автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Сепарация аэрозольных частиц в циклоне вихревого типа

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

В В Е Д Е Н И Е.

Глава I. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИНЕРЦИОННОЙ СЕПАРАЦИИ ПЫЖ

В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ.

1.1. Профили скоростей газового потока в возврат-нопоточном циклоне.•.II

1.2. Движение частицы в рабочей полости циклона.

Глава 2. МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ГАЗА В ВОЗВРАТНОПОТОЧНОМ

ЦИКЛОННОМ АППАРАТЕ.

2.1. Круговые вихри

2.2. Гипотеза существования упорядоченных парных вихрей в нисходящем потоке г£за.

2.3. Экспериментальная проверка предложенной гипотезы.•.

Глава 3. СЕПАРАЦИЯ ЧАСТИЦ В ЮЗВРАТНОПОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ.

3.1. Влияние коагуляции на процесс сепарации.

3.2. Влияние вторичных вихрей на сепарацию в циклоне.

3.3. Разработка циклона вихревого типа.«.

Глава 4. ЦИКЛОН ВИХРЕВОГО ТИПА.

4.1. Конструкция и принцип работы.

4.2. Лабораторная установка и методика проведения экспериментов *.

4.3. Гидравлическое сопротивление аппарата.

4.4. Определение эффективности пылеулавливания в вихревом циклоне.

4.5. Влияние на гидродинамику потока в циклоне вращающегося кольца чистого газа.

Глава 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

5.1. Описание опытно-промышленной установки.

5.3. Результаты опытно-промышленных испытаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Для выделения из газов аэрозольных частиц, представляющих собой продукт производства или выбросы, загрязняющие окружающую среду, наиболее часто в качестве первой ступени очистки используются широко известные возвратнопоточные циклоны, прямоточные сепараторы и вихревые аппараты. Сложность гидродинамических явлений, происходящих в таких аппаратах, до сих пор не позволяет однозначно подойти к их расчету и выбору.

Изучение аэродинамики двухфазного потока в аппаратах центробежного типа с целью более обоснованного подхода к инженерной методике их расчета и конструктивного оформления высокоэффективных аппаратов для очистки газов стало одной из важнейших общегосударственных задач [ 30] .

Это послужило поводом для более подробного изучения движения газового потока в возвратнопоточном циклоне.

На основании проведенных исследований предложена и экспериментально подтверждена физическая модель циклонного процесса, основанная на том, что в нисходящем по винтовой линии газовом потоке имеются упорядоченные парные вихри, движение которых накладывается 4 на основной поток, что приводит к образованию "опасных" зон, через которые становится возможным выброс в выхлопную трубу довольно крупных частиц.

В результате теоретических и экспериментальных исследований таких вихрей в возвратнопоточном циклоне предложена зависимость для расчета интенсивности вихря от осевой составляющей скорости потока и дифференциальные уравнения движения частиц в "опасных" зонах.

В результате численного решения предложенных зависимостей на ЭВМ "Искра - 1256" методом Рунге-Кутта получены величины диаметров частиц при различных геометрических размерах аппарата, которые выносятся через "опасные " зоны в выхлопную трубу.

Подробное рассмотрение новой модели движения газов в воз-вратнопоточном циклоне позволило разработать новую конструкцию циклонного аппарата вихревого типа со вторичным потоком чистого газа £ 75J , в котором создаваемый вращающийся кольцевой поток чистого газа препятствует проскоку пылевых частиц через "опасные" зоны нисходящего потока газа.

Промышленные испытания новой конструкции, проведенные на Сланцевском цементном заводе во втором сырьевом цехе, показали целесообразность использования таких аппаратов.

Предложено использовать новый циклонный аппарат вихревого типа в качестве четвертой ступени запечного суспензионного теплообменника для очистки отходящих газов после обжиговой печи. Причем, вместо вторичного потока чистого газа в данном случае необходима подача паров воды, так как это улучшает степень декарбонизации сырьевой муки [ 20, 51 ^ , что позволяет значительно увеличить цроизводительность действующих печей, работающих по сухому способу.

