01.04.2003 15:51
╘ Т.А. Вознюк, Д.М. Коринчук, М.В. Слёнкин
НТУУ ⌠КПИ■
Контакт с авторами: max_st@rambler.ru (Слёнкин М.В.)
Существует актуальная проблема очистки промышленных газовых выбросов от взвешенных частиц, которая является результатом механических, термических и химических процессов. В частности, в сварочном производстве, в производстве чугунной дроби выделение твёрдых аэрозольных частиц (ТАЧ) обусловленное комплексом сложных теплофизических процессов связанных с резким охлаждением металлических расплавов, которые определяют высокую дисперсность частиц. Размер ТАЧ находится в границах 0.01-10 мкм. Известно, что такие мелкие частицы, способные к витанию, представляют трудность для улавливания. Характерной особенностью ТАЧ есть их повышенная склонность к коагуляции. Скоагулированные, укрупненные частицы намного проще уловить в циклонах, чем мелкодисперсные ТАЧ. Одним из путей интенсификации процесса коагуляции частиц и повышения эффективности очистки является использование разработанного на кафедре МАХНВ ИХФ НТУУ ⌠КПИ■ коагулятора с ПВЗС [1].
Затраты на защиту окружающей среды и поддержку уровня безопасного загрязнения воздуха рабочей зоны существенно увеличивают затраты на технологические процессы. Расширение номенклатуры аппаратов очистки, создание аппаратов с выраженной конъюнктурою разрешают снизить затраты на очистку. Применение коагулятора позволило достичь эффективности улавливания частиц до 98%. Этот коагулятор может быть классифицирован как высокопроизводительный аппарат беспрерывного действия, с функцией саморегенерации, стабильными характеристикой улавливания и гидравлическим сопротивлением.
В основу разработки положена идея использования магнитных свойств аэрозоля. Процесс улавливания в зернистом слое ТАЧ происходит под действием магнитного поля наведённого слоем ТАЧ, который сформировался в насадке на стадии насыщения фильтра. Магнитная сила, которая действует на ТАЧ в приконтактных зонах, пропорциональная произведению напряженности поля в зоне на его градиент и приобретает большие значения даже при незначительных напряжённостях, что обусловливается значительной кривизной зерен насадки.
С использованием существующих представлений о механизме осаждения в зернистых магнитных фильтрах [2], на основании принятой физической модели зернистого слоя в виде совокупности элементарных слоёв зернистого материала высотой, которая равняется высоте элементарной ячейки, нами получено выражение для оценки эффективности улавливания в результате магнитного осаждения ТАЧ элементарным слоем:
(1)
где Nk - число контактов ячейки, m - динамическая вязкость газа, Па.с, w - рабочая скорость газа, отнесенная к поперечному сечению канала, м/с, vi √ скорость поршню и , м/с, d - диаметр частицы аэрозоля, м, dp - диаметр зерен насадки, м, fm - комплексная величина (магнитный фактор), которая определяется экспериментально.
Зависимость (1) используют для полидисперсной ТАЧ при послойном вычислении общей степени очистки. Эффективное улавливание и относительная простота регенерации обусловили использование ПВЗС, которое объединяет фильтровальные свойства слоя зернистого материала (ЗМ) и постоянное обновление фронтального слоя ЗМ. Регенерация насадки происходит в результате столкновения частичек ЗМ со скалыванием слоя ТАЧ, то есть образованием частиц коагулята, который в дальнейшем улавливается под действием центробежных сил. Первые два процесса реализуются в аппаратах названные нами коагуляторами, последний - в циклонах.
Для расчета эффективности улавливания необходимо знать параметры аппарата, структурные и динамические параметры ПВЗС.
ПВЗС рассматривается как самостоятельная разновидность аэродинамических дисперсных систем, структура и поведения которых принципиально отличны от структуры и поведения псевдоожиженого слоя:
1) на формирование структуры ПВЗС большое влияние имеют поверхности стенок канала, в то время как на поведение псевдоожиженого слоя они практически не влияют;
2) частицы ЗМ в ПВЗС перемещаются вверх в составе поршней без нарушения контакта между ними, в псевдоожиженых слоях они перемещаются хаотически без постоянных взаимных контактов;
3) в ПВЗС газ фильтруется через поршни, в псевдоожиженых слоях часть газового потока перемещается в виде пузырьков, существенная часть газа байпасирует минуя плотные участки слоя;
4) для псевдоожиженого слоя характерна независимость гидравлического сопротивления от скорости газа, отнесенной к свободному поперечному перерезу канала, который не наблюдается в ПВЗС.
