Исследование гидродинамических характеристик вихревого аппарата

УДК 691.316

Р. А. Халитов, И. А. Махоткин, А. Ф. Махоткин, Ю. В. Пензин, Э. С. Степанов, Р. Р. Туктаров

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИХРЕВОГО АППАРАТА

Ключевые слова: пыль, пылеуловитель, вихревой аппарат, гидравлическое сопротивление, брызгоунос, удерживающая

способность.

В работе проведен анализ существующих способов очистки отходящих газов от известковой пыли производства силикатного кирпича. Представлена конструкция и описан принцип работы мокрого пылеуловителя вихревого типа. Проведены экспериментальные исследования гидродинамических характеристик модели вихревого пылеуловителя. Целью исследований являлось определение влияния режимных и конструктивных параметров аппарата на его гидравлическое сопротивление, брызгоунос и удерживающую способность. Проведенные исследования показали, что вихревой аппарат работоспособен в широком диапазоне изменения нагрузок по газовой и жидкой фазе, обладает брызгоуносом в допустимых пределах, высокой объемной концентрацией по жидкой фазе и невысоким гидравлическим сопротивлением. Разработанная конструкция пылеуловителя внедрена на Казанском заводе силикатных стеновых материалов.

Keywords: dust, dust collector vortex apparatus, hydraulic resistance, drop entrainment, retention capacity.

The analysis of existing methods offlue gas cleaning dust from lime production of silica brick. A design and describes the principle of wet dust collector vortex type. Experimental studies of hydrodynamic characteristics of the model of vortex dust collector. The aim of research was to determine the effect of operating and design parameters of the device on its hydraulic resistance, drop entrainment and retention. Studies have shown that the vortex unit is operable in a wide range of loads of the gas and liquid phases has entrainment within acceptable limits, high bulk density and liquid phase by a low flow resistance. Designed dust collector design was introduced at the Kazan plant of silicate wall materials.

Введение

Производство силикатного кирпича сопровождается значительным выбросом известковой пыли

[1]. На некоторых заводах для уменьшения концентрации пыли применяется ее рассеивание в атмосфере с помощью высотных труб. Для защиты атмосферы используются сухие и мокрые пылеуловители

[2]. Для достижения приемлемой эффективности очистки газов в пылеосадительных камерах необходимо, чтобы частицы находились в этих аппаратах возможно более продолжительное время, а скорость движения пылевого потока была незначительной. Циклоны просты в изготовлении, надежны в эксплуатации при высоких давлениях и температурах, обеспечивают фракционную эффективность очистки на уровне 80...95% от частиц пыли размером более 10 мкм. Циклоны в основном рекомендуется использовать перед высокоэффективными аппаратами пылеочистки (тканевыми и электрофильтрами) [4].

В фильтрационных сепараторах очистка воздуха (газа) от аэрозольных загрязнений (пыли, сажи, капельной влаги) происходит при прохождении загрязненного потока через слой пористого материала [5]. В качестве фильтрующего слоя используют ткани, кокс, гравий и др.

Фильтры применяют как при высокой, так и при низкой температуре очищаемой среды, при различной концентрации в воздухе взвешенных частиц. Соответствующим подбором фильтровальных материалов и режима очистки можно достичь требуемой эффективности очистки в фильтре практически во всех необходимых случаях. Многие конструкции фильтрационных пылеуловителей более сложны в эксплуатации и требуют квалифицированного обслуживания. Рукавные фильтры обладают малым сроком работы (несколько месяцев) и требуют охлаждения воздуха.

Мокрые пылеуловители более эффективны по сравнению с сухими и дают возможность улавливать частицы до 0,1 мкм, снижают опасность взрывов и возгораний, наряду с пылью могут поглощать газообразные вещества.

В мокрых пылеуловителях пыль улавливается на границе трехфазной системы: газ - жидкость - твердое тело. Для интенсификации улова пыли необходимо применение интенсивного режима взаимодействия фаз с высокой турбулизацией потоков. Наиболее предпочтительными являются вихревые аппараты. Вихревые пылеуловители появились в промышленности в 50-х годах и получили значительное распространение [6]. В вихревом пылеуловителе, как и в циклоне, сепарация пыли основана на использовании центробежных сил. В вихревых пылеуловителях достигается весьма высокая эффективность очистки - 98.99 % и выше. Аппарат может применяться для очистки газов с температурой до 700°С. В вихревом пылеуловителе не наблюдается износа внутренних стенок аппарата, что связано с особенностями его воздушного режима [7]. Аппарат более компактен, чем другие пылеуловители. Степень очистки в вихревых пылеуловителях значительно выше, чем в сухих циклонах, и может достигать значений, характерных для мокрых циклонов. На рис. 1 представлена конструкция разработанного нами вихревого пылеуловителя.

