автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процессов обработки дисперсных материалов за счет использования аппаратов с активными гидродинамическими режимами

РГБ ОД

2 7 Я НО 1337

На правах рукописи

САНСЫЗБАЕВ КАЗЫБЕК КОШЕНОВИЧ

УДК 621.928.95 : 66.047.1.15 : 536.755

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТОВ С АКТИВНЫМИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ.

Специальность 05.17.08 Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Московской государственной текстильной академии имени А.Н. Косыгина.

Научный руководитель: •

академик МЛНЭБ, РИА, МИА, заслуженный деятель науки и техники Р доктор технических наук, профессор Сажин Б.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники Р академик МАНЭБ, МИА, РИА. профессор Чехов О.С.;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шадрина Н.

Ведущая организация - Научно - техническая фирма

АО "Корона-Лак" (г. Москва).

« /^¿^Я^'Л'^Л 1997 г. в

Защита состоится 1Г 7 7 " ¿^чу 1997 в х ^ ча<

на заседании диссертационного совета К 053.25.06 в Московской го( дарственной текстильной академии имени А.Н.Косыгина по адресу: 1179: Москва, Малая Калужская улица, дом.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТА им. А.Н.Ко

гина.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ар

к.т.н., доцент <а//м?Ы^у КошелеваМ.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Целевые продукты значительной части промышленных предприятии Южного Казахстана являются результатом процессов механической и тепловой обработки дисперсных материалов в аппаратах с активными гидродинамическими режимами (АГР). К указанным аппаратам в первую очередь относятся аппараты со взвешенным слоем обрабатываемого материала и установки с закрученными потоками взаимодействующих фаз.

Первые используются для реализации процессов тепло - массообмена (большей частью для сушки дисперсных материалов), а вторые нашли широкое применение в качестве пылеуловителей в установках для очистки промышленных выбросов. В связи с этим исследования, направленные на повышение эффективности работы аппаратов АГР и совершенствование их конструкций являются актуальными для промышленности Южного Казахстана, так как их целью является оздоровление экологической обстановки в Республике и экономия энергоресурсов.

Реальная гидродинамическая обстановка в аппаратах АГР носит стохастический характер, обусловленный как пульсациями в развитом турбулентном режиме, гак и случайным характером траекторий движения частиц дисперсной фазы. Вследствие этого интегральные показатели работы таких аппаратов, основанные на традиционных детерминированных моделях не в полной мере отражают объективную картину течения процессов в аппаратах АГР. Вследствие этого возникает необходимость в разработке статистических моделей таких аппаратов и получении соответствующих вероятностных оценок их работы.

Аналогичная ситуация наблюдается и в области исследования тепло-массообменных процессов, протекающих в аппаратах о активной гидродинамикой. Модно отметить большое число исследований, посвященных этой теме, результатом которых являются методики расчета и варианты конструктивного оформления конкретных процессов. Вместе с тем заметна тенденция к одностороннему подходу в оценке эффективности процессов и построении их математических моделей на основе традиционных балансовых уравнений с использованием известных кинетических уравнений тепло-мас-сопереноса. Такой подход ограничивает применимость результатов исследований рамками изученного диапазона изменения конструктивных и технологических параметров процесса и, что, самое главное, не дает объективной оценки степени использования имеющегося энергетического потенциала. Тем самым затрудняется поиск путей и способов повышения эффективности работы используемой аппаратуры за счет увеличения доли полезно используемой энергии. Не менее важным является, в условиях все более возрастающего дефицита энергии, разработка методов расчета таких аппаратов, позволяющих выявить наличие дополнительных источников энергии, за счет более полного использования эксергетического потенциала материальных потоков в аппарате.

Перечисленные выше факторы и обусловили тематику данного исследования. При этом в качестве объекта исследования выбраны наиболее "не-

благополучные" для Южного Казахстана в экологическом и энергетическое аспекте процессы, а именно: процессы сепарации твердой фазы из газового потока и сушки дисперсных материалов.

Цель работы вакдючапась в интенсификации процессов обработки дисперсных материалов за счет использования аппаратов с активными гидродинамическими режимами (АГР). Для достижения указанной цеди был реше* ряд задач:

- Проведен анализ промышленных пылей как объектов улавливания с целью получения необходимых характеристик для рационального аппаратурного оформления процессов сепарации в аппаратах АГР;

- разработана математическая модель и алгоритм расчета гидродинамических параметров аппаратов с активной гидродинамикой, инвариантны} по отношению к конструктивным особенностям аппарата и свойствам обрабатываемого материала;

- разработан инженерный метод расчета эффективности работы аппаратов с аакрученными потоками взаимодействующих фао, учитывающий вероятностный характер процесса взаимодействия этих фаз в аппаратах с активной гидродинамикой;

- получены расчетные соотношения, необходимые для эксергетическо-го анализа процесса сушки;

- создана инженерная методика расчета оптимальных параметров процесса сушки дисперсных материалов в аппаратах АГР на основе энергетического анализа их работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Разработан унифицированный метод расчета гидродинамических параметров несущей фазы в аппаратах с активной гидродинамикой. В основ' указанного метода лежит статистическая модель, описывающая взаимодействие твердой и гавовой фаз в аппаратах центробежного типа.

