Сепарация взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях
На правах рукописи
Сафонов Сергей Геннадьевич
СЕПАРАЦИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В ИНЕРЦИОННЫХ
ПЫЛЕ- И ТУМАНОУЛОВИТЕЛЯХ
Специальность 05.17.08 – процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук.
Москва, 2010 г.
Работа выполнена в Научно-исследовательском институте по промышленной и санитарной очистке газов ОАО «НИИОГАЗ».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Вальдберг Арнольд Юрьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Лагуткин Михаил Георгиевич
кандидат технических наук
Огурцов Александр Владимирович
Ведущая организация Белгородский Государственный
Технологический Университет
им. В.Г. Шухова
Защита диссертации состоится 15 апреля 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145. 01 при Московском Государственном Университете Инженерной Экологии по адресу: 105066, г. Москва, улица Старая Басманная, дом 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского Государственного Университета Инженерной Экологии.
Автореферат разослан «___» 2010 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета, к.т.н., доц. Трифонов С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными и аспирационными выбросами является одной из важнейших проблем современности. Актуальна эта проблема и для Российской Федерации.
Согласно наблюдениям служб охраны природы, проведенным в 2006 году, в 142 городах (69 % городов, где проводятся наблюдения), степень загрязнения воздуха оценивается как очень высокая и высокая и только в 17 % городов – как низкая, причем в городах с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферы, проживает 58,2 млн. чел.
Почти во всех этих городах очень высокий уровень загрязнения связан со значительными концентрациями бенз(а)пирена, в 33 городах - с высокими концентрациями формальдегида, в 26 - диоксида азота, 14 - взвешенных веществ, 10 - фенола.
В Приоритетный список городов с очень высоким уровнем загрязнения воздуха, насчитывающий 36 городов с общим числом жителей 14 млн. человек, вошли 9 городов с предприятиями алюминиевой промышленности и черной металлургии, 7 городов с предприятиями химии и нефтехимии, добычи и транспортировки нефтепродуктов, многие города топливно-энергетического комплекса из-за расширения их мощности в последние годы.
Отсюда вытекают важные задачи по разработке и внедрению систем очистки газов и аспирационного воздуха с применением надежных, конструктивно отработанных и серийно выпускаемых пыле- и туманоуловителей, полностью отвечающих требованиям, предъявляемым к конкретным установкам газоочистки. Значительное место среди подобных аппаратов принадлежит осадителям инерционного типа, отличающимся простотой в изготовлении и эксплуатации. Последние обстоятельства привели к исключительному множеству конструкций аппаратов инерционного типа и, соответственно, предложений по методике их расчета и использованию на практике.
В работах Н.А. Фукса, В.Н. Ужова, С. Калверта, П.А. Коузова, А.Ю. Вальдберга, М.И. Шиляева установлено, что осаждение взвешенных частиц в этих аппаратах определяется доминирующим воздействием одного и того же инерционного механизма. В связи с этим представляется целесообразным проведение обобщения теоретических и практических данных, характеризующих их работу, для выявления эксплуатационных возможностей каждого из основных типов инерционных пыле- и туманоуловителей с учетом энергетических затрат на процесс очистки.
Это даст возможность уточнить реальные технические показатели подобных пылеуловителей в процессе осаждения взвешенных частиц и получить практическую базу для проведения сопоставления их рабочих показателей с показателями других аппаратов, широко применяемых в технике газоочистки: фильтров и электрофильтров.
Решение подобной задачи позволит уточнить научно-технический подход к выбору инерционных аппаратов для использования в конкретных газоочистных установках и, что особенно важно, к разработке новых конструкций осадителей этого типа.
Цель работы. Исследование процессов сепарации твердых и жидких взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях и разработка на их базе надежных методов выбора и расчета газоочистных аппаратов этого вида.
Указанная цель достигается комплексным решением следующего круга задач:
- обобщения экспериментальных данных по энергетическим затратам на процесс сепарации и эффективности осаждения взвешенных частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях;
- формулирования требований к условиям, обеспечивающим надежную эксплуатацию различных типов инерционных осадителей;
- реализации полученных технических решений при разработке новых перспективных конструкций пылеуловителей, успешно осваиваемых промышленностью.
В основу теоретических и прикладных исследований положены установленные Н.А. Фуксом, В.Г. Левичем, А.А. Гухманом, В. Страуссом, С. Калвертом, А.И. Пирумовым, А.Ю. Вальдбергом, М.И. Шиляевым закономерности аэрогидродинамики и механики аэрозолей, которые в сочетании с экспериментально-статистическими методами обработки данных исследований обеспечивают получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов.
