбулентном промывателе. Установлено, что определяющими факторами влияющими на эффективность работы вихревого турбулентного промывателя и его сопротивление являются расход очищаемого газа (его скорость), относительное содержание жидкости, подаваемой на орошение, глубина погружения диска в жидкость, дисперсность пыли и расстояние от рабочей камеры до каплеуловителя.

Проведены экспериментальные исследования на лабораторной модели вихревого турбулентного промывателя по разработанному плану эксперимента, получены зависимости определения гидравлического сопротивления вихревого турбулентного промывателя, эффективности очистки газа от пыли, эффективности улавливания капель жидкости, расхода жидкости циркулирующей в аппарате

Разработаны, изготовлены и смонтированы модули промышленных вихревых турбулентных промывателей производительностью 6000 м³/ч и 10000 м³/ч для очистки аспирационного газа.

Установлено, что вихревой турбулентный промыватель может применяться для комплексной очистки газа и как абсорбционный аппарат.

В результате промышленных испытаний вихревых турбулентных промывателей получены зависимости для определения гидравлического сопротивления и эффективности улавливания частиц пыли . Разработана документация на параметрический ряд вихревых турбулентных промывателей производительностью по очищаемому газу от 2500 до 18000 м³/ч.

Установлено, что внедренные вихревые турбулентные промыватели обеспечивают достижение социального эффекта за счет улучшения состояния приземного слоя атмосферы и предотвращения специфических заболеваний населения.

Экономический расчетный эффект от предотвращенного ущерба составляет 118 тыс. грн на один аппарат.

Ключевые слова: вихревой турбулентный промыватель, эффективность очистки газов, взвешенные примеси, улавливание капель, гидравлическое сопротивление, капельно-зернистый фильтр.



ANNOTATION

Prantsuz O.S. Increase of ventilation exhaust purification efficiency with a whirlpool turbulent scrubber. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Science (Technology) in specialty 05.23.03 - Ventilation, Lighting and Heating. - Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, 2005.

The dissertation relates to urgent problem of increase of purification efficiency for ventilation and process gases exhausted to atmosphere from industrial sources by development and introduction of efficient whirlpool turbulent scrubbers.

Design of a whirlpool turbulent scrubber proposed and operation mode selected to provide for high efficiency of wet purification of ventilation exhaust gases (above 99,9%), high efficiency of drop catching (above 99,8%), low hydraulic resistance (up to 1500 Pa with liquid consumption 0,032 L per 1m³ of the gas to be treated). Due to the liquid recirculation specific wetting makes as much as above 30 L per 1m³ of the gas to be treated.

Experimental studies on a laboratory model of the whirlpool turbulent scrubber were performed according to the plan of experiment, formulas found to determine hydraulic resistance of whirlpool turbulent scrubber, efficiency of dust removal from gas, efficiency of liquid drop catching, consumption of liquid circulating within the unit.

Modules of industrial whirlpool turbulent scrubbers with capacities 6000 m³/hr and 10000 m³/hr were developed, manufactured and installed for aspiration gas purification.

Whirlpool turbulent scrubber was found to be able of usage both as a comprehensive gas purifier and as an absorption unit.

The installed whirlpool turbulent scrubbers were found to provide a social effect by improvement of atmosphere condition near ground and prevention of specific diseases of nearby dwellers.

Economic efficiency from prevented damage was calculated to make 118 000 UAH per unit.

Keywords: whirlpool turbulent scrubber, gas purification efficiency, suspended impurities, drop catching, hydraulic resistance, drop grain filter.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Охорона довкілля є одним із пріоритетних напрямків розвитку й забезпечення екологічної безпеки України.

Незважаючи на тенденцію скорочення загального техногенного навантаження на довкілля, що склалося останніми роками, згідно з відомостями Державного комітету статистики в 2003 році на душу населення України в середньому викинуто в повітря 86 кг шкідливих речовин. У розрахунку на квадратний кілометр цей показник становить 6,8 тонн. Шкідливі викиди в атмосферу здійснювали 13,2 тис. промислових підприємств. Від них у повітря надійшло 4,088 млн. тонн шкідливих речовин.

