автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Имитационное моделирование процессов конденсационного пылеулавливания

На правах рукописи

Ч

/

ФЕДОРОВ Василий Николаевич

1 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИОННОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ

Специальность 05.17.08 Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург

1999

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете). Научный консультант: доктор технических наук, профессор Веригин Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Доманский Игорь Васильевич доктор технических наук, профессор Минко Всеволод Афанасьевич доктор технических наук, профессор Балюбаш Виктор Александрович

Ведущая организация -

Федеральный научно-производственный центр «НИИ ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ» (г. Сергиев-Пасад).

Защита диссертации состоится " S" февраля 2000 г.

/Г20

в час- на заседании диссертационного Совета Д 063.25.02 в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) по адресу: 198013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Ученый Совет.

Автореферат разослан декабря 1999г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

Д 063.25.02 H.A. Марцулевич

К ХАЛ Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокоэффективное оборудование для очистки газов от аэрозольных частиц, загрязняющих окружающую среду или представляющих собой продукт производства, в настоящее время является важнейшей составной частью аппаратурного оформления большинства технологических процессов. Наиболее сложная задача состоит в выделении из аэрозолей твердой или жидкой фазы, малые размеры частиц которой (менее 5 мкм) ограничивают использование традиционных способов разделения под действием гравитационных, инерционных или электростатических сил. По сравнению с широко известными аппаратами, агрегаты мокрой очистки обладают более высокой эффективностью улавливания аэрозольных частиц. Они могут успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как тканевые и волокнистые фильтры, и использоваться в тех случаях, когда последние не применимы, например, при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгорания и взрыва аэрозоля. Позволяют также эффективно улавливать газообразные выбросы. Именно процессам происходящим в аппаратах мокрой очистки газов и посвящено настоящее исследование.

Проектирование и совершенствование установок по очистки газов становится все более трудным делом, поскольку структура их непрерывно усложняется. Эта сложность объясняется характером протекающих в них процессов и условиями конкретного производства, где они используются. С появлением ЭВМ одним из наиболее важных и полезных орудий анализа закономерностей функционирования аппаратов в условиях производства и может быть имитационное моделирование. Имитационное моделирование дает возможность постичь суть явлений, не прибегая к экспериментам на реальном объекте. По сути, каждая модель есть форма имитации. Имитационное моделирование является весьма широким и недостаточно четко определенным понятием, имеющим большое значение, в частности, при проектировании сложных технических объектов. Имитационное моделирование — это конструирование модели, описывающей работу реального процесса или аппарата, и постановка экспериментов на этой модели с целью понять закономерности его функционирования, либо определить оптимальные геометрические размеры и технологические параметры его работы. Какое же место имитационное моделирование занимает среди проектных процедур?

Инженер-конструктор в своей практической деятельности стремится иметь набор конструктивных решений, приспосабливаемых им к конкретным условиям производства. Трудности состоят в том, что нет двух заданий на проектирование, которые были бы одинаковыми. Однако, оказывается возможным незначительно изменить некоторые технологические параметры и геометрические размеры аппарата, чтобы получить экономически оптимальное техническое течение, согласно заданию на проектирование. Имитационное моделирование поможет инженеру в этом случае предска-

зать и оптимизировать характеристики аппарата, значительно сократить время на проектирование и его стоимость, исключить дорогостоящие экспериментальные исследования. Настоящее исследование посвящено методам создания моделей, которые имитируют процессы конденсационного пылеулавливания Основное внимание уделено математическим аспектам создания моделей и их связи с физическими особенностями конкретного процесса улавливания. Предлагаемые модели просты по своей структуре и обладают достаточной универсальностью.

Работа выполнялась в соответствии с открытым Координационным планом АН СССР по проблеме «Разработка высокоэффективных способов улавливания аэрозольных частиц» на 1981- 1985г.г., код 2.27.4.1.7.И по проблеме «Теоретические основы химической технологии» на 198б-1990г.г.

Цель работы. Конечной целью работы, как научного исследования, явилась разработка физически обоснованных математических и вычислительных основ для создания высокоэффективных аппаратов конденсационной очистки газов от аэрозолей с использованием методов имитационного моделирования.

Научная новизна работы. Анализ фрактальных свойств дисперсных систем позволил предложить новый подход к прогнозированию флуктуаций содержания дисперсных частиц в контрольном объеме в зависимости от их свойств, размеров и объема самой системы. Показано, что :

- состояние смеси со случайным распределением компонентов не зависит от особенностей ее образования и является инвариантной ее характеристикой;

- в случае спонтанной конденсации пара мы имеем типичный пример странного аттрактора, и наблюдаемые колебания вероятности образования зародышей являются хаотическими. Чем точнее мы задаем пересыщение, тем яснее проявляется структура странного аттрактора;

- предложенная поправка к уравнению тепловой коагуляции теоретически обосновывает влияние на скорость коагуляции размера аэрозольных частиц.

Полученные результаты имитационного моделирования движения частиц аэрозоли при расширении газового потока в диффузоре позволили:

- предложить критерии подобия изучаемого движения, построить диаграмму для расчета относительной скорости частица - поток газа;

- показать, что движение аэрозольной частицы может быть, как детерминированным, так и хаотическим. Существует также переходная область, где, наряду с направленным движением, частица способна совершать хаотические колебания. Построена диаграмма, которая позволяет, предсказать характер движения частицы;

- выявить существование спонтанной разно скоростной коагуляции, когда при достижении некоторого критического отношения размеров частиц возможен резкий рост скорости коагуляции.

Получены зависимости для расчета термодинамических параметров турбулентного смешения пара и газа, содержащего аэрозольные частицы. Это позволило определить оптимальные геометрические параметры камеры смешения и вычислить массу сконденсировавшихся паров. Из условия равновесия гетерогенной конденсации при расширении перенасыщенного парогазового потока, получено уравнение для расчета массы сконденсировавшихся паров в зависимости от входных параметров и геометрии диффузора. Показана применимость полученных зависимостей в широком диапазоне изменения параметров.

Доказана гипотеза о существовании в аппаратах циклонного типа упорядоченных парных вихрей, которые значительно снижают эффективность улавливания частиц аэрозоля. Предложено выражение для расчета интенсивности вихря в зависимости от осевой скорости потока газа. Имитационное моделирование движения частицы в закрученном потоке с учетом наличия упорядоченных парных вихрей в аппаратах центробежного типа позволило определить действительную их эффективность в зависимости от геометрии аппарата, плотности и вязкости газа, плотности частиц и их дисперсного состава.

Практическая значимость и реализация работы. Разработан аппарат конденсационного пылеулавливания, обеспечивающий эффективность улавливания аэрозолей размером 0,4-5 мкм, состоящий из камеры смешения, диффузора, где происходит укрупнение частиц за счет конденсации пара, и циклона с температурным градиентом, создаваемым в закрученном газовом потоке. Экспериментально изучено влияние градиента температуры в циклоне на эффективность улавливания дисперсной фазы. На основании проведенных исследований разработаны и прошли промышленные испытания установки: для отбора аэрозолей из атмосферы (Радиометрическая станция г.Зеленогорск), очистки выхлопных газов дизелей (машиностроительный завод «Звезда» г.Ленинград), очистки отходящих газов в производстве ферментов (Всесоюзный научно-исследовательский институт антибиотиков и ферментов гЛенинград).

Подробное рассмотрение предложенной модели движения газов в циклоне позволило разработать новую конструкцию аппарата вихревого типа с вторичным потоком чистого газа, в котором создаваемый вращающийся кольцевой поток чистого газа препятствует проскоку пылевых частиц через «опасные» зоны нисходящего потока газа. Промышленная эксплуатация такого типа аппаратов на Сланцевском цементном заводе (г.Сланцы Ленинградской обл.) и на заводе»Кулон»(г.С.-Петербург), показала отличные результаты и доказала целесообразность их использования.

Предложено использовать одну из конструкций циклонного аппарата в качестве четвертой ступени запечного суспензионного теплообменника для очистки отходящих газов после обжиговой печи. Причем, вместо вторичного потока чистого газа в данном случае необходима подача паров во-

ды, так как это улучшает степень декарбонизации сырьевой муки, что позволяет значительно увеличить производительность действующих печей, работающих по сухому способу.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Проблемы охраны труда» (Кишинев 1978), Всесоюзной научной конференции «Современные машины и аппараты химических производств» (Ташкент 1983), Всесоюзном научном семинаре «Применение аппаратов мокрого типа для очистки отходящих газов от твердых примесей» (Москва 1985), Всесоюзной конференции «Современные проблемы химической технологии» (Красноярск 1986), Международной конференции «Теория и практика процессов измельчения, разделения, смешения и уплотнения» (Одесса, 1998), научных семинарах кафедр: «Оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры» (Санкт-Петербург 1977-1986 годы), «Инженерного проектирования»(Санкт-Петербург 1987-1996годы) и «Машины и аппараты химических производств» в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) (Санкт-Петербург 1997-1999 годы).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе монография и 5 авторских свидетельств, еще одна монография «Химико-технологические агрегаты конденсационного улавливания пыли» находится в печати (Издательство С.-Петербургского университета, 320с.)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, основных выводов, приложений и списка литературы. Материал диссертации изложен на 382 страницах содержит 13£~рисунков, 13 таблиц, 5 страниц приложений и список литературы из 251 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава, посвящена анализу основных направлений в создании высоко эффективных аппаратов очистки газов от аэрозольных частиц с использованием механических, фильтрационных и конденсационных методов.

Механическая очистка. Устройства, использующие принцип механической очистки (циклона), появились в 1885г. и использовались для сбора пыли. Однако достичь приемлемой для инженерной практики эффективности их работы пока не удалось.

Можно выделить следующие особенности течения смеси газа с частицами пыли в циклоне, которые оказывают существенное влияние на эф-фекгивность их работы:

- продолжительное время пребывания частиц пыли в циклоне ;

- твердые или жидкие частицы могут быть отделены или на длительное время приведены во взвешенное состояние в поле центробежных сил, создаваемых закрученным движением среды;

- зоны рециркуляции и повышенный уровень интенсивности турбулентности могут возникать в потоке вследствие сдвиговых течений газа;

- вблизи стенок могут развиваться большие радиальные и осевые пограничные слои и ослаблять центробежные силы в этих местах;

- вблизи выхлопной трубы формируются большие тороидальные зоны рециркуляции с прецессирующим вихревым ядром.

Именно окружная скорость, соответствующие ей центробежные силы и градиенты давления определяют поле течения газа в циклонных камерах. Осевая и радиальная скорости меньше окружной скорости в большей части поля течения. С помощью небольших изменений конструкции и соответственного расположения тангенциальных входных патрубков можно изменить распределение радиальной и осевой скоростей и тем самым усилить одну из перечисленных выше особенностей. Влияние геометрических изменений конструкции тангенциальных входных патрубков заключается в воздействии на размеры и форму внутренней зоны циркуляции, в том числе и при дополнительной подаче чистого газа.

Фильтрационная очистка. Применение фильтров позволяет в ряде случаев обеспечить очистку воздуха до самых высоких санитарных норм и в том числе от аэрозолей, особенно если речь идет об очистки газов от субмикронных частиц. Основной их недостаток состоит в изменении во времени эффективности, которая практически не контролируется при их работе. По истечении довольно небольшого времени необходима полная замена фильтрующих элементов, которые полностью не восстанавливаются.

Конденсационное пылеулавливание. По способу действия мокрые газоочистные аппараты могут быть разделены на: полые и насадочные газопромыватели, барботажные и пенные, ударно-инерционные, центробежные и конденсационного пылеулавливания.

Агрегат конденсационного улавливания аэрозолей (рис.1.) состоит из камеры смешения с соплом для подачи пара, диффузора для расширения смеси газа с паром и улавливающего устройства, выполненного в виде ци-

1-сопло;2-диффузор;3-корпус циклона;4-выхлопной патрубок

клона с охлаждаемым корпусом и обогреваемым выхлопным патрубком. Может использоваться и обычный циклон, а также циклон с дополнительной подачей чистого газа. Преимущество конденсационного метода (особенно для очистки влажных газов при относительно невысоких концентрациях дисперсной фазы) заключается в достижении близкой к 100% эффективности улавливания высокодисперсных частиц. Возможность автоматизации управления агрегатами конденсационного пылеулавливания делает их незаменимыми при работе в условиях промышленного производства, когда мо1ут непрерывно меняться концентрация и расход аэрозольных частиц на входе в аппарат. Однако широкое внедрение данного способа сдерживается недостаточной его изученностью.

Глава вторая .посвящена вопросам дисперсных систем, которые образуются в результате явлений испарения и конденсации. Многие промышленные выбросы, находящиеся в виде аэрозолей, образуются при конденса-.ции жидкостей. Размеры капель аэрозоля сильно меняются от одного физически бесконечно малого объема дисперсной системы к другому. Можно предположить, что имеется несколько независимых распределений, в результате сложения которых образуется конечное распределение. Связано это с изменением механизма коагуляции частиц с ростом их размера. В области больших размеров проявляется преимущество дискретного характера роста частиц в результате коагуляции над их регулярным ростом за счет конденсации. В этой связи можно говорить о том, чго имеется несколько связанных между собой иерархических уровней дисперсной системы.

Дисперсная система на каждом иерархическом уровне является открытой макроскопической системой. Открытость обусловлена наличием обмена, как веществом, так и энергией с другими системами или между соседними уровнями. Макроскопичность обусловлена тем, что на каждом уровне дисперсная система может состоять из большого числа, принимаемых за элементарные, частиц. В силу макроскопичности каждого уровня дисперсной системы, а также ввиду сложности полного кошроля внешних условий достаточно полное и адекватное их описание может быть проведено на основе статистической теории. При этом могут быть получены выражения, описывающие процессы, происходящие в различных пространственно-временных масштабах.

Часто при выборе математических моделей приходится в большей мере полагаться на интуицию и эмпирические данные. Удачным дополнением, а в некоторых случаях и заменой статистических методов могли бы быть динамические уравнения, описывающие поведение сложных нелинейных систем. Интенсивное развитие нелинейной динамики во многом вызвано введением новых понятий, одним из которых является понятие фрактальной размерности, давшее возможность использовать ее достижения в решении практических задач. Принципы и понятия теории фрактальной размерности широко примененяются в математике и теоретической физике.

Основная сложность заключается в неоднозначности самого понятия фронтальность. Анализ известных методов расчета фрактальной размерности позволяет сделать вывод о том, что применимость этой теории можно расширить, определив фрактальную размерность как дробную размерность точечного множества. В частности, понятие информационной размерности, используемое при описании поведения дисперсных систем, не имеет столь адекватной физической интерпретации. В работе используется гипотеза о том, что фрактальная размерность множества определима в том случае, если само множество, либо мера, определенная соответствующим образом на данном множестве, обладают свойством масштабной инвариантности. Такое допущение позволяет применить весьма продуктивные методы теории фракгальности к традиционным объектам химической технологии.

Требуется разработать новый подход к прогнозированию возможных отклонений от средних значений содержания дисперсных частиц в некотором заданном объеме (объеме пробы) в зависимости от свойств дисперсной системы. Важно, чтобы при этом учитывался и объем самой системы. Состояние смеси со случайным распределением компонентов не зависит от особенностей ее образования и является инвариантной ее характеристикой. Для решения поставленной задачи использовались методы фрактальной размерности. Известны: объем отдельной частицы у0 и их объемная средняя концентрация П0 = N0У0 / V. Внешними условиями являются: общий

объем смеси V , объем пробы V *. В качестве критерия оценки состояния дисперсных систем будем использовать емкостную (информационную) размерность множества, определяемую аналогично фрактальной размерности канторова множества. От многокомпонентной смеси объемом V можно перейти к анализу системы объединяющей множество координат частиц ее компонентов. При условии конечности размеров частиц фрактальная размерность такого множества определяется выражением следующего вида . Если в качестве меры множества £ принять размер частицы, то число элементов системы N, имеющих концентрацию С0 и объем частиц равно

. В качестве меры множества

принимаем отношение 8 = (\>0 / тогда получим следующее выра-

жение для фрактальной размерности смеси с/ = 31п N0 / 1п(К / ) ■ Предполагается, что мера множества в нашем случае не превышает размера дисперсных частиц. Соответственно для пробы объемом (0<а<1) получим с!* = 31п(о/У0 ) / 1п (аУ /у0). Очевидно, что для

ОС < 1 должно выполняться условие с1 < <3. Величина с1 характеризует однородное состояние дисперсной системы, когда дальнейшее улучшение

ее качества путем только случайного перераспределения частиц не представляется возможным.

При случайном выборе пробы из смеси среднее количество информации, содержащееся в каждой отдельной пробе, относительно количества информации, содержащегося в смеси в целом, равно разности априорной и апостериорной энтропии источника информации (дисперсной системы). Априорная энтропия задается объемом смеси в целом, апостериорная -объемом пробы и искомое выражение для оценки качества смеси имеет следующий вид

N

сг = —р=^= Лс1 ехр Ас1,

(1)

где

А/= ¿-¿7

1п А^ \nccN,

(2)

1пЛг 1п ссЫ

Задачу можно считать полностью решенной, если известна функция распределения, то есть вероятность р(п,(Х) найти в некотором контрольном объеме а-У*/V число частиц п при их числе в системе Л^, их максимально возможном числе N = У / У0 и среднем содержании в анализируемом объеме Ыс. Выражение для р(п, а) запишется

и — Л/

Р(п,<*) =

ЫсАс1ехр М

ехр

ИсМ&хрМ

(3)

Практическое применение полученных зависимостей определяется особенностями конкретной дисперсной системы. В нашем случае единственным критерием подобия может быть разность фрактальных размерностей смеси в целом и отдельно взятой пробы при условии, что среднее число частиц в анализируемом объеме Nс — N0(Х сохраняется постоянным.

