автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Процесс магнитного фильтрования частиц в зернистом слое

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІ ТЕХНІЧНІШ ІНСТИТУТ '

р г г

' ' 0 од На правах рукопису

СТЕПАШОК АНДРІЯ РОМАНОВИЧ

• УДК 663.63.067

ПРОЦЕС МАГНІТНОГО ФІЛЬТРУВАННЯ ЧАСТОК В ЗЕРНИСТОНУ ВАРІ

Спеціальність 05.17.08-Процеси та апарати хімічшк виробництв.

АВТОРЕФЕРАТ

дееертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Кііів-1994

Робота виконана на кафедрі машин та апаратів Київського політехнічного інституту.

Науковий керівник - доктор технічних наук ' Павліцев Марат Іванович

Офіційні опоненти - доктор технічних наук,професор Статюха Генадій Олексійович

- кандидат технічних наук, старшій науковий співробітник, Яцков Микола Васильович

Провідна органіоація-завод "Ленінська кузня",н. Клів

Захист відбудеться " /6 " О 3~ 1994р. о /У " годи

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 068.14.06 в Київському політехнічному інституті за адресо»: 25?.056,м.Ки1в-' щхх'пект Перемоги,37п 212 ауд. ,21 корп.■ -

З дисертацією мокна ознайомитись в бібліотеці Київського політехнічного інституту. •

Автореферат розісланий " /V “ 1994».

вчений сек[>етзр

спеціалізованої вченої ради Круглицька В.

АНОТАЦІЯ

В роботі розроболена структура процесу магнітного фільтрування .

Побудована иатпиатична модель процесу магнітного фільтрування внсо кодисперсннх частої! немагнітним зернистий иаром.

Знайдено кількість, контактів в царі та координаційне число для довільного закону розподілу розмірів зерен.Отрішано закон розподілу з оптимальною кількістю контактів в парі та координаційним числом.

Розроблена методика,алгоритм та створена програна на мові “Бейсік-Ш" для розрахунку магнітного фільтра.

Проведена ідентифікація параметрів та установлена адекватність моделі иагнітного фільтрування.

Розроблені спосіб та констрцукція магнітного фільтра,цо аахицєио авторський свідоцтвом СPOP.котре переводиться в патент України.

' Виготовлені та випробувані установки продуктивністю ІООм/г та ІОО и/г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми.Високі темпи розвитку виробництва супроводжуються забрудненням навколішнього середовица икідливиші речовинаші-відхо дами виробництва. Це негативно впливас на біологічні уиови існування людини. Захист навколішнього середовица с актуальною науково-технічною та соціальною проблемою.Серед рівних промислових газових викидів одним з наіібільи шкідливих,а також і найбільш складних з точки зору іх очної ни с викиди о розмірами часток до Іикн (тобто однодоменні, ). наприклад,у віі]Х)б~ ництві иагнітноі плівки.магнітополімерів,зварювальне та пиварне еи{>лбшщтва. Але до цього часу процеси очистки газових викидів від високодисперсних часток вивчені недостатньо повно.

Одним з перспективних методів очистки газових викидів від виеоко-дисперсних часток е метод магнітного фільтрування з використанням магнітних властивостей цих часток.

Мета роботи:

1.В рамках дисперсного підходу провести системний аналіз структури процесів магнітного осадження високодисперсних часток в зернистому фільтрі.

- г -

2.Побудувати катенатичну нодуііь магнітного фільтрування.

3.Провести ідентифікацію иатештігчкоі моделі процесу іізгнітного ' фільтрування.

4.Створити методику та алгоритм розрахунку магнітного йільтра.

5.Сконструювати ефективні фільтри для вловлювання високодисперсних

Твердих часток. .

, Наукова новизна роботи. ПоО/доьана структура п;юцесу ооздгення в магнітному фільтрі яка складається в, «іогирьо» рийіь;

І)осац*ення в поні захвату (зона дотику двох сусідніх зерен насадки) ' 2)чарунка (кілька зон захвату;;

7>)!юп--і*'Чілт попітюпореннО иар зерен насадки;

4)япарат. .

Створена також структура процесу вростання гідравлічного опору,цо складається я двох рівнів: '

1)поперечніпї йолідисперсний шар зерен насадки; .

2)апарат(совокупність шарів)

Побудована ыатенатичнл модель процм.-у магнітного йшіьтруваїшя високодисперсних часток фільтром з немагнітного зернистого матеріалу. .