Одним із напрямків розв'язання екологічних проблем є очищення газів від джерел промислових підприємств перед викидом їх в атмосферу за допомогою високоефективних апаратів очищення при мінімальних питомих витратах енергії й витрати рідини. Тема дисертації є актуальною, тому що вона направлена на розроблення високоефективного апарата для очищення газів від композиційних домішок в одному апараті.

Дослідження, виконані в обсязі цієї дисертації, відповідають установленим Законом України пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки до 2006 р., що підтверджує актуальність теми дисертації.

Зв'язок праці з науковими програмами. Робота виконувалась у рамках державних програм: "Програма використання відходів виробництва і споживання на період до 2005 р." №668 від 28 червня 1997 р., "Концепції розвитку хімічної промисловості України №5/4 від 30.05.2001 р.", "Економія і раціональне використання сировинних паливно-енергетичних та інших матеріальних ресурсів у будівництві", "Екологічно чиста енергетика й енергозберігаючі технології", по науково-дослідних працях та договорах (Номери державної реєстрації №0198U00416, №0196U000978, №0199U003894, №0103U004122).

Мета дослідження - підвищення ефективності очищення газів вентиляційних викидів вихровим турбулентним промивником.

Завдання дослідження:

- виконати аналіз літературних джерел і обґрунтувати вибір конструкції апарата для досягнення високого ступеня очищення газів від аэрозолей у ньому;

- розробити вихровий турбулентний промивник з високою ефективністю очищення газів від аерозолей та ін. забруднюючих речовин, з низьким гідравлічним опором, компактний і надійний в експлуатації;

- виконати теоретичні й експериментальні дослідження ефективності очищення газу вихровим турбулентним промивником від твердих домішок різних фракцій та ефективності вловлювання крапель;

- визначити основні чинники, що впливають на ефективність очищення газу від пилу і крапель, гідравлічний опір вихрового турбулентного промивника;

- розробити план експерименту, виконати експеримент, обробку експерименту здійснити засобами факторного аналізу і множинної регресії;

- отримати рівняння для визначення ефективності вловлювання пилу, гідравлічного опору вихрового турбулентного промивника, кількості рідини, яка взаємодіє з газом, що очищується;

- на підставі отриманого експериментального і теоретичного матеріалу створити методику інженерного розрахунку вихрового турбулентного промивника для проектування промислових установок;

- апробувати апарати на промислових підприємствах.

Об'єкт дослідження - нова конструкція вихрового турбулентного промивника для очищення газів.

Предмет дослідження - ефективність очищення газів від аэрозолей, гідравлічний опір та режими роботи вихрового турбулентного промивника.

Методи досліджень: під час виконання дисертаційної роботи застосовували аналітичні та експериментальні методи досліджень. Аналітичним методом оцінювалась ефективність очищення газів від пилу, гідравлічний опір робочої камери вихрового турбулентного промивника, розмір крапель під час формування крапельно-зернистого шару, об'єм циркулюючої рідини. У процесі постановки та проведення експериментальних досліджень застосовували метод планування експерименту за допомогою факторного аналізу. Визначення температур, тиску, швидкостей, вологості тощо в процесі експериментальних досліджень здійснювалось стандартними методами. Рівняння для математичної моделі отримано методом статистичної обробки експериментальних даних. Перевірка адекватності математичної моделі виконувалась за критерієм Фішера при довірчій імовірності 0,95.

Наукова новизна. Запропонована і досліджена аналітичним та експериментальним шляхом нова конструкція високоефективного турбулентного промивника для очищення газів вентиляційних викидів.

Здійснено комплексне дослідження за лабораторних і виробничих умов нових конструкцій вихрових турбулентних промивників, отримано рівняння, які дають змогу розрахувати геометричні параметри конструкцій апаратів та основні визначальні фактори, що впливають на ефективність очищення газу, ефективність уловлювання крапель і гідравлічний опір апаратів.

Отримано результати експериментальних досліджень, які підтвердили справедливість отриманих залежностей. Ефективність очищення газів вихровим турбулентним промивником від пилу густиною 1900 кг/м³ з медіанним розміром часток 5 мкм при у_ч=2,3 (середнє квадратичне відхилення функції розподілу частинок) становить 99,9%, ефективність уловлювання крапель - понад 99%, а гідравлічний опір не перевищує 1500 Па. Витрата рідини, що подається на зрошення, становить 0,032 л/м³ газу при її фактичній питомій витраті - понад 30 л/м³ очищуваного газу за рахунок постійної рециркуляції.

