CC BY
42
УДК 66.074
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ ЗАПЫЛЕННЫХ ГАЗОВ В НАСЫПНЫХ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРАХ
Н.М. Самохвалов1, Е.В. Скачков2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрен метод оценки эффективности очистки запыленных газов в насыпных зернистых фильтрах на основе вероятностной модели процесса фильтрования с закупориванием пор. Выявленные закономерности позволили разработать методику проектного расчета различных конструкций зернистых фильтров периодического и непрерывного действия с высокой эффективностью очистки и энергетически выгодными условиями фильтрования. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: фильтрование; запыленный газ; очистка; задержка; процесс; эффективность; зернистый фильтр; фактор стационарности; время пребывания.
TREATMENT EFFICIENCY OF DUSTY GASES IN BULK GRANULAR FILTERS N.M. Samokhvalov, E.V. Skachkov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors deal with the assessment method of the treatment efficiency of dusty gases in bulk granular filters based on the probabilistic model of the filtration process with pore blocking. Revealed regularities allow to develop the procedure for design calculation of various structures of granular filters of periodic and continuous operation with high treatment efficiency and energetically profitable filtration conditions. 4 sources.
Key words: filtering; dusty gas; treatment; delay; process; efficiency; granular filter; factor of stationarity; residence time.
Способность фильтрующей перегородки задерживать пыль можно оценивать показателем эффективности (степени) очистки п или коэффициентом проскока пыли К. Эффективность очистки - это отношение количества (массы, объема) уловленной пыли к общему её количеству (массе, объему), поступившему в аппарат. Она может выражаться в долях или процентах. Эффективность очистки можно выразить через
значения входной свх и остаточной сжт запыленно-стей газового потока:
п = 1 - с / с ,
/ ост вх '
а коэффициент проскока
К Сост / Свх .
В [1] рассмотрена вероятностная модель процесса фильтрования при закупоривании пор на основе задержки одной частицы единицей толщины слоя. Вероятность такой задержки выражается зависимостью
к=-^*О, (1)
Жос дт
где О - задержка пыли; Wо - скорость фильтрования, м/с; с - объемная концентрация пыли в потоке, м3/м3; т - продолжительность процесса фильтрования, с.
На основе баланса задержки по твердой фазе в элементе слоя ёк за время т получены следующие
уравнения, описывающие процесс фильтрования с закупориванием пор:
' д с Л
- = - kc ; (2)
v дh JT
V д h J
= - кв .
(3)
Вероятность задержки по уравнению (1) отражает осаждение одной частицы. Фактически же на вероятность задержки влияют и другие уже осевшие частицы. Замечено, что с течением времени передвижение фронта пыли замедляется. То есть фактически вероятность задержки к является функцией задержки:
к = коу(О). (4)
Одной из математических форм функции ср(О) является закон линейного уменьшения
ср(О) = 1 -О/О_, (5)
где Отсв. - максимальная задержка. Она может быть
определена из условия, что вся доля свободного объема фильтрующего слоя занята частицами, когда е = 0 . Таким образом, учитывая, что задержка определяется величиной О = т(ео -е) , максимальная задержка составит
1Самохвалов Николай Митрофанович, кандидат технических наук, профессор кафедры химической технологии неорганических веществ и материалов, тел. (3952) 405497, e-mail: gfmnlk@gmail.com
Samokhvalov Nicholay Mitrofanovich, Candidate of technical sciences, professor of the chair of Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials, tel.: (3952) 405497, e-mail: gfmnlk@gmail.com
2Скачков Евгений Васильевич, аспирант.
Skachkov Yevgeny Vasilievich, postgraduate student.
в = те ,
тпх п >
(6)
где е - доля свободного объема чистого зернистого
3 3
слоя, м /м .
Решив совместно уравнения (2) и (3), выражая из них вероятность задержки к и приравнивая полученные значения, получим
1 (дс Л 1 (дв
с
Удк л
в
дк
Для толщины зернистого слоя СЛ и текущего момента времени Ст получим
г йе г йв
' ~с ~ Гв
После интегрирования данного уравнения имеем 1пе = 1пв + С, где С - константа интегрирования, которая определяется соотношением
С = 1п(Сх /в„).
Тогда будет справедливо равенство
= в
е ~ в '
вх вх
Здесь вх - задержка пыли на входе в зернистый
слой, которую можно найти на основе уравнений (1) и (4) при условии, что толщина фильтрующего слоя равна нулю. Для к = 0 уравнение (1) примет вид
к (в ) 1 двх
коР(ввх )=•
За отрезок времени йт коР(ввх )йт =
1
дт
дв„.
или
йвх
Кевх дт = к Же йт .