Пылеуловитель работает следующим образом. Газовый поток, содержащий известковую пыль, поступает через тангенциальный газоход 1 в нижнюю часть аппарата 3. В газоходе газовый поток орошается водой через форсунки 8. Далее газожидкостный поток поступает в нижнюю часть аппарата и приобретает вращательное движение. Вращающийся газожидкостный поток через тангенциально расположенные щели входит во внутреннее пространство

нижнего завихрителя 5. При этом поверхность лопаток завихрителя интенсивно орошается жидкостью и происходит улов пыли из газового потока.

Рис. 1 - Вихревой пылеуловитель: 1 - патрубок входа газа; 2, 3 - нижний и верхний корпус; 4 -тарелка; 5, 6 - нижний и верхний завихрители; 7 - патрубок выхода газа; 8, 9 - патрубки входа и выхода жидкости

Вихревой высокотурбулизированный

газожидкостный поток далее проходит через верхний завихритель 6 и при выходе из его щелей, в пространстве между завихрителем и корпусом аппарата, происходит сепарация газожидкостного потока. Газовый поток, содержащий брызги и капли жидкости отводится через патрубок 7 в дополнительный вихревой брызгоуловитель, а отсепарированная жидкость продолжает находиться в виде высокотурбулизированного вращающегося слоя между завихрителем и корпусом аппарата. При этом исключается возможность осаждения уловленной пыли на тарелке. В зависимости от нагрузки аппарата по газовой и жидкой фазам выход жидкости осуществляется через патрубки 9.

Экспериментальная часть

Проведены экспериментальные исследования гидродинамических характеристик модели вихревого пылеуловителя. Геометрические размеры модели соответствовали размерам промышленного аппарата в соотношении 1:3.

Целью исследований являлось определение влияния режимных и конструктивных параметров аппарата на его гидравлическое сопротивление, брызгоунос и удерживающую способность.

Гидравлическое сопротивление неорошаемого аппарата характеризует долю энергии газового потока, затраченную на преодоление сопротивления трению при прохождении через вихревой аппарат.

Гидравлическое сопротивление орошаемого аппарата характеризует дополнительную энергию газового потока, затраченную на турбулизацию жидкости, обусловливает эксплуатационные затраты на получение продукции, позволяет определить потери давления газа, проходящего через ступень, и обоснованно выбрать необходимую величину гидрозатвора, которая должна превышать гидравлическое сопротивление ступени [8].

На рисунке 2 представлена зависимость гидравлического сопротивления (ДР) сухого и орошаемого вихревого аппарата от скорости газа в щелях при различных расходах жидкости (Ъ).

Из графиков гидравлического сопротивления орошаемой ступени видно, что существуют два режима работы вихревого аппарата: при Wщ< 5 м/с гидравлическое сопротивление (ДPор

пропорционально Wщ0'23, что соответствует переходному режиму работы, а при скорости газа Wщ > 5 м/с (ДГоР ~ Wщ1•2), что характерно турбулентному режиму.

С ростом расхода жидкости увеличивается разность (ДРор - ДРсух), что соответствует возрастанию газожидкостного объема в вихревой ступени, созданию развитой поверхности контакта фаз и приводит к интенсификации процессов тепломассообмена.

А

* \

ц

/

/

/

/

1 2 4 6 В 10 "Л 20 30 №щ -,

Рис. 2 - Зависимость гидравлического сопротивления (ДР) вихревого аппарата от скорости газа в щелях при различных расходах жидкости

(Ь, м3/ч):

40 = 0,125 0,27° 0,41 ¿3<;1 £1.1 ¿85 *24+2,94

При увеличении расхода жидкости до 1м3/ч гидравлическое сопротивление повышается незначительно. При расходе жидкости более 1м3/ч наблюдается возрастание перепада давления. При малых расходах жидкости, гидравлическое сопротивление сухого аппарата имеет более высокое значение, чем сопротивление орошаемого аппарата. Это связано с покрытием элементов вихревого аппарата пленкой жидкости, вследствие чего уменьшается сила трения газового потока о смоченную поверхность и соответственно наблюдается уменьшение гидравлического сопротивления вихревого аппарата.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что устойчивый режим работы разработанного вихревого аппарата наблюдается

при изменении скорости газа в щелях завихрителей ^щ) в пределах 8 ^ 12 м/с, расхода жидкости более 1,33 м3/ч.

Исследование брызгоуноса жидкости со ступени проводили методом непосредственного замера количества уносимой жидкости. Относительный брызгоунос жидкости со ступени (е) рассчитывался как отношение количества уносимой газовым потоком со ступени жидкости, к количеству подаваемой на ступень жидкости. Как видно из рис.3, на брызгоунос жидкости со ступени существенное влияние оказывают расходы газовой и жидкой фаз. Относительный брызгоунос незначителен при малых скоростях газа в щелях завихрителя и начинает возрастать при скорости в щелях завихрителя более 10 м/с.

При увеличении расхода жидкости до 0,9 м3/ч наблюдается снижение относительного брызгоуно-са, а при дальнейшем увеличении расхода жидкости наблюдается плавное увеличение брызгоуноса. С увеличением расхода жидкости высота слоя жидкости вращающейся между верхним завихрителем и корпусом аппарата возрастает, что приводит к повышению брызгоуноса со ступени.