Розроблена, теоретично обґрунтована і експериментально перевірена методика розрахунку і підбору нових конструкцій високоефективних вихрових турбулентних промивників.

Практична цінність отриманих результатів. Розроблено нові конструкції вихрових турбулентних промивників з високою ефективністю очищення газів від композиційних домішок, які мають малі гідравлічний опір та металоємність у порівнянні з іншими апаратами мокрого очищення газів, велике питоме зрошення при малій витраті рідини за рахунок її циркуляції. Вихрові турбулентні промивники впроваджено для очищення аспіраційного повітря від інгредієнтів тютюнового виробництва, а також для очищення від сумішей парів води та пилу вапна викидного повітря після апаратів гасіння Міка. Досвід експлуатації цих апаратів показав їхню ефективність і надійність роботи.

Розроблено технічну документацію на параметричний ряд нових конструкцій вихрових турбулентних промивників для очищення газів від композиційних домішок продуктивністю 2500, 4500, 6500, 10000, 14000 та 18000 м³/год.

Отримано залежності й розроблено інженерну методику підбору вихрових турбулентних промивників, які дають змогу розрахувати ефективність уловлювання пилу та гідравлічний опір під час проектування нових і реконструкції існуючих газоочисних пристроїв. Методика розрахунку і підбору вихрового турбулентного промивника застосовувалась на практиці і може бути рекомендована фірмам за профілем та інститутам.

Отримані патенти підтверджують практичну цінність розроблених конструкцій вихрових турбулентних промивників.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися і обговорювалися на Дев'ятій і Одинадцятій науково-технічних конференціях "Екологія та здоров'я людини. Охорона водяного і повітряного басейнів. Утилізація відходів" в м. Щелкино та м. Бердянськ , на міжнародній науково-практичній конференції "Хімія - ХХ1 століття: нові технології, нові продукти" в м. Кемерово в 2004 р., на науково-технічних конференціях у Харківському Державному технічному університеті будівництва та архітектури в 2003-2005 рр.

У повному обсязі результати і висновки дисертаційної роботи доповідались на розширеному засіданні кафедри "Теплогазопостачання, вентиляція та використання теплових вторинних енергоресурсів" у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури в 2004 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 статей у виданнях, рекомендованих ВАК України, дві з них без співавторів, отримано два деклараційних патента України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури, що містить 132 найменування та додатки. Головну частину праці викладено на 155 стор. Праця має 33 рисунки і 15 таблиць.

ЗМІСТ ПРАЦІ

У вступі обґрунтовується актуальність праці, вказується її мета, завдання і наукова новизна.

Перший розділ присвячений аналізу конструкцій, принципу роботи існуючих апаратів мокрого очищення газу, ефективності очищення газів від завислих домішок та гідравлічного опору апаратів. Встановлено, що всі методики розрахунку ефективності пиловловлення в апаратах очищення газу отримано емпіричним чи напівемпіричним шляхом. Розглянуто тенденцію розвитку вихрових технологій для очищення газу мокрим способом від завислих домішок, газоподібних компонентів та крапель.

Великий внесок у розроблення апаратів і теорії пиловловлення внесли відомі вчені В.М.Ужов, А.Ю.Вальдберг, В.П.Приходько, І.А.Шеренков, Е.О. Штокман, О.В. Шушляков і ін. Теорія вихрових технологій та дослідження закручених потоків широко відбиті в працях та монографіях А.А. Халатова, І.І.Борисова, С.С.Кутателадзе, , М.А.Гольдштика, А.М. Штима, Г.Шліхтінга й ін.

У вихрових апаратах для мокрого очищення газу від аерозолей масообміні процеси проходять інтенсивніше більш ніж у 2 рази, що свідчить про переваги цих апаратів перед іншими відомими апаратами. Визначено, що апарати мокрого очищення газів із закручуючими пристроями мають невисокий гідравлічний опір від 600 до1500 Па, мають високий ступінь очищення від дрібнодисперсного пилу, що обумовлено наявністю завислої рідкої фази в закрученому потоці і добре розвинутої поверхні контакту фаз.

Недоліком існуючих вихрових апаратів мокрого очищення газів є відсутність залежностей, методик і рекомендацій щодо їхнього розрахунку та підбору, а також відсутність технічної документації на ці апарати.

