автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка газодинамических методов расчета сепарации дисперсных частиц в пылеуловителях вихревого и инерционного типа

московски^ ИНСТ|^Т ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ П На прапахрукописи

ЕНИКЕЕВ Ильдар Хасанович

РАЗРАБОТКА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СЕПАРАЦИИ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯХ ВИХРЕВОГО И ИНЕРЦИОННОГО ТИПА

(05.17.08 — процессы и аппараты химической технологии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1993

Работа выполнена в Московском институте химического машиностроения.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор С. Г. УШАКОВ, доктор технических наук, профессор Л. П. ХОЛ ПАНОВ, доктор технических наук, профессор О. С. ЧЕХОВ.

Ведущее предприятие: Институт механики при МГУ имени М. В. Ломоносова.

Защита состоится « ^ »_кМЛ^уг^_1993 года

в_ час. на заседании Специализированного совета при

МИХМ по адресу: Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИХМ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь совета профессор

ЕРМОЛАЕВ О. Н.

С"

В работе с единых позиций мохадикч многофазных систем иссллдуются процессы сепарации твердых и жидких частиц из г&-зодислерсных потоков в пылеуловителях вихревого и инерционного типа.

Актуальность темы.Защита окружающей среды от промышленных выбросов стала одной из приоритетных задач современной науки и техники. Для решения этой проблемы раз-работаны различные 1 л>ды очистки газовых потоков от взвеяеиодх дисперсных частиц, среди которых наиболее экономичными жвллютгм методы сухой очистки. Из пылеуловителе?, основанных на этом принципе очистки, наиболее эффективными являются вихревые аппараты, в том числе и аппараты со встречными закручен-мми потоками (ВЗП). Опыт промышленной эксплуатации аппаратов ВЗП показал, что к числу достоинств аппаратов этого типа следует отнести не только более высокую эффективность пылеулавливания, чем у аппаратов аналогичного типа, например ц/клонов, но и возможность использования ВЗП в качестве аппаратов многофункционального типа, таких как: классификаторы, сушилки безуносного типа, аппараты с кипящим слоем и т.д. Для определения эффективности использования аппаратов ВЗП в качестве основного технологического оборудования в тех или иных процессах, необходимо иметь детальное предстаг." =:ние о гидродинамической обстановке в рабочей зоне аппарата. Существующие методы исследования и, в частности, математические модели, лишь частично удовлетворяют этому требованию, оставляя многие важные вопросы невыясненными. В связи с этим для исследования гидродинамики как . вихревых, так и пне ,ионных сепараторов была использована модель взаимопроникающих континуумов, позе: "'.-цая получить значение любого параметра в любой точке аппарата. Исследования последних лет в области вычислительной математики показали, что наиболее эффективным методом для решения уравнений механики дисперсных систем является метод крупных частиц.

Алгоритмы решения задач, основанные на использовании этого метода, позволяют изучать не только фундаментальные проблемы химической технологии, но и получать ряд важных

прикладных результатов, таких как:оптимизация конструкций сепараторов, определение оф^ектииности пылеулавливания для различных значений р^гл'^'Жх ;.а,-^/етрэз и т.д.

Разработка различных модификаций метода крупных частиц имеет не только больное прикладное значение:, но и позволяет глубже изучить такие вопроси, как аппроксимация, сходимость к устойчивость численных схем.

Проблема очистки гызоы-'х выбросов о? мелко дисперсной ири-оси (диаметр ча стш, или капель менее I мкм) является одной из актуальных в разоо^'-^ке и даьно выдвинута на першй план экспериментальных V! теоретических исследований. Однтг из наиболее перспективных методов повышения з44>ективиости пылеулавливания мелкодисперсных частиц является мокрая очистка. Этот метод является более сложный и дорогостоящим по сравнению с сухой очисткой, но и более еффективши для улавливания мелких частиц. Для него характерны с.ло*нив массообкенные процессы в ходе Езаимодействия газодисперсного потока с каплями 0{оша-«цей жидкости, в результате чего изменяются скорости'и концентрации фаз, определяющие газоочистку. В силу большого числа действующих факторов возможности физического моделирования здесь ограничены, поэтому создание гидродинамической модели провеса и исследование ка ее основе механизма и основных закономерностей процесса актуально и открывает широкие возможности направленного воздействия на сепарацию и совершенствование технологии метода.

Целью работы являлось теоретическое исследование

процесса сепарации дисперсных частиц в пылеуловителях вихревого и инерционного типа, что вхлючало в сеоя:

1) Построение теории, описывающей движение газодисиерсшх потокоп в сепараторах вихревого и инерционного типа;

2) Разработку методов расчета сепарации твердых или жидких частиц в пылеуловителях вихревого и инерционного типа;

3)Определение оптимальных конструктивных и режимных параметров аппаратов со встречными закрученными потоками;

4) Создание математической модели процесса сепарации

3.

твердых частиц с ь<окрых ылеуловитоадх типа скруббера Зс-нтуъи.

Посаедняп ч^сть {.-аС.-.ти связана а предыдущей тем, что в ' обоих случаях:

1) процессы исследуются с единых' позиций механики многофазных сред; .

2) осногные особенности процессов разделения в гетерогенных потоках раскрыты путем анализа газодинамической структуры т 'ения з се парато рад;

3} определяющее влияние на процессы сепарации оказывает ыежфазное яз'.-содействие.

Научная ¡-¿пиона работы заключается з постьловке и реыении ряда ног>ых ванных еадач, разработке методов расчета движения гетерогенных потоков в областях сдояноЬ форь-ы при наличии интенсивного тифозного взаимодействия, со удаляй конструкций аппаратов со встречными закрученными потоками с поименной эффективность» ¡¡ылеулавливаиия.

