автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система исследования процесса сепарации в циклонах и скрубберах

) '

На правах рукописи

ЖАБЕИ АННА АЛИКОВНА

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ В ЦИКЛОНАХ И СКРУББЕРАХ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 2009

2 6 НОН 2009

003484892

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Асламова Вера Сергеевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гозбенко Валерий Ерофеевич доктор технических наук, профессор Хапусов Владимир Георгиевич

Ведущая организация - Тамбовский государственный технический

университет (г. Тамбов)

Защита диссертации состоится «3» декабря 2009 г. в 10.00 часов на заседании совета по защите док-горских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «3» ноября 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.004.01.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Пашков Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На сегодняшний день проблема защиты атмосферы от техногенных выбросов промышленных предприятий остается актуальной. Эффективность применяемых систем пылеочистки не всегда соответствует нормам ПДК. Для решения данной проблемы постоянно совершенствуются и разрабатываются новые газо-очисгные и пылеулавливающие устройства (циклоны, скрубберы, фильтры и др.). Разрабатываемое оборудование должно обеспечивать максимальную степень очистки при минимальных материальных и энергетических затратах. При этом важно выбрать наиболее подходящий для данных технологических условий тип оборудования, и на основе математических моделей точно рассчитать ожидаемые показатели его работы до изготовления опытных образцов. Однако в настоящее время недостаточно разработаны методики и модели прогнозирования показателей работы циклонов, а также отсутствует соответствующее программное обеспечение (ПО).

Для очистки газа от пыяи в химической и нефтегазовой промышленности, при производстве строительных материалов в основном используются низкоэффективные про-тивоточные циклоны. Высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО). Однако мало исследованы их эксплуатационные характеристики при низких нагрузках по газу и пыли и большой закрутке потока.

Существующие пакеты прикладных программ (TASCflow3D, ANSYS CFX, FlowVision, CANAL), базирующиеся на методе конечных элементов и различных теоретических моделях турбулентности, не предназначены для оценки эффективности очистки пылеуловителей. Программное обеспечение НПП «ЛОГУС» и «Интеграл» ориентировано на инвентаризацию источников выбросов, ведения их учета Однако их использование существенно ограничено высокой стоимостью и отсутствием прямых результатов. Поэтому разработка автоматизированной системы исследования процесса сепарации и прогнозирования показателей работы циклонов и скрубберов на основе математических моделей является актуальной и практически значимой задачей.

Большой вклад в исследования и моделирование процесса сепарации в пылеуловителях, разработку математических моделей и методов оценки их эффективности очистки и гидравлического сопротивления внесли отечественные ученые: И.Е. Идельчик, У.Г. Пирумов, В.А. Успенский, М.И. Шиляев, Б.С. Сажин, Э.Н. Сабуров, В.П. Приходько, А.Ю. Вальдберг, Е.В. Сугак, O.A. Трошкин, В.А. Лазарев, B.C. Асламова, М.Е. Смирнов и др., а также зарубежные исследователи: В. Страус, Ф. Ментер, С.Б. Шеферд, С.Е. Лейпл, Ж. Касал, Ж.М. Мартинес-Бенет, В. Барт.

Цель работы - разработать автоматизированную систему научных исследований процесса сепарации в циклонах и скрубберах для решения задач: оптимального выбора пылеуловителя и режима его эксплуатации по заданным техническим условиям; оценки показателей работы функционирующих аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать новые регрессионные модели для прогнозирования эффективности

з

очистки циклонов любого типа и прямоточных циклонов на основе декомпозиционного подхода к систематизации экспериментальных данных.

2. Определить оптимальные место расположения промежуточного отбора и технологические параметры, обеспечивающие максимум эффективности пылеулавливания прямоточного циклона.

3. Спроектировать информационное, математическое и программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований для: обработки экспериментальных результатов седиментации и процесса сепарации; расчета показателей работы циклонов и скрубберов на основе существующих методов и разработанных регрессионных моделей эффективности очистки; выбора оптимального пылеуловителя на заданные условия его эксплуатации; определения оптимальных режимов функционирования пылеуловителей.

4. Провести экспериментальные исследования прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли при большой закрутке потока и невысоком расходе воздуха.

Методы исследований: аппроксимация функций, регрессионный анализ, численные методы, теория гидрогазодинамики, теории проектирования автоматизированных систем и баз данных. Использовано следующее программное обеспечение: интегрированная среда разработки CodeGear RAD Studio 2007, MS SQL Server, MS Excel 2007 и другие программные инструменты.

Научная новизна заключается в новом способе решения комплекса задач при автоматизации технологического процесса сепарации и функционирования циклонов и скрубберов:

1. Новые регрессионные модели, полученные при декомпозиционном подходе к обработке экспериментальных данных, используемые для прогнозирования эффективности пылеулавливания циклонов противоточного, прямоточного типов и со встречными закрученными потоками (патент RU № 2358810) и прямоточных циклонов с учетом режима движения потока, зависящие от коэффициентов относительного уноса, учитывающих влияние плотности, концентрации и масс-медианного размера частиц пыли и диаметра аппарата.

2. Новая постановка и результаты решения задачи нелинейной оптимизации конструктивного и режимных параметров прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли.

3. Информационное, математическое, программное и методическое обеспечение новой автоматизированной системы научных исследований (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990, номер государственной регистрации в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов»: 50200701900 от 6.09.2007).

Достоверность результатов исследования подтверждается достаточным совпадением расчетных данных по предлагаемым математическим моделям эффективности очистки циклонов с экспериментальными данными различных авторов (2...4 %), практическими внедрениями разработанной АСНИ.

Практическая значимость заключается в разработке научно обоснованных мате-

магических моделей эффективности пылеулавливания циклонов любого типа. Создана база данных технологических характеристик промышленных и лабораторных циклонов, скрубберов и физико-химических свойств газов, жидкостей и пылей. На базе известных и авторских методов оценки эффективности и гидравлического сопротивления циклонов созданы автоматизированные подсистемы расчета и прогнозирования показателей работы циклонов (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990) и скрубберов при промышленной эксплуатации, позволяющие оптимизировать выбор пылеуловителя для заданных режимов работы. Разработано программное обеспечение подсистемы автоматизации научных исследований седиментации и процесса сепарации.

Реализация результатов работы: основные результаты работы используются при изложении теоретического материала, в лабораторных и практических занятиях, в курсовом и дипломном проектировании при подготовке студентов Ангарской государственной технической академии, Иркутского государственного университета путей сообщения, Томского политехнического университета и Восточно-Сибирского технологического университета (г. Улан-Удэ) на кафедрах «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Безопасность жизнедеятельности и экология», «Общая химическая технология» и «Промышленная экология и защита в чрезвычайных ситуациях» соответственно.