Відзначено, що розрахунок окремих складових втрат тиску у вихрових апаратах викликає серйозні труднощі внаслідок тримірного характеру проходження, високого рівня турбулентності, виникання відривних областей та інших причин. У зв'язку з цим переважна більшість формул для розрахунку гідравлічного опору завихрувачів, а також апаратів, де вони використовуються, отримана експериментальним шляхом.

Обґрунтовано необхідність розроблення нової конструкції апаратів з високою ефективністю очищення газу від аерозолей з низьким гідравлічним опором та методики розрахунку. Сформульовано завдання та напрями досліджень.

В другому розділі наведено характеристику об'єкта дослідження - нової конструкції вихрового турбулентного промивника, схему якого наведено на рис.1, аналітичні дослідження ефективності очищення газів у ньому та його гідравлічного опору.

Принцип дії вихрового турбулентного промивника полягає в наступному. Очищений газ подається патрубком 1 до розподільчої камери 2, яка має змінний перетин, що дає змогу зберегти однакову швидкість на вході в канали завихрувача 3. Із завихрувача 3 газ надходить до робочої камери 4 з швидкістю 35-50 м/с. Оскільки лопатки завихрувача 5 розташовані під кутом 15-20⁰ до дотичної робочої камери, то очищуваний газ придбає обертальний рух.

Одночасно колектором 6, крізь патрубки до вихрового турбулентного промивника подається рідина (вода чи абсорбент), яка витікає струмами крізь перфорацію в патрубку 8.

Потоком обертового газу струми рідини диспергуються й утворюють обертовий крапельно-зернистий шар, крізь який фільтрується газ, що очищується.

Частина обертового потоку газу, що очищується, надходить разом з рідиною до бункера, зберігаючи обертовий рух. Рідина стікає в бункер, а газ обертається над поверхнею води в бункері.

Під час обертання газу над нерухомим дзеркалом води в бункері під дією доцентрових сил (відцентрові сили на поверхні води умовно вважаємо такими, що дорівнюють нулю), верхній шар води "зсувається" у приосьову зону і висхідним потоком виноситься до приосьової зони робочої камери 4.

Для регулювання витрати рідини, що рециркулюється у вихровому турбулентному промивнику застосовується диск 10, прикріплений до штоку 11, який має можливість здійснювати реверсивне переміщення вздовж осі апарата під час повороту регулятора 12. При певному рівні занурення диска 10 у рідину, витрата рідини, що рециркулюється, не збільшується.

У робочій камері 4 під дією відцентрових сил рециркулююча рідина також як і рідина, що подається крізь колектор 6, диспергується і у вигляді крапель дрейфує із приосьової у прибокову зону.

Потоком очищуваного газу краплі рідини віджимаються від лопаток завихрителя так, що вони не торкаються лопаток.

Таким чином, на краплі діють відцентрова сила, сила аеродинамічного опору, сила гравітації. Внаслідок рівності аеродинамічних, відцентрових сил та сил гравітації краплі утворюють стійкий крапельно-зернистий шар, крізь який фільтрується очищуваний газ. Очищений газ надходить до сепараційної камери 7, де відбувається відцентрове відокремлення крапель рідини від газу. Більш дрібні краплі відокремлюються від газу за допомогою аксіально-тангенціального краплевловлювача 14.

Очищений газ видаляється крізь патрубок 16.

При досягненні критичної маси частина рідини з робочої камери стікає до бункера 9. Періодично або постійно шлам з бункера зливається крізь патрубок 15.

Діаметр крапель у крапельно-зернистому шарі залежить від окружної швидкості, температури та властивостей рідини. Як правило, розмір крапель, а отже потрібну швидкість газу обирають залежно від розмірів частинок завислих домішок, що вловлюються.

Під час диспергації рідини потоком газу, швидкість якого становить до 50 м/с, утворюватимуться краплі розміром 40-60 мкм. Крім крапель такого розміру, обумовленого режимом взаємодії рідини і газу, утворюватимуться й дрібніші краплі-сателіти розміром до 1 мкм.

Сформований обертовий і постійно обновлюваний газорідинний шар, який містить завислі краплі різного діаметра являє собою фільтр для очищення газу від аерозолей з високою ефективністю.