йт
о о вх
Р(в)
В соответствии с уравнением (5) заменим р( вх )
на 1 -вх /вт
симость:
и проинтегрируем полученную зави-
х-= к0Жоевх Гйт
J 1 -в ¡в 0 0 1 .
0 вх' тах 0
После интегрирования получим
в =в (1- е~(коЖоСвхТ/втах) ) вх тах у ).
В уравнении (7) ко, Жо, свх и втах являются постоянными величинами. Тогда отношение втах /(коЖоевх) тоже будет постоянной величиной и
иметь размерность времени. Она является константой времени для фильтрующей перегородки:
т„ =•
вт
кЖе
(8)
Величина 1 / ко в уравнении (8) имеет размерность длины и по физическому смыслу может быть только толщиной фильтрующего слоя Н. С учетом уравнения (6) уравнение (8) примет вид
тс =
ео тН Ж с
о вх
(9)
а уравнение (7) -
в = те(1- в~т'тс)
вх о \ I
Решение дифференциального уравнения (3) при условии, что к = кор(в) , приводит к зависимости, которая определяет профили задержки пыли от значений т / те [2]:
в = вт
1 - е
т/ тс
т / тс
к
(10)
1 - е" 'с - е"
где Л - глубина продвижения фронта пыли в зернистом слое.
В [1] установлена связь задержки с эффективностью очистки п :
в = ЛевхЖот/ Н.
Используя эту зависимость в уравнении (10), получим вероятностную математическую модель эффективности очистки на основе задержки
Пв
тс
(1 - ^^ )
(11)
_ Л т / тс кок\ .
т - е с - е о ) В уравнении (11) т это продолжительность периодического процесса фильтрования. Для непрерывного процесса т - это длительность межрегенераци-онного цикла. Известно [3, 4], что процесс очистки запыленных газов в зернистых фильтрах делится на два периода - стационарный и нестационарный. В стационарном периоде осаждение пыли происходит в начальный период в незапыленном зернистом слое. В этом периоде эффективность очистки и гидравлическое сопротивление слоя изменяются незначительно. В [4] предложен показатель, с помощью которого определяется стационарность процесса фильтрования. Таким показателем является фактор стационарности
К- =тпр / т, (12)
где т - время пребывания запыленного потока в
(7) зернистом слое,
тпр = Не0 /Ж0.
(13)
Установлено, что для высокоэффективной очистки (П > 98%) необходимо, чтобы длительность межреге-нерационного цикла определялась отношением
т= (тпр / К;).
Г
г
Однако Kf должно быть больше Кгр , а время
/гр
пребывания тпр должно быть не меньше критического времени пребывания ткр . К/гр - это значение фактора стационарности, который соответствует началу нестационарного периода фильтрования [4]. Под критическим временем пребывания следует понимать продолжительность процесса фильтрования, равную времени пребывания запыленного потока в зернистом слое, при котором обеспечивается требуемая эффективность очистки. Критическое время пребывания можно выразить из комплекса отношения критериев
Стокса
Stk = Ж52рп /(18/3)
Галилея
Ос = g5ър2г / / и Струхаля $к = У?т/И
Бгк
Кт =
1 / Н рп
, (14)
Ос • 8И 18 gт рг ёз 5 где / - динамическая вязкость газа, Па-с; рг рг -плотность газа, кг/м3; ёз - диаметр зерен фильтрующего слоя, м; рп - плотность пыли, кг/м3; 5 - размер улавливаемых частиц, м.
Этот комплекс характеризует соотношение сил в процессе осаждения под действием сил инерции, трения и тяжести, которые действуют на частицы при фильтровании, с учетом стационарности процесса.
Если продолжительность фильтрования будет равна времени пребывания запыленного потока в зернистом слое, то это будет соответствовать максимальной эффективности очистки при заданных условиях фильтрования. В этом случае время пребывания будет являться критическим ткр.
Выразим из уравнения (14) время, которое соответствует критическому времени пребывания:
т=/Нр
кр ЩКт рР ё 5
Используя многочисленные экспериментальные данные по очистке воздуха запыленного смолой поли-винилхлорида, гипохлоритом кальция, персолью, кристаллическим кремнием, цементом, угольной пылью, зернистыми слоями полимерных материалов и гравийного песка в широком диапазоне изменения скоростей фильтрования, запыленностей газового потока и толщин зернистого слоя, получено, что для обеспечения эффективности очистки свыше 98% Кт = 5,76 . Тогда
Ткр = 9,83 • 10-
/нРп
р1 ёАо
(15)
где 550 - медианный размер частиц пыли, м.
