0-734648

На правах рукописи

ТАТАРИНОВ ЕВГЕНИЙ БОРИСОВИЧ

АЭРОГИДРОДИНАМИКА И ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЕ

В ВИХРЕВОМ АППАРАТЕ С ОРОСИТЕЛЕМ В ЗАКРУЧИВАЮЩЕМ

УСТРОЙСТВЕ.

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

\

АВТОРЕФЕРАТ

Казань - 2002

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств»

Казанского государственного технологического университета.

- доктор технических наук, профессор

Научный руководитель Поникаров Иван Ильич - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты Махоткин Алексей Феофилактович - кандидат технических наук Реут Валерий Иванович - Всероссийский научно-исследовательский

Ведущая организация институт углеводородного сырья (ВНИИУС), г.Казань

Защита диссертации состоится 27 декабря 2002 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г Казань ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета (А- 330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 26 ноября 2002 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.080. д.т.н.,профессор СИ. Поникаров 0-

Общая характеристика работы

.

Актуальность работы.* В настоящее время из всего многообразия аппаратов использующих закрученное течение широкое распространение получили пылеуловители и сепараторы-каплеуловители. В первую очередь это связано с простотой конструкции, возможностью изготовления их из различных материалов, относительно низкими энергозатратами, а также вследствие отсутствия движущихся частей.

В ряду аппаратов центробежной очистки газов от взвешенных частиц выделяются вихревые аппараты мокрой очистки (скрубберы). Отличительной особенностью таких аппаратов является взаимодействие жидкости и газа в поле центробежных сил, благодаря чему обеспечивается эффективная сепарация твердых и жидких частиц из газового потока. При этом обеспечивается высокая относительная скорость капель жидкости и газа, что приводит к повышению производительности аппарата.

Использование в таких аппаратах низконапорных объемных факелов орошения, обладающих незначительными энергозатратами при орошении, является предпочтительным при аппаратурном оформлении процессов очистки.

Низконапорные факелы орошения чаще всего распологаются на некотором расстоянии от закручивающего устройства, что приводит к пережиму газового потока и соответственно к увеличению гидравлического сопротивления аппарата.

Однако замечено, что при подаче во внутреннюю полость закручивающего устройства небольшого количества жидкости приводит к снижению гидравлического сопротивления аппарата. Поэтому исследование влияния места ввода орошения на аэродинамику и гидравлическое сопротивление аппарата и разработка методики расчета усовершенствованных вихревых аппаратов является важной задачей в снижении металлоемкости аппаратов и энергозатрат на пылеочистку.

Цель работы. Основная цель работы заключается в определении влияния места ввода орошения на аэродинамику и гидравлическое сопротивление вихревого аппарата, разработка методов его расчета. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

1) обоснование конструкции вихревого аппарата с вертикальнодефлекторным оросителем расположенном в двухзаходном закручивающем устройстве для проведения процесса пылеочистки;

2) аэродинамические характеристики двухзаходного закручивающего устройства и зоны осесимметричного закрученного газового потока;

3) влияние места ввода орошения на гидравлическое сопротивление и аэродинамику вихревого аппарата;

4) дисперсный состав капель при орошении в закручивающем устройстве;

5) процесс пылеочистки в вихревом аппарате и получение зависимостей для *) В руководстве работой принимал участие к.т.н., доцент Алексеев В.А.

Научная новизна. - Экспериментально найдены поля скоростей газового потока двухзаходного тангенциального закручивающего устройства.

- Исследовано влияние места ввода орошения на профили скоростей и гидравлическое сопротивление аппарата.

- Определен дисперсный состав капель в факеле орошения вихревого аппарата с вертикально-дефлекторным оросителем в закручивающем устройстве.

- Разработана методика расчета эффективности пылеулавливания для вихревого аппарата с оросителем в закручивающем устройстве.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложена конструкция вихревого орошаемого аппарата позволяющая снизить гидравлическое сопротивление и металлоемкость такого аппарата, при этом, практически не снижая эффективности пылеулавливания.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на отчетных научно-технических конференциях КГТУ (г.Казань, 1998, 2000 г.г.), на Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (г.Ярославль, 1994г.), на Девятой международной конференции молодых ученых "Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений" (г.Казань, 1998г.), на V-ой Международной научной конференции "Методы кибернетики химикотехнологических процессов" KXTTI-V-99 (г.Казань, 1999г.), на Всероссийской научной конференции посвященной 80-летию со дня рождения проф. А.Г.Усманова 'Тепло- и массообмен в химической технологии" (г. Казань. 2000г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 119 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 108 страницах. Работа содержит 33 рисунка и таблиц приложения.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели и задачи работы.