В работе впервые представл ;ы и решены следующие задачи:

- о взаимодействии двухфазных закрученных потоков в вихревых пылеуловителях при больших содерканиях дисперсной фазы на входе в аппарат;

- о взаимодействии газодисперсного потока с торцом полубесконечного цилиндра»

- о движении дис;;ерснкх ».отоков в областях с произвольными границами.

Впервые дало теоретическое обоснование снижения эффективности пылеулаэливения в вихревых пылеуловителях ^ ростом кон- • центрацки частиц во хедных сечениях сепаратора. Выявлено наличие принципиально раз ли-г Их режимов течения в аппаратах ВЗП в зависимости от разных значений определяющих параметров, что позволяет использовать вихревые пылеуловители в качестве аппаратов многофункционального тала.

На основе метода крупных частиц разработан численный алгоритм, позволяющий рассчитывать широкий класс сепараторов как , для малых, гак и для больших скоростей несущей фазы. С использованием метода дифференциальных приближений доказало, что по-

лученный вычислительный алгоритм устойчив для скоростей, характерных для пяда аппаратов химической технологии.

Для аппаратов со встречными закрученными потоками и калю-зийных каллеулоштелей разработана Методика штекерного расчета, связывающая актибиость :шле- и каллеудандииония со всеми основными определяющими параметрами. аыявлеко влияние дисперсных включений на структуру потока о гофрированных каналах, в частности получено, что:

эффективность каплеулавливания в плоских *алвзях выае, чем в осесимметричных;

2) наличие большого количества включений приводит к спрямлению потока, что значительно снижает эф£>ектниносгь использования жалюзийных сепараторов.

Для сепараторов мокрой очистки разработала математичес-' кая модель и метод расчета, позволявшие учитывать влияние большого числа факторов ь комплексе: заложенность газового потока в приемной камере скруббера Вентури, интенсивность обмена импульсом и массой между частицами твердой фяаы и каплями оро-шахщей жидкости, дисперсный состав жидкой и твердой фазы. На основе численного моделирования проанализировано влияние основных технологических параметров, характеризующих процесс села, да в скрубберах Вентури. Получены оптимальные значения дисперсного состава и объемного расхода орошаллщей жидкости, увеличивающие эффективность пылеулавливания в скоростных газопромывателях. ■

Практическая ценность работы состоит в создании методологии исследования процессов разделения в газодяоиврснмх средах и применении полученных результатов для рнХче^а^^й^М^'хй! вихревого и инерционного типа. Так, например, анализ распре- . деления концентрации частиц вдоль боковой поверхности аппаратов со встречными закрученными потоками позволил усовершенствовать конструкцию бункера для сбора уловленной пыли. Результаты исследования движения газокапелышх потоков в жалюзях позволили не только расширить представление о физических процессах, цротекадщих в них, но и выбрать оптимальные геометри-

ческие рздмеры курированных каналов. Разрпботатаде методы расчета скрубберов Вснтури ::оэвэляют оптиг'жзиров^.ть расходные характеристики сфчпагацей жидкости, лодавпеыой в конфуэорную часть сепаратора.

В процесс выполнения ре бота «втор сотрудничал со специалистами из различгаос ахадлмичаских и отраслевых институтов и, в частности, с Вычислительным центра« АН СССР • и ВНШАЭС. Результата этого сотрудничества явилось создание пакетов щ мздных .программ, внедренных в ряде институтов, подтвержденное соответствующими документами. По основкуы техническим рваенияй, напр&ьл'енным на модификации копстругцта з^хрззых и инерционных Сепараторов, получено 2 авторских зэчдетелл :гьа. Усовершенствованные конструкции вихрааых пылеуловителей внедрены на различных промышленных предприятиях, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Результаты, ¡¡служенные в диссертации, отражены в монографии академика РАН Р.И.Нигматулина. Результаты работы продолжают развиваться в трудах многих ученых, о чем свидетельствуют ссылки на труды ааторч.

Апробация работы.Основные положения и результаты работы докладывались и получил-' положительную сценку на Ш ВсесоюсноЯ научной конференции 'Телемеханические процессы разделения гзтерогйкогх систем" (>в, 1991 г.), Щ и У Всесоюзных семинарах "Современные проблем механики жидкаоти и газа" (Грозный, 19со г.; ¡'а:;угск, 1990 г.), Всесоюзной научно-практической конферосциь "Цути интенсификации производстве с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте" (Одесса, 1989 г.), Республиканской конференции по механике жидкости и газа (Ташкент,1989 г.), У1 Всесоюзной научно-технической конференции Минхиммаша СССР (Ленинград, 1988 г.), ТУ Всесоюзного совещания " Современные проблемм аэрогидродинамики" (Ед'л;оа, 1383 г.), Всесоюзных конференциях "Метод крупных частиц: теория и приложения" (Москва, 1986 г., 19Ш г., 1992 г.), Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 19БЗ г.), У Всесозной конференции "Ллро-

золи и их пстеен-жие в народном хозяйстве" (Юрмала, 1987 г.), Областном научно-техническом семинаре "Соверленствование к автоматизация технологии утилизации отходов, очистки сточных вод и газовых выбросов химических производств" (Черкассы, 1987 г.), У1 Всесоюзном съезде по теоретической и прикладкой механике (Ташкент, 1986 г,)» Всесоюзном научно-техническом семинаре "Унификация, перспективы разработки и осьоения сухих члеуловителей-циклонов" (Ыосква, 1986 г.), Всесоюзной конференции "Процессы и аппараты для микробиологических производств" (Грозный, 1986 г.). Итоговой научно-практической конференции "UD - Главыикробиопром" (Москва, I9bô г.), У Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и теплообмена я пути повьпеьпя эффективности энергетических установок" (Н 'рва, 1965 г.)« ¡И Всесоюзной научной конференции " Современные машины и аппараты химических производств" (Ташкент, 1983 г.). Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидродкнамлчо процессов кипения и конденсации" (Рига, 1982 г.), а также на научно-технических конференциях, проводимых в МИХМе (Москва, 1985 г., 1987 г., 1989 г.).Результаты реSoты обсуждались на семинарах академиков A.M. Кутепова, Р,Н.Кигматулина,Г.К.Петрова, ироф. А-Н.Ыррстска.