Научная новизна. Обобщены данные по работе пыле- и туманоуловителей разных типов и предложена их классификация, базирующаяся на механизмах осаждения взвешенных частиц с выделением в отдельную группу аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения. Скорректированы выражения для расчета диаметра частиц, улавливаемых в инерционных осадителях с эффективностью, равной 0,5. Получены критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета времени релаксации в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях. Определена градация разных типов инерционных осадителей по возможной эффективности осаждения взвешенных частиц различного размера в зависимости от энергетических затрат и от физических свойств улавливаемых частиц.
Практическая ценность. Разработаны и внедрены в промышленность циклонный пылеуловитель, обеспечивающий более высокую эффективность осаждения взвешенных частиц по сравнению с существующими типовыми конструкциями, и циклон с уменьшенным габаритом по высоте. При непосредственном участии автора разработаны конструкции скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины и волокнистого туманоуловителя для системы очистки дымовых газов установок термического обезвреживания отходов.
Реализация работы. Результатами проведенных исследований, оформленными в виде технической документации, регламентов и рекомендаций на проектирование установок очистки газов, широко пользуются проектные институты, высшие учебные заведения и организации: ОАО «НИИОГАЗ», Московский Государственный Университет Инженерной Экологии, ЗАО «Щелково Агрохим», ФГУП «СоюзпромНИИпроект», ЗАО «Металхимпрогресс», ЗАО «Кондор-Эко», ОАО «Саянскхимпласт».
На основе полученных при проведении работы экспериментальных данных, конструктивных решений, методов расчета происходит все нарастающее внедрение в различные области промышленности и системы очистки газов новых высокоэффективных и надежных в эксплуатации инерционных пыле- и туманоуловителей.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждены и одобрены на 5-й Международной конференции «Инженерная защита атмосферы» (г. Москва, 2003 г.); на III и IV Международных конференциях «ЭкоРос» (г. Москва, 2004 и 2006 г.г.); на 6 Международной конференции «Экология и проектирование» (г. Вильнюс, Литва, 26-27 мая 2005 г.); на 17 Международном Конгрессе проектирования химических процессов (г. Прага, Чехия, 27-31 августа 2006 г.); на III Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (г. Белгород, 25-27 октября 2006 г.); на Круглом столе «Рекреация: город и экология», проводившемся в рамках постоянно действующей Международной конференции «Эволюция инфосферы» (г. Москва, 1 марта 2007 г., РАН); на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г. Белгород, 18-19 сентября 2007 г.); на 7-й Международной конференции «Экология и проектирование» (г. Вильнюс, Литва, 22-23 мая 2008 г.).
Публикации. Основные результаты проведенных исследований изложены в 9 публикациях общим объемом 19 п.с., из них лично автору принадлежит 10,5 п.с. В опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата работах лично соискателю принадлежит: в [1, 2, 3, 4, 8, 9] теоретическое обоснование и проведение расчетов инерционных пылеуловителей; в [5] обобщение данных по зависимости величины d50 от коэффициента гидравлического сопротивления мокрых циклонов и сопоставление значений d50 в зависимости от гидравлического сопротивления для скрубберов различных типов; в [6] уточнение эмпирических зависимостей, позволяющих рассчитать величину d50 для рабочих режимов инерционных пыле- и туманоуловителей; в [7] теоретический анализ и результаты экспериментального исследования улавливания взвешенных частиц в высокоскоростных волокнистых туманоуловителях, вывод уточненной формулы для расчета величины d50 в зависимости от гидравлического сопротивления аппарата с учетом плотности улавливаемых частиц.
На защиту выносятся:
- анализ результатов исследования процесса очистки газов от взвешенных твердых и жидких частиц в инерционных пыле- и туманоуловителях;
- критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета величины р50 в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях;
- конструкции перспективных аппаратов инерционного типа (циклонов с высокими значениями коэффициента гидравлического сопротивления, скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины и двухступенчатого туманоуловителя) для механической очистки газов от частиц пыли и капель туманов;
- градация инерционных осадителей по достигаемой эффективности в зависимости от реализуемых в них энергозатрат и физических свойств улавливаемых частиц;
- результаты внедрения инерционных пыле- и туманоуловителей в различные отрасли промышленности.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, использованием гостированных поверенных приборов и результатами внедрения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений. Содержит 134 страницы, в том числе 108 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 36 иллюстраций, список использованных источников из 100 наименований и четыре приложения на четырех страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в диссертации; сформулированы цели и научная новизна работы; отмечены положения, выносимые на защиту; показаны практическая ценность результатов, полученных в процессе исследований, и формы их апробации; приведены сведения о публикациях автора и структуре работы.