В первой главе проведен обзор известных отечественных и зарубежных конструкций аппаратов центробежного разделения аэрозолей, приводятся технические характеристики этих аппаратов (гидравлическое сопротивление, среднерасходная скорость газового потока, степень очистки и др.). Описано влияние жидкой фазы на аэродинамику и гидравлическое сопротивление вихревого орошаемого аппарата. Проведено обоснование конструкции вихревого аппарата с вертикально-дефлекторным оросителем в закручивающем устройстве.

Проведенный обзор конструкций аппаратов показал, что: 1) центробежные пылеуловители, даже сухой очистки, обладают высокой степенью очистки и умеренным гидравлическим сопротивлением; 2) в аппаратах с тангенциальными закручивающими устройствами основная очистка от пыли происходит при половине оборота газового потока; 3) наличие жидкой фазы в циклонных аппаратах позволяет увеличить среднюю скорость по аппарату и степень очистки; 4) для очистки от пыли, содержащей 30-40 % по весу фракций с размерами частиц меньше 10 мкм желательно использовать аппараты с развитой поверхностью контакта фаз; S) форма факела и место ввода орошения существенно влияют на аэродинамику закрученного потока; 6) наличие орошения в закручивающем устройстве аппарата приводит к снижению гидравлического сопротивления.

конструкция вихревого скруббера с вертикальнодефлекторным оросителем в закручивающем устройстве Аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1, сепаратора 2, закручивающего устройства 4 и центрального оросителя 3. Аппарат работает по принципу перекрестного взаимодействия фаз в закрученном потоке. Жидкость с помощью оросителя 3 распыляется в закрученный газовый поток, формирующийся во входном закручивающем устройстве 4. Твердые частицы частично захватываются каплями жидкости, а частично оседают под действием центробежных сил вместе с каплями жидкости на стенки закручивающего устройства или сепаратора 2, проходят через отверстия в сепараторе и выводятся в виде суспензии из аппарата.

Во второй главе описана экспериментальная установка и изложена методика проведения эксперимента по исследованию аэродинамики и гидравлического сопротивления аппарата, а также представлены графики и зависимости, описывающие результаты экспериментов.

Места исследования локальных характеристик закрученного газового потока (точки Г, 2', 3',..., 17') Исследования полей скоростей и давлений потока проводились как в сухом, так и в орошаемом аппарате. Измерения локальных характеристик закрученного газового потока осуществлялось с помощью трехканального зонда. Размеры зонда (диаметр проточной части равен 5мм, диаметры приемных отверстий 0,6мм) были намного меньше свободного сечения аппарата (внутренний диаметр аппарата DAП= 150ММ) И не вносили существенных возмущений в поток. Измерения полного и статического давлений осуществлялись с помощью мановакуумметров ММП-4 с наименьшей ценой деления 2 Па. Углы закрутки потока определялись с точностью до 0,5°. Измерения локальных характеристик закрученного газового потока проводились через 5 мм по радиусу.

Средняя скорость газа по сечению аппарата Vx.cp измерялась в диапазоне от 7м/с до 20м/с. Скорость истечения жидкости из отверстий wж от 1 до 5 м/с, L/G (кг/кг) от 0 до 1,5.

Основные конструктивные размеры оросителя: угол встречи струи жидкости с дефлектором 40-450, расстояние от кромки дефлектора до места удара струи 2мм, вылет дефлектора не превышал 1/3 радиуса аппарата, количество дефлекторов т=4, расстояние между отверстиями определялось по формуле:

=1,003. 10 - 3 (29,461-20,003. 10 - 3. d 0 +5,93. 10 6. d 0 2 )х(-0,476+w ж -0,13w 2 ж )(1) Относительный периметр орошения Для придания закрутки газовому потоку использовалось двухзаходное тангенциальное закручивающее устройство с Мвх=1,47, F B X / F A П = 0, 6 7 6, a/b=l,44, обеспечивающее среднюю степень закрутки.