- Разработан алгоритм расчета функции распределения частиц твердой фазы в аппаратах с активной гидродинамикой, позволяющий оценит] поверхность контакта взаимодействующих фаз в аппаратах с активным) гидродинамическими режимами в любой момент времени.

- Систематизированы и обобщены результаты исследований по применению эксергетического анализа применительно к процессам теплообмена Получены необходимые расчетные соотношения для оценки зксергетическоп потенциала материальных потоков, участвующих в процессах сушки капиллярно-пористых материалов в аппаратах АГР.

- Показана целесообразность постадийного анализа процесса сушки ; аппаратах АГР на основе зксергетического метода. Представлены схемы I алгоритмы такого анализа применительно к сушильным установкам непре рывного действия, предназначенным для сушки капиллярно-пористых тел В1 взвешенном состоянии.

- Разработана методика термоэкономической оптимизации типовых су

шильных установок с активной гидродинамикой. Целевой функцией в указанной методике является стоимость эксергии, затраченной на реализацию процесса сушки в установке.

- Представлен алгоритм расчета оптимальной температуры и влажности сушильного агента в конвективных сушилках со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

- Проведен комплексный анализ эффективности работы типовых сушилок со взвешенным слоем материала на основе разработанной зксергети-ческой методики их расчета, который позволил установить область их рационального применения.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

- На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методы выбора и расчета сушилок и пылеуловителей с АГР для конкретных технологических задач Южного Казахстана.

- Исследованные конструкции аппаратов АГР прошли промышленные испытания и внедрены в действующих производствах в качестве пылеуловителей на ШАО "Фосфор", на АО "Химпром" (г. Жамбыл), на АО "НОДФОС", на АО "ШСЗ".

- Проведена инвентаризация источников загрязнений предприятий фосфорной промышленности с последующей классификацией пьглегазовых выбросов по составу. Определены физико - химические свойства пылей.

- Результаты проведенных исследований в области сушки дисперсных материалов легли в основу проекта реконструкции действующей барабанной установки на АО "НОДФОС" (г. Камбыл), который принят к реализации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии (ШХ-10)" (г. Тула,1996), Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития науки и техники в области механики, геофизики, нефти, газа, энергетики и химии Казахстана" (г. Актау,1996), IX - Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-95" (г. Москва,1995), Всероссийской научной конференции "Энергоресурсосбережение и экология в текстильной промышленности" (г. Москва,1994), Всероссийском научно-техническом семинаре "Очистка от загрязнении вентиляционных и технологических выбросов в атмосферу" (г. Москва,1994), Международной научно-технической конференции "Процессы-93" (г. Ташкент,1993), Всероссийском научно-техническом семинаре "Способы и средства очистки воздуха от загрязнений" (г. Москва,1993), Международной конференции "Наука и Технология - 93" (г. Шымкент,1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, чет рех глав, общих выводов, списка использованной литературы (115 наим нований) и приложений. Общий объем диссертации 232 - страниц, в т числе 213 - страниц основного текста, 38 - рисунков, 11 - таблиц, 19 страниц приложений.

С0ДЕРИА1МЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель и следования, сформулирована научная новизна и практическая ценность р боты.

В первой главе анализируются результаты исследований по темаги работы, опубликованные в научной литературе. На этой основе фс-рмулир ются ■задачи исследования, их объем, выполнение которых необходимо д достижения поставленной цели.

Анализ приведенных литературных данных по экспериментальному из чению аэродинамических характеристик аппаратов ВЗП показывает, ч структура течения газового потока в них весьма сложная, косит стоха тический характер, что вызывает необходимость привлечения для ее он. сания методов статистической физики.

В этой же главе на основе обзора работ в области эксергетическо: метода термодинамического анализа обосновывается перспективность е: использования для изучения процессов сушки дисперсных материалов в а паратах АГР. В этом случае представляется возможность анализирова1 процесс сушки не по показателю, косвенно характеризующему полноту и< пользования энергетического потенциала источников энергии в установи а непосредственно по функционалу, определяющему степень использован] эксергии всех участвующих в процессе материальных потоков. В связи этим разработка инженерной методики такого расчета применительно к с; шилкам с активной гидродинамикой для дисперсных материалов, предста; ляется необходимой и своевременной.

Во второй главе . приводятся результаты теоретических исследован] по теме работы.

Отличительной особенностью этих исследований по отношению к и; вестным, является вероятностный подход к описанию процесса сепарац] твердой фазы из газового, потока в аппаратах с аакрученными потока взаимодействующих фаз к использование эксергетической концепции щ описании процесса сушки в аппаратах с активной гидродинамикой. В рабе .те для оценки эффективности работы пылеуловителя используется гипоте: о том, что твердая частица, достигнувшая стенок аппарата, выделяете из' газового потока, го есть улавливается. Математическая формуляров! " этого условия' записывается в виде равенства радиальной координат твердой частицы радиусу аппарата. Количество частиц, координаты коте рых удовлетворяют этому условию, определяют эффективность пылеуловик ля и его 'экологическое совершенство.