Апробация работы: основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (2007-2009), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Саратов, 2008, Псков, 2009), Всероссийских ежегодных научных конференциях с международным участием «Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность территорий регионов России» (Улан-Удэ, 2006-2008), научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (Иркутск, 2007, 2009), Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2007), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Современные проблемы экологии и безопасности» (Тула, 2007), Всероссийской конференции по математике и механике (Томск, 2008), Международном научно-методическом симпозиуме «Современные проблемы многоуровневого образования» (Дивноморское, 2008), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых "Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2009" (Саратов, 2009), Международной научно-технической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009), IX и X Всероссийских конференциях студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 2 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в рецензируемых изданиях, 8 статей в сборниках научных трудов, методические указания для студентов, 17 тезисов докладов, патент РФ и свидетельство об отраслевой регистрации разработки в фонде алгоритмов и программ. Без соавторов опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, выводы, список использованной литературы из 124 наименований, условные обозначения и приложения. Объем работы составляет 186 страниц, в том числе 65 рисунков, 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и приведена общая характеристика диссертации с тезисным изложением основных положений и результатов работы, определены цель и задачи исследования.

В главе 1 «Обзор программного обеспечения природоохранной деятельности. Классификация циклонов и скрубберов» приведен обзор существующего ПО в области пылеочистки и природоохранной деятельности, разработанного научно-производственными предприятиями «ЛОГУС», «Интеграл». В результате обзора выявлено, что на данный момент не разработано программное обеспечение для прогнозирования эффективности очистки и гидравлического сопротивления проектируемых пылеуловителей, поэтому разработанная автоматизированная система научных исследований (АСНИ) процесса сепарации циклонов и скрубберов уникальна. Также выполнен анализ существующих подходов к созданию автоматизированных систем с использованием баз данных.

Дана классификация циклонов и скрубберов, определены их преимущества и недостатки. Рассмотрены методы оценки эффективности пылеулавливания: вероятностно-энергетический метод Вальдберга-Кирсановой, метод Шиляева. Произведено сопоставление результатов расчетов по известным зависимостям для гидравлических потерь и коэффициента гидравлического сопротивления с экспериментальными данными, которое выявило большую погрешность рассматриваемых методов.

В главе 2 «Автоматизация научных исследований процесса сепарации в прямоточ ном циклоне» приведено описание программного средства «Седиментация» для обра ботки данных анализа гранулометрического состава измельченных материалов. Графи ческая и аналитическая обработка результатов и определение в пробе процентного со держания фракций различной дисперсности проводится по методикам, принятым в се диментационном анализе. Для уточнения размеров крупных частиц коэффициент гид равлического сопротивления частицы определялся не по формуле Стокса, а по формул Сиска, поскольку формула Стокса справедлива для критерия Рейнольде Re5 = Р-ж^55/цж < 0,1 (|1ж,рж,т1'5,6-динамическая вязкость и плотность жидкости, скс рость седиментации частицы диаметром 5 ). Регрессионное уравнение Сиска справедгп во с точностью 2 % в широком интервале изменения критерия Re^: 0,1 < Re5 < 3500.

Для определения оптимального расположения промежуточного отбора пыли отне сительпо выходных кромок лопаточного закручивателя la=lüD решалась задача нел1 нейной оптимизации в следующей постановке: определить оптимальные значения пар; метров: относительное расположение промежуточного отбора пыли /0 прямоточ1Ю1 циклона; коэффициент гидравлического сопротивления С,; среднерасходную скорое-w0 и запыленность входного потока z, максимизирующие среднюю эффективность га

леулавливания

ц = (140,49 + 35,060 • /00-5 - 3,591/7; ■ z'

.0,017

-0,089

£ -0,U9_^ тах;

при условиях: потери давления в аппарате ДР - 0,5^ р • w02 < 2000 [Па], где коэффициент гидравлического сопротивления

С = (39,5566 + 2,0345 • /00'5 - 0,41061аг) ■ г 0'022 ■ <0-'77;

0 < 10< 4; 0,005 < г < 0,3кг / м3; w0<\6juIc.

Задача решалась в ППП MathCAD 2001 Professional методом сопряженных градиентов при начальном приближении: /0 = 0,1; z = 0,005 кг/м3; щ - 4 м/с. Было принято, что плотность воздуха р = 1,2 кг/м3. Получены следующие оптимальные параметры: /0= 1,85; С= 40,919; г = 0,30 кг/м3-, IV0 = 4 м/с; ДР= 392,818 Па. При этом средняя эффективность сепарации составит 7= 100 % . Полученные результаты согласуются с экспериментальными исследованиями.

Также представлена экспериментальная установка (рис. 1) для исследования процесса сепарации пыли в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли (ПЦПО).

Исследовалось влияние режима движения, характеризуемого среднерасходной скоростью )с0 = 4(±/(тг02) и критерием Рейнольдса Яе = рчг0Б/\1, где Q - расход очищаемого газа, О - диаметр циклона, р- плотность воздуха, р. - динамическая вязкость воздуха, на среднюю эффективность пылеулавливания т] и гидравлическое сопротивление АР циклона. Закручивание потока осуществлялось осевым направляющим аппаратом с плоскими лопатками. Испытаны завихрители с углом установки лопаток у = 18° и 15° (закрутка потока 72° и 75°) и числом лопаток 11 и 9 соответственно. Относительный диаметр выхлопного патрубка составил с/20 =(120/ й = 0,690.

Измерения проводили по общепринятым стандартам. Для запыления потока ис-

Пыль

*

1 - трубка Пито;

2 - устройство для подачи пыли;

3 - ПЦПО;

4 - (J-образный манометр;

5 - основной бункер пыли;

6 - заслонка;

7 - вентилятор;

8 - тканевый фильтр

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

пользовали цемент и оксид алюминия (у-А1203). Гранулометрический состав порошков определялся методом жидкостной седиментации. Масс-медианные диаметры частиц цемента и оксида алюминия с1„ составили 14 и 18 мкм, среднее квадратическое отклонение функции распределения частиц по размерам ^ оч 0,285 и 0,859 соответственно. Истинная плотность рг цемента и у-А1203, измеренная с помощью пикнометра, составила 3017,8 и 3100 кг/м3 соответственно. Оценка эффективности пылеулавливания проводилась двояко: по поданной и улавливаемой отборами циклона пыли (минорантная оценка Л»»); по поданной и выносимой из циклона пыли (мажорантная оценка г|тх); средняя эффективность пылеулавливания л рассчитывалась по формуле т\~ (Лтт + Среднее расхождение между г|т;п и г|т„ не превышало 6 %.

В таблице 1 приведены средние характеристики испытанного циклона ПЦПО. Коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывали по общепринятой формуле ^ = 2АР/(рк20) (1).

Как видно из табл. 1, с увеличением запыленности потока до 60 г/ж3 эффективность пылеулавливания цемента возрастает, что объясняется эффектом коагуляции частиц.