Структура и об-ьем работы.Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и прчложения; содержит 339 стр., включая ЗЧ стр. с рисунками и 31 стр. списка литератур. В работе 9M рисунка и AfO библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБО'Ш

Во вег.цании приведены основные сведения о работе, обоснована актуальность темы диссертации, указаны цель и новизна исследований, отмечена их практическая ценность.

В первой главе приводится обзор литературных данных,освещающих современное положение й области конструирования вихревых и инерционных сепаратороь. По.чрооно анализируются основные

теоретические подходы к решению рассматриваемых задач. Выявлен круг проблем, не нашедших достаточно полного отражения в существующих публикациях по данной тематике как в отечественной, так и в зарубежной литературе. На основе проведенного анализа литературных данных сформулированы основные задачи исследования.

Во второй глазе изложены основы феноменологического подхода к исследованию движения кногоскоростных континуумов в е::хревых пылеуловителях. В литературе, посвященной изучению сепарации твердых частиц в газодисперсных закрученных потоках, в основном исследуется случай малых массовых содержаний дис-' персной фазы в газовом потоке. Однако представляют большой интерес задачи, в которых массовое содержание частиц сравнимо с массовым содержанием газа. В этом случае из-за интенсивного взаимодействия между газом и частицами структура потока в аппарате существенно отличается от той, которая реализуется для малых содержаний дисперсной фазы.

В 2.1 на основе положений . ¿ханики многоскоростных континуумов выписаны основные уравнения движения газа с частицами с учетом взаимодействия между различными фракциями дисперсной фазы. Выявлен физический смысл слагаемых, входящих как в левые, так и в правые части исходных уравнений.

В 2.2 произведена к-чкретизация общих уравнений механики многофазных сред для случая движения газодислерсных закрученных потоков в областях прямоугольной формы. Поскольку рассматриваются течения с малыми скоростями = Ю + 20 ^ . характерными для работа с'ольггинсгва пнлеуловителей,то исходные уравнения выписаны в п]. Злижении несжимаемой жидкости:

I I , <■ » * . * * . Л I * / . X1 Г! Л '

1Г + ~5зГ" тг -3 " -

•О и.».,

и Ы 4 '

Эт«-, 9 29 У

а* а» а *и

* ^ Л.. ,

| -Го, V - I [I, * « 2,з

Здесь нижний индекс I «1,2,3 относится к параметрам газа, частицам, летящим вместе с первичным и вторичным пото-*ом, (X . Ч • ♦ ) - сся цилиндрической системы координат,

4) - давление в газе; * '¥ -, ; > ; - плотность

и пюекция вектора скорости на соответствующие оси координат, ^ . - интенсивность силового взаимодействия между фазами, 0^."*- интенсивность ыассоогедиа ыежду частицами различных фраг"к;Ч1 £ ц, - число Эйлера. _

.¡олучеьы соотношения для величин I. ^ и »3 . Сформулированы г[-аничные и нэ'.'лльные условия, ¿¡ока?■:.>'.;>, что в (¡их-рйвых пылеуловителях частице:««, отскочившими от боковой оценки сепаратора, можно пренебречь. В результате обезридмериеа-ния исходной системы уравнений вмести с граничными н начальными услозлвки било пoкaзaíio, «¡то для моделирования работы екуревьх пылеуловителей в качестве критериев подобия нужно использовать следующие величина: 21 к , Ей , 41"» , ,

о ^ Гл . а«*

К , ,14 , М и ¿епраьмегшо 1 еоне5 рич<кс-

кие параметры, характеризующее конструкцию ал .¡артй со встреч-кшм ¿снерученчыш потоками (£3:0. Здесь ЫгКг - чисяо Стоьса;

, М - I/.,часовое содержание частиц в первичном к ято-М , М - Сл...с>азмор1ше среди^лсхоедше скорости первичного и вторичного потока в подводящих патруб-

к ах.

В 2,3 рязработама модификация метода крупных частиц, позволяющая интегрировать уравнения несжимаемой жидкости. Суть модификации заключается в том, что на эйлеровом этапе для интегрирование уравнений движения несущей фазы льэуогся неявная по времени разностная схема:

и. р _р \

».4 б

• К я. д, / *•« . \

У я <>• - -■-( V _ р \

I,* « V »,4»«/« 4,4- '/а;

Г-Г" Г'-^Г'.Г"

ьъ/г. ~ да« *

* ——+ .л* ,

\ »4,4

♦ - £ . ^ Х = —- £, =

Остальные от^'л ингегрировшкя остаются зз изменения. Разностная система >г"\\внен,.-:Я на эйлеровом этапе решалась прч помощи неявного метода поименных направлений с итерациями по даьлению. Сходимость итерационного процесса устанавливалась численно. Показало, что итерации сходятся при 32 « 0.1 для & 0.006.

Глава Ь'! посвящена исследовании влияния режимных и конструктивных параметров на структуру взаимодействия газодисперСных потоков в вихревых пылеуловителях.

В 3.1 исследовано влияние геометрических размеров алпа-

ю.

рата на гидродинамику течения в рабочей зоне сепаратора. Показано, что с уменьшением радиуса ввода кьк перви^ис-го, те.х и вторичного потока уменьшается эффективность пылеулавливания ( ) в аппарате ВЗЯ. Найдены оптимальные размер подводящих патрубков, позволяющие для данной конструкции БЗЛ получать максимальное значение 1 при минимальном значении .

