Эффективность инерционного осаждения частиц на каплях жидкости в полых вихревых аппаратах при очистке выбросов пищевых производств

УДК 66.074.2

А. Н. Николаев, Н. М. Нуртдинов, В. В. Харьков ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНЕРЦИОННОГО ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ НА КАПЛЯХ ЖИДКОСТИ В ПОЛЫХ ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ ПРИ ОЧИСТКЕ ВЫБРОСОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Ключевые слова: очистка газов, пыль, инерционное осаждение, вихревой аппарат.

Представлен аппарат вихревого типа для очистки воздуха от тонкодисперсных частиц на предприятиях пищевой промышленности. Проведен расчет процесса инерционного осаждения частиц пыли на каплях жидкости в аппарате. Исследовано влияние определяющих факторов на фракционную эффективность инерционного осаждения частиц.

Keywords: gas cleaning, dust, inertial sedimentation, vortex apparatus.

The paper presents the vortex apparatus for dusting in the food industry. The calculation of dust's inertial sedimentation on liquid drops is performed. The study discloses influence of the determining factors on fractional sedimentation efficiency.

Технологический процесс на многих предприятиях пищевой промышленности сопровождается интенсивным выделением пыли [1]. Пыль, попадающая в атмосферу предприятия представляет значительную опасность, так как оказывает негативное воздействие на здоровье работающих, вызывает преждевременный износ технологического оборудования. Некоторые разновидности пыли, например, сахарная и мучная, при определенных условиях образуют в воздухе взрывоопасные концентрации. Ключ к решению проблемы лежит в совершенствовании процессов пылеулавливания, что имеет не только санитарно-гигиеническое, но и экономическое значение, так как позволяет сохранить значительное количество сахара, муки, крахмала и др.

Улавливание пыли на пищевых производствах осуществляется в аппаратах сухой очистки, например, циклонах, однако в них, как правило, не улавливаются частицы с диаметром менее 20 мкм и дальнейшую доочистку пылевоздушной смеси целесообразно проводить в аппаратах «мокрого» типа. Одним из наиболее эффективных аппаратов «мокрой» очистки является полый вихревой аппарат [2, 3], в котором центробежное осаждение частиц сочетается с инерционным осаждением частиц на каплях распыленной жидкости. Внедрение таких аппаратов сдерживается отсутствием надежных методов расчета эффективности протекающих в них процессов очистки, и в частности, процесса инерционного осаждения частиц пыли на каплях.

Выделим в рабочей зоне полого вихревого аппарата кольцевой элемент dz х ^ (рис. 1). Запыленный газ движется в аппарате закрученным потоком сверху вниз, а капли жидкости поступают в аппарат в приосевой зоне и под действием центробежной силы двигаются к периферии. Таким образом, в аппарате создается объемный факел распыла, пронизывающий поток газа по всей высоте рабочей зоны.

Пренебрегая изменением осевой составляющей скорости газа по длине аппарата, радиальным смещением частиц и их проскальзыванием относительно потока газа в

тангенциальном и осевом направлениях, можно записать материальный баланс для частиц в выделенном элементе:

dM = ^/^Б - Wz

где Wz - скорость газа в осевом направлении, С -концентрация пыли в газе; dS = 2л^г - площадь поперечного сечения выделенного элемента.

Рис. 1 - Схема потоков в вихревом аппарате

Изменение массы частиц в выделенном элементе dM можно также представить через эффективность инерционного осаждения частиц на капли:

dM = VoTH cdFK,

где % - эффективность осаждения частиц, Уотн -скорость капель относительно газа; dFк -суммарное миделево сечение капель, находящихся в выделенном элементе.

Учитывая полидисперсность факела распыленной жидкости, миделево сечение капель с диаметрами в интервале от а до (а + da) составит:

dFK

2a'

Объем капель указанной фракции dVK (a) можно рассчитать как:

3

с1Ук

где Ьо - суммарный расход жидкости; СЕ, = Се/И -координата течения; И - высота рабочей зоны аппарата; v(a) - объемная функция распределения частиц по размерам; т^) = Сг/Уг - время, которое капли данного диаметра находятся в выделенном элементе; V,- - радиальная скорость капель.

Приравняв соотношения (1) и (2) с учетом полученных выражений (3) и (4), а также полидисперсности капель, получим:

dc

dS

3 LqC fV0TH \lz n r J Vr

4 Wz

I da.

параметры Wz, V0TH, Vr, |к, c являются функциями радиальной координаты.