Знайдено кількість контактів в иарі зернистого матеріалу та йиго коорд.мацІЛ:із --ас.то с зпп?:ппсті від сакоиу роип;діЛ‘/ і>о?и1рн: зерен. Ог-ршано закон розподілу розмірів часток опіішальнгді координаційний числом та кількістю контактів між зернаші насадки.

Створено методику розрзхуку магітного Фільтру.

Теоретично унсійдено та експериментально підтверджено ступінь очистки та гідравлічний опір магнітного йіільтра для о і г, них законів розподілу роамірів часток при різних швидкостях г.азу. -

Розроблені спосіб та конструкція магнітного фільтра для очицення гаоовш викидів від високодисперсних твердих часток. .

Практична значення. (><тітан і рівняння магнітного фільтрування і результати скспєрииеитзльшк досліджень процесу ^ог,г,п,т,ш; гоагюїііти і • впровадити магнітній! фічьгр. гг,-іишагі!-:тенч’'і лет оь-ипення газових викидів від високодисперсній іїчрр'чіагнітнну твердих часток.

Складено алгоритм та прогряид розрахунку• иагнітіюго фільтра. ;

Реалізація роботи.Результати роботи стали складовою частішою комплексу заходів по розробці магнітного фільтра по очиценю віікидів зварювального виробництва від високодисперсних ферромагнітних твердих часток

1 впровадженні його на Київському заводі "Ленінська кузня".а також створені однопоставного магнітного фільтра,випробуваного в 1.Ц. "Скологія в оварювальноігу виробіпщтві"при госуніверситеті м.Одеси.

Апробація роботи:Основні результати роботи доповідались, і обговори-вались на конференціях “Проблеми якості атмосфери та охоронн повітряного басейну'Чн.Киів, 1993р.) та “захист повітряного сор^довнцз від забруднена прошісловішн викиданії та покрацення санітарно-гігіонічних умов праці на заводах УНК "Укрсількозмаи (ц.Одеса,І993р.)

Публікації.Зиіст дисертаційно і роботи викладений в 9 друкованих працях,в іх числі 2 авторських свідоцтва СРСР.

Структура та об'єм |х>ботн.Дисертаційна робота викладена на 120 сторінках і складається з вступу чотирьох розділів,висновків та додатку, включає 18 малюнків та 21 таблицю.Список літератури складається з 110 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

Першій розділ присвячений аналізу літературних джерел про процеси очистки газових викидів від високодисперсних часток.Розглянуто механізми осадження і властивості цих часток.Сформульовані мета і задачі . дослідження.

В другому розділі дЛЯ опису процесу фільтрування було яапропановаію використати систенно-структурннй підхід та построена структура процесу, яка складається з осадаення в зоні захвату,в чарунці(наборі зон захвату),в іазрі(в поперечній совокугіност і чарунків),е апарат і (декілька шарів).Створена структура зміни гідравлічного опору в попе|«?чнону иарі та апараті(декілька варів).

Доведено,цо очнцеїшя в зернистоиу немагнітному иа|Н гг\ю ходить за рахунок магнітних сил.цо генеруються сашнш ферітюнагнігниші високодисперсними частками.Вклад в^оагальгапі ступінь очистки механізмів ди-фузіі,інерціі,зачеплення та.електромагнітних сил меньие. одного відсотка.

1-Ч-ІЄ61- ■

Перыочергово осадження високодисперсних часток-нагнітів проходить’ за рахунок різних механізмів (аачепленнп,дифузії, ін^рціі та і ни. >і носить випадковий характер. В подальшому осів и і частки п, и; т -ігують 1 oeajpsy-ють ііші чаегки-магнігн э газового потоку.

Очевидно,переважним місцем осадження часток-иагнітів є нриконтактні зони сусідніх верен насадки (зони захвату),тону,по в нчх нзїіменьиа швидкість гадового потоку і тут стьородться найбільиі градієнти напруги " магнітного поля. Остачн і «■ г>езультато« рисокого ступеня неоднорідності магнітного поля осівшіх часток-нагнітів і на 5-4 порядки перові яцумть градієнти namr/1'п магнітного поля плоско і поверхні.

. Магнітні сішн пги-poHiitai hgtadh .тону мав<ть при напнх напругах її магнітного ік>лл,лкі .очевидно. ігавть г, и?г>і осівших часток-магнітів, великі значення його градієнта grad Ь^ножуть створювати значні магнітні сили. • .

Брох.овуючіі велику кількість зон захвату в фільтруючому марі та іх випадкову орієнтацію в цілону загальна дамагніченність осібного пару часток-нагнітів дорівнює фоновій. '

Для впкяаду рівняння ступеня очистки розглянено процес осадження .Ііокаашшом ступеня очистки^-відносне зниження концентрації:

Y=

Со-С .