Розглянуто вплив рівня занурення диска в рідину в бункері вихрового турбулентного промивника і витрати закрученого над рідиною потоку газу на об'єм утворюваного і обертового з кутовою швидкістю газорідинного потоку, крізь який фільтрується очищуваний газ.

Для аналітичного дослідження завдання, що розглядається, застосовували циліндричні координати рис.2. Плоскість суміщали з нерухомим диском. Для частинок рідини, що перебувають на великій відстані від диска, відцентрова і доцентрова сили взаємно зрівноважуються. Для частинок же рідини, що перебувають поблизу диска, тангенціальна швидкість, внаслідок гальмування, знижена, тому тут відцентрова сила значно зменшена, проте доцентрова сила залишається постійною. Тому поблизу диска виникає направлена до осі радіальна течія, яка в свою чергу викликає, внаслідок умови нерозривності, висхідну течію в осьовому напрямку робочої камери.

Вважаємо, що на великій відстані від диска газ обертається як тверде тіло з кутовою швидкістю щ. Складові швидкості в радіальному, окружному і осьовому напрямках позначили, відповідно, через . Внаслідок осьової симетрії всі похідні по у рівнянні дорівнюють нулю.

Рівняння руху і рівняння нерозривності за умов цієї задачі мають такий вигляд:

Граничні умови

при при .

Увели замість безрозмірну координату

,

а для складових швидкості такі вираження:



На великій відстані від поверхні рідини течія відбувається без тертя, тому для радіального градієнта тиску

якщо врахувати, що

(8)

Розв'язуючи завдання в рамках теорії граничного шару, приймаємо, що градієнт тиску існує і в шарі газу поблизу поверхні рідини (диска), де виявляє свою дію тертя.

Підставивши вираження (5) та (8) до рівняння (2-4), отримуємо таку систему рівнянь:

з граничними умовами при при .

Значення функцій F, G і Н , наведені в праці Шліхтінга "Теория пограничного слоя", використовували для розрахунку та визначення розподілу швидкостей при обертовому руху потоку газу над нерухомим шаром рідини у вихровому турбулентному промивнику.

Кут між результуючою горизонтальною швидкістю й окружним напрямком залежить лише від висоти над диском. Висхідна течія виникає внаслідок стисненої стаціонарної течії газу, що встановилася, і поблизу поверхні рідини (диска). Течія, внаслідок відсутності відцентрових сил, направлена по радіусу всередину і вгору. Поблизу диска в радіальному напрямку має перевагу рух рідини до осі обертання. Повна кількість рідини, що тече в напрямку до осі обертання крізь поверхню циліндра радіуса , дорівнює

Підставивши в (11) чисельне значення , одержуємо

.

Рівно така ж кількість рідини піднімається вгору в осьовому напрямку. Найбільше значення швидкість висхідного руху має на висоті , де вона дорівнює

У комплексі - усереднена величина уявної кінематичної в'язкості. Комплекс знайдено експериментально для рухомого потоку газової фази і окремо для рідкої фази. Уявну кінематичну в'язкість подано з поправочним коефіцієнтом А.

Під час розрахунку ввели умову-обмеження сталості кутової швидкості висхідного потоку . Знайшли розподіл швидкостей по потоку газу і по рідкій фазі.

Тангенціальну складову швидкості газорідинного потоку визначали за рівнянням

,



після чого було визначено кутову усереднену швидкість газорідинного потоку, а також розподіл тангенціальної, радіальної та осьової складових швидкостей.

Встановили, що місткість газу в обертовому потоці над нерухомою основою . Функція критерія Фруда для газорідинної суміші дорівнює , що дає змогу визначити гідродинамічний режим газорідинного потоку, що обертається над диском як режим емульгування. Гомогенізація потоку забезпечує хорошу поверхню контакту фаз, і внаслідок цього виникає підвищення ефективності вловлювання дрібнодисперсних частинок із газу, що очищується.

У вихровому турбулентному промивнику з одного боку створено розвинуту поверхню контакту фаз газу, що очищується, та рідини в робочій камері, в бункері та в нижній частині сепараційної камери, а з іншого боку газ із апарата видаляється "осушеним", тобто в сепараційній частині апарата ефективно відокремлюється рідка фаза від газової.