Были сформулированы общие принципы построения адекватного математического описания структуры дисперсной системы, как иерархической. Из этого следует, что корректное описание поведения дисперсных систем возможно только на основании кинетических уравнений отражающих эволюцию функций распределения во времени и пространстве параметров. Выбор параметров функции распределения зависит от стоящей перед исследователем задачи. При этом моделирование поведения дисперсной системы связано с проведением сложных вычислений, которые будут зависеть от характера внешних воздействий, свойств дисперсных частиц и самой системы. В результате расчетов мы сможем описать поведении конкретной системы в равновесном состоянии, которое обязательно будет отлично от системы со случайным распределением частиц.

Стохастические свойства конденсационного пылеулавливания наиболее полно проявляются при анализе поведения ансамбля дисперсных частиц, когда одновременно происходит их образование, дальнейший рост, агломерация и дробление. Для описания этих свойств и используется кинетическое уравнение конденсации (или уравнение баланса числа частиц по размерам). Хотя данное уравнение используется давно, вопросам его обоснования и пределам применимости стали уделять внимание только в последние годы. Необходимость в этом возникла в связи со стремлением учесть наибольшее число явлений при описании конденсационного пылеулавливания. Кинетическое уравнение конденсационного пылеулавливания имеет следующий вид

от oV QV

i=idXi

W (О

+ \ iWi, Vi )/(*,vx,r)f(x, V2, r)5{V - Fj - V2)dVxdV2 -

- f(x, V, T)\J3{V, Vx )f(x, Vx, r)dVx.

К

Ряд упрощений и предположений, сделанных при его выводе, требует осторожного отношения к пределам его применимости, особенно в тех случаях, когда учитываются дробление и коагуляция. Рецептурных методов решения интегро-дифференциальных уравнений нет. Поэтому задача нахождения даже стационарного решения такого уравнения, как правило, оказывается довольно сложной, а в большинстве случаев и вообще неразрешимой. Этим объясняется стремление различных исследователей к построению более частных моделей, которые затем используются при практических расчетах. В связи с этим встают две основные задачи.

С одной стороны, необходимо строгое статистическое обоснование кинетического уравнения, что позволит уточнить пределы его применимости и выявить возможные неточности его написания. Такое обоснование можно получить в результате распространения статистических методов неравновесной механики и термодинамики на конденсационную систему на основании анализа уравнения Лиувилля.

С другой стороны, ввиду большой значимости кинетического уравнения конденсационного пылеулавливания для практических расчетов и серьезных математических трудностей, связанных с его решением, мы вынуждены создавать на его основе более простые модели. При составлении их необходимо исходить из конкретных практических задач, стоящих перед исследователем, учитывая влияние преобладающего фактора в каждом случае. Подход, основанный на решении уравнения Лиувилля, требует глубоких знаний методов статистической физики и законов микрокинетики конденсации. В связи с этим воспользуемся более традиционным подходом и на самом первом этапе рассуждений откажемся от точных законов микрокинетики, умышленно заменим их вероятностным законом. Такая операция обладает, по меньшей мере, одним достоинством — ясностью.

При решении многих прикладных задач нет необходимости рассматривать непрерывный процесс как таковой, поскольку при некотором приближении можно интересоваться не точным объемом частицы, а, скажем, вероятностью того, что частица принадлежит заданному интервалу объемов. Такой подход оправдан тем, что, в конечном счете, решение задачи проводится с помощью ЭВМ. Таким образом, встает задача разработки дискретной модели непрерывного процесса. В связи с этим рассмотрим систему, имеющую конечное число возможных состояний Для системы капель в качестве случайной величины может выступать характерный размер капли — ее объем V, который принимает дискрегные значения Ух, ^. Закономерности случайного Марковского процесса У(т) определяются совместным распределением вероятностей р(У\, ^ ) его значений У (тх) ,У (Т2) ■ -,У /,) в различные моменты времени и могут быть описаны с помощью условных всроятно-cт^f{V■[,r])= ¡px{Vx•,Tx\VQ•,rй)f{V0,TQ)dVQ. Дискретный аналог уравнения примет следующий вид:

М

'?>/(«+ 1)= Ъ<Р](п)Рц(п)\ /,7 = 1,2,3,..!, (4)

где (р^ (П) — вероятность нахождения частицы в У^ -м состоянии в момент времени Тп; р ^ (/?) — условная вероятность перехода частицы из состояния V} в состояние VI за время А Г = Гл+] — Тп.

Очевидно, что условные вероятности не отрицательны и удовлетворяют условию нормировки, то есть сумма переходных вероятностей равна единице. При построении дискретной модели накладываются определенные ограничения на выбор состояний системы и шага по времени. Состояния

системы должны выбираться таким образом, чтобы по возможности обеспечить равенство переходных вероятностей. В свою очередь, шаг по времени можно выбирать таким, при котором частица за счет роста может перейти в близлежащие состояния.

Если задано начальное состояние (р(0) дискретной системы, то модель (4) описывает дискретный во времени процесс ее эволюции в результате роста капель при постоянных внешних условиях (при постоянной температуре, давлении и влажности газа). Согласно физическому определению вероятности, под величиной ^¡(п) можно понимать объемное содержание в потоке газа капель с размерами от У^ до У/ + А У в момент времени Тп, к

то есть (р1 (п) = У/ / X У/ — У, / У^ ■ После несложных преобразований, М

получим

/=*

+1) = £ М Лп)р;Лп)\ 1,} = 1,2,3,...к. (5)

М

Структура матрицы переходных вероятностей ру(п) задается выбранной

схемой возможных переходов при конденсационном росте частиц аэрозоля. Переходы возможны как за счет роста частиц с некоторой средней скоростью, так и из-за пульсаций скорости роста, которые могут уменьшать или увеличивать среднюю скорость роста. Данное явление отражает случайный характер изменения во времени объема частицы. В общем случае изучаемый процесс является неоднородным Марковским процессом и основное рекуррентное соотношение (5) должно учитывать, как коагуляцию, так и дробление дисперсных частиц.

Глава три. Первая ступень иерархии характеризуется физико-химическим взаимодействием атомов, молекул, ионов и относится к моделированию на атомно-молекулярном уровне. Именно эти взаимодействия и определяют образование дисперсной фазы при конденсации, как фазовый переход из газообразного состояния (пара) в жидкое состояние. Качественный анализ зарождения дисперсной фазы в условиях отклонения сплошной фазы от термодинамического равновесия показывает большое многообразие наблюдаемых при этом явлений, учесть которые в рамках единой теории пока не представляется возможным. Достигнутые в настоящее время результаты позволяют говорить о возможности предсказания скорости гомогенного и гетерогенного зародышеобразования в условиях конденсации пересыщенного пара.

Воспользуемся результатами предыдущего раздела и определим вероятность того, что в некотором контрольном объеме число частиц стало достаточным для образования зародыша, размер которого превышает кри-

тический. В данном случае под дисперсной системой понимается совокупность атомов или молекул, участвующих в конденсации и занимающих определенный объем. Если У объем занимаемый системой, а У0 объем отдельной молекулы, то максимальное число молекул, которое может поместиться в данном объеме равно N = У /У0. Число молекул газа в объеме дисперсной системы, зависит от температуры и давления и рассчитывается без учета объема занимаемого вновь образующимися дисперсными частицами - зародышами. Тогда выражение для концентрации молекул будет иметь следующий вид

КГ, У2 У

(6)

Индекс 1 относится к параметрам газа до расширения, а 2 к параметрам газа после расширения. Величина контрольного объема, может быть рассчитана исходя из числа молекул, образующих зародыш критического

, размера У* = л4{К*)3 /3, которое равно И* = У*/У0. В момент образования зародыша эти молекулы должны быть расположены в некотором объеме который'болыпе У*, то есть можно предположить, что размер контрольного объема равен — К ¡Я*, Константа К, больше единицы и зависит от расстояния между молекулами, на котором силы притяжения между ними преобладаю над силами отталкивания и становиться возможным образование зародыша. Тогда размер контрольного объема равен 3

Ук = ТС41^ / 3. Доля объема дисперсной системы приходящаяся на контрольный объем равна СС = IV, а среднее число молекул, приходящееся на контрольный равно N с = ССЫ0 = N 0Ук .

Применительно к решаемой задаче уравнение (2) для расчета Ас! будет иметь следующий вид:

М = 1п

К

N

= 1пЛГ"<.

(7)

Используя (3) и (7), можно рассчитать вероятность образования зародыша объемом У * размеров Я> Я*.

-Те

Р(№)= } -—-

ехр

-яе

х-1

М ехр М

(8)

Согласно принятой модели дисперсная система разбита на ряд отдельных контрольных объемов, в которых могут образоваться зародыши. Число таких контрольных объемов пропорционально 1 /ОС. Выражение (8)

А/

•6

\

\

1 2 3 4 5 5

Рнс.2. Фазовая диаграмма для вероятности образования зародышей, позволяет рассчитать вероятность того, что в некотором контрольном объеме может образоваться зародыш. Общее число зародышей, которые могут образоваться в некоторый момент времени равно J* = Р(М*) / (X. Расчеты показывают, что наблюдаются устойчивые колебания с/ * во всем диапазоне начальных температур и переохлаждений. С первого взгляда их можно отнести, к так называемому, шуму, который имеет место, как в натурных экспериментах, так и при численном моделировании, Наблюдаемые колебания амплитуды вероятности образования зародышей не могут служить признаком хаотичности поведения дисперсной системы.

С целью дальнейшего анализа задачи необходимо обратиться к некоторым вопросам теории хаотических колебаний. В нашем случае время в явном виде не присутствует и задача не может быть напрямую отнесена к теории динамических систем, но развитые этой теорией подходы могут быть использованы и нами. Речь идет о построении так называемого отображения Пуанкаре, которое представлено на рис.2. При выборе фазовой плоскости в качестве независимой переменой использовалось пересыщение , которое по определению является относительной величиной. Скорость была заменена относительным приращением вероятности образования зародышей Л/ — (</„+/ - «/„) / «/„

В системах с затуханием отображение Пуанкаре иногда представляют собой бесконечные строго упорядоченные множества точек, концентрирующихся наподобие параллельных линий. При численном моделировании можно увеличить часть отображения Пуанкаре и обнаружить более тонкую структуру, то есть система ведет себя как странный аттрактор. Множества с подобным вложением одной структуры в другую часто называют кан-

4

торовыми множествами. Появление в отображении Пуанкаре структур, которые подобны канторовым множествам, является сильным индикатором хаотических проявлений. Поскольку в нашем случае мы имеем типичный пример странного аттрактора, то можно утверждать, что наблюдаемые колебания вероятности образования зародышей являются хаотическими. Для каждого конкретного значения пересыщения имеется только одно значение вероятности образования зародышей, которое резко изменяется при незначительное изменение пересыщения. Чем точнее мы задаем пересыщение, тем более явно проявляется структура странного аттрактора.

Четвертая глава. Помимо знания условий образования капли, важно уметь оценивать скорость ее роста и испарения. Уравнение Максвелла, описывающее испарение капли в зависимости от времени, дает приемлемые результаты для достаточно крупных капель чистого вещества, хотя его формулировка и содержит ряд упрощающих предположений. Подобные зависимости позволяют прогнозировать изменение поверхности при довольно больших размерах капель не менее 10"5м и не могут быть распространены на капли соизмеримые с размерами зародышей. Поправка Фукса, учитывающая, что диффузия начинается на расстоянии, приблизительно равном длине свободного пробега от поверхности капли, позволяет учесть снижение скорости роста капель в области малых размеров (менее Юмкм). Хотя экспериментального подтверждения этому в настоящее время нет.

Установлено, что частицы размером меньше ОДмкм движутся с сохранением температурного равновесия с окружающей средой. В области Стокса, при возрастании интенсивности испарения на передней поверхности частицы компенсируется его уменьшением на задней поверхности и полная скорость испарения не меняется. Хотя при очень высоких числах Рейнольдса вылетающие из частицы молекулы уносятся от нее так быстро, что напоминает испарение в вакууме. Этот процесс несуществен для частиц диаметром меньше 40мкм, так как их движение относительно среды происходит при малых числах Рейнольдса. Следовательно, при оценках скорости испарения и конденсации движением капли можно пренебречь.

Создание строгой теории роста капель может базироваться на нестационарных кинетических уравнениях. При достаточно больших размерах капель по сравнению с размерами атомов, молекул и кластеров они будут иметь развитую поверхность, поэтому решение этих задач усложняется наличием поверхностей раздела. Возникают проблемы формирования граничных условий и решений граничных задач для кинетического уравнения. В этом случае возможен переход к системе уравнений, аналогичной (4), когда основными параметрами модели являются вероятности присоединения и отрыва одиночного атома (молекулы) кластера от поверхности капли.

Пятая глава. Одной из важных характеристик, необходимой для прогнозирования эффективности улавливания является скорость движения частицы относительно потока газа. Рассмотрим движение аэрозольной час-

тицы в диффузоре устройства конденсационного пылеулавливания. Поскольку скорость потока газа в осевом направлении намного больше скорости осаждения частицы, то воспользуемся одномерным приближением. Пусть V * скорость газа на входе в диффузор, а Г0 радиус диффузора на

месте входа, тогда изменение скорости по его длине имеет вид:

1-2

у(у) = г*[1 + у/гМг/2)]-2,

и уравнение движения частицы запишется

ат

- + XV у = V *

-2

йу

—— = XV .

ат у

(9)

(10)

На входе в диффузор скорость частицы равна скорости газа (Г = 0 у = 0 XVу = V*). Пусть и — /V*, г = 12)/г0, в = т!х0 и 5 = у*г^(//2)/г0,тогда

с1и Г, -1-2 <1г _

— + м = [1 + ,— = Ви,Тръ9 = 0,г = 0,и = 1. (11)

Для сведения результатов расчетов в рамки общих представлений была использована приведенная длина/ = у1(1"0Щ и приведенная относительная скорость И> = [М>у —\>(у)] / XV£. Как в данном разделе так и в дальнейшем изучалось поведение аэрозольных частиц воды в воздухе при температуре 20°С в диффузоре со следующими параметрами V* = 20м/с, Г0 = 0,02м, у/2=1.5°, и значениями физических параметров, р^ — ЮООкг/м3, рс = 1,2кг/м3, (Лс = 1.2-10"5н/м2, для частиц размером

Рис.3. Зависимость скорости частицы от длины диффузора при различных размерах частицы: 1 -10"5м; 2-5-10^; 5-10'6м; 4-10"'и.

Я — 10мкм, 1мкм и ОДмкм. Как видно из рис.3 относительная скорость частицы в сотни раз превосходит максимальную скорость ее свободного осаждения . Максимальное значение относительной скорости зависит от угла

раскрытия диффузора, и увеличивается с увеличением угла раскрытия. С уменьшением размера частицы вид зависимости изменяется.

Необходимо иметь в виду, что приведенные результаты моделирования можно считать правдивыми если движение частиц происходит в ламинарной области, то есть число Рейнольдса рассчитанное по относительной скорости не должно превышать единицы. Большинство аэрозольных проблем рассматривается при режимах, соответствующих малым числам Рейнольдса. При сохранении геометрии диффузора рис.3 может служить диаграммой для расчета относительной скорости частица - поток газа, где основным параметром является константа В, характеризующая отношение сил инерции частицы к силам вязкого трения при расширении потока газа.

Шестая глава. Тепловое движение молекул среды вызывает хаотическое движение частиц дисперсной фазы — броуновское блуждание или броуновскую диффузию. При изучении аэрозолей закономерности диффузии очень важны, поскольку практически полностью определяют взаимодействие мельчайших частиц размером менее 0,1мкм. Физико-математическая модель броуновского блуждания частиц подробно разработана. Не до конца изученным остается иррегулярное блуждание не слишком малых частиц в газообразной среде, которое поддерживается не просто случайным характером отдельных столкновений молекул среды с этими частицами, а молекулярными флуктуациями полного импульса, передаваемого им средой в различные промежутки времени. Действительно, в нормальных условиях время взаимодействия одной молекулы газообразной среды с не слишком малой частицей существенно превышает время между двумя последовательными столкновениями отдельных молекул с этой частицей. Об отдельных столкновениях молекул газообразной среды с частицей есть смысл говорить только в случае, когда размер последней меньше 10"8м.

