Конденсационные механизмы улавливания субмикронных пылей в мокрых газоочистителях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Хромова, Елена Михайловна

• Хромова, Елена Михайловна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хромова, Елена Михайловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕХАНИЗМЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ УЛАВЛИВАНИЯ ТОНКОДИСПЕСНЫХ ПЫЛ ЕЙ В МОКРЫХ ГАЗООЧИСТИТЕЛЯХ

1.1. Характеристика мокрых газоочистителей

1.2. Механизмы интенсификации процессов пылеулавливания

1.3. Теоретические исследования механизмов конденсационного пылеулавливания

1.4. Экспериментальные исследования конденсационного пылеулавливания

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ИНЕРЦИОННОГО МЕХАНИЗМА УЛАВЛИВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ ПЫЛЕЙ В ПЕННЫХ И ЦЕНТРОБЕЖНО-БАРБОТАЖНЫХ АППАРАТАХ

2.1. Постановка задачи

2.2. Зависимости для фракционного коэффициента проскока при конденсации водяных паров на частицах в ПА

2.3. Зависимости для фракционного коэффициента проскока при конденсации водяных паров на частицах в ЦБА

2.4. Результаты анализа влияния конденсации водяных паров в объеме ПА и ЦБА на инерционные механизмы пылеулавливания

ГЛАВА 3. ТЕОРИЯ УЛАВЛИВАНИЯ ЧАСТИЦ СУБМИКРОННЫХ РАЗМЕРОВ В ПА И ЦБА ЗА СЧЕТ ПРОЯВЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО И ИНЕРЦИОННОГО МЕХАНИЗМОВ

3.1. Основные положения теории

3.1.1. Дифференциальное уравнение изменения концентрации частиц

3.1.2. Скорость радиального дрейфа частиц к поверхности пузыря

3.1.3. Скорость газа

3.1.3. Решение дифференциального уравнения

3.1.4. Связь коэффициентов проскока с параметрами тепломассообмена

3.1.5. Фракционный коэффициент проскока

3.2. Сопоставление теории с опытными данными

3.2.1. Очистка крекинг газов от сажевых частиц в ПА

3.2.2. Очистка воздуха от свинцовой пыли в ПА

ГЛАВА 4. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯХ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ

4.1. Постановка задачи. Основные допущения

4.2. Однотемпературная физико-математическая модель тепломассообмена на стадии формирования пузырей при повышенных влагосодержаниях парогазовой смеси

4.2.1. Дифференциальное уравнение сохранения тепла

4.2.2. Дифференциальное уравнение сохранения массы

4.2.3. Система уравнений. Граничные условия

4.2.4. Коэффициенты тепло- и массообмена

4.2.5. Двухпараметрическая зависимость для определения У5 в ЦБА

4.2.6. Температура поверхности пузыря

4.2.7. Размеры растущего пузыря

4.2.8. Параметры состояния

4.2.9. Средняя плотность водяных паров у поверхности пузыря

4.3. Параметрический анализ процессов тепломассообмена

4.3.1. Обезразмеривание системы уравнений

4.3.2. Частота отрыва пузырей

4.3.3. Численное решение системы уравнений

4.4. Обсуждение результатов расчетов

4.4.1. Зависимости р и а от среднерасходной скорости воздуха

4.4.2. Зависимости (3 и а от времени формирования пузырей

4.4.3. Зависимости средних (3 и а от среднерасходной скорости без учета и с учетом поправки на стефанов поток

4.4.4. Зависимости отношений (3 и а с учетом поправки на стефанов поток и без учета от различных начальных влагосодержаний воздуха

4.4.5. Зависимость отношения радиусов растущего пузыря

4.5. Двухтемпературная модель тепломассообмена на стадии формирования пузырей при повышенных влагосодержаниях парогазовой смеси

4.5.1. Основные уравнения модели тепломассообмена

4.5.2. Алгоритм численного решения задачи

4.5.3. Обсуждение результатов расчета

ГЛАВА 5. ОСАЖДЕНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ НА КАПЛИ В ПОЛЫХ ФОРСУНОЧНЫХ СКРУББЕРАХ ЗА СЧЕТ КОНДЕНСАЦИОННОГО ЭФФЕКТА

