автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование процессов энергосберегающей регенерации фильтрованных перегородок в системах промышленного пылеулавливания

11-4 2745

Панов Сергей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ПЕРЕГОРОДОК В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ИВАНОВО-2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «(Воронежская государственная технологическая академия».

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Красовицкий Юрий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Баранов Дмитрий Анатольевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник Падохин Валерий Алексеевич доктор технических наук, профессор Промтов Максим Александрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова», г. Белгород.

Защита состоится «10» октября 2011 г. вл/ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.05 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 7. Тел. (4932) 32-54-33. Факс (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «КО» ц tv\ я 9.Sy>& 2011г.

Ученый секретарь совета,

доктор физико-математических наук, профессор

Зуева Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы в большинстве отраслей промышленности передовых, технически развитых стран наметилась тенденция к расширению области применения фильтров-пылеуловителей как одного из наиболее эффективных аппаратов очистки промышленных пылегазовых выбросов. Такая тенденция обусловлена: реальным медико-экологическим мониторингом ситуации; появлением ряда новых технологических процессов; расширением производства новых уникальных фильтровальных материалов; возможностью совмещения в фильтре функций пылеулавливания и нейтрализации токсичных газообразных компонентов.

Вместе с тем, на пути более интенсивного внедрения пылеулавливающих фильтров в промышленную практику имеется ряд объективных трудностей: недостаточно изучен процесс фильтрования пылегазовых потоков, особенно высокотемпературных, что не позволяет правильно выбрать эксплуатационные параметры работы фильтра; высокая стоимость современных фильтровальных материалов и ошибки персонала; в ряде случаев недостаточно высокий уровень эксплуатации.

Эффективная и надежная работа фильтров возможна лишь при надежной регенерации фильтрующих элементов.

Низкая эффективность регенерации ведет к повышению гидравлического сопротивления аппарата, что увеличивает расход электроэнергии и ведет к росту остаточной запыленности или к необходимости более частой регенерации, что отрицательно сказывается на сроке службы фильтроэлементов.

Оптимизация процесса регенерации промышленных пылеулавливающих фильтров за счет импульсных энергетических воздействий является серьезной научной проблемой.

В работе изучены эксплуатационные параметры пылеулавливающих фильтров в различных отраслях промышленности, и дана сравнительная оценка технических возможностей и экономических показателей таких установок.

Работа проводилась в рамках основных направлений научных исследований кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств (ПАХПП)» и «Машины и аппараты химических производств (МАХП)» ГОУ ВПО ВГТА (№ гос. регистрации НИР - 0120.0603139) «Разработка инновационных и совершенствование современных технологий, оборудования, моделей, способов и средств автоматизации и управления пищевыми и химическими производствами» по направлениям «Моделирование и разработка энергосберегающих технологий и оборудования химических производств» (код ГРНТИ 55.30.33.) и «Разработка и исследование процессов и оборудования для переработки твердых углеводородо-целлюлозных отходов в режимах собственного энергообеспечения» (код ГРНТИ 55. 01.91.), в рамках стипендии Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), а также Немецкой службы академических обменов (DAAD).

Цель работы. Совершенствование процесса регенерации, проведение анализа энергетических воздействий на пылевые слои, научное обоснование и раз-

работка энергосберегающей регенерации и внедрение полученных результатов в технологические процессы.

Для достижения указанной цели поставлен и решен комплекс задач: проведены теоретические и экспериментальные исследования технологических и энергетических характеристик процессов регенерации; дано научное обоснование методов расчета и проектирования промышленных пылеулавливающих фильтров; разработана методология интенсификации процесса регенерации, внедрение эффективных промышленных пылеулавливающих фильтров с устройствами энергетического воздействия.

Методы исследования и достоверность результатов основаны на совместном использовании закономерностей механики аэрозолей, теории фильтрования и аэрогидродинамики пылегазовых потоков, разработанных H.A. Фуксом, И.В. Петряновым-Соколовым, Е.П. Медниковым, В.А. Жужиковым, Т.А. Малиновской, И.Е. Идельчиком, Ю.В. Красовицким, А.Ю. Вальдбергом, которые в сочетании с экспериментально-статистическими методами анализа обеспечили получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов. При этом расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований, в среднем, не превышало 12 % с доверительной вероятностью 0,95.

Научная концепция. Разработка и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации действующих и создания новых высокоэффективных систем регенерации пылеулавливающих фильтров на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса фильтрования совместно с изучением физико-химических и структурно-механических характеристик модельных объектов.

Научная новизна работы. 1. На основе теоретического обобщения физико-химических эффектов в пылевых слоях, анализа и синтеза энергетических воздействий разработаны методы интенсификации процесса регенерации пылеулавливающих фильтров;

2. Разработаны и экспериментально проверены модели в обобщенных переменных, описывающие кинетику фильтрования с учетом проскока частиц (dKJdt Ф 0), что позволило сформулировать условия энергосберегающей регенерации.

3. Получены уравнения, описывающие кинетику разделения аэрозолей с твердой дисперсной фазой при регенерации фильтрующих элементов в поле центробежных сил, учитывающие гидродинамическое и временное подобие, а также ряд безразмерных параметров, которые характеризуют процесс и позволяют определить режим стабильной регенерации.

4. Предложен метод оценки степени неравномерности распределения регенерирующего агента по поверхности фильтровальных элементов с использованием модернизированных коэффициентов Буссинеска {Мк) и Кориолиса (N„) для специфических форм рабочего сечения фильтровальных элементов, что позволило определить оптимальную аэродинамическую структуру потока регенерирующего газа.

5. Предложена математическая модель пневмоимпульсной регенерации и на её основе разработана методика расчета, позволяющая прогнозировать показатели эффективности очистки фильтровальных элементов (восстановление первоначального гидравлического сопротивления, освобождение от дисперсной фазы поровых каналов фильтровального слоя).

6. Разработан метод определения оптимального значения удельной газовой нагрузки для различных систем регенерации и структуры фильтровального слоя с учетом гидродинамических условий проведения процесса.

7.Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования для интенсификации процесса регенерации импульсных устройств с наложением акустических колебаний в безопасном для обслуживающего персонала ультразвуковом частотном диапазоне.

На защиту выносятся следующие положения:

- основные направления интенсификации процесса регенерации промышленных пылеулавливающих фильтров, базирующиеся на анализе и синтезе энергетических воздействий и физико-химических эффектов в пылевых слоях осадков;

- способ определения оптимальной удельной газовой нагрузки в период регенерации на фильтровальных перегородках с различной структурой слоя;

- зависимости, описывающие кинетику фильтрования пылегазовых потоков с отложением осадка с учетом их сжимаемости при <1К/с1т# 0 и оптимальные условия, при которых энергозатраты на проведение процесса пылеулавливания минимальны;

- математические, в том числе, нейроносетевые модели регенерации, позволяющие установить оптимальные параметры этого процесса;

- уравнения, описывающие кинетику фильтрования полидисперсных аэрозолей в центробежном поле, позволяющие определить критическое число го-мохронности, при котором обеспечивается стабильный энергосберегающий гидродинамический режим проведения такого процесса;

- оригинальные конструкции пылеулавливающих фильтров с системами интенсификации процесса регенерации, защищенные патентами РФ.

Практическая ценность диссертации. На основе предложенных моделей и методик расчета разработаны технологические и конструктивные решения энергосберегающего фильтровального оборудования, обеспечивающие интенсификацию процесса регенерации.

Предложенные в работе технические решения внедрены на Воронежском керамическом (ВКЗ), на Семилукском огнеупорном заводе (СОЗ), на Семилук-ском комбинате строительных материалов (СКСМ), в ООО «Придонхимстрой Известь» (г. Россошь, Воронежская обл.) в ОАО « Русский Реактор» (г. Москва), техническими службами Филиала ОАО «Вагонреммаш» «Воронежского вагоноремонтного завода».

Результаты работы используются систематически в практике ряда высших учебных заведений - Воронежской государственной технологической академии, Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, Белгородском государственном техническом университете им.В.Г. Шухова.

Специальные рекомендации по методологии и проведению пылегазовых замеров выданы Федеральной службе по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Территориальное управление по Воронежской области).

Достоверность научных разработок подтверждена приведенными в диссертации результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях (ПКФ ВКЗ, СОЗ, ФГУП «Аннинский элеватор», Филиал ОАО «Тат-спиртпром» «Тюрнясевский спиртзавод», ОАО «Россошанский элеватор»).

Для реализации энергосберегающей регенерации промышленных фильтров -пылеуловителей разработаны перспективные конструкции (Пат. РФ 2147915, 2156642, 2276618, 2205678, 2251445, 2282482, 2299089, 2310498, 2414306), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на

Международных конференциях «Инженерная защита окружающей среды», Москва, 1999, 2001; 2002; 2003; V Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования», Иваново, 2001; Международном научном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности, XX век», Волгоград, 2001; XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-15», Тамбов, 2002; XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19», Воронеж, 2006; XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-23», Саратов, 2010; Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004; V Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности», Пенза, 2005; Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития», Тамбов, 2004; 2-й Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», Тамбов, 2006; Третьей Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2008; II Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию РУДН «Инновационные процессы в АПК», Москва, 2010; III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)», Воронеж, 2009; Международной научно-технической конференции «Биотехнология: экология крупных городов», Москва, 2010; IX Всероссийском конгрессе «Экология и здоровье человека», Самара, 2004; ХЫ, ХЫ1, ХЫП, ХЫУ отчетных научных конференциях ВГТА, Воронеж, 2002-2010; IX Региональной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ», Липецк, 2005; Научно-практической конференции «Проблемы и инновационные решения в химической технологии», Воронеж, 2010.