Исходя из основного предположения физико-математической модели броуновского блуждания частиц полный импульс, передаваемый частице средой, может быть записан в виде двух слагаемых (регулярного и флуктуа-ционного), причем флуктуационная часть импульса распределена по закону Гаусса и не зависит от регулярной скорости частицы. Регулярное гидродинамическое поле частицы не оказывает влияния на интенсивность молекулярных флуктуаций среды. В этом случае движение аэрозольной частицы в канале переменного сечения может быть представлено следующим образом:

[1 + г]

(2л)

1 Г 11 12

—ехр \--\a\

2 кТ

т

-<УТ

Вновь введенный параметр характеризует отношение средней энергии молекул газа к кинетической энергии аэрозольной частицы на входе в диффузор. Для решения задачи воспользуемся имитационным моделированием движения аэрозольной частицы - методом Монте-Карло. Основная трудность состоит в выборе шага по времени, который не должен превышать время релаксации аэрозольной частицы. Окончательный выбор шага может быть сделан после анализа результатов моделирования. При этом нам необходимо знать: длину свободного пробега молекул газа (пара)

Рис.4. Фазовая диаграмма движения аэрозольной частицы размером 10 7м в диффузоре (число точек 10000).

Л = ¡Лсу]якТ/(2тс) /Р, время релаксации движения аэрозольной час-

2

тицы Тд = 2Я у9^я(Кп)/(Р//с) и коэффициент диффузии Броуна = кТ^х ( Кп) /( 671 ¡Ис К ), которые рассчитываются с учетом поправки Кнудсена ^ »1 + 1,234Кп + 0,414Кпехр{-0,87бКп~1}, где

Кп — Л/Я число Кнудсена.

На рис.4 представлена фазовая диаграмма движения аэрозольной частицы с учетом диффузии Броуна с использованием приведенной системы координат. С изменением размера частицы, при сохранении прочих начальных условий, меняется характер ее движения. По сравнению с полученными в предыдущем разделе результатами, наблюдается переход от хаотического движения к детерминированному движению. Так, при размере частицы 1.3мкм хаотические колебания явно не наблюдаются. Однако при увеличении масштаба (рис.5,а), мы можем наблюдать некоторые колебания,

которые становятся практически незаметными при размере частицы Юмкм (рис.5,б). Речь скорее идет не о колебаниях, а о неточности расчета положения частицы в фазовом пространстве.

Утверждать, что движение является хаотическим можно только на основе использования некоторой численной характеристики странного аттрактора (рис.4.). Такой характеристикой может являться фрактальная размерность. Для вычисления усредненной поточечной размерности выбирают случайным образом несколько точек хп. Для каждой выбранной точки вычисляют расстояния до ближайших окружающих точек Хт. Речь идет о точках, ближайших во времени, а не в пространстве. Использовать евклидову меру расстояния не обязательно. Например, можно воспользоваться суммой абсолютных величин компонент вектора Хп — Хт, то есть

snm =z\y(ndr)-y(mdT)\ + \w(ndT)-w(mdT)\. • (12)

Затем подсчитываем число точек в круге размером £ и находят вероятность как функцию параметра £:

1 N°

pn(£) = —I¡H(£-Snm), (13)

N0 m=l

где Я — функция Хевисайда. Усредненная поточечная размерность по определению есть величина

, loWn(£) , 1 ,

d„ = lim f "' Л И d = —/Zdn, (14)

£->0 logf M п=1

где предел в формуле для dn существует.

Общее число точек в выборке равно Ng. Число М подбирают опытным путем, начиная с какого-нибудь малого значения и постепенно увеличивая его до тех пор, пока d не достигает предела. На практике N0 ~ З-Ю3 - 3-104точек, М « 0.20No. Выбор £ также требует известной ос-

Рпс.5. Увеличенный фрагмент фазовой диаграммы движения аэрозольных частиц размером: а - и-Ю^м, б - 10'5м.

мотрительности. Верхний предел значений £ достаточно велик, чтобы ухватить крупномасштабную струюуру в окрестности точки Хп. Наименьшее значение Е должно быть таким, чтобы круг радиуса Е содержал, по крайней мере, одну выборочную точку. Другим ограничением на мини-

Р(е)

0.1

0.01

0.001

0.001

0.1

Рис.6. Пример обобщения траекторий движения частиц различных размеров: 1 - 0,1мкм, 2 - 1.3мкм, 3 - Юмкм.

мальную величину £ является уровень реального шума, или неопределенность в измерениях переменных состояния у). В любом реальном эксперименте существует сфера неопределенности, окружающая каждую измеренную точку в фазовом пространстве. Когда £ становится радиусом этой окружности теория фрактальной размерности строго говоря, становится неприменимой, так как при меньших Е нельзя ожидать самоподобной структуры.

На рис.6 представлены результаты обобщения траекторий движения частиц аэрозоля (рис.4), где линии, строго говоря, не является прямыми и имеют довольно сложный вид. Однако, в некоторых пределах изменения размера анализируемой области £ зависимость р) от £) можно считать линейной, что позволяет однозначно определить величину корреляционной размерности. С увеличением размера аэрозольной частицы величина корреляционной размерности уменьшается. Движение становиться устойчивым. На рис.7, где представлена зависимость корреляционной размерности и параметров В и , от размера дисперсных частиц, наблюдаются три области.

Рис.7. Зависимость фрактальной размерности фазовой диаграммы движения частицы в диффузоре от ее размера: 1- ОДмкм, 2 - 1.3мкм, 3 - Юмкм.

К устойчивой области относиться кривая 3 (рис.6), для которой величина корреляционной (фрактальной) размерности минимальна и близка к нулю. Стремление к нулю фрактальной размерности говорит о том, что отклонения на траектории в фазовом пространстве (рис.5,б) связаны с погрешностью вычислений и имеет место детерминированное движение аэрозольной частицы в диффузоре. Такая задача решалась в предыдущей главе. К неустойчивой области относится кривая 1 (рис.6), для которой величина фрактальной размерности максимальна и приближается к двум. Стремление к двум фрактальной размерности говорит о том, что траектория в фазовом пространстве стремиться заполнить всю его область (плоскость рис.5,а) и отклонения на траектории в фазовом пространстве носят случайный характер. Имеют место хаотические колебания.

В переходной области значение фрактальной размерности равное 1.711 для неустойчивой области уменьшается до значения фрактальной размерности 0.04-0.05, соответствующего устойчивой области. Как показали расчеты, размер переходной области слабо зависит от угла раскрытия диффузора и температуры газа. Движение частицы в переходной области (рис.5,а), с одной стороны не является детерминированным, с другой стороны оно не является хаотичным, поскольку прослеживается определенная траектория, вокруг которой совершаются колебания.

Впервые показано, что движение частицы аэрозоля в диффузоре может быть, как детерминированным, так и хаотическим. При этом существует также переходная область, где, наряду с направленным движением, частица способна совершать хаотические колебания. Построенная диаграмма рис.7 позволяет, не проводя интегрирования уравнений движения, предсказать характер движения частицы, если известны параметры В и которые можно считать критериями подобия для решаемой нами задачи.

Седьмая глава, посвящена коагуляции (слипанию или слиянию) аэрозольных частиц, когда взаимодействием между ними пренебречь нельзя. Наиболее простой вид коагуляции - тепловая коагуляция монодисперсных сферических частиц. Это приближение было впервые предложено Смолу-ховским и уже много лет используется для описания коагуляции твердых частиц и капель жидкости и может служить основой для определения константы коагуляции. Уравнение коагуляции по Смолуховскому

Экспериментальное значение константы коагуляции К0 обычно заметно выше теоретического. Видимо, это связано с предположением о равномерном распределении частиц по объему системы. Равномерность распределения зависит от общего числа частиц в системе Ы0 их размера У0, размера контрольного объема У^ и общего объема системы У. Пусть N максимально возможное число аэрозольных частиц, которое можно разместить в системе и тУс среднее число частиц, которое может находиться в контрольном объеме. Между Мс и средней концентрацией аэрозольных частиц (С) существует следующая связь Nс = (хУ(С). Локальное значение числа частиц в контрольном объеме связано с их локальной концентрацией П = УкС = аУС. По определению (С) = N0 IV с другой стороны, У = АГУ0 следовательно, N0 IN — (С)У0. Тогда применительно к задаче коагуляции можно записать следующее выражение для вероятности распределения числа частиц по отдельным элементам системы, размер которых равен контрольному объему

' йг 2

(15)

(16)

о-—НУ0(С))п\щ =

3

3

1п (У/У0) ЩУк/У0)

Оценим, как неравномерность распределения частиц по объему дисперсной системы влияег на суммарную скорость коагуляции. Для этого рассчитаем эту скорость в каждом контрольном объеме с учетом возможной в нем концентрации частиц. Всего таких контрольных объемов Л^ — У / У^. Из них в N¡,р{С) контрольном объеме концентрация аэрозольных частиц равна С, и соответствующая ей скорость коагуляции определиться через - скорость коагуляции Т]0 соответствующую средней концентрации (С)

( п \2

с

Найдем некоторый коэффициент, равный отношению средней скорости коагуляции к скорости коагуляции при средней концентрации

7?

Ло О

<о

Фактически 7] является поправкой константы скорости коагуляции в уравнении (15)

йт 2

(17)

Для того чтобы воспользоваться предложенной моделью, нужно задать величину контрольного объема или некоторый линейный масштаб.

Рис.8. Зависимость поправки константы скорости коагуляции от размера аэрозольных частиц при различной их концентрации: 1 - 1г/м\ 2 - 0,1г/м3,3 - 0.01г/м3,4 - 1мг/м\

При проведении расчетов величина линейного масштаба была принята равной Ь = 0,000775м, что соответствует контрольному объему У^ ~2-10"9м3. При малых размерах аэрозольных частиц поправка очень мало отличается от единицы, и зависит от концентрации аэрозольных частиц в воздухе (рис.8). При концентрации аэрозольных частиц равной 1г/м3 поправка близка к единице. С увеличением размера частиц при малых концентрациях 1мг/м3 становится значительной. Предложенная в данном разделе поправка к приближению Смолуховского учитывает наличие флуктуаций числа частиц в дисперсной системе и впервые теоретически обосновывает влияние на скорость коагуляции размера и средней концентрации аэрозольных частиц. Дальнейшие исследования должны быть направлены на более точное обоснование выбора линейного масштаба.

При движении частиц в быстро движущихся воздушных потоках скорость коагуляции будет увеличиваться. Выполненный анализ большого числа теоретических и экспериментальных исследований показывает, что наше незнание коагуляции мы стремимся свести к определению коэффициента захвата, и совсем не принимается во внимание правильность определения разности скоростей двух коагулирующих частиц, то есть не учитывается возможность случайной пульсации этих скоростей, что может иметь большое значение для аэрозолей.

При движении аэрозольных частиц в диффузоре причиной коагуляции является разность их мгновенных скоростей, и константа коа!уляш!и п

этом случае равна Кх 2 = +^2) — ^оэф-

фициент захвата £(ЕХ,1?2) должен учитывать особенности конкретного

течения дисперсной системы и при Яе < 10 для его расчета можно исполь-

2 _1

зовать следующую зависимостью £ =

кс {кс + 0,77к+ 0,22)' .

Для расчета скорости коагуляции двух частиц разного размера необходимо знать их относительную скорость в некоторой точке по длине диффузора. Воспользуемся, как и ранее, одномерным приближением и запишем уравнения движения для двух частиц

КХ2 = тп>*Ях 1 + -^ I [щ-и2] ч

'2 Ч я) 2 ^+0,77^+0,22

¿щ = -и^в + <10[1 + г]'2 + 41ва,, йг = Ки^в,

¿и2 = -и2тйс1в + сЮ[1 + г]'2 ти + 5 ~1сШа2, (18)

' п2. , *с3

г0 с 9 Мет 1 ' \тл(г*)2

Прямое решение данной системы не возможно, поскольку за одно и тоже время частицы разных размеров пройдут разные расстояния. Совместить две частицы в одной точке диффузора можно, если будет выполняться следующее условие с1в2= (Яг, / и2 = и, / .

Система должна интегрироваться при следующих начальных условиях: Г = О Щ = О, 112 ~0, г = 0 и щ/Ы2 =1- При этом использовались следующие обозначения: отношение времен релаксации двух частиц

2 _2

X — Т0, /Т02 =(К] IК2) ~ ^ > отношение скоростей частиц й — и, /и2 и отношение параметров диффузии Броуна

При построении фазовых диаграмм совместного движения двух аэрозольных частиц разного размера в диффузоре (рис.9) использовалась приведенная относительная скорость $ = г/2и приведенная длина.

Рис.9. Фазовая диаграмма совместного движения двух аэрозольных частиц в диффузоре при различном отношении их размеров: а -14,5, б - 13, в - 12 (размер большей частицы 10"!м).

Движение крупной частицы размером 7?=10мкм устойчиво (см рис.7), и при Я — /?] / /?2 меньшем некоторого критического значения, наблюдается определенная разность меду скоростями двух коагулирующих частиц на всем протяжении их движения (рис.9,в), а, следовательно, и определенное значение скорости коагуляции. При приближении относительного радиуса Я к критическому значению характер кривой меняется. На некотором расстоянии от начала диффузора кривая разветвляется и гю прошествии некоторого расстояния возвращается к прежнему виду (рис.9,б). При дальнейшем незначительном увеличении относительного радиуса образуется некоторая структура, которая переходит к двум параллельным кривым (рис.9,а). Возникают две устойчивых разницы скоростей частиц одна положительная другая отрицательная, то есть две скорости коагуляции. В один и тот же момент времени возможна только или положительная или отрицательная разница скоростей.

Движение частицы размером Я =1мкм относится к переходной области (см рис.7), и занимает промежуточное положение, когда наряду с сохранением общей тенденции изменения скорости, свойственной для устойчивого состояния, наблюдаются ее некоторые колебания. При Я меньшем критического значения, также наблюдается сохранение общей тенденции изменения разности меду скоростями двух коагулирующих частиц на всем протяжении их движения, с одновременным ее колебанием а, следовательно, скорость коагуляции также колеблется. При приближении относительного радиуса Я к критическому значеншо образуются две устойчивых разницы скоростей коагулирующих частиц одна положительная, а другая отрицательная. С дальнейшим ростом относительного радиуса, эти две разницы становятся более четкими - менее размытыми.

Движение частицы размером Я =0,1мкм относится к неустойчивой области (см рис.7), и изменение скорости носит случайным характером от

нуля до некоторого максимального значения. В том случае, когда Я меньше критического значения разность меду скоростями двух коагулирующих частиц, также принимает случайные значения. При увеличении Я симметрия разности скоростей нарушается, и начинают преобладать отрицательные значения. В конечном счете, положительные значения разности скоростей исчезают полностью.

При приближении к критическому значению Я абсолютные разности скоростей резко возрастают. Эта тенденция имеет место для всех размеров крупных частиц. Приведенные иллюстрации нельзя воспринимать как абсолютные результаты. Они носят скорее качественный характер и позволяют говорить о том, что с увеличением отношения диаметров коагулирующих частиц может произойти резкое увеличение скорости коагуляции, (см. рис.10).

При построении рисунка использовались средние относительные значения скорости коагуляции:

{ 7

1 "

N г=1

1 + =

На рис.10 хорошо просматриваются две области. Первая, где наблюдается закономерное изменение средней скорости коагуляции и вторая, где она резко возрастает.

Предположим, что необходимо уловить частицы аэрозоля, для этого их необходимо укрупнить за счет капелек воды, которые образуются в результате конденсации пара. При низких значениях пересыщения 5" <1,5 можно принять, что их размер равен 0,1мкм. Таким образом, имеются аэрозольные частицы двух размеров. Для укрупнения исходных аэрозольных частиц воспользуемся диффузором, где коагуляция описывается системой уравнений совместного движения исходной аэрозоли Я] =1мкм и капель воды /?2 =0,1мкм. Система (18) должна быть дополнена двумя дифференциальными уравнениями коагуляции:

С,(и +1) = ад + С2{п)ри2, С2{п +1) = С2{п){1 -ри).

Вероятность перехода или вероятность коагуляции может быть найдена с использованием константы коагуляции для объемной концентрации

Р1'2~ 4Я1

I Л/

ав

кс + 0,77 к? +0,22 1 2

с > "с

Для замыкания системы необходимо учесть изменение размера крупных частиц их укрупнение Я](п) — К у (0)^ С](п)/С] (0).

Предположим, что начальная концентрация аэрозольных частиц рав-

0.1

0.01

0.001

0 2 4 6 8 10 12 14 16 £ Рпс.10. Зависимость среднего значения константы коагуляции от отношения диаметров коагулирующих частиц при различных размерах большей частицы: 1 — Юмкм, 2 - 1мкм, 3 — 0,1мкм.

А 1

\

5

<-----------------------г,

1 Ч--4-1 -—^-►

Ю'! Ю'4 Ю"3 0.01 0.1 у

Рис.11. Изменение относительного размера исходной аэрозольной частицы по длипе диффузора при различных значениях ее начального размера: 1 - 1,7мкм, 2 - 1,75мкм, 3 - 1,8мкм.

на 1,5гр/м3, то есть С ¡((У) = 10"6м3/м3. Для их укрупнения до 5мкм необходимо, чтобы в коагуляции участвовало капель воды в 125раз больше по объему, то есть С¡(О) = 1,25-1,5,10"4м3/м3. На рис.11 показано изменение относительного размера частицы аэрозоли Я] = Я1(п)/Я;(0) при ее движении в диффузоре. Как видно из рисунка, предложенная имитационная модель предсказывает скачкообразное изменение размера исходных аэрозольных частиц. С увеличением начального размера крупных частиц спонтанная коагуляция начинается быстрее, поскольку быстрее достигает некоторый критический размер, при котором резко возрастает скорость коагуляции (см. рис.10). Критический размер напрямую связан с размером капель воды. Чем они меньше, тем быстрее начинается спонтанная коагуляция.