Параметры фракционной эффективности испытанного циклона вычислялись по методу В.Т. Самсонова. При этом диаметр частиц, улавливаемых в ПЦПО с эффективностью 50 %, составил с/50 = 7,407 мкм, среднеквадратическое отклонение фракционной эффективности ап =0,427. Таблица 1

Технические характеристики циклона ПЦПО

Пыль Входная запыленность z, г/м2 w0, м/с Ъ° АР, Па Л.% Re С Плотность воздуха р, кг/м

цемент 22,60 5,23 18 517,99 76,71 24207,7 32,89 1,150

цемент 25,63 6,03 18 671,30 72,27 27948,5 31,96 1,154

цемент 33,16 4,24 1S 364,82 77,90 19884,4 34,74 1,168

цемент 45,26 4,75 18 436,44 87,24 22201,2 33,25 1,165

цемент 59,57 5,64 18 619,68 89,00 26179,3 32,12 1,157

Т-А120З 20,71 5,93 15 691,59 81,73 28647,0 32,93 1,195

У-А120з 24,65 5,61 15 619,76 82,20 26304,5 33,77 1,154

у-АЬОз 30,89 5,19 15 518,12 74,00 24390,9 32,89 1,169

Для автоматизации обработки экспериментальных данных была разработана подсистема «Эксперимент», позволяющая существенно упростить и ускорить обработку и анализ информации. Программный модуль «Эксперимент» предназначен для получения расчетных значений опытных данных по известным зависимостям. В качестве исходных значений используются введенные пользователем экспериментальные данные и предопределенные константы. Выходная информация представляется в виде текстовых файлов и файлов в формате MS Excel, со статистически обработанными результатами. Предусмотрено несколько способов расчета: для одного опыта, для серии опытов с вводом данных вручную или с использованием входного текстового файла.

На рис. 2 изображены некоторые графики, формирующиеся при генерации отчета MS Excel: зависимость полных потерь давления АР от квадрата среднерасходной скоро-

сги 1У0 (рис. 2 а), аппроксимированная уравнением: АР = 51,96 +17,27н'0 ; (2)

зависимость коэффициента сопротивления С, от критерия Рейнольдса (рис. 2 б). В переходной области от режима Стокса до режима Ньютона коэффициент гидравлического сопротивления циклона достаточно точно описывается квадратичной зависимостью С = 57,96 - 0,0018Яе + 3,04МО"8 Ле2. (3)

В табл. 2 указаны статистические значимости регрессионных зависимостей (2), (3).

ДР,-|-;-;-5---

Па : , - , *

630

600 550 500 450 400 350

; ' о/ 3 А

-1-

/

25

35 «V, ы-.'с3

а)

Рис. 2. Зависимости: а) гидравлического сопротивления от квадрата среднерасходной скорости; б) коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса

Таблица 2

Номер формулы Коэффициент детерминации И2, % Скорректированный Критерий Дар-бина-Уотсона ОМ Среднеквад- ратич. ошибка а Сред. абс. ошибка Д

(2) 99,19 98,92 2,91 13,62 Па 8,42 Па

(3) 97,65 95,31 2,77 0,23 0,13

Критерий Фишера для зависимостей (2), (3) составил соответственно 37,76 (> Рт = 3,58), 6,68> (/•> = 3,69).

В главе 3 «Методы и алгоритмы прогнозирования эффективности пылеулавливания и гидравлического сопротивления циклонов и скрубберов» представлены алгоритмы и блок-схемы методов прогнозирования эффективности очистки в циклонах: по данным инструментальных замеров; типовая методика НИИОГАЗ, методы расчета фракционной эффективности очистки циклонов М.И. Шиляева, модели оценки эффективности очистки любых типов циклонов и только прямоточных, разработанные автором; в скрубберах: энергетический и фракционный методы.

Предложена универсальная регрессионная модель для определения эффективности пылеулавливания циклона любого типа (прямоточного, противоточного, вихревого) по известной эффективности пылеулавливания эталонного циклона г^, геометрически подобного данному, при масштабном переходе с режима (индекс а) на заданный режим работы с параметрами Ц 5, г, р и с использованием коэффициентов уноса, учитывающих К0 - диаметр циклона (4), К& - медианный диаметр частиц пыли (5), Кг - запыленность

входного потока (6), Кр - плотность пыли (7), при этом неизвестная эффективность очистки цр вычисляется по формуле (8).

К„ = 6,945 • £>0,865 ; = 148,0>*У =5,12; £Н>,1.. .0,6 М); (4)

К8 = ехр(0,424-0,052-5„); ^ = 134,3^=4,35; 6т=9,5...50 [мкм]); (5)

Кг =0,938 + 67,91 -(г-0,12)2; = 67,07>^У=3,40; 2=0,035...0,22 [кг/и3]); (6) =1,454-0,00034 р; ^ = 27,62>^Г =10,1; р6=1380...3032 [кг/л<3]). (7) где Т7, /-у - наблюдаемый и табличный для уровня значимости 0,05 критерии Фишера-Снедекора.

л, (8)

Сопоставление экспериментальной эффективности очистки Г), циклонов с расчетной г];, по формуле (8) приведено на рис. 3. Для сравнения на рис. 4 приведено сопоставление г]э с расчетной эффективностью г\р, полученной в АПТРЦ по методике НИИОГАЗ для противоточных и прямоточных циклонов (объем выборки - 20 циклонов; коэффициент корреляции 0,386, критерий Фишера-Снедекора 3,14 (< РГ = 4,41), критерий Дарби-на-Уотсона 1,81). Анализ показывает, что расчет по предлагаемой регрессионной модели является более точным по сравнению с методикой НИИОГАЗ в указанных пределах применимости.

Пр, %

95

85

80

ф - прямоточные 0 - противоточные ц -еихревыо о

/> °

'А

/

75 30 85 90 95 Т},,% 75 80 85 90 95

Рис. 3. Корреляция расчетной г}р по форму- Рис. 4. Корреляция т)р, рассчитанной по методам (4)...(8) и экспериментальной % дике НИИОГАЗ, и экспериментальной цэ

Блок-схема алгоритма расчета эффективности очистки циклонов любого типа по универсальной регрессионной модели представлена на рис. 5.

Однако предложенная модель не учитывает влияние среднерасходной скорости потока м>о, что можно сделать при рассмотрении аппаратов одного класса Кроме того, в этом случае погрешности в определении коэффициентов уноса будут существенно уменьшены.

Для прямоточных циклонов получены регрессионные зависимости (9)...(12) для расчета коэффициентов уноса К0, Кь, Кг, К„. Статистические коэффициенты значимости полученных регрессий приведены в табл. 3.

^(1-П0)/(1-ПСо) = 0,6726 + 2,758-0;£) = 0,046..Д600, м; (9)

^=(1-Л&)/(1-Л&0) = -0>0802 + 11,29/5т,-5и=11..80, мкм; (10)

Кг = (1 -пгу(1 - ) = 0,202 + 0,1933• 2"°'566; г = 0,005...0,300, кгIмг; (11)

=(1-Пж)/0-Л„о) = 1.7432-0,1071--и/о;н'о =3...17, л/с. (12)

С увеличением щ относительный проскок пыли уменьшается, что объясняется увеличением центробежной силы.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма расчета эффективности очистки циклонов любого типа Зависимости (9)...(12) позволяют найти эффективность проектируемого циклона цр для заданных условий работы, характеризующихся величинами Ц 5, г, по известной эффективности пылеулавливания г\а геометрически подобного циклона при параметрах

А» б., га м>а по формуле: „ = 1--КпКьК*К» (1 _ , (13).

