Гидродинамика и тепломассообмен в аппарате для очистки газов с трехфазным псевдоожиженным слоем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Боев, Сергей Владимирович

• Боев, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Боев, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1. ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ от ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ

1.1. Механизм образования взвешенных, жидких и парообразных частиц.

1.2. Гидродинамические особенности абсорбционных аппаратов

1.3. Тепломассообмен в аппаратах с псевдоожиженным слоем.

1.4. Анализ существующих схем и конструкций аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем

1.5. Выводы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ АППАРАТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ С ТРЕХФАЗНЫМ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ.

2.1. Распределение температур ожижающего газа и орошающей жидкости:.

2.2; Определение общего вида критериальных уравнений.

2.3. Особенности гидродинамики и тепломассообмена в аппарате с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем.

2.4. Выводы.:.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ С ТРЕХФАЗНЫМ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ.

3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.

3.2. Экспериментальное исследование газоочистки в аппарате с центробежным псевдоожиженным слоем.

3.3. Экспериментальное исследование гидродинамических характеристик аппарата.

3.4. Экспериментальное исследование тепломассообмена в центробежном псевдоожиженном слое.

3.5. Выводы.

4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА АППАРАТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЕНТВЫБРОСОВ.

4.1. Порядок расчета аппарата для очистки вентвыбросов с центробежным слоем.

4.2. Определение оптимальных параметров аппарата.

4.3. Сравнение экспериментального аппарата с промышленным абсорбером.

4.4. Практическая реализация результатов исследования.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидродинамика и тепломассообмен в аппарате для очистки газов с трехфазным псевдоожиженным слоем»

Актуальность темы. В настоящее время все более ужесточаются требования, предъявляемые к содержанию вредных примесей в отходящих газах от теплоэнергетических установок, технологического оборудования химического производства, гальванических установок. Однако, на сегодняшний день многие промышленные предприятия не оборудованы, эффективными установками для очистки отходящих газов, а существующие методы (гравитационные, инерционные, электростатические, фильтрация и др.), часто не удовлетворяют требованиям эффективности и экономичности. В связи с этим, требуется разработка и внедрение простых и надёжных в эксплуатации аппаратов, обеспечивающих активное улавливание содержащихся в газовых потоках вредных примесей. Среди таких аппаратов значительные перспективы имеют устройства с центробежным псевдоожиженным* слоем насадки. В; связи с этим разработка научно-технических основ улавливания вредных примесей в аппаратах с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем* и на их базе методов инженерного расчёта аппаратов данного ' типа должна позволить преодолеть разрыв, существовавший между теорией и практикой,, и- научно обоснованно подходить к выбору аппаратурного оформления и технологического решения систем очистки газов, обеспечивающих эффективное улавливание взвешенных частиц и паров.

Проведённые исследования базируются на фундаментальных работах, которые в значительной степени принадлежат отечественным учёным. В этой связи необходимо отметить авторов целого ряда монографий А.Г. Амелина, H.A. Фукса, В.Г. Левича, С.С. Кутателадзе и М.А. Стыриковича.

На сегодняшний день сведений по гидродинамике и тепломассообмену в аппаратах с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем недостаточно для разработки методики их инженерного расчета. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Физико-технические проблемы энергетики и экологии» в рамках ГБ 2007.12 (Гос. регистр. 01.2.00.409970).

Целью работы являются проведение теоретических и экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в центробежном псевдоожиженном слое насадки* и разработка на их основе инженерных методов расчёта аппаратов для очистки отходящих газов.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в трехфазном центробежном псевдоожиженном слое.

2. Проведение экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в трехфазном центробежном псевдоожиженном слое.,

3. Проведение экспериментального исследования аппарата, для очистки газов от вредных примесей.

4. Разработка методики инженерного расчета конструктивных и режимных параметров аппарата.