Материалы диссертации экспонированы на Региональной выставке «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» и награждены Дипломом Торгово-промышленной палаты Воронежской обл. (20-21.Х.2005).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 106 работ, в том числе, 1 монография, 1 учебное пособие с грифом УМО, 19 статей в центральных изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, получено 9 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, шесть глав, основные результаты и выводы, список литературных источников (559 наименований) и 10 приложений. Работа изложена на 326 страницах основного текста, содержит ¡30 рисунков и 40 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, охарактеризована научная новизна, практическая ценность полученных результатов и формы апробации выполненных исследований.

В первой главе на основе литературных источников проанализировано современное состояние проблемы пылеулавливания в технологических процессах химической и смежных отраслей промышленности. Обзор показал, что в последние годы наметилась тенденция к расширению области применения фильтров. Существенное влияние на эффективность и надежность фильтров оказывает работа системы регенерации. Оптимизация процесса регенерации -актуальная задача, решение которой определяет возможность длительного использования фильтров в промышленных условиях.

При наличии пылегазового потока условие регенерации имеет вид:

Г (1)

Величины, входящие в выражение (1), имеют функциональные зависимости (2)-(4):

— сила давления набегающего потока, вызванная перепадом давления АР на фильтре перед регенерацией -

- /С'3', > > А , Нфп ,й>ф,2н<£1,рч,р,СГ,Тф,£пс,£фг

). (2)

— сила регенерации, например, применительно к пневмоимпульсному способу очистки -

К = Д^АсЛ.ю^сй^/^т^ц.р.я). (3)

>

— силы сцепления с поверхностью, обусловленные адгезионно-аутогезионными свойствами пыли -

Рт.н = АИа> КЕ, Ит, а, Д соф, ц, рч,р, <р, Еф») (4)

»

где </э - диаметр элементов фильтровальной перегородки (зерен, волокон); (¡т-средний медианный диаметр частиц дисперсной фазы; О - коэффициент диффузии; Ик - высота пылевого слоя; Нфп - толщина фильтровальной перегородки; - начальная запыленность газа; а>ф - скорость фильтрования; V -кинематическая вязкость; рч, рг - плотность соот-

ветственно пыли и газа; а - среднее квадратичное отклонение логарифма диаметров частиц; Гф- время фильтрования, с„с - пористость пылевого слоя; Вф„ - пористость фильтровальной перегородки; - диаметр продувочного сопла, м; О/, - диаметр камеры смешения эжектора, м; /с - расстояние от продувочного сопла до верхнего среза фильтровального рукава, м; аь -скорость продувочного газа в сопле, м/с; щ — скорость фильтрования, м/с; Ьф — длина фильтровального рукава, м; ти,„ - время импульса; ¡1 - динамический коэффициент вязкости продувочного газа, Н*с/м2; р- плотность газа, кг/м'; ^ - ускорение, м/с2; На - константа Хамаке-ра (для выражения сил Ван-дер Ваальса), Ке - параметр электростатических сил, <р - относительная влажность воздуха;

Одним из методов повышения эффективности регенерации являются так называемые "финишные" обработки, придающие фильтровальным материалам особые свойства, к которым, в первую очередь, относятся: термообработка (опаливание, глянцевание, каландрирование); антистатическая обработка; химическая обработка поверхности фильтроткани; микропористые покрытия.

К дополнительным методам интенсификации импульсной регенерации относятся: вибрационное воздействие на фильтровальный элемент; повышение амплитуды колебаний перепада давления; искусственная деформация (закручивание) фильтровального элемента; действие кольцевых аэродинамических волн, основанных на специфических условиях истечения; изменяющаяся геометрия импульсно-струйного аппарата.

Условие оптимизации динамической регенерации - отсутствие или незначительное образование осадка уловленной пыли на фильтровальной перегородке. Формирование осадка и его отделение происходят одновременно, и при определенных условиях может быть установлено динамическое равновесие. Процесс квазинепрерывен, и свойства фильтровальной перегородки здесь более важны, чем при традиционном тупиковом фильтровании.

Различают два типа динамической регенерации - с низкой и высокой движущей силой очистки.

Регенерация с низкой движущей силой характеризуется условиями гидродинамики, осуществляемыми изменением направления или скорости движения пылегазового потока, а также давления в различных областях фильтра. Используются струйные течения, турбулентность, гидроудар и т.д.

Одной из разновидностей устройств, реализующих данный принцип динамического воздействия на осадки, являются фильтр-циклоны.

К другой группе относятся фильтры с тангенциальным движением фильтруемой среды относительно поверхности фильтровального элемента. Частицы, осаждаемые на фильтровальной поверхности, уносятся (увлекаются) потоком запыленного газа. Очищающая эффективность газового потока увеличивается с увеличением его скорости. Механизм этого процесса детально рассмотрен в работе.

Необходимое усилие для проведения процесса регенерации с высокой движущей силой очистки может быть реализовано в аппаратах: с вращающимися фильтровальными элементами; с неподвижными фильтрующими секциями, между которыми размещены на общем валу вращающиеся лопасти, создающие поток вдоль фильтрующей поверхности; с подвижными устройствами

для отсоса, сдува или смыва загрязнений расположенными с внешней стороны фильтрующей перегородки.

Анализ современных технологических особенностей ряда отраслей промышленности, характеристик пылегазовых потоков, экономических и нормативно-правовых аспектов проблемы сухого пылеулавливания, реализация целей и задач исследований позволили сформировать основные направления работы, представленные в виде структурной схемы на рис.1.

Во второй главе рассмотрены организация и методология экспериментов.

Приведены методики пневмометрических и специальных аэродинамических измерений, определения массовой концентрации дисперсной фазы в пьше-газовом потоке, анализа и интерпретации дисперсного состава пылей, оценки погрешностей измерений.

При отборе проб соблюдался принцип изокритериальности, обеспечивающий представительный характер получаемых результатов.

Использование комбинированного метода дисперсного анализа пыли, обеспечивающего количественный и качественный спектральный анализ дисперсного состава частиц совместным применением квазивиртуального каскадного импактора НИИОГАЗ, лазерного дифракционного анализатора МаКет Ма51ег$1гег 2000 и электронного микроскопа позволило не только оценить дисперсность пыли, но и определить качественные характеристики (форма частиц, степень диспергации).

При проведении экспериментов использованы цеховые опытно-промышленные установки и специальное оборудование ЦЗЛ ОАО «Семилук-ский огнеупорный завод», ПКФ ЗАО «Воронежский керамический завод», модифицированный автором стенд, лабораторные установки Института техники и технологии защиты окружающей среды Университета Дуйсбург -Эссен, а также лабораторные стенды кафедр ПАХПП и МАХП ВГТА. Такой комплексный подход позволил изучить аэродинамические и кинетические закономерности пылеулавливания, получить математические модели для расчета и прогнозирования параметров этого процесса и разработать удачные решения аэродинамических распределительных устройств.

Для построения интерполяционных расчетных моделей в работе использовано факторное планирование эксперимента.

Организация экспериментов на реальных пылегазовых потоках обеспечила высокую достоверность и практическую ценность результатов. Погрешность при проведении аэродинамических и пылегазовых измерений в работе оценивали по нормальному закону распределения ошибок (закону Гаусса).

Разработанное методологическое обеспечение позволило перейти к экспериментальным исследованиям.

Регате наумл оси« гусчесе*энв]Гос6ерегшощвй рдеяфяцт {ипьтроваяьньк перегород еж б еисгекод 1фоылшенн(го пьвеэпшатшоа

АюоиразуатоБЛгафшшвге», ыёф яяструктншжр»авяшскта< регмрдди

РврЛош ПрВГЛКШ

ракшеввщвб проняаятву Прмврвтвшм выводы

рвиттир^ош

ша«рв шжшаеп! Г> IV ярмрЛ*и тмшша

Рцдбиш псрталя» ратаацян шшучташх реэуъшов дш повышения >ффчжтимо<, т у рслвровв фяшлроплшш перегородок »проще сяг прпиълшшиного

ОВщяе шмвк Ваврвм рез^аплтовьпршаодсгпо

Рис 1. Структурная схема задач и результатов исследования

В третьей главе выполнен теоретический анализ процесса фильтрования полидисперсных пылегазовых потоков.

Анализ кинетики процесса в гравитационном и центробежном полях показал, что при улавливании полидисперсных пылей зернистыми слоями образующийся слой осадка не задерживает наиболее тонкие фракции, проскок пыли К меняется во времени г и поэтому

dK/dr Ф 0 , (5)

при образовании сжимаемого осадка на цилиндрическом фильтровальном элементе гидравлическое сопротивление осадка Др^ может быть рассчитано по формуле Жужикова:

= [l/2/ъ'О - + l)]ib, (6)

где г'0 - коэффициент проницаемости; s - показатель сжимаемости, Rra — наружный радиус фильтровальной перегородки, хн - начальная объемная концентрация, м^м3.

Для плоского зернистого слоя осадка

(7)

Заменив г„ на цгп и г'0 на (¿г'„, где ¡л - коэффициент динамической вязкости, г„- удельное сопротивление фильтровальной перегородки, можно получить

Лр^н = + [l/2/«r0'(l - s)R„,w\n(2m„T/R,„, + 1)]^. (8)

К.,

Первое и второе слагаемые правой части уравнения (8) представляют соответственно перепад давлений для цилиндрической фильтровальной перегородки и осадка.

Уравнения (8) для процесса фильтрования с отложением осадка на поверхности фильтровального слоя достаточно сложно для практического использования. Между тем анализ и применение этих уравнений (3) и (8) можно значительно облегчить, если перейти к их безразмерной форме.

Так, первое и второе слагаемые правой части уравнения (8) делят и умножают на hrid, затем обе его части делят на pw2 и получают

ur„wR„ „In—h„d

К, ,

hd

(9)

/>и>2 /»V1 ИпЫ рч/г

где Лл- толщина зернистого слоя, м; ¿-размер частиц слоя. В работе показано, что

1пЯ„Ж.=ЧЦ1-л„/01 (10)

Принимая во внимание очевидное неравенство И,/Я„„<1, правую часть уравнения (10) можно представить в виде степенного ряда

- [1п(1 - й„//0]=V«™ + ^М^.)1 +

2 (11)

Для оценки влияния 2-го, 3-го и т.д. членов ряда (11) их представляют как ;три

геометрическую прогрессию с первым членом I/2(hJR„J2 и знаменателем

При этом значимость всех членов прогрессии по отношению к первому члену правой части уравнения (11) увеличивается.