По предлагаемой модели в АПТРЦ была рассчитана г\р 35 прямоточных циклонов. Ее сопоставление с экспериментальными значениями т]д представлено на рис. 6. В табл. 3 приведена статистическая значимость гипотезы: г\„ =ЦР- (14)

На рис. 7 приведено сопоставление г\а с расчетной эффективностью х\рИ, полученной по методике НИИОГАЗ (объем выборки 19 прямоточных циклонов). В табл. 3 при-

11

ведена статистическая значимость гипотезы: г\а = г\рН . (15)

Сравнительный анализ рис. 6 и 7 показывает, что расчет по данной регрессионной модели является более точным по сравнению с методикой НИИОГАЗ в указанных пределах применимости. Погрешности гипотез (14) и (15) определялись величиной средней

относительной ошибки готн = —

п

венно 1,6 % и 6,54 %.

Пр

•100, которая составила соответст-

а о

/

/

/

0.9 0.8 0.7 0,6 0.5 0,4

0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 Рис. 6. Корреляция эффективности г]р, рассчитанной по формулам (9)... (13), и экспериментальной т]а

Пгн 0.9

0.8

0,7

0,£

0.5

0,4

И

0.4 0.5

0,6 0,7 0,8 0.9 Рис. 7. Корреляция эффективности г/Рц, рассчитанной по методике НИИОГАЗ, и экспериментальной т]а

Таблица 3

Статистическая значимость регрессионных моделей

Номер формулы п Я',% Коэф-т корреляции /Ж а Д

(9) 8 86,93 0,9324 1,93 0,128 0,085

(10) 10 94,36 0,9714 1,71 0,070 0,234

(11) 16 83,99 0,9165 1,71 0,099 0,192

(12) 35 86,59 0,9305 1,56 0,144 0,116

(14) 35 95,21 0,9758 2,25 0,020 0,001

(15) 19 61,54 0,7845 1,58 0,098 0,027

Значительное повышение точности предлагаемой модели по сравнению с методикой НИИОГАЗ обусловлено рассмотрением аппаратов одного класса; учетом наиболее значимых параметров, влияющих на эффективность очистки.

Осаждение взвешенных частиц в скрубберах происходит на каплях и пленках жидкости. Эффективность очистки скрубберов существенно зависит от размеров и физико-химических свойств пыли, гидравлического сопротивления аппарата.

Затраты энергии на осуществление мокрой очистки газов от пыли - величина энергии соприкосновения Кч (в кДж/1000 мъ газов) определяется из уравнения

где Ароп — гидравлическое сопротивление аппарата, характеризующее степень турбули-зации газожидкостного потока в скруббере; рж - напор распыляемой жидкости, Па; ()ж,

Qr - объемные расходы соответственно жидкости и газа, которые определяют качество диспергирования жидкости.

Зависимость между степенью очистки газов т\< и затратами энергии для мокрых

пылеуловителей аппроксимируется уравнением t|j. = 1 - ехр(- Ц/^'), (17)

где инерционный параметр vjy и % ~ константы, зависящие только от свойств пыли и газа, определяемые экспериментальным путем.

Так как величина % неточно характеризует качество очистки в интервале высоких степеней очистки, превышающих 98 %, то используется параметр N4 - число единиц переноса, вычисляемый по формуле: N4 = уК*. (18)

Соотношение числа единиц переноса с величиной эффективности пылеулавливания определяется по таблицам базы данных.

Для расчета скрубберов Вентури используется фракционный метод М.И. Шиляева Согласно этому методу фракционная эффективность пылеулавливания ri5 определяется

по уравнению r|a = 1 - Ks = 1 - exp(-KqJStk ), (19)

где Кц — фракционный коэффициент проскока; q - коэффициент орошения в л/м1; К — коэффициент, зависящий от эффективной длины горловины трубы Вентури, являющейся суммой длины горловины и начального участка диффузора Угол раскрытия диффузора трубы Вентури по умолчанию равен 6°.

Представлен метод расчета гидравлического сопротивления ПЦПО, в котором гидравлическое сопротивление кольцевых диффузорно-конфузорных участков сепарацион-ной камеры определялось на основе интегрального соотношения Кармана. При расчете использованы численные методы Симпсона и простой итерации.

В главе 4 «АСНИ "Пылеочистка"» приведено обоснование разработки, представлена структура разработанной АСНИ (рис. 8).

Рис. 8. Структура АСНИ 13

АСНИ выполнена в двух Модификациях - клиент/серверной (на базе MS SQL Server) и локальной (MS Access) архитектуре. АСНИ ориентирована на решение следующих основных задач:

1. Определение характеристик пыли (масс-медианного диаметра частиц и логарифмов среднеквадратического отклонения диаметров частиц, плотности пыли) и запись полученных значений в базу данных;

2. Расчет показателей работы ПЦПО и статистическая обработка результатов исследования процесса сепарации в прямоточном циклоне;

3. Хранение технологических характеристик циклонов и скрубберов, а также физико-химических свойств жидкостей, газов и пылей;

4. Расчет гидравлического сопротивления и эффективности пылеулавливания циклонов и скрубберов по различным методикам, выбранным пользователем;

5. Автоматизированный подбор пылеуловителя на заданные режимы эксплуатации по критерию максимальной эффективности пылеулавливания;

6. Определение оптимальных режимов эксплуатации пылеуловителей;

7. Формирование отчетности в программном модуле MS Excel.

Описана автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления циклонов (АПТРЦ), разработанная автором и предназначенная для выбора пылеуловителя, обладающего наибольшей эффективностью очистки при заданных режимах работы. Подсистема представляет собой совокупность базы данных (БД) «Циклоны» и клиентского приложения, предоставляющего пользователю возможность удобного и быстрого доступа к данным из базы, ввода и редактирования информации, поиска по заданным критериям, а также произведение расчетов.

В БД хранятся основные конструктивные и технологические параметры циклонов и скрубберов. Также БД содержит информацию о физико-химических свойствах газов, жидкостей и пылей, сведения о литературных источниках. В клиентском приложении реализован интерфейс для взаимодействия пользователя с базой данных. Выбор метода расчета конкретного циклона предоставляется пользователю.

В АПТРЦ реализованы встроенные средства для принятия оптимального решения о виде проектируемого циклона для заданных режимов работы. В системе предусмотрена защита от некорректного ввода данных.

Описана также разработанная автором автоматизированная подсистема расчета скрубберов (АПТРС), позволяющая производить оценку их эффективности очистки. Иллюстративный алгоритм расчета фракционной эффективности пылеулавливания скруббера Вентури представлен на рис. 9.

Как показали расчеты, выполненные с помощью АПТРС, повышение напора и расхода жидкости незначительно влияют на эффективность сепарации скрубберов (1.. .2 %). Но увеличение гидравлического сопротивления аппарата в 3 раза вызывает значительное повышение эффективности.

Таким образом, подсистема АПТРС позволяет определить оптимальные значения технологических параметров, например, расхода орошения, максимизирующего эффек-

тивность очистки скруббера Вентури.

