На правах рукописи
Шалунова Ксения Викторовна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТ.ИВНОСТИ ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ
ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
ПОЛЕЙ
Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Бийск – 2011
Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Хмелев Владимир Николаевич Официальные доктор технических наук, профессор оппоненты: Попок Николай Иванович кандидат технических наук, доцент Блазнов Алексей Николаевич
Ведущая организация ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск)
Защита состоится 23 июня 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиала) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу:
659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова,
Автореферат разослан « 23 » мая 2011 г.
Ученый секретарь Светлов С.А.
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Значительная часть современных технологических процессов в химической промышленности и смежных отраслях связана с образованием большого количества аэрозолей с различной дисперсной фазой. Несмотря на все усилия, прилагаемые в области охраны природы, в атмосферу земли ежегодно поступает около 150 млн тонн различных аэрозолей искусственного происхождения с частицами микронного размера.
Эти аэрозоли имеют огромную суммарную поверхность взаимодействия, вследствие чего их химическая и биологическая активность столь высока, что они представляют чрезвычайную опасность для человека.
Действенных способов и газоочистного оборудования, способных изменить создавшуюся экологическую обстановку, на сегодняшний день не существует. Это обусловливает необходимость решения указанной проблемы путем разработки новых технологий и современных устройств, позволяющих осаждать мелкодисперсные примеси с целью безопасного выброса отходящих газов в атмосферу, а в ряде случаев с целью улавливания и возвращения готового продукта в производственный цикл.
Перспективным направлением решения указанной проблемы является создание систем коагуляции дисперсных частиц ультразвуковыми (УЗ) колебаниями высокой интенсивности как в виде самостоятельных средств очистки, так и в составе инерционных пылеуловителей различного типа.
Ультразвуковая коагуляция имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными способами очистки: способность коагулировать аэрозоли различного происхождения и дисперсности; применимость к взрывоопасным и агрессивным газам; возможность работы при высоких температурах и давлениях; возможность создания компактного оборудования. Однако несмотря на указанные преимущества, УЗ коагуляция не нашла широкого промышленного распространения.
Причина неиспользования промышленных систем УЗ коагуляции связана с отсутствием системных теоретических и экспериментальных исследований, объясняющих механизм коагуляции аэрозоля в акустическом поле и позволяющих определить параметры воздействия (уровень звукового давления, частота, время воздействия) на газодисперсные среды, обеспечивающие максимальную эффективность процесса коагуляции.
Невозможность создания и применения промышленных систем УЗ коагуляции обусловлена также несовершенством излучателей, не способных формировать акустические колебания высокой интенсивности в газовых средах, отсутствием исследований их технических характеристик и возможностей применительно к реализации процесса коагуляции.
Таким образом, задача теоретического и экспериментального определения оптимальных режимов ультразвукового воздействия и создания технологического оборудования, обеспечивающего повышение эффективности процесса коагуляции, является актуальной.
Цель работы – повышение эффективности процесса коагуляции газодисперсных систем с различной дисперсной фазой наложением ультразвуковых полей высокой интенсивности за счет выявления оптимальных режимов воздействия, их экспериментального подтверждения при помощи специальных излучателей и создания практических конструкций для систем газоочистки.
Задачи исследований:
– определить основные факторы, влияющие на эффективность процесса коагуляции дисперсных частиц.
– с учетом степени влияния выявленных факторов разработать модель, описывающую процесс акустической коагуляции под действием упругих колебаний в газовой среде.
– на основе разработанной модели провести теоретическое исследование зависимости эффективности коагуляции газодисперсных систем от параметров акустического воздействия и выявить оптимальные режимы воздействия.
– на основе теоретически выявленных оптимальных режимов ультразвукового воздействия сформулировать основные требования к ультразвуковым аппаратам для коагуляции аэрозолей.
– выбрать конструктивную схему ультразвукового излучателя, технические характеристики которого будут соответствовать основным требованиям к УЗ аппаратам и позволять обеспечивать оптимальное воздействие для реализации процесса коагуляции.
– провести экспериментальные исследования, направленные на подтверждение теоретически выявленных оптимальных параметров акустического воздействия.
– на основе полученных теоретических и экспериментальных результатов разработать варианты практического применения ультразвуковой коагуляции для очистки промышленных газов и способы повышения эффективности работы различного пылеулавливающего оборудования.