В первой главе изложены теоретические основы инерционного осаждения взвешенных частиц, предложена классификация инерционных пыле- и туманоуловителей, а также рассмотрены конструкции аппаратов с преобладающим инерционным механизмом осаждения.
Работа любого пылеулавливающего аппарата основана на использовании одного или нескольких механизмов осаждения. Среди этих механизмов обычно выделяют следующие: гравитационный, инерционный, касание (зацепление), диффузионный, электростатический.
Согласно теории подобия механики аэрозолей (Н.А. Фукс, В.Г. Левич, В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг), эффективность осаждения взвешенных частиц за счет определенного механизма их осаждения может быть качественно охарактеризована соответствующим безразмерным параметром, а общая эффективность улавливания частиц в аппарате является функцией этих параметров и критерия Re, определяющего характер движения газовой среды:
(1)
При доминировании инерционного механизма эффективность осаждения взвешенных частиц характеризуется критериальной зависимостью:
(2)
Коэффициент эффективности инерционного осаждения Stk определяется долей частиц, извлеченных из потока, при обтекании им какого-либо тела или поверхности.
Согласно работам Н.А. Фукса, В.Н. Ужова, А.И. Пирумова, П.А. Коузова, А.Ю. Вальдберга, частным случаем инерционного осаждения взвешенных частиц является и центробежное осаждение, возникающее при криволинейном движении газового потока, обтекающего поверхность осаждения.
В технике пылеулавливания применяется большое число аппаратов, отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц.
В настоящее время с учетом накопленной информации представляется возможным предложить классификацию пыле- и каплеуловителей (рисунок 1), основанную исключительно на доминирующих в каждом конкретном виде аппаратов механизмах осаждения. Подобный подход позволил выделить в отдельную группу аппараты с доминирующим инерционным механизмом осаждения.
Рисунок 1 – Схема классификации пыле- и каплеуловителей
В работе рассматривается сепарация взвешенных частиц в наиболее распространенных в настоящее время в промышленности инерционных пыле- и каплеуловителях: сухих и мокрых циклонах, скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях.
Сухие центробежные аппараты благодаря простоте устройства и обслуживания, небольшому сопротивлению и высокой производительности являются наиболее распространенным видом сухих инерционных пылеуловителей.
Простейшим типом сухих центробежных аппаратов являются циклоны. В настоящее время наиболее широкое применение получили нормализованные цилиндрические и конические циклоны НИИОГАЗ типа ЦН и СК-ЦН.
К мокрым центробежным пылеуловителям относятся циклоны с мокрой пленкой, в которых орошение внутренних стенок препятствует вторичному уносу осевших на них частиц пыли, а также мокрые центробежные скрубберы.
Центробежные скрубберы, применяющиеся на практике, конструктивно можно разделить на два вида: аппараты с тангенциальным подводом газов и аппараты, в которых вращение газового потока осуществляется с помощью специальных направляющих лопаток.
Наиболее распространенные типы центробежных скрубберов: ЦВП, СИОТ, СЦВБ-20, ЦС-ВТИ, ротоклон типа «R».
Для предотвращения брызгоуноса из аппаратов мокрого типа используют центробежные сепараторы, а также различные типы циклонов: ЦВП, КЦТ, ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24.
К газопромывателям (скрубберам) относятся аппараты, где процесс осаждения взвешенных частиц основан на контакте аэрозоля с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Среди них следует выделить полый, насадочный, тарельчатый, центробежный скрубберы, скруббер с подвижной насадкой, скруббер Вентури.
Волокнистые фильтры широко применяются в качестве аппаратов, улавливающих взвешенные жидкие частицы (капли туманов, брызги). Подобные волокнистые фильтры получили название туманоуловителей.
К инерционным высокоскоростным туманоуловителям относят аппараты, работающие при скорости 2 м/с и более.
Во второй главе изложены вопросы методологического обеспечения экспериментальных исследований инерционных пыле- и каплеуловителей, приведены схемы экспериментальных стендов и установок (установка для определения гидравлического сопротивления и эффективности модели циклона, предложенного фирмой ООО «Элстат»; установка для исследований гидравлического сопротивления фильтрующих материалов и эффективности осаждения капель в высокоскоростном туманоуловителе; установка для исследования характеристик различных закручивателей в мокром центробежном пылеуловителе; установка очистки газопылевой смеси от частиц порошка беназола).