При наблюдении динамической структуры ПВЗС, в вертикальных стеклянных трубках с внутренним диаметром 12-25 мм, начальными высотами засыпки речного и кварцевого песка 50-400 мм и размером частиц 0,5-1,5 мм, выделены следующие области слоя, расположенные последовательно по ходу движения газового потока:
1) область гидродинамической стабилизации;
2) область образования поршней;
3) область перемещения поршней по каналу;
4) область движения и разрушение верхних поршней;
Движение ЗМ в первой области носит вихревой характер. У верхней границы области поле скоростей газового потока практически выравниваются. Высота области практически определяется конструкцией опорно-газораспределительного устройства.
Во второй области путем насыпания ЗМ формируется плотный слой. Периодически, при достижении плотным слоем определенной высоты гидродинамическая сила превышает сумму противодействующих сил. Плотный слой начинает движение вверх, то есть образуются поршни.
В третьей области поршни и газовые пробки перемещаются вверх по каналу. Перемещение поршней определяется их действительным движением под действием перепада давления по их высоте и кажущимся перемещением, которое обусловлено опаданием частиц ЗМ с нижних торцов поршней и насыпанием на верхние торцы поршней частиц, которые осыпались. Скорость перемещения поршней по сравнению со скоростью газа маленькая. Газ фильтруется через поршни.
Четвертая область охватывает процессы движения и разрушения верхних поршней. Отличительной особенностью существования этих поршней есть отсутствие перед ними поршней. Вследствие опадания ЗМ происходит уменьшение высоты верхнего поршня к некоторому предельному размеру, после чего происходит разрушение поршней.
Для описания движения ЗМ в газовых пробках используются известные уравнения стеснённого движения дисперсной фазы в противотоке с газовой фазой. Задача математического описания ПВЗС сводится к составлению уравнений движения поршней по каналу. Поршни рассматриваются как квазитвёрдые (между частицами сохраняются постоянные контакты) пористые тела переменной массы. Поршни имеют форму канала, по которому перемещаются, и передают его стенкам действие объемных сил сжатия.
Соответственно закону сохранения количества движения дифференциальное уравнение движения поршня и будет иметь следующий вид:
(2),
где e - относительная порозность плотного слоя ЗМ; j - фактор формы частиц ЗМ; S - площадь поперечного сечения канала, м; hi - высота поршня и, м; r р - плотность материала частиц, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Р - периметр поперечного сечения канала, м; fw - коэффициент трения ЗМ о стенку канала при движении поршня; s х3 - закон распределения нормального напряжения на стенку канала со стороны поршня при действии на поршень трех сил (силы тяжести, насыпания и аэродинамической силы), Па; vfp,и - скорость перемещения границы насыпания поршня, обусловленная насыпанием ЗМ, м/с; vc,и - скорость движения частиц ЗМ в газовой пробке в момент перед столкновеньем с границей поршня и, м/с;
Дифференциальное уравнение движения верхнего поршня ПВЗС аналогично уравнению (2). Основное отличие - отсутствие момента количества движения потока насыпание ЗМ.
Условие движения поршня определяется на основании решения уравнения аналогичного (2). Основным отличием является отсутствие левой части, при этом решается задача распределения нормального напряжения на стенку канала под действием аэродинамической силы и силы насыпания.
Применение численных методов для решения математической модели построенной на основе (2) позволяет найти текущие параметры ПВЗС: количество, высоту, скорость поршней скорость опадания фронтальной поверхности поршней и высоту слоя.
Установлена адекватность по следующим признакам:
отображение ПВЗС в виде временной серии положения поршней по высоте слоя и динамическое отображение состояния слоя в реальном масштабе времени отвечают объекту, который наблюдается;
флуктуации давления, обусловленные разрушением и слиянием поршней, которые были получены в результате решения и в результате эксперимента имеют регулярный характер и близкие по амплитуде и частоте.
Применение изложенной модели разрешает оптимизировать параметры аппарата и режимные параметры.
Библиография
1. Пат. 95031134 Украина, МНК6 B01 D35/06. Способ очистки газа вот аэрозоля, содержащего высокодисперсные твердые частицы с магнитной компонентой. / Т.А. Вознюк, А.П. Нестеров, М.И. Павлищев и др. √ Действ. С 00.00.00.
2. Сандуляк А.В. Магнитно-фильтрационная очистка жидкостей и газов. Г.: Химия, 1988, 136с.
Дата публикации: 18 февраля 2003
Источник: SciTecLibrary.com
Ученые раскрыли причину гибели 12 000 человек в Лондоне во время Великого смога
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.