5.1. Постановка задачи о диффузионном осаждении пыли в ПФС

5.1.1 Фракционный коэффициент проскока в ПФС

5.1.2. Размер капель и скорость в ПФС

5.2. Инерционное осаждение пыли в ПФС

5.3. Сопоставление теории с опытными данными для ПФС

5.3.1. Оценка диффузионного осаждения частиц пыли на капли

5.3.2. Оценка инерционного осаждения частиц пыли на капли

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конденсационные механизмы улавливания субмикронных пылей в мокрых газоочистителях»

Высокоэффективное улавливание тонкодисперсных пылей в мокрых газоочистителях до сих пор остается проблемой, хотя в фильтрационных аппаратах она нашла свое решение с рядом известных недостатков: высокое гидравлическое сопротивление, необходимость регенерации фильтрующих элементов и т.д. Предложен ряд методов, способствующих интенсификации процессов улавливания таких пылей в «мокрых» инерционных аппаратах, в частности, за счет конденсационных эффектов. Вопросами конденсационного улавливания начали заниматься с начала 50-х годов прошлого века на академическом уровне Дерягин Б.В., Духин С.С., Михельсон M.J1. Несколько позднее, в 60-х годах, были проведены комплексные экспериментальные исследования улавливания тонкодисперсных пылей в пенных аппаратах (ПА) и полых форсуночных скрубберах (ПФС) Ужовым В.Н., Вальдбергом А.Ю., Зайцевым М.М., Розеном A.M., Костиным В.М., Савраевым В.П., которые подтвердили возможности достижения высокой эффективности пылеулавливания при значительной конденсации водяных паров в аппаратах.

Однако анализ результатов известных теоретических и экспериментальных исследований в области использования процесса конденсации водяных паров в мокрых газоочистителях в направлении интенсификации улавливания наиболее мелкодисперсных фракций пыли, не поддающихся инерционному осаждению, приводит к следующему выводу: к настоящему времени сложившиеся две точки зрения на основную причину зафиксированного в опытах значительного повышения эффективности улавливания мелких частиц в мокрых пылеуловителях при подаче пыле-парогазовой смеси на газоочистку с повышенным влагосодержанием и с последующей конденсацией значительной части водяных паров в аппаратах так и остались не до конца подтвержденными.

Первая точка зрения вытекала из теоретических работ Дерягина Б.В. с сотрудниками и совершенно четко сформулирована: повышение эффективности пылеулавливания должно достигаться за счет конденсации водяных паров на поверхностях коллекторов (пленки жидкости на поверхностях элементов рабочей зоны аппаратов, границы раздела фаз - внутренняя поверхность парогазовых пузырей при барботаже, поверхности растущих за счет конденсации капель жидкости в форсуночных скрубберах и т.д.). Дерягин Б.В. и Духин С.С. рекомендуют не допускать значительной конденсации влаги на самих частицах, чтобы не снизить эффект пылеулавливания. Однако в последующих работах Дерягина Б.В., Михельсона М.Л. и др., касающихся конденсационных фильтров, рассматривается диффузионный механизм осаждения и за счет укрупнения конденсатом субмикронных частиц на капли диспергированной жидкости. Показано, что в этом случае эффективность осаждения достигается значительной, если размеры частиц с конденсатом на поверхности становятся сопоставимы с размером капель (при тонком диспергировании орошающей жидкости).

Второй точки зрения придерживаются авторы многих работ и, прежде всего Вальдберг А.Ю., Зайцев М.М. и др., заключающейся в том, что основной эффект увеличения степени пылеулавливания обеспечивается за счет конденсации водяных паров на частицах, что приводит к их укрупнению, утяжелению и, как следствие, к их повышенной способности осаждаться. Первая точка зрения связана с диффузионным механизмом осаждения мелких частиц на поверхностях коллекторов как доминирующим, вторая - с инерционным.