На ефективність очищення газу від завислих домішок у вихровому турбулентному промивнику і на його гідравлічний опір діють швидкість газу, об'єм обертової рідини, глибина занурення диска, висота встановлення краплевловлювача над робочою камерою.

Обґрунтовано необхідність створення дослідної моделі вихрового турбулентного промивника, складання плану експерименту для підтвердження отриманих висновків, а також подальшого вдосконалення конструкції вихрового турбулентного промивника.

У третьому розділі наводяться результати експериментальних досліджень на лабораторній моделі вихрового турбулентного промивника, планування експерименту, методика проведення експерименту. В результаті експериментальних досліджень на підставі обраного плану експерименту із застосуванням факторного аналізу отримано математичну модель для визначення ефективності очищення газу від пилу, ефективності очищення газу від крапель, гідравлічного опору та об'єму циркулюючої рідини вихрового турбулентного промивника.

Факторами, що впливають на комплексне очищення (пиловловлення, краплевловлювання), прийняли відносну швидкість газу Х1, питома витрата рідини, що подається на зрошення Х2, дисперсність пилу Х4 та геометричні параметри - глибину занурення диска відносно робочої камери Х3 та рівень встановлювання краплеуловлювача над робочою камерою Х5.

У таблиці 1 наведено фактори, їхні значення та інтервали варьювання. Усі фактори мають безрозмірну форму.

Для придання безрозмірної форми фактору Х1 застосовували логарифм відношення швидкості газу Wг до максимального значення швидкості Wмах, рекомендованого для пиловловлювачів (мокрих скруберів).

Аналогічно для фактора Х4 прийняли логарифм відношення медіанного діаметра пилу до максимального медіанного діаметра пилу в потоці.

Для кодованого значення фактора Х4 обрали генеруючі співвідношення Х4=Х1 Х2 Х3, для фактора Х5= -Х1 Х2.

Для виконання досліджень щодо вихрового турбулентного промивника обрали дробовий факторний експеримент (ДФЕ) на основі побудованого центрального композиційного рототабельного, забезпечуючого постійність дисперсії пророкування відгуку на однакових відстанях від центру експерименту, плану другого порядку. ДФЕ відповідають 32 досліди. При ротатабельному плануванні інформація, що міститься в рівнянні регресії, рівномірно розташовується на сфері, що полегшує оптимізацію об'єкта дослідження.

Відгуками обрали такі функції:

- ефективність очищення потоку від пилу

,



де m_входу , m_вих - концентрація пилу в газі на вході до апарата і на виході, відповідно;

- ефективність вловлювання крапель рідини

,

де m₁ і m₂ - концентрації вологи в потоці до і після краплевідокремлювача (кг/м³), m₁ - розраховується за величиною витрати газу та рідини

,

а m₂ - визначається шляхом відбору проб газу за допомогою алонжів за методом внутрішньої фільтрації;

- відносний гідравлічний опір

,

де Па - максимально допустимий перепад тиску апарата; зміна гідравлічного опору мокрого апарата у порівнянні з сухим (вплив навантаження по рідині на гідравлічний опір)

.

Відгуки У₁, У₂, У₅ подано у вигляді логарифмів безрозмірних відношень вихідних параметрів



;

;

.

Залежність логарифмів відгуків і від логарифма Х1 лінійна; також і від факторів Х2, Х3, Х4 та Х5. Величини відгуків і для математичного оброблення результатів незручні, тому що їхні значення мало відрізняються від 1 і мало характеризують якість очищення в інтервалі високих значень ступенів очищення від аерозолів та крапля, у цьому випадку застосовували поняття числа одиниць перенесення, аналогічно застосовуваному в технологічних процесах, зв'язаних з тепло- та масообміном.

.

Результати експерименту оброблено в програмі Statіstіca - у модулі "Множинна регресія". Оброблення даних показало, що моделі досить адекватно описують експериментальні дані, і що у всіх моделей залишки є нормальними.