Полученные результаты имитационного моделирования совместного движения двух частиц разного размера в диффузоре позволяют говорить о возможности расчета константы коагуляции в зависимости от относительного размера частиц, с увеличением которого рост коэффициента коагуляции имеет экстремальный характер. При достижении некоторого критического отношения размера частиц возможен резкий рост скорости коагуляции, который переходит в спонтанную коагуляцию.

Глава восьмая. Экспериментальные исследования насыщения газового потока парами жидкостей, конденсации паров при расширении в диффузоре насыщенного парогазового потока и оценка эффективности улавливания аэрозолей проводилась на лабораторной установке. Разработанная установка обеспечивает комплексную оценку эффективности улавливания аэрозольных частиц конденсационным методом. Однако большая погрешность определения дисперсного состава и концентрации аэрозольных частиц с помощью счетчика АЗ-5М (до 20% для частиц диаметром более 1мкм), как и с помощью других существующих в настоящее время приборов, не позволяет провести количественное сравнение расчетных и экспе-

рименталышх данных по укрупнению отдельных фракций частиц. Поэтому экспериментальная проверка модели конденсации проводилась по количеству конденсата, образовавшегося после смешения пара с газом.

Смешение турбулентных струй описывается системой уравнений движения, энергии, диффузии, неразрывности и состояния и лишь в некоторых случаях данная система уравнений имеет аналитические решения. При решении задачи о смешении газового потока, содержащего аэрозольные частицы, со спутным потоком водяного пара в цилиндрической камере смешения предполагается, что параметры смеси (поля температур, давления паров, перенасыщение паров) определяются соотношением массовых количеств обоих потоков. При этом учитывается наличие аэрозольных частиц (ядер конденсации), определяющих условие начала объемной конденсации в зависимости от пересыщения паров и тепловыделения при конденсации. При оценке количества конденсата, образующегося после смешения пара с газом, были приняты следующие допущения:

- влияние дисперсной фазы на газодинамические условия протекания смешения не учитывается в связи с малой ее массовой концентрацией,

- выравнивание концентраций и температур происходит при турбулентном режиме течения смеси пара с газом (при достаточно больших числах 11е), и влиянием молекулярной диффузии можно пренебречь,

- смешение происходит без теплообмена с окружающей средой,

- поверхностная конденсация не учитывается, поскольку при соотношениях длины камеры смешения к диаметру, равных нескольким единицам, ее влияние на объемную конденсацию ничтожно.

Экспериментальные исследования и расчеты по приведенной методике показывают (рис.12.), что при смешении пара с более холодным газом происходит конденсация паров, интенсивность которой зависит от начальной температуры газа. С возрастанием температуры воздуха на входе в камеру смешения масса конденсата уменьшается и уже при температуре газа около 50°С конденсация практически прекращается, что подтверждают данные по распределению температуры по сечению камеры смешения.

Рис.12. Зависимость массы конденсата от начальной температуры воздуха при скорости пара 20м/с, скорости газа 35м/с, температуре пара100°С, температуре газа 40°С и диаметре камеры смешения 80мм.

Выделение тепла при конденсации существенно сказывается на конечной температуре парогазовой смеси, что свидетельствует о необходимости учета тепловыделения при конденсации для более точного определения параметров парогазовой смеси и количества капельной влаги на входе в диффузор. Расчеты и опытная проверка позволяют сделать вывод, что смешение и конденсация в первую очередь определяются начальными параметрами потоков и их массовыми соотношениями. Изменение скоростей газа и пара с соблюдением постоянства массовых соотношений практически не сказывается на характере изменения смеси.

При изучении конденсации паров жидкости на аэрозольных частицах при течении перенасыщенного парогазового потока в диффузоре было принято, что в каждом поперечном сечении диффузора конденсация и рост капель происходит также как и в среде с постоянными параметрами парогазового потока. Считалось, что число капель в единице массы парогазового потока при их движении остается неизменным, изменение температуры потока происходит за счет выделения тепла при конденсации, трение не учитывается, реализуется адиабатное расширение потока и объем, занимаемый частицами пренебрежимо мал. С учетом принятых допущений определялось количество капельной влаги, сконденсировавшейся на частицах, в любом сечении диффузора. Экспериментальные исследования показали (рис.13), что основным фактором, определяющим интенсивность протека-

Рис.13. Зависимость массы сконденсировавшихся паров от скорости на входе в диффузор: температура смеси на входе 20°С, диаметр входа 0,03м, диаметр выхода 0,08м, угол диффузора 10 1 - эксперимент, 2 - теория.

ния процесса, является скорость на входе в диффузор и соотношение площадей входного и выходного сечений при постоянном угле раскрытия. Обработка большого числа экспериментальных данных и результаты численного моделирования позволили установить, что оптимальным является следующее отношение Гоп / Г0 = 7. Температура воздуха в исследуемом диапазоне изменения параметров не значительно сказывается на массе сконденсировавшихся паров. Экспериментальная проверка разработанной модели показала хорошую сходимость опытных и расчетных результатов. Различие между опытными и расчетными данными, очевидно, объясняется

тем, что конденсация паров на аэрозольных частицах в действительности происходит не мгновенно. Это приводит к завышению расчетных значений массы сконденсированных паров и температуры смеси по отношению к экспериментальным данным. Несмотря на значительную степень расширения смеси газа с паром в диффузоре, на выходе из него смесь содержит еще большое количество пара, который можно использовать для дальнейшего укрупнения частиц. Увеличение степени расширения в диффузоре не приводит к повышению дальнейшей эффективности улавливания. В связи с этим встала задача дальнейшего использования пара для повышения эффективности работы в целом агрегата улавливания аэрозольных частиц.

При движении смеси газа с паром между двумя поверхностями с разной температурой создается высокая степень пересыщения пара. При наличии в потоке аэрозольных частиц происходит их укрупнение за счет конденсации пара и естественно увеличение эффективности улавливания. В циклоне предложенной конструкции за счет различия температур охлаждаемой обечайки и обогреваемого выхлопного патрубка, а также действия центробежных сил, создаются высокие степени пересыщения. Это способствует интенсивной конденсации пара на аэрозольных частицах, которые по мере увеличения в размерах и под действием центробежных сил осаждаются на стенках циклона. Очищенный газ выводится через выхлопной патрубок, а конденсат с аэрозольными частицами стекает в сборник.

Исследования проводились на циклоне диаметром 100мм, при температуре воздуха 10°С - 40°С. Зависимости эффективности улавливания твердой фазы от разности температур ЛТ между обечайкой циклона и выхлопным патрубком, расхода пара, концентрации твердой фазы и скорости газа на входе в циклон, представлены на рис.14. Эксперименты проводились при температуре газа на входе в циклон 20°С, скорости на входе в циклон 20м/с, расходе пара 12г/м3, концентрации пыли 60мг/м3, и среднем пересыщении 5" =0,6. Максимальная эффективность улавливания (99,99%) аэрозолей достигается при ЛТ =60°С. Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению эффективности, которое объясняется началом испарения жидкости с аэрозольных частиц в зоне, прилегающей к выхлопной трубе.

Как показывают исследования, необходимо подавать пар только для

Рис.14. Зависимость эффективности улавливания частиц от разницы температур между охлаждаемой обечайкой циклона и обогреваемым выхлопным патрубком.

да пара практически не оказывает влияния на эффективность улавливания и ведет лишь к повышению энергетических затрат. С точки зрения гидродинамических условий работы осадителя оптимальной является входная скорость /Уц=20м/с, Исследования показали целесообразность использования конденсационного метода при незначительной концентрации дисперсной фазы (до 100мг/м3). Так при концентрации 30-60мг/м3 эффективность улавливания достигает 99,99%. Затем происходит понижение степени улавливания. Повышение эффективности улавливания при больших концентрациях требует увеличения массы сконденсированных паров в объеме. Это можно достичь за счет снижения температуры газа, увеличения скорости потока на входе в диффузор и снижения температуры охлаждения обечайки циклона, что, приводит к значительному увеличению энергетических затрат на очистку. Поэтому при высоких концентрациях дисперсной фазы целесообразно использовать предварительную очистку газа от наиболее крупных частиц, а затем, для улавливания высокодисперсных аэрозолей, использовать конденсационное устройство.

Для выделения из газов аэрозольных частиц наиболее часто в качестве первой ступени очистки используются широко известные вихревые циклонные аппараты. Сложность происходящих в них гидродинамических явлений до сих пор не дозволяют однозначно подойти к их расчету и выбору. Анализ характера течения газа в вихревых камерах и условий возникновения вторичных вихрей указывает на то, что в зазоре между корпусом циклона и центральной трубой должны существовать вторичные течения, которые могут оказывать существенное влияние на эффективность их работы. Наличие вторичных течений в циклонах доказано экспериментально. С учетом наличия в нисходящем закрученном потоке газа упорядоченных вторичных парных вихрей, получены уравнения, позволяющие рассчитать диаметры улавливаемых частиц в различных зонах нисходящего закрученного потока при известных геометрических размерах аппарата.

Значительный интерес представляет циклон, в котором между нисходящим и восходящим закрученными потоками создается «преграда» из потока чистого газа или пара, препятствующего кратчайшему выносу частиц на уровне среза выхлопной трубы. Наличие вторичного потока чистого газа сказывается на увеличении тангенциальной скорости потока при расходе чистого газа превышающего 4% от основного расхода.

Основным показателем работы пылеулавливающего оборудования является их эффективность (к.п.д.), то есть отношение уловленной пыли к количеству пыли, содержащейся во входящем в аппарат потоке газа. Количество входящей в циклон пыли задавалось с помощью дозатора, из которого пыль подавалась в подводящий трубопровод, где происходило смешение с основным потоком газа. Эффективность определялась по формуле по массе пыли, прошедшей сквозь циклон в единицу времени и уловленная в фильтре ФПП-15, на котором осаждались практически частицы, не улов-

ленные в циклоне. Фильтр, в свою очередь, взвешивался до и после эксперимента. Зная время эксперимента и разницу ЛМ можно вычислить:

(9.1.4.)

м-

Для выявления оптимальных условий улавливания в циклоне с вторичным потоком чистого газа изменялись следующие параметры: расход чистого газа от 0 до 10% к расходу основного погока; угол закрутки сс=15 - 65° к горизонту. Эксперименты проводились при расходе основного потока, соответствующего входной скорости V *=20м/с, а глубина погружения выхлопной трубы составляла 1.66Х). Результаты экспериментальных исследований представлены в табл.

Уменьшение уноса ныли из циклона.

Расход вторичного потока Уменьшение выноса пыли в % от выноса из стандартного циклонного аппарата

15° 25° ' " 35° 45° . 55°

3% -40% -48% -52% -46% -30%

7% -60% -76% -81% -72% -52%

10% -48% -50% -56% -49% -32%

Максимальная эффективность улавливания наблюдается при расходе чистого газа 7% от основного потока и угле закрутки чистого газа 35°.

Девятая глава содержит примеры создания агрегатов очистки газов.

Циклонный агрегат очистки воздуха в производстве цемента. Одна из главных проблем цементных производств является очистка отходящих газов от цементной пыли, которая имеет очень давнюю историю. Несмотря на это ее решение, отвечающее требованиям современных производств, не найдено и по сей день. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований был разработан и изготовлен агрегат очистки газа от пыли производительностью 1500м3/час по газу. Агрегат состоял из двух спаренных циклонов вихревого типа с диаметром корпуса 250мм. Испытания проводились при следующих режимах: расход запыленного воздуха 1280 - 1500м3/час; температура газового потока 15 - 35°С; запыленность потока 6 - 24г/м3; скорость запыленного потока на входе в циклон 17 -20м/с; расход чистого газа в % к расходу основного потока 5 - 10%; дисперсный состав пыли характеризовался медианным диаметром 17мкм и среднеквадратичным отклонением Змкм. Проведенные на Сланцевском цементном заводе испытания показали, что максимальная эффективность улавливания нового циклона вихревого типа 98% соответствует =6% расходу чистого вторичного газа. Отличие от лабораторных данных (7%) может быть объяснено меньшей относительной толщиной закручивающего устройства для чистого газа. При подсосах около 30% предложенный агрегат

показал эффективность около 87%, в то время как обычный циклон - не выше 15-25%. После завершения испытаний установка была сдана в промышленную эксплуатацию.

Агрегат очистки выхлопных газов дизелей. Исследование очистки выхлопных газов дизельных двигателей проводились на установке производительностью 50м3/час в условиях машиностроительного завода Звезда (г. Ленинград). Установка включает две последовательные ступени, состоящие из- циклонов с охлаждаемой обечайкой и обогреваемым выхлопным патрубком. Входные патрубки циклонов снабжены камерой смешения и диффузором. На первой ступени на входе в камеру смешения установлена форсунка для распыления жидкости, а на второй сопло для подачи пара. Отходящие газы с температурой 400-500° С после ресивера поступают в первую ступень установки, где охлаждаются и насыщаются парами воды, которая распыляется форсункой. При расширении в диффузоре и осаждении в центробежном поле происходит первичная очистка газов от сажевого аэрозоля и снижения их температуры до 40-60° С . В камере смешения второй ступени охлаждаемый газ дополнительно насыщается парами воды. Эффективность оценивалась по уровню дымности в относительных единицах Боша на входе газа в установку, после первой и второй ступени одновременно. Исследования показали, что при общем уровне дымности на входе в установках 34 единицы использование только первой ступени улавливания недостаточно для достижения требуемой степени очистки. Установка второй ступени позволяет довести снижение уровня дымности на 1,5-2 единицы Боша, что обеспечивает требования санитарных норм очистки отходящих газов. Гидравлическое сопротивление установки не превышает 400мм вод. ст.

Агрегат очистки отходящих газов в производстве ферментов. Промышленные испытания агрегата проводились в экспериментальном производстве Всесоюзного научно-исследовательского технологического института антибиотиков и ферментов. Воздух, используемый для аэрации культурной жидкости в производстве ферментов, после прохождения ферментатора, содержит более Юмг/м1' дисперсных частиц, среди которых основная часть - конгломераты бактерий с размерами от 0,1 мкм до Юмкм. Концентрация вредных дисперсных включений в отходящем газе превышает ПДК в промышленной зоне. Для снижения концентрации до норм ПДК и ниже был применен агрегат, включающая в себя разнотемпературный циклон с предварительной подачей пара. Исследования проводились при следующих технологических параметрах: температура отходящего из ферментатора газа 32°С-35°С, расход газа 20-30м3/час, температура подводимого пара 105°С-110°С, температура холодной воды 10°С-12°С. Испытания показали, что при расходе пара 40г/м3, установка обеспечивала эффективность очистки газа от 85% до 99%, а при расходе пара более 45г/м3 эффективность достигала 100%. Замеры проводились сотрудниками лаборатории института антибиотиков и ферментов по стандартным методикам.

Агрегат отбора аэрозолей из атмосферы. Испытания промышленной установки для отбора аэрозолей из атмосферы производительности 1500м3/час проводились на Радиометрической станции (г. Зеленогорск). Назначение установки заключалось в обеспечении эффективности отбора аэрозолей из атмосферы с размерами частиц 0,4мкм и более, близкой к 100%, при температурах воздуха -40°С - +40°С. Атмосферный воздух засасывался в камеру смешения, в которой насыщался до критического пересыщения парами воды, подаваемыми из парогенератора. В качестве уловителей использовались две конструктивные модификации (группа циклонов-теплообменников и батарея мультициклонов).

В настоящее время для отбора аэрозолей из атмосферы применяется фильтр-ткань ФПП-15, то есть используется метод фильтрации воздуха. Сведений об устройствах другого типа, применяемых для данной цели и обеспечивающих большую -эффективность улавливания, нет. Эффективность агрегата отбора проб аэрозолей оценивалась по сравнению с эффективностью улавливания аэрозолей вентиляционным устройством, содержащим фильтрующую ткань типа ФПП-15, работающего параллельно. Результаты исследований показали, что эффективность улавливания конденсационным способом значительно выше эффективности получаемой по массе твердой фазы на фильтрах (от 150% до 600%). Вероятно, фильтровальная ткань не обеспечивает осаждение высокодйсперсных аэрозолей. Это подтверждается и микроскопическим анализом с помощью электронного микроскопа.

ВЫВОДЫ

1.На основании анализа фрактальных свойств дисперсных систем разработан новый подход к прогнозированию возможных отклонений от средних значений содержания дисперсных частиц в некотором заданном объеме в зависимости от их свойств. Важно, чтобы при этом учитывался и объем самой системы. Впервые показано, что:

- состояние смеси со случайным распределением компонентов не зависит от особенностей ее образования и является инвариантной ее характеристикой,

- в случае спонтанной конденсации пара мы имеем типичный пример странного аттрактора, и можно утверждать, что наблюдаемые колебания вероятности образования зародышей являются хаотическими, что следует из анализа отображения Пуанкаре. Для каждого конкретного значения пересыщения имеется только одно значение вероятности образования зародышей, которое резко изменяется при незначительном изменение пересыщения. Чем точнее мы задаем пересыщение, тем явнее проявляется структура странного аттрактора,

- предложенная поправка к приближению Смолуховского учитывает наличие флуктуаций числа частиц в дисперсной системе и позволяет тео-

ретически обосновать влияние на скорость коагуляции размера и средней концентрации аэрозольных частиц.