Объект и методы исследования. Объектом исследования является процесс коагуляции мелкодисперсного аэрозоля за счет наложения ультразвуковых полей высокой интенсивности. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Исследования проводились путем построения теоретических моделей, допускающих аналитические и численные решения.
Научная новизна:
– впервые проведено комплексное изучение процесса коагуляции аэрозоля за счет воздействия упругими колебаниями высокой интенсивности, позволившее установить необходимость и эффективность повышения частоты воздействия и использования колебаний ультразвукового диапазона частот для коагуляции мелкодисперсных (менее 10 мкм) аэрозолей;
– предложена математическая модель процесса ультразвуковой коагуляции аэрозолей, учитывающая влияние вязкости газовой среды и позволившая впервые определить оптимальные режимы ультразвукового воздействия (частота и уровень звукового давления) в зависимости от характеристик газодисперсной системы (концентрация, дисперсный состав);
– впервые экспериментально подтверждена эффективность процесса коагуляции мелкодисперсного аэрозоля ультразвуковыми колебаниями с частотами, выше 20 кГц, и даны обоснования возможных вариантов практического применения процессов ультразвуковой коагуляции;
– предложены и реализованы на практике новые способы и конструкции устройств для очистки газовых сред от дисперсных примесей.
Практическая значимость:
– разработана математическая модель процесса коагуляции газодисперсных систем под действием акустических колебаний, позволяющая определять частоту и уровень звукового давления в зависимости от характеристик газодисперсной системы и устанавливать технические требования к акустическим излучателям при проектировании систем коагуляции аэрозолей в различных условиях;
– экспериментально подтверждена эффективность применения ультразвукового воздействия для коагуляции аэрозолей и даны рекомендации по установлению оптимальных режимов и условий ультразвукового воздействия на аэрозоли с различной дисперсной фазой;
– установлена эффективность применения для коагуляции аэрозолей нового класса излучателей, выполненных в виде изгибно-колеблющихся дисков различного диаметра, возбуждаемых при помощи пьезоэлектрического преобразователя;
– по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции пылеулавливающих устройств и предложены варианты практического применения ультразвуковой коагуляции для очистки промышленных газов.
Личный вклад автора: предложена и разработана теоретическая модель ультразвуковой коагуляции аэрозолей позволяющая определять режимы и условия ультразвукового воздействия на газодисперсные системы;
установлены технические требования к ультразвуковым аппаратам для коагуляции мелкодисперсных аэрозолей; проведены экспериментальные исследования эффективности УЗ коагуляции для аэрозолей с различной дисперсной фазой и размером частиц; предложены варианты конструкций газоочистного оборудования, основанные на использования УЗ коагуляции.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях-семинарах по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM’2008, EDM’2009, EDM’2010 (г. Новосибирск);
Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности» (г. Бийск); Всероссийской научно-технической конференция с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (г. Бийск); Второй международной конференции «Пылегазоочистка-2009» (г. Москва); Всероссийской научно-технической и методической конференции «Современные проблемы технической химии»
(г. Казань); Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (ИАМП–2010) (г. Бийск).
Исследования проводились в рамках Государственных контрактов № 02.515.11.5100 «Разработка и испытания экспериментального образца установки электрофизического воздействия на природные и техногенные воздушно-капельные дисперсии» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы»; № П2518 «Разработка и создание высокоэффективных электроакустических преобразователей для интенсификации процессов в газовых средах» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы; НИОКР – регистрационный номер № 01.02.0509063.
На защиту выносятся:
– результаты теоретических исследований процесса коагуляции аэрозоля упругими колебаниями высокой интенсивности, обеспечившие выбор режимов и условий ультразвукового воздействия и позволившие установить необходимость использования для коагуляции мелкодисперсных (менее 10 мкм) аэрозолей колебаний ультразвуковой частоты (более 20 кГц);
– результаты экспериментальных исследований, подтвердившие оптимальность теоретически выявленных режимов ультразвукового воздействия и показавшие эффективность УЗ коагуляции для очистки газовых потоков;
– предложенные способы и конструкции оборудования (циклоны, сепараторы с установленными ультразвуковыми аппаратами) для очистки газов от дисперсных примесей методом акустической коагуляции.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в печатных работах, в том числе в 1 монографии, 4 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка литературы из наименования и содержит 155 страницы машинописного текста.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, состояние проблемы, сформулированы цель работы и задачи исследований.