В 3.2 выявлены особенности газодинадаческой обстановки в аппаратах ВЗП в зависимости от дисперсного состава и массо-jro содержания части; во входных сечениях пылеуловителя."Показано, что при незакрученном вторичном потоке в рабочей зоне ВЗГ/ мояет формироваться зона возвратно-циркуляционного течения газа. Расположение этой зоны существенно зависит от концентрации частиц в первичном потоке. Если IK << I (ftt сг 0.0С4),

1м |м

то эта зона находится вблизи оси симметрии аппарата (рис.1), если tlt^^cs I, то зона отрывного течения располагается вблизи отбойной пайбк и боковой поверхности пылеуловителя (рис.2). Но" лучено, что при ч> I зависимость расстояния от отбойной шайбы до линий тока* частив ) является немонотонной. С уменьшением cL ( ct - диаметр частицы) от 600 мкы до 60 и к: ото расстояние уменьшается, дальнейшее уменьшений oL приводит к увеличению lv . Анализ результатов расчета показал, что v увеличением +tt ^ значение *2, уменьшается.

В 3.3 исследовано влияние кинематических характеристик потоков во входных сечениях аппарата на процессы разделения ь пылеуловителе. Анализ влияния безразмерных среднерасходных скоростей в первичном и вторичном потоке Н м . М, w показал, что структура течения в аппарате ВЗП практически не зависит от колебания расходов на входе в пылеуловитель. Выявлено оптимальное соотношение между расходами первичного и вторичного потоков , позволявшее получать максимальное значение для заданных чисел StlC , "ft , 4Н . Показано, что начиная с

К » 3.6 все частицы, иоступаюциэ в аппарат вместе со сто-stw

ричным потоком, достигают отбойной шайоы.

В 3.4 в целях исследования влияния кольцевых насадков на структуру течения газопылевых потоков в приосевой зоне была

Рис, I- Линии тока газа и частиц при малых содержаниях дисперсной фазы.

Рис. 2. ЛиЯии тока газа и частиц при больших содержаниях дисперсной фазы.

рассмотре;;з задача о взаимодействии дисперсного потока с тор-цоч пол/бесконечного цилиндра. м

Как показано на рис. 3,4 для закрученных потоков ( 4с » 0.25) перед торцом формируется зона возвратно-циркуляционного течения газа, которая захватывает мелкие (¿1 ~ 8 тем) частида. 1гфупные частицы г- 80 мкм), пролетая через »ту зону, отскакивают от поверхности торца и оттесняется в зону больших тангенциальных скоростей. Расчеты показали, что наличие кольцевых !1садков не только механически препятствует движению частиц в сторону исходного патрубка, но и так изменяет аэродинамику потока, что содержание частиц в ириосевой зоне уменьшается.

Глава 4 посвяцена разработке инженерных методов расчета к сравнению расчетных данных с результатами экспериментов.

В 4.1 подучены зависимости Ч от всех безразмерных определяющих параметров. На рис. 6 представлены кривые фракционной эффективности для вихревого пылеуловителя, конструкция, которого оптимизирована на основании проведенных расчетов ( —~ - расчет, о-оо - эксперимент) и для щютивэточного циклона (Мгй - эксперимент). Рисунок показывает, что эффективность сепарации в аппаратах ВЗЛ существенно выше, чем в циклонах, особенно при улавливании мелкодисперсной пыли. Из рис. следует, что с ростом запыленности газа, в подводящих патрубках эффективность пяпеочистки в аппаратах ЬЗЛ. падает. Обработка результатов бычислительного эксперимента позволила получить зависимость эффективности пылеулавливания от всех критериев подобия и следуицеи виде: ч , 1.6 ( 0.84 + 0.08 М..> (М^'Ч1*»«)" 0,06 ( К" )0'082

(4с" )0-1 ( 4- ,0.16 ( (0.58 , 44.4

Я ИТ

где Ь - длина аппарата, & - радиус ввода вторичного потока, **

В 4.2 разработана методика расчета основных конструкткг'.гых и расходных характеристик иихрешх л су ловите лей. Показ'«о, т-;о для достижения максимальной эффективности пылеулавливания

■¡Г-...... ........................... 1 ............... .................г—..............

.................Г" —у

"ЧЛ ; ^—

1; 1ГТ' .....'7*""". с1п 8 мкм

: 1 » ^ V

% 0

Рис. - 3 Линии тока газа и мелкодисперсных частиц вблизи : поверхности торца.

частиц.

уланливзшш.

¡

ко

m

i nc. о, Э^сиси^-сть эффектишогти пиль> п.авливапия о: и-сс-мпй концентр?;ц:п1 '¡истиц и аппарате

при др =г 2000 Па необходимо, чтобы ОС - 1.5 ♦ 2 (- соотношение расходов), радиус ввода первичного потока ( й, ) и . вторичного - были порядка ~ / 2 (Я - радиус ап-

парата), -6 + 1оИ , -К." - к" - 3.6. При-

км £1

ведены варианты расчетов вихревых пылеуловителей с различными габаритными размерами.

В 4.3 приведены схемы экспериментальных установок для определения поля скоростей и эффективности пылеулавливания в & каратах ВЗЛ. Для визуализации течения в аппарате ВЗП была создана гидравлическая модель сепаратора.

В 4.4 представлены модификации конструкции аппаратов ВЗП, позволяющие при тех же энергозатратах, что и у существующих пылеуловителей, получать более высокую эффективность пылеулавливания. Произведено конструктивное совершенствование ввода вторичного потока, предотвращающее срыв дисперсных частиц в выходной патрубок. Модификация узла разгрузки уловленной пыли позволила уменьшить вторично:" унос из аппарата. Изменение формы центрального тела уменьшило содержание частиц в приосе» вой зоне сепаратора.

/теория и

В главе о разработашчзычислительный алгоритм, позволяющие ' исследовать инерционное осаждение частиц в сепараторах сухой очистки.