Основными параметрами, характеризующими эффективность инерционных пыле- и каплеуловителей, являются: дисперсный состав и плотность частиц; скорость газового потока, его плотность, вязкость и температура. Помимо этих параметров, в процессе проведения исследований необходимо фиксировать: производительность инерционного пыле- туманоуловителя, гидравлическое сопротивление аппарата, концентрацию частиц на входе и выходе из уловителя.
Все вышеперечисленные параметры (за исключением дисперсности частиц) измерялись в соответствии с действующими ГОСТами.
Для получения воспроизводимых результатов анализа дисперсного состава промышленных аэрозолей, предпочтение отдается методам определения, которые не требуют предварительного (до проведения анализа) осаждения дисперсной фазы. Таким является метод с использованием струйных сепараторов (импакторов), который и был применен при проведении настоящих исследований.
Практика показала, что большинство промышленных аэрозолей (туманов) подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения частиц по размерам. В этом случае дисперсионный анализ, проведенный с помощью импактора, позволяет экспериментальным путем определить две величины dm и lgч, адекватно характеризующие распределение частиц пыли и капель тумана по размерам.
Поскольку фракционная эффективность практически всех инерционных пыле- и каплеуловителей подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения, их эффективность может быть рассчитана с помощью интеграла вероятности:
, (3)
где
(4)
В диссертации приведено описание лабораторных и промышленных установок, использованных для исследования инерционных пыле- и туманоуловителей.
В третьей главе рассматриваются теоретические основы осаждения взвешенных частиц в наиболее распространенных в практике газоочистки инерционных пылеуловителях, а также приводятся результаты их экспериментальных исследований.
Сухие циклоны. Гидродинамический режим работы циклонов приходится на область развитой турбулентности, поскольку движение газового потока в сечении аппарата протекает при больших значениях критерия Re и носит турбулентный характер. По мере развития турбулентности происходит постепенное вырождение критерия Re. В этом случае движение газового потока становится автомодельным и характеризуется «квадратичным законом» сопротивления (=const).
При работе циклонных аппаратов в этой области была получена (А.Ю. Вальдберг, Н.С. Кирсанова) эмпирическая зависимость для расчета величины d50, мкм:
, (5)
действительная в интервале значений коэффициента от 8,5 до 4420.
Выражение (5) может быть преобразовано в критериальную зависимость:
(6)
Формула (5) была апробирована при разработке нового высокоэффективного циклона СК-ЦН-19, который должен был обеспечить высокую степень улавливания (до 0,99) порошка беназола (dm=8,71 мкм, lgч=0,23).
Проведенные расчеты показали, что требуемая эффективность может быть достигнута за счет увеличения коэффициента гидравлического сопротивления до величины 2460.
Модернизация аппарата была осуществлена за счет изменения в конструкции типового циклона СК-ЦН-34 отношения d/D. Исследования привели к получению зависимости коэффициента от отношения d/D в виде формулы:
, (7)
позволившей установить, что значение отношения d/D, соответствующее =2460, равняется 0,19.
На базе типового циклона СКЦН-34 был разработан аппарат с уменьшенным отношением d/D=0,19, величина для которого оказалась равной 2350. Последующие промышленные испытания на линии получения порошка беназола после струйной мельницы полностью подтвердили расчеты. Была достигнута эффективность очистки, превышающая 0,99.
Другим примером использования вероятностного метода расчета явилась разработка циклона по заданию фирмы ООО «ЭЛСТАТ», предусматривающая уменьшение габарита аппарата по высоте, без снижения эффективности осаждения взвешенных частиц. Отношение высоты к диаметру у разработанной модели циклона H/D=2,4 (у циклона ЦН-15 – H/D=4,56; ЦН-24 – 4,26; ЦН-11 – 4,38; СКЦН-34 – 2,9). Разработанный циклон обеспечивал достаточно высокую эффективность пылеулавливания (при скорости газового потока в свободном сечении аппарата г=2 м/с пыль с параметрами dm=5,08 мкм и lgч=0,37 улавливалась с эффективностью 0,87). Расхождение экспериментальных и расчетных значений эффективности при этом не превышало 5,8%.
Проведенные исследования подтвердили надежность формулы (5) при проведении расчета эффективности центробежных пылеуловителей вероятностным методом.
Мокрые циклоны. Согласно работам С. Калверта, максимальная скорость газового потока при тангенциальном подводе в одиночный мокрый циклон не должна превышать 30 м/с, что для широко используемых в отечественной практике мокрых циклонов типа ЦВП и ЦСВТИ ограничивает скорость газов в активном сечении величиной г=8 м/с, а для мокрых циклонов типа СИОТ - г=5 м/с. Отсюда следует тенденция к разработке мокрых циклонов батарейного типа, способствующая не только увеличению производительности отдельной установки, но и повышению эффективности улавливания взвешенных частиц за счет уменьшения диаметра отдельных элементов аппарата.