С достаточной для практических целей точностью имеем

=-[1п(1-Л„ЯЛ=ЛЖ.- (12)

Следовательно, комплекс И„„1п Л„я/Л„, можно заменить на Л„ и представить уравнение (9) в виде

2жх„т

+ 1

1-* — —

к

м <*

I

' 1п

(13)

2иас,г

+ 1

ц <1

После алгебраических преобразований уравнение (13) принимает вид

Еиц = „¿Ке. г!— + Н2Ном +1)}1'"-»} , (14)

Здесь: Еин = Аробщ ц/рп2; Ном = 2 хчх„т/Я„.н\ Яе„ = \vdfi/¡и\ Г = ИМ, л, = г^„г; *2 = где Еиц, Яе^ Ном, Г - модифицированные числа

Эйлера, Рейнольдса, гомохронности и параметрический критерий - симплекс геометрического вида. Безразмерные числа Еич, /?е„ Ном Г, Я1 , характеризуют гидродинамическое подобие процесса фильтрования неоднородной системы с твердой дисперсной фазой при постоянной скорости.

Для плоской фильтровальной перегородки при отложении сжимаемого осадка справедлива зависимость.

Преобразуя уравнение (15) методом, изложенным выше, получим

Еи^=пг/КСмГ(п^2+1). (16)

В работе предложена методика определения оптимального значения удельной газовой нагрузки дтт при различных способах ведения процесса фильтрования и регенерации. Показано, что для процесса поверхностного фильтрования

= «С» -<в,ч1+Щ<„ + В2)/2(В[Ч£ + В,) . ^ (17)

где Зо - общие затраты, руб./год; В¡, В2, В}, Дг - постоянные величины, характеризующие процесс; д'опт - приближенное значение д<,„„-

Одним из важных факторов, определяющих эффективность работы фильтров с импульсной продувкой, является равномерность распределения по всей фильтровальной поверхности скоростей протекания регенерирующего потока. В связи с этим были проведены специальные эксперименты на установках, включающих: фильтровальные перегородки с различными фильтрующими

элементами, компрессор с ресивером, соленоидный мембранный вентиль, приемники перепада давления, различные конструкции сменных сопл или устройства для гашения скоростей импульсной струи.

На основе измеренных перепадов давления на фильтровальном слое были построены зависимости безразмерной скорости протекания импульсного потока газа от относительной длины фильтрующих элементов Ц = Ц / Ь,

где Ь,. £ - длина фильтрующего элемента на / - ом участке и общая длина фильтрующего элемента.

Так при истечении импульсного потока в виде свободной струи (без торможения потока) при относительной (безразмерной) длине Ц =0,17 наблюдалось резкое падение скорости этого потока, и даже обратное течение.

Для исследования равномерности раздачи потока сжатого воздуха по отдельным боковым отверстиям (соплам) коллектора была использована специальная установка. Различные отношения площадей Р = РС1 /"тан при данном числе сопл Ыс получали путем смены сопл. Скорость потока в боковых ответвлениях определялась по полному давлению .Относительная скорость вычислялась по известной формуле Идельчика. Общий расход сжатого воздуха через раздающий коллектор определяли путем обработки показаний манометра, установленного на ресивере.

Степень неравномерности А<? распределения расхода импульсного газа по раздающему коллектору рекомендуется определять по формуле

^9=1-4»™ , (18)

где -^соы - характеристика раздающего коллектора.

В результате расчета по указанному методу для условий нашей установки при полученной степени равномерности Д<? =10% величина относительной площади боковых ответвлений оказалась равной

? = (19)

г

ЮМ

что удовлетворительно согласуется с полученными нами результатами, по которым Т - 0,7.

Обработка результатов экспериментов показало, что минимальное соотношение

По выражениям (19) и (20) определяют и далее диаметр коллектора

сжатого газа (воздуха) А,„.„.

Методом однофакторного дисперсионного анализа выполнена статистическая обработка экспериментальных данных при контроле степени неравномерности распределения скоростей путем измерения безразмерных скоростных полей по восьми образующим для цилиндрической трубы диаметром 90 мм с

толщиной стенок 5 мм и длиной 600 мм, изготовленной из порошка никеля фракции 0,1 мм.

Анализ механизмов образования пылевых слоев и изменения их характеристик позволил сформулировать следующие причины, вызывающие сжимаемость осадка: структурные изменения в укладке элементов пылевого слоя; упругие и пластические деформации материала - структурных элементов, образующих осадок; разрушение структурных элементов (частиц) слоя.

В зависимости от причины уплотнения все осадки можно условно разбить на две группы. Первая группа характеризуется усилением прочности, не сопровождающимся изменением природы аутогезии. Усиление прочности в этом случае происходит в результате уплотнения упаковки частиц, увеличения площади контакта, проявления капиллярных сил и ряда других причин, не приводящих к изменению физико-химических свойств контактирующих поверхностей.

Уплотнение второй группы осадков связано с изменением аутогезии и прочности индивидуальных контактов за счет появления дополнительных связей между частицами. Эти связи возникают во времени и под влиянием влажности и температуры среды.

Известно, что фильтр достигает стабильной регенерации после некоторого периода времени его работы. Во время работы в этом состоянии масса пыли, удаленная в результате очистки my¿, равняется массе пыли, осаждаемой в течение каждого цикла тж. Доля удаленной пыли Кц может быть рассчитана по формуле:

где т„ - масса осаждаемой пыли за один цикл работы (до регенерации); М — общая масса пыли на поверхности фильтрующего элемента до регенерации.

В работе показано, что значение/^,, может быть определено по формуле:

J

к _ _о_

N ~ % (22) J

о

Силу отрыва пыли Fomp определяют как произведение значения М на максимальное ускорение (замедление) отрыва

Fomp = (23)

Распределение частиц по силам адгезии подчиняется нормально-логарифмическому закону и аппроксимируется выражением

rír \ 043

/(Fj=^Texp

2o-2

где ^ ■—сила адгезии частиц; /-да— медианное значение силы адгезии, причем, Р50= при г, =50%, уе —число адгезии, а —дисперсия сил адгезии, (о = И - ^ ), /7>в=/гва при уг =16%

По значениям и о можно найти среднюю величину всех сил адгезии частиц данной фракции, т. е. среднюю силу адгезии ^ по формуле:

/■„=}«./(*>* (25)

ь

где a=F,oв■, Ь=Р0;/(х)=/(Рад); при г,.=100%; Р0=Рад при

Гр= 0%;

Величина учитывает фактическую силу адгезии всех частиц данной фракции и ее распределение от минимальных до максимальных значений Рад ■

Таким образом, долю пыли, удаленной при регенерации, также можно представить в виде

1 у -—

= ¡е 2Л,> <26>

где: у =-—

Расчетное уравнение аутогезионной прочности пыли на поверхности фильтровальной ткани при импульсной регенерации примет вид:

Т = (27)

где 5а— суммарная площадь контактов, приходящихся на 1 частицу в сечении свода, <р — угол трения частицы, У— фактор текучести

Одной из проблем экологии являются кислотные дожди, которые вызваны образованием диоксида серы (802) и оксидов азота (N0*) при сжигании органических топлив и отходов.

В процессе Б^ЯШ три загрязнителя (ЭО„ N0* и частицы Я0Х) удаляются из дымовых газов в высокотемпературном рукавном фильтре. Процесс включает в себя ввод сорбентов на основе кальция и натрия для связывания 802, селективное каталитическое восстановление (СКВ) N0* с помощью аммиака (1ЧНз) и улавливание твердых частиц в высокотемпературном рукавном фильтре с импульсной регенерацией.

При этом представляет интерес оценка влияния сопутствующих массооб-менных процессов на фильтрование и регенерацию фильтровальных перегородок.

Установлено, что при прохождении аэрозольного потока через слой катализатора, на котором протекает гетерогенная каталитическая реакция, частицы осаждаются в слое катализатора во много раз интенсивнее, чем в том случае, когда каталитическая реакция отсутствует.

В процессе изучения степени влияния различных факторов на характер осаждения аэрозолей работающим катализатором коэффициент захвата аэрозолей существенно зависит от активности катализатора, температуры процесса катализа, дисперсного состава частиц, размера и формы элементов слоя, гидродинамических параметров аэрозольного потока.

Исследования показали, что гидравлическое сопротивление имеет более низкие значения, а регенерационная способность повышается по сравнению с высокотемпературным фильтрованием без сопутствующих массообменных процессов.

По нашему мнению, этому способствует наличие поверхностного слоя катализатора на фильтровальном элементе, который препятствует прохождению пыли вглубь материала, а также сравнительно крупные кристаллы известняка (или гипса), делающие пылевые осадки рыхлыми и неоднородными. В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению перспективных способов регенерации и анализ энергосберегающего эффекта при реализации принятых решений. Исследование процесса импульсной регенерации фильтровальных слоев

Для сравнения гидродинамических характеристик эжектирующих насадок была исследована зависимость р^ = f(d, D„, р, I). Параметры, входящие в эту зависимость менялись в следующих пределах: диаметр сопла d = (6 +14) Iff3 м, диаметр камеры смешения насадки DK=(20 +80) 10~} м, давление первичного потока (в ресивере) р = 0,2 +0,6 МПа, расстояние от сопла до эжектирующей насадки / = (0 +200) Iff3 м.

Сравнение проводилось по значениям перепада давления на фильтровальной перегородке во время регенерации, измеренного на различных участках фильтроэлемента (3 точки) (рис. 2), а также по гидравлическому сопротивлению остаточного после регенерации пылевого слоя.