АПТРЦ и АПТРС могут быть использованы в качестве подсистем САПР химико-технологического и природоохранного оборудования.

Достоинствами разработанного программного обеспечения является простота использования, удобный пользовательский интерфейс, легкость в освоении и возможность оценки качества очистки проектируемых циклонов и скрубберов при заданном режиме работы.

Основные результаты и выводы

1. На основе созданной автором автоматизированной системы научных исследований получены новые характеристики пылеуловителей, максимизирующие эффективность очистки в процессе сепарации. Автоматизированная система научных исследований позволяет определить оптимальные режимы функционирования циклонов и скрубберов, снизить трудоемкость обработки данных и сократить сроки исследования.

2. С помощью декомпозиционного подхода получены регрессионные модели оценки эффективности пылеулавливания циклонов любого типа (патент 1Ш № 2358810) с погрешностью до 4 % по сравнению с экспериментальными данными, для прямоточных циклонов с погрешностью до 1,6 %. Точность расчета по полученным моделям превосходит точность типовой методики НИИОГАЗ.

3. Впервые поставлена и решена задача нелинейной оптимизации конструктивного

15

размера, скорости потока, коэффициента гидравлического сопротивления и запыленности потока прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли.

4. Разработаны структура программного обеспечения (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990) для автоматизированной системы научных исследований, не имеющей аналогов, база данных, содержащая сведения о физико-химических свойствах газов, жидкостей и пыли, технические характеристики циклонов и скрубберов, методическое обеспечение по работе с автоматизированной системой научных исследований. Данную систему можно использовать для создания компьютеризированных лабораторных практикумов, проведения седиментационного анализа и исследования процесса сепарации, а также для аппроксимации полученных экспериментальных данных.

5. Для определения коэффициента гидравлического сопротивления крупных частиц размером более 40 мкм в программном модуле «Седиментация» использована формула Сиска, что позволило определить гранулометрический состав пыли с точностью »2 %.

6. Автоматизированные подсистемы технологического расчета и прогнозирования показателей работы циклонов и скрубберов при промышленной эксплуатации позволяют оптимизировать выбор пылеуловителя для заданных режимов эксплуатации и прогнозировать показатели его работы. Их можно использовать в качестве подсистем САПР. Внедрение автоматизированной системы в учебный процесс ряда вузов Сибирского региона позволяет сформировать у студентов практические навыки в выборе и технологическом расчете циклонов и скрубберов при изучении дисциплин «Процессы и аппараты химической технологии», «Инженерные методы защиты атмосферы», «Промышленная экология» и др.

7. В результате экспериментальных исследований выявлена невысокая эффективность сепарации (76...89 %) цемента и оксида алюминия в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли при малых расходах и больших закрутках потока, что является следствием большого диаметра выхлопного патрубка и несовершенством осевого направляющего аппарата. Для решения этой проблемы целесообразно уменьшить диаметр выхлопного патрубка (до 0,6 от диаметра циклона) и установить лопатки закручивающего устройства под углом 28-30 ° к радиальной плоскости (закрутка потока не будет превышать 72 °).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. ЖабеП, A.A. Автоматизация расчетов пылеуловителей [Текст] / A.A. Жабей, B.C. Асламова // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 313. - № 5. Управление, вычислительная техника и информатика - С. 158-161.

2. Асламова, B.C. Автоматизированная система технологического расчета циклонов [Текст] / B.C. Асламова, A.A. Жабей // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2009. - № 1. - С. 59-63.

Свидетельство регистрации в отраслевом фонде алгоритмов и программ и патент

3. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990. Автоматизированная система расчета эффективности циклонных пылеуловителей / АЛ. Жабей, B.C. Асламова, A.A. Асламов. - 2007.

4. Патент на изобретение RU № 2358810 С2 В04С 3/00, В04С 5/00 Способ определения эффективности пылеулавливания циклонов / B.C. Асламова, A.A. Асламов, A.A. Жабей. - Опубликовано 20.06.09, бюл. № 17.

Публикации в рецензируемых журналах

5. Асламова, B.C. Универсальный метод расчета эффективности пылеулавливания циклонов [Текст] / B.C. Асламова, A.A. Асламов, Т.Н. Мусева, A.A. Жабей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 1. - С. 34-37.

6. Асламова, B.C. Статистическое моделирование эффективности пылеулавливания прямоточных пылеуловителей при масштабном переходе [Текст]/ B.C. Асламова, A.A. Асламов, H.A. Братин, Т.Н. Мусева, A.A. Жабей, А.Н. Гредюшко // Химическая промышленность сегодня. - 2008. - № 2. - С. 42-48.

7. Асламова, B.C. Эмпирический метод расчета эффективности очистки прямоточных циклонов при масштабном переходе [Текст]/ В. С. Асламова, А. А. Асламов, A.A. Жабей, М.И. Аршинский // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология». - 2008. - Т. 51. - № 12. - С. 80-83.

8. Асламова, B.C. Исследование прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли [Текст]/ B.C. Асламова, М.И. Аршинский, А.Н. Братин, A.A. Жабей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. - № 6. - С. 37-38.

Статьи в сборниках трудов, другие публикации

9. Асламова B.C. Автоматизированная система расчета эффективности циклонных пылеуловителей [Текст]/ A.A. Жабей, B.C. Асламова, Асламов A.A. // Инновации в науке и образовании. - 2007. - № 6 (31). - С. 27.

10. Асламова, B.C. Эмпирический метод расчета эффективности очистки прямоточных циклонов [Текст] / B.C. Асламова, A.A. Жабей, Т.Н. Мусева // Вестник Ангарской государственной академии. - 2007. - Т. 1. —№ 1.-С. 15-20.

11. Асламова, B.C. Автоматизированная система расчета эффективности циклонных пылеуловителей [Текст] / B.C. Асламова, A.A. Жабей, A.A. Асламов, Т.Н. Мусева // Сб. науч. тр. - Т. 1. Химия и химическая технология. Техническая кибернетика Строительство. Экология. - Ангарск: АГТА, 2007. - С. 22-27.

12. Асламова, B.C. Оптимизация выбора наилучшего циклона [Текст] / B.C. Асламова, A.A. Жабей // Сб. тр. 21-й Международной конференции «Математические методы в технике и технологии». - Т. 3. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2008. - С. 280-281.

13. Асламова, B.C. Аппроксимация результатов исследования прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли [Текст] / B.C. Асламова, М.И. Аршинский, H.A. Братин, A.A. Жабей // Сб. Тр. 21-й международной конференции «Математические методы в технике и технологии» (27-29 мая). - Т. 3. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2008. - С. 256-258.

14. Асламова, B.C. Использование инструментария СУБД для разработки практикума по курсу «Инженерные методы защиты атмосферы» [Текст]/ B.C. Асламова, A.A. Жабей // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. трудов XXII Международная научно-техническая конференция: Международный научно-методический симпозиум «Современные проблемы многоуровневого образования» / Под ред. B.C. Балакирева. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008. - С. 151-155.