Ранее (А.Ю. Вальдберг, Н.С. Кирсанова) на основании обработки экспериментальных данных для одиночных мокрых циклонов была получена зависимость:
, (8)
действительная в интервале значений коэффициента от 4 до 289.
Это выражение также может быть представлено в виде критериальной зависимости:
(9)
На лабораторной установке ОАО «НИИОГАЗ» были проведены сравнительные исследования характеристик различных конструкций циклонных элементов, отличающихся величиной, с целью выбора оптимального варианта для применения в центробежных газопромывателях батарейного типа.
Полученные значения эффективности пылеулавливания показали, что наилучшие результаты обеспечивает цилиндрический многолопастной закручиватель с центральным подводом, снабженный 16-ю криволинейными лопатками, обладающий наибольшим значением коэффициента гидравлического сопротивления (=43).
Исследования показали, что при г18-20 м/с увеличение удельного орошения от 0 до 2 л/м3 практически не влияет на величину гидравлического сопротивления циклонного элемента, т.е. для конкретной конструкции циклона сохраняется постоянство коэффициента. Это подтвердило возможность использования зависимости вида (8) для расчета величины d50 циклонных элементов.
Проведенная обработка литературных и экспериментальных данных по элементам мокрых циклонов батарейного типа, подтвердила достаточно высокую надежность формулы (8).
На рисунке 2 приведена зависимость величины d50 от коэффициента для типовых одиночных циклонов при г=5 м/с и для элементов мокрых циклонов батарейного типа при г=20 м/с.
а – мокрые циклоны одиночного исполнения (1 – ЦВП-I, 2 – ЦВП-II, 3 – ЦСВТИ, 4 – СИОТ); б – мокрые циклоны батарейного типа (5 – СЦВБ-20, 6 – Ротоклон R, 7 – центробежный скруббер MVA, 8 – циклон с цилиндрическим многолопастным закручивателем).
Рисунок 2 – Зависимость величины d50 от коэффициента
Приведенные на рисунке 2 кривые достаточно хорошо описываются формулой (8). Из рисунка 2 также следует, что величина эффективности пылеулавливания, которая может быть достигнута при использовании цилиндрического многолопастного завихрителя, превышает возможности по осаждению взвешенных частиц всех применяемых на практике мокрых циклонов.
Газопромыватели (скрубберы). Практически мокрые пылеуловители работают в турбулентном режиме, о чем свидетельствует квадратичный характер зависимости их гидравлического сопротивления от скорости газового потока в активном сечении. Однако в данном случае определить коэффициент гидравлического сопротивления сложно, поскольку он зависит как от конструкции аппарата (подобно центробежным пылеуловителям), так и от характера контакта фаз газ-жидкость. Поверхность же фазового контакта в скрубберах зависит от типа аппарата и способа подвода орошения и может представлять собой совокупность поверхностей капель различного дисперсного состава, различающихся по размеру газовых пузырей, пленки жидкости, стекающей по насадке.
Поэтому в данном случае для получения расчетной зависимости для оценки эффективности скрубберов был использован метод физической аналогии. В качестве аналога взяты величины, наиболее полно характеризующие процесс образования межфазной поверхности и в то же время достаточно просто определяемые как экспериментально, так и расчетным путем.
В мокрых пылеуловителях подобным параметром является сумма энергетических затрат на обработку 1000 м3 газов, учитывающая как перемещение газового потока, так и распыливание орошающей жидкости:
(10)
Обобщение экспериментальных и литературных данных по эффективности скрубберов различных конструкций позволило получить зависимость:
, (11)
действительную в интервале значений Кч от 102 до 3104 при плотности ч=1000 кг/м3.
В результате обработки литературных и экспериментальных данных была получена эмпирическая зависимость для расчета времени релаксации в скрубберах р50, с:
(12)
Основным видом мокрых пылеуловителей, используемых для осаждения субмикронных частиц, является скруббер Вентури, позволяющий обеспечивать энергетические затраты в аппарате в исключительно широких пределах.
Согласно (11), эффективность улавливания взвешенных частиц в скрубберах Вентури определяется реализуемыми в аппарате энергетическими затратами, которые зависят от скорости газового потока в активном сечении аппарата (горловине трубы Вентури) и в меньшей степени от величины удельного орошения. Поэтому при переменных расходах очищаемых газов необходимым условием обеспечения требуемой эффективности является поддержание постоянства оптимальной скорости газов в сечении горловины. В связи с этим в газоочистке получили распространение скрубберы Вентури с регулируемым сечением горловины.
