CC BY
39
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2020, №1, Том 12 / 2020, No 1, Vol 12 https://esj.today/issue-1-2020.html URL статьи: https://esj.today/PDF/24SAVN120.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Роман К.С., Иншаков Р.С., Липатова А.В., Дудин Р.В., Дербичев В.С., Балабуха А.В. Анализ эффективности очистки газа от механических примесей цилиндрическим циклоном с помощью компьютерного моделирования // Вестник Евразийской науки, 2020 №1, https://esj.today/PDF/24SAVN120.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Roman K.S., Inshakov R.S., Lipatova A.V., Dudin R.V., Derbichev V.S., Balabukha A.V. (2020). Analysis of the efficiency of gas purification from solids by a cylindrical cyclone using computer simulation. The Eurasian Scientific Journal, [online] 1(12). Available at: https://esj.today/PDF/24SAVN120.pdf (in Russian)
УДК 05.23.00 ГРНТИ 05.23.03
Роман Константин Сергеевич
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: kpocc_god@mail.ru
Иншаков Роман Сергеевич
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: romawushu@mail.ru
Липатова Анжела Владиславовна
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: lipatova.av@students.dvfu.ru
Дудин Роман Валерьевич
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: dudin.rv@students.dvfu.ru
Дербичев Вячеслав Сергеевич
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: slavka564@mail.ru
Балабуха Алексей Владимирович
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: dein500@mail.ru
Анализ эффективности очистки газа
от механических примесей цилиндрическим циклоном с помощью компьютерного моделирования
Аннотация. В настоящее время в промышленности до сих пор остается открытым вопрос об оптимальных параметрах работы того или иного оборудования. Под оптимальной работой понимается получение на установке продукта необходимого качества с наименьшими экономическими и энергетическими затратами. Такая же ситуация обстоит и с работой циклонов, предназначенных для очистки газа от механических примесей. Не смотря на простоту конструкции циклонов, вопрос об оптимальных параметрах их работы остается открытым. Целью настоящей работы является моделирование процесса движения газа с фракциями твердого вещества различной крупности в цилиндрическом циклоне для дальнейшего анализа влияния входной скорости газа в циклон на его рабочую эффективность. В работе проводилась серия компьютерного моделирования потока газа, запыленного фракциями различной крупности, входящего в цилиндрический циклон под различной скоростью. В работе применяется моделирование в добавлении Flow Simulation, предназначенного для проведения расчетов гидродинамических систем, программного комплекса SolidWorks 2016. По итогам работы были получены значения количества точек различных фракций, вышедших через выхлопную трубу вместе с очищенным газом. По итогам этих значений делался вывод об эффективности работы циклона. Результаты сведены в две таблиц. Также представлены некоторые эпюры распределения скоростей и траекторий потоков фракций различной крупности при изменении входной скорости потока, полученные в ходе выполнения моделирования. В заключении представлена серия выводов о возможности использования программных комплексов для анализа параметров работы оборудования, которые напрямую влияют на его эффективность.
Вклад авторов.
Роман Константин Сергеевич - автор производил построение моделей в программе SolidWorks.
Иншаков Роман Сергеевич - автор внес главный вклад в написание статьи. Ему принадлежит идея статьи. Производил моделирование в программе SolidWorks. Принимал участие в написании статьи. Производил координацию работы научного коллектива.
Липатова Анжела Владиславовна - автор оказывал участие в поиске общей информации для написания статьи. Собрал, проанализировал и сгруппировал информацию для включения в текст статьи.
Дудин Роман Валерьевич - автор оказывал участие в поиске общей информации для написания статьи. Собрал, проанализировал и сгруппировал информацию для включения в текст статьи.
Дербичев Вячеслав Сергеевич - автор оказывал координацию членов коллектива по поиску информации. Производил поиск информации по вопросу, поднятому в статье, в зарубежных источниках.
Балабуха Алексей Владимирович - автор оказывал участие в написании статьи. Производил создание графического материала. Одобрил окончательную версию статьи перед её подачей для публикации.