15. Асламова, B.C. Автоматизация расчета эффективности работы скрубберов [Текст] / B.C. Асламова, A.A. Жабей, И.М. Кулакова// Сб. науч. тр. - Т. 1. Химия и химическая технология. Техническая кибернетика Строительство. Экология. - Ангарск: АГТА, 2009. - С. 20-24.

16. Асламова, B.C. Экспериментальное исследование прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли [Текст] / B.C. Асламова, М.И. Аршинский, H.A. Брагин, A.A. Жабей // Сб. науч. тр. - Т. 1. Химия и химическая технология. Техническая кибернети-

ка. Строительство. Экология. - Ангарск: АГТА, 2009. - С. 25-29.

17. Асламова, B.C. Оптимизация конструктивного и технологических параметро! прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли [Текст]/ B.C. Асламова, И.М Кулакова, A.A. Жабей, М.И. Аршинский // Сб. науч. тр. - Т. 1. Химия и химическая технология. Техническая кибернетика. Строительство. Экология. - Ангарск: АГТА, 2009. -С. 30-34.

18. Асламова, B.C. Руководство по использованию автоматизированной системь технологического расчета циклонов и скрубберов: Методические указания к практиче ским занятиям по курсам «Прикладная экология», «Промышленная экология» [Текст] B.C. Асламова, A.A. Жабей, Г.А. Забуга. - Ангарск: АГТА, 2009. - 42 с.

Доклады на научных конференциях

19. Асламова, B.C. Программный комплекс «ЦИКЛОН» [Текст] / B.C. Асламова, А.А Асламов, Т.Н. Мусева, A.A. Жабей // Материалы 7 Всероссийской конференции с меж< дународным участием «Актуальные вопросы защиты окружающей среды регионов Рос сии». - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. - С. 82-84.

20. Жабей, A.A. Автоматизация расчетов эффективности сепарации циклонов [Текст / A.A. Жабей // Материалы IX Всероссийской конференции студентов и аспиранте! «Химия и химическая технология в XXI веке». Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С. 209.

21. Асламова, B.C. Методика расчета гидравлического сопротивления прямоточной циклона с промежуточным отбором пыли [Текст] / B.C. Асламова, A.A. Жабей // Сб. тез Всероссийской конференции по математике и механике. - Томск: ТГУ. - 2008,- С. 157.

22. Жабей, A.A. Автоматизированная обработка результатов исследований процесс; сепарации в пылеуловителях [Текст]/ A.A. Жабей // Материалы Всероссийской научно практической конференции молодых ученых "Инновации и актуальные проблемы тех ники и технологий 2009". - Саратов: СГТУ, 2009. - 3 с.

23. Жабей, A.A. Автоматизированное программное обеспечение расчета показателе] работы скрубберов [Текст]/ A.A. Жабей, B.C. Асламова, И.М. Кулакова // Математиче ские методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. трудов XXII междунар. науч. конф.: в 10 т. Т4. Секция 4/ Под общ. ред. B.C. Балакирева. - Псков: изд-во Псков.гос. политехи, института, 2009. - с. 23-25.

24. Жабей, A.A. Автоматизация расчета степени очистки газов в скрубберах [Текст] A.A. Жабей // Материалы X Юбилейной Всероссийской научно-практической конферен ции студентов и аспирантов "Химия и химическая технология в XXI веке". - Томск: Изд-во ТПУ, 2009.-С. 274-275.

25. Жабей, A.A. Комплекс программ для исследования и технологического расчет циклонов и скрубберов [Текст] / A.A. Жабей, B.C. Асламова // Материалы научно практической конф. «Безопасность регионов - основа устойчивого развития. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС. - 2009. - 5 с.

У

Подписано в печать 02.11.09. Формат 60x90 1/8. Печать трафаретная. Усл.печ. л. 1,06. Уч.печ. л. 1,06. Тираж 100 экз. Заказ 1205.

Ангарская государственная техническая академия 665835, Ангарск , ул. Чайковского, 60

ВВЕДЕНИЕ.

ИНДЕКСЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИРОДООХРАННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЦИКЛОНОВ И СКРУББЕРОВ.

1.1. Классификация циклонов.

1.2. Классификация скрубберов, их достоинства и недостатки.

1.3. Методы расчета эффективности пылеулавливания циклонов.

1.3.1. Сопоставление расчета эффективности по методам М.И. Шиляева с экспериментом.

1.3.2. Сравнение с вероятностно-энергетическим методом.

1.4. Сопоставление расчетных формул для определения гидравлических потерь в циклоне.

1.5. Обзор СУБД и сред разработки программного обеспечения.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ.

2.1. Определение оптимального расположения промежуточного отбора пыли.

2.2. Описание лабораторных стендов.

2.3. Исследование процесса сепарации в ПЦПО.

2.4. Описание исследования процесса седиментации.

2.5. Описание программного модуля «Седиментация».

2.6. Описание программного модуля «Эксперимент».

2.7. Определение плотности пыли и программный модуль «Плотность».

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ЦИКЛОНОВ И СКРУББЕРОВ.

3.1. Универсальная регрессионная модель расчета эффективности циклонов.

3.1.1. Методика расчета циклонов по универсальной регрессионной модели.

3.2. Регрессионная модель расчета эффективности очистки прямоточных циклонов при масштабном переходе.

3.3. Метод расчета гидравлических потерь в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли.

3.3.1. Потери на входе в циклон ПЦПО.

3.3.2. Расчет потерь в сепарационной камере циклона.

3.3.3. Расчет потерь в выхлопном патрубке.

3.4. Эмпирический метод расчета по данным инструментальных замеров.

3.5. Типовая методика НИИОГАЗ.

3.6. Алгоритм расчета полной и фракционной эффективности методами М.И. Шиляева.

3.7. Энергетический метод расчета скрубберов в АПТРС.

3.8. Фракционный метод расчета скрубберов Вентури в АПТРС.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. АСНИ «ПЫЛЕОЧИСТКА».

4.1. Основания и требования для разработки АСНИ.

4.2. Структура и функции АСНИ.

4.3. Инсталляция и структура файлов АСНИ.

4.4. Управление данными в АСНИ «Пылеочистка».

4.5. Автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления циклонов

4.6. Автоматизированная подсистема технологического расчета эффективности очистки и гидравлического сопротивления скрубберов.

4.7. Автоматизированная подсистема научных исследований процесса сепарации в ПЦПО.

4.7.1. Программный модуль «Эксперимент».

4.7.2. Программный модуль «Седиментация».

4.7.3. Программный модуль «Плотность».

4.8. Требования к составу и параметрам технических средств.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ГЛАВЕ 4.

На сегодняшний день первостепенна проблема защиты атмосферы от техногенных выбросов промышленных предприятий. Эффективность применяемых систем пылеочистки не всегда соответствует нормам ПДК. Для решения данной проблемы постоянно совершенствуются и разрабатываются новые газоочистные и пылеулавливающие устройства (циклоны, скрубберы, фильтры и др.). Разрабатываемое оборудование должно обеспечивать максимальную степень очистки при минимальных материальных и энергетических затратах. При этом важно выбрать наиболее подходящий для данных технологических условий тип оборудования, и точно рассчитать ожидаемые показатели его работы до изготовления опытных образцов. Однако в настоящее время недостаточно разработаны методики и модели прогнозирования показателей работы циклонов, а также отсутствует соответствующее программное обеспечение (ПО).