Рис. 3 - Зависимость относительного брызгоуноса (е) жидкости с вихревой ступени от скорости газа в щелях завихрителя при различных расходах жидкости (Ь, м3/ч): ° 0,125 *0,27° 0у41 ¿0,91-1,33 <1£1»1$5

В исследуемом диапазоне расхода жидкой фазы значение относительного брызгоуноса находится в допустимых пределах (е < 0,1), что позволит обеспечить повышение эффективности улова известковой пыли в вихревом аппарате

Исследование удерживающей способности проводилось по методу одновременной, синхронной отсечки газовой и жидкой фаз. Объемная концентрация по жидкой фазе определялась по формуле:

q

VВ.А.

где q- удерживающая способность по жидкой фазе, м3; УВ.А. - объем вихревого аппарата, м3.

Как видно из графика (рис. 4) с увеличением скорости газа в щелях наблюдается снижение объемной концентрации жидкой фазы.

Это связано с увеличением центробежных сил в вихревой контактной ступени и уменьшением количества жидкости, удерживаемой внутри

вихревого аппарата. С увеличением расхода жидкости наблюдается увеличение значения объемной концентрации. Наибольшее значение объемной концентрации наблюдается при расходе жидкости 1,75 м3/ч, а затем наблюдается уменьшение ю с увеличением скорости газа в щелях завихрителя. Увеличение объемной концентрации приводит к возрастанию поверхности контакта фаз, степени обновления поверхности контакта фаз.

Рис. 4 - Зависимость объемной концентрации жидкой фазы (ю) вихревого аппарата от скорости газа в щелях завихрителя (Wffl) при различных расходах жидкости (L):

° 0,125 *0,27° М1 ¿0,91-133 <1 ¿1-1 ¿85 ¿2.4+2,94 Выводы

Проведенные исследования показали, что вихревой аппарат работоспособен в широком диапазоне изменения нагрузок по газовой и жидкой фазам, обладает брызгоуносом в допустимых пределах (е < 0,1), высокой объемной концентрацией по жидкой фазе и гидравлическим сопротивлением в пределах 10 - 20 кПа при WI = 8 - 12м/с и L = 0,125 - 1,2м3/ч.

Разработанная конструкция пылеуловителя внедрена на Казанском заводе силикатных стеновых материалов

Литература

1. Вахнин М.П. Производство силикатного кирпича. 3-е изд. перераб. и доп./ М.П. Вахнин, А.А. Анищенко - М.: Высш. шк., 1989. -200 с.2. Загрязнение природной среды кальций содержащей пылью. / Рига.: Зинатне, 1985.-215с.3. Зиганшин М.Г. Проектирование аппаратов пыле-газоочистки. / М.Г Зиганшин., А.А. Колесник, В.Н.Посохин - М.: «Экопресс - 3М», 1998.

4. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Учебное пособие./ А.Г. Ветошкин - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 200с.

5. Царева О.В. Эффективность уплотненных стекловолок-нистых фильтров / О.В. Царева, Р.А. Халитов, Е.А. Ма-хоткина // Вестник казанского технологического университета. 2010. - № 7. - С. 205 - 209.

6. Татаринов Е.Б. Аэрогидродинамика и пылеулавливание в вихревом аппарате с оросителем в закручивающем устройстве, автореф. дисс.к.т.н. Казань, 2002. 20 с.

7. Хамидуллин Р.Н. Технология очистки газовых выбросов от пыли производства силикатного кирпича, авто-реф. дисс. к.т.н. Казань,2005.-32 с.

8. Халитов Р.А. Исследование гидродинамических характеристик первой по ходу газа ступени вихревой колонны

денитрации отработанных кислот / Р.А. Халитов, И.Н. Степанов, И.А. Латыпов, А.Ф. Махоткин, К.Р. Валеева // Вестник казанского технологического университета. -2014. -№ 2. - С. 135 - 137.

© Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования химических заводов КНИТУ, oxzkstu@rambler.ru; И. А. Махоткин - к.т.н., доцент той же кафедры; А. Ф. Махоткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. оборудование химических заводов КНИТУ; Ю. В. Пензин - студент той же кафедры; Э. С. Степанов - студент той же кафедры, Р. Р.Туктаров - студент той же кафедры.

© R. A. Halitov - Doctor of Technical Sciences, professor of department equipment chemical plants KNRTU, oxzkstu@rambler.ru; I A. Mahotkin - Candidate of Technical Sciences., Associate Professor of department equipment chemical plants KNRTU; A. F. Makhotkin - Doctor of Technical Sciences, professor, Head of department equipment chemical plants KNRTU; Yu. V. Penzin -student of department equipment chemical plants KNRTU; E. S. Stepanov - student of department equipment chemical plants KNRTU, R. R. Tuktarov - student of department equipment chemical plants KNRTU.