Научная новизна: разработаны модели процессов тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое и установлены закономерности распределения в нем температур газообразной, твердой и жидкой фаз; получены и экспериментально подтверждены аналитические зависимости, позволяющие определять коэффициент гидравлического сопротивления, межфазный коэффициент теплоотдачи и коэффициент очистки газов; разработана конструкция устройства для очистки газа с центробежным псевдоожиженным слоем, позволяющая повысить эффективность очистки отходящих газов на промышленных предприятиях, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель; разработана методика инженерного расчета аппарата для очистки газов и определены его оптимальные конструктивные и режимные параметры.

Практическая значимость работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для дальнейших разработок в области очистки промышленных газов от вредных примесей.

Полученные математические модели, аналитические и эмпирические зависимости представляют собой необходимую теоретическую базу для создания методики инженерного расчета и проектирования аппаратов для очистки газов с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем.

Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ЗАО «Гидрогаз» г. Воронеж, а также используются в учебном процессе в дисциплине «Котельные установки и парогенераторы» на кафедре «Теоретическая и промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический.университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика)» (Москва-Сочи, 2003); Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика)» (Москва-Сочи, 2005); II Международной научно-технической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (Сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005» (Москва, 2005); IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009); научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2004-2009); X Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем (АКТ-2009)» (Воронеж, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных работах, в том числе 3 — в издании, рекомендованном ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,4,8,12] — разработка конструкции аппарата для очистки газов с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем и обоснование принципа его работы; [2,5] -проведение эксперимента и обработка опытных данных; [3] — моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое; [6,7] — анализ современного состояния аппаратурного оформления процесса очистки газовых потоков; [11] — анализ схем и конструкций аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и результатов работы, библиографического списка из 88 наименований, 6 приложений. Основная часть работы изложена на 142 страницах, содержит 44 рисунка и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Боев, Сергей Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Описаны процессы формирования и движения твердой фазы в трехфазном центробежном псевдоожиженном слое.

2. Получены и экспериментально подтверждены аналитические соотношения для определения температур жидкости и газа.

3. Разработана и смонтирована экспериментальная установка для исследования процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое.

4. Получены эмпирические соотношения для расчета гидравлического сопротивления, межфазного коэффициента теплоотдачи и коэффициента очистки газов.

5. Разработана конструкция аппарата для очистки газов с центробежным псевдоожиженным слоем, новизна которой подтверждена патентом, обеспечивающая эффективность очистки на 18 % превышающую эффективность очистки промышленно выпускаемого абсорбера с насадкой из колец Рашига. I

6. На основании теоретических и экспериментальных исследований предложена методика инженерного расчета и оптимизации конструктивных и режимных параметров аппарата для очистки отходящих газов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Боев, Сергей Владимирович, 2011 год

1. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М., Химия, 1972, 304 с.

2. Фукс Н.А., Сутугин А.Г. Высокодисперсные аэрозоли. М., ВИНИТИ, 1969, 84 с.

3. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М., Изд-во АН СССР, 1955, 352 с.

4. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М., Изв. АН СССР, 1958,92 с.

5. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М., Физматгиз, 1959, 700 с.

6. Кутателадзе С.С, Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М., Энергия, 1976, 296 с.

7. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М., Химия, 1972, 248 с.

8. Вальдберг А.Ю., Исянов Л.М., Яламов Ю.И. Теоретические основы охраны атмосферного воздуха от загрязнения промышленными аэрозолями. Санкт-Петербург, МП "НИИОГАЗ-Фильтр" -СПб. ГТУ РП, 1993, 235 с.

9. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. М., Химия, 1981, 392 с.

10. Распыливающие устройства в глпаратах газоочистки. Авт.: Г.К.Лебедюк, В.С.Галустов, Ю.В.Ковалевский. Обзорная информация, ХМ-14, М., ЦИНТИ-Химнефтмаш, 1976, 52 с.

11. Вальдберг А.Ю., Савицкая. Н.М. Обобщенная1 оценка дисперсного распыла гидравлических форсунок. Теор. основы хим. технологии, 1989, t.23,N5,c.689-692.