2.Полученные результаты имитационного моделирования движения частиц аэрозоли при расширении перенасыщенного парогазового потока в диффузоре позволили:

- предложить критерии подобия изучаемого движения К и

первый характеризует отношение сил инерции частицы к силам вязкого трения, второй отношение средней энергии молекул газа к кинетической энергии аэрозольной частицы на входе в диффузор,

- построить диаграмму для расчета относительной скорости частица - поток газа при их движении в диффузоре,

- показать, что движение аэрозольной частицы может быть, как детерминированным, так и хаотическим. Существует также переходная область, где, наряду с направленным движением, частица способна совершать хаотические колебания. Построена диаграмма, которая позволяет, не проводя вычислений, предсказать характер движения частицы,

- говорить о возможности расчета константы разноскоростной коагуляции в зависимости от относительного размера частиц, с увеличением которого рост коэффициента коагуляции имеет экстремальный характер. При достижении некоторого критического отношения размера частиц возможен резкий рост скорости коагуляции, который переходит в спонтанную коагуляцию,

- получить уравнение для расчета массы сконденсировавшихся паров в зависимости от входных параметров и геометрии диффузора. Доказана применимость полученных зависимостей в широком диапазоне изменения параметров.

3.Получены зависимости для расчета термодинамических параметров турбулентного смешения пара и газа, содержащего аэрозольные частицы, что позволь определить оптимальные геометрические параметры камеры смешения и массу сконденсировавшихся паров.

4.Предложено конденсационное устройство для улавливания частиц аэрозолей, состоящее из камеры смешения, диффузора, где происходит укрупнение частиц за счет конденсации на них пара, и циклона с температурным градиентом в закрученном газовом потоке. Исследования показали, что предложенное устройство обеспечивает эффективность улавливания аэрозолей размером 0,4-5мкм до 99,99%. На основании проведенных исследований разработаны и прошли опытно-промышленные испытания установки для отбора аэрозолей из атмосферы, очистки выхлопных газов дизелей, очистки отходящих газов в производстве ферментов.

5.Анализ теоретических и экспериментальных данных по гидродинамике течения потока газа в аппаратах центробежного типа позволил доказать предложенную гипотезу о существовании упорядоченных парных вихрей, влияющих на эффективность очистки пылегазовых потоков. Практиче-

скос использование гипотезы о существовании упорядоченных парных вихрей позволило:

- определить выносимый диаметр частиц в зависимости от геометрических размеров аппарата, плотности частиц и вязкости газа, а при известном дисперсном составе частиц на входе в аппарат оценить действительную его эффективность

- оптимизировать конструкции центробежных аппаратов за счет снижения выбросов аэрозольных частиц через опасные зоны нисходящего газового потока за счет введения вторичного закрученного потока в количестве до 10% от основного потока.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Р-давление (парциальное давление пара в газе), Р^ (Т)-давление насыщенного пара, R(R(j)-радиус частицы (в общем случае характерный размер частицы), d -фрактальная размерность, (R) -средний радиус частицы (капели), Fc -сила сопротивления (или просто сопротивление) срсды, S-степень пересыщения пара в газе, ^.-коэффициентом сопротивления среды, ^-коэффициент гидравлического сопротивления, -поправкой Кеннингема, V -скорость воздушного потока вблизи частицы, Vm -скорость потока газа (пара) на оси, Vz -скорость спутного газового потока, Vn -скорость истечения пара из сопла, ( И")-средняя скорость, (w' )-осредненная пульсационная составляющая скорости частицы, W -относительная скорость частицы, Wg -стационарной скорости осаждения частицы, J-скорость зародышеобразования, 77-скорость коагуляции, Т -абсолютная температура, и-показатель адиабаты, //-отношение коэффициента регулярного трения, к массе частицы, Dj -коэффициент броуновской диффузии, Dv -коэффициент диффузии в пространстве размеров, В-коэффициент подвижности частицы, N -число частиц в молях в единице объема. Сс -концентрация молекул среды, Ид -число Авогадро, М -масса, у -текущая координата по длине, X -текущая координата по сечению, У0 -радиус диффузора на входе, Г -текущий радиус диффузора, у -угол раскрытия диффузора, Принятые сокращения: С-сплошная фаза, ¿/-дисперсная фаза, г-газ,/>-пар, к-конденсат,

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. A.c. 1007706 СССР, МКИ B01D46/32. Зернистый фильтр с движущейся насадкой/ В.П.Исаков, В.Н.Соколов, В.Н.Федоров, М.Д.Бушков, В.М.Шопин, К.В.Супонев// БИ, 1983.-№12.

2. A.c. 1011271 СССР, МКИ В04С5/02. Циклон/ В.Н.Федоров, В.П.Исаков, В.Н.Соколов, Л.М.Сагал//БИ, 1983.-№14.

3. A.c.l 191435 СССР, МКИ С04В7/36. Способ получения цементного клинкера/ Федоров В.Н., Полякова Т.Н., Гропянов В.М., Исаков В.П., Соколов В.Н., Сагал JI.M., Кундель Х.А., Шенкер С.И., Подоляко В.М.// БИ, 1985.-№42.

4. A.c. 1212593 СССР, МКИ В04С5/12. Гидроциклон/ Федоров В.Н., Исаков В.П., Скиба В. В., Балабудкин М.А// БИ, 1986.-№7.

5. A.c. 1247095 СССР, МКИ В04С5/04. Циклон/ Федоров В.Н., Исаков В.П., Пономаренко Е.А., Ельникова Л. В// БИ, 1986.-№28.

6. Веригин А.Н., Федоров В.Н., Данильчук B.C. Химико-технологические агрегаты,- С.-Петербург.: Издательство С-Петербургского университета, 1998.-220с.

7. Щупляк А. А., Исаков В.П., Хайдаров Г. Г., Федоров В.Н., Сугак Е.В., Исследование процесса конденсационного пылеулавливания// В сб. докл. конф. «Проблемы охраны труда» Кишинев, 1978, с.287.

8. Щупляк А. А., Исаков В.П., Федоров В.Н., Зависимость расхода пара от критического пересыщения// Деп. в ОНИИТЭХИМ Черкассы №2023/78 1979, с.125-131

9. Щупляк A.A., Исаков В.П., Сугак Е.В., Федоров В.Н., Анализ движения и коагуляции аэрозольных частиц при диффузорном расширении газа// Деп. ОНИИТЭХИМ, Черкассы №3142/79 1980, с.97-112.

10. Щупляк A.A., Исаков В.П., Федоров В.Н., Мартынов Н.С., Экспериментальные исследования эффективности улавливания высокодисперсных аэрозольных частиц в разнотемпературном конденсационном циклоне// Деп. в ОНИИТЭХИМ Черкассы №14-Д81 1981, с.120-126.

11. Федоров В.Н., Исаков В.П., Соколов В.Н., Щупляк А. А. Исследование процесса турбулентного смешения потоков пара и холодного газа, содержащего аэрозольные частицы// Журнал прикладной химии,-1981, №8, с.1897-1901.

12. Федоров В.Н. Сепарация аэрозольных частиц в циклоне вихревого типаII Атореф. Дис. канд. техн. наук. Ленинград 1985.21с.

13.Исаков В.П., Федоров В.Н., Сугак Е.В., Аппараты улавливания высокодисперсных частиц// В сб. докл. конф. «Современные машины и аппараты химических производств» Ташкент, 1983, с.3-4.

Н.Федоров В.Н., Исаков В.П. Оптимизация конструкции циклонного аппарата// В сб. докл. конф. «Методы кибернетики в химии и химической технологии» Грозный, 1984, с.71.

15.Исаков В.П., Федоров В.Н., Сагал Л.М., Шенкер С.И. Вихревой циклонный аппарат// Промышленная и санитарная очистка газов №3 ,1984, c.l 1.

16.Федоров В.Н., Исаков В.П., Соколов В.Н. Конденсационные центробежные сепараторы аэрозольных частиц// В сб. докл. конф. «Применение аппаратов "мокрого" типа для очистки отходящих газов от твердых. Примесей» Москва, 1985, с.12.

17. Федоров В.Н., Исаков В.П. Установка очистки отходящих газов от пы-лей// В сб. докл. конф. «Достижения в области физ-хим. методов анализа аналит. констр. Производств» Уфа, 1985, с.30-31.

18. Федоров В.Н., Исаков В.П. Влияние вторичных вихрей на сепарацию в возвратнопоточном циклоне// Деп. в ОНИИТЭХИМ г.Черкассы, № 514 ХП-Д86, 1986.

19. Сугак Е.В., Федоров В.Н., Исаков В.П., Сепарация аэрозольных частиц в аппаратах циклонного типа// В сб. докл. конф. «Современные проблемы химической технологии» Красноярск, 1986, с.98-99.

20. Федоров В.Н., Веригин А.Н. Моделирование сепарации дисперсных частиц в циклоне с учетом вторичных вихрей// В сб. докл. конф. «Прикладные аспекты совершенствования химических технологий и материалов» Бийск, 1998, часть 2, с.121-126.

21. Федоров В.Н., Джангирян В.Г., Веригин А.Н., Емельянов М.В. Модель однородной смеси дисперсных материалов// В сб. докл. конф. «Теория и практика процессов измельчения, разделения, смешения и уплотнения» Одесса, 1998,Том 1., с. 104-109.

22. Федоров В.Н., Веригин А.Н., Петров В.Г. Моделирование состояния однородной смеси дисперсных материалов методом Монте-Карло// В сб. докл. конф. «Компьютерное моделирование» Белгород, 1998, с.188-195.

23.Веригин А.Н..Федоров В.Н., Малютин С.А. Моделирование структуры потоков с использованием цепей Маркова// В сб. докл. конф. «Компьютерное моделирование» Белгород, 1998, с.62-68.

24. Федоров В.Н. Разноскоростная коагуляция частиц в канале переменного сечения// В сб. «Химико-технологические агрегаты для обработки гетерогенных сред» С.-Петербург.: Издательство С-Петербургского университета, 1999.-С.116-124.

25.Веригин А.Н., Федоров В.Н. Химико-технологический агрегет как объект проектирования// В сб. «Химико-технологические агрегаты для обработки гетерогенных сред» Там же.- С._Петербург.: Издательство С-Петербургского университета, 1999.-c.9-17.

26. Федоров В.Н., Веригин А.Н. Химико-технологические агрегаты конденсационного пылеулавливания// Там же.- С.-Петербург.: Издательство С-Петербургского университета, 1999.-С.30-40.

27.12.99г. Зак.207-65 РТП ИК «Синтез» Московский пр., 26

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ

1.1. Механическая очистка.

1.2. Фильтрационная очистка.

1.3. Мокрые пылеуловители.

1.4. Конденсационное пылеулавливание. Постановка задачи.

2. АНАЛИЗ АЭРОЗОЛЕЙ КАК ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

2.1. Аэрозольные частицы в атмосфере.

2.2. Фрактальная размерность и дисперсные системы.

2.3. Функции распределения дисперсных систем.

2.4. Дисперсная система со случайным распределением частиц.

2.5. Кинетика конденсационного роста ^аст-иц.

2.6. Кинетическое уравнение конденсации.

2.7. Модель конденсации как неоднородная цепь Маркова.

3. ОБРАЗОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

3.1. Фазовый переход из газообразного в жидкое состояние.

3.2. Скорость зародышеобразования.

3.3. Вероятность образования зародышей при конденсации.

4. ИСПАРЕНИЕ И РОСТ КАПЕЛЬ

4.1. Уравнение для скорости испарения капли.

4.2. Время жизни капли.

4.3. Рост и испарение движущихся капель.

5. ДИНАМИКА ЧАСТИЦ

5.1. Движение частицы в вязкой среде.

5.2. Силы, действующие на частицу в потоке газа.

5.3. Модель движения частиц в диффузоре.

5.4. Движение частиц в криволинейном потоке.

6. БРОУНОВСКОЕ СТОЛКНОВЕНИЕ И ДИФФУЗИЯ ЧАСТИЦ

6.1. Теория броуновского движения Эйнштейна.

6.2. Особенности броуновского движения.

6.3. Модель совместного движения двух частиц разных размеров.

7. КОАГУЛЯЦИЯ ЧАСТИЦ

7.1. Особенности коагуляции аэрозолей.

7.2. Коагуляция монодисперсных сферических частиц. Приближение Смолуховского.

7.3. Коагуляция в движущейся среде.

7.4. Константа коагуляции при движении частиц в диффузоре.

7.5. Разноскоростная коагуляция частиц в диффузоре.

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСАЦИОННОГО УКРУПНЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ

8.1. Опытная установка и методика проведения эксперимента.

8.2. Смешение турбулентных струй газа и пара.

8.3. Конденсационное укрупнение аэрозолей при расширении парогазового потока в диффузоре.

8.4. Эффективность улавливания аэрозольных частиц в разнотемператур-ном конденсационном циклоне.

8.5. Аэродинамика вихревых циклонных камер.

8.6. Эффективность улавливания дисперсных частиц в вихревых циклонных камерах.

9. ПРИМЕРЫ СОЗДАНИЯ АГРЕГАТОВ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

9.1. Агрегаты очистки в производстве цемента.

9.2. Агрегат очистки выхлопных газов дизелей.

9.3. Агрегат очистки отходящих газов в производстве ферментов.

9.4. Агрегат отбора аэрозолей из атмосферы.

9.5. Агрегат очистки отходящих газов в производстве извести.

Первые попытки ограничить загрязнение воздушных пространств крупных городов относятся еще к началу средних веков.

Законодательные мероприятия, издававшиеся под давлением общественности, в течение длительного времени носили паллиативный характер. На заре промышленного производства в начале XIX века мощные клубы дыма, вырывавшиеся из фабричных труб и опутывавшие темной пеленой города, рассматривались как своего рода индекс производства и свидетельствовали о процветании страны.

Бурное развитие промышленности с бесплановым размещением промышленных предприятий зачастую уже в середине прошлого века приводило к созданию для населения совершенно невыносимых условий.

С течением времени соответствующее законодательство ограничило предельную концентрацию пыли в воздушных выбросах, что оказало положительное влияние на состояние атмосферного воздуха. Однако с укрупнением промышленного производства возросло абсолютное количество выбрасываемого дисперсного материала. Это обстоятельство, а также сложность контроля над действительной запыленностью воздушных выбросов и в первую очередь несовершенство аппаратов для улавливания пыли способствуют высокой запыленности атмосферного воздуха.

Источники аэрозолей. Измельчение материалов часто придает им новые, качественно различные свойства. Так, например, практически инертный цементный клинкер после дробления приобретает хорошо известные вяжущие свойства. Во многих случаях дисперсное состояние материалов облегчает технологические процессы. В связи с этим получило широкое распространение сжигание угля в виде порошка в пылеугольных топках, дробление руды для ее обогащения и много других видов порошковой технологии, которая напрямую связана с частичным или полным переводом дисперсного материала в аэрозольное состояние с последующим его осаждением.

Диспергирование материалов и их переход в аэрозольное состояние является неизбежным для многих процессов горения, механической и термической обработки. Полнота осаждения, оказывает громадное влияние на экономику технологических процессов. Достаточно вспомнить, что еще в 1941 г. до 25% продукции цементных заводов выбрасывалось в атмосферу из-за несовершенства пылеулавливающих устройств [1]. Особенно ощутимы в промышленности потери цветных металлов вследствие их высокой стоимости.

С другой стороны, происходит загрязнение воздушных пространств выбросами систем вентиляции и пневматического транспорта, отходами газов промышленных печей и другого оборудования, содержащими золу, мелкодисперсные продукты возгонки металлов. В этом списке особое место занимают установки по обеззараживанию местности и в том числе при ликвидации биологических материалов, как животного происхождения (трупы животных) так созданных человеком отравляющих веществ.

Проблема ликвидации биологических материалов. В настоящее время чрезвычайно остро стоит проблема ликвидации последствий различных экологических загрязнений, в том числе биологическими материалами, которые быстро становятся источниками накопления трупного яда, вирусов, бактерий и резко нарушают экологическую обстановку почвы, водоемов и воздуха. Проблема уничтожения трупов животных и других биологических материалов особенно остро стоит для больших мегаполисов, таких как Москва, Санкт-Петербург и т.п., где источниками их накопления являются коммунальные службы, медицинские учреждения, предприятия пищевой промышленности, рынки.

Широко распространен способ захоронения трупов животных, павших от инфекционных заболеваний, а также другого зараженного материала. Этот метод требует отчуждения земель, организации мероприятий по охране скотомогильников, сопряжен с возможностью заражения почвы и грунтовых вод, создает на длительное время опасность возможного возникновения очага заболевания. Несмотря на кажущуюся простоту подобная технология требует значительных затрат: затраты только на строительство ямы Пекари составляют около 50000долларов США и это без учета стоимости эксплуатации такого могильника.

Другой давно известный способ уничтожения трупов и других материалов животного происхождения - метод сжигания. Огневой метод целесообразен и по той причине, что биологические материалы в определенном смысле сами являются топливом, поскольку содержат в своем составе значительное количество горючих органических веществ. В зависимости от их природы они включают следующие компоненты: вода - 60-70%; белки - 16-22%; жиры - 2-30%; остатки пищеварения - 5-50%. Вода может содержаться в связанном или свободном виде.