В связи с неясностью определяющего механизма и отсутствием методов расчета процессов конденсационного улавливания тонкодисперсных пылей в мокрых газоочистителях вопросы изучения этих механизмов остаются весьма актуальными.

Цель работы

Установление определяющих механизмов повышения эффективности пылеулавливания в ПА, центробежно-барботажных аппаратах (ЦБА) и ПФС, построение теоретических основ расчета этих процессов. Разработка методов расчета процесса тепломассообмена при повышенных влагосодержаниях газа в

ПА и ЦБА. Разработка инженерных методов расчета процессов пылеулавливания субмикронной пыли в ПА и ЦБА.

Научная новизна

Установление механизмов конденсационного улавливания субмикронных пылей и получение расчетных формул для коэффициентов проскока в ПА, ЦБА и ПФС. Разработка физико-математических моделей тепломассообмена с термостатированной и нетермостатированной жидкостью в ПА и ЦБА при повышенных влагосодержаниях обрабатываемых газов.

Практическое значение Разработаны методы расчета эффективности улавливания субмикронной пыли в ПА и ЦБА за счет конденсационного эффекта и параметров тепломассообмена при повышенных влагосодержаниях обрабатываемых газов. Полученные результаты использованы в материалах дисциплин, преподаваемых по специализации «Охрана воздушного бассейна от вентиляционных и промышленных выбросов» специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция». Разработанный метод расчета передан предприятию ОАО "Томсквентиляция" и используется при проектировании и создании высокоэффективных и экономичных аппаратов и систем тепловлажностной обработки воздуха по заказам различных производств.

Достоверность результатов Достоверность определяется использованием при построении моделей классических законов термодинамики фазовых переходов с привлечением известных полуэмпирических зависимостей по тепломассообмену, а также сопоставлением с известными экспериментальными данными по тепломассообмену и пылеулавливанию в ПА, ЦБА и ПФС результатов расчетов, полученных на основе сформулированных в работе моделей.

Положения, выносимые на защиту 1. Результаты анализа процессов пылеулавливания субмикронных частиц в ПА, ЦБА и ПФС.

2. Физико-математическая модель процесса тепломассообмена в ПА и ЦБ А при повышенных влагосодержаниях газа для термостатированной жидкости.

3. Физико-математическая модель процесса тепломассообмена в ПА и ЦБА при повышенных влагосодержаниях газа для нетермостатированной жидкости.

4. Методы расчета процесса тепломассообмена в ПА и ЦБА при любых влагосодержаниях обрабатываемого газа и процессов пылеулавливания субмикронных пылей за счет конденсационных эффектов.

В первой главе проведен анализ состояния изученности вопроса об интенсификации пылеулавливания тонкодисперсных пылей в мокрых газоочистителях за счет конденсационных эффектов. Во второй главе представлена оценка влияния конденсации водяных паров на частицах субмикронной пыли на эффективность их улавливания в ПА и ЦБА за счет инерционного механизма. В третьей главе построена теория улавливания частиц субмикронных размеров в ПА и ЦБА за счет совместного проявления инерционного и диффузионного механизмов, а также проведено сопоставление построенной теории с известными экспериментальными данными. Четвертая глава посвящена разработке физико-математических моделей процессов тепломассообмена на стадии формирования пузырей при повышенных влагосодержаниях парогазовой смеси. В пятой главе проведен анализ механизмов улавливания субмикронных частиц в ПФС.

Основные положения диссертации опубликованы в работах [76-87].

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору М.И. Шиляеву за постоянное внимание, ценные советы, замечания и рекомендации при выполнении мной настоящей работы. Особую благодарность выражаю кандидату физико-математических наук, доценту Толстых A.B., а также кандидату физико-математических наук, доценту Деренок А.Н. за помощь, оказанную мне при формулировке и численном решении физико-математических моделей тепломассообмена.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Хромова, Елена Михайловна

выводы

Проведен анализ состояния изученности конденсационного эффекта улавливания субмикронной пыли в мокрых пылеуловителях. Показано, что с начала 50-х годов прошлого столетия и по настоящее время в литературе не сложилось ясного представления о механизмах, определяющих этот эффект в различных аппаратах: либо за счет влияния диффузионного потока, либо за счет повышения инерционности частиц вследствие их конденсационного укрупнения.