Был разработан типоразмерный ряд скрубберов Вентури с коническим обтекателем типа СВ на производительность по очищаемым газам до 50000 м3/ч, включающий 4 типоразмера (таблица 1).
Таблица 1
| Типоразмер скруббера Вентури | Площадь рабочего сечения горловины, м2 | |
| max | min | |
| СВ 150/90-800 | 0,0113 | 0,0062 |
| СВ 210/120-1200 | 0,0233 | 0,0167 |
| СВ 300/180-1600 | 0,0452 | 0,0316 |
| СВ 400/250-2200 | 0,0765 | 0,0582 |
Значение величины удельного орошения в трубах Вентури колеблется в пределах от 0,5·10-3 до 2,5·10-3 м3/м3. Поскольку излишний расход орошающей жидкости экономически не целесообразен, для максимального расхода газов Vmax, м3/с, было принято значение величины удельного орошения m=110-3 м3/м3, а для минимального расхода Vmin 
.
После преобразования уравнения, характеризующего гидравлическое сопротивление трубы Вентури, с учетом значений Vmax и Vmin были получены формулы для расчета площади максимального Fmax, м2, и минимального Fmin, м2, рабочего сечения регулируемой горловины скруббера Вентури:
(13)
(14)
Расход орошающей жидкости Vж, м3/с, в этом случае постоянен: 
.
Согласно техническому заданию на разработку системы очистки газовых выбросов на установке термического обезвреживания промышленных отходов, предполагалось установить газоочистной аппарат мокрого типа для улавливания твердых частиц PbO. Производительность по очищаемым газам изменялась в пределах от 19705 до 20273 м3/ч; гидравлическое сопротивление аппарата Р не должно было превышать 5000 Па.
После подстановки исходных данных в формулы (13) и (14) были получены значения Fmax=0,04136 м2 и Fmin=0,04084 м2, что позволило выбрать для применения в системе очистки газов скруббер Вентури типа СВ. Проведенные расчеты показали, что предложенный типоразмер скруббера позволяет поддерживать постоянным гидравлическое сопротивление Р=5000 Па при изменении расхода газов от 13494 до 22157 м3/ч (рисунок 3) посредством регулирования площади проходного сечения горловины перемещением конического обтекателя, тем самым сохраняя постоянным значение скорости газового потока в горловине.
Рисунок 3 – Зависимость гидравлического сопротивления скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины от расхода газов
Высокоскоростные туманоуловители. В аппаратах этого типа газовый поток при скоростях от 2 до 10 м/с обтекает цилиндры (волокна фильтровальной перегородки). При гидродинамическом режиме, характерном для высокоскоростных туманоуловителей, критерий 
лежит в интервале значений от 30 до 3104 (рисунок 4), что при обтекании газовым потоком волокон (цилиндров) соответствует автомодельной области, и величина =const.
1-2 – область примерно постоянных значений величины.
Рисунок 4 – Зависимость коэффициента от критерия Re при обтекании газовым потоком цилиндра
С другой стороны, при практических расчетах осаждения частиц в волокнистых фильтрах необходимо учитывать совокупное влияние большого числа волокон, составляющих фильтровальную перегородку. Это влияние можно выразить через отношение 
, после чего зависимость, описывающая эффективность высокоскоростного туманоуловителя, примет вид:
(15)
Выражение (15) помимо параметров улавливаемых частиц включает практически все параметры, характеризующие гидравлическое сопротивление высокоскоростного туманоуловителя, рассчитываемое по формуле:
(16)
В связи с этим представляется целесообразным применить метод физической аналогии и в качестве аналога использовать величину Р, достаточно просто определяемую как экспериментально, так и расчетным путем.
В результате обобщения экспериментальных и литературных данных, полученных при высокоскоростной фильтрации, была предложена зависимость, аналогичная формуле, применяемой для расчета эффективности скрубберов:
, (17)
действительная в интервале значений величины Р от 0,2103 до 4103 Па при плотности улавливаемых частиц ч=1000 кг/м3.
С целью получения расчетной зависимости для определения времени релаксации в высокоскоростных туманоуловителях был проведен ряд экспериментальных исследований с использованием фильтровальных перегородок из различных пористых материалов (винипластовые и металлические сетки, а также войлок из лавсановых волокон).