Работа выполнялась в соответствии с открытым Координационным планом АН СССР по проблеме " Разработка высокоэффективных способов улавливания аэрозольных частиц" на 1981- 1985г.г., код 2.27.4.1.7.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Доказана предложенная гипотеза о существовании в аппаратах циклонного типа упорядоченных парных вихрей, влияющих на эффективность очистки пылегазовых потоков.

2. Использование полученных уравнений с учетом упорядоченных парных вихрей в гидродинамической картине потока аппаратов центробежного типа позволяет определить выносимый диаметр частиц в зависимости от геометрических размеров аппарата, плотности частиц и вязкости газа, а при известном дисперсном составе частиц на входе в аппарат определить действительную его эффективность.

3. Такой подход к физике явлений, происходящих в циклонном аппарате, позволяет оптимизировать конструкции центробежных аппаратов за счет снижения выбросов аэрозольных частиц через опасные зоны нисходящего газового потока введением вторичного закрученного потока в количестве до 10$ от основного потока.

4. Предложенный вариант конструкции нашел промышленную реализацию для очистки газов сырьевого цеха цементного завода.

5. Использование новой конструкции с подачей паров воды в качестве четвертой ступени суспензионного теплообменника позволяет увеличить степень декабронизации сырьевой муки и производительность печей производства клинкера сухим способом.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: Наука, 1976, 888с.

2. Алиев Г.М.Л. Пылеулавливание в производстве огнеупоров. -М.: Металлургия, 1971, 224с.

3. Балуев Е.Д., Троянкин Ю.В. Исследование аэродинамической структуры газового потока в циклонной камере.- Теплоэнергетика, 1967, $ I, с.63.

4. Банит Ф.Г., Мальгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов. -М.:Химия, 1979, 352с.

5. Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса., -М,: Химия, 1974, 688с.

6. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в хими-• ческой технологии. 2-е изд. -М.: Химия, 1975, 576с.

7. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. -Л.: Химия, 1977, 278с.

8. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами.-М.: Мир, 1975, 378с.

9. Ведерников В.Б., Пеньков Н.В., Полыновский Г.Б., Савицкая Л.Ф. Влияние отношения диаметра выхлопной трубы к диаметру циклона на эффективность пылеулавливания при различных критериях стокса. -"Тр.уральск. Н.-И.Хим. ин-та", 1979. №48, с.П-12.

10. Белецкий Р.К., Гринина H.H. Измерение параметров пылегазовых потоков в черной металлургии. М.: Металлургия, 1979, 80 с.

11. Вышенский В.В., Кочетков О.П., Троянкин Ю.В. О влиянии вращения частиц на их движение в циклонной камере. В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. - вып.II, Алма-Ата.: Наука, 1976, с. 32

12. Газоочистное оборудование. Циклоны.-М.: Цинтихине-фтемаш, 1977, 24 с.

13. Гтфанов Н.М., Овчинникова A.A., Николаев H.A. Вихревой пылеуловитель с двойной зоной очистки. Промышленная и санитарная очистка газов, 1983, В 4, с.7.

14. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Контроль пылеулавливающих установок. -М.: Металлургия, 1973, 384 с.

15. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии. -М.: Металлургия, 1973, 456 с.

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

17. Дергачев Н.Ф. Мокрые золоуловители системы ВТИ. -М.-Л.: Госэнергоиздат, i960, 96 с.

18. Дерягин Б.В., Духин С.С. 0 движении аэрозольных частиц в поле диффузии. ДАН СССР. 1956, Т. 106 5,с. 851-854.

19. Другов Ю.С., Беликов А.Б., Дьякова Г.А., Тульчинский В.М. Методы анализа загрязнения воздуха. -М.: Химия, 1984, 384 с.