Граничное значение фактора стационарности рассчитывается по уравнению [4]:
КГгр = 3-10-12рп /550. (16)
Предложено при расчете зернистых фильтров принимать тпр = 1,5ткр, а граничное значение фактора стационарности для фильтров с неподвижной зернистой средой
К/ =1'2К/гр ,
для зернистых фильтров с движущейся средой
К/ = 2 '5 К/гр ,
а для фильтров с вращающейся насадкой
К/ = 12К/гр .
Анализ экспериментальных данных показал, что уравнение (11) справедливо для стационарного периода процесса фильтрования, а также для случая, когда время пребывания запыленного потока в зернистом слое больше критического. Для других условий уравнение для расчета эффективности очистки должно иметь вид
П = По[1 - К у (т / Тпр )п]. (17) где Цв - эффективность очистки, определяемая задержкой в соответствии с уравнением (11); Ку - коэффициент уноса пыли, который зависит от свойств улавливаемых частиц, влияющих на унос пыли; п -показатель степени, определяющий степень влияния фактора стационарности на унос пыли.
Коэффициент уноса пыли предложено определять как соотношение факторов, удерживающих пыль в слое и облегчающих вторичный унос пыли. В качестве таких факторов были приняты аутогезионная прочность пылевого слоя Ра, медианный размер 550,
насыпная плотность рнп и сыпучесть ао пылевых частиц.
Используя метод анализа размерностей и результаты экспериментальных исследований, можно предложить коэффициент Ку для неподвижного зернистого слоя рассчитывать по уравнению
Ку = 2, 06 • 10-4 Рт /(5Ъ0ррнпg • tgao), (18) а для движущейся зернистой среды
Ку = 3,09Л0-Рт /(5р&^а0). (19)
Здесь показатель т определяется в зависимости от значений Ра (если Ра < 60 Па, то т = 1; если 60 Па < Ра < 120 Па, то т = 0,8; если Ра > 120 Па, то т
= 0,7); д - ускорение свободного падения, м/с, tgao -
тангенс угла естественного откоса пыли.
Расхождение опытных и расчетных коэффициентов Ку не превышало ± 20%.
Показатель степени п в уравнении (17) на основе обработки результатов многочисленных экспериментальных исследований пылеочистки воздуха от различной пыли предложено принять равным 0,05. Таким образом, уравнение (17) принимает вид
п = пв[ 1 - Ку (т/Тпр )0 05 ].
4
Константа времени фильтрующей перегородки тс по уравнению (9) с учетом уравнения (13) будет выражена зависимостью
т = тт / с .
с пр вх
С учетом уравнение (12) константа времени примет вид
тс = ттКf/ с„ ,
а отношение длительности межрегенерационного цикла к константе времени фильтрующей перегородки можно выразить величиной
т/тс = свх /(тК/) .
Тогда уравнение (11) примет вид
m К
Пв =
f
1 — еСвх/mK f
1 - е
Csx/ mK f
- e
h/Н
Это уравнение подтверждает связь эффективности очистки с фактором стационарности, которая установлена в [1, 4].
На основе выявленных закономерностей улавливания пыли зернистой средой разработана методика проектного расчета зернистых фильтров, которая позволяет получить оптимальные размеры аппарата и параметры процесса фильтрования. Эти параметры обеспечивают протекание процесса фильтрования в стационарном периоде, а следовательно, высокую эффективность очистки и энергетически выгодные условия с точки зрения гидравлического сопротивления. Эту методику можно использовать для расчета фильтров как периодического, так и непрерывного действия, с неподвижной и подвижной насадкой.
Исходными данными для расчета являются объемная производительность фильтра по очищаемому
газу V , плотность газа рг, остаточная запыленность сост, входная запыленность свх, температура потока, характеристики пыли (медианный размер 350, дисперсия а2, насыпная рнп и кажущаяся рп плотности, угол естественного откоса ао, аутогезионная прочность пылевого слоя Ра, удельная поверхность пыли /п, порозность пыли т и зернистого материала (удельная поверхность / и доля свободного объема ео, насыпная рнз и кажущаяся рз плотности,
диаметр зерен йз).
Расчет зернистых фильтров ведется в следующем порядке. На основе исходных данных определяется эффективность очистки
п = 1 - с / с .
/ ост вх
Определяется толщина фильтрующего зернистого слоя (м). Для аппаратов с неподвижным или вращающимся слоем по - уравнению
Н = 0,008( п - 90)/ ео + 0,05, для аппаратов с движущимся слоем по - уравнению
Н = 0,008(П-90)/so + 0,1.
Рассчитывается критическое время пребывания из уравнения (15)
tkv = 9,83-10-
уНрп
PI dß50
и граничное значение фактора стационарности по уравнению(16)
Кгр = 3-10-12 рп / s50.