. . (і)

Со

В діфорєнційному вигляді ступінь очистки» враховуєш КОСффІЦІУІГГ очистки, мае вигляд: . .

jr'-ехрІЛ) ,,,

L to

Ц^І-ЄХр(-Л) (3)

’ Дпя пдахоцження невідомого коефіцієнта ос?л№ння(z)розглянено . р і рог Ідність в осадженая часток ■ енною захвату чєі>єі» коеффіціент -осадження JL та і: п?и*різ С ;дяя t-roi «мси/иы* .

О А Сі _ Сі -Сі'-/ (4)

. Сі-, ' с,-

Враховуючи залежність (3) концентрації в і-тій чарунці.

' . Сг-СоЄХр(-иРі);

' Сі-і -- Со ехр(-и^) (5)

# Підставляючи формули (5)в залежність (4): ' .

' 1^\-ЇХр(-ЛІ)=оІ^ЛсІ (6)

• * Вірогідність ослдаєння через переріз чарунки мав вигляд,враховуючи залежність (6)

2 <26* / £&

О- —ГГ і об- —ГГ (7)

враховуючи, цо максимальний вклад в процес осадження вносить пондеро-моторна сила^для процесу осадження повинна вігконуватсь умова:

: Ргл^->с •’ <8) _

Де залежність для поцероиоторноі сили має вигляд:

(9)

= уг/* ич кдьскіЬ

Гідгюдітамічна сила описується залежністю ' І <2

Яс \/({)‘

(10)

- в -

У связку а затруднениям в знаходженні характеристик зони осадження (напруги магнітного поля , його градієнту та магнітної проникності Ю.пираяимо іх че|■ел нагнітніїЛ фактор К, і знайдено і'юго дослідшш шіяхом:

К = ЗЄ НдіОСІ Ь

(II)

Підставляючи залежності (9), (ІСі), (11) в формулу (8),отинуеио відносний радіус воіііі е ах вату:

(г И {т, _«.£*/

\£/ іб£ У и»

(1?.)

Відомо,цо ефеьтішнші переріз зони иахваїу нас вигляд:

Г •

Хё/ (И)

Вирішивши разом залежності (12)та(13) маємо вираз для. ефективного незрілу зони захвату у розвернутому вигляді: , . г

(14)

((у...*mytr.ni пірлпння (7) та (14).отримуємо вираз дін знаходження ко-"Міціемту в зоні захвату: .

’ -1 -2'

*і7

(І5>

Ступінь пчігпкн парного різня,приховуючи яалежчіоть (ТІЗКОудр кати вііглзд: ’ * .

Ц>3.<-ехр(.(1Л0^У)і

(16)

Для другого рівня ступінь очистки нас вигляд

Па третьому рівні?поперечному марі поліднсперсних зерен насадки^

(17)

ступінь очистки

Ступінь очистки для всього апарата (четвертий рівень)

(19)

Гідравлічній опір зернистого ьару розглядався для двух рівнів.Першій рівень-поперечнт'і иар пол і дисперсних зерен насадки. .

аРс~-Я & ^ -"4^, (20)

к'*т€

(гп

найдено експериментально . КоеФйІцІснти гя та о в ріЕнлрлі"Т2ІТ^на другому рівні гідравлічний опір всього фільтра . . '

- і

В рівнянні для знаходження ступеня очистки входігть величина л/< -координаційне число',яке було знайдено теоретично для довільного

оакону розподілу часток по роаи.ірах. .

Кількість контактів в парі річного піску описується рівнянням

Збільшити ступінь очистки можна оа рахунок збільшення координаційного числа.

ЗнаГідено закон розподілу часток по розмірам з оптимальною кількістю контактів в иарі та координаційний числом.

Отримана найменьша робоча швидкість- газу в магнітному фільтрі.Вона повинна бути більиогд.чіш швидкість пневмотранспорту.

В третьому розділі приведено схема і та описання експериментально і установки,викладено методику досліджень.

Дано рекомендації для вибору'геометричних рознірів та форми каналу.Зроблено висновки,цо магнітні фільтри можна конструювати з каналів довільної форми,розмірами від 18 до 35мн.

Експериментально доведено,цо магнітна індукція магнітного шару дорівнює фоновій як до регенерації так і після неї,цо підтвердило наые уявлення про те ,цо оеівиі на зернах насадки феромагнітні частки створюють структуру,магнітні поля*якої мають випадкову орієнтацію.