Используя метод анализа размерностей, заменим функции (2)-(4) зависимостью критериев подобия.

Искомая функция, представленная, в соответствии с я-теоремой, в виде соотношения между восьмью безразмерными комплексами величин, критериями Рейнольдса, Фруда, гомохронности и пятью симплексами геометрического и аэродинамического подобия, представлена нами в виде:

Числа Но, Ег, Яе и симплексы геометрического и аэродинамического подобия выражаются следующими соотношениями:

Пр» = г> =/(Яе,Яо,^,Г2,Г„Г4,Г5)

(28)

Но-03' Т""

d,

> > > > » У >

Скорость регенерирующего агента в сопле (ct) находим по формуле:

y»t=QJfc,

(29)

где <2с — расход продувочного газа через сопло, м3/с; /с — площадь сечения продувочного сопла, м2.

л

hi

Рис. 2. Значения динамического давления на фильтровальной перегородке во время регенерации (dc=4-10"3 м, 150-10"3 м, /М),2;0,4; 0,6 МПа) I, II, III - точки установки датчиков давления

Расход продувочного газа через сопло, с предположением о постоянном значении плотности газа в период регенерации, находим по формуле:

Qc=M.«

-/.И'

IРт}

■р

2К

К-1

ШРгР

H^f

Рт J

(30)

где /Jom, - коэффициент расхода воздуха через отверстия; К - показатель адиабаты; рт -давление сжатого воздуха в продувочной трубе. Па; рк' - давление в камере очищенного газа, Па.

Обработка экспериментальных данных по программе Regress позволила получить уравнение регрессии

1 , т 1£-г> 04 ТГ -005 С о 18 Т-. -006 0.02 007 0.54ч

Лрег =l-exp(-3,25Re Но Fr Г2 Г, Г4 Г5 ) , (3j)

Относительное отклонение расчетных и экспериментальных данных составляет 1,5-22 %, что можно признать удовлетворительным.

Примеры поверхностей отклика модели (31) приведены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость г/ргг =/(Рт, I, сЦ при с1с (а- 810"3 мм, б- 10-Ю"3 мм)

Анализ полученных поверхностей отклика показывает, что доминирующее влияние на эффективность регенерации оказывает давление Ру. Поверхность отклика имеет сложный профиль с локальными максимумами и минимумами, что свидетельствует о наличии оптимальных соотношений взаимозависимых параметров с/с, 1С, Ок .

Экспериментальные исследования процессов динамической регенерации

Конструкция разработанного нами фильтра (Патент РФ 2156642) позволяет обеспечить стабильный аэродинамический режим при фильтровании и устойчивую непрерывную регенерацию без дополнительных устройств и энергетических затрат при использовании постоянного центробежного поля.

Как известно, в практике пылеулавливания при регенерации секции фильтров поочередно отключают от газовой нагрузки и разрывная прочность пылевого слоя уменьшается.

Для непрерывной регенерации фильтровального элемента необходимо выяснить влияние перепада давления на повышение прочности пылевого слоя.

Опыты показали, что прочность слоя, находящегося под воздействием газовой нагрузки, равна сумме прочности слоя без газовой нагрузки, и прочности слоя, обусловленной прижимающей силой.

Удельную (на единицу фильтровальной поверхности) силу, прижимающую пылевой слой к ткани за счет перепада давления, в работе рассчитывали по формуле

/„=Л/>(1-£) = Л/Ч>7р). (32)

где ДР- перепад давления на пылевом слое; е - пористость пылевого слоя; р'ир - кажущаяся и истинная плотность пыли соответственно.

Удельная разрывная прочность слоя при газовой нагрузке

Тби,, = тст +/. (33)

где Т„ - разрывная прочность пылевого слоя без газовой нагрузки.

Такой подход при рассмотрении природы взаимодействия сил, удерживающих пылевой слой на фильтрующей поверхности при газовой нагрузке, дает возможность наметить алгоритм расчета фильтров непрерывного действия с центробежной регенерацией фильтровальной поверхности. На практике можно

обеспечить такие условия работы фильтра, при которых слой пыли, достигнув толщины, достаточной для обеспечения высокой эффективности фильтрования, не увеличивается.

Поэтому для непрерывной регенерации фильтровального элемента (при газовой нагрузке) было исследовано влияние вращения вала с лопастями на перепад давления (рис.4). Данные, представленные на рис.4, показывают, что вращающиеся лопасти не вносят изменений в аэродинамическую обстановку.

Рис 4. Зависимость сопротивления фильтра от удельной газовой нагрузки

При анализе факторов, влияющих на работу динамического фильтра, было установлено, что эффективность регенерации непосредственно связана со скоростью вращения вала, величиной перепада давления на фильтровальной перегородке, скоростью фильтрования и расстоянием между неподвижными и вращающимися поверхностями. Таким образом

Чр* =/(™4„ п. 4 (34)

Параметры, входящие в зависимость (34), изменяли в следующих пределах: скорость фильтрования мф= 0,05+0,1 м/с, зазор между вращающимися лопастями и фильтровальным элементом ¿=(5+20) 10~3 м, частота вращения п = = 700+1400ттл.

Получено следующее уравнение регрессии: При = 0,3 + 0,067 п - 0,02-1;+ 1,23-н'ф+0,0027-п-з -0,22 п \\/ф - 0.013-^ф , (35)

Из уравнения (35) следует, что значение ^ возрастает с увеличением п и уменьшается с ростом з, что соответствует современным представлениям о закономерностях процесса.

Поверхность отклика, соответствующая зависимости (35), представлена на рис.5. Поля скоростей в зазоре между поверхностью фильтра и вращающимися лопастями показаны на рис.6.

Интерполяционная модель (35) использована нами для оценки и прогнозирования работы системы регенерации при создании фильтра из пористого металла для тонкой очистки технологических выбросов при хранении и переработке зерновых продуктов.

Рис. 5. Поверхность отклика зависимости Цр^ =/(п,х) при \Уф=0,05 м/с И, ММ 14, ММ

о ИИШХм Б, мм

3 5

Рис. 6. Поле скоростей газового потока в зазоре (л=5 и 20 мм)

- и, [»II»! д .Я-ГТГ |м'| ¡.и' ......... пЦтТНТТПТП! „

1 3 5 0 2 4 6 а 10 12 14 16 18 20 Ь, ММ

*№т, м/с

1 5,00833+ 4,91667 (о 5,008 4,82510 4,91667 4,733331о 4,825 4,641671о 4,733 4,55 Ю 4,64167 4,45833 Ю 4,55 4,366671о 4,458 4,27510 4,36667 4,1833310 4,275 ь 4,0316710 4,183 | 41о 4,09167

И/с

5,2 Ю 5,6

4,8 Ю 5,2

4,41о 4,8

4 !о 4.4

3,61о 4

3,2 Ю 3,6

2,810 3,2

2,4 № 2,8

2 Ю 2,4

1,61о 2

1,2 10 1,6

Изучение процесса тангенциального фильтрования с низкой движущей силой при разделении пылегазовых потоков проводилось на фильтре (Патент РФ 2282482), оснащенном разделительной перегородкой, которая посредством траверсы и гибких вставок располагается над фильтровальной перегородкой. Перемещая разделительную перегородку, можно добиться увеличения скорости

потока и возникновения тангенциальной движущей силы, достаточной для удаления осадка с поверхности фильтровальной перегородки.

В качестве фильтровального материала использовалась перфорированная металлическая фольга с размером пор 75 мкм.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает (рис.7), что аэродинамическая обстановка характеризуется уменьшением скорости при движении пылегазового потока от входного патрубка к центру фильтровальной перегородки с некоторым увеличением скорости в районе выходного патрубка и всплесками, связанными с различной проницаемостью фильтровального материала.

СПп

а) б)

Рис. 7. Распределение поля скоростей и фото поверхности фильтровальной перегородки: а) - без перегородки; б) - после опускания перегородки Опускание перегородки, как показано на рис. 76, существенно меняет аэродинамическую обстановку. Перегородка способствует равномерному распределению поля скоростей по сечению аппарата, и снижению, таким образом, коэффициентов Буссинеска (Мк) и Кориолиса (Ык).

В пятой главе приведены математические модели перспективных процессов регенерации фильтровальных перегородок различных типов

Моделирование пневмоимпульса при регенерации фильтровальных слоев. Импульсная очистка фильтровальных перегородок основана на обратной продувке регенерирующим агентом, вытекающим из сопла, и одновременно вибрационном воздействии, вызванным волновым характером этого течения.

Для математического описания состояния движущейся среды - регенерирующего агента использованы общеизвестные законы сохранения количества движения, массы и энергии, а также уравнения состояния среды.

Решение системы уравнений предполагает использование модели крупных частиц. Решение этой задачи реализовано в работе последовательно методами Эйлера и Лагранжа.

Характер течения пневмоимпульсного потока представлен на рис. 8 в виде осесимметричных полей скоростей, облегчающих интерпретацию полученных расчетных данных.

Скорость, м/с

16,31667*

6.23333 йз 6.31667 6,15 (о 6.23333 6.06667 Ю 6,15 5.96333 Ю 6.06667 5,9 Ю 5.98333 5.81667 »5.9 5 5.73333 Ю 5.81667 Щ 5.65 Ю 5.73333 ' 5.56667 Ю 5.65 Ь« 5,48333 Ю 5,56667 | 5.4 и> 5.48333

ОДЗ ОЛ4 0,05 0,06 Расстояние по оси сопла, у (О - соответствует крайнему срезу сопла)

Рис. 8. Поле скоростей по оси пневмоимпульсного потока

Расчетные данные, полученные по модели пневмоимпульса, были использованы нами при конструировании эжектирующих насадок фильтров, а также эжекгорных скрубберов, предназначенных для очистки пиролизных газов от частиц сажи и смолистых веществ и входящих в состав установки по переработке изношенных шин и твердых бытовых отходов, разработанной для

Расчет ускорений отрыва пылевых слоев при импульсной регенерации фильтров. Отрыв пылевых слоев от поверхностей фильтровального материала при импульсной очистке происходит вследствие возникновения сил инерции (ускорение-замедление), приложенных к отложениям и возникающих в результате ускоренного движения фильтровального материала при вибрации. Рассмотрим участок фильтровального материала площадью сК с отложениями пыли массой ¿т и высотой слоя И (рис.9),, движущийся с ускорением <Лс/А2.