В 5.1 развита ыатема. ;ческая модель, рассматривающая движение многофазных потоков с учетом сжимаемости несущей фазы. Учтено силовое взаимодействие частиц (или капель) не только с газом, но и между собой. Обсуздены вопросы пос шовки граничных условий для газа и частиц как на' твердых поверхностях, так и на входе и выходе из сепаратора. Показано, что для дисперсной фазы в осескмметричных конфузорных воздухоочистителях на оси симметрии существует особенность, в силу чего граничные условия для частиц сносятся на цилиндрическую поверх ость радиуса 0(1?») (Я - радиус критического сечения сопла).

В 5.2 при помощи введения новых независимых переменных 1 ' 1 (X, У), ^ Х,У) получена модификация метода крупных частиц, позволяющая рассчитывать течения многофазных сред а областях с произвольными граничили. Выписаны разно .ие

уравнения для всех трех этапов численного алмритиа. Определе-1Ш прогоночные коэффициенты нелинейного ¿.азностного уравнена для давления на эйлеровом этапе.

В 5.3 рассмотрен вопрос об устойчивости ьредлюяенной разностной схемы. Используя параболическую форму первого дифференциального приближения исходной системы уравнений получены ,ч«т-рицы коэффициентов алпрекеимяциэнной вязкости. Показано, что (г!".гаем>'н типа Р / ^ , где ос > $ Н , входя-г в правые

»сти диагональных элементов С001ветс:ьуацпу. матриц для пышных схем со знакам плюс, а для явних - о.) анафем минус. Носколь-ку при М << I Слагаемые д^иот оси;ъм>й «клад а величину диа-

(Л

тональных элементов, то исходя из уотойчинооти разност-

ных схем (условие положительности диагональных элементов) вышеуказанное обстоятельство для течений с милыми скоростями существенно ослабляет ограничения, накладываемые на шаг интегрирования по времени ьЬ . Выявлено, что из-за наличия итерационного процесса при интегрировании уравнений на Эйлеровом этапе существуют ограничения па ос . Расчеты показали, что неявная схема устойчива при ^/¿х ■ 0.1 для а, » 0.001.

В главе б не основе предложенной ¡¡¿-тематической модели й метода ^асчета выявлены особенности течения дисперсных сред в се. -р<> горах инз{щкэ!!н6'г"'ги?:а и произведена олтимзации конструкции шлью повышения объективности пыле- и каллеулавливания.

И 6.1 рассмотрено движение газа с частицами в двухступенчатом конфучорноы воздухоочистителе с центральным отводом пыли, с учетом отскока частиц от боковых стенок сепаратора. Использовалась четьрехскоростная, четырехтемлературная схема движения взаимопроникьлл'.к континуумов. Выявлено критическое значение числа , при достижении которого частицы не

вкчоде.и? ка стенки воздухоочистителя. Показано, что распределение массовой концентрации дисперсной фазы как по длине, так и П) с с. с.-нзд сепаратора является суцес-гнепно немонотонным. Определен рззме;. частиц, которые при отскоче от Зоновой стенки аппарата доле'Л'адт до первогодки, эт.-шаюте* от нее и снова возврецц-адя-ся и иочок. На осн&зе результатов расчета п?лучено

уравнение для щюфиля ихоцного участка воздухоочистителя, позволяющее осуществлять максимальное рассеивание частиц, отскочивших от перегородки-в центральной части сепаратора. Также определены оптимальные размер входного участка второй сту- • пени и расстояние -между входным соченной второй ступени и критическим сечением соила первой ступени. Для подтверждения адекватности предложен»! >й математической модели физике рассматриваемой задачи оыли .1ривсдины ерньнсния с известными теоретическими и экспериментальными данными. Результаты сравнения приведены на рис. 7-10. H.i рис. 7 сплошная и пунктирная линии -теория, утрих-пунктир - расчет. На рис.о пунктир - данные работы И.сакоьой H.H.. На рис. 9 кривые 1,2,3 соответствуют

К - O.Otí, О.з, 0.9; а на рис. Ю штрих-пунктир - резуль-Tc.Tti Лирум>аа У.Г.

В й.2 численно иссле^очана структура газожидкостных по-tokí.'S в плоских и асимметричных гофрированных каналах (жа-аозях). lia рис. II '.оказано, чм эффективность сепарации капель и плоских каналах ьыао, чем в осесикметричных в силу того, что ь последних вниз по потов/ в длнных областях возникают вони возэра?но-цирку*м';лоннсго течения газа, препятствующие осаждению капель на стснки кадлла. И.» результатов, приведенных на рис. 12 следует, что с уволичгнчем (иыплитуды колебания боковой поверхности жашээей возрастает количество вихрей в данных областях канала. Это приводит .ч сущестеенноцу возрастанию коэффициента гидравлического сопротивления и, как следствие этого, к росту энергозатрат на проледенив очистки в жальаях этого типа, Исследование влияния различных оез-pt.jmcr^v определяющих параметров позволило определить оптимальный профиль канала, а также размер и ыасиоьую концентрации хападь в .стоке, для которых использовали? жащозийннх насадков наиболее чффектип"о. Настроена номогроша, при ас-мощн которой дл*' капель,с заданными физико-химическими свойст-BíiMK, аожго найти длину CaHiU«, позволяющую проводить очистку в газодидхостны^ потоках с вффйктиг.иостью равной 100%.

В 6.3 построена математическая ыодвль покрой очистки

с ?

ол 0.8

02

✓ г*— ч. ч \

/ У /

Г / / 1 \\ \\

1 1 1 \\

р

I

¡.к и

--—- . ч о»

Х»9 V

0 г/а

Рис. 6. Распределение давления в критическом сечении сопла.

0.2 0-4 0-6

О-8 Р /«

—/О

♦г

Рис. 7. Зависимость расхода от перепада

■51 к

0.8

3

1 <

Л \

Рис. 9. Распределение скорости газа вдоль оси симметрии сопла.

Рис. 10. Распределение давления и температуры (Мвдоль оси симметрии сопла.