В результаті випробувань знайдено величину нангітного фактора К-8, іВ ''0і А /М3 , і постійні в рівнянні (21) знаходження

гідравлічного опору: т^4і/ п-- 0,22, .Досліди проводились для різних швидкостей газу координаційних чисел насадки. ■

Скяэдсни методику,алгоритм та програму на нові "Бейсік-80" для розрахунку илгнітного фільтрі.Ціллю розрахунку магнітного фільтру е знаходження по відчини величинам НДВ і НДК необхідної ступені очистки,висоти

(23)

Л/ = 4£4^2*и/,

(24)

(25)

фільтруючого шару" Ь .гідравлічного опору та часу роботи між регенераціями.

Проведено ідентифікацію параметрів та перевірку адекватності математичної моделі.Результати розрахунків та дослідних дангаи по знаходження залежності ступеня очистки'/'вІд висоти иару насадкн/для різній координаційних чисел приведено на иал.1 та 2 залежності гідравлічного опору дР від часу С роботи фільтру-на мал.З та 4.

'І'.-ЛР,*х'н /ґті ґіт/пр*// СУигггжс/ ФУ' васе/пі/ иіСУ/іу <0

Ч<

і 8 р=—7

>3 \ -

(Я

4?

го А/

е.6

// м

ТеорРҐЯи</Н/' резуАЫГКТ/71Ц /, ^3,0

^,ССЯіСИІ рр^ЛЬГООґУіС/

Д-І/. ;а - іЛ і ; * - ✓*<? с^/г.

мал. І

г з * г * '7ёорР/П1/*/Ш

у. 16 /, Оиі/с ; <3, Г^ь; З,

^ІСС4 /ОууЛ&ЮОїНС/

&.і/. (Ои*/е ;о- і/'у,ґ-ч+ ;х-

мал. 2

і-т* „ох, »»*гУ

Я? С ГОГО* лї- Г *£. У І А..Г. л; ..З ^

€(е Л>Оі

Гегугл^м. ^30у,НтГ>ґ!іи €0 їГ і. ІЛ /, с-*л ; £. іл / і, V. 2, См/с

г4«Ч><Й^Л/ /*УУ*І 'ПО'УІ*-*

• 4І-(Л1,0"/*і *>" І/*4Г-^/г ; X- і/'ї.О+'/с

нал.З '

<Гг-

Тро/Х’/лио'А// /&?у*<теггк/ ' •

ґ. У*<,0-с/е * V. {Т**/с ; І. </• &-"/<•

/хуу/Н »гх>гуіи ■ д - І/-/', -І*-'/*'/ х-

нал.4 •

В четвертому рОЗДІЛІ розроблено спосіб і конструкція магнітного фільтра.Це немагнітна поліднсперсна серниста насадка, яка роотаиована в каналах апарату та аеродинамічно прижата до верхньої сітки.За рахунок створених попередньо осівиимн на зернах, насадки ферроиагнітннші високо-днспереніши частками зон захвату а великий градієнтом напруги магнітного поля частки осідають.Для регенерації виключають подачу газу,в результаті чого мар під дісю сили тяжіння падас на нижню сітку.Під час багаторазових ударів зерен насадки одне <.б одне "а іх поверхні відколюються звільнені частки (коагулят).При ікдаьиїй подачі газу ьідколовиіся збільиені частки виносяться а апарату,а зерниста насадка пріиаімасться до верхньої сітки аппарату,знову створюючи 'фільтруючий иар.

Для здійснення способу очистки було запропоновано використовувати апарат,який складається а корпусу І (мал.5) в якоиу с циліндричні або квадратичні канали,ь котрих'знаходиться зерниста насадка 2.Для того,цоб насадка не виносилась з каналів потоком гаау вони закриті сіткою 4. .

Рівномірний розподіл газу під час роботи здійснюється корпусаші 5 та 6.

Розроблена конструкція магнітного • фільтра нас такі пеі.овагн:простота конетрукці і,в ідсутність рухомих частин,низькі капітальні та сксплу-таційні витрати,надійність,високу ПРОДУКТИВНІСТЬ. ВЛОВЛШС ВИСОКОдисперсні частки.

Па спосіб очистки газових викидів від високодисперсних часток отріално авторське свідоцтво СРСР, яке п&реводигься в патент України. Для очистки газогих викидів зварювального виробництва були створені установки продуктивністю 100 м/г та ІОООм/г

Магнітний фільтр

Установка продуктивністю ІОО н/г випробувана, п Ін*енернону центрі "Екологія в зварювальному виробництві "при Одеському Державному Університеті.