Обработка экспериментальных данных позволила получить эмпирическую зависимость для расчета величины р50, с, в интервале значений P от 70 до 4120 Па:
(18)
Адекватность зависимости (18) была подтверждена и промышленными испытаниями при улавливании капель тумана фосфорной кислоты. Газы, содержащие туман фосфорной кислоты, при температуре 70-100оС поступали в волокнистый фильтр производительностью 420-480 м3/ч. В качестве фильтрующего материала были использованы иглопробивные полипропиленовые маты из волокон различного диаметра. В тумане кислоты содержалось значительное количество частиц сажи, что объясняется загрязненностью фосфора, поступающего на сжигание. Результатом этого явилось увеличение медианного диаметра улавливаемых частиц до 5-9 мкм.
Согласно расчетам, проведенным по формулам (4) и (18), эффективность улавливания ~0,99 может быть достигнута в процессе улавливания частиц подобного размера уже при минимальном гидравлическом сопротивлении, зафиксированном в экспериментах (при Р1900 Па).
Для системы очистки дымовых газов установки термического обезвреживания токсических отходов от капель тумана фосфорной кислоты разработан высокоскоростной двухступенчатый туманоуловитель на производительность по очищаемым газам 20480 м3/ч.
Первая ступень – фильтрующая плоская волокнистая перегородка из лавсанового иглопробивного войлока, работающая при скорости фильтрации 5 м/с. Скорость газового потока во второй ступени составляет 1 м/с.
При величине гидравлического сопротивления первой ступени 1384 Па расчетный размер частиц, улавливаемых с эффективностью 50%, составляет 0,19 мкм.
В четвертой главе проведено обобщение экспериментальных и литературных данных по эффективности различных типов инерционных пыле- и каплеуловителей в зависимости от реализуемых в них энергозатрат.
На основании формул (5), (8), (11) и (17) построены графические зависимости величины d50 от энергетических затрат (см. рисунок 5) в виде номограммы для определения эффективности пылеуловителей различных типов.
1 – циклоны (диаметр аппарата 1м); 2 – скруббер Вентури; 3 – мокрые центробежные пылеуловители со встроенными завихрителями (скорость газов в свободном сечении 20 м/с; диаметр аппарата 0,3 м); 4 – высокоскоростной туманоуловитель.
Рисунок 5 – Зависимость величины d50 от гидравлического сопротивления Р
инерционных аппаратов (для воздуха при нормальных условиях)
при плотности пыли 1000 кг/м3
Графики, приведенные на рисунке 5, показывают градацию возможностей по эффективности улавливания взвешенных частиц различных типов инерционных осадителей практически при одинаковых энергетических затратах.
В то же время при выборе типа инерционного аппарата для решения конкретной задачи очистки газов необходимо учитывать свойства взвешенных частиц и параметры потока аэрозоля.
Так, например, согласно рисунку 5, наиболее энергоэкономичным аппаратом является высокоскоростной туманоуловитель. Однако этот вид газоочистного оборудования может быть применен исключительно для улавливания капель или хорошо растворимых частиц пыли. Сухие циклоны не следует применять при улавливании сильно слипающихся и абразивных частиц пыли. В последнем случае возможно использование специальных износоустойчивых циклонов.
С учетом данных, приведенных на рисунке 5, и анализа свойств взвешенных частиц (начальной концентрации, фазового состояния, дисперсного состава, плотности) осуществляется выбор оптимальной конструкции инерционного осадителя, обеспечивающего требуемую эффективность и возможности по реализации необходимых энергозатрат на процесс очистки газов.
На основании экспериментальных данных проведены сравнительные расчеты сухих и мокрых центробежных пылеуловителей, а также скрубберов Вентури по трем различным методам:
- вероятностному;
- методу, отличительной особенностью которого является выделение групп циклонов, близких по своей геометрии, и получение для них достаточно простых формул для расчета размера частиц улавливаемых в аппарате с эффективностью, равной 0,5 (Приемов С.И.);
- методу, основанному на определении суммарного коэффициента проскока пылеулавливающего аппарата (Шиляев М.И., Шиляев А.М., Грищенко Е.П.).
Наиболее близкие к экспериментальным результаты были получены при использовании вероятностного метода расчета. В этом случае ошибка при определении эффективности сухих циклонов не превышала 1,6%; при расчете центробежного скруббера батарейного типа СЦВБ-20 – 0,5%; а при расчете скрубберов Вентури колебалась в интервале 1,36,6%.
Отмечена универсальность вероятностного метода расчета, поскольку данный метод позволяет рассчитывать все типы мокрых аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения, в том числе ударно-инерционного действия, эжекторные и др. При этом для каждого конкретного типа аппарата могут быть с достаточно высокой точностью определены энергетические затраты на процесс очистки.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Обобщены данные по работе пыле- и туманоуловителей разных типов и предложена их классификация, базирующаяся на механизмах осаждения взвешенных частиц с выделением в отдельную группу аппаратов с доминирующим инерционным механизмом осаждения.
