Эффективность очистки газов от тонкодисперсной фазы в распыливающих газосепараторах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 66.074

А. Г. Лаптев, А. Р. Исхаков

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ТОНКОДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В РАСПЫЛИВАЮЩИХ ГАЗОСЕПАРАТОРАХ

Ключевые слова: турбулентная миграция, газ, капля, твердые частицы, газосепаратор.

В статье рассмотрены вопросы очистки газовых сред от твердой фазы. Целью данного исследования является получение зависимости для определения эффективности полых распыливающих газосепараторов. Рассмотрена турбулентная миграция частиц на каплю. Представлена расчетная формула определения эффективности сепарации. Результаты исследования могут найти применение при проектировании или модернизации аппаратов газоочистки.

Keywords: turbulent migration, gas, drop, solid phase , gas separator.

The purification of gaseous media from the solid phase problems are submitted. The aim of this study is to provide the dependencies for determining of hollow spray gas separators effect. Turbulent migration ofparticles to drop is shown. The calculated formula for determining the separation effect is submitted. Results of the study can be applied in the design of the packed gas purification devices.

На химических и нефтехимических предприятиях в различных технологических установках используются газообразные среды, наличие твердой фазы в которых негативно влияет на эффективность процесса, трубопроводы и аппараты, что увеличивает ресурсо- и энергозатраты, приводит к износу и старению оборудования. Для определения оптимальных режимов и конструкций аппаратов, улавливающих твердые частицы из газовой фазы, необходимо математическое моделирование и расчет эффективности сепарации.

В практике очистки газов от мелкой дисперсной фазы наиболее существенное значение имеет турбулентно-миграционный механизм. В работах [1; 2; 3; 4] проводились моделирования турбулентной миграции частиц на стенку сухого и смоченного каналов и нерегулярных насадочных элементов. В данной работе показан пример использования данной модели для полых распыливающих аппаратов газоочистки.

Турбулентная миграция частиц на каплю

Согласно исследований Медникова Е.П.[5] и др. при теоретическом анализе всех форм движения аэрозольных частиц в турбулентном потоке обычно принимается следующие предположения.

• Диаметр частиц dч мал по сравнению с масштабом несущих их пульсационных вихрей с масштабом £:

dч << £.

При таком предположении каждая частица совершает движение, оставаясь в пределах несущего вихря. Отмеченному условию удовлетворяют частицы любой дисперсности.

• Обтекания частиц происходит при

d = \UUgp И ч/Ч < 1,

где U

gp

= U х - Up

- скорость обтекания час-

тиц турбулентными пульсациями; Vг - коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с.

• Частицы имеют форму близкой к сферической, а в случае сильного отклонения от сферы вво-

S

m

:80d,

дится коэффициент формы. Полидисперсность частиц аэрозоля рассматривается пофракционно.

• Среднее расстояние между частицами, определяемое по формуле

>)1

где с - концентрация частиц, кг/м3; рч - плотность частиц, кг/м3.

Кроме этого частицы:

а) не стесняют движение друг друга в ходе взаимных перемещений;

б) не соударяются, не коагулируют друг с другом;

в) не оказывают ощутимого влияния на турбулентные характеристики среды.

Пределом концентраций частиц при выполнении данных условий, согласно экспериментальным данным Россетти и Пфефера, можно считать при концентрации С < 200 г/м3.

• Электростатические и другие силы не гидродинамической природы отсутствуют.

Рассмотрим движение газовой смеси, содержащей твердые частицы, по высоте цилиндрического канала (аппарата). Навстречу газу в противотоке движутся капли жидкости за счет силы тяжести.

Эффективность очистки за счет турбулентной миграции на каплю определяется следующим образом [5]:

П = 1 - exp

А

4utH

wK dK у

(1)

где и[ - коэффициент скорости переноса частиц турбулентной миграции; Н - высота канала, м; wк - относительная скорость капли, м/с; Ик - средний диаметр капли, м.

Значение и^ определяется по следующей зависимости:

+ ut ut = —> u*

где щ - безразмерный эквивалент скорости турбулентного осаждения; и* - динамическая скорость, м/с.

Для расчета и+ получено [5]:

и/= 7,25-10"4К при К < 16,6, (3)

иТ = 0,2 при К > 16,6

К =

три*

Л"1

1+

три*

0,05й

к

(4)

(5)

где Тр - время релаксации, с; vг - коэффициент

кинематической вязкости газа, м2/с.

Время релаксации определяется по следующей формуле:

ТР =

2

й чРч 18Мг

(6)

где йч - диаметр частицы, м; рч - плотность вещества частицы, кг/м3; Рг - коэффициент динамической вязкости газа, Па с.

Среднюю динамическую скорость на капле найдем из приближенного выражения, полученного из уравнения баланса сил:

и* = ^к^ (7)

где ^ - коэффициент гидравлического сопротивления капли [6].

24 4 3

^ + + 0,4 при Яек < 103, (8)

3

^ = 0,44 при Яек > 10

^к йк

где Яек =--число Рейнольдса для капли.

(9)

Средняя скорость капли находится по формуле:

(10)

„ = ,4 (Рч " Рг)gйк

'3 Рг^ ,

где рг - плотность газа, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Выполнены расчеты осаждения частиц на одиночную каплю в воздухе. На рис. 1 представлена зависимость эффективности турбулентной миграции на каплю, рассчитанная по формуле (1), в зависимости от размера частиц. Исходные данные:

V г = 1,5-10 5 м2/с; Н = 0,5 м; йк = 2,6-10 3 м;

Яек = 1400 рч = 103 кг/м3; йч = 10"6 +10"5 м.

Очевидно, что с увеличением диаметра частиц происходит повышение эффективности процесса.

м

Рис. 1 - Зависимость эффективности турбулентной миграции частиц на каплю от размера частиц при Яек=1400

Эффективность полых распыливающих газосепараторов

Рассмотрим полый противоточный распыли-вающий газосепаратор (рис. 2). Газ с твердыми частицами поступает в нижнюю часть аппарата и движется к верху. Навстречу ему движутся капли жидкости, которые захватывают частицы, распределенные в газе.

С,'г

ж

<1 а Е б

МЛ

н

Рис. 2 - Полый распылывающий газосепаратор

Эффективность сепарации в режиме идеального вытеснения определяется по следующей формуле:

Сн " С к ,

П = —-- = 1"ехр

Сн

Уг

(11)

где Г - площадь поверхности капель, м2; Уг - расход газа, м3/с; Сн - начальная концентрация твердой фазы; Ск - конечная концентрация твердой фазы.

Межфазная поверхность связана с удельной поверхностью:

Г = ауБН , (12)

где ау - удельная поверхность капель, м2/м3; £ -

2

площадь поперечного сечения сепаратора, м . Объемный расход запишем в виде:

Уг = £ , (13)

где м'г - средняя скорость газа в аппарате, м/с.

Из (11), (12) и (13) получим эффективность газоочистки:

2

V

г

г

П = 1 - exp

utav Н

(14)

Удельная поверхность находится по известной формуле:

„ = 6?ж

dK wK

(15)

где qж - плотность орошения аппарата, м /(м с).

На рис. 3 и 4 представлены зависимости эффективности сепарации твердых частиц от режимных параметров, рассчитанных по (14). Исходные дан-

-3 3 3

ные: Ик =2,6 • 10 м; рч =10 кг/м ; м'к = 8 м/с;

Н = 0,5 м; vг =1,5 • 10-5 м/с; рг =1,204 кг/м3.

Рис. 3 - Зависимость эффективности очистки от скорости газа для различных значений плотности орошения:

1 - qж = 0,0028 м3/(м2с); 2 - qж = 0,0056 м3/(м2с);

3 - qж = 0,0083 м3/(м2с);

4 - qж = 0,011 м3/(м2с); 5 - qж = 0,014 м3/(м2с)

Видно, что чем больше плотность орошения, тем выше эффективность очистки, однако с увеличением скорости газа процесс сепарации ухудшается.

На рис. 4 видно, что чем выше значения плотности орошения и высоты сепаратора, тем выше эффективность очистки аппарата.

0.5

0.3

0. L 0.0

H^t ifm

fm

1fm

0.004 0.006 0.00 В 0.010 0.012

М3/(м2с)

Рис. 4 - Зависимость эффективности сепарации от плотности орошения для различной высоты аппарата

Выводы

Рассмотрен подход моделирования очистки газов от тонкодисперсной фазы в противоточных аппаратах, построенный с использованием теории турбулентной миграции частиц. Приводится выражение для расчета эффективности турбулентной миграции частиц на каплю, представлены результаты расчетов. Получено выражение для расчета эффективности мокрой газоочистки от дисперсных частиц в полом распыливающем газосепараторе. Представленные выражения используются при проектировании промышленных аппаратов [7].

Литература

1. А.Г. Лаптев, М.М. Башаров, А.Р. Исхаков. Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т.15. №14. С.96-99.

2. А.Р. Исхаков, М.М. Башаров. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2014. № 1-2. С. 20-26.

3. А.Г.Лаптев, А.Р. Исхаков. Инженерно-физический журнал. 2014. Т. 87. № 3. С. 564-569.

4. A.G. Laptev, M.M. Basharov, T.M. Farakhov, A.R. Iskhakov. Advances in Chemical Engineering and Science (ACES), 2014. №. 4. PP. 143-148

5. Е.П. Медников. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М : Наука, 1980.

6. Б.И. Броунштейн, В.В. Щеголев. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах. Л.: Химия, 1988.

7. А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов. Вестник Казанского технологического университета. 2011.№9. С. 152-158.

© А. Г. Лаптев, д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Технология воды и топлива» КГЭУ, tvt_kgeu@mail.ru; А. Р. Исхаков, аспирант той же кафедры, aliskhakov@gmail.com.

© A. G. Laptev, PhD, professor, head of the department "Technology of water and fuel," KSPEU, tvt_kgeu@mail.ru; A. R. Iskhakov, a graduate student of the department «Technology of water and fuel» KSPEU, aliskhakov@gmail.com.

w

Г

v