В результаті виконаних розв'язань рівнянь множинної регресії були отримані такі залежності:

гідравлічний опір вихрового турбулентного промивника

;



гідравлічний опір вихрового турбулентного промивника, виражене через гідравлічний опір під час роботі апарата без зрошення і рідини взагалі

;

ефективність вловлювання твердих аерозолів у вихровому турбулентному промивнику

;

ефективність вловлювання крапель у вихровому турбулентному противнику

;

кількість обертової циркулюючої рідини у вихровому турбулентному промивнику

, (29)

де v_в. - швидкість повітряного потоку у верхній частині робочої камери; Д_р.к. . - діаметр робочої камери, м; m - підживлююча рідина, що надходить на зрошення, м³/с; Н_D - відстань від низу робочої камери до поверхні диска, м; Н - відстань від верху робочої камери до краплевловлювача, м; D_Ч - діаметр частинок пилу, мкм.

Чисельні значення коефіцієнтів показника ступеня забезпечують його безрозмірність для всіх рівнянь (25-29).

Оброблення результатів експерименту та аналіз рівнянь (25-29) показали, що швидкість потоку , м/с (фактор Х1), рідина, що надходить на зрошення , м³/с (фактор Х2) значно впливають на всі відгуки У₁, У₂, У₃, У₄ та У₅, тобто, відповідно, на гідравлічний опір вихрового турбулентного промивника, ефективність вловлювання пилу та ефективність вловлювання крапель, кількість циркулюючої в апараті рідини, а також тієї, що бере участь у процесі очищення рідини м³/с.

На опір апарата, що працює як під час подачі підживлюючої рідини на зрошення, так і без неї значуще впливає витрата газу, що очищується, (його швидкість) і витрата циркулюючої в апараті рідини. Цей ефект посилюють занурення диска на велику глибину, а також установлення краплевловлювача ближче до робочої камери.

Під час дослідження рівнянь (25-29) відзначено, що при зменшенні діаметра робочої камери спостерігається невелика тенденція зменшення гідравлічного опору апарата і збільшення ефективності вловлювання пилу.

Частинки з діаметром понад 5 мкм уловлюються практично повністю. Діаметр частинок, що вловлюються на 50% становлять 0,3 мкм. Для частинок з діаметром понад 2 мкм ефективність вловлювання становить більше 93%.

Вміст крапель у потоці газу, що виноситься, залежить більше від кількості обертової рідини у робочій камері, ніж від витрати підживлюючої рідини. Ефективність вловлювання крапель понад 98% при швидкостях газу на вході до вихрового турбулентного промивника не більше 15,5 м/с. При цьому краплевловлювач має бути встановлений над робочою камерою на відстані не менше одного діаметра робочої камери.

Перевірка рівнянь (25-29) показала їхню адекватність, внаслідок чого вони приймаються як математична модель для вихрового турбулентного промивника.

У четвертому розділі наводяться результати експериментальних досліджень відносно дослідно-промислових вихрових турбулентних промивників.

Вихрові турбулентні промивники були впроваджені для очищення аспираційного повітря від паро-пилової суміші, від пилу вапна, цукру й від інгредієнтів у тютюновому виробництві. Досвід експлуатації цих апаратів протягом чотирьох років показав їхню ефективність і надійність роботи.

Результати вимірів витрат і запилованості аспіраційного повітря до і після вихрових турбулентних промивників, установлених за паралельною схемою на тютюновій фабриці наведено в таблиці 2.

Обробленням результатів експериментальних досліджень щодо промислових апаратів вихрових турбулентних промивників ВТП-2,5; ВТП-6; ВТП-10 отримана формула для визначення перепаду тиску

де v- швидкість у вхідному патрубку апарата (15-20 м/с); Д_р.к. - діаметр робочої камери, м.

Залежність гідравлічного опору вихрового турбулентного промивника від швидкості потоку газу на вході для апаратів ВТП-1, ВТП-6, ВТП-10.

Дослідження складу аспіраційного газу, що надходить на очищення у ВТП, методом газорідинної хроматографії показало наявність у газі газоподібних компонентів і практично повну відсутність таких на виході з апарата, що дає змогу розглядати ВТП як абсорбційний апарат для середньо- і хорошо розчинних у воді газоподібних компонентів.

Розроблено науково-технічну документацію на параметричний ряд вихрових турбулентних промивників продуктивністю 2500, 4500, 6000, 10000, 14000, 18000 м³/год.

Розроблено алгоритм, програму розрахунку та підбору вихрового турбулентного промивника на ПЕОМ., щодо визначення ефективності очищення, перепаду тиску на апараті і вибору оптимального варіанта із параметричного ряду.