Тогда к слою пыли будет приложена сила инерции

А

Условие отрыва элементарного слоя пыли выразится неравенством

с!т(с12х/(1т1)> йР, (36)

где <№ — сила аутогезии слоя пыли сечением сЕ.

ОАО «Русский реактор» (г. Москва).

I

I

п

агг

¡Гх

А,

т

Рис. 9. Принципиальная схема действия импульса при очистке фильтровальной поверхности

Разделив обе части неравенства (36) на dS, получим d*x dm dF г

где dm/dS - поверхностная плотность пыли; Т-разрывающее усилие (равное удельной силе аутогезии).

Примем dm/dS - рИ, где р - объемная плотность слоя пыли. Тогда;

А>"к- (38)

Полагаем, что импульс придает фильтровальному элементу колебание, близкое к гармоническому. Тогда:

*(t) = /!sin<D-T, (39)

где х - координата во времени г; А - амплитуда колебаний рассматриваемой точки; 0) - круговая частота колебаний.

Ускорение рассматриваемой точки выразим уравнением d2x 2 .

—- = Аа> sin со т (40)

dx

Из (40) следует, что абсолютное значение максимального ускорения, достигаемого при импульсной очистке, будет равно А со2, и, следовательно,

Т Т

h>-г.--r-j. (41)

рА cú рААя f

Согласно (41) необходимо, чтобы толщина слоя отложений при очистке превышала некоторое критическое значение h^.

Моделирование процесса пневмоимпульсной регенерации рукавных фильтров с помощью нейронных сетей. Сложность процесса пневмоимпульсной регенерации, связанная с неопределенным распределением давления и скорости импульсного потока во времени и протеканием процесса не только в порах фильтровального материала, но и в слое пыли, толщина и пористость которого непрерывно меняются, затрудняет составление достаточно полной системы дифференциальных уравнений и использование метода обобщенных переменных для описания процессов фильтрования и регенерации в явной форме.

Поэтому в качестве альтернативного и многоцелевого решения проблемы проведена обработка результатов экспериментов и получены модели процесса пневмоимпульсной регенерации для прогнозирования результатов с помощью искусственных нейронных сетей.

Процесс построения модели на основе нейронных сетей включал: ввод данных, задание структуры сети, обучение модели (адаптация модели к обучающим данным) и реализацию программы.

На рис. 10 представлена зависимость эффективности регенерации рукавных фильтров от диаметра эжектирующей насадки, найденной с помощью полученной нейросетевой модели и сопоставление этих данных с экспериментальными.

O d=0,00B м; 1=0,005 м;

р=0,4 МПа о d=0,01 м; 1=0,015 м; р=0,2 МПа

-данные полученные

по модели — данные полученные по модели

0,02 0,04 0,06

диаметр насадка, м

Рис. 10. Зависимость эффективности регенерации рукавных фильтров от диаметра насадка.

Проверка показала адекватность и высокую эффективность модели. Расхождение с экспериментальными данными не превышает 1-1,5 %.

На основе разработанной нейросетевой модели предложен метод расчета, позволяющий определить конструктивные размеры системы пневмоимпульсной регенерации рукавных фильтров и выявить рациональные режимы ее работы. Полученные результаты использованы для оптимизации работы пылеулавливающих комплексов на Семилукском огнеупорном заводе

Модель регенерации в поле центробежных сил. В качестве физической модели процесса центробежной регенерации примем, что слой осадка на поверхности фильтровальной перегородки удерживается только перепадом давлений фильтруемого пылегазового потока. Тогда часть общего перепада давления используется на удержание осадка, а часть - на собственно фильтрование.

При наложении центробежного поля на осадок пористость его увеличивается за счет расширения слоя и часть перепада давления - ДР0е Дик.. затрачиваемая в этом случае на процесс фильтрования оказывается меньше, чем перепад давлений при неподвижном фильтре АР«,* на величину ДР„, определяемую действием центробежной силы на осадок.

Такой подход к анализу процесса вполне реален, так как значения ЛРх,д1,„ и АРщ приложены к осадку, но направлены в противоположные стороны. Исследование полученного в работе дифференциального уравнения

<1(АРос,дин) = [ЛРос ст - 0,5рхо^И(2Я„+И)]^Ь (42)

позволило получить выражение для определения критического числа гомо-хронности Ноу,, при котором обеспечивается стабильный энергосберегающий

гидродинамический режим проведения процесса регенерации в ввде зависимости

н°кр=-г:—> (43)

Рост Ян.п.

где $ - показатель сжимаемости осадка, а> - угловая скорость вращения фильтрующего элемента, Р - удельное сопротивление фильтровальной перегородки, >.=11™ „ /К, „ - параметрический критерий - симплекс (отношение внутреннего радиуса фильтровальной перегородки к наружному.

Результаты расчета для конкретных параметров представлены на рис. 11-13.

Обозначим через д - перепад давления, приходящийся на единицу толщины осадка И. При установившемся режиме

Ч = [Д^^ " Д^ ^К • (44)

Минимум зависимости 9 = представленный на кривой "2" (рис.

11), свидетельствует о том, что при Л„ < 110'2 м скорость образования осадка на поверхности фильтрэлемента существенно опережает интенсивность его уплотнения.

Зависимость И = <р(и') - кривая "1" на рис. 12 подтверждается материальным балансом процесса фильтрования, зависимость - кривая "2" на этом рисунке - законами Дарси-Вейсбаха и Эргана.

Анализ зависимостей показал, что наиболее заметное и четкое влияние на процесс фильтрования оказывает величина со.

Полученные зависимости вида А = <р (со) и показывают, что с

ростом ю значения И, а следовательно, и ¡7 существенно уменьшаются, что отвечает современным представлениям о механизмах фильтрования аэрозолей в поле центробежных сил.

Зависимость энергетических затрат # = £(&>)■ представленная кривой "в" на рис. 13, обнаруживает четкий минимум в практически оптимальном диапазоне изменения со.

Полученные в работе расчетные и экспериментальные зависимости подтверждают целесообразность применения центробежной регенерации фильтров, являясь основой для разработки перспективных модификаций систем пылеулавливания.

/i-ИЛ м

IS 30 25 20 15 10 .S

о

Рис. I ?.. Зависимости h, q и/от w

<o = 80í ' 1 - h = p(it'), 7. - q = I// (h), 3 - / = Í (w)

Рис. 13. Зависимости /;, <7 и А/от со w • 10".м /с : 1 - 1; 2-3; 3-5. Li-h - tp[tü\ 6-q = i//(tú), в-Л/=c(n>)

В шестой главе рассмотрены инженерные и социально - экономические аспекты работы и приведены конкретные рекомендации по повышению эффективности и рентабельности систем регенерации фильтров на основе применения разработанных систем.

Интенсификация процесса регенерации за счет акустических колебаний в соответствии с зависимостью (41) достигается в фильтре с модернизированными эжектирующими насадками, имеющими тонкие пластинки (Патент РФ № 2276618). При подаче регенерирующего импульса, благодаря отрыву потока из-за необтекаемости пластинок пограничный слой срывается с поверхности, создавая при этом завихрения. Эти завихрения сопровождаются чередованием перепадов давлений, которые создают звуковые волны с частотой, зависящей от величины завихрения.

Регенерация фильтра осуществляется путем воздействия на загрязненные поверхности энергии давления сжатого и эжектируемого газов, деформации рукавов и энергии высокочастотных упругих механических колебаний.

Эксперименты подтвердили возникновение мощного акустического поля с диапазоном частот 10-34 кГц и интенсивностью 1 - 2,7 Вт/см2.

При измерении динамического давления внутри фильтроэлемента было установлено, что волновая характеристика изменения имеет большие амплитуду и пиковые значения при использовании модернизированных насадок по сравнения со стандартными (рис. 14).

Рдин, МПа

¡имп, мсек

Рис. 14. Зависимость Р/шк"/Ы с акустическим воздействием (—) и без него (.....)

Анализ теоретических аспектов и результатов экспериментальных исследований различных способов регенерации зернистых фильтрующих слоев позволил сформулировать условия существенной экономии энергетических затрат

при импульсной продувке, выявить оптимальные параметры этого процесса и использовать эксергетический к.п.д. т\ех для объективной термодинамической оценки технологической системы, в состав которой входит блок регенерации зернистых фильтров. При этом, значение г)„ определяли по е - / диаграмме с использованием формулы

ти = 0, - Т^/0о - ТЛ), (45)

где /„, ¡о - энтальпии воздуха в ресивере и после него (для адиабатного дросселирования I»=/'„); Т0 - температура окружающей среды; 6'„,80 - энтропии воздуха в ресивере и после него.

Расчет Т]ех при импульсной регенерации (7„=300°К; рв= 1,140 кг/м3, 1„=го=450кДж/кг) показал, что при изменении значений рУр„ от 8/1 до 8/7 величина т]ех меняется от 0,886 до 0,992. Таким образом, существенная экономия газа, идущего на импульсную регенерацию, возможна при невысокой степени его расширения и адиабатном истечении из ресивера.

Техноэкономическая оценка надёжности и долговечности фильтров рассмотрена в работе на примере анализа блока регенерации ФРИ-90.

Анализ экономической концепции защиты атмосферы и расчет эффективности мероприятий по защите техносферы от пылевых выбросов фильтрами, приведенные в работе, подтверждают высокую рентабельность пылеуловителей этого типа в различных отраслях промышленности.