20. Дуда В. Цемент. -М.: Стройиздат, 1981, с.365

21. Ершов АИ. ,Плехов И.М., Бершевич А.И. Новые конструкции сепараторов для очистки промышленных газов. Обзорная информация. -Минск: БелНИИНТИ, 1973, 36 с.

22. Жуковский Н.Е. Полное собрание сочинений. Т.2 -Гидродинамика. -М.-Л.: ОНТИ. НКТП СССР, 1935, 357 с.23. Заявка 3105676 (ФРГ)

23. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. изд.2-е - М.: Машиностроение, 1975, 560 с.

24. Исаков ВП., Федоров В.Н., Сугак Е.В. Аппараты з^лавлива-ния высокодисперсных частиц. тез. докл.III Всесоюз.научн.конф. "Современные машины и аппараты химических производств. - Химтехника -83", часть 5, Ташкент 1983, с.3-4.

25. Исаков В.П., Соколов В.Н., Федоров В.Н., Бушков М.Д., Шопин В.М., Супонев К.В. -A.c. СССР № 1007706, опубл. в Б.И., 1983, № 12.

26. Исаков В.П., Федоров В.Н. О возможности увеличения степени очистки газов в циклонах. В сб.: Процессы переноса в гетерогенных системах. - рук.деп. в ОНИИТЭХИМ, гЛеркассы, IS 916хп-Д83, с.109 В 114.

27. Исаков В.П., Федоров В.Н., Сагал Л.М., Шенкер С.И. Вихревой циклонный аппарат. -Промышленная и санитарная очистка газов, 1984, № 3, с.II

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

29. Конституция (Основной закон) Союза Советских Социалистических Республик: М.Политиздат, 1977, 62 с.

30. Косой Г.М., Сапешко В.В. Динамика движения твердых частиц во вращающихся турбулентных потоках жидкости. Теор.осн.хим.технологии, 1980, 14, Je 3, с.452-456.

31. Коузов П.А., йофинов Г.А. Единая методика сравнительных испытаний пылеуловителей для очистки воздуха.1. Л.: ВНШОТ, 1967, .с.

32. Коузов П.А., Основные методы дисперсного анализа промышленных пылей и измельченных материалов.-Л.: Химия, 1971, 280 с.

33. Коузов П.А. Сравнительная оценка циклонов различных типов. в кн.: Обеспыливание в металлургии.-М.: Металлургия, 1971, с.185-186.

34. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности.-Л.: Химия, 1982, 256 с.

35. Коузов П.А., Скрябина Л.Я. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей.-JI.: Химия, 1983, 144 с.

36. Кочин H.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. -М.: Физматгиз, 1963, с.

37. Кропп Л.Д. Бронштейн А.Ш. Эксплуатация батарейных циклонов.-М.: Энергия, 1964, 152 с.

38. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамикии их математические модели. -М.: Наука, 1977, 408 с.

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

40. Лассан В.Л. Измерение угловых скоростей. -M.: 1970, с.

41. Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. -Л.: Химия,1980, 232 с.

42. Максвелл Дж.К. Избр. соч. по теории электромагнитного поля, пер. с англ. М.,1954, с.

43. Медников Е.П. Вихревые пылеуловители, обз. инф„-М.: ЦИНТИКимнефтемаш, 1975.

44. Милн-Томсон Л.М.Теоретическая гидродинамика.-М. : Мир, 1964. 656 с.

45. Обзорная информация. Промышленная и санитарная очистка газов. Атлас промышленных пылей. серия Хм-14. -МД980, 48 с.47. Патент 4394138 (США).48. Патент 138737 (ГДР).

46. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. -М.:Стройиздат,1981, 296 с.

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

48. Полякова Т.Н., Грапянов В.М., Исаков В.П., Федоров В.Н. и др. полож.решение Госкомизобретений от 27.09.8по заявке J& 3592279/29-33.