Расчетное соотношение для этого показателя выводится на основе уравнения, описывающего зависимость радиальной составляющей скорости твердой частицы в аппарате. Это уравнение имеет вид:

йг

«г

dt

= К г Urr + X

(1)

где К = Cdr2-(рг~рг) •<1>23/18-ц; и Urr - радиальная скорость несущей фазы (газа); и X - случайная составляющая радиальной скорости частицы, обусловленная воздействием случайных факторов при турбулентном течении пылегазовой смеси.

Уравнение (1) связывает случайные величины, полными характеристиками которых являются их функции распределения. В рассматриваемом случае такая функция f(r,t) определяет вероятность того, что произвольно выбранная частица в момент времени t находится в кольцевом зазоре [r.rfdr].

Для оценки эффективности работы пылеуловителя в работе осуществлен переход к статистическим характеристикам рассматриваемого процесса, получаемым на основе соответствующей функции распределения частиц по радиусу аппарата. Переход от уравнения (1) к уравнению для функции распределения частиц по радиусу аппарата f(г,т) выполнен с помощью уравнения Фотеера - Планка. Это уравнение, как одно из наиболее универсальных кинетических уравнений, часто используются при изучении процессов переноса. В ревультате такого перехода уравнение (1) приведено к виду:

af(r.t) з в gzf(r,T)

----[(К г + Br)-f(p.x)3 + — - : (2)

3t Эг 2 Эг2

где G - параметр, определяющий интенсивность воздействия случайных сил на твердую частицу в аппарате.

При этом случайные воздействия на твердые частицы при их движении в аппарате считаются статистически независимыми. Практически эти условия выполняются если функция f(r,t) подчиняется нормальному закону распределения Гаусса.

Для решения дифференциального уравнения (2) в работе использован метод Фурье. В соответствии с этим методом уравнение (2) преобразовано в систему:

f(r*,T*) = fi(r).f2(t)

dfg dt

d2fi d

2cr dr*'

.2

dr*

r* +

Pn(R-r*)

íTR

•fi

A-fi = 0

В системе (3) в качестве переменных используются безразмерные координаты х = k-t и г* » r/R. Параметр а определяется соотношением: ос - R-(K/G)1/2.

Система (3), дополненная соответствующими начальными и граничными условиями, представляет собой задачу Коши, решением которой является искомая функция распределения. Применительно к исследованным типам аппаратов АГР указанная задача представлена в виде системы:

dfo(T)

йх

d2y

dx

f(r,t,z) = 9 (z)•fi(г)■f2(t);

1-х -

K-R

q»(z)- Pn

l -

<p(z)

a-K'R

/— dPn

• у X • - *

dx

( Й-Рп ) / ( 2'/x~-k-R ] *

f(0,t) = 0; ffR.-C) = 0;

f(r,0) = 6(Г - ro);

R

s f(r,Q)dr = 1;

dy dx

0;

(4)

где Г(г,г,2) - искомая функция плотности вероятности распределения частиц твердой фазы в аппарате;

г,т - безразмерные координаты, масштабом для которых выбран радиус аппарата и параметр К , характеризующий динамические характеристики газовой фазы;

х и у - модифицированные переменные, связанные с искомыми функциями;

9(г) - функция, определяющая зависимость радиальной скорости газа от осевой координаты-,

а, К - параметры, характеризующие интенсивность случайных воздействий на твердую частицу при ее движении в газовом потоке.

В общем случае эта задача решается численными методами для конкретных, определенных на основе исследований, расчетных соотношений для

радиальной составляющий скорости частиц в аппарате. Имея явное выражение для функции распределения £(г,г,х) можно рассчитать количественные характеристики эффективности работы аппарата, а именно количество частиц, достигших стенок аппарата за данный промежуток времени. Для этого необходимо вычислить интеграл:

ч = 5 [( К-!? + Рп-ф(2))-Г(1{,2,Х) -

0 а аг(г,г,т:)

Зг

\йх ; (5)

В работе приводится алгоритм численного решения задачи Кота, т.е. системы (4), включающий в себя этапы идентификации функций Рп(г) и Ф(г) на основе литературных и статистических данных, определения дисперсии и амплитуды входных воздействий, формулировку начальных и граничных условий и непосредственный расчет искомой функции Г(г,2,т) одним и стандартных численных методов. Расчет проводится для отдельных фракции, на которые предварительно разбивается исходная полидисперсная твердая фаза. Общая эффективность аппарата определяется по закону аддитивности.

Разработанная математическая модель аппаратов АГР, используемых в качестве пылеуловителей, позволяет проанализировать влияние таких факторов, как характер распределения частиц во входных устройствах аппарата, фракционного состава исходной пыли, на эффективность работы аппарата. Тем самым, представляется возможным проводить конструктивное моделирование аппарата, то есть на стадии разработки проводить численные сопоставление (по эффективности) отдельных узлов аппарата. Традиционные, детерминированные математические модели аппаратов АГР, не представляют такой возможности.