12. Вальдберг А.Ю., Савицкая Н.М., Ковалевский Ю.В. Форсуночный подвод жидкости в аппараты и системы очистки газов. Обзорная информ. ХМ-14, М., ЦИНТИХимнефтемаш, 1990, 28 с.

13. Справочник по пыле- и золоулавливанию. Под общ. ред. А.А.Русанова. М., Энергоатомиздат, 1983, 312 с.

14. Lefebvre А.Н. Atomisation and Sprey Technology, 1987, v. 3, N 1, p. 3751.

15. Вальдберг А.Ю., Савицкая Н.М. Пневматическая форсунка для тонкого распыла жидкости. Хим. и нефтегазовое машиностроение, 1998, N5, с. 29-31.

16. Jasuia А.К. Atomisation of crude and residual fuel oils. ASME, Paper 78/GI/83, presented at ASME. Gas Turbine Conference, London, April, 1978.

17. Витман Jl.A., Кацнельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкостей форсунками: М:, Госэнергоиздат, 1962, 264 с.

18. Nukiyama S, Tanasawa Y. Experiments on the atomisation of liquids in an airstream. Trans. Soc. Mech. Engng, Japan, 1989; v. 5, p. 68-75.

19. Stearman F, Williamson G.G. In.Gas Purification Process. Ed. by G.Nonhebel. London, Newns-Butterworth, 1972, p. 564-577.

20. Мягков Б.И., Каменщиков И.Г., Резник Ф.Б. Очистка воздуха от гальванических ванн. Обзорная; информация, ХМ-14, М., ЦИНТИХимнефтемаш, 1978, 48 с.

21. Каплеуловители и их применение в газоочистке. Авт.: Г.К.Лебедюк, АЛО.Вальдберг, М.П.Громова и др. Обзорная информация, ХМ-14, М., ЦИНТИХимнефтемаш, 1974, 84 с.

22. Левш,. И.П. Тарельчатые абсорберы и скрубберы с псевдоожиженным (подвижным) слоем Текст. / И.П. Левш, А.К. Убайдуллаев. — Ташкент: Узбекистан, 1981.-236 с. . .

23. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных; удобрений Текст. / под ред. И.П. Мухленова. М.: Химия, 1987. -208 с.

24. Douglas W. // Chem. Eng. Progr., 1964. V.60, № 7. P. 66-71

25. Остергард, К. Псевдоожижение Текст. / К. Остергард; под ред., И.Ф. Дэвидсон; Д. Харрисон; пер. с англ. Н.И. Гельперин. -М.: Химия, 1974. 681 с. .-.■■ •;■'■/ ;'

26. Гельперин, Н.И. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической' промышленности Тёкст. /. Н.И. Гельперин, В.Л. Пебалк, А.Е. Костанян. М.: Химия, 1977. -- 261 с.

27. Заминян, А.А. Абсорберы ¡сшсевдоожиженной насадкой Текст. / А.А. Заминян, В.М. Рамм.-М.: Химия, 1980.- 184 с.ч

28. Берд, Р. Явления переноса Текст. / Р. Берд, В. Стыоард, Е. Лайтфут; пер. с англ. Н.М. Жаворонков. -М.: Химия, 1975.-687 с.

29. Айнштейн, В.Г. Скорости начал/а псевдоожижения и витания сферических частиц Текст. / В.Г. Айнштейн // Химия и химическая технология. 1994. - Т. 39. - вып. 6. - С. 96-99

30. Шерстобитов, В.В. Гидравлические характеристики лопастной плавающей насадки Текст. / В.В. Шерстобитов, Г.Г. Михайленко, А.Ю.

31. Винаров // Химическая промышленность. — 1980. -№ 7. — С. 433-435

32. Рамм, В.М. Абсорбция газов Текст. / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976. -656 с.

33. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты в химической технологии Текст. / Н.И. Гельперин. — М.: Химия, 1981. — Кн. 2. — 811 с.