Установка продуктнвмісти 1000 н/г була створена,вппробована та впроваджена на Київському завод і "Ленінська куаня". Еколог ічіпп'і ефект від впровадження І322І8 К[Ъ.

ВИСНОВКИ

1.Розроблено системно-структурний підхід до моделювання процесу магнітного фільтрування.

2.Побудована натематична модель процесу магнітного фільтрування феромагнітних часток ыаром з немагнітного сернистого матеріалу.

3.Знайдено кількість контактів в парі зернистого матеріалу 1 його координаційне число в залежності від закону розподілу розмірів часток,а також закон розподілу розмірів часток з оптимальніш координаційним числом та максимальний числом контактів мі* зернамн насадки.

4.Розроблена методика,алгоритм та програма на мові "БейсІк-80" для розрахунку магнітного фільтра.Теоретично знайдено та експериментально підтверджено ступінь очистки та гідравлічний опір нагнітного фільтра для різних законів розподілу розмірів зерен при різних мвидкостях газу в магнітному фільтрі. .

5.Розроблено спосіб та конструкція магнітного фільтра для очисткн-газовіа викидів від ферромагнітгак часток.

Основнтї зміст дисертації викладений у наступних роботах:

1.А.С, Н 16І1396 В.01. Д 35/06.Способ очистки газа от аэрозоля,содержащего високодисперсні» твердне частицы с магнитной компонентой /Пав-лицев М.И..Ериов А.Л..Степадак А.Р. и др.- Опубл. в Б.И, И 45-90./

2. Исследование процесса, улавлігаання методіісперсних сварочных аэрозолей /Павлищев М.И..Степанюк А.Р.,Ериов А.Л..Степура В.А.-Деп. в Укр. НШ НТН Н 1947-УК.Є9.23.08.89Г./

3. Степашин А.Р. .Ппвштев М.И.,Ериов А.Л. .Степура В. А. .Фепенко В.З.

Разработка способа и оборудования для очистки выбросов сварочного

производства /Тезиси докладов республиканской региональной конференции “Регцональшю экологические проблемы и пути их речения" 1990г. Черкассы. /

4. .А.С.* Н 1776425 В 01 Д 36/06.Способ очистки газа от аэрозоля,содержащего внеокодисперсние твердь» частицы с магнитной компонентой /Степанюк А.Р..Павлицев II.II.,Возник Т.А.,Ериов А.Л.,Степура В.А. .Феценко

В.3. .Нестеров А.П.-опубл. в Б.И. 1143-92.

5. Павлицев М.И..Степанюк А.Р.,Степура В.А.Разработка эффективньы и экономичных способов и оборудоваюія очистки видных выбросов сварочного производства./Тезиси научно-технической конференции "Проблемы промыилен-ной экологии", г.Черновцы 1990г./

6. Павлицев М.И..Степанюк А.А.Очистка газовых выбросов сварочного производства от аэрозоля./Тезисы докладов семинара "Проблемы качества атмосферы и охраны воздуиного бассейна "г. К»іев 1993г./

7. Теоретическое определений числа контактов между зернами насадки. Степашин А.Р.-Деп.в ГНТБ Україшн Н 841-Ук.93 от 26.04.93г.

8. Теоретическое определение числа контактов между'зернами насадки.Степашек А.Р.-Деп.в ПГГБ Украины Н 842-Ук 93 от 26.04.93г.

9. Павлицев М.И. .Степанюк А.Р. .Феценко В.З. .Бебко В.В..Магнитная очистка гззовш выбросов от твердій аэрозолей /Тезисы докладов семинара "Зацита ьоздуъшой среды от загрязнения ггроишленныш выбросами и улучие- , мне санитарно-гигиенических условий труда на заводе УНК "Укрсепыгозмаш" г.Одесса 1993г.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ .

£ -радіус зерна насадки.м; с[ -діаметр зерна наездки.й;

[і -висота зернистого иару.м; і -висота.ы;

£ -еквівалентний діаметр частки,и; Г -радіус зони захвату,м; б' -ефективний переріз чарунки,и; іл/ -об’си.м;

<£ -час.с; Vу -швидкість газу,м/с; С- -ко!іцент[шия. кг/м;

Р„ -иоцероиоторна спла.Н; Гс -гідравлічна снла.Н;

'{Ц -динамічна вязкість.Н с/м; ^и«-ьагітна іюстійна.Гн/н;

Н -напруга магнітного поля,А/м; К -ьагнітнііі'і фактор.А/її; сі -кое>!».'ііціснт осадження; 8 -вірогідність осадженій;

-чпсио контактів; <С -иагнітна спршїняїливісіь;

£ -пористість; л/ -число частик. /,