Следует отметить, что система обыкновенных дифференциальных уравнений (4) допускает в ряде случаев аналитическое решение. В частности, при работе аппаратов ВЗП в режиме циклонов решением системы (4) служат вырожденные гипергеометрические функции. Это позволяет провести аналитическое исследование влияния режимных и конструктивных параметров процесса на эффективность работы пылеуловителя АГР. Составной частью разработанной математической модели пылеуловителей АГР служит унифицированный алгоритм расчета его гидродинамических характеристик, в частности поля скоростей газовой фазы.

Указанный алгоритм базируется на численном решении дифференциального уравнения в частных производных следующего вида:

9 { Ш) Л.( Е! 11 9 [

^"аг ) ¡ПФ 32 '' ~аГ1 Г дг

- ю.

где в качестве ф может выступать один из гидродинамических параметров: циркуляция скорости,функция тока, компоненты завихренности потока. Конкретный вид уравнения (6) для каждой из перечисленных переменных получается при определенных значениях параметров а, Ь, о, (1, которые приводиться в работе.

Уравнение (6) дополненное соответствующими граничными условиями, определяемыми конкретной конфигурацией аппарата, представляет собой математическую модель, описывающую гидродинамику аппаратов АГР. При этом характерные конструктивные особенности аппарата не отражаются на структуре основного уравнения (6), что делает представленную модель инвариантной по отношению к этим особенностям.

В работе представлены блок - схема и алгоритм численного решения уравнения (6), предварительно преобразованного в конечно - разностное. Последнее решается итерационным методом последовательных смещений Гаусса - Зейделя на неравномерной сетке.

Результатом численного решения уравнения (6) является поле скоростей газового потока в аппарате АГР, знание которого позволяет определить вид функции Рп(г), являющейся входным параметром в предложенной статистической модели пылеуловителей АГР. Таким образом, совокупность статистической модели пылеуловителей АГР и численного алгоритма определения его аэродинамических характеристик полностью решают задачу об оценке эффективности его работы.

Учитывая многофункциональность аппаратов АГР, в работе представлена математическая модель таких аппаратов, используемых для реализации процессов сушки дисперсных материалов. При этом рассмотрен наиболее общий, с точки зрения возможности использования результатов исследования, случай сушки дисперсного материала в секционном аппарате кипящего слоя с автономной подачей теплоносителя в каждую секцию. Большинство реализуемых на практике конструкций сушилок кипящего слоя может быть сведено к этому рассматриваемому типу или его упрощенным модификациям.

Для описания кинетических закономерностей процесса сушки дисперсных материалов в аппаратах АГР в работе используются уравнения, основанные на балансовых соотношениях:

<Ш

(7)

См-СЬм" - Ь»/) =

~ + ЬПК( А - к )• ( <о - В ) ;

где А и В - так называемые глобальные равновесные константы.

Используя обобщенные переменные N = К-а^-УАЗ; Ье = К-с/а; д «= бг/Бм, процесс сушки дисперсных материалов в секционных сушилках во взвешенном состоянии описывается системой уравнений:

Ь/' - Ьм/ = [Ьг// - Ъ/ * Ъп-(Ьв - 1) • (А - к) • (ш - в)] ; (9)

Указанная система уравнений позволяет выразить термодинамические параметры сушильного агента на выходе из данной секции в зависимости от переменных, характеризующих состояние высушиваемого материала. Эта система позволяет вычислить зксергетические характеристики процесса, учитывая известное соотношение между эксергией теплового потока и эк-сергетической температурой хв:

е = Ц-Ге ; (10)

где е - эксергия теплового потока; ч - энтальпия потока.

Приведенные выше уравнения, описывающие процесс сушки, позволяют на их основе перейти к экономической оценке эффективности этого процесса, реализуемого в аппаратах с активной гидродинамикой. Соответствующее уравнение для оценки стоимости Зуд произведенных затрат имеет вид:

Эуд = Ь-Е^е/ - ц-е/') -ег + (е/ - в/')] ; (11)

где Ь - стоимости единицы энергии сушильного агента и обрабатываемого материала; р. - коэффициент, учитывающий степень использования выходящего из 1 -ой секции сушильного агента; ег7, ег//, ем/, ем// - эксер-гии сушильного агента и материала на входе и выходе из 1 -ой секции.

Функционал (11) позволяет решить вопрос о степени использования имеющихся материальных и энергетических ресурсов в анализируемой установке. Минимальное его значение, которое может быть найдено известными, в том числе и численными, методами, соответствует максимально возможной степени использования этих ресурсов для достижения требуемого качества обрабатываемого материала.

Следует отметить, что предлагаемый метод оценки совершенства технологической установки на основе ее эксергетических показателей, характеризует также и экологическую чистоту этой установки. Действительно, чем выше степень использования эксергии взаимодействующих в установке потоков, тем меньший ущерб она наносит окружающей среде.