В приложениях приведены документы, подтверждающие техническую целесообразность проведенных исследований и результаты некоторых экспериментов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Научно обоснована и реализована новая концепция энергосберегающего сухого пылеулавливания фильтровальными перегородками различного типа, основанная на комплексном анализе энергетических показателей регенерации и различных видов кинетики фильтрования с обязательным учетом конкретной аэродинамической ситуации.

2. Построенные уравнения кинетики фильтрования в обобщенных переменных, позволили сформулировать и в дальнейшем научно обосновать энергосберегающие перспективы и расширить диапазон применения фильтров, рассчитанных с помощью этих уравнений. Полученные зависимости вида Еи=/(Яе, Но, Гь учитывают временное подобие и другие безразмерные параметры, характеризующие процесс фильтрования.

3. Изучена кинетика разделения аэрозолей с твердой дисперсной фазой фильтрами в условиях динамической регенерации и получено уравнение, характеризующее процесс накопления пылевого слоя на фильтровальной поверхности. Предложено и решено методом Рунге-Кутга уравнение, позволяющее определить критическое число гомохронности - Ноф, при котором устанавливается режим стабильной регенерации.

4. Предложена модель пневмоимпульсной регенерации, использующая искусственные нейронные сети. Проверка показала адекватность и высокую эф-

фективность модели. Расхождение с экспериментальными данными не превышает 1 -1,5 %.

5. Впервые проанализировано влияние направленного изменения структурных свойств фильтровальных материалов (термическая, антистатическая и химическая обработка поверхности фильтровальной ткани, микропористые покрытия, применение вспомогательных веществ) на повышение эффективности пылеулавливания при сохранении общей энергосберегающей тенденции реализации процесса фильтрования и регенерации.

6. Доказан консервативный характер традиционной изокинетической схемы отбора пылегазовых проб и расширена область использования изокритериаль-ной схемы для получения представительных данных о состоянии дисперсной фазы в потоке.

7. На основе экспериментально-теоретических исследований разработан метод оценки степени неравномерности распределения регенерирующего агента по поверхности фильтровальных элементов с использованием коэффициентов Буссинеска и Кориолиса, что позволило организовать целенаправленную аэродинамическую оптимизацию процесса регенерации

8. Впервые изучено влияние сопутствующих массообменных процессов на эффективность фильтрования и регенерации. Установлено, что при прохождении аэрозольного потока через слой катализатора, на котором протекает гетерогенная реакция, частицы осаждаются в активированном слое во много раз интенсивнее, чем при отсутствии каталитической реакции. При этом гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки имеет более низкие значения, а регенерационная способность повышается по сравнению с традиционным фильтрованием (без сопутствующих массообменных процессов).

9. Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования импульсных устройств с наложением акустических колебаний в ультразвуковом диапазоне (10-34 кГц) для интенсификации процесса регенерации.

10. Выполнен эксергетический анализ процесса регенерации, подтверждающий достаточно высокий эксергетический к.п.д. (0,886<т|„ <0,992), что позволило сформулировать оптимальные параметры этого процесса, обеспечивающего экономию энергетических затрат при его проведении.

11. Проведена промышленная апробация полученных результатов с их социально и технико-экономической оценкой. Отдельные результаты работы внедрены на ряде предприятий, что открывают дальнейшие широкие инновационные перспективы.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 106 печатных работах, в том числе

Монографии и учебные пособия

1. Энергосберегающее пылеулавливание при производстве керамических пигментов по "сухому способу" /В.А. Горемыкин, Ю.В. Красовицкий, A.B. Логинов, С.Ю.Панов//Воронеж: Воронежский государственный университет, 2001,- 296 с. (УДК 66.074.2/3: 666.6.002) ISBN 5 - 9273 - 0169 - X

2. Расчет и выбор пылеулавливающего оборудования: Учебн. пособие для студентов высших уч. заведений с грифом УМО/В.А. Горемыкин, М.К. Аль-Кудах,

С.Ю.Панов, Ю.В. Красовицкий, A.M. Болдырев, Ю.Н. Шаповалов,- Воронеж, гос. арх- строит, акад. - Воронеж. 2000,- 326 с.

Патенты

3. Регенерируемый фильтр для тонкой очистки газов от пыли/ Панов С.Ю., Горемыкин В.А., Красовицкий Ю.В., Аль-Кудах М.К.// Патент . 2147915 РФ МПК7 В 01D 46/26, С 9/00 Б.И. №12 27.04.2000

4. Саморегенерируемый фильтр для тонкой очистки газов от пыли/ Панов С.Ю., Горемыкин В.А., Красовицкий Ю.В., Аль-Кудах М.К., Архангельская Е.В.//Патент 2156642 РФ МПК7 В 01D 46/26, С 9/00 Б.И. № 27 27.09.2000

5. Фильтр с импульсной регенерацией /Красовицкий Ю.В., Энтин C.B., Панов С.Ю., Анжеуров Н.М., Панова O.A.,Русанов А.А.//Пат. 2276618 Российская Федерация, МПК7 В 01D 46/26, С 9/00. Б.И. № 14.20.05.2006

6. Фильтр для очистки газов от пыли / Панов С.Ю., Красовицкий Ю.В., Энтин C.B., Анжеуров Н.М., Панова О.А.//Патент РФ 2205678 МПК7 В 01D 46/26, С 9/00. Б.И. № 16 10.06.2003

7. Фильтр-циклон для очистки газов/ Панов С.Ю., Энтин C.B., Анжеуров Н.М., Красовицкий Ю.В., Щеглова Л.И.//Пат. 2251445 Российская Федерация, МПК7 В 01D 46/26, С 9/00. Б.И. № 13.10.05,2005

8. Фильтр для очистки гетерофазных систем/ Панов С.Ю., Анжеуров Н.М., Ники-тенко Д.В., Иванова В.Г.//Пат. 2282482 Российская Федерация, МПК7 В 01D 46/26, С 9/00. Б.И. № 24.27.08.2006

9. Реактор для каталитической очистки газообразных выбросов/Бражников Е.Б.,Духанина Т.Н.,Турищева E.H., Панов С.Ю.//Пат. 2299089 Российская Федерация, МПК7 В 01D 53/86, С 9/00. Б.И. № 14.20.05.2007

10. Газовый фильтр/Шаповалов Ю.Н., Воротягин А.Ю., Панов С.Ю., Русанов A.A., Энтин C.B., Анжеуров Н.М., Красовицкий Ю.В., Панова O.A.// Пат. 2310498 Российская Федерация, МПК7 В 01D 46/26, С 9/00. Б.И. № 32. 20.11.2007

11. Циклон с фильтрующим элементом/Беспалов С.Н., Панов С.Ю.//Пат. 2414306 Российская Федерация, МПК7 В04С9/00, B01D50/00. Б.И. № 6. 20.03.2011

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

12. Панов С.Ю. Модернизация систем пылеулавливания при производстве керамических пигментов / В.А.Горемыкин, С.Ю.Панов, Ю.В.Красовицкий, М.К. Аль-Кудах//Хим. и нефтегазовое машиностроение 1998. №12. С. 17-18.

13. Панов С.Ю. Прогнозирование общей эффективности фильтрования газовых гетерогенных систем фильтрами из пористых металлов / С.Ю.Панов, В.А.Горемыкин, Ю.В.Красовицкий //Хим. и нефтегазовое машиностроение 1998. №12. С. 12-13.

14. Панов С.Ю. Определение дисперсности пыли керамических пигментов в пыле-газовом потоке / В.А. Горемыкин, С.Ю.Панов, Ю.В. Красовицкий, Б.Л. Агапов, М.К.Аль-Кудах , Е.А.Шипилова //Хим. и нефтегазовое машиностроение 1999. № 5. - С. 28-30.

15. Панов С.Ю. Анализ разделения аэрозолей с неслипающейся твердой дисперсной фазой вращающимся цилиндрическим фильтром / Ю.В.Красовицкий, Е.И.Пустыльник, В.И.Энтин, Н.Ю.Красовицкая, М.К.Аль-Кудах, Е.В.Архангельская, С.Ю.Панов//Хим. и нефтегазовое машиностроение 1999. №6. С.9-12.

16. Панов С.Ю. Исследование эффективности пневмоимпульсной регенерации рукавного фильтра/ Ю.Н. Шаповалов, Ю.В.Красовицкий, А. А. Русанов //Хим. и нефтегазовое машиностроение 2006. №12. С. 27-28.

17. Панов С.Ю. Исследование фильтра с центробежной регенерацией для разделения пылегазовых потоков / С.Ю.Панов, Ю.Н. Шаповалов, Ю.В. Красовицкий. Д.В. Никитенко, O.A. Панова, М.К. Аль-Кудах// Хим. и нефтегазовое машиностроение.-2007.-№12,- с. 7-9.

18. Панов С.Ю. Разработка фильтров непрерывного действия / М. К.Аль-Кудах. Е.В.Архангельская, С.Ю.Панов, В.А.Гсремыкин, Ю.В.Красовицкий //Хим. и нефтегазовое машиностроение 2000. №12. С. 42-45.

19. Панов С.Ю. Изучение процесса тангенциального фильтрования с низкой движущей силы при разделении пылегазовых потоков/ С.Ю.Панов, Ю.Н.Шаповалов, Ю.В.Красовицкий, Д.В.Никитенко, О.А.Панова //Хим. и нефтегазовое машиностроение 2007. №3. С. 11-12.

20. Панов С.Ю. Физико-механические свойства аспирируемых пылей при производстве керамических пигментов /В. А. Горемыкин, О.А.Фролова, Ю.В.Красовицкий, С.Ю.Панов //Стекло и керамика. 2001. №3. С. 21-24.

21. Решение аэрозольных проблем при произаодстве керамических пигментон по энергосберегающей технологии / Горемыкин В.А., С.Ю.Панов, Аль-Кудах М К.. Красовицкий Ю.В.//Стекло и керамика 2001. №4. С. 18-20.