Расчеты процесса инерционного осаждения частиц на капли в вихревом аппарате проводились с использованием двумерной сетки r-z (50x100). В узлах каждого слоя z = const определялись значения Vr и V0TH для капель разных диаметров в результате численного решения системы уравнений движения одиночной капли в цилиндрической системе координат:

dVr = -у , ' Z F dr Vrr Vrmк ^ ri

dV „

1

dr dVz

r Vrmk

Z F

Ф1.

dr

-Z Fz

где mK - масса капли, ZF - сумма внешних сил,

действующих на каплю, среди которых учитывались сила аэродинамического сопротивления среды, сила тяжести и сила, вызванная градиентом скорости газа.

Осевым смещением капель в аппарате пренебрегали, а третье уравнение в системе (6) использовалось лишь для более точного вычисления величины V0TH в каждом узле. Значения компонент

скорости газа в каждом узле рассчитывались по уравнениям, представленным в работе [4].

Изменение концентрации вдоль слоев r = const определялось в результате численного решения уравнения (5), где величина г|к определялась в каждом узле по формуле:

1к = Stk2/

где Stk - число Стокса.

Вычисления проводились для случая постоянной концентрации частиц в поперечном сечении на входе в орошаемую зону аппарата (cH). Концентрация частиц в выходном сечении рабочей зоны вихревого аппарата рассчитывалась по уравнению:

ск =

J 2nrWzcdr

n R2W

ср

Эффективность инерционного осаждения частиц Еи оценивалась отношением количества осажденных частиц к общему содержанию частиц в газе на входе в аппарат:

E = cH ск

Еи _ г

Расчеты аппарата диаметром 100 мм, с входной скоростью газа 30 м/с показали, что фракционные эффективности инерционного осаждения частиц плотностью 200 кг/см3 на капли увеличиваются с увеличением диаметра частиц, асимптотически приближаясь к некоторым предельным значениям (рис. 2). Эти предельные значения возрастают с увеличением соотношений массовых расходов жидкости и газа. Из графика видно, что эффективности осаждения частиц с диаметром более 5 мкм уже практически не меняются. Тот факт, что эффективности инерционного осаждения крупных частиц не достигают единицы, связан с неполным перекрытием поперечного сечения аппарата каплями распыленной жидкости, когда соотношение расходов жидкости и газа |_т = бт не превышает 2.

Рис. 2 - Фракционные эффективности инерционного осаждения частиц на капли при изменении |_т = Ст , кг/кг:

1 - 0,5; 2 - 1; 3 - 1,5; 4 - 2

Увеличение скорости газа приводит к некоторому увеличению эффективности

инерционного осаждения частиц, но это увеличение очень незначительно. Так, увеличение скорости газа на входе в завихритель с 20 до 40 м/с приводит к росту эффективности не более чем на 8 %. Более высокий рост эффективности достигается при увеличении диаметра аппарата, однако это увеличение также имеет асимптотический характер. Это приводит к тому, что увеличение диаметра аппарата более 0,5 м уже не приводит к заметному увеличению эффективности инерционного осаждения частиц.

H

1

Литература

1. Е.А. Штокман, Очистка воздуха от пыли на предприятиях пищевой промышленности. Пищевая промышленность, М., 1977, 304 с.

2. М.Р. Вахитов, Н.М. Нуртдинов, А.Н. Николаев, Вестник Казанского технологического университета,

14, 8, 130-134 (2011).

3. О. С. Макушева, А. В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 14, 8, 355-358 (2011).

4. А.В. Дмитриев, Д.Н. Латыпов, А.Н. Николаев, Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом топливе. Новое знание, Казань, 2004. 136 с.

© А. Н. Николаев, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Оборудования пищевых производств» КНИТУ, andr_nik_nik@rambler.ru; Н. М. Нуртдинов, к.т.н., доцент кафедры «Пищевая инженерия малых предприятий» КНИТУ; В. В. Харьков, ассистент кафедры «Оборудования пищевых производств» КНИТУ, v.v.kharkov@gmail.com.

© A. N. Nikolaev, Doctor of Engineering, Professor, Head of Department of Food Production Equipment KNRTU, andr_nik_nik@rambler.ru; N. M. Nurtdinov, Candidate of Engineering, Associate Professor, Department of Food Engineering at Small Enterprises, KNRTU; V. V. Kharkov, Assistant Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU, v.v.kharkov@gmail.com.