Следует отметить, что предлагаемый метод оценки совершенство работы сушильных установок на основе ее эксергетической концепции в равной степени может быть использован и для других типов сушилок, так как конструктивные и технологические особенности процесса отражаются только в исходных кинетических уравнениях, описывающих изменение зксерге-тического потенциала материальных потоков. Процедура же поиска опти-

мальной области работы самой сушильной установки остается неизменной.

В рамках теоретических исследований в работе представлен также алгоритм расчета характеристик дисперсных материалов как объектов улавливания и сушки. Указанные характеристики входят в состав исходных данных при реализации разработанных математических моделей аппаратов АГР. Представленный алгоритм базируется на результатах анализа проб дисперсных материалов на гранулометрическом комплексе "FRITSCH". Характеристики анализируемого материала (медианный диаметр dso и стандартное отклонение б) определяются, в соответствие с предложенным

алгоритмом, путем минимизации взвешенной суммы квадратов отклонений

ш

R - Е UjtDj - F(dj, d50, б)32 ; (12)

j=i

где Dj - экспериментальные значение массовой доли частиц, размер которых меньше dj ;

F - интегральная функция распределения логарифмически нормального закона с параметрами (lg dj - dso) и lg б.

Для компенсации погрешностей при определении фракционного состава пылей с помощью комплекса "FRITSCH", в качестве весовых коэффициентов измерений в точках dj предложено использовать величины

1 1

= —Р = -5 ; (13)

SDj2 (IDj - 0,51 + 0.01)2

Вся процедура расчета характеристик пылей по результатам их анализа на приборах гранулометрического комплекса "FRITSCH" формализована и представлено в виде программы, используемой на ПЭВМ.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям, проведенным частично в лабораторных, а в значительной части в промышленных условиях. Цель экспериментов заключалась как в экспериментальной проверке выдвинутых в процессе теоретических исследований гипотез и моделей, так и в определении эмпирических характеристик процесса, необходимых для реализации разработанных инженерных методов расчета.

Экспериментальные исследования работы аппаратов со встречными закрученными потоками взаимодействующих фаз проводилась на лабораторном стенде. Стенд включал в себя три рабочих аппарата ВЗП диаметром 150, 220, 350 мм. Конструкция и основные размеры этих аппаратов соответствовали типовой модели пылеуловителя ВЗП, нашедшего широкое промышленное применение.

Для исследования гидродинамики газовых потоков в аппаратах БЗЕ использовался пневмометрический метод, в основе которого лежит измерение давления на поверхности различных тел вращения. В качестве датчика при определении скорости газового потока в аппаратах ВЗП использовался пягиканальный бонд с диаметром сферы 6 мм.

о, г ф

Еис.1. Составляющие вектора скорости в аппаратах ВЗП-150, ВЗП-220, ВШ-350.

а- тангенциальные; б- осевые составляющие вектора скорости:

1 - ВЗП-150 М/н = 0,625. Ua =0,12/:

2 - ВЗП-220; 3 - ВШ- ¿50.

10 ZQ Рис.3. Зависимость улавли вающей способности аппара шов ВЗП от фракционного состава пыли.

V*, м/с.

О

lio «о R,tw

б

i<L

¡Рис.4, в логор:

^афик распределения частиц ^шческшс координатах.

НО 80 И,ии.

йс.2.Изменив струк-^ тры потока от ооот-1 жетя расходов i >здуха: А- танген- 1 ильные, Б- осевые »ставляющие векто-i скорости:

- lj/b3 - 0,25; -[>,/^=0,36;

- 0,54;

4 = 0,626;#Г= 0,6;

5 « 0,18 ¿Vo.

вид экс-EPre- ТИЧРСКИ* ПОТЕРЕ ДЕсн йЕцсп дЕи ctA ДССМ ¿НгнЗр. ¿ Е о.с.

Ёт 3Í 7,Й i,7 3,6 в,7 0,8

Рис.5. Эксергвигческая диаграма барабанной сушильной установки.

Результаты исследований аэродинамики аппаратов ВЗП иллюстрируются графически на рис.1 и 2.

Представленные данные свидетельствуют об автомодельное™ структуры закрученных потоков в исследованном диапазоне расходов воздуха. Безразмерные профили тангенциальной и осевой составляющих вектора скорости газа, представленные на рис.1, идентичны для всех исследованных типоразмеров аппарата БЭП.

В качестве масштаба для составляющих скорости газового потока в аппарате приняты их максимальные значения У2,тах и V?, гг,ах- . Расчетные значения тангенциальной и осевой компонент скорости газа Чу, У2> приведенные на этом же рисунке, свидетельствуют об адекватности предложенного унифицированного метода расчета аэродинамических характеристик газовой фазы в аппарате ВЗП реальной гидродинамической обстановке в нем. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями указанных параметров не превышает 3 * 5Х.