В первом разделе выполнен анализ количественного и качественного состава дисперсных загрязняющих выбросов в различных отраслях промышленности, проведен анализ используемых на практике способов улавливания дисперсных примесей из газовых сред.
Установлено, что большинство промышленных выбросов представляют собой мелкодисперсные аэрозоли (как с твердой, так и с жидкой дисперсной фазой), чрезвычайно опасные для человека, и обоснована необходимость их улавливания. Показано, что существующее оборудование обладает рядом серьезных недостатков, основным из которых является низкая эффективность улавливания мелкодисперсных (10 мкм и менее) частиц.
Низкая эффективность обусловливается сущностью физических эффектов, положенных в основу существующего газоочистного оборудования (аэродинамический, гидродинамический, фильтрационный, электрический).
Выявлено, что одним из возможных путей решения указанной проблемы является предварительное укрупнение дисперсных частиц при помощи энергии ультразвуковых колебаний высокой интенсивности – ультразвуковая коагуляция.
В разделе показано, что исследования, проведенные в нашей стране, (Л. Д. Розенберг, Х. Грин, Н.А. Фукс, В.Ф. Юдаев, Е.П. Медников, Р.Ш. Школьникова, В.И. Тимошенко) и за рубежом (C.A. Stokes, O.Brandt, E. Hiedeman, J.A. Gallego-Juares, E. Riera-Franco De Sarabia, G. RodriguezCorral), подтверждают интенсифицирующее воздействие ультразвуковых колебаний на процесс улавливания дисперсных примесей и позволяют определить ультразвуковую коагуляцию как эффективное средство для повышения эффективности очистки газодисперсных систем.
Проведенный анализ факторов, влияющих на эффективность процесса коагуляции под действием УЗ колебаний, показал, что наибольшее влияние оказывают частота, уровень звукового давления и размер частиц газодисперсной системы. При этом установлено, что на сегодняшний день отсутствует теоретическое обоснование, позволяющее определять оптимальные режимы УЗ воздействия в зависимости от характеристик дисперсной фазы и условий протекания процесса.
Проведенный далее анализ оборудования (электродинамические, электростатические, электромагнитные, магнтострикционные излучатели), предназначенного для создания ультразвуковых колебаний в воздушной среде, показал, что наибольшее распространение в практике получили аэродинамические излучатели. Однако их применение для ультразвуковой коагуляции газодисперсных систем крайне не эффективно из-за невозможности работы на частотах более 20 кГц; больших габаритных размеров; низкого КПД (достигающего в лучших образцах 39 %, но как правило, не превышающего 20 %); быстрого износа механических узлов;
необходимости защиты обслуживающего персонала от акустического излучения широкого спектра.
Показано, что наиболее перспективным вариантом замены аэродинамических излучателей являются пьезоэлектрические преобразователи с излучающими элементами, выполненными в виде дисков, изгибно-колеблющихся на частотах, кратных основной моде колебаний.
В заключительной части первого раздела, на основании проведенного анализа, показывается необходимость повышения эффективности процесса коагуляции газодисперсных систем акустическими колебаниями за счет определения и обеспечения оптимальных условий акустического воздействия и применения эффективных излучателей ультразвуковых колебаний и ставятся частные задачи исследований.
Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям, конечным результатом которых является определение режимов (частота и уровень звукового давления) ультразвукового воздействия, обеспечивающего максимальную эффективность процесса акустической коагуляции в зависимости от дисперсного состава газодисперсной системы.
Для анализа процесса была построена модель, позволяющая описать процесс ультразвуковой коагуляции под действием упругих колебаний в газовой среде. Построенная модель основывается на системе известных уравнений Смолуховского, описывающей кинетику процесса коагуляции и развиваемой исследователями процесса коагуляции. Основным отличием предложенной модели от ранее известных (предложенных ранее Changdong Sheng, Xianglin Shen) является учет вязкости газовой дисперсионной среды при определении компоненты вероятности парного столкновения дисперсных частиц. Учет вязкости газа обусловлен необходимостью коагуляции мелкодисперсных аэрозолей (менее 10 мкм), при улавливании которых возникают трудности с применением других способов, поскольку при столь малых размерах частиц в силу малости числа Рейнольдса вязкость газа оказывается очень существенной. Более того, при коагуляции аэрозолей с размерами частиц до 1–2 мкм число Рейнольдса остатся малым даже при очень высоких уровнях звукового давления (до 165 дБ), что делает невозможным анализ процесса коагуляции без учета вязкости.