Ключевые слова: газоснабжение; механические примеси; фракции; частицы; очистка; циклон; центробежные силы; моделирование; Flow Simulation; SolidWorks
Введение
Во многих отраслях промышленности необходима предварительная подготовка газа перед тем, как он двинется на следующую технологическую ступень. Одним из основных аспектов подготовки газа является его тщательная очистка от твердых механических примесей. Зачастую для этого применяют так называемые циклонные аппараты. Главной особенностью которых является то, что очистка газа достигается специальной конструкцией прибора без дополнительного физико-химического воздействия на поток.
К их основным преимуществам можно отнести: простота устройства, надежность в эксплуатации, небольшие экономические и энергетические затраты при работе. К недостаткам - небольшая фракционная эффективность [1-3].
В цилиндрических циклонных аппаратах (рисунок 1) запылённому газу сообщают вращательное движение, чтобы подвергнуть частицы воздействию центробежной силы. Запылённый газ через входной патрубок 1 с большой скоростью по касательной поступает в корпус (цилиндрическую камеру) 3 циклона и совершает движение по конической камере 4 по нисходящей спирали. Под действием центробежной силы, возникающей при вращательном движении потока, частицы перемещаются к стенкам циклона. Пыль отделяется от газа при переходе потока из нисходящего в восходящий и по конической камере 4 попадает в бункер 5. Очищенный газовый поток устремляется вверх через центр конической камеры, проходя по всей её длине, и выходит наружу циклона через вертикальную выхлопную трубу 2, которая также разделяет очищенный газ от контакта с запыленным стенкой [4-6].
Рисунок 1. Цилиндрический циклон (составлено авторами)
При разработке конструкций циклонов приходится в значительной мере учитывать экспериментальные данные и опыт эксплуатации циклонов в производственных условиях. Теоретические обоснования процесса очистки пыли в циклонах пока еще не полностью изучены, и не могут удовлетворять современным требованиям [5-7].
В настоящее время с развитием вычислительной техники все больше физических процессов возможно изучить с помощью компьютерного моделирования. Поэтому в современных реалиях необходимо делать упор не только на опыт эксплуатации оборудования
на производстве, но и симулировать его работу в программных комплексах с целью получения оптимальных параметров работы.
Цель и задачи работы
Целью настоящей работы является моделирование процесса движения газа с фракциями твердого вещества различной крупности в цилиндрическом циклоне для дальнейшего анализа влияния входной скорости газа в циклон на его рабочую эффективность.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Построить CAD-модель цилиндрического циклона, приближенную к реальному образцу.
2. Произвести построение сетки достаточной точности.
3. Поставить задачу и определить начальные и граничные условия (определить какие параметры редактируются в процессе моделирования).
4. Провести серию моделирований при различной входной скорости.
5. Добавить в модель возможность ввода в поток фракций твердого вещества различной крупности.
6. Сделать выводы и привести рекомендации об эффективности построенного циклона и параметрах, наиболее влияющих на степень очистки.
Методология
Моделирование задачи производилось с помощью добавления Flow Simulation, которое является удобным решателем гидродинамики для моделирования потоковых процессов в текучей среде, программного комплекса SolidWorks 2016.
Постановка задачи
В состав блока циклона входят непосредственно сам корпус, входной патрубок, выхлопная труба, бункер. Основные размеры циклона, построенного для моделирования приведены на рисунке 2. В расчетном модуле SolidWorks Flow Simulation необходимо задать граничные условия, максимально приближенные к реальным, провести расчеты и произвести интерпретацию полученных результатов. Анализ результатов предполагается совершать относительно изменения входной скорости газа во входной патрубок. Также стоит вопрос о влиянии значения давления в бункере на величину отношения объемам очищенного воздуха к объемам запылённого.
Основные параметры задачи:
1. Уравнения, подключаемые к решателю: теплопроводности (закон сохранения массы, импульса, энергии) и гравитации.
2. Входная скорость во входном патрубке: 1-15 м/с с различным шагом для серий моделирования.
3. Массовая доля механических примесей каждой фракции: 10 г/л.
4. Давление на выходе из бункера и выхлопной трубы: атмосферное.
5. Условие на стенках циклона: идеальное отражение.
Основные допущения при моделировании [8-10]:
1. Форма частиц, поступающих с потоком газа в циклон, идеальная - сферическая.
2. При входе в циклон частицы распределены по сечению входного патрубка равномерно.
3. На стенках циклона происходит идеальное отражение частиц без учета их коагуляции.
Рисунок 2. Основные размеры модели циклона, используемого в моделировании (составлено авторами)
Сгенерированная сетка
Добавление Flow Simulation основано на методе конечных элементов, поэтому неотъемлемой частью моделирования является построение мелкой сетки с высокой степенью точности. Сетка, сгенерированная при подготовке к моделированию, показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Сгенерированная сетка (составлено авторами)
Количество ячеек в текучей среде: 34177, а объем внутренней полости циклона: 0,0035 м3, следовательно, каждая ячейка сетки включает в себя объем равный 1,02 • 10-7 м3, т. е. сетка достаточно точная.
Результаты моделирования
В «грязном» газе было задано шесть фракций, размер частиц которых: 10 мкм, 25 мкм, 50 мкм, 100 мкм, 500 мкм, 1 мм. Каждая фракция при моделировании представляется 100 точками. Количество точек, вышедших через выхлопную трубу вместе с очищенным газом, и дадут представление об эффективности очистки.
Представим эпюры распределения скоростей частиц различных фракций для моделей с входной скоростью 5 м/с и 15 м/с на рисунках 4 и 5.
Фракция 010 мкм Фракция 025 мкм Фракция 050 мкм
Фракция 0100 мкм
■ 6.330
■ 5.626
■ 3.516
■ 2.813
■ 2.110
■ 1 407
■ 0.703
0.001
0,0005
0.00001
0.00005
0.000025
Фракция 0500 мкм
Фракция 01 мм
■ 6 330
■ 5 626
■ 4.923 - 4 220
■ 3 516
■ 2813
0,0005
0,00001 0,00005 0,000025
Рисунок 4. Эпюры распределения скоростей частиц различных фракций для модели с входной скоростью 5 м/с (составлено авторами)
Фракция 010 mkm
Фракция 025 mkm
Траектории потока 0,0001 0001 0,0005 0,00001 0,00005 0,000025
Скорость |m/s]
Траектории потока 0,0001 0.001 0,0005 0,00001 0,00005 0,000025
Фракция 050 мкм
Скорость [m/s]
Траектории потока 0,0001 0.001 0,0005 0,00001 0,00005 0,000025
Фракция 0100 мкм
Фракция 0500 мкм
Фракция 01 мм
0,0005
0,00001 0,00005 0,000025
0,0005 0,00001 0,00005 0,000025
Рисунок 5. Эпюры распределения скоростей частиц различных фракций для модели с входной скоростью 15 м/с (составлено авторами)
Анализируя эпюры распределения скоростей частиц, можно прийти к выводу, что траектория движения частиц одинаковой крупности при различной входной скорости схожа, но при этом для частиц каждой фракции эта траектория особенная. Например, фракции самого мелкого диаметра частиц в 10 мкм, двигаясь по «вытянутой» спирали как вверх, так и вниз, занимают почти весь объем корпуса циклона, не заходя в выхлопную трубу, и двигаются преимущественно вдоль стенки (этот процесс покажем более точно на рисунке 6а). Однако, если проследить движение самой крупной фракции с диаметром частиц 1 мм, удаление которых не должно вызывать вопросов, можно заметить, что ее частицы занимают весь объем корпуса, в том числе с попаданием в выхлопную трубу (рисунок 6б). Также при этом можно наблюдать тенденцию локального увеличения скорости всех фракций частиц в месте начала изменения их движения на дугу, т. е. при переходе из входного патрубка в непосредственно цилиндрический корпус циклона.
a - Фракция 010 мкм б - Фракция 01 мм
Рисунок 6. Эпюры распределения скоростей (вид сверху) частиц для модели с входной скоростью 15 м/с (составлено авторами)
В работе упор сделан на определение величины эффективности очистки от фракций различной крупности. Анализ данного значения будет производиться на основе двух параметров: отношение объема очищенного газа из выхлопной трубы к объемам газа, входящим в циклон и количеству единиц частиц различных фракций, вышедших из выхлопной трубы совместно с очищенным газом.
Результаты сведем в таблицу 1 и 2.
Таблица 1
Значения процентного соотношения объема газа, вышедшего через выхлопную трубу, к объему, поступающему в циклон
Скорость, м/с 1 м/с 5 м/с 7,5 м/с 10 м/с 15 м/с
Объем газа, вышедшего через выхлопную трубу, м3-10-4 3,21 16,23 29,97 38,55 54,63
Процентное соотношение объема газа, вышедшего через выхлопную трубу, к объему, поступающему в циклон, % 19,6 19,86 24,46 23,59 22,29
Составлено авторами
Таблица 2
Значение количество точек вышедших через выхлопную трубу вместе с очищенным газом
Скорость, м/с 1 м/с 5 м/с 7,5 м/с 10 м/с 15 м/с
Количество точек, вышедших через выхлопную трубу с очищенным
газом (из 100)
10 мкм 3 0 0 0 0
25 мкм 0 0 0 0 0
50 мкм 0 0 0 0 0
100 мкм 0 0 0 0 0
500 мкм 0 0 0 1 0
1 мм 0 2 3 4 9
Составлено авторами
Из результирующих таблиц и эпюр распределения скоростей частиц в корпусе циклона видно, что с помощью компьютерного моделирования возможно определить оптимальную входную скорость потока газа для максимально эффективной работы цилиндрического циклона.
Можно утверждать, что серия экспериментов показала, что для данного циклона оптимальная входная скорость газа около 7,5 м/с.
Стоит отметить, что опасность в плане недостаточной очистки представляют не только очень мелкие частицы, но и достаточно крупные, например, как показано в работе - частицы диаметром 1 мм. Вероятно, они имеют недостаточную массу для падения в бункер под силами инерции, но достаточную площадь подхвата, чтобы вместе с восходящим потоком уйти с очищенным газом вверх.
Также вызывает интерес изучение влияния значений давления в сечениях, где поток газа выходит из циклона. А именно вопрос, можно ли увеличить объем очищенного газа, выходящего через выхлопную трубу, повлияв на величину давления в выходном сечении. Проведем моделирование, аналогичное предыдущим, со входной скоростью потока газа в 7,5 м/с и создадим вакуум в 50 Па в выходном сечении выхлопной трубы. По результатам моделирования заметим на эпюре распределения скоростей потока внутри циклона (рисунок 6), как скорость внутри выхлопной трубы резко возрастает, там возникает «подсос» очищенного газа.
Рисунок 6. Эпюра распределения скоростей потока газа при входной скорости 7,5 м/с и вакууме в выходном сечении выхлопной трубы 50 Па (составлено авторами)
Проанализируем данные результатов процентного соотношения объема газа, вышедшего через выхлопную трубу, к объему, поступающему в циклон и эффективности очистки циклона, сведенные в таблицу 3.
Таблица 3
Результаты моделирования с вакуумом в выходном сечении выхлопной трубы относительно первоначальных результатов
Скорость, м/с 7,5 м/с и вакуум 7,5 м/с
Объем газа, вышедшего через выхлопную трубу, м3-10-4 92,64 29,97
Процентное соотношение объема газа, вышедшего через выхлопную трубу, к объему, 75,34 24,46
поступающему в циклон, %
Количество точек, вышедших через выхлопную трубу с очищенным газом (из 100) 10 мкм 46 0
25 мкм 0 0
50 мкм 0 0
100 мкм 0 0
500 мкм 0 0
1 мм 5 3
Составлено авторами
Как можно заметить, создав небольшой вакуум в выхлопной трубе можно в разы увеличить объемы «чистого» газа, выходящего через выхлопную трубу. При этом эффективность очистки частиц мелких фракций снижается.
Выводы
В результате моделирования установлено:
1. Модель позволяет определить эффективность очистки газа от фракций различной крупности в зависимости от входной скорости. Компьютерное моделирование оборудования данного назначения позволяет изучить процессы, происходящие на входе в аппарат, в нем и на выходе.
2. При помощи моделирования возможно определить оптимальные входные параметры (термодинамические, такие как давление, температура, плотность; и параметры скорости в любых направлениях), а также задать дополнительные условия газа, а именно добавить в газ механические примеси различной крупности с целью выявления результирующих значений объема «чистого» газа из выхлопной трубы и количество точек, вышедших вместе с «чистым» газом.
3. Исходя из значений моделирования можно получить рабочие параметры оборудования для получения желаемого продукта на выходе из него.
4. Возможно предоставить рекомендации на производство по эффективным рабочим режимам оборудования или определить количество циклонов для достижения полной очистки газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стрелец К.И. Очистка промышленных газов: Материалы политехнического симпозиума «Молодые ученые - промышленности северо-западного региона». -СПб.: СПбГТУ, 2001. - С. 36.
2. Стрелец К.И., Тананаев А.В., Эффективность инерционных фильтров сепараторов: Материалы международной научно-технической конференции «Технология, строительство и эксплуатация инженерных систем». - СПб.: СПбОДЗПП, 2002. - С. 33-4.
3. Асламова В.С. Прямоточные циклоны. Теория, расчёт, практика. Ангарск: Ангарская государственная техническая академия, 2008. 233 с.
4. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Самара: Оптима, 1997. 348 с.
5. Бирюк В.В. Вихревая очистка газа наддува топливных баков / Бирюк В.В., Шиманов А.А., Оноприенко Д.А., Смородин А.В., Шепелев А.И., - Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2015. Т. 14. № 1. С. 112-120.
6. Кузнецов С.И. Моделирование работы высокоэффективного циклонно-ротационного пылеуловителя / Кузнецов С.И., Михайлик В.Д., Русанов С.А., -Вестник ХНТУ, 2009, № 3(36), с. 81-85.
7. Мустафин Ф.М., Коновалов Н.И., Гильметдинов Р.Ф., Квятковский О.П., Гамбург И.Ш. Машины и оборудование газонефтепроводов. Уфа, Изд-во УГНТУ, 2002. 384 с.
8. Тарасова Л.А. Повышение технологической эффективности аппаратов вихретокового типа в системах газоочистки. Дисс. ... д-ра техн. наук. Москва, 2010. 34 с.
9. Безик Д.А. Автоматизация расчета параметров циклона на основе математического моделирования процесса пылеулавливания. Дисс. . канд. техн. наук. Брянск, 2000. 150 с.
10. Асламова В.С. Процесс сепарации в высокопроизводительных прямоточных циклонах и методы их расчета. Дисс. ... д-ра техн. Наук. Томск, 2009. 377 с.
Roman Konstantin Sergeevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: kpocc_god@mail.ru
Inshakov Roman Sergeevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: romawushu@mail.ru
Lipatova Angela Vladivslavovna
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: lipatova.av@students.dvfu.ru
Dudin Roman Valerievich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: dudin.rv@students.dvfu.ru
Derbichev Vyacheslav Sergeevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: slavka564@mail.ru
Balabukha Alexey Vladimirovich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: dein500@mail.ru
Analysis of the efficiency of gas purification from solids by a cylindrical cyclone using computer simulation
Abstract. At present, the industry still has an open question about the optimal parameters of this or that equipment. Optimal work is understood as obtaining a product of the required quality at the installation with the least economic and energy costs. The same situation exists with the operation of cyclones designed to purify gas from mechanical impurities. Despite the simplicity of the design of cyclones, the question of the optimal parameters of their work remains open. The aim of this work is to simulate the process of gas movement with fractions of solid substances of various sizes in a cylindrical cyclone for further analysis of the influence of the input velocity of a gas in a cyclone on its working efficiency. A series of computer simulations of a gas stream dusted with fractions of various sizes entering a cylindrical cyclone at different speeds was carried out. The work uses simulation in the addition of Flow Simulation, designed to perform calculations of hydrodynamic systems, of the SolidWorks 2016 software package. Based on the results of the work, the values of the number of points of various fractions emerging through the exhaust pipe together with the purified gas were obtained. Based on the results of these values, a conclusion was drawn about the efficiency of the cyclone. The results are summarized in two tables. Also presented are some diagrams of the distribution of velocities and trajectories of the flows of fractions of various sizes when the input flow velocity changes obtained during the simulation. In conclusion, a series of conclusions is presented on the possibility of using software systems to analyze equipment operation parameters that directly affect its effectiveness.
Keywords: gas supply; mechanical impurities; fractions; particles; cleaning; cyclone; centrifugal forces; modeling; Flow simulation SolidWorks