ч

C i ¿ Л H

Pue.II. Лишш юка гага u капель s плоских ü оо«съш-

I t

JPao.l?. Ctpyiecjpa гасикрпмкного дох ока > roip*pos8H¡i¡¿t кашах { j.

tn. „ .o .an

cl - Рим

дисперсной примеси в скрубберах Вентури. В качестве исходных уравнений использовалась трехскоростная, трехтемпературнал схема течения взаимопроникающих континуумов. Использовались обычные для механики мнофазных сред допущения, в частности: смесь полидислерсная (двухфракционная), т.е. диаметр частиц твеццой фазы - (1 . , диаметр кш:ель орошающей жидкости -(I (А > А ); частиде! обеих фракций несжимаемы и имеют сферическую форму; деформация, дробление и испарение капель отсутствуют; столкновение частиц и капель одной фракции между собой не происходит, в то же время имеет место столкновение и прилипание частиц разных фракций. При таких допущениях система дифференциальных уравнений, описывающая нестационарное движение полидисперсной газовзвеси с учетом процесса столкновений и прилипания частиц разных фракций имеет следующий вид:

^Ъч- О* - 3 (5 - 21 ) Л 32, < ♦ . 1,2,3)

З^Г

>у . -2,3)

4 4 12

Эз.7

п

Зз е

¿г- - -(з-Л Л

(.1-1)

•и-1)0..

21.

s

z i»i

^♦v^E.'lfKb^V^

^ fo. i -2.3 ^ \l. i - I

Верхний индекс to - индекс суидирования по коорцкна*-юм осям, нижний нцдекс i т 1,2,3 - относится к параметрам газа, капель и твердим частицам, ^ 32 ~ интенсивность переноса массы мелких частиц (3-я фаза) в результате их прилипания к каплям (2-я фаза) в единице объема смеси за единицу времени; ^32 ~ функция, учитывающая интенсивность исчезновения медких'частнц в результате ux прилипания к каплям в единице объема за единицу времени; - число частиц (или капель) в единица объема, С. , Е - внутренняя и полная энергия i -ой фазы. *

В качестве замыкапцих соотношений использованы следующие ур&зденнл состояния и законы взаимодействия фаг:

f*s(*-i)e , VJv - Д eC0*sl ((»<.

С = С ' С. - CO*vst ) ■ « 1 * i / »

? • 0.Т5 S С tl .

«j * * « J ' * 4 4»

г к ь „ 9 |t? - V." I Ц.

.0=681 Mit. 11; - T)/I d* t Wu.. i*o.eßeM'h"

m 4 v t </ i j ' u »

s° t

А,)'л.. ,

I м-о.^Ее,, г (а/аД ,

л ' ■ . а,«»:

с

Ййи . 3 с1 ¡V

а - 7-- гг , ЗЫ =

(Б^* 0.8.5) *»

Здесь - динамический коэффициент вязкости и

коэффициент поверхностного натяжения воды.

Результат вычислительного эксперимента позволили определить расход орошающей жидкости, при яитэром не происходит перекрытие цуполом капельной влаги проточной части скруббера Вентури (рис. 13). На этом рисунке сплошные линии - линии тока газа, точки - линии тока частиц, кружочки - лики»; тока капель. Рис. 14 (1,2,5-^ ш 120 мкн, 130 ыкм, 300 мка) показывает, что в соплах Вентури существуют две характерны? области, в одной из которых концентрация частиц на боковой стенки больше, чей на оси сопла, а в другой - наоборот. С уменьшением линия, разделяющая эти две области, смещается в сторону входного сечения сопла. Установлено, что распределение частиц в критическом сечении скруббера является существенно немонотонным. Как показано в работах А.Й.Вальдберга я др.,одним из основных критериев, характеризующих работу скрубберов Вентури,является . параметр 32« Расчеты, проведенные дяа различна 32 , . позволили подучить зависимость вффективнссти пылеулавливания от числа 22* Согласование расчетных и экспериментальных данных, приведенных на рис. 15, говорит сб адекватности предложенной математической модели физике рассматриваемой задачи.

I «О

Рис. 14. Распределение конценхрации частиц 's скруббере Венхури.

ъУ*

&0 60 40

20

0

/ } 3

у / /2

/ с.,, 4

0.5

и

п

и

32

Рас.15, Ьа*исииосгь г;,*эк';алиооги кыдеулав-д^ьгшя ох чаала Сгокса.

1 - расчёт кт - 0.1 )

3»

2 - экспериментальные данные Л.Ю.Впльдберга

3 расчет

а )

^ключ^н'-а

основе аыг.элнекии-* агт п.ом исследований в ргботе сформулированы и обоснованы иду-гны^ положения, совокупность которых мох*г» квалифицировать к-.* »свое перспективное направление в гидродинамике процессе я ¡.-ал,-*-.«ния дисперсных сред, связанное с разработкой газодикта;'чсских методов расчета сепарации твердых частиц в пылеулз отелях гихревого и инерционного типа.

Основные результата и выводы работы следующие:

1. На основе теории тааимопронлкаюдих континуумов созданы математическая модель и ><^£од расчета, позволяющие решить круп-нут научну» ¡¡роб/.ому, им е югу к валкое народнохозяйственное значение, а именно: по умение ^'-;ективности пылеулавливания в су; щестеуыщих ькхисеь'х и инери,й.пшых сепараторах мелкодисперсных

• частиц боль.'-их содеркалиях твердой фазы.

2. Определены оптимальные соотношения между геометрическими размерами опллрлтоо со -точными закрученными потоками (ВЗЛ); уегановкно, что б зависимости от различных содержании взвесенной фазы в подводящих патрубках, в рабочей-зоне аппарата В3!1 могут возникать принципиально отличающиеся друг от друга режимы течения.