Белки представляют собой природные полимеры, построенные из остатков аминокислот. Для оценки энергетического баланса процесса сжигания биологических материалов элементарный состав белка можно описать следующей брутто- формулой:

C44,15H67?25Nib3iOi4,57So;324

Прямое сжигание. Применяемая до настоящего времени технология сжигания с использованием в качестве горючего древесины и нефтепродуктов неэффективна. До 75% энергии горючего затрачивается на испарение влаги и прогрев материала до температуры, при которой материал приобретает способность самостоятельно гореть. Имеют место большие затраты времени. Для сжигания трупа крупнорогатого скота массой 300-500кг требуется 20-30часов.

При сжигании биологических материалов с использованием древесины и нефтепродуктов расходуется большое количество воздуха с образованием в основном газообразных продуктов сгорания, которые преимущественно состоят из окислов углерода, азота и серы; аммиака и других соединений, представляющих опасность для окружающей среды.

Крематории. Свести к минимуму недостатки при уничтожения биологических материалов прямым сжиганием призваны стационарные крематории. Однако они также имеют ряд недостатков:

- они предназначены для обслуживания больших территорий и возникает необходимость доставки трупного материала на дальние расстояния, при этом велика вероятность распространения инфекционных заболеваний;

- высокая стоимость используемого оборудования, например стоимость установки типа CV 1, рассчитанной на сжигание 300кг отходов в день, фирмы Шистл-Ховал превышает 500тысяч долларов США; стоимость установки для сжигания фирмы Berlin-Consult, смонтированной на московском предприятии "Эколог", около 1,5млн. долларов США;

- необходимость дорогостоящих профилактических мероприятий: профилактика горелок, ходовых частей, гидравлических агрегатов, футеровки и т.д.

Экологическая безопасность сжигания биологических материалов в крематориях обеспечивается сложными и дорогими устройствами газоочистки, которые, тем не менее, не дают полной гарантии от выброса в окружающую среду вредных продуктов сгорания.

Технология ННИ прикладной химии. Принципиально новая высокоэффективная и экологически безопасная технология уничтожения биологических материалов с применением автономного энергоносителя создана в результате исследований, выполненных в 1991 -1996годах НИИ прикладной химии (г. Сергиев Посад) совместно с Всероссийским НИИ ветеринарной санитарии, гигиены и экологии Российской академии сельскохозяйственных наук.

Новая технология основана на использовании пиротехнических смесей фильтрационного горения (ПСФГ) и не требует сложного аппаратурного оформления. Суть технологии в термохимическом пиролизе биологического материала, помещаемого под слой ПСФГ, горение которой обеспечивается не только за счет воздуха, но и за счет продуктов разложения биологических материалов.

Особенности фильтрационного горения. Высокая эффективность уничтожения биологических материалов при помощи ПСФГ основывается на фильтрационном горении. Особенностью фильтрационного горения является аккумуляция газовым потоком энергии, выделяемой при горении, что способствует достижению высоких температур в волне горения и длительной термической обработке исходного вещества перед зоной реакции. Температура при горении ПСФГ совместно с биологическим материалом составляет 2000±200°С, что почти в 1,5 раза выше, чем при горении углеводородного горючего (включая газовые горелки с кислородным дутьем). Где максимальная температура не превышает 1400°С.

Известно, что глубокое восстановление азота в нитрозных газах возможно только в сильно восстановительной среде, при температурах, в зоне реакции, до 1200°С. Для глубокого окисления аммиака требуются температуры не ниже 1100°С, процесс регенерации отработанных серных кислот, содержащих органические примеси, оптимален при 1100 - 1200°С, огневое обезвреживание токсичных соединений фосфора производится при температурах не ниже 950° С.

Твердые отходы. При сжигании образуются твердые отходы 3-го и 4-го классов опасности в виде золы и шлака. При использовании высокотемпературного топлива ПСФГ масса отходов существенно меньше. В зольных остатках найдены: в основном окислы, и карбонаты, магния и алюминия, в небольших количествах присутствуют карбонат и сульфат калия, а также следовые количества фосфатов. Перечисленные продукты экологически совместимы с природной средой и могут утилизироваться без ограничений. При сжигании 1кг биологических материалов с использованием топлива ПСФГ образуется от 0,3 до 0,7кг твердых отходов (в зависимости от вида сжигаемых биологических материалов).

Выбросы в атмосферу. Основной химический процесс огневого метода можно представить условно следующим образом: Биологический материал + продукты сгорания топлива + температура = твердые отходы + газообразные вещества.

При использовании высокотемпературного топлива ПСФГ представленная схема не меняется. Однако существенно сокращается выделение газообразных веществ, во-первых, за счет отсутствия традиционного сгорания горючего вещества и, во-вторых, за счет связывания газообразующих элементов металлами, входящими в состав ПСФГ. Так при сжигании 1кг биологического материала с использованием 0,5кг бензина масса образующихся в результате реакций окисления газов, не считая паров воды, составит около Зкг, из них свыше 40% по объему составляют газы, образовавшиеся при горении топлива. При применении ПСФГ объем выделившихся газов сокращается, как минимум, вдвое.

Метод уничтожения биологических материалов сжиганием с применением ПСФГ по выбросам вредных веществ в атмосферу и по образованию отходов существенно лучше, чем применяемые в настоящее время технологии сжигания с использованием дров или нефтепродуктов. При этом значительно сокращается время сжигания, увеличивается полнота сгорания. Высокотемпературное горение типа ПСФГ не сопровождается выделением в окружающую среду вредных физических факторов - шумов, вибраций, радиации, ЭМИ.

Схема ведения технологического процесса по такой технологии может быть как полевой, так и стационарной.

В полевых условиях предусматривается уничтожение единичных экземпляров трупов павших животных непосредственно в коллективных или фермерских хозяйствах в траншеях или иных временных сооружениях. В силу относительно небольшого выделения газов при огневом обезвреживании малого количества биологического материала каких-либо мероприятий по очистке отходящих газов предусматривать нецелесообразно. В таможенных терминалах, медицинских учреждениях, рынках, сельскохозяйственных предприятиях могут использоваться мобильных установок на основе простейших печей, которые должны быть оснащены устройствами пыле и газоочистки.

При необходимости уничтожения больших количеств биологических материалов (региональные центры, могильники) целесообразна организация их огневого обезвреживания в специальных печах. Печи легко поддаются автоматизации и оснащению различными системами очистки дымовых газов, например, системами мокрых пылеуловителей - полых, насадочных, тарельчатых и т.п. В качестве побочных продуктов образуются нетоксичные соли натрия, кальция, аммиака и др., утилизация которых не представляет затруднений. Конкретные величины расчетных и экспериментальных характеристик источников выбросов, количеств образующихся отходов зависят от объемов уничтожаемых биологических материалов и принятых проектных решений.

Таким образом, в данной технологии, как и во многих других, единственным источником загрязнения атмосферы являются аэрозольные частицы, улавливание которых с эффективностью близкой к 99,9% представляет довольно сложную, но решаемую задачу.

Улавливание аэрозолей. Аэрозольные частицы, выброшенные в атмосферу, могут сравнительно долго пребывать в ней во взвешенном состоянии. Перемещаясь воздушными течениями, частицы аэрозоля со временем образуют агломераты (коагулируют) и медленно оседают на поверхность земли. Витающие в воздухе частицы аэрозоля поглощают ультрафиолетовые лучи, необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. Конденсация водяных паров на частицах вызывает образование местных туманов. Хорошо известна способность пыли вызывать заболевания дыхательных путей. Большой ущерб оседающей пылью наносится растительности городских и пригородных парков и садов. Часто промышленные пыли включает вещества, которые при растворении атмосферными осадками образуют химически активные кислотные или щелочные соединения. Вследствие этого оседающая пыль способна оказывать разрушающее действие на архитектурные украшения и строительные конструкции зданий.

Наиболее широко используемая аппаратура [2,3] для выделения механических примесей из газов представлена на рис.В.1 где наглядно показана область применения того или иного тапа аппарата в зависимости от дисперсного состава улавливаемых частиц. Необходимость в таком большом количестве типов поглотителей пыли объясняется многообразием условий пылеулавливания.

Отстойные камеры Циклоны Р=2000мм Циклоны Р=1000-2000мм

Циклоны Р менееЮООмм

Мокрые скрубберы | Тканевые фильтры |

Волокнистые фильтры | Скрубберы Вентури Бумажные фильтры |

Сухие и мокрые электрофильтры 1

IIIIIи. С1ч , МКМ.

0,01 ОД 1 ю 100 юоо

Рис.В.1. Диапазон применения различных аппаратов в зависимости от размера дисперсных частиц.

Первый патент на конструкцию пылеуловителя-циклона был выдан в 1880 г., а первый электрофильтр был построен в 1906 г. В настоящее время существует и применяется на практике большое количество пылеуловителей, действие которых основано на использовании различных физических принципов. К ним относятся гравитационные, инерционные, электростатические, термические и другие пылеуловители, ультразвуковые и скоростные (Вентури) коагуляторы. Имеется много разновидностей «мокрых» пылеуловителей, в которых пыль поглощается жидкими пленками или отделяется при промывке газов жидкостями.

Обращает на себя внимание то, что для улавливания высокодисперсных аэрозолей (размером менее 1мкм) используются в основном фильтры. Такие аппараты [4] требуют периодической замены фильтрующего материала и рассчитаны на малые концентрации дисперсной фазы при малой скорости фильтрации. То есть обладают сравнительно малой производительностью и экономически дороги. Главным недостатком фильтров является изменение во времени производительности, гидравлического сопротивления и эффективности улавливания. Поэтому, не всегда представляется возможным с полной достоверностью оценить их работоспособность. Кроме того, следует отметить трудность извлечения из фильтрующего материала осажденных аэрозольных частиц, что необходимо, например, в установках, предназначенных для контроля окружающей среды, с целью проведения дальнейших анализов, а также сложность эксплуатации при улавливании аэрозолей, содержащих вредные или опасные вещества.

Электрические фильтры отличаются незначительным гидравлическим сопротивлением, достаточно высокой эффективностью улавливания и надежностью работы. Однако для улавливания в этих аппаратах аэрозольных частиц размером менее 1мкм [2] необходима тщательная подготовка очищаемых газов: предварительная (грубая) очистка, увлажнение и охлаждение газов, а также укрупнение взвешенных частиц. Это значительно усложняет схемы очистки. Следует отметить, что некоторые продукты обладают такими физическими свойствами, которые исключают возможность эффективного улавливания их взвешенных частиц в электрофильтрах. Примером тому является активная сажа, легкая по весу, обладающая очень малым удельным электрическим сопротивлением.

Целесообразно, используя процессы подготовки газа перед электрофильтрами, обеспечить осаждение укрупненных частиц в более простых и экономичных аппаратах, например, мокрого типа. Мокрые способы очистки получили в последние годы большое развитие в отечественной промышленности.

Аппараты мокрой очистки имеют следующие достоинства.

Во-первых, более высокая эффективность улавливания частиц по сравнению с сухими механическими аппаратами. Некоторые типы мокрых фильтров (скрубберы Вентури) могут быть применены для частичной очистки газов от высокодисперсных частиц.

Во-вторых, мокрые фильтры не только могут успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как тканевые и волокнистые фильтры, но и использоваться в тех случаях, когда последние не применимы, например, при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгорания и взрыва очищаемых газов или улавливаемых частиц.

В-третъих, аппараты мокрой очистки газов одновременно со взвешенными частицами могут улавливать парообразные и газообразные компоненты.

Именно процессам, происходящим в аппаратах мокрой очистки газов, и посвящено настоящее исследование.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.На основании анализа фрактальных свойств дисперсных систем разработан новый подход к прогнозированию возможных отклонений от средних значений содержания дисперсных частиц в некотором заданном объеме в зависимости от их свойств. Важно, чтобы при этом учитывался и объем самой системы. Впервые показано, что:

-состояние смеси со случайным распределением компонентов не зависит от особенностей ее образования и является инвариантной ее характеристикой,

-в случае спонтанной конденсации мы имеем типичный пример странного аттрактора, и можно утверждать, что наблюдаемые колебания вероятности образования зародышей являются хаотическими, что следует из анализа отображения Пуанкаре. Для каждого конкретного значения пересыщения имеется только одно значение вероятности образования зародышей, которое резко изменяется при незначительном изменение пересыщения. Чем точнее мы задаем пересыщение, тем явнее проявляется структура странного аттрактора,

-предложенная поправка к приближению Смолуховского учитывает наличие флуктуаций числа частиц в дисперсной системе и позволяет теоретически обосновать влияние на скорость коагуляции размера и средней концентрации аэрозольных частиц.

2.Полученные результаты имитационного моделирования движения аэрозольных частиц при расширении перенасыщенного парогазового потока в диффузоре позволили:

-предложить критерии подобия изучаемого движения К и первый характеризует отношение сил инерции частицы к силам вязкого трения, второй отношение средней энергии молекул газа к кинетической энергии аэрозольной частицы на входе в диффузор,

- построить диаграмму для расчета относительной скорости частица - поток газа при их движении в диффузоре,

-показать, что движение аэрозольной частицы может быть, как детерминированным, так и хаотическим. Существует также переходная область, где, наряду с направленным движением, частица способна совершать хаотические колебания. Построена диаграмма, которая позволяет, не проводя вычислений, предсказать характер движения частицы,

-говорить о возможности расчета константы разноскоростной коагуляции в зависимости от относительного размера частиц, с увеличением которого рост коэффициента коагуляции имеет экстремальный характер. При достижении некоторого критического отношения размера частиц возможен резкий рост скорости коагуляции, который переходит в спонтанную коагуляцию,

- получить уравнение для расчета массы сконденсировавшихся паров в зависимости от входных параметров и геометрии диффузора. Доказана применимость полученных зависимостей в широком диапазоне изменения параметров.

3 .Получены зависимости для расчета термодинамических параметров турбулентного смешения пара и газа, содержащего аэрозольные частицы, что позволь определить оптимальные геометрические параметры камеры смешения и массу сконденсировавшихся паров.

4.Предложено конденсационное устройство для улавливания частиц аэрозолей, состоящее из камеры смешения, диффузора, где происходит укрупнение частиц за счет конденсации на них пара, и циклона с температурным градиентом в закрученном газовом потоке. Исследования показали, что предложенное устройство обеспечивает эффективность улавливания аэрозолей размером 0,4-5мкм до 99,99%. На основании проведенных исследований разработаны и испытаны опытно-промышленные установки для отбора аэрозолей из атмосферы, очистки выхлопных газов дизелей, очистки отходящих газов в производстве ферментов.

5.Анализ теоретических и экспериментальных данных по гидродинамики течения потока газа в аппаратах центробежного типа позволил доказать предложенную гипотезу о существовании упорядоченных парных вихрей, влияющих на эффективность очистки пылегазовых потоков. Практическое использование гипотезы о существовании упорядоченных парных вихрей позволило:

- определить выносимый диаметр частиц в зависимости от геометрических размеров аппарата, плотности частиц и вязкости газа, а при известном дисперсном составе частиц на входе в аппарат оценить действительную его эффективность

- оптимизировать конструкции центробежных аппаратов за счет снижения выбросов аэрозольных частиц через опасные зоны нисходящего газового потока за счет введения вторичного закрученного потока в количестве до 10% от основного потока.

6.Предложенный вариант конструкции циклонного аппарата нашел промышленную реализацию для очистки газов сырьевого цеха цементного завода. Использование новой конструкции с подачей паров воды в качество четвертой ступени суспензионного теплообменника позволяет увеличить степень декарбонизации клинкера и производительность печей производства цемента сухим способом.

1. Calvest S., Lundgren d. Venturi Scrubber Performance. - J. Air Pollution Control Association, 1972, v. 22, №7, p.529-532.

2. Ужов B.H., Очистка промышленных газов электрофильтрами. M. Химия. 1967. 343с.

3. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М. Стройиздат, 1974, 207с.

4. Ужов В.Н., Мягков Б.Н. Очистка промышленных газов фильтрами. М. Химия, 1970, 319с.

5. Страус В. Промышленная очистка газов. М. Химия, 1981. 616с.

6. Дерягин Б.В., Михельсон M.JT. Конденсационный метод пылеулавливания для осаждения рудничной пыли. Изд. АН СССР, ОТН, Металлургия и топливо, 1952, №2,с.124-158.

7. Bralove. Radioactive Dust Separation Equipment.-"Nuckleonicks", vol.8, 1951, №4, p.37-50.

8. Manfred Wicke. Collector efficiency and operation behaviour of wet scrubbers. -Proceedings of the Second International Clean Air Congress, Washington D.C., 1970, p.713-718.

9. Kleinshmidt R.V., Authony A.W. United States Technical Conference on Air Pollution ed L.C. Mc Cabe, McGraw-Hill, 1960, 310p.

10. Bralove. Radioactive Dust Separation Equipment.-"Nuckleonicks", vol. 8, 1951, № 5 ,p.60-67.

11. Духин C.C., Дерягин Б.В., Михельсон M.JI. Пересыщение и конденсация в турбулентном потоке между влажными поверхностями неодинаковой температуры. ДАН, 1955, т. 105, № 6, с. 1229-1232.