Влияние соотношения расходов газа по каналам аппарата иллюстрируются на рис.2. Как следует из представленных данных указанное соотношение оказывает существенно влияние на гидродинамическую обстановку в аппарате.

На рис.3 представлены экспериментальные данные по зависимости улавливающей способности аппарата ВЗП от фракционного состава пыли. Здесь же приведены и расчетные значения этого показателя, полученные для условий эксперимента на основе, разработанной статистической модели пылеуловителей ВЗП. Значения технологических параметров процесса варьировались в следующих пределах: нагрузка по твердой фазе составляла 0,1 + 0,3 кг/м3. Суммарный расход воздуха по обоим каналам оставался неизменным в процессе опытов на уровне 0,03 м3/с. Соотношение расходов воздуха по каналам составляло 0,3. Подача твердой фазы осуществлялась только по одному (второму) каналу. В качестве дисперсной фазы использовался монодисперсный кварцевый песок.

Полученные данные показывают удовлетворительное соответствие опытных значений интегрального показателя эффективности улавливания пылеуловителя ВЗП, расчетным. Для фракций размером более 30 мкм расхождение между расчетным и экспериментальными значениями этого показателя не превышают ?. * 2%. С уменьшением частиц твердой фазы до 10 мкм невязка этих показателей достигает 3 + 5%. Дальнейшее уменьшение расчетной оценке эффективности работы аппарата по сравнению с экспериментальной на 5 * 72.

Обобщение результатов лабораторных исследований позволяет сделать заключение о практической достоверности предложенных математических моделей реальному объекту (аппаратам ВЗП).

Составной частью лабораторных исследований, имеющих практическое значение, являлся анализ представительных проб промышленных пылей. В качестве объекта исследования были взяты пробы пылей в наиболее небла-

гоприятных в экологическом аспекте производствах. Фракционный состав этих пылей определялся ситовым и фотоседиментометрическим способом на оборудовании "П?1Т5СН". Результаты анализа обрабатывались по методике, разработанной в процессе теоретичесгсих исследований. На рис','4' в логарифмических координатах представлены результаты исследований. Обработки опытных данных в ЕыСранной системе координат позволяет непосредственно вычислить основные фракционные характеристики исследованных пылей. Результаты проведенных анализов показывают, что промышленные пыли обследованных предприятий, могут быть .выделены из газового потока путем его обработки в аппаратах'ВЗП.

Эффективность предложенного энергетического метода расчета' сушильных установок оценивалась путем его апробации на промышленной сушильной установке.. Б качестве объекта исследования была выбрана сушильная установка Новоджамбулского фосфорного завода (АО "НОДФОС") производительностью 30 т/час по влажному коксу. Указанный выбор .обусловлен как объемом этого производства, так и широтой использования в промышленности данной конструкции сушилки. Все это обеспечило практическую значимость ревультатов исследований.

Результаты эксергетического анализа работы указанной сушильной установке представлены на рис.5 в виде зксергетической диаграммы. Последняя показывает, что наибольшие потери зксергии наблюдаются на стадии подготовки сушильного агента, то есть в топке, а также в сушильном барабане в процессах теплообмена и смешения паров воды с сушильным агентом. Существенная часть подведенной в установку зксергии теряется вместе о уходящим газами. Следует отметить, что тепловой баланс не позволяет выявить эти источники потерь энергии в установке.

Полученные результаты послужили основой'для разработки- мероприя-: тий конструктивного и технологического характера, направленных на сни-' жение выявленных потерь зксергии. К указанным мероприятиям прежде всего относится замена барабанной сушилки аппаратом АГР в данном случае сушилкой со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

В четвертой главе приведены дачные.промышленной апробации результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Результаты в области эксергетического анализа апробированы в виде обследования на его основе.работы действующей промышленной сушильной установки для кокса производительностью 30 т/час Новоджамбулском фосфорном заводе (АО "НОДФОС"). Результаты анализа эксергетического баланса этой установки позволили определить способ повышения эффективности ее работы, которой заключается в активизации гидродинамической обстановки в сушильной камере путем перевода обрабатываемого материала во взвешенное состояние. На основе известных методик определения рабочих параметров сжижающего агента рассчитаны основные конструктивные и технологические параметры типовой конструкции сушилки кипящего слоя для кокса с размером частиц до 6 мм. Размеры частиц кокса диктуются

техническими возможностями отделения дробления фосфорного завода. Для условий указанного завода приемлемой является аппарат кипящего слоя прямоугольного сечения с площадью газораспределительной решетки 5 мг. Рабочая скорость сушильного агента составляет при этом 0,8 м/с при высоте неподвижного слоя материала на решетке равной 150 * 200 мм. Поиск оптимальных параметров сушильного агента (топочных газов) произведен в соответствие с разработанным алгоритмом путем последовательного расчета зксергегических затрат на реализацию процесса сушки по уравнению (11) при значении д = 0 и перебором полученных значений в допустимой области изменения. Анализ результатов расчетов показал, что оптимальными, являются температура сушильного агента в интервале 750 + 850°С при влажности 0,01 + 0,02 кг/кг.