ВИСНОВКИ

1. Розроблено і запропоновано конструкцію вихрового турбулентного промивника, на підставі виконаних досліджень обрано режим його роботи, який забезпечує високу ефективність очищення газів вентиляційних викидів мокрим способом (понад 99,9%), високу ефективність вловлювання крапель (понад 99,8%), низький гідравлічний опір до 1500 Па при витраті рідини на зрошення 0,032 л на 1 м³ очищуваного газу. При цьому за рахунок рециркуляції рідини питоме зрошення становить понад 30 л на 1 м³ очищуваного газу.

2. Розроблено методику аналітичного визначення ефективності вловлювання завислих домішок у вихровому турбулентному промивнику. Встановлено, що визначальними факторами, що впливають на ефективність роботи вихрового турбулентного промивника та його опір є витрата газу, що очищується, (його швидкість), відносний зміст рідини, що подається на зрошення, глибина занурення диска в рідину, дисперсність пилу та відстань від робочої камери до краплевловлювача. Виконано експериментальні дослідження на лабораторній моделі вихрового турбулентного промивника за розробленим планом експеримента.

3. Отримано залежності щодо визначення гідравлічного опору вихрового турбулентного промивника, ефективності очищення газу від пилу, ефективності вловлювання крапель рідини, витрати рідини, циркулюючої в апараті.

4. Визначено фракційну ефективність вловлювання пилу у вихровому турбулентному промивнику.

5. Встановлено, що гідравлічний опір вихрового турбулентного промивника становить від 600 до 1500 Па і залежить від витрати очищуваного газу та питомого зрошення.

6. Розроблено і впроваджено модулі промислових вихрових турбулентних промивників продуктивністю 6000 м³/год і 10000 м³/год для очищення аспіраційного газу.

7. Встановлено, що вихровий турбулентний промивник може застосовуватися для комплексного очищення газу і як абсорбційний апарат.

8. В результаті промислових випробувань вихрових турбулентних промивників отримано залежності для визначення гідравлічного опору та ефективності вловлювання частинок пилу . Розроблено документацію на параметричний ряд вихрових турбулентних противників продуктивністю по газу, що очищається, від 2500 до 18000 м³/ч.

9. Розроблено блок-схему і програму розрахунку вихрового турбулентного промивника на ПЕОМ.

10. Встановлено, що впроваджені вихрові турбулентні промивники забезпечують досягнення соціального ефекту за рахунок покращення стану приземного шару атмосфери і запобігання специфічних захворювань населення.

11. Економічний розрахунковий ефект від відверненого збитку складає 118 тис. грн на один апарат.



СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ

1. Пранцуз О.С. Экспериментальные исследования вихревого турбулентного промывателя.//Науковий вісник будівництва/ Под.ред. Д.Ф.Гончаренка. Вип.28.-2004.-С.191-202.

2. Пранцуз О.С. Вихревой турбулентный промыватель очистки газов.// Химия-ХХ1 век: новые технологии, новые продукты./ Сб. материалов международной научно-практической конференции.- Кемерово. - 2004. - С. 102-105.

3. Шушляков А.В., Пранцуз О.С. Производственные исследования аппаратов комплексной очистки газов от композиционных примесей. //Науковий вісник будівництва./Под ред. Д.Ф.Гончаренка. Вип.24. - 2003. - С. 191-200.

4. Шушляков А.В., Пранцуз О.С. Очистка аспирационного воздуха от газообразных и дисперсных примесей на предприятиях пищевой промышленности.//Науковий вісник будівництва./Под. Ред. Д.Ф.Гончаренка. Вип.17. - 2002. - С. 189-197.

5. Шушляков А.В., Пранцуз О.С. Очистка воздуха от композиционых примесей. Вісник кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. Випуск 2/2001 (11). С. 401-404.

6. Патент Украины № 2001010158 от 09.01.2001. Шушляков А.В., Пранцуз О.С., Шушляков Д.А., Кукса А.Н. Апарат комплексного очищення газу мокрим способом.

7. Патент Украины № 2002097552 от 19.09.2002. Шушляков А.В., Проскурня Н.И., Пранцуз О.С., Шушляков Д.А. Апарат очищення газу мокрим способом

Размещено на Allbest.ru