Для очистки газа от пыли в химической и нефтегазовой промышленности, при производстве строительных материалов в основном используются низкоэффективные противоточные циклоны. Высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), основными преимуществами которых являются: возможность стабильного и эффективного разделения в широком диапазоне варьирования расхода газа и концентрации пыли при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении. Однако мало исследованы их эксплуатационные характеристики при низких нагрузках по газу и пыли и большой закрутке потока.

При разработке высокопроизводительного пылеулавливающего оборудования чрезвычайно важны научные исследования, позволяющие на основе новейших научных данных сконструировать новые, более рациональные и эффективные аппараты. При этом в процессе проведения экспериментов необходимо обрабатывать множество статистических данных, ручная обработка которых занимает длительное время.

Существуют пакеты прикладных программ (TASCflow3D [98], ANSYS CFX [76; 110], FlowVision [15], CANAL [48]), базирующиеся на методе конечных элементов и различных теоретических моделях турбулентности и предназначенные для расчета структуры гетерогенного потока. Однако их использование существенно ограничено производительностью компьютерной системы, высокой трудоемкостью вычислительного эксперимента, требующего построений не только точной трехмерной модели движения потока, но и неравномерной сетки с измельчением в зонах с большим градиентом скоростей, сложностью интерфейса и высокой стоимостью. Эксплуатация таких программ требует профессиональной подготовки пользователя, незначительное изменение конструкции аппарата требует проведения нового численного эксперимента. Существующее ПО фирм «Интеграл» и «ЛОГУС» не ориентировано на расчет показателей работы пылеуловителей. Поэтому разработка автоматизированной системы исследования процесса сепарации и прогнозирования показателей работы циклонов и скрубберов на основе математических моделей является актуальной и практически значимой с точки зрения интенсификации и компьютеризации технологического процесса. До настоящего времени в России такой системы не существовало. Были лишь попытки разработки автоматизированного расчета показателей работы про-тивоточных циклонов [33].

Большой вклад в исследования и моделирование процесса сепарации в пылеуловителях, разработку математических моделей и методов оценки их эффективности очистки и гидравлического сопротивления внесли отечественные ученые: И.Е. Идельчик, У.Г. Пирумов, В.А. Успенский, М.И. Шиля-ев, Б.С. Сажин, Э.Н. Сабуров, В.П. Приходько, А.Ю. Вальдберг, Е.В. Сугак, O.A. Трошкин, В.А. Лазарев, B.C. Асламова, М.Е. Смирнов и др., а также зарубежные исследователи: В. Страус, Ф. Ментер, С.Б. Шеферд, С.Е. Лейпл, Ж. Касал, Ж.М. Мартинес-Бенет, В. Барт.

Цель работы - разработать автоматизированную систему научных исследований процесса сепарации в циклонах и скрубберах для решения задач: 5 оптимального выбора пылеуловителя и режима его эксплуатации по заданным техническим условиям; оценки показателей работы функционирующих аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать новые регрессионные модели для прогнозирования эффективности очистки циклонов любого типа и прямоточных циклонов на основе декомпозиционного подхода к систематизации экспериментальных данных.

2. Определить оптимальные место расположения промежуточного отбора и технологические параметры, обеспечивающие максимум эффективности пылеулавливания прямоточного циклона.

3. Спроектировать информационное, математическое и программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований для: обработки экспериментальных результатов седиментации и процесса сепарации; расчета показателей работы циклонов и скрубберов на основе существующих методов и разработанных регрессионных моделей эффективности очистки; выбора оптимального пылеуловителя на заданные условия его эксплуатации; определения оптимальных режимов функционирования пылеуловителей.

4. Провести экспериментальные исследования прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли при большой закрутке потока и невысоком расходе воздуха.

Методы исследований: аппроксимация функций, регрессионный анализ, численные методы, теория гидрогазодинамики, теории проектирования автоматизированных систем и баз данных. Использовано следующее программное обеспечение: интегрированная среда разработки CodeGear RAD Studio 2007, MS SQL Server, MS Excel 2007 и другие программные инструменты.

Научная новизна заключается в новом способе решения комплекса задач при автоматизации технологического процесса сепарации и функционирования циклонов и скрубберов:

1. Новые регрессионные модели, полученные при декомпозиционном подходе к обработке экспериментальных данных, используемые для прогнозирования эффективности пылеулавливания циклонов противоточного, прямоточного типов и со встречными закрученными потоками (патент 1Ш № 2358810) и прямоточных циклонов с учетом режима движения потока, зависящие от коэффициентов относительного уноса, учитывающих влияние плотности, концентрации и масс-медианного размера частиц пыли и диаметра аппарата.

2. Новая постановка и результаты решения задачи нелинейной оптимизации конструктивного и режимных параметров прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли.

3. Информационное, математическое, программное и методическое обеспечение новой автоматизированной системы научных исследований свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990, номер госу дарственной регистрации в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов»: 50200701900 от 6.09.2007).

Достоверность результатов исследования подтверждается достаточным совпадением расчетных данных по предлагаемым математическим моделям с экспериментальными данными различных авторов (2.4 %), практическими внедрениями разработанной АСНИ.

Практическая значимость заключается в разработке научно обоснованных математических моделей прогнозирования эффективности пылеулавливания циклонов любого типа и прямоточных циклонов. Создана база данных технологических характеристик циклонов, скрубберов и физико-химических свойств газов, жидкостей и пылей. На базе известных и авторских методов оценок эффективности и гидравлического сопротивления циклонов созданы автоматизированные подсистемы расчета и прогнозирования сепарационных характеристик циклонов (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990) и скрубберов при промышленной эксплуатации, позволяющие оптимизировать выбор пылеуловителя для заданных режимов работы. Разработано программное обеспечение подсистемы автоматизации 7 научных исследований седиментации и процесса сепарации, реализующее функции: расчет гранулометрического состава пыли; автоматическая обработка результатов экспериментального исследования процесса сепарации в ПЦПО и построение регрессионных зависимостей (линейных, квадратичных, экспоненциальных, логарифмических) коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса и эффективности пылеулавливания циклона от среднерасходной скорости. Для уточнения размеров крупных частиц коэффициент гидравлического сопротивления частицы рассчитывался по формуле Сиска.

Реализация результатов исследования

Разработанная автоматизированная подсистема обработки результатов исследования процесса сепарации в циклонах используется в учебном процессе Ангарской государственной технической академии в лабораторном практикуме при изучении дисциплин «Гидравлика», «Процессы и аппараты», «Автоматизация технологических процессов».