Для получения комплексной оценки эффективности работы модернизированной сушильной установки, включающей 2 аппарата кипящего слоя при производительности 30 т/чао по влажному продукту составлен ее эксерге-тический баланс. Анализ статей этого баланса показывает, что интенсификация гидродинамической обстановки в рабочем аппарате (сушилке) путем реализации процесса сушки в режиме псевдоожиженного слоя, позволяет стфатить время сушки материала до 70 секунд вместо 50 минут, что в свою очередь благоприятно сказывается практически на всех статьях зк-сергетического баланса. Во - первых, это позволяет повысить температуру сушильного агента до 750 - 850°С и тем самым снизить степень разбавления топочных газов окружающим воздухом. За счет этого существенно снижаются потери эксергии в процессе смешения топочных газов с сушильным агентом. Одновременно активизация гидродинамической обстановки в сушильной камере способствует повышению интенсивности процессов тепломассообмена, что обусловлено как увеличением соответствующих кинетических коэффициентов, так и развитием межфазной поверхности контакта за счет обработки материала с меньшим размером частиц. С одной стороны это приводит к некоторому увеличению потерь от неравновесного тепломассообмена, а с другой - к существенному увеличению доли эксергии, идущей непосредственно на испарение влаги. Кроме того, активизация гидродинамического режима позволяет увеличить степень использования эксергии сушильного агента и тем самым уменьшить температуру уходящих из установки газов. Результатом этого является снижение эксергетичес-ких потерь с уходящими газами. Суммарным эффектом является повышение в двое зксергетического КПД установки, что благоприятно сказывается на экономических показателях работы всего отделения сушки. Все это явилось основанием для разработки технического проекта реконструкции сушильного отделения цеха 1 Новоджакбулского фосфорного взвода (АО "НОД-Ф00"). Указанный проакт принят к реализации.

Результата проведений;', теоретических и экспериментальных исследований аппаратов с закрученными потоками взаимодействующих фаз свидетельствуют о возможности разделения в них пылегазоЕых потоков с высо-

кой эффективностью. Объективным подтверждением этого вывода являются результаты испытаний промышленного образца такого аппарата диаметром 1200 мм в условиях цеха ЦПТС - 2 1ПА0 "Фосфор".

Результаты проведенных испытаний приведены в таблице

Производительность аппарата по запыленному газу (м^/час)

Кратность расходов газа по каналам аппарата

Сопротив- Концен- Эффек-

ление ап- трация „ тивность

парата, пыли .г/кг) очистки

мм вод.ст вх. вых. газа, X

166 46,8 1,7 96,8

173 46,8 1,7 96,8

179 46,8 1,2 97,8

208 46,8 0,84 98,1

166 83,4 2,8. 96,7...

170 49,2 2,3 94,8

7030 6880 6580 5400 7030 6700

0,59 0,61 0,67 0,63 0,09 0,60

Полученные экспериментальные оценки эффективности работы пылеуловителя ВЗПК удовлетворительно согласувтся со значениями этого показателя, рассчитанными по алгоритму, предложенному в работе. На основании результатов промышленных испытаний пылеуловителя ВЗПК разработана техническая документация, обеспечивающая оснащение ряда технологических линий (аспирация весовых систем фосфорита, пневмоклассификация фосфорита, очистка охлаждающих газов) ШАО "Фосфор" аппаратами этого типа.

Результаты лабораторных исследований представительных проб промышленных пылей деревообрабатывающей промышленности нашли свое практическое применение при разработке мероприятий по улучшению экологической обстановки на Шымкентском деревообрабатывающем комбинате. На основании результатов этих исследований была выбрана типовая конструкция пылеуловителя ВЗП и определены технологические параметры его работы. Указанный пылеуловитель диаметром 1200 т с производительностью 27000 мэ/чао по запыленному газу был установлен в технологическую лини» выгрузки после молотковых дробилок. Промышленные испытания этого аппарата и последующая его эксплуатация подтвердило высокую надежность его работы и эффективность. Проведенные замеры показали, что степень улавливания твердой фазы из газового потока в нем составляет 99,4.

Приложением к работе являются программа расчетов аэродинамических характеристик газового потока в аппаратах с активной гидродинамикой. Здесь же приводится акты, свидетельствующие о практическом использовании основных результатов работы в промышленности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

1. Проведен анализ известных методов и способов реализации процессов сушки и сепарации дисперсных материалов. Показана возможность и целесообразность их интенсификации за счет рациональной активизации гидродинамической обстановки в аппарате. В частности, установлена эффективность использования с этой целью встречных закрученных потоков

взаимодействующих фаз.

2. Разработана статистическая модель процесса сепарации дисперсных материалов из газового потека в аппаратах с активной гидродинамикой, учитывающая нестационарный харагаер реального процесса в турбулентных режимах. Указанная модель позволяет проводить сравнительна оценку эффективности работы аппаратов с закрученными потеками, отличающихся конструктивным исполнением узлов ввода и вывода газовых потоков, а также распределением улавливаемой твердой фазы во входных газовых потоках.