49. Потапов О.П., Кропп Л. Д. Батарейные циклоны.-М.: Энергия, 1977, 152 с.

50. Прандль Л. Гидроаэромеханика.-М.:ИЛ, 1949,520 с.

51. Промышленная и санитарная очистка газов и аэрогидродинамика промышленных аппаратов. сборник статей. Ярославль: Верхне-Волжское изд-во, 1975, 144 с.

52. Рабинович В.Б., Дьяков В.В., Платонов A.M., Рожнева В.К. О вторичных течениях в сухих циклонах. -Промышленная и санитарная очистка газов, 1983, Jß I с.З

53. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей (перевод с англ. по ред. Б.И.Соколова).- Л.: Химия,1982, 592 с.

54. Романков П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Массообмен-ные процессы химической технологии. -Л.: Химия, 1975, с.

55. Русак О.Н., Милохов В.В., Борьба с пылью на деревообрабатывающих предприятиях. -М.: Лесная промышленность, 1975, 152 с.59. !Русанов A.A., Урбах И.И., Анастасиади А.П. Очистка Дымовых газов в промышленной энергетике. -М.: Энергия, 1969, 456 с.

56. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике.-М.: Гостехиздат, 1954. 323 с.

57. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1-2 2 М.: Наука, 1983, 528 с.

58. Сиденко П.М., Измельчение в химической промышленности. М.: Химия, 1977, 368 с.

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

60. Coy С. Гидродинамика многофазных систем пер. с англ. (под ред.М.Е.Дейча) - М.: Мир, 1971, 536 с.

61. Справочник по пылезолоулавливанию под общей ред. А.А.Русанова -М.: Энергоатомиздат, 1983, 312 с.

62. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металллургии. М.: Металлургия, 1977, 328 с.

63. Страус В., Промышленная очистка газов, -пер. с англ.-М.: Химия, 1981, 616 с.

64. Сутак Е.В. Разработка и исследование конденсационного центробежного сепаратора. дис. канд.техн. наук.- I.; 1982, 147 с.

65. Туницкий Н. О коагуляции полидисперсных систем.-Ж. эксп. и теор. физики, 1938, т.8, J& 4, с.417-424.

66. Успенский В.А. Теория, расчет и исследования ввхревых аппаратов очистных сооружений. Автореф.на соиск. учен. степ, доктора техн.наук.-М.,1980, 33 с.

67. Успенский В.А., Мошкина 1.Д., Сахарова В.В. Теория и расчет вихревого аппарата. ТОХТ II, 1977, Jfe 3 с. 417 - 422.

68. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. -М.: Химия, 1975, 216 с.

69. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. -М.: Химия, 1981, 392 с.

70. Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (GH-369 -74) М.: Стройиздат, 1974, 41 с.

71. Федоров В.Н., Исаков В.П., Сагал Л.М., Соколов В.Н. Циклон.-А.с. СССР JS I0I27I 1983 - опубл. в Б.И., 1983, № 14.

72. Федоров В.Н., Исаков В.П., Козловский A.B. Гидродинамика возвратнопоточного циклона, -деп. в ОНИИТЭХИМ г.Черкассы, В 644хп-Д84, с.113-119.

73. Федоров В.Н., Исаков В.П. Оптимизация конструкции циклонного сепаратора. Тез.докл.Второго Всесоюз. совещания-семинара молодых ученых " Методы кибернетики в химии и химической технологии", г.Грозный, 1984, с.71

74. Фукс H.A. Механика аэрозолей. -М.: Издательство АН СССР, 1955, 352 с.

75. Фукс H.A. Успехи механики аэрозолей. М.: Издательство АН СССР, 195 с.

76. Фукс H.A. Современные методы исследования аэрозолей, -журнал ВХО им. Менделеева, 1975, I, с.71-77.,

77. Хинце О.И. Турбулентность, её механизм и теория, -М.: Физматгиз, 1963, 680 с.

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

79. Циклоны НИИОГаз. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. -Ярославль: Верхне-Волжское изд-во, 1971, 96 с.

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

81. Штокман Е.А. Очистка воздуха от пыли на предпррятиях пищевой промышленности. -М.: Пищевая промышленность, 1977, 304 с.

82. Щгкин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил.- М.¡Машиностроение, 1970, 323 с.

83. Щупляк A.A., Исаков В.П., Федоров В.Н. Зависимость расхода пара от критического пересыщения. В сб. трудов кафедры "Оптимизация химической и биотехнологической аппаратуры" - деп. в ОНИИТЭХИМ, г. Черкассы,2023/78 Деп. от 01.09.78, с.125-131.

84. Щупляк A.A., Исаков В.П., Хайдаров Г.Г., Федоров В.Н., Сугак Е.В. Исследование процесса конденсационного пылеулавливания в вкн. Проблемы охраны труда, -тез.докл. III всес. межвуз. конф. г.Кишинев, 1978, с.287.

85. Нхп-Д81 от 05.01.81 с. 120-126.

86. Щупляк A.A., Исаков В.П., Федоров В.Н., Соколов В.Н. Исследование процесса турбулентного смешения потоков пара и холодного газа, содержащего аэрозольные частицы. -ЖПХ, 1981, № 8, с.I897-I90I.

87. Щупляк A.A. Исследование конденсационного увеличения аэрозольных частиц и выделение их из газового потока. дис.канд.техн.наук - JI.I979, 147 с.

88. Юдашкин М.Я. Очистка газов в металлургии. -М.: Металлургия, 1976, 384 с.

89. Advani M.R. Dust and fume problems in the cement industry. "Cem.Age India", 1978, 29, N*7, S.593-595.95« Alexander R.Proc.Austral.Inst.Mining.Metallurgy (Ne series), 1949, V.152, №3, p.203*228.

90. Biffin M., Syred N. Anovel design of cyclone dust Separator. "Filtration and Separation", 1983, 20, №3, p.189-191.

91. Bohnet M. Cyclone separation of Gas/Solids Mixture. "German Chemical Engineering", 1983,6,№ 4, p.211-220.

92. Bryant H.S., Silverman R.W., Zenz P.A. How dust in gas affects cyclone pressure drop. "Hydrocarbon Processing", 1983, 62, № 6, p.87-90.

93. Einstein A.Ann.Phys. 1905, Bd.17, S.549.

94. Elson T.P. Velosity profiles of concentric flow betwen coaxial, rotating cylinders with a stationary lower boundary. "Chem.Eng.Sci.", 1979,34,№3, p.373-377.

95. Epstein P.C.Z.Phys. 1929, Bd.54. H°7, c.589-599.

96. Linek V., Sinkule J., Petricek P., Krivshy Z. Effekt of axial changes in gas flow rate on values of mass transfer and dispersion coefficients computed from column measurements. "Ind. and Eng.Chem.Fundam.", 1982,21,№1, p.87-90.

97. Lord Rayleigh On the dynamics of revolving fluids.proc. roy.soc. A93, 1916. p.148-154.

98. Ranade V.R., Ulbrecht J.J. Velocity profiles of newtonian and non-newtonian toroidal flows measured by a LDA technique."Chemical Engineering Communications", 1983, 20, №5, P.253*272.

99. Shults-Grunow P., Hein H.Beitrang zur coeutte-stroraung Ann. Phys.(4), 83, 1927. S.835-848.

100. Stairmand C.I. Trans.Inst.Chera.Eng., 1951, V.29, №3, p.356-383.

101. Taylor G.I. Stability of a viscous liquid contained between two rotating cylinders.

102. Phil.Trans. A223, 1923, p.289-293.

103. Ter-Linden A.J. Proc.Inst.Mechan.Eng., 1949, 7.160, p.15-39.

104. Wolodkewitch n. 2 Phys., 84, 593 (1933).