Сущность применяемого подхода к построению модели коагуляции заключается в следующем. Предполагается, что масса каждой частицы пропорциональна m0, то есть каждая отдельно взятая частица имеет массу km0, где k – целое число, больше либо равное 1. Далее вводятся функции nk(t), каждая из которых – суть концентрация частиц, имеющих массy km0, или kмер. Кинетика коагуляции в предположении, что коагуляция происходит главным образом за счт парных столкновений, описывается системой уравнений Смолуховского:
где k – натуральное число, изменяющееся в пределах от 1 до бесконечности (искомая система состоит из уравнений 1 при различных значениях k );
i,k – ядро коагуляции, не зависящее от времени, характеризующее интенсивность столкновения i-мер и k-мер, м3/c; nk –концентрация k-мер в момент времени t, с.
Первое слагаемое правой части характеризует интенсивность увеличения концентрации k-мер за счт столкновения i-мер и k-мер, а второе слагаемое – убыль концентрации k-мер за счт столкновения k-мер с любыми другими частицами.
Для вычисления вероятности столкновения частиц в ряде известных работ (Changdong Sheng, Xianglin Shen) во внимание принимались два механизма взаимодействия частиц: ортокинетический и механизм гидродинамического взаимодействия. Численные оценки показывают, что при сильном различии частиц по размерам доминирующим является ортокинетический механизм. А для частиц, близких по размеру, наоборот, доминирует механизм гидродинамического взаимодействия. Поэтому результирующее ядро коагуляции можно приближнно представить в виде суммы двух компонент:
где Oi,k – компонента ядра коагуляции, характеризующая сближение частиц Hi,k – компонента ядра коагуляции, характеризующая сближение частиц за счт механизма гидродинамического взаимодействия, м3/c.
Ортокинетическая компонента ядра коагуляции определяется с помощью выражения:
где ai, aj– радиус i-меры и j-меры соответственно, мкм; U0 – амплитуда колебательной скорости газовой среды в отсутствие аэрозольных частиц, м/c;
Hi,j=|Hi-Hj| – модуль разности коэффициентов увлечения i- и j-меры, характеризующий амплитуду колебательной скорости относительного смещения i- и j-меры. Вероятность столкновения пропорциональна этому модулю разности. Т.е., согласно ортокинетическому механизму, с ростом амплитуды скорости колебательного смещения частиц увеличивается их вероятность столкновения.
Для нахождения комплексных коэффициентов увлечения Hi и Hj используется уравнение Бассета–Буссинеска–Осеена с подстановкой следующих выражений для скорости частиц u p U p 0e it и среды u U 0 e it (справедливо при допущении, что сфера значительно меньше по сравнению с длиной волны). Выражение для комплексного коэффициента увлечения каждой из частиц будет иметь следующий вид:
где – отношение плотности газовой среды к плотности частиц; – круговая Путем нахождения комплексного коэффициента увлечения i-мер и j-мер, подстановки полученного коэффициента в уравнение (3) была определения ортокинетическая компонента ядра коагуляции.
Для определения гидродинамической компоненты ядра коагуляции использовалось выражение:
где – угол между волновым вектором акустической волны и линией центров частиц, °(в выражении (5) при вычислении вероятности столкновения интеграл бертся по всем углам, т.е. суммируются вероятности столкновения j-мер, линии центров которых с i-мерами расположены под различными углами к волновому вектору акустического поля); f 21 – сила взаимодействия частиц, (Н). В отличие от известной модели, при вычислении силы взаимодействия учитывается вязкость газовой среды, определяемая следующим образом:
где l – единичный вектор линии центров частиц; FA, FB – силы, действующие на частицы А и В в вязкой среде, (Н), определяемые по следующим выражениям:
где SA,SB – поверхности сфер А и В соответственно; p– давление газа на частицу, Па; ni и nj– i-я и j-я компоненты вектора нормали к поверхностям сфер А и В в формулах (8) и (9) соответственно; – динамическая вязкость газовой среды, Па.с; ui и uj– i-я и j-я компоненты скорости газовой среды соответственно, м/с; xi и xj– i-я и j-я координаты поверхности сферы, по которой бертся интеграл.
«