2. Скорректированы выражения для расчета диаметра частиц, улавливаемых в инерционных осадителях с эффективностью, равной 0,5. Получены критериальные зависимости для сухих и мокрых центробежных аппаратов одиночного и группового исполнения, а также формулы для расчета времени релаксации в скрубберах и высокоскоростных туманоуловителях.
3. На основании сравнительного анализа реализуемых в инерционных пыле- и туманоуловителях энергетических затрат и зависимостей для расчета величины d50 определены практические возможности аппаратов по сепарации взвешенных частиц.
4. Разработаны и внедрены в промышленность эффективные и надежные в эксплуатации инерционные осадители: циклон СК-ЦН-19 с высоким значением коэффициента гидравлического сопротивления (=2350; d50=1,73 мкм); скруббер Вентури с регулируемым сечением горловины, позволяющий поддерживать на постоянном уровне гидравлическое сопротивление Р=5000 Па при изменении расхода газов от 13494 до 22157 м3/ч (d50=0,24 мкм при ч=9560 кг/м3); высокоскоростной двухступенчатый туманоуловитель (d50=0,19 мкм при Р=1384 Па).
5. Разработана конструкция высокоэффективного цилиндрического многолопастного закручивателя – элемента мокрого циклона батарейного типа, надежно работающего при скорости газов 18 – 20 м/с (=43; d50=0,365 мкм).
6. На основании экспериментальных данных проведены сравнительные исследования различных методов (вероятностного; метода Приемова С.И.; метода Шиляева М.И., Шиляева А.М., Грищенко Е.П.) расчета инерционных пылеуловителей сухого и мокрого типов, подтверждающие универсальность и высокую точность вероятностного метода.
Условные обозначения: D – диаметр аппарата, м; d – диаметр выхлопной трубы циклона; dв, dч – диаметр волокна, частиц, м; dm – медианный диаметр частиц (капель), м; d50 – диаметр частиц (капель), улавливаемых в аппарате с эффективностью, равной 0,5 (50%), м; Fmax, Fmin – площадь максимального и минимального рабочего сечения регулируемой горловины скруббера Вентури, м2; Н – высота циклона, толщина фильтрующего слоя, м; Кч – энергетические затраты на очистку 1000 м3 газов, кДж/1000 м3; m – удельный расход жидкости, м3/м3; Рж – давление орошающей жидкости, Па; Р – гидравлическое сопротивление, Па; S0 – свободное сечение перегородки, м2/м2; Vmax, Vmin – максимальный и минимальный объемный расход газа, м3/с; г – скорость газа, м/с; – коэффициент гидравлического сопротивления; г – динамическая вязкость газа, Па·с; – эффективность пылеулавливания, доли ед.; ч, г, ж – плотность частиц, газа и жидкости, кг/м3; Ч – среднеквадратичное отклонение в функции распределения частиц по размерам; – среднеквадратичное отклонение в функции распределения значений фракционных коэффициентов пылеулавливания; 
– время релаксации для частиц размером d50, с; Re – критерий Рейнольдса; 
– критерий Стокса; 
– критерий Эйлера; G, Stk,, R, D, KE – гравитационный, инерционыый, центробежный, за счет зацепления (касания), диффузионный, за счет электрических сил параметры осаждения взвешенных частиц.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Расчет циклонов с использованием вероятностно-энергетического метода. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. №8. С. 14 (лично соискателя 0,5с.).
2. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Расчет скруббера Вентури с регулируемым сечением горловины. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004. №3. С. 35-36 (лично соискателя 1с.).
3. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Расчет эффективности сухих и мокрых механических пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005. №10. С. 40-41 (лично соискателя 1с.).
4. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. К расчету циклонных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №3. С. 34 (лично соискателя 0,5с.).
5. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Анализ работы мокрых циклонов и пути повышения их эффективности. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №7. С. 29-30 (лично соискателя 1с.).
6. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Основы расчета эффективности газоочистных аппаратов инерционного типа. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №9. С. 43-44 (лично соискателя 1с.).
7. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. Эффективность инерционного осаждения взвешенных частиц в высокоскоростных волокнистых фильтрах. Journal of Environmental Engineering and Landscape Management. 2007. Vol XV, No 3. P. 153-157 (лично соискателя 4с.).
8. Вальдберг А.Ю., Хуторов Ю.Ф., Андреенко О.В., Сафонов С.Г. Исследования модели циклона. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №12. С. 36-37 (лично соискателя 0,5с.).
9. Вальдберг А.Ю., Сафонов С.Г. К расчету циклонных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. №5. С. 36-37 (лично соискателя 1с.)