В ходе экспериментов обнаружилась автомодельность профилей скоростей от расхода газа. Поэтому при дальнейшей обработке данных были использованны безразмерные параметры Профили тангенциальных и осевых скоростей в закручивающем устройстве представлены на рис.2-3.

Величина осевой скорости в закручивающем устройстве постепенно возростает по высоте завихрителя, что связано с увеличением расхода газа, протекающего в поперечном сечении закручивающего устройства.

Ассиметрию скоростей относительно оси можно объяснить влиянием поворота в длинном тангенциальном патрубке (под действием центробежных сил максимум скорости в длинном тангенциальном патрубке смещается к наружной стенке), а также меньшим расходом газа в длинном патрубке из-за потерь по длине и наличия поворота на 180° Результаты экспериментов обрабатывались в Excel. Профили скоростей описывались с помощью полиномов:

Значения коэффициентов АоА6 представлялись в виде таблиц. Коэффициенты для первых четырех точек представлены в таблице 1.

Наблюдения за работой аппарата показали, что на расстоянии от среза закручивающего устройства равном h/DАП=1,52 вся жидкость выводится из аппарата.

Поэтому исследования характеристик закрученного газового потока над закручивающим устройством сухого и орошаемого аппарата проводились на расстоянии от среза закручивающего устройства равном h/DАП=2, где имеет место осесимметричный закрученный поток.

Рис. 4. Тангенциальная и осевая скорости в точке 17'.• - без орошения (w=0м/с), - орошение в ЗУ (w=2 м/с), • - орошение над ЗУ (w=2 м/с).

Проведенные исследования показали, что орошение существенно влияет на структуру газового потока, вызывая более быструю раскрутку потока и значительно трансформирует профили скоростей, особенно тангенциальной.

Проверка правильности замеров проводилась сравнением расхода на диафрагме с расходом рассчитанным путем интегрирования экспериментально полученных профилей осевой скорости Vx Связь между моментом количества движения на срезе закручивающего устройства и моментом на входе в закручивающее устройство описывалась формулой где км - коэффициент, зависящий от типа закручивающего устройства, для исследуемого аппарата он составил км =1,11.

Момент количества движения газового потока сухого аппарата на участке h/DАП=0?2 расчитывался где к - коэффициент, к=0,0204, что соответствует данным большинства исследователей.

В орошаемом аппарате изменение момента количества движения газового потока на высоте h/DАП=2 зависит от скорости истечения жидкости wж и описывается Максимальное значение тангенциальной скорости характеризуется интегральным параметром закрутки Интегральный параметр закрутки определялся из формулы Как показали исследования увеличение скорости истечения жидкости приводит к падению значений тангенциальных скоростей, то есть приводит к раскрутке потока и падению момента количества движения.

Изменение радиуса максимума тангенциальной скорости для сухого аппарата согласуется с данными большинства исследователей и равен где для исследуемого аппарата rн=0,72.

В орошаемом аппарате по сравнению с сухим аппаратом наблюдается увеличение rфm то есть Vфm смещается к стенке аппарата (рис 4).

Для этого случая изменение rфm хорошо описывается зависимостью При h/D A П =2, P op =2,34, m=4 формула (15) принимает вид Как показали исследования в зонах h/DАП>2 радиус максимума тангенциальной скорости можно рассчитать по формуле (14), где r H =r m o.

Для описания профиля тангенциальной скорости была получена формула исследователями были расчитаны параметры аппарата с оросителем над закручивающим устройством, при этом F А П, F в x, М в х, P O P приняты как для исследуемого аппарата.

Расчетный профиль скорости в аппарате с оросителем над закручивающим устройством и экспериментально найденые значения скорости в аппарате с оросителем в закручивающем устройстве представлены на рис.4. Из рисунка видно, что положение максимума тангенциальной скорости не зависит от места ввода орошения, при этом величина максимума тангенциальной скорости при орошении над закручивающим устройством меньше, чем при орошении в закручивающем устройстве.

Профиль осевой скорости мало зависит от орошения и близок к профилю скорости сухого аппарата и описывается следующей найденной зависимостью