22. Панов С.Ю. Особенности процесса фильтрования промышленных пылегазовых потоков при производстве строительных материалов / С.В.Энтин, Н.М.Анжеуров, Ю.В.Красовицкий, С.Ю.Панов //Огнеупоры и техническая керамика 2002. №5. С. 35-36.

23. Панов С.Ю. Саморегенерируемый фильтр для тонкой очистки газов от пыли / В.А.Горемыкин, Ю.В.Красовицкий, М.К.Аль-Кудах, Е.В. Архангельская// Экологические системы и приборы. 2002. №3. С. 54.

24. Панов С.Ю. Новое техническое решение высокоэффективного сухого пылеулавливания при производстве огнеупоров./ С.В.Энтин, Н.М.Анжеуров, Ю.В.Красовицкий, Л.И.Щеглова//Новые огнеупоры. 2003. №5. С. С.32-34

25. Аспекты аппаратурного оформления энерго- и ресурсосберегающих процессов /И.Е. Шабанов, С.Ю. Панов, В.И. Корчагин, A.B. Жучков, Ю.Н. Шапова-лов//Вестник ВГТА. 2005. - № 10. - С. 73-81

26. Панов С.Ю. Исследования фильтра с динамической регенерацией для улавливания и утилизации пылевых выбросов при хранении и переработке зерна /О. А. Панова, Ю. В. Красовицкий, С. Ю. Панов //Хранение и переработка сельхозсырья. -2007.-№8.-С.62-66.

27. Панов С.Ю. Выбор решения для улавливания и утилизации пылевых выбросов при хранении и переработке зерна/О.А. Панова, С.Ю.Панов, Ю.В. Красовицкий //Вестник ВГТА. 2009. - № 1. - с. 73-81

28. Панов С.Ю. Разработка модели пневмоимпульса при регенерации фильтровальных слоев/ С.Ю.Панов, A.A. Русанов, Ю.В. Красовицкий, P.A. Важин-ский//Вестник ВГТУ. 2009. ■ № 2. - С. 163-165

29. Панов С.Ю. Моделирование процесса пневмоимпульсной регенерации рукавных фильтров с помощью нейронных сетей/ С.Ю.Панов, A.A. Русанов, Ю.В. Красовицкий, P.A. Важинский//Вестник ВГТУ. 2009. - № 3. - С. 137-138

30. Панов С.Ю. Модель сепарацпи частиц при совмещенном действии центробежного поля и фильтрования/С.Ю.Паноз, В.Н. Шипилов, Ю.В. Красовицкий, O.A. Па-нова//Вестник ВГТУ. 2011. - Хв 6. - С. 25-27

11 -л 6 7 и

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ А - амортизационные затраты, константы; а - годовой процент амортизации; Б -стоимость комгт;:егста фильтров, В - константы; Г - критерий симплекс; Д - диффузионный параметр; Е - энергия; 3, Зо - затраты на обслуживание фильтра и общая сумма затрат; К/> -стоимость фильтрующих материалов на заданную производительность; /С, К,, - коэффициенты использования оборудования по мощности . времени и с учетом потерь электроэнергии; Ф - плановый годовой фонд работы фильтра, Фч -фактор разделения; Ц - цели, цена 1 1свт.ч ; Э -энергозатраты; эффективность, В —барометрическое давление, d —диаметр; Ей

- число Эйлера, F - площадь поперечного сечения; G - седиментационный параметр, И -высота слоя, расстояние от входа пылегазового потока до ЗФМ; На - число Хаммакера; Но-чиспо гомохронностг.; h - толщина; К, Кф - общий и фракционный коэффициенты изменения проскока; L, 1 -длина г.ути и длина капилляра; М. -коэффициент количества движения потока (Буссинеска) ; т - коэффициент пропорциональности; N, N,-. jVt - мсшностт., число частиц, коэффициент кинетической энергии потока (Кориолнса); р - давление; q - удельная газовая нагрузка; R, г - радиус; гос - удельное сопротивление; Re - число Рейнольдса; s -показатель сжимаемости; Т - температура, разрывающее усилие, силы адгезии; I - объем газа; WIV - локальная и средняя скорость; Х- кодированные значения факторов, ч - натуральные значения факторов; хо - объемная концентрат»; дисперсной фазы, Z - массовая концентрация дисперсной фазы; Др - перепад давлений; 5 - характерным размер частицы; е

- пористость; £ - коэффициент гидравлического сопротивления; >j, t/p, - общий к гтд., эффективность регенерации; эксергетический к.п.д.; ц - динамическая вязкость; v - кинемати ческая вязкость, Я2 m - безразмерные комплексы; р - плотность; ст - среднее квадратиче-ское отклонение логарифма диаметров частиц; т, тр, т,„ш - время фильтрозания, регенерации и импульса; <р - относительная влажность воздуха; у - коэффициент пропорциональности.

Индексы: « - внутренний, волокно; дин - динамический; з - зерно; к - конечный; кр - критический; н - начальный; опт - оптимальный; п - перегородка; пр - продувка; пс - пылевой слой; с - сопло, ст - статический; ос - осадок; ост - остаточный; ч - цилиндр; ч - частица; и; - шар; э - эквивалентный

2010291754

Подписано в печать 30.08 2011. Формат 60 х 8-1 1/16 Уел неч. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 216

Г0УВГ10 «Воронежская государственная технологическая академия» (ГОУВПО«ШТЛ») Отдел полиграфии ГОУ13ПО «ВГТА» Адрес академии и отдела полиграфии: 394000, Воронеж, пр. Революции. 14

2010291754

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

05201151956

ПАНОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ПЕРЕГОРОДОК В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты

химических технологий

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ,

д.т.н., проф. Красовицкий Ю.В.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж-2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................... 6

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 7

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ

ПЕРЕГОРОДОК

1.1.Современные фильтровальные системы для разделения гетерогенных систем с твердой дисперсной фазой.............................. 15

1.2.Особенности процесса регенерации фильтровальных перегоро-ро- 21

док..........................................................................................

1.3.Анализ и выбор фильтровальных материалов для тонкой очист- 25

ки газов и стабильной регенерации.............................................

1.4.0бзор современных инженерных решений регенерации фильт- 42 ровальных перегородок............................................................

1.5.Анализ и выбор перспективных направлений регенерации 54 фильтровальных перегородок...................................................

1.6.Структурная схема, алгоритм задач и результатов исследова- 66 ний........................................................................................

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Пневмометрические и специальные аэродинамические спосо- 69 бы измерений...........................................................................

2.2. Методы измерения концентрации дисперсной фазы и оценка 74 дисперсности промышленных пылей........................................... 85

2.3. Анализ физико-химических свойств пылегазовых потоков....... 89

2.4. Разработка и исполнение экспериментальных стендов............

2.5. Реализация методов физико-математического описания и ап-

проксимации кинетических характеристик процесса регенерации.... 106

2.6. Методика оценки погрешностей измерений ......................................................108

2.7. Выводы и специальные рекомендации........................................................................116

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НА ПРОЦЕСС РЕГЕНЕРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРОВАНИЯ

3.1. Анализ кинетики фильтрования реальных пылегазовых потоков.......................................................................................... 117

3.1.1. Интерпретация функциональных зависимостей вида Еи=Г(Ре, Но, Г,, Г2)..................................................................... 120

3.1.2. Определение оптимальной газовой нагрузки для различных типов фильтровальных перегородок.....................................127

3.2. Использование коэффициентов Буссинеска и Кориолиса для оценки степени неравномерности распределения регенерирующего агента по поверхности фильтровальных элементов. Направление аэродинамической оптимизации процесса регенерации................ 132

3.3. Анализ структуры осадка и характеристика адгезионных связей .......................................................................................... 143

3.4. Специфика регенерации при высокотемпературной очистке газов .......................................................................................... 162

3.5. Оценка влияния сопутствующих массообменных процессов на» фильтрование и регенерацию фильтровальных перегородок......... 173

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ПЕРЕГОРОДОК

4.1. Исследование процесса импульсной регенерации фильтровальных слоев.......................................................................

4.2. Экспериментально-статистические методы исследований. Ин-

терполяционная модель процесса импульсной регенерации........... 189

4.3. Экспериментальные исследования процессов динамической регенерации.............................................................................. 195

4.4. Изучение процесса тангенциального фильтрования с низкой движущей силы при разделении пылегазовых потоков.................. 202

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ПЕРЕГОРОДОК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

5.1. Разработка модели пневмоимпульса при регенерации фильтровальных слоев..................................................................... 211

5.2. Расчет ускорений отрыва пылевых слоев при импульсной регенерации фильтров................................................................... 216

5.3. Моделирование процесса пневмоимпульсной регенерации рукавных фильтров с помощью нейронных сетей........................... 221

5.4. Модель регенерации в поле центробежных сил..................... 232

ГЛАВА 6. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ.ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ПЕРЕГОРОДОК В ПРОЦЕССАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ, СОЦИАЛЬНО -ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И КОММЕРЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗРАБОТАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ 6.1. Новые проектные решения и научные разработки для решения

поставленной задачи.......................................................... 245

6.2. Дополнительные рекомендации по усовершенствованию процесса энергосберегающей регенерации фильтровальных перегородок............................................................................... 259

6.3. Расчет надежности и долговечности рекомендуемого аппара-

турного оформления процесса.............................................. 261

6.4. Оценка социально-экономической и экологической эффективности рекомендуемых решений............................................. 271

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ................................. 280