Автоматизированные подсистемы технологического расчета, прогнозирования и оптимального выбора циклонов и скрубберов внедрены в учебный процесс Ангарской государственной технической академии, Томского политехнического университета, Иркутского государственного университета путей сообщения и Восточно-Сибирского технологического университета (г. Улан-Удэ) на кафедрах «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Общая химическая технология», «Безопасность жизнедеятельности и экология» и «Промышленная экология и защита в чрезвычайных ситуациях».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (2007-2009), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Саратов, 2008, Псков, 2009), Всероссийских ежегодных научных конференциях с международным участием «Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность 8 территорий регионов России» (Улан-Удэ, 2006-2008), научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (Иркутск, 2007, 2009), Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2007), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Современные проблемы экологии и безопасности» (Тула, 2007), Всероссийской конференции по математике и механике (Томск, 2008), Международном научно-методическом симпозиуме «Современные проблемы многоуровневого образования» (Див-номорское, 2008), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2009» (Саратов, 2009), Международной научно-технической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009), IX Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008), X Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 2 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в рецензируемых изданиях, 8 статей в сборниках научных трудов, методические указания для студентов, 17 тезисов докладов, патент РФ и свидетельство об отраслевой регистрации разработки в фонде алгоритмов и программ. Без соавторов опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, выводы, список использованной литературы из 124 наименований, условные обозначения и приложения. Объем работы составляет 192 страницы, в том числе 65 рисунков, 18 таблиц.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ГЛАВЕ 2

1. Сопоставление оптимальных управлений, полученных в результате решения задачи нелинейной оптимизации, с экспериментальными данными ПЦПО выявило хорошее совпадение показателей работы циклона. Относительные погрешности расчета перепада давления составили 4,19 %, эффективности сепарации — 3,30 %, запыленности потока — 12,28 %, оптимального расположения окон промежуточного отбора относительно выходных кромок ОНА-26%.

2. Использование в программном модуле «Седиментация» при расчете размеров крупных частиц формулы Сиска для определения коэффициента гидравлического сопротивления частицы позволило определить гранулометрический состав пыли с точностью 2 %.

3. Знание функции распределения частиц по размерам позволяет обоснованно выбрать в АПТРЦ метод для оценки эффективности пылеулавливания циклонов.

4. Экспериментальные исследования процесса сепарации в ПЦПО на цементе и оксиде алюминия при малых расходах и больших закрутках потока показало, что эффективность сепарации невысока (76.89 %), что является следствием большого диаметра выхлопного патрубка и несовершенством ОНА. Нецелесообразно увеличивать закрутку потока более 72

5. Полученные вероятностно-энергетическим методом Вальдберга-Кирсановой прогнозные значения эффективности пылеулавливания ПЦПО хорошо коррелируют с экспериментом. Относительная погрешность определения эффективности сепарации составляет 1,80.2,33 %.

6. Аппроксимация, выполненная в программном модуле «Эксперимент» показала, что гидравлическое сопротивление ПЦПО линейно зависит от квадрата среднерасходной скорости потока, а коэффициент гидравлического сопротивления ПЦПО адекватно описывается параболической зависимостью от критерия Рейнольдса, вычисленного по диаметру циклона.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦИКЛОНОВ И СКРУББЕРОВ

3.1. Универсальная регрессионная модель расчета эффективности циклонов

Типовая методика расчета эффективности сепарации циклонов НИИОГАЗ [68; 101] ориентирована на унифицированные противоточные циклоны и прямоточный циклон ЦКТИ. Учет влияния диаметра циклона, скорости несущего потока в плане циклона и плотности пыли производится опосредовано, при пересчете ds(j. Для учета влияния запыленности газа z, превышающей 20 г/м , на эффективность сепарации в работе [111] предложена эмпирическая зависимость для неслипаемых пылей. Основой расчета эффективности по типовой методике НИИОГАЗ являются параметры фракционной эффективности циклона (d50 и lg Gn — стандартное логарифмическое отклонение фракционной эффективности) и характеристики дисперсного состава пыли (5ОТ - масс-медианный диаметр частиц, lg а — стандартное логарифмическое отклонение функции распределения частиц по размерам). Определение d50 для конкретного пылеулавливающего устройства сопряжено с необходимостью проведения специальных опытов на пыли различного фракционного состава или использования расчетных зависимостей, часто не адекватно описывающих экспериментальные данные. Следует заметить, что методика НИИОГАЗ не апробирована на прогнозе эффективности циклонов со встречными закрученными потоками.

В работах [1; 27] рассмотрен эмпирический метод пересчета относительного проскока пыли при одинаковых в среднем скоростях потоков с базового циклона (индекс 0) на геометрически подобный расчетный (р) циклон по уравнению: s = ^-IkL . (3.1)

V-"По) i Kl0

В основу этого метода положено допущение о независимом влиянии параметров Д 8„„ 2 на величину относительного проскока пыли е.

Однако предложенная методика не учитывает влияние насыпной плотности пыли р5. Обобщая экспериментальные данные (см. табл. 3.1) по различным циклонным пылеуловителям, предлагается способ определения эффективности пылеулавливания циклона любого типа (прямоточного, проти-воточного, вихревого) по известной эффективности пылеулавливания эталонного циклона, геометрически подобного данному, при масштабном переходе на заданные режимы работы и с использованием коэффициентов уноса с учетом параметра рз [26], защищенный патентом РФ [18].

Экспериментальные данные различных исследователей (см. табл. 3.1) для циклонных пылеуловителей любого типа (прямоточного, противоточно-го, со встречными закрученными потоками), учитывающие влияние каждого фактора в отдельности, практически ложатся на одну кривую, если их представлять в виде относительных зависимостей, названных коэффициентами уноса Кв, К5т, К2, Кр (рис. 3.1. 3.4). Это позволяет считать найденный характер влияния факторов Д 8№ г, р5 на относительный унос пыли е универсальным, т.е. применимым для расчета циклонных пылеуловителей различных типов. Учет влияния режима работы аппарата на его эффективность введением соответствующего коэффициента невозможен из-за различного уровня оптимальных скоростей для циклонов разных типов.

1. Тип циклона Название циклона Литературный источник

2. Противоточный ЦН-15 30; 29; 79; 9711. ЦН-24 Г6211. СК-ЦН-34 Г6211. ЦН-11 Г771

3. Вихревой со встречными закрученными потоками ВПУ 78.взп мти 96; 97.взпмихм Г54; 12311. Прямоточный ВПУ Г5811. ПЦ иги Г77; 8511. Продолжение табл. 3.1

4. Тип циклона Название циклона Литературный источниквпп 77.нвгк 13; 79; 80; 81.пцпо 17; 13.

5. ПЦ с эжектируемым газом 21; 14; 19.

6. Выполнена статистическая обработка данных и получены регрессионные формулы для расчета коэффициентов Кв, К8т, К2, Кр.

7. Коэффициент Ко (рис. 3.1) учитывает влияние диаметра аппарата на эффективность циклона:

8. О 0.1 0.2 0.3 0.4 О, м Рис. 3.1. Зависимость коэффициента уноса Ко от диаметра сепарационной камеры И Из рис. 3.1 видно, что с увеличением диаметра любого циклона относительный проскок существенно возрастает.

9. Как и следовало ожидать, при увеличении масс-медианного диаметра пыли относительный проскок пыли уменьшается.

10. Коэффициент К: (рис. 3.3) учитывает запыленность входного потока: