Вероятностно-статистический метод расчета изменения гранулометрического состава взрывопожароопасных загрязнений в системах очистки жидкостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Гречушкин, Андрей Николаевич

• Гречушкин, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гречушкин, Андрей Николаевич

Перечень условных обозначений и сокращений

Введение

Глава 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ИЗМЕНЕНИЯ

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗАГРЯЗНЕНИЙ

1.1 Дисперсные загрязнения криогенных жидкостей

1.2 Методы расчета фильтров тонкой очистки

1.3 Вероятностно - статистический метод расчета фильтров

1.4 Особенности применения вероятностно - статистического метода расчета фильтровального процесса

1.4.1 Исходные данные к расчету фильтров вероятностно - статистическим методом

1.4.2 Методы расчета изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий

Глава 2. МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ СУСПЕНЗИЙ

2.1. Формулировка начальных и граничных условий вероятностно - статистической модели

2.2. Исследование асимптотических свойств модели и аппроксимационных функций распределения

2.3. Особенности практического применения модели

2.4. Анализ дискретной модели непрерывного процесса изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий.

2.5. Определение плотности распределения частиц по высоте емкости

2.6. Модель изменения гранулометрического состава при

• отборе

Глава 3. ПРОВЕРКА ВЕРОЯТНОСТНО - СТАТИСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

3.1. Система хранения и раздачи жидкого технического кислорода

3.2. Расчет и анализ результатов на основе экспериментальных данных

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ

4.1. Анализ сил, действующих на частицу в турбулентном потоке жидкости

4.2. Модель изменения гранулометрического состава дисперсной фазы в трубопроводе

4.3. Проверка модели изменения гранулометрического состава в трубопроводе

Глава 5. ИЗМЕНЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ФИЛЬТРЕ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ

5.1 Математическая модель изменения гранулометрического состава дисперсной фазы в фильтре тонкой очистки

5.2 Экспериментальная проверка математической модели изменения гранулометрического состава загрязнений в фильтре тонкой очистки

5.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований

5.2.2 Результаты экспериментальных исследований

5.3 Инженерная методика расчета фильтров тонкой очистки жидкостей с учетом параметров номинальной тонкости очистки и ресурсных характеристик

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вероятностно-статистический метод расчета изменения гранулометрического состава взрывопожароопасных загрязнений в системах очистки жидкостей»

Безопасность эксплуатации жидкостных систем, в частности криогенных систем, во многом зависит от чистоты жидкостей. Одной из причин возникновения взрывоопасных ситуаций в криогенных системах является накопление в элементах систем осадков загрязнений, обладающих взрывоопасными свойствами [12]. Причиной возникновения аварийной ситуации может также стать выход из строя элементов систем в результате механической забивки дисперсными загрязнениями. Учитывая то, что современные резервуары для хранения криогенных жидкостей имеют объем до нескольких тысяч кубических метров, авария на них способна приводить к катастрофическим последствиям.

К примеру, для жидкого водорода взрывоопасным загрязнением является твердый кислород, а для жидкого кислорода - углеводороды, чаще всего ацетилен. В частности, согласно РД 2082-33-2003, осадки кислорода под слоем жидкого водорода толщиной <30 мкм не горят и не детонируют; толщиной 100.300 мкм детонируют от сильного источника инициирования (капсюль детонатор); осадки кислорода под слоем жидкого водорода толщиной более 300 мкм детонируют от более слабого источника инициирования (искра, нагретая проволока); бризантное действие детонации кислорода под слоем жидкого водорода на подложку из металла наблюдается при толщине осадка более 6 мм. Допустимая толщина осадка углеводородов в жидком кислороде составляет несколько десятков мкм в зависимости от вида углеводородного соединения. Кроме того, кристаллы некоторых загрязнений, в частности оксида углерода, обладают адсорбционной способностью к маслам, ацетилену и другим взрывоопасным веществам [12], [49].

Для избежания аварийных ситуаций оборудование криогенных систем периодически отогревается. Для крупных резервуаров такие отогревы приводят к значительным экономическим затратам. Одним из путей повышения безопасности работы криогенного оборудования является очистка криогенных жидкостей от загрязнений и прогнозирование количества и толщины слоя осадка.

В связи с этим создание эффективных устройств обеспечения чистоты криогенных жидкостей и прогнозирование накопления опасных загрязнений является одним из условий безопасной работы криогенных систем и установок.

Накопление опасных загрязнений в элементах жидкостных систем зависит, в частности, от концентрации и гранулометрического состава. Для достижения необходимой степени чистоты жидкостей используют системы очистки. Если концентрацию загрязнений на выходе систем очистки можно достаточно достоверно оценить известными методами, то изменение гранулометрического состава в технологических процессах систем очистки часто упускается из вида.

Фильтровальный процесс является неотъемлемой частью практически любой системы очистки жидкостей, в частности криогенных жидкостей. Достижение заданных характеристик фильтровального процесса является одной из основных задач проектирования, производства и эксплуатации подобных систем.

Большинство инженерных методик расчета фильтров, используемых в настоящее время, были получены с использованием феноменологического подхода [10]. Основной недостаток феноменологического подхода состоит в том, что не удается физически строго обосновать справедливость полученных выражений во всем диапазоне параметров. Те выражения, которые выведены эмпирическим путем, справедливы, строго говоря, лишь в том диапазоне, в котором они были получены. Поэтому данный подход имеет достаточно узкие границы области применения и требует экспериментального определения коэффициентов в расчетных формулах. Основные экономические затраты при расчетах фильтров, при использовании феноменологического подхода, связаны с проведением экспериментов [25]. Ввиду этого, снижение доли экспериментальных работ при проектировании очистных устройств представляется актуальной задачей.

Одним из возможных способов уменьшения доли эксперимента является использование методов расчета фильтров, основанных на вероятностно - статистическом подходе [32]. Однако при расчете фильтров вероятностно - статистическим методом, необходимым параметром, в частности, является гранулометрический состав дисперсной фазы перед фильтровальной перегородкой [32], [47]. Определить гранулометрический состав дисперсной фазы перед фильтровальной перегородкой можно только при наличии информации об изменении во всех основных процессах системы очистки, предшествующих фильтрованию.

Таким образом, информация о гранулометрическом составе загрязнений является необходимой как для расчета фильтровального процесса, так и для прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации жидкостных систем.

До настоящего времени гранулометрический состав дисперсной фазы суспензий, в основном, рассматривается как некоторая характеристика, известная уже на начальной стадии проектирования, а возможными отклонениями гранулометрического состава в процессах систем очистки жидкостей часто пренебрегают. Подобный подход можно считать оправданным только при наличии достоверных сведений о пределах возможного изменениях гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий в том или ином процессе и устройстве.

Изменение гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий можно определить либо в рамках феноменологического подхода, либо с применением методов описания поведения отдельных частиц [6], [27], [45], а также вероятностно — статистическим методом. В первом случае полученные результаты явно имеют ограниченный характер, во втором - их получение требует больших затрат времени [39], а в третьем случае, применительно к инженерному приложению, модели, основанные на вероятностно - статистическом методе расчета, находятся на начальном этапе практической разработки.

В результате, не имея простых и достаточно универсальных моделей изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий, в подавляющем большинстве случаев, специалисты вынуждены базироваться на опыте предшествующих разработок. На практике указанное обстоятельство способно приводить не только к неоправданным затратам, но и к серьезным ошибкам.

Исходя из вышесказанного, следует признать оправданным разработку моделей, базирующихся на вероятностно-статистических методах расчета изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий в технологических процессах и аппаратах систем очистки жидкостей.

Целью диссертационной работы является создание вероятностно - статистического метода расчета изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий в системах очистки жидкостей.

В первой главе диссертации проведен анализ дисперсных загрязнений криогенных жидкостей и показано, что информация о гранулометрическом составе загрязнений является необходимой как для обеспечения безопасности жидкостных систем, так и для расчета фильтров. Проанализировано современное состояние проблемы расчета процессов фильтрования. Сделан вывод о перспективности применения и развития методов расчета фильтров, базирующихся на вероятностно - статистического подходе. Выделены основные исходные данные к расчету фильтров вероятностно - статистическим методом и показано, что, в частности, необходимыми являются данные о гранулометрическом составе дисперсной фазы перед фильтровальной перегородкой. Проведен анализ методов расчета изменения гранулометрического состава суспензий в технологических процессах систем очистки и принято целесообразным использование подхода, основанного на использовании методов статистической физики. В конце первой главы сформированы цели и поставлены задачи исследования.

Во второй главе диссертации представлена разработанная математическая модель изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий на основе вероятностно - статистического метода. Показано, что изменение гранулометрического состава удовлетворительно может быть описано уравнением диффузионного типа, уравнением типа Фоккера - Планка - Колмогорова (ФПК). Исследованы асимптотические свойства предложенной модели и установлены виды стационарных распределений. Проведен анализ дискретной модели непрерывного процесса изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий. Показано, что приращения изменяющейся величины, начиная с третьего члена, имеют нулевой порядок малости. Получены решения уравнения типа ФПК с граничными условиями третьего рода и смешанными граничными условиями. Разработана модель отбора суспензии из резервуара при наличии конвективного течения в зоне отбора.

Третья глава посвящена проверке предложенной математической модели на основе модельного эксперимента по отбору жидкого технического кислорода из накопительно - раздаточного резервуара. На основе сопоставления полученных экспериментальных и теоретических стационарных распределений сделан вывод об адекватности предложенной модели.

В четвертой главе представлено одно из возможных практических приложений разработанной математической модели. Предложена модель изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий при движении в в соединительных каналах в результате седиментации частиц. Проведена проверка модели на основе экспериментальных распределений в каналах при различных режимах течения.

В пятой главе диссертации представлена вероятностно - статистическая модель изменения гранулометрического состава дисперсной фазы в фильтре тонкой очистки. Предложенная модель позволяет определить гранулометрический состав дисперсной фазы на выходе фильтра в зависимости от его рабочих размеров, свойств дисперсной фазы и фильтровальной перегородки. Показано, что при достаточно большой толщине фильтровальной перегородки распределение на выходе практически не зависит от исходного и является функцией трех величин. Создан экспериментальный стенд и проведены экспериментальные исследования изменения гранулометрического состава в процессе фильтрования. Экспериментальные распределения сопоставлены с теоретическими, что позволило сделать вывод об адекватности модели. На основе теоретических данных и экспериментальных результатов предложена инженерная методика расчета фильтров тонкой очистки.

В заключении работы подведены основные ее результаты.

По теме диссертации опубликовано три статьи: [34], [35] и [36].

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Гречушкин, Андрей Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность применения вероятностно-статистического метода расчета изменения гранулометрического состава загрязнений в технологических циклах на основе случайных марковских процессов.

2. Показано, что изменение гранулометрического состава загрязнений удовлетворительно может быть описано уравнением диффузионного типа, уравнению типа ФПК.

3. На основе вероятностно-статистического метода расчета создана математическая модель изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий в технологических циклах различного типа, включая процессы фильтрования и седиментации, и изучены ее асимптотические свойства.

4. Разработана дискретная модель непрерывного процесса изменения гранулометрического состава дисперсной фазы суспензий, которая расширяет возможности практического приложения математической модели.

5. Показано, что информация об изменении гранулометрического состава загрязнений в технологических процессах в системах очистки, предшествующих фильтрованию, является необходимой при расчете фильтров.

6. Разработана методика расчета изменения гранулометрического состава загрязнений в фильтрах тонкой очистки, позволяющая использовать не только осредненные характеристики, но и весь спектр размеров частиц, и проведена ее экспериментальная проверка.

7. На базе предложенной математической модели разработана инженерная методика расчета фильтров тонкой очистки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гречушкин, Андрей Николаевич, 2005 год

1. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.-247 с.

2. Белянин П.Н., Данилов В.М. Промышленная чистота машин. М.: Машиностроение, 1982. - 224 с.

3. Веригин Н.Н., Васильев С.В. Диффузия и седиментация мелкодисперсной однородной взвеси в отстойниках // Теоретические основы химической технологии. 1982. - Т. 16, № з. с. 374-380.

4. Волощук В.М. Введение в гидродинамику грубодисперсных аэрозолей. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971.-208 с.

5. Волощук В.М., Левин JI.M. Исследования по аспирации аэрозолей // Физика аэрозолей / Под ред. JI.M. Левина и О.А. Волковицкого. М.: Гидрометеоиздат, 1969.-С. 84-105.

6. Гидродинамическое взаимодействие частиц в суспензиях: пер. с англ. / Под ред. Ю.А. Буевича. М.: Мир, 1980. - 244 с.

7. Градус А.Я. Руководство по дисперсному анализу методом микроскопии. -М.: Химия, 1976.-232 с.

8. Деревич И.В., Громадская Р.С. Моделирование процесса осаждения частиц из дисперсного турбулентного потока // Теоретическое основы химической технологии. 1998. - Т. 32, № 3. - С. 294-300.

9. Дунайский В.Ф., Никитин Н.В., Соколов М.С. Монодисперсные аэрозоли. -М.: Наука, 1975.- 192 с.

10. Ю.Жужиков В.А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий. -М.: Химия, 1980.-400 с.

11. П.Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. Львов: Вища школа, 1980.-200 с.

12. Иванов Б.А., Розовский А.С. Безопасность работы с жидким кислородом. -М.: Химия, 1989.-192 с.

13. И.Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. М.: Машиностроение, 1983.-351 с.

14. Н.Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991. - 400 с.

15. Кобец Ю.Н. Очистка криогенных жидкостей от кристаллов диоксида углерода в аппаратах с зернистой загрузкой: Дис. . канд. техн. наук. Балашиха, 1992.-175 с.

16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1977. - 831 с.

17. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / B.C. Королюк, Н.И. Портенко, А.В. Скороход и др. М.: Наука, 1985. - 640 с.

18. Коузов П.А. Основы анализа промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1987. - 264 с.

19. Коузов П.А., Малыгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л.: Химия, 1982. - 256 с.

20. Кудрявцев Н.А., Михотов В.В., Пронин А.И. Расчет эффективности разделения суспензий в каналах тонкослойных (полочных) отстойников // Теоретические основы химической технологии. 1981. - Т. 15, № 1. — С. 73-78.

21. Кутепов A.M., Соколов Н.В. Математическая модель процесса разделения в полочных отстойниках // Теоретические основы химической технологии. -1981.-Т. 15,№ 1.-С. 135-137.

22. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.-Т. 6.-736 с.

23. Левин Л.М. Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1961.-268 с.

24. Львов В.А., Павлихин Г.П. Моделирование процесса седиментации криок-ристаллов в жидкости при непрерывном отборе проб // Охрана труда и охрана окружающей среды. М., 1987. - С 38-51. - (Тр. МВТУ; № 485).

25. Разделение суспензий в химической промышленности / Т.А. Малиновская, И.А. Кобринский, О.С. Кирсанов и др. М.: Химия, 1983. - 264 с.

26. Медников Е.П. Дистанционный отбор промышленных аэрозолей. М.: ЦНИИХИМНЕФТЕМАШ, 1987. - 64 с.

27. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1980.- 176 с.

28. Мелихов И.В., Меркулова М.С. Сокристаллизация. М.: Химия, 1975. - 280 с.

29. Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. — М.: Стройиз-дат, 1964. 156 с.

30. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Госэнергоиздат, 1956. - 430 с.

31. Павлихин Г.П. Методы расчета параметров процессов фильтрования крио-продуктов в фильтрах тонкой очистки: Дис. . докт. техн. наук. — М., 1997. -292 с.

32. Павлихин Г.П., Львов В.А., Александров Л.К. Механические примеси жидкого кислорода. М.: НИИТЭХИМ, 1991. - 32 с.

33. Павлихин Г.П., Львов В.А., Гречушкин А.Н. Вероятностный метод расчета изменения гранулометрического состава дисперсных систем // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2003. - №2. - С. 3-14.

34. Павлихин Г.П., Львов В.А., Гречушкин А.Н. Расчет ресурсных характеристик фильтров с учетом послойного разбиения фильтровальной перегородки // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2001. - № 2. - С. 114-117.

35. Павлихин Г.П., Львов В.А., Гречушкин А.Н. Статистическое исследование процесса фильтрования малоконцентрированной суспензии зернистой загрузкой // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Естественные науки. 2002. -№ 2. - С. 121-125.

36. Павлихин Г.П., Львов В.А., Рынсков Ю.О. Гранулометрический состав механических примесей жидкого технического кислорода // Проблемы промышленной экологии и безопасности: Материалы Всесоюзной конференции. -М., 1991.-75 с.

37. ЗБ.Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. -М.: Стройиздат, 1981. 296 с.

38. Протодьяконов И.О., Богданов С.Р. Статистическая теория явлений переноса в процессах химической технологии. Л.: Химия, 1983. - 400 с.

39. Протодьяконов И.О., Сыщиков Ю.В. Турбулентность в процессах химической технологии. Л.: Наука, 1983. - 318 с.

40. Прохоров Ю.В., Розанов Ю.А. Теория вероятностей. Основные понятия. Предельные теоремы. Случайные процессы. Справочник. М.: Наука, 1987. -400 с.

41. Рыбаков К.В., Иноземцева М.Н., Резник Л.Г. Определение дисперсного состава загрязнений в светлых нефтепродуктах // Химия и технология топлива и масел. 1967. - № 2. - С. 60-62.

42. Ряжских В.И. Математическое обеспечение параметрического анализа функционирования криогенных систем в условиях образования твердой фазы примесей: Автореферат . докт. техн. наук. Воронеж, 1997. - 29 с.

43. Ряжских В.И., Панфилов Ю.В. Анализ кинетики криогенных взвесей в трубопроводах // Химия и химическая технология. 1998. - Т. 41, вып. 4. — С. 48-50.

44. Теверовский Е.Н. Дмитриев Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с.

45. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Изд-во МГУ, 1999. - 798 с.

46. Удлер Э.И. Фильтрация нефтепродуктов. Томск: Изд-во Томского университета, 1988.-216 с.

47. Фигуровский Н.А. Седиментометрический анализ. М.: Издательство АН СССР, 1948.-164 с.

48. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985. - 247 с.

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

50. Фукс Н.А. Успехи механики аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 160 с.

51. Харин В.М., Ряжских В.И. К теории осаждения // Теоретические основы химической технологии. 1989. - Т. 13, № 5. - С. 651-658.

52. Харин В.М., Ряжских В.И., Панфилов Ю.В. Осаждение кристаллического азота при турбулентном течении жидкого водорода // Химия и химическая технология. 1998. - Т. 41, вып. 4. - С. 45-47.

53. Шехтман Ю.М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий. М.: Изд-во АН СССР, 1961.-212 с.137