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 282

ПРИЛОЖЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А — амортизационные затраты, константы; а — годовой процент амортизации; Б - стоимость комплекта фильтров; В - константы; Г — критерий симплекс; Д — диффузионный параметр; Е - энергия; 3, Зо — затраты на обслуживание фильтра и общая сумма затрат; Ко — стоимость фильтрующих материалов на заданную производительность; Км; Ки; Кп - коэффициенты использования оборудования по мощности , времени и с учетом потерь электроэнергии; Ф — плановый годовой фонд работы фильтра; Фц -фактор разделения; Ц— цели, цена 1 квт.ч. ; Э —энергозатраты; эффективность, В — барометрическое давление; с! —диаметр; Ей - число Эйлера; Е - площадь поперечного сечения; О — седиментационный параметр; Н — высота слоя, расстояние от входа пылегазового потока до ЗФМ; На — число Хаммакера; Но— число гомохронности; к - толщина; К, Кф - общий и фракционный коэффициенты изменения проскока; Ь, I —длина пути и длина капилляра; Мк — коэффициент количества движения потока (Буссинеска); т - коэффициент пропорциональности; И, Л^ — мощность, число частиц, коэффициент кинетической энергии потока (Кориолиса); р — давление; д — удельная газовая нагрузка; Я, г — радиус; гос — удельное сопротивление; Яе — число Рейнольдса; б -показатель сжимаемости; Т — температура, разрывающее усилие, силы адгезии; V — объем газа; - локальная и средняя ско-

рость; X - кодированные значения факторов; х — натуральные значения факторов; х0 — объемная концентрация дисперсной фазы; Z — массовая концентрация дисперсной фазы; Ар — перепад давлений; 5 — характерный размер частицы; 8 - пористость; С, - коэффициент гидравлического сопротивления; г], г\р> }]ех — общий к.п.д., эффективность регенерации; эксергети-ческий к.п.д.; \х - динамическая вязкость; v — кинематическая вязкость; %2, ль — безразмерные комплексы; р - плотность; а — среднее квадратиче-ское отклонение логарифма диаметров частиц; г, тр, тшш — время фильтрования, регенерации и импульса; (р — относительная влажность воздуха; \|/ -коэффициент пропорциональности.

Индексы: в — внутренний, волокно; дин - динамический; з - зерно; к конечный; кр - критический; н - начальный; опт - оптимальный; п - перего родка; пр - продувка; пс — пылевой слой; с — сопло, ст - статический; ос осадок; ост — остаточный; г/ - цилиндр; ч - частица; ш - шар\ о — эквивалент ный.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последние годы в большинстве отраслей промышленности передовых, технически развитых стран наметилась тенденция к расширению области применения фильтров-пылеуловителей как одного из наиболее эффективных аппаратов очистки промышленных газовых выбросов. Такая тенденция обусловлена:

—реальным медико-экологическим мониторингом и повышением требований к охране окружающей среды;

—появлением ряда новых технологических процессов; —расширением производства новых фильтровальных материалов, способных работать в разнообразных условиях применения, в различных конструкциях фильтров;

—возможностью совмещения в фильтре функций улавливания твердых' частиц и очистки от токсичных газообразных компонентов.

Вместе с тем, на пути более интенсивного внедрения пылеулавливающих фильтров в промышленную практику имеется ряд объективных трудностей:

— недостаточно изучен процесс как низкотемпературной, так и, особенно, высокотемпературной очистки газов, что не позволяет в большинстве случаев правильно выбрать тип и параметры работы фильтра, в частности, удельную газовую нагрузку;

—высокая стоимость хемо- и термостойких фильтровальных материалов;

—в ряде случаев недостаточно высокий уровень эксплуатации. Эффективная и надежная работа фильтров, как и других агрегатов, возможна лишь при условии эффективной регенерации фильтрующих элементов.

Недостаточная эффективность систем регенерации обычно влечет за собой повышение гидравлического сопротивления аппарата, что соответст-

венно увеличивает расход электроэнергии и может привести к росту остаточной запыленности или к необходимости более частой регенерации, и в конечном итоге отрицательно сказывается на сроке службы фильтроэлементов. В то же время при выходе из строя одного фильтроэлемента даже в большом аппарате эффективность фильтра резко снижается.

Практика эксплуатации фильтров показала, что даже если фильтровальная перегородка обеспечивает высокую степень очистки, но трудно поддается регенерации, то такие фильтровальные материалы не находят промышленного применения.

Таким образом, научной проблемой, подлежащей решению, является интенсификация процесса регенерации промышленных пылеулавливающих фильтров за счет импульсных энергетических воздействий.

В данной работе изучены технологические параметры пылеулавливающих фильтров (удельная газовая нагрузка при фильтровании и регенерации, гидравлическое сопротивление, периодичность регенерации и ее продолжительность, параметры продувочного газа или воздуха, конструктивные особенности системы регенерации и.т.д), в различных отраслях промышленности, и дана сравнительная оценка технических возможностей и экономических показателей таких установок. Этот анализ проведен с учетом данных по надежности фильтров.

Работа проводилась в рамках основных направлений научных исследований кафедр процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) и машин и аппаратов химических производств (МАХП) ГОУ ВПО ВГТА, соответствующих плану госбюджетной НИР (№ гос. регистрации -0120.0603139) «Разработка инновационных и совершенствование современных технологий, оборудования, моделей, способов и средств автоматизации и управления пищевыми и химическими производствами» по направлениям «Моделирование и разработка энергосберегающих технологий и оборудования химических производств» (код ГРНТИ 55.30.33.) и «Разработка и исследование процессов и оборудования для переработки твердых углеводородо-

целлюлозных отходов в режимах собственного энергообеспечения» (код ГРНТИ 55. 01.91.), в рамках стипендии Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Немецкой службы академических обменов (DAAD).

Цель работы совершенствование процесса регенерации, проведение анализа энергетических воздействий на пылевые слои, научное обоснование и разработка энергосберегающей регенерации и внедрение полученных результатов в технологические процессы.

Для достижения указанной цели поставлен и решен комплекс задач: теоретические и экспериментальные исследования технологических и энергетических характеристик процессов регенерации;

научное обоснование методов расчета и проектирования промышленных пылеулавливающих фильтров;

разработка методологии изучения интенсификации процесса регенерации, внедренне эффективных промышленных пылеулавливающих фильтров с устройствами энергетического воздействия.

Методы исследования и достоверность результатов основаны на совместном использовании закономерностей механики аэрозолей, теории фильтрования и аэрогидродинамики пылегазовых потоков, разработанных H.A. Фуксом, И.В. Петряновым-Соколовым, Е.П. Медниковым, В.А. Жужи-ковым, Т.А. Малиновской, И.Е. Идельчиком, Ю.В. Красовицким, А.Ю. Вальдбергом, которые в сочетании с экспериментально-статистическими методами анализа обеспечили получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов. При этом расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований, в среднем, не превышало 12 % с доверительной вероятностью 0,95.

Научная концепция. Разработка и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации действующих и создания новых высокоэффективных систем регенерации пылеулавливающих фильтров на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса фильтрования

совместно с изучением физико-химических и структурно-механических характеристик модельных объектов.

Научная новизна работы: 1. На основе теоретического обобщения физико-химических эффектов в пылевых слоях, анализа и синтеза энергетических воздействий разработана методика интенсификации процесса регенерации пылеулавливающих фильтров;

2. Получены и экспериментально проверены интерполяционные модели уравнения в обобщенных переменных, описывающие кинетику фильтрования при <ЖУг Ф 0, что позволило сформулировать условия и энергосберегающие перспективы регенерации.

3. Получены уравнения, описывающие кинетику разделения аэрозолей с твердой дисперсной фазой при регенерации фильтрующих элементов в поле центробежных сил, учитывающие гидродинамическое и временное подобие, а только ряд безразмерных параметров, характеризующих процесс и позволяющих определить режим стабильной регенерации.

4. Предложен метод для оценки степени неравномерности распределения регенерирующего агента по поверхности фильтровальных элементов с использованием модернизированных коэффициентов Буссинеска (Мк) и Ко-риолиса (Ык) для-специфических форм рабочего сечения фильтровальных элементов, что позволило организовать целенаправленную аэродинамическую оптимизацию процесса регенерации.

5. Предложена математическая модель пневмоимпульсной регенерации, разработана методика расчета, позволяющая прогнозировать показатели эффективности очистки фильтровальных элементов (восстановление первоначального гидравлического сопротивления, освобождение от дисперсной фазы поровых каналов фильтровального слоя).

6. Разработан метод определения оптимального значения удельной газовой нагрузки для различных систем регенерации и структуры фильтровального слоя с учетом гидродинамических условиях проведения процесса.

7.Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования импульсных устройств с наложением акустических колебаний в безопасном для обслуживающего персонала ультразвуковом диапазоне при интенсификации процесса регенерации.

На защиту выносятся следующие положения, научной новизны работы:

- основные направления интенсификации процесса регенерации промышленных пылеулавливающих фильтров, базирующиеся на анализе и синтезе энергетических воздействий и физико-химических эффектов в пылевых слоях осадков;

- способ определения оптимальной удельной газовой нагрузки в период регенерации на фильтровальных перегородках с различной структурой слоя;

- зависимости, описывающие кинетику фильтрования пылегазовых потоков с отложением осадка с учетом их сжимаемости при сК/ск^ 0 и условия энергосберегающего подхода к процессу пылеулавливания;

- математические, в том числе, нейроносетевые модели регенерации, позволяющие установить оптимальные параметры этого процесса;

- математические модели для оценки степени неравномерности распре деления пылегазового потока при различных формах рабочего сечения фильтровальных элементов и методика численного определения значений коэффициентов Мк и 1ЧК;

- уравнения, описывающие кинетику фильтрования полидисперсных аэрозолей в центробежном поле, позволяющие определить критическое число гомохронности, при котором обеспечивается стабильный энергосберегающий гидродинамический режим проведения такого процесса;

- оригинальные конструкции пылеулавливающих фильтров с системами интенсификации процесса регенерации, защищенные патентами РФ.

Практическая ценность диссертации.

На основе предложенных моделей и методик расчета разработаны технологические и конструктивные решения энергосберегающего фильтровального оборудования, обеспечивающие интенсификацию проце