34. Псевдоожижение Текст. / под ред. В.Г. Айнштейна, А.П. Баскакова. -М.: Химия; 1991.-397 с.

35. Тодес, О.М. Аппараты с кипящим слоем Текст. / О.М. Тодес, О.Б. Цитович.-Л.: Химия, 1981.-296 с.

36. Рамм, В.М. Теплообменные аппараты Текст. / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976.-248 с.36: Гельперин, Н.И1 Основы техники псевдоожижения Текст. / Н.И. Гельперин, В.Г. Айнштейн, В.В. Квакша. -М.: Химия, 1967. 664 с.

37. Баскаков, А.П. Процессы тепло- и массо- переноса в кипящем слое Текст. / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, А.Ф. Рыжков. М.: Металлургия, 1978. -320 с.

38. Кунии, Д. Промышленное псевдоожижение Текст. / Д. Кунии, О. Левеншпиль. — М.: Химия, 1976. — 448 с.

39. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений Текст. / под ред. И.П. Мухленова. М.: Химия, 1987. — 208 с.

40. Расчеты аппаратов кипящего слоя Текст.: справочник / под ред. И.П. Мухленов, B.C. Сажин, В.Ф. Фролов. Л.: Химия, 1986. — 352 с.

41. Новиков, А.И. Конические скрубберы с псевдоожиженной шаровой насадкой для очистки газов Текст. / А.И. Новиков, А.П. Скворцов, В.А. Кишкаров // Химическая промышленность. — 1974. — № 11. — С. 846-849

42. Патент на полезную модель RU № 86112 U1 Устройство для очистки газа с центробежным псевдоожиженным слоем / С.В. Боев, Ю.Н. Агапов (РФ); заявл. 27.10.2008; Опубл. 27.08.2009 // Бюл. №24.f1985. 367с.

43. Гухман, A.A. Применение теории подобия к исследованию процессовтепло- и массообмена. Процессы переноса в движущейся среде Текст. / A.A. Гухман. М.: Высшая школа, 1967. — 303 с.

44. Баранников, Н.М. Экспериментальное исследование гидродинамики теплообменника с подвижной насадкой Текст. / Н.М. Баранников, Ю.Н. Агапов // Механизация работ на рудниках. Кемерово, 1982. - С. 77-79

45. Шенк, X. Теория инженерного эксперимента Текст. / X. Шенк. М.: Мир, 1975.-378 с.

46. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа Текст. / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1987. - 820 с.

47. Агапов, Ю.Н. Исследование движения псевдоожиженного слоя вдоль наклонной газораспределительной решетки Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Бараков, A.B. Жучков // Теоретические основы химической технологии.1986.-№1 Т. 20.-С. 111-115.

48. Боев C.B. / Экспериментальное исследование гидродинамики аппарата для очистки газов с центробежным слоем насадки Текст. / C.B. Боев, Ю.Н. Агапов, В.Г. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т.5. №5. С. 22-25.

49. Агапов, Ю.Н. Определение порозности тонкого направленно перемещающегося вдоль наклонной газораспределительной решетки псевдоожиженного слоя Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Бараков, A.B. Жучков // Химическая промышленность. — 1984. № 2. — С. 48-49

50. Зайдель, А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений Текст. / А.Н. Зайдель. Л.: Наука, 1986. - 96 с.

51. Теплоэнергетика и теплотехника Текст. / справочник // под ред.В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергия, 1980. - 528 с.

52. Агапов, Ю.Н. Использование псевдоожиженного слоя в качестве промежуточного теплоносителя в регенеративных теплообменниках Текст. / Ю.Н. Агапов // Межвузовский, сб. трудов. № 29. - М.: Моск. Энерг. ин-т, 1984.-С. 125-131

53. Агапов, Ю.Н. К расчету воздухоподогревателя с дисперсным промежуточным теплоносителем Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Бараков // Процессы теплообмена в энергомашиностроении: материалы регионального межвуз. семинара. Воронеж. — 1996. — С. 34.