12. Тарат Э.Я., Вальдберг А.Ю., Зайцев М.М. Омеханизме процесса пылеулавливания в пенных аппаратах с полным протеканием жидкости через отверстия решеток. ТОХТ, 1970, № 3, с.393-398.

13. Bralove. Radioactive Dust Separation Equipment.-"Nuckleonicks", vol. 8, 1951, №6,p. 15-22.

14. Мухленов И.П., Тарат Э.Я. О гидравлическом сопротивлении решеток. ЖПХ, 1958, №4, с. 542-549.

15. Рамм В.М. Абсорбция газов. М., "Химия", 1966. 767с.

16. ЦЦупляк A.A., Веригин А.Н., Григорян Л.Г., Третьяков Н.П.,Михалев М.Ф. A.C. СССР №555898, БИ №16. 1977.

17. Ужов В.Н.,Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М., "Химия", 1972, 247с.

18. Методические рекомендации по расчету интенсифицированных пенных аппаратов. Ленгипрохим, Л., 1978. 41с.

19. Циклоны с водяной пленкой, тип ЦВП: Типовые чертежи, серии 4.904-58/ ЦИТП. 104с.

20. Алиев Г.М.Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. М.Металлургия, 1986. 543с.

21. Филиппов И.П., Реутович Л.Н., Рженницкий И.И. Газопромыватель с внутренней циркуляцией жидкости. Промышленная и санитарная очистка газов. 1979. № 1,с.2-3.

22. Филиппов И.П., Реутович Л.Н., Рженницкий И.И. Промышленные испытания аппарата МСЦ-П в схеме улавливания пыли технологической линии производства окиси кадмия. Фосфорная промышленность. 1973, вып.4., с. 12-14.

23. Филиппов И.П. и др. A.C. СССР № 601033, БИ № 13. 1978.

24. Miura Mitsuqi. Apparatus for treating gas to remove impurities therefrom. Патент США, кл.55-236, №3527026.

25. Ужов В.Н., Борьба с пылью в промышленности. М., Госхимиздат, 1962, 184с.

26. Русанов A.A., Урбах И.Н. Очистка дымовых газов в промышленной энергетике. М., "Энергия", 1969, 456с.

27. Коагуляционный центробежный мокрый пылеуловитель КЦМП: Листовка Ленпромстройпроект. Л., 1978. 4с.

28. Дубинская Ф.Е. В сб."Обеспыливающие устройства промышленной вентиляции". Московский дом научно-технической пропаганды. 1970, с.78-79.

29. Авров В.Г., Гордон Г.М., Пономарев В.Д. Исследование работы безнасадочных скрубберов на газах шахтных печей свинцового производства.-Цветные металлы, 1964,№2, с.31-36.

30. Кубинская Ф.Е. , ВальдбергА.Ю. и др. Интенсификация процесса пылеулавливания в скрубберах вентури. В сб. "Физика аэродисперсных систем", 1976, вып.4, с.55-56.

31. Gardenier H.E. Submicron particulate scrubbing with a Two Phase Jet Scrubber. -J.Air Pollution Control Association, 1974, v.24, №10, p.954-957.

32. Prakash C.B., Murrax F.E. Particle conditioning by steam condensation. J. Air Pollution Control Association, 1975, v. 14, № 147, p.81-88.

33. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М., "Химия", 1972, 303с.

34. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. М., "Химия", 1972, 428с.

35. Зайцев М.М., Дубинская Ф.Е., А.С. СССР № 211518, БИ № 8 1968.

36. Schauer P.I. Ind. Eng. Chem., 43, 1951, p.1532-1539.

37. Rame T. Condensation processes for the extraction of radioactivity from air. -Nature (Engl.), 1951, 184, № 4701, p.1789-1790.

38. Sparks L.E. Performance of steam ejector scrubber. - J. Air Pollut. Control Association, 1974, v. 24, № 10, p.958-960.

39. Соколов Е.Г., Зингер H.M. Струйные аппараты. M., "Энергия", 1970, 286с.

40. Schwah James J., Goodson David В. Method for ionizing gases. Electrostatically sharging particles, and electrostatically charging particles or ionizing gases for removing contaminants from gas streams. Пат. США. Кл. 55/7, № 4110086.

41. Hou K.L., Adjustable throat venturi scrubber. Пат. США, кл. 55/226, №4144041.

42. Caesar M.B. Contactor and entrainment separator. Пат. США кл.55/221, №4253853.

43. Исследование увеличения размеров частиц методом пароконденсации (отчет), Проблемная научно-исследовательская лаборатория проблем химической технологии, отдел химической аппаратуры ЛТИ им. Ленсовета, Соколов В.Н., 1975, с.77-86.

44. Веригин А.Н., Малютин С.А., Шашихин Е.Ю. Химико-технологические агрегаты. -СПб: Химия, 1996. 256с.

45. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М.: «Мир», 1965. 424с.

46. Андреев Б. Г. Полный спектр частиц естественных аэрозолей и оценка доли активных ядер конденсации. В кн. Тр.VIII Всесоюзной конф. по физике облаков и активным воздействиям. Л, Гидрометеоиздат, 1970, с.93—100.

47. Junge Ch., McLaren Б. Relationship of cloud nuclei spectrum to aerosol size distribution and composition.—" J. Atm. Sci.", 1971, vol. 23, N 3. p.382—390.

48. Имянитов И. M., Чубарина Е. В., Шварц Я. М. Электричество облаков. Л.: Еидрометеоиздат, 1971. 93с.

49. Deloncle M. Etude photoélectrique des aerosols volatiles. — "Rev D'Opt. Theor. et Instrum.", 1963, vol. 42, N 4, p. 157—196.

50. Александров Э. Л., Клепикова H. В., Юдин К. Б. Об экспериментальной оценке величины максимального пересыщения в процессе облакообразования.— Тр. ИЭМ», 1974, вып. 7(45), с.90—94.

51. Левин Л. М. Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1961.267с.

52. Хргиан А. X., Мазин И. П. О распределении капель по размерам в облаках.— «Тр. ЦАО», 1952, вып. 7, с.56—61.

53. Мейсон Б. Дж. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 542с.

54. Берже П. Помо И. Видаль К. Порядок в хаосе. О детерминированном подходе к турбулентности. М.: Мир, 1991. 366с.

55. Лихтенберг А. Либерман М. Регулярная и стохастическая динамика. М.: Мир, 1984. 528с.

56. Николис Дж. Динамика иерархических систем. Эволюционное представление. М.: Мир, 1989. 486с.

57. Неймарк Ю.И. Ланда П.С. Стохастические и хаотические колебания. М.: Наука, 1987. 422с.

58. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации. М. Высшая школа, 1989. 319с.

59. А.Н. Веригин, А.С. Ермаков, Е.Ю. Шашихин Методика оценки состояния гетерогенных сред / ЖПХ, 1994, том 67, №9, с.1561-1562.

60. Мун Ф. Хаотические колебания: Водный курс для научных работников и инженеров. М.: Мир, 1990. 312с.

61. Хокин Р, Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М.: Мир. 1987. 638с.

62. А.И. Олемской, А.Я. Флат /Использование концепции фрактала в физике конденсированной среды мультифракталы. УФН, 1993, том163, № 12, с. 1-50.

63. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991. 133с.

64. Е.Ф. Михайлов, С.С. Власенко Образование фрактальных структур в газовой фазе / УФН, 1995, том 165, № 3, с.263-283.

65. В.В. Зосимов, Л.М. Лямшев / Фракталы в волновых процессах / УФН, 1995, том 165, №4, с.361-401.

66. М.И. Поликарпов / Фракталы, Топологические дефекты и не вылет в решеточных калибровочных теориях /УФН, 1995, т. 165, № 6, с.627-647.

67. А.В. Батунин Фрактальный анализ и универсальность Фейтенбаума в физике адронов / УФН, 1995, том 165, № 4, с.645-660.

68. М. Романов / Наглядное моделирование фрактальных структур./ УФН, 1995, том 165, № 9, с.1095-1098.

69. Ю.Л. Климантович. Нелинейное броуновское движение / УФН, 1994, том 164, №8, с.811-844.

70. Смирнов Б.М. Кластеры с плотной упаковкой УФН, 1992, том 162, №1, с.119-138.

71. Эфрос А.Л. Физика и геометрия беспорядка. М.: Наука, 1982. 176с.

72. Дж. Марсден, М. Мак-Кракен Бифуркация рождения цикла и ее приложения. М.: Мир, 1980. 368с.

73. Фракталы в физике: Труды VI международного симпозиума по фракталам в физике (МЦТФ, Триест, Италия, 9-12 июля, 1985). М. Мир, 1988. 672с.

74. Волощук В.М. Кинетическая теория коагуляции. -Л. Гидрометеоиздат. 1984. 284с.

75. Дорохов И.Н. Кольцова Э.М, Кафаров В.В. ДАН СССР, 1980, т.251, №3, с.659-664.

76. Боголюбов Н. Н. И др. Вопросы теории дисперсных соотношений. М. Физматгиз. 1958. 203с.

77. Пригожин И., Николис Г. Самоорганизация в неравновесных системах. М. Мир. 1979. 512с.

78. Степанов А. С. К выводу уравнения коагуляции «Тр. ИЭМ», 1971, выи.23, с.З—16.

79. Степанов А. С. Вывод уравнения коагуляции для броуновски движущихся частиц. «Тр. ИЭМ», 1971, вып.23, с.42—64.

80. Степанов А. С. Кинетическое уравнение диффузионного роста капель.— «Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана», 1972, т. 8, № 8, с.853—865.

81. Степанов А. С. Об использовании кинетических уравнений для описания облачных сред.—«Тр. ИЭМ», 1974, вып.8(46), с.124—139.

82. Тодес О. М. В кн. Проблемы кинетики и катализа. Т.7. М.—Л., 1949, с. 137142.

83. Прутковский X. С., Цитович О. Б. — Журн. прикл. химии, 1974, т. 47, № 10, с.2335—2336.

84. Волошук В.М. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л. Гидрометеоиздат. 1975. 386с.

85. Кольцова Э.М, Кафаров В.В, Дорохов И.Н. ДАН СССР, 1980, т.251, №3, с.659-664.

86. Кафаров В. В., Дорохов И. Н., Кольцова Э. М. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы. М.: Наука, 1983, 367 с.

87. Мелихов И. В., Меркулов М. С. Сокристаллизация. М.: Химия, 1975. 260с

88. Ходаков Г. С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. 462с.

89. Мелихов И. В.—Хим. пром., 1981, № 11, с.47—50.

90. Инюшкин Ф. П., Заостровский Ф. П. — В кн.: Тезисы докл. II Всесоюзн. конф. по массовой кристаллизации и кристаллизационным методам разделения смесей. Черкассы, 1980, с.31—32.

91. Трейвус Е. Ю. Кинетика роста и растворения кристаллов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1979. 246с.

92. Балеску Р. Равновесная и неравновесная статистическая механика. М.: Мир. 1978. 406с.

93. Веригин А. Н., Щупляк И. А., Михалев М. Ф. Инж.-физ. журн., 1979, т.37, № 6, с.970—976.

94. Баруча В. И. Элементы теорий марковских процессов и их приложения. М.: Наука, 1969. 512с.

95. Веригин А.Н., Щупляк И.А., Михалев М.Ф. Кристаллизация в дисперсных системах. Л.: Химия, 1986. 248с.

96. Тихонов В. И., Миронов М. А. Марковские процессы. М.: Советское радио, 1977. 488с.

97. Веригин А.Н., Федоров В.Н., Данильчук B.C. Химико-технологические агрегаты. Имитационное моделирование. СПб.: Изд-во С.-Петербургского унта, 1998. 220с.

98. В.П., Коверда В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей. Зарождение кристаллов в жидкостях и аморфных твердых телах. М.: 1984. 230с.

99. Райст, Паркер Аэрозоли. Введение в теорию М.: Мир, 1987, 278с.

100. Федоров В.Н., Исаков В.П., Соколов В.Н., Сагал JI.M. Циклон. A.c. 1011271 (СССР) Опубл. в Б.И №14 1983.

101. Сутугин А. Г. Спонтанная конденсация пара и образование конденсационных аэрозолей. Успехи химии. 1969, т. 38, вып. 1,с. 166-191.

102. Мейсон Э.А., Малинаускас А.П. Перенос в пористых средах. Модель запыленного газа. -М.: Мир, 1986, 200с.

103. Юнге Х.Е. Химический состав и радиоактивность атмосферы. -М.: Мир, 1965. 424с.

104. Кидяров Б.И. Кинетика образования кристаллов из жидкой фазы. Новосибирск. Наука. 1979. 134с.

105. Душников A.A. Сутугин А.Г. //Успехи химии 1976. Т. 45. Вып. 3. с.385-414.

106. Кулик П.Д., Норман Г.Э., Поляк Л.С. //Химия высоких энергий. 1976. Т. 10, №3, с.203-220.

107. Башкиров А. Г., Фисенко С. П. Вывод уравнений неизотермической нуклеации. М., 1976. (Препринт/Инт проблем механики АН СССР, № 68).

108. Гихман И. И., Скороход А. В. Введение в теорию случайных процессов. М. Наука. 1977. 567с.

109. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей М. Фитматгиз. 1961. 406с.

110. Уленбек Дж., Форд Дж. Лекции по статистической механике. М. Мир. 1965. 307с.

111. Климонтович Ю. Л. Турбулентное движение и структура хаоса. Новый подход к статистической теории открытых систем. -М.: Наука. 1990. 317с.

112. Климонтович Ю.Л. Кинетическая теория неидеального газа и неидеальной плазмы. М.: Наука. 1975. 352с.

113. Ферцигер Дж., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах. М. Мир. 1976. 554с.

114. Ротт J1. А. Статистическая теория молекулярных систем. Метод коррелятивных функций условных распределений М. Наука. 1979. 280с.

115. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М. Изд. иностранной литературы. 1960. 510с.

116. JI. Лекции по теории газов. М.:Гостехиздат. 1956. 554с.

117. Силин В. П. Введение в кинетическую теорию газов. М. Наука. 1971. 331с.

118. Крокстон К. Физика жидкого состояния: Статистическое введение. М. Мир. 1977. 400с.

119. Колесников П. М. Методы теории переноса в нелинейных средах. Минск. Наука и техника. 1981. 336с.

120. Колесников П. М. Электродинамические ускорения плазмы. М. Атомиздат. 1971.389с.

121. Колесников П. М. Введение в нелинейную электродинамику. Минск. Наука и техника. 1971. 382с.

122. Колесников П. М., ХижнякН. А.//ЖТФ. 1985. Т. 35. Вып. 10. с.1736—1742.

123. Колесников П. М., Хижняк Н. А. //Техническая электромагнитная гидродинамика. М.: 1965. Вып. 2. с.293—302.

124. Алексеев Б. В. Математическая кинетика реагирующих газов. М.:Наука. 1982. 420с.

125. Струминский В. В. //Механика многокомпонентных сред, в технологических процессах. М.: 1978. с.145.

126. Струминский В. В. Кинетическая теория газовых смесей. К обоснованию и обобщению кинетической теории Больцмана / Молекулярная газодинамика. М. Наука. 1982. 239с.

127. Буевич Ю. А. ПММ. 1970. Т. 34. № 2. с.308—317.

128. Янков Я. Д. Изв. АН СССР. МЖГ. 1980. № l.c.128—132.

129. Лунькин Ю. П., Мымрин В. Ф. Изв. АН СССР. МЖГ. 1981. № 1. с. 134—139.

130. Колесников П. М., Карпова Т. А. ИФЖ. 1977. Т. 33. Вып. 1. с. 157—161.

131. Колесников П. М., Карпова Т. А. Вопросы газотермодинамики энергоустановок. 1977. Вып.4. с.23—32.

132. Колесников П. М. Проблемы гидромеханики в освоении океана. Киев, 1984. Т.42. Ч.1.С.7—8.

133. Колесников П. М. Совещание по цунами. Горький, 1984. с.85—87.

134. Цинмаймайстер Г. Дж. Процессы роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок. Новосибирск, 1975. ч.1. с. 11—16.

135. Александров JI.H. Кинетика кристаллизации и перекристаллизации полупроводниковых пленок. Новосибирск. Наука. 1985. 224с.

136. Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Ф. Математические методы в теории надежности. М. Наука. 1965. 524с.

137. Гнеденко Б. В., Коваленко Н. Н. Введение в теорию массового обслуживания. М. Наука. 1966. 431с.

138. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.: 1979.

139. Русанов А. И. Фазовые переходы и поверхностные явления. Л. Химия. 1967. 388с.

140. Гейликман Б. Т. Статистическая теория фазовых превращений. М. Гостехиздат. 1954. 120с.

141. Амелин А. Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М.: 1972. 304.

142. Стрикленд-Констэбл Р. Ф. Кинетика и механизм кристаллизации. Л. Недра. 1971. 310с.

143. Хирс Л., Паунд Г. Испарение и конденсация. М. Металлургия. 1966. 196с.

144. Любов Б.Я. Кинетическая теория фазовых превращений. М.: 1969. 212с.

145. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975. 592 с.

146. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М. Л. Гостехиздат. 1951. 479с.

147. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.:Наука. 1972. 312с.

148. Дерягин Б.В. //ЖЭТФ. 1973. Т. 65. Вып. 6(12). с.2261-2271.