3. Выявлено, что наличие кольцеых насадков, расположенных перпендикулярно оси симметрии аппарата В311, препятствует движению дисперсной фазы в сторону выходного патрубка; при; этом крупные частицы оттесняются в сторону больших тангенциальных ск.'рогтей г ал о 1.о г о ;:отока, а мелк. э-вовлекаются в зону возвратно-циркуляционного движения, расположенную вблизи торцевой поверхности насадка.

4. Разработана методика инженерного расчета аппаратов ВЗП, позволяющая определяв значения основных конструктивных и рас-ходлмх хар^-''еристик вихревых пылеуловителей, а также аналитическую зависимость между эффективности пылеулавливания и критериями нодозия, моделирующими работу пылеуловителя. Полученные распределения концентрации частиц вдоль боковой поверхности аппарата ВЗП позволили определить оптимальнее размеры .ольцеьой щели для отвода уловленной пыли в бункер пылеуяози-

тг-ля. результаты сраьнения экспериментальных и расч^тш.» дл* ■ пых показали адекватность преложенной математической мп\елг. физике рассматриваемой зздачн.

На осноье численного мото.-.а крупных частиц ризрлб.>1'«пы вычислительные алгог иташ, моэьолиюцие проводить расчет :-¡динамических параметров многофазных потоков в об пастях сложно?

11ри помощи метода диффи{< .щи.-'льных приближений доказан» ..отойчивость разработанных алгоритмов в широком диапазоне изменения скоростей газового потока. Шказгаю, что для больших (транс- или свер*аву! •«вых) скоростей г (за .цедпочтительной пользоваться явными 4>аоностними схимямл, д.г.л малых скоростей -нижними схемами.

6. Остановлено, что при движении газовзве^ей а ияарциотшх пылеуловителях частицы, отскочившие от тверднх поверхностей существенно влияют на структуру потока, "оказано, что распределение суммарно Л концентрации частиц вдоль боковой поверхности и оси снуле-рии, а также в произвольном сечении сулящейся ■груби, имеет немонотонный характер. Получено, что частицы диаметром ¿<10 мкм в скаком диапазоне изменения массовой концентрации частиц на входе в сепаратор не достигают боковой поверхности.

7. На основе методов механики полидиспорсньх ¡¿огонов проведен вычислительный эксперимент по о'ц.еа.ел<.'!:Иъ: влияния у а с совой концентрации частиц ьо входном сечении $рубс*ра Втигури на гидродинамику газожидкостниго- потока у лонфуэорной и дкй>/зор-ной части скоростного гаэоьромызатга*. по.'умнл дояиодж'п» эффективности с чистки от пиличины .чи^.тешоетн • х$..-еого ш^ка яри фиксированном расходе капельной йдч.'й. <):ця}Дилена зеиз. интенсивного налипания частиц на капа* ороааюцея личности. ¡Ъи'ч-лено оптимальное количеств^ капельной или'",« рнспкклздой -¡чд'пета для очистки газонылевык оюков с бедьпл*» ку-до ржаном твердой фазы.

8. На основе вычислительного экс{<ерк-:е:>?г» получена гидродинамическая структура газокапельныч поте-, в плоских и осесимметричных кан<гр.>-: (жаиозях). ЬьЯялено, что {-¡с-

пределениа продольной составляющей скорости гадь в поперечных сечениях жалюэей имеет существенно неоднородней характер. Показано, что для более эффектны!jro осаждения капель на боковые стенки канала предпочтительнее использовать плоские жалюзи,

9. Установлено, что с ростом массового содержал».* колель во входном сечении канала и уменьшения их диаметра по мере у о.-' личения расстояния от входного сечения а дмия-'х областях жьж-зей формируются зоны воэвр^гно-циркуляциокного течения газа, препятствующие осаждения капель. Определены порогоп.^е значения физико-химических параметров капельной влаг.4, начиная с которых, использование жапюзеЯ становится неэффективным.

Ю- На основе многочисленных расчетов движения газожид-костиых потоков в гофрированных каналах с произвольной образующей было найдено уравнение боковой поверхности жалшей, позволяющее увеличить коэффициент осатдения купель на твердую поверхность. Получено оптамалн'ое соотютание меяду амплитудой колебания боковой поверхности и шириной канала. Построена номограмма, при помощи которой для заданной начальной концентрации и диаметра капель можно получить минимальную длину жа-• люзей, в выходном сечении которых содержится наименьшее ¡оли-; чество капельной жидкости.

II. Достоверность полученных в работ» результатов обеспе-1 чивается их хорошим согласованием с экспериментальными данными. Зто свидетельствует о приемлемости использования разработанных в работе методов расчета сепарации твердых частиц в пылеуловителях вихревого и инерционного типа.

; ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основные результаты диссертации опубликованы в 37 печат- ' ных работах, главными из которых являются следующие: .I. Щургальский O.S., Еникеев И.Х., Коленков В.Л., Костин A.B. Математическая модель взаимодействия запыленного газа со струей .жидкости в контактном аппарате //Совершенствование конструкций машн и аппаратов химических производств. - М, : ШХМ, 1982. . 2. йролов Е.В,, Щургальский 2.»., Еникеев И.Х., Шитиков Е.С. Математическое моделирование процесса сепарации твердых частиц

в пылеуловителях со встречными закрученными потоками. // Современные мйпины и ал :арати химических производств. "ХИМ-ТКХНИИА - 83я - Тмак*мт. 1983.

3. И^'ргальскиЯ Э.О., Еникеев И.Х. Расчет двухфазной аахручен-ной струи в сужащсисл канале, // Современные проблемы газодинамики я теплообмена и пути повышения эффективности энергоустановок. -Ы., 1586.

4. ¿><икеев И.Х., Цургальский Э.й. Закрученнш потоки смесей газа с частицами в каналах сложной геометрии. // Тез. докл. мтлмьой научно-практической конф. "МУ - Гдавыикробиопром", И., 1986.