54. Агапов, Ю.Н. К расчету регенеративного теплообменного аппарата с псевдоожиженным слоем промежуточного теплоносителя Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Бараков, A.B. Жучков // Промышленная энергетика. 1985.-№6.- С. 34-35.

55. Мухленов, Н.П. Методика расчета контактных аппаратов для окисления сернистого газа в псевдоожиженном слое катализатора Текст. / Н.П. Мухленов, Н.Ф. Михалев, В.Е. Сороко. Хим. Промышленность. 1967. -№7.-С. 517-520

56. Агапов Ю.Н. Регенеративный подогрев воздуха в процессе обжига листового проката Текст. / В.Ю. Агапов, A.B. Бараков, A.B. Жучков, A.B. Санников // Энергосбережение в высокотемпературной теплотехнологии: сб. науч. тр., М.: МЭИ. 1990.- С. 91-94.

57. Ключников, А.Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей Текст. / А.Д. Ключников. М.: Энергия, 1974. - 343 с.

58. Павлов К.Ф., Примеры и задачи по курсу процессов и- аппаратов-Текст.: К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков. — Л.:Химшг, 1987. 576 с.

59. Основные процессы и аппараты химической технологии* Текст. / Пособие по проектированию // под ред. Ю.И. Дытнерского.— М.: Химия, 1983.-272 с.

60. Боев C.B. Установка для очистки отходящих газов от вредных примесей Текст. / C.B. Боев, Ю.Н. Агапов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т.5. №3. С. 41 -44.

61. Боев C.B. Распределение температур теплоносителей при трехфазном псевдоожижении Текст. / C.B. Боев, Ю.Н. Агапов, В.Г. Стогней // Вестник

62. Воронежского государственного технического университета. 2011. Т.7. №1. С. 221 -223.

63. Боев C.B. Воздухоочистительная установка для производств с повышенным уровнем запыленности и загазованности Текст. / C.B. Боев,

64. B.А. Семений, Е.В. Баглай // Системные проблемы качества математического моделирования информационных электронных и лазерных технологий: сб. Том 1. Часть 7. М.: Радио и связь, 2002, С. 207 - 209.

65. Боев C.B. Аппарат для очистки газов от вредных примесей Текст. /

66. C.B. Боев, Ю.Н. Агапов, М.А. Хаустов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: Труды науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. 10. Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 2008 с. 238 - 243.

67. Ляшук А., Беренгартен М.Г. Теплообмен в абсорбере с псевдоожиженной насадкой Текст. / А.Ляшук // Химия и химическая технология. 2001. - Т. 44. - вып. 3. - С. 17-24.

68. Ляшук А., Беренгартен М.Г. Анализ чувствительности модели процесса теплообмена в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем, Текст. / А.Ляшук // Химия и химическая технология. — 2005. — Т. 48. — вып. 11. — С. 31-35.

69. Ляшук А., Беренгартен М.Г. Моделирование процесса-теплообмена в аппарате с трехфазным псевдоожиженным слоем Текст. / А.Ляшук // Теоретические основы химической технологии. — 2001. — Т. 35. — вып. 3. — С. 331-334.

70. Патент № 4838495 (Япония). Сушилка для.слоя перемещающегося в поперечном направлении Текст., Опубл. в тЛяобр. за рубежом 1974, № 3.

71. Романков, П.Г. Сушка во взвешенном состоянии Текст. / П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская. Л.: Химия, 1979. - 272 с.

72. Диксон, С.Л. Механика жидкости и газов. Термодинамика турбомашин Текст. / С.Л. Диксон. -М.: Машиностроение, 1981. 212 с.

73. Каневец Г.Е. Теплообменники и теплообменные системы Текст. / Г.Е. Каневец. Киев: Наукова думка, 1982. - 272 с.

74. Бараков A.B. Процессы и аппараты с перемещающимся псевдоожиженным слоем: Монография. Воронеж: ВГТУ, 2004. — 116 с.