149. Хирс Дж., Лоте Дж., и др. Гетерогенное горение. М.: 1967. с.468-498.

150. Дейч М.Е., Филлипов Г. А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат. 1981.472с.

151. Gyarmathy G Grundlagen einer Theorie der Nassdampfturbine. Zurich 1962, p421.

152. Фукс H.A. Известия АН СССР, сер. геогр., геоф., том 11. 1947. с.341.

153. Фукс H.A. Механика аэрозолей. M.: Изд-во АН СССР, 1955. 352с.

154. Фукс H.A. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: Изд-во АН СССР, 1958. 91с.

155. Мейсон Б. Физика облаков. М.: Гидрометеоиздат, 1961. 524с.

156. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472с.

157. Салтанов Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения. Минск. Высшая школа, 1972. 480с.

158. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. М.: ИЛ, 1949. 520с.

159. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. Л.: Химия, 1974. 288с.

160. Горбис З.Р. Теплообмен и гидродинамика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия, 1970. 423с.

161. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 536с.

162. Пирумов А.И. Аэродинамические основы инерционной сепарации. М.: Гос. Изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961. 124с.

163. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974. 593с.

164. Милликен Р. Э. Электроны, протоны, фотоны, нейтроны и космические лучи. М.-Л. ГОНТИ 1939. 312с.

165. К Циклаури Г.В., Данилин B.C., Селезнев Л.И. Адиабатические двухфазные течения. М.: Атомиздат, 1973, 448с.

166. У Уолис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440с.

167. Б Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частичами. М.: Мир, 1975. 378с.

168. Стырикович М.А., Полонский B.C., Циклаури Т.В. Теплообмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций. М.: Наука. 1982. 368с.

169. Теверовский E.H., Дмитриев Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М.: Энергоатомиздат, 1988. 160с.

170. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон A.C. Теоретическая механика в примерах и задачах./ Под ред. Д.Р. Меркина. Т.2. Динамика. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. 560с.

171. Бабуха Г.Л., Шрайбер A.A. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев: Наук, думка, 1972. 176с.

172. Saffman P.G. The lift on a small sphere in a slow shear flow // J. Fluid Mech. -1965. 22, №2. P. 385-400.

173. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1981,- 175с.

174. Горбис З.Р., Спокойный Ф.Е., Загайнова Р.В. Влияние основных силовых факторов на поперечную скорость мелких частиц, движущихся в турбулентном потоке газа ИФЖ. 1976. - 30, №4. с.657-664.

175. Турбулентные течения газовзвеси. Шрайбер А.А., Гавин Л.Б., Наумов В.А., Яценко В.П. Киев: Наук, думка, 1987. 240 с.177. 41р. Эйнштейн А., Смолуховский М. Броуновское движение: Сб: статей. М. -Л.: ОНТИ, 1936, 607с.

176. Woods I. D., Mason B.I. Experimental determination of collection efficiencies for small droplets in air. "Quart. J. Roy. Met. Soc.", 1964, vol. 90, N 386, p.373-381.

177. Kinzer G. D., Cobb W. E. Laboratory measurements and analysis of the growth and collection efficiency of cloud droplets. "J. Met.", 1958, vol. 15, p.138-148.

178. Willis D. R. Sphere drag at high Knudsen number and low Mach number. "Phys. Fluids", 1966, vol. 9, h.2522-2524.

179. Черчиньяни К. Математические методы в кинетической теории газов. М.: Мир, 1973, 250с.

180. Cercignani С., Pagani С. D., Bassanini P. Flow of a rarefied gas past an axisymmetric body. II/ Case of a sphere. Phys. Fluids, 1968, vol. 11. N 7, p.1399-1403.

181. Millikan R. A. The general law of fall of a small spherical body through a gas and its bearing upon the nature of molecular reflection from surfaces. Phys. Rev., 1923, vol. 22, N 1, p.1-23.

182. Чандрасекар С. Стохастические проблемы в физике и астрономии. М.: Изд-во иностр. лит., 1947, 170с.

183. Монтгомери Д. Применение уравнения Больцмана к описанию броуновского движения. В кн.: Механика, № 1, 137, М.: Изд-во иностр. лит., 1967, с.59-64.

184. Уленбек Г. Фундаментальные проблемы статистической механики. «УФН», 1971, т. 103, вып. 2, с.275-318.

185. Hidy J.M. On the theory of the coagulation of noninteracting particles in brownian motion. J. Colloid. Sci., 1965, vol. 20, p.123-144.

186. Hidy J. M., Brock J. R. The dynamic of aerocolloidal systems. Oxford, Pergamon -Press, 1970. 379p.

187. Clark W., Whitby T. Concentration and size distribution measurements of atmospheric aerosols and a test of the theory of self-preserving size distributions.—"J. Atm. Sci.", 1967, vol. 24, N 6, p.677—687.

188. Коагуляция коллоидов: Сб. Статей. /Под ред. А.И. Рабиновича, П.С. Васильева. М.-Л.: ОНТИ, 7 (1936).

189. Смолуховский М. Опыт математической теории кинетики коагуляции коллоидных растворов. В кн. Коагуляция коллоидов. М.: ОНТИ, 1936, с.7-39.

190. Смолуховский М. Три доклада о броуновском молекулярном движении и коагуляции коллоидных частиц. В кн. Броуновское движение. М.: ОНТИ, 1936, с.332-417.

191. Тихомиров М.В., Туницкий Н.Н., Петрянов И.В. ДАН СССР, 1942, т.94, с.865.

192. Hocking L. М. The collision efficiency of small drops. Quart. J. Roy. Met. Soc., 1959, vol. 85, N 363, p.44-50.

193. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959, 670с.

194. Мейсон Б. Дж. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 542с.

195. Волощук В.М. введение в гидродинамику грубодисперсных аэрозолей. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 208с.

196. Langmuir I., Blodgett К. В. A mathematical investigation of water droplet trajectories.—"U. S. Air Forces, Tech. Rept.", 1946, N 5418, 40p.

197. Langmuir I. The production of rain by chain reaction in cumulus clouds at temperatures above freezing.— "J. Met.", 1948, vol. 5,. p.175—192.

198. Heme H. The classical computation of the aerodynamic capture by spheres. In: Aerodynamic capture of particles. Pergamon Press, N. Y., I960, p.26—34.

199. Волощук В.М. Гидродинамические аспекты теории коагуляции аэрозольных частиц.—«Тр. ИЭМ», 1970, вып. 19, с.81—115.

200. Романов К. В. Исследование эффективности инерционного захвата частиц аэрозоля сферой.— Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. Одесса, ОГУ, 1973. 35с.

201. Beard К. V., G rover S. N. Numerical collision efficiencies for small raindrops colliding with micron size particles.— "J. Aim. Sci.", 1974, vol. 31, N 2, p.543—550.

202. Starrl. R., Mason В. I. The capture of airborne particles by water drops and simulated snow flakes.— "Quart. J. Roy. Met. Soc.", 1966, vol.92, N394, p.490—499.

203. Walton W. H., Woolcock A. The suppression of airborne dust by water spray. In: Aerodynamic capture of particles. Pergamon Press, N. Y., 1960, p.129—153.

204. May К. K., Clifford R. The impaction of aerosol particles on cylinders, spheres, ribbons and discs.—"Ann. Occup. Hyg.", 1967, vol.10, N 2 p. 83—95.

205. Ясевич H. П. Определение эффективности вымывания частиц аэрозоля каплями воды.—«Тр. ИЭМ», 1970, вып. 9, с.42—51.

206. Picknet К. G. Collection efficiencies of water drops in air.— "Intern. J. Air Pollut.", 1960, N3, p. 160—167.

207. Woods I. D., Mason В. I. Experimental determination of collection efficiencies for small droplets in air.—"Quart. J. Roy. Met. Soc.", 1964, vol. 90, N 386, p.373-381.

208. Ranz W. E., Wong J. B. Impaction of dust and smoke particles on surface and body collectors.—"Ind. Eng. Chem.", 1952, vol. 44, N 6, p.1371—1381.

209. Фукс H.A. К теории дождевания «теплых» облаков.— «ДАН СССР», 1951, т. 81,№б,с.1043—1045.

210. Шишкин Н. С. Облака, осадки и грозовое электричество. Л., Гидрометеоиздат, 1964.401с.

211. Gunn R., Hitschfeld W. A laboratory investigation of the coalescence between large and small water drops.—"J. Met.", 1951, vol. 8, p.7—16.

212. Фукс H. А. Успехи механики аэрозолей. M., Изд-во АН СССР, 1959, 159с.

213. Абрамович Т.Н. Теория турбулентных струй, Физматгиз, И., 1960,714с.

214. АбрамовичГ.Н., Турбулентное смешение газовых струй, «Наука», М., 1974, 272с.

215. Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов, Машиностроение, М., 1965, 399с.

216. Клигель Д., Никерсон Т. Течение смеси газа и твердых частиц в осесимметричном сопле. В сб. «Детонация и двухфазное течение», М., 1960, с.111-119.

217. Лю-Чю. Динамика газов, содержащих испаряющиеся капли жидкости за прямым скачком уплотнения. Ракетная техника и космонавтика, 1966, №6, с.63-68.

218. Кань-Сан-Вук. Исследование роста конденсированных частиц в разреженных и континуальных средах. Ракетная техника и космонавтика, 1967. №7, с.91-99.

219. Левич В.Г. Введение в статическую физику. М., 1954. 528с.

220. Вегенер П.П., Мак Л.М. Конденсация в сверхзвуковых и гиперзвуковых аэродинамических трубах. В сб. «Проблемы механики» ч.Ш, М., 1961. с.53-64.

221. Вегенер П.П. и др. Конденсация воздуха в гиперзвуковом потоке. -Вопросы ракетной техники, 1952, №1, с.96-108.

222. Кочурова H.H. К вопросу о коэффициенте конденсации. ИФЖ, 1964, №3, с. 12-21.

223. Берман Л.Д. К определению коэффициента массоотдачи при расчете конденсации пара, содержащего примесь воздуха. Теплоэнергетика, 1969, №10, с.16-27.

224. Вайсман В.Д. Термодинамика парожидкостных потоков. Л., Энергия, 1967, 272с.

225. Gyarmathy G. Ein analitisches berechnungsverfahsen fus spontane kondesationvorgange. YDI Forschungsheft, 1965, №1, c.5-36.

226. Исаков В.П., Федоров B.H., Щупляк A.A., Мартынов H.C. Экспериментальные исследования эффективности улавливания высокодисперсных аэрозольных частиц в разнотемпературном конденсационном циклоне. Деп. в ОНИИТЭХИМ г. Черкассы №14-Д81 1981г.

227. Исаков В.П., Федоров В.Н., Соколов В.Н. Конденсационные центробежные сепараторы аэрозольных частиц. Всесоюзного научно-техн. семинара "Применение аппаратов "мокрого" типа для очистки отходящих газов от тв. примесей", Москва, 1985, с. 12.

228. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. 588с.

229. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. -Л.: Химия, 1975, 428с.

230. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. -М.: Наука, 1977, 408с.

231. Ламб Г. Гидродинамика, -М. -Л.: ГИТЛ, 1947, 928с.

232. Прандль JI. Гидроаэромеханика. -М.: ИЛ, 1949, 520с.

233. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. -М.: Наука, 1974, 712с.

234. Lord Rayleigh On the dynamics of revolving fluids, proc. Roy. Soc. A93, 1916. -p.148-154.

235. Taylor G.I. Stability of a viscous liquid contained between two rotating cylinders. Phil. Trans. A223, 1923, p.289-293.

236. Shults-Grunov F., Hein H. Beitrang sur coeutte-stromung Ann. Phys.(4), 83, 1927. s.835-848.

237. Хьюит Дж., Холл-Тейлор H. Кольцевые двухфазные течения. М.: Энергия, 1974. 408с.

238. Скрябин Г.М., Коузов П.А. Пылеулавливание в химической промышленности. -Л.: Химия, 1976, 62с.

239. Рабинович В.Б., Дьяков В.В., Платов A.M., Рожнева В.К. О вторичных течениях в сухих циклонах. Промышленная и санитарная очистка газов, 1983, №1, с.З

240. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. -М.: Наука, 1974, 712с

241. Лассан В.Л. Измерение угловых скоростей. -М. Машиностроение. 1970, 31с.

242. Повх И.В. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. -М. -Л.: Машиностроение, 1959, 396с.

243. Исаков В.П., Федоров В.Н., Соколов В.Н. Циклон вихревого типа. Информ. листок №1092-83 -Л.:ЛенЦНТИ, 1983.

244. Федоров В.Н., Исаков В.П., Сагал Л.М., Соколов В.Н. Циклон. А.с. СССР №101271 -Б.И. №14., 1983.

245. Федоров В.Н., Полякова Т.Н., Гропянов В.М., Исаков В.П., Соколов В.Н., Сагал Л.М., Кундель Х.А., Шенкер С.И., Подоляко В.М. Способ получения цементного клинкера. А.с. 1191435 (СССР) - Опубл. в Б.И. №42., 1985,

246. Патент Чехословакии № 48169, 1934

247. Патент ФРГ № 1282232, 1968

248. ДудаВ. Цемент. -М.: Стройиздат, 1981, с 452

249. Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентраций пыли. М., Химия, 1978, 207с.1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ1. ТП^ — масса частицы,относительная скорость текущей среды и частицы,рс — плотность среды,1. Лс — вязкость среды,

250. Р — давление (парциальное давление пара в газе),

251. Рю (Г) давление насыщенного пара над поверхностью жидкости при температуре Р.1. ДА— радиус частицы (в общемслучае — характерный размер частицы),

252. Я) — средний радиус частицы (капели),

253. V — скорость воздушного потока вблизи частицы,

254. Ут — скорость потока газа (пара) наоси,

255. Vг — скорость спутного газового потока,

256. Уп — скорость истечения пара из сопла,0 — единичный вектор в направлении силы тяжести,

257. Тд — время релаксации аэрозольной частицы,кт — коэффициент присоединенной массы,

258. СОс — угловой скорости газа, СО^ — угловая скорость частицы,1 — момент инерции частицы,2 — вращающий момент частицы, ("Й)) — средняя скорость,

259. И/ ) — осредненная пульсацион-ная составляющая скорости частицы, М?о — стационарной скорости осаждения частицы,тепловая скорость молекул среды,

260. Ые — число Рейнольдса, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, П — показатель адиабаты, /3 — отношение коэффициента регулярного трения, к массе частицы, — коэффициент броуновской диффузии,

261. В — подвижность частицы. Пс — концентрация молекул среды,

262. П^ — концентрация дисперсных частиц,1. В^ — газовая постоянная,

263. Т — абсолютная температура, N — число частиц в молях в единице объема.

264. Сс — концентрация молекул среды,

265. СГ — поверхностное натяжение жидкости,

266. Nд — число Авогадро, М —масса

267. Мь — молекулярный вес жидкости, Мт — молекулярная масса жидкости,

268. Ь — скрытая теплота фазовых переходов,

269. ОСт — коэффициент аккомодации,

270. ТП с — массы молекул газа,1. ТПр — масса молекул пара,

271. Л — средняя длина свободного пробега газовых молекул, аг — коэффициент теплопроводности воздуха,

272. Сп,Сг,СК — теплоемкости пара, газа и конденсата, соответственно, с1с — диаметр сопла,

273. С— диаметр камеры смешения, у текущая координата по длинекамеры смешения, диффузора, X — текущая координата по сечению камеры смешения, диффузора,

274. Г0 — радиус диффузора на входе,

275. Г — текущий радиус диффузора, у — угол раскрытия диффузора,

276. Принятые сокращения: С — сплошная фаза, б/ — дисперсная фаза, г — газ, п — пар, к — конденсат,• 'у^ШЕЩЙ ИНЖЕНЕР ЗАВОДА

277. V>S ' -ЗВЕЗДА)1 иХК.Е.ВОРОЖЯОВА. ^ ¡/¿А//НЕЧУНАЕВ Г .Т./jQJ " i! 1978Г.1. АКТ

278. ЕВДРЕНИЯ МОДЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ШХЛОПНЖ ГАЗОВ, г. ЛЕНИНГРАД, . " ££ " 1978г.

279. Испытания.-показали принципиальную возможность снижения дымносод :а на 1.5 2.0 ед. по шкале дымомера типа " Бош что позво-обеспечить дымность выхлопа на уровне санитарных норм.1. НИК ЭКСШРИШТАШЮ4Ю<Ж

280. ЛЬСКОГО ОТДЕЛА ОКБ, к.т.н. /1. Я Ш'ЖЕНЕР бШШРИШТАШЮ

281. ЙОВАТЕЛЬСКОГО ОДЕЛА ОКБ, к.т.н. : ,./О.А.ГЛАВКОВ /1. Государственный институтпо яроеетирввамйв гаттвстшыхсооружений 4 *1. ГИПРОГАЗООЧИСТКА1. Ленинградский филиал193029, Ленинград, Б. Смоленский пр., б

282. Телеграммы — Ленинград «КАНВА» Телетайп 32-18-18. Телефон 265-18-19

283. Рзсч. счёт 23401523 в ОПЕРУ ЛСЖ Стройбанка /ж?/»it £ « Ё&*игс/-"пор .'/■' -г- г -a3C0MI1CTK&r«