3. Предложены унифицированная математическая модель и алгоритк расчета гидродинамических характеристик аппаратов с активной гидродинамикой, которые легко адаптируются к конкретным конструктивным особенностям и технологическим характеристикам процесса. Указанный алгоритм доведен до практической реализации на персональных ЭВМ и иожез быть испольеован практиками - инженерами для расчетов реальных аппаратов с активной гидродинамикой.

4. Показана целесообразность оценки эффективности процессов сушки дисперсных материалов, протекающих в аппаратах с активной гидродинамикой, на основе зксергетического анализа их работы. Получены необходимые расчетные уравнения для определений оптимальных параметров работы таких сушилок.

5. Определены необходимые характеристики ряда промышленных пылей по методике, в основе которой лежат принципы седиментационного анализа. Результаты анализов, проведенных на приборах фирмы "ГИТЗСН" явились исходными данными, в частности, для разработки и внедрения в промышленность узла очистки газов после молотковых дробилок на Шымкент-ском деревообрабатывающем комбинате.

6. Проведены промышленные испытания пылеуловителя ВЭПК на Шым-кентском АО "Фосфор". Результаты испытаний подтвердили адекватность предложенной математической модели и алгоритма расчета процесса сепарации твердой фазы из закрученного газового потока реальному процессу.

7. Проведен зксергетический анализ работы промышленной установки для сушки кокса на АО "НОДФСС" (г. Жамбыл). Как показали расчеты, зксергетический КПД установки не превышает 7,2%. Это обусловлено наличием непроизводительных потерь энергии как на стадии подготовки сушильного агента, так и непосредственно в процессе сушки. Проведенный анализ позволил обосновать целесообразность проведения процесса сушки кокса в режиме взвешенного слоя.

8. Предложена технологическая схема и конструктивное оформление процесса сушки кокса во взвешенном состоянии применительно к условиям АО "НОДФОС" (г. Жамбыл). Внедрение указанной модернизированной сушильной установки позволило уменьшить площадь производственных помещений, необходимых для ее эксплуатации и повысить в два раза зксергетический КПД ее работы установки.

9. Основные результаты работы как в области теоретических, так и экспериментальных исследований, нашли свое отражение в реальных конструктивных разработках, внедренных в производство, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Содержание диссертации опубликовано в 18 работах, основными из которых являются следующие:

1. Булеков А.П., Сансизбаев К.К., Саши В.В., Сажин B.C. Интенсификация процессов обработки дисперсных материалов в аппаратах с активной гидродинамикой. В сборнике: Технологические процессы с твердой фазой., Москва, 1995, с.206-207.

2. Сансизбаев К.К., Булеков А.П., Сажин B.C. Выбор оптимальных пара-нетрав сушильного агента в аппаратах с активной гидродинамикой.

В кн.: Проблемы и перспективы развития науки и техники в области механики, геофизики,нефти,газа,энергетики и химии Казахстана., Актау, 1996.

3. Сажин Б.С., Латкин A.C., Авдонин Е.Г., Саиснзбаев К.К. Вихревой аппарат для разделения тонкоднсперсных сред. // Изв. вузов. Химия и химическая технология., 1993, том 36, вып. 9, с.104-108.

4. Сажин B.C., Булеков А.П., Саиснзбаев К.К..Фомин С.Н. Статистическая оценка эффективности работы аппаратов ВЗП. В кн.: Математические методы в химии и химической технологии., Тула, 1996, с.121-122.

5. Сансизбаев К.К., Булеков А.П., Сатин В.Б. Эксергетическая модель сушилок с активной гидродинамикой. В сборнике: Процессы и аппараты в химической технологии., Москва, РХТУ, 1995, с.208-209.

6. Булеков А.П., Саиин B.C., Сансизбаев К.К. Эксергетическая оценка эффективности работы аппаратов с активной гидродинамикой, в кн : Интенсификация процессов химической и пищевой технологии., Ташкент,1993.

7. Сансизбаев К.К., Сажин B.C., Булеков A.n., Кривоконь М.И. Моделирование процесса разделения частиц в закрученных потоках. В кн.: Химия и химическая технология нефти и газа., Актау, 1996, с.219-220.

8. Сансизбаев К.К., Булеков А.П., Сажин В.Б. Статистический метод расчета аппаратов ВЗП. В сборнике: Технологические процессы с твердой фазой., Москва, 1995, с.211.

Э. Сансизбаев К.К., Булеков А.П., Сажин В.Б., Сажин Б.С. Автоматизированная методика анализа промышленных пылей как объектов улавливания.

В сборнике: " МКХТ-95 Москва, РХТУ, 1995, с.209-210.

ЛР 020753 от 04.03.93

Подписано в печать 04.01.97 Сдано в производство 08.01.97 Формат бумаги 60 х 84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,25 Уч.-изд.л. 1,0 Заказ I Тираж 75

Электронный набор-МГТА, II79I8, Малая Калужская,!