Рассмотрены оба механизма в применении к пенным, центробежно-барботажным аппаратам и к полым форсуночным скрубберам как предельные случаи при доминировании одного из них. Установлено, что в ПА и ЦБ А основным механизмом является диффузионный, в ПФС - инерционный.

Построены теория и простые зависимости для расчета эффективности пылеулавливания субмикронной пыли в ПА, ЦБА и ПФС при повышенных влагосодержаниях очищаемых газов. Зависимости сопоставлены с известным экспериментальным материалом и получено их удовлетворительное согласование. Показано, что термодинамические параметры, входящие в теоретические расчетные формулы, могут быть определены только на основе адекватной физико-математической модели тепломассообмена в этих аппаратах. Доказано, что известная эмпирическая зависимость, предложенная В.Н. Ужовым и А.Ю. Вальдбергом, по расчету эффективности пылеулавливания субмикронной пыли в ПА и ПФС в функции перепада влагосодержания на аппаратах не может считаться обобщением и является частным случаем обработки полученных в конкретных условиях опытных данных по очистке крекинг-газов от сажевых частиц субмикронного размера.

Построены физико-математические модели для стационарных и нестационарных процессов тепломассообмена в ПА и ЦБА при повышенных влагосодержаниях обрабатываемых газов. Проведен их анализ и показано заметное влияние стефанова потока при повышенных влагосодержаниях на термодинамические параметры парогазовой смеси в ПА и ЦБА и коэффициенты тепло- и массопереноса.

В совокупности с аналитическими зависимостями для коэффициентов проскока, полученными в работе, физико-математические модели тепломассообмена в ПА и ЦБА дают замкнутую систему расчета процессов пылеулавливания субмикронных пылей в этих аппаратах, а сами модели имеют и самостоятельное значение, являясь основой расчета параметров тепловлажностной обработки газов при повышенных влагосодержаниях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Хромова, Елена Михайловна, 2005 год

1. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. — М.: Химия, 1971.-296с.

2. Андреев Е.И. Расчет тепло- и массообмена в контактных аппаратах. -Л.: Энергоатомизат, 1985. 192с.

3. Банит Ф.Г., Мальгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов.-М.: Стройиздат, 1979.-352с.

4. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. М.: Металлургия, 1988.-256с.

5. Богатых С.А. Комплексная обработка воздуха водой в системах кондиционирования // Вестник машиностроения. 1959. - №12. - С. 22-24.

6. Вальдберг А.Ю., Дубинская Ф.Е. Охлаждение газов в мокрых пылеуловителях. -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1971. — 59с.

7. Вальдберг А.Ю., Исянов Л.М., Тарат Э.Я. Технология пылеулавливания. -Л.: Машиностроение, 1985. 192с.

8. Вальдберг А.Ю., Набутовская Л.Л., Алиев Г.М. Улавливание сажи при производстве ацетилена термоокислительным пиролизом метана // Химическая промышленность. 1972. - №4. - С.258-260.

9. Вальдберг А.Ю., Набутовская Л.Л., Тарат Э.Я. Эффективное охлаждение газов в аппаратах с провальными тарелками // Промышленная и санитарная очистка газов. 1974. - №4. - С.7-10.

10. Гордон Г.М. Применение скоростных турбулентных пылеуловителей в цветной металлургии // Сборник материалов по пылеулавливанию в цветной металлургии (ВНИИЦветмет). М.: Металлургиздат, 1957. -С. 331-342.

11. Гордон Г.М., Пейсанов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов. М.: Металлургия, 1968.-499с.

12. Горемыкин В.А. Расчет и выбор пылеулавливающего оборудования: Учебное пособие. / Горемыкин В.А., Панов С.Ю., Аль-Кудах М.К., Бол13.