о. Щургальский Э.4.» Енккеео И.Х. О сепарации частиц в вихревых пылеулавливающих аппаратах. // Процессы и аппараты для микробиологических производств. - Биотехника - 86, Грозный, К66.

6. Цургальскпй Э.Э., Коленков В.Л., Бшкеео И.Х. Исследование и методика расчета аппаратов со встречными закруче'асыми потопим^. // Тез. докл. Всесоэного научно-техн. семинара Унификация перспективы разработки и освоения сухих пылеуловителей-циклонов - Ы., 1986.

7. Еникеев И.Х., Полянский В.А., Щургальский 3.0. Численное исследование взаимодействия двухфазных закрученных потоков в цилиндрических каналах сложной формы. // Тез. докл. б-ого Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной мехенике.-Ташкент, 1986.

8. Щургальский (¡олянский В.А., Еникеев И.Х. Гидродинамика взаимодействия двухфазных закрученных потоков в ци- ' лк»!дрическкх каналах переменного сечения. Л Современные проблемы механики жидкости и газа. - Грозный, 1986,

9. Щургальский , Еникеев И.Х. О влиянии конструктивных параметров вихревого ¡еулавиталя на гидродинамику взаи- . модействия двухфазных зикручоиных потоков. // Конструирование, исследование машин, аппаратов и реакторов химичос-кой технологии. - М.: МИХМ, 1986.

Ю- Еургальский 3.0., Еникеоь ¿'.X. О гидродинамическом подобии ' двухфазных закрученных ,;:.-.?окоо в вихревых пылеуловителях./^ Тос-р. осн. хим. техн., T.2I, №3.

11. Еникеев И.Х., Шургальекий 3».iS. 0 влиянии частиц на взаимодействие двухфазных закрученных потоков з осесикиетричных каналах. // Из в, ДН СССР, IS87, К 4.

12. Костин A.B., ШургальашЯ Э.5., Карепанов С.К., Еникелв И.Х. Совершенствование аппаратов мокрого типа для очистки ¡шло-ьы* выбросов в производство минеральных удобрений. // Совершенствование и автоматизация технологии утилизации от- . ходоь, очистки сточных вод и газовых иыбросоз химических гцюизводств. - Черкассы, 1987.

13. Енинеев И.Х., Щургальский Исследование пылеулавливания а аппаратах со встречными закрученными потоками в условиях интенсивного теплообмена между газом й частицами. // Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве. - Срмала, 1987, T.I.

14. Еникаер. И.Х., Кузнецеsa 0.i., Полянский В.А., Еургальский Э.й. Математическое моделирование двухфазных закрученных потоков модкфицироьанмим методом крупных частиц. / /Ж. вы-числ. матем. и матем. фиа., 1968, Т.28, # I.

15. Шургальский Э.в., Полянский Б.А., Енккеег И.Х. 0 влиянии тепломассообмена мехду газом и частицам»: ,ча взаимодействие -двухфазны,- закрученных потоков в каналах переменного сечения. // Тез. докл. Минского ыегдународного форума, Минск, 1088.

16. Полянский В.А., Еникеев И.Х., Шургальский 3.4. Некоторые результаты численного моделирования газодинамических течений в каналах сложной формы./ /Изв. АН СССР, МЖГ, 1988, ; Ш 4. ^

17. Шургальский 3.2., Полянский В,А., Еникеев И.Х. Численное исследование теплообмена между газом и частицами в аппаратах со встречными закрученными потоками. .// Повышение г-ффеитиЕности технологических процессов и оборудования • в текстильной промышленности и производство химических

волокон и разработка оиотем пылеулавливапия. - Москй'., 1988.

18. 1^ургальскиЯ Э.Ф., Еникс"'.-» Ü.X.. Д.'лпле>!зд Н.Э. Повыпенио эффективности ¡.ылчулчвдииания вихрепогэ г^леуловителя. // Ргсчет и Koi:cvpynpo».'Ji:io биотехнической аппаратуры. - Москва, 1988.

19. Карепанов C.K., ¡Цургальскнй У.Л , Еникеев И.Х. Анализ группой« систем пылеочистки ДЛЯ Г! vi личных способов компановки единичных пылеуловителей./ /Дом. ВИНИЛИ, № 1765, 1967.

20. Еникоов И.Х. Расчет трехфазных точмшй п сопле Лаог.ля методой упных частиц. // Сонременкыв проблемы ыихинихи яидкости и газа. - Иркутск, 1990.

21. ¡Цургальский 3.£., Кникеев И.Х., !1етроа ИД., KojcnaHOB C.K. Расчет трехфазных течений в аппаратах со встречшии закрученными потоками. // Расчот и конструирование ал:.аратов для разделения дисперсных систем. - М.: ШХМ, 1990.

22. Давыдов Ю.М., Еникеев И.Х., Нишатулин Р,И. Расчет обтекания затупленных тул потоком гада с частиц; см и с учетом влияния отраженных частиц на теч.ьие газовзвеск. // !йШ>, 1990, » 6.

23. Еникеев И.Х. Расчет сушки влядлих частиц в аппаратах со встречными закрученными потокади. // И^Ж, IS9I, T.6I, $ 5.

24. Еникеев И.Х., Еургольский Э.Ф. Некоторые особенности взаимодействия двухфазной закрученной струи с плоской преградой. // Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем. - Тамбов, 1991.

АВТОРСКИЕ СКЩЕ'ГЁЛЬС'ГОА

1. A.c. 1526834 (СССР). Вихревой пылеуловитель / Н.В.Дздиленко, А.В.Костим, З.й.Щургальский, Й.Х.Е^шиевв, С.К.Карепйнов -

• Опубл. в Б.И., 1989, № ь

2. A.c. I6272I9 (СССР). ВихревоЧ пылеуловитель / Э.Ф.Щургальс-кий, И.Х.Вжкеев, Н.В.Даниленко, С.К.Карепанов, В.А.Боджо-ляи. - Опубл. в В.И., 1991, № 6.

>