Апарушкина, Маргарита Алексеевна. Исследование процессов в вихревых скрубберах и разработка инженерных методов расчета

Краткое описание

Апарушкина, Маргарита Алексеевна. Исследование процессов в вихревых скрубберах и разработка инженерных методов расчета : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.08 / Апарушкина Маргарита Алексеевна; [Место защиты: Моск. гос. текст. ун-т им. А.Н. Косыгина].- Москва, 2010.- 132 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/151

Государственное образовательное учреждение высшего профессио-нального образования «Московский государственный текстильный универ-ситет имени А.Н. Косыгина»
На правах рукописи
ушкина Маргарита Алексеевна
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ВИХРЕВЫХ СКРУББЕРАХ
И РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА
05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тюрин Михаил Павлович
Москва 2010 г.
Стр.
Введение 4
Глава 1. Обзор и анализ аппаратов, применяемых для мокрой
очистки газов, их классификация и методы расчета 8
1.1 Классификация аппаратов, применяемых для мокрой очист¬ки газов 8
1.2 Конструкционные особенности аппаратов для мокрой очи¬стки газов и методы их расчета 12
Глава 2. Анализ основных механизмов осаждения пыли на каплях жидкости и разработка математического описания гидро-динамики в вихревом центробежном аппарате. 43
2.1 Дисперсность капель распыляемой жидкости 43
2.2 Механизмы осаждения пыли на каплях жидкости 44
2.3 Математическое описание движения газов в аппарате 55
Глава 3. Математическое описание процессов улавливания час-тиц пыли, тепло- и массообмена в вихревом центробеж-ном скруббере 74
3.1 Анализ эффективности полого форсуночного скруббера 74
3.2 Математическое описание процесса улавливания частиц
пыли в вихревом центробежном скруббере 78
3.3 Разработка физической модели и математического описания
процесса тепло- и масссообмена в вихревых многофунк¬циональных скрубберах 86
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и аппара¬турное оформление вихревого центробежного скруббера 94
4.1 Аппаратурное оформление вихревого центробежного
скруббера 94
Описание стенда для проведения экспериментальных ис-
4.2 следований 98
Определение гидродинамических характеристик (полей
4.3 скоростей и статического давления) аппарата и их анализ 100
Экспериментальное исследование процессов тепло- и мас-
4.4 сообмена 108
Инженерный метод расчета вихревых скрубберов для ути-
4.5 лизации теплоты и очистки теплотехнологических выбросов 111
Основные результаты и выводы 120
Литература 122
Производство химических и имеющих отделочное производство тек-стильных предприятий сопровождается существенным химическим загряз-нением окружающей среды и характеризуется значительным потреблением тепловой энергии. При этом производство и потребление теплоты сопровож-дается значительными потерями и сопутствующим загрязнением окружаю¬щей среды. Резервы экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) мо¬гут достигать 70 и более процентов от всего технологического теплопотреб¬ления, в том числе на долю теплоты выбрасываемой паровоздушной смеси от теплотехнологического оборудования (запарные и выпарные аппараты, зрельники, сушильные установки и т.п.) приходится до 50% всех побочных тепловых энергоресурсов.
Важнейшей задачей в химической и текстильной отраслях промыш-ленности является реализация малоотходных технологий путем повышения экологичности технологических процессов, снижения сырьевых потерь и реализации возможных резервов экономии тепловой энергии. Одними из наиболее энергоемких процессов, на химических и текстильных предприяти¬ях являются процессы распылительной сушки, сопровождающиеся уносом высушиваемого материала и загрязнением окружающей среды. В указанных установках унос высушиваемого материала может достигать 15%, а потери теплоты с выбрасываемой паровоздушной смесью (ПВС - 80% от технологи-ческой теплоты, необходимой для осуществления указанных процессов.
Как следует из анализа литературных и патентных источников одним из перспективных направлений повышения экологичности и энергоэкономич-ности тепломассообменных процессов является использование вихревых центробежных скрубберов с управляемой гидродинамикой, позволяющих одновременно с улавливанием содержащейся в парогазовых выбросах пыли утилизировать и их теплоту.
Важность проведения указанных исследований и определяют актуаль-
4
ность данной работы.
Цель работы заключалась в проведении теоретических и эксперимен-тальных исследований, разработке на их основе инженерных методов расчета вихревых центробежных скрубберов и и модификации конструкции аппара¬та, обеспечивающие повышение эффективности процессов пылеочистки и снижение энергетических затрат на проведение тепломассообменных про¬цессов.
Поставленная цель достигается решением следующих научных и тех-нических задач:
• разработкой математического описания гидродинамики вихревого цен-тробежного аппарата, математической модели движения частиц пыли и ка¬пель жидкости, а также математической модели процесса осаждения частиц пыли на каплях и пленке жидкости в указанном аппарате;
• проведением экспериментальных исследований, с целью подтвержде¬ния адекватности предложенных математическх описаний и моделей процес¬сов пылеулавливания и тепло- и массообмена в-вихревом центробежном ап¬парате;
• разработкой инженерных методов расчета вихревого центробежного аппарата и алгоритмов их реализации;
• разработкой модернизированной конструкции вихревого центробежно¬го скруббера для улавливания пыли и утилизации теплоты парогазовых вы¬бросов.
Разработкой математического описания гидродинамики вихревого цен-тробежного аппарата, а также математической модели движения частиц пыли и процесса их осаждения на каплях и пленке жидкости в указанном аппарате;
Разработкой математического описания движения капель жидкости в аппарате, позволяющего рассчитать время их нахождения во взвешенном со-стоянии;
Получением применительно к вихревым скрубберам численного реше-
ние системы дифференциальных уравнений для определения эффективности пылеулавливания в зависимости от коэффициента орошения и скорости дви-жения газового потока;
Разработкой математического описания процессов тепломассообмена в центробежном скруббере и полученем критериальной зависимости коэффи-циента интенсивности тепломассообмена от режимных характнристик для проведения инженерных расчетов.
Основными, наиболее значимыми, с точки зрения научной новизны, ре-зультатами, полученными при решении перечисленных выше задач, являют¬ся следующие:
• разработана математическое описание гидродинамики многофунк-ционального вихревого аппарата, позволяющее определить поля скоростей газовой фазы;
• предложена математическая модель движения частиц пыли и процесса осаждения пыли на каплях и пленке жидкости в вихревых многофункцио-нальных аппаратах;
• получено математическое описание движения капель жидкости в аппарате, позволяющее рассчитать время их нахождения во взвешенном со¬стоянии;
• применительно к вихревым скрубберам получено численное решение системы дифференциальных уравнений для определения эффективности, пы-леулавливания в зависимости от коэффициента орошения и скорости движе-ния газового потока;
• предложено математическое описание процессов тепломассообмена в вихревом скруббере и получены критериальные зависимости для коэффици-ента интенсивности тепломассообмена.
Обоснованность научных положений и выводов обусловлена примене-нием корректных теоретических предпосылок и математических методов решения задач и обработки экспериментальных данных, использованием со-временного оборудования и приборов, а также хорошим соответствием тео-ретических и экспериментальных данных.
Разработана модифицированная конструкция вихревого многофунк-ционального аппарата, предназначенного для решения широкого круга задач (утилизация теплоты паровоздушных выбросов, увлажнение и кондициони-рование воздуха, мокрая очистка газовоздушных выбросов).
На основании полученных критериальных зависимостей разработаны инженерные методы расчета и алгоритм их реализации для вихревых много-функциональных аппаратов, предназначенных для утилизации теплоты на-гретых парогазовых выбросов, увлажнения и кондиционирования воздуха, а также очистки выбросного технологического воздуха от пыли и некоторых газов.
Даны рекомендации по использованию аппарата в системах-утилиза¬ции теплоты, увлажнения и кондиционирования воздуха.
Результаты работы докладывались на семинаре РАН «Тепломассооб-менные процессы с твёрдой фазой» (2007г.); международном совещании РАН, посвящённом столетию со дня рождения академика Жаворонкова Н.М.; международных научно-технических конференциях: «Экологические и ре-сурсосберегающие технологии промышленного производства» (Витебск- 2006г.), «Текстиль - 2008», «Текстиль - 2009» (Москва 2008, 2009), «МКХТ» (Москва- 2008, 2009).

Список литературы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Ha основании анализа литературных и патентных источников показано, что наиболее эффективными аппаратами для ряда технологических процессов, в том числе пылеулавливания являются вихревые центробежные аппараты.
2. Разработана математическая модель гидродинамики многофункционально-го вихревого центробежного скруббера, позволяющая осуществить анализ структуры потоков газовой фазы и влияние на гидродинамику аппарата режимных и конструктивных параметров.
3. Предложено математическое описание движения капель жидкости и частиц пыли в вихревом скруббере и получено его численное решение, позволив-шее определить зависимость фракционной эффективности пылеулавлива-ния от размеров капель жидкости и частиц пыли.
4. Предложено математическое описание процессов пылеулавливания в вих-ревых центробежных многофункциональных аппаратах.
5. Получены уравнения интенсивности тепломассообмена и массообмена, ис-пользованные для расчетов тепломассообменных процессов в вихревом центробежном скруббере.
6. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие адекват¬ность предложенного математического описания процессов пылеулавлива¬ния и теплообмена в вихревых многофункциональных аппаратах.
7. Разработана модифицированная конструкция вихревого многофункцио-нального аппарата с регулируемой гидродинамикой, позволяющая повы-сить эффективность аппарата при улавливании фосфатной пыли и утилиза-ции теплоты пылегазовых выбросов; проведены расчёты его основных па-раметров для ряда типоразмеров.
8. Предложен эколого-энергетический метод оценки эффективности работы вихревого центробежного скруббера и обоснован экономический эффект от использования вихревых многофункциональных аппаратов для улавлива¬ния фосфатной пыли.
Результаты работы используются в учебном процессе в курсах «Процессы и аппараты химической технологии» и «Ресурсосбережение», в курсовом и дипломном проектировании. Рекомендации по использованию вихревых центробежных скрубберов уже нашли применение в промышленных про¬изводствах.