Определяется продолжительность цикла фильтрования для зернистых фильтров: с неподвижной насадкой т = 1,25(ткр / Kfp );
с рециркулируемой насадкой т = 0,6(ткр /Kfp);
с вращающейся насадкой т = 0,125(ткр / Kfpp ).
На основе критического времени пребывания принимается время пребывания запыленного газа в зернистом слое тпр = 1,5т и определяется константа времени фильтрующей перегородки т =тт /с .
с пр вх
По значению тс определяется скорость фильтрования
Wo = mSoH /(тсСх ).
Рассчитывается величина задержки
e = ncexW0z/ Н.
Находится скорость перемещения фронта пыли Uf = W0Cx / в.
Определяется глубина перемещения фронта пыли в зернистом слое
h = Dj-т .
Рассчитывается доля свободного объема зернистого слоя, соответствующая продолжительности цикла фильтрования:
s = s0 -в/m.
Уточняется значение фактора стационарности Kf = uf Hs /(Woh ).
Определяется эффективность очистки п. Если Kf)Кгр, а тпр > ткр , эффективность рассчитывается по уравнению
mK f
П = Пв =
1 - е
Свх / mKf
Сх / mKf
Свх 1 - е""......I- e
h/Н '
Если К/ < Кгр , а тпр {ткр , то эффективность рассчитывается по уравнению
п = пв[ 1 - Ку (т/тпр )0 05 ].
Коэффициент уноса пыли Ку рассчитывается для неподвижного и вращающегося слоя по уравнению (18):
Ку = 2,06-10-4Рпа/(5ърнпg• tgao), а для движущейся зернистой среды по уравнению (19)
вх
К у = 3,09
10-4 pm
'(S50PHnS'tg^a ) .
Сравнивается рассчитанная эффективность очистки с заданной. Если расчетная эффективность меньше заданной на величину более чем 5% , принимается новое значение времени пребывания тПр = (1,5 + 0,1)тКр .
С учетом этого определяются новые величины константы фильтрующей перегородки т и скорости
фильтрования Жо. Это повторяется до тех пор, пока
не будет достигнута необходимая сходимость заданной и расчетной эффективностей очистки.
После этого проводится расчет поверхности фильтрования, основных габаритных размеров зернистого слоя и конструктивных размеров фильтра и его элементов, размеры и показатели работы регенерирующих устройств. Определяется гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя и давление продувочного или транспортирующего воздуха.
Библиографический список
1. Самохвалов Н.М., Скачков Е.В., Сенотова С.А. / Моделирование процесса фильтрования с закупориванием пор // Вестник ИрГТУ. 2009. № 2. С. 181-185.
2. Романков, П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. Изд.2-е, перераб. и доп. Л.: Химия, 1974. 288 с.
3. Мазус, М.Г., Мальгин А.Д., Моргулис М.Л. Фильтры для улавливания промышленных пылей. М.: Химия, 1985. 240 с.
4. Самохвалов Н.М., Скачков Е.В. Гидродинамика и эффективность улавливания пыли в зернистых фильтрах // Химическая промышленность сегодня. 2009. № 6. С. 49-55.
УДК 542.971.3
ИЗОМЕРИЗАЦИЯ Н-ГЕКСАНА НА ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ ЦЕОЛИТНЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ
С.А. Скорникова1, Т.П. Киселева2, М.И. Целютина3, И.Д. Резниченко4
1Иркутский государственный технический университет, Физико-технический институт, 664074, г.Иркутск, ул. Лермонтова, 89.
2ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза», 665830, г. Ангарск.
Изучена реакция изомеризации н-гексана при температуре 240-3200С на платиносодержащих катализаторах на основе цеолитов разных структурных типов: бета (ВЕА), ZSM-12, ZSM-5, MOR. Показано, что активность и селективность катализаторов в изомеризации н-гексана определяются технологическими параметрами проведения реакции и молекулярно-ситовыми свойствами цеолитов. Природа носителя и его количество оказывают существенное влияние на селективность процесса изомеризации н-гексана. Табл. 5. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: цеолиты; катализ; платина; гидроизомеризация
ISOMERIZATION OF N-HEXANE ON PLATINUM ZEOLITE CATALYSTS S.A. Skornikova, T.P. Kiseleva, M.I. Tselyutina, I.D. Reznichenko
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074. PC Angarsk Factory of Catalysts and Organic Synthesis, Angarsk, Irkutsk region, 665830.
The authors study the n-hexane isomerization reaction at a temperature of 240-320°С on the platinum catalysts based on zeolites of different structural types: beta (BEA), ZSM-12, ZSM-5, MOR. It is shown that the activity and selectivity of catalysts in the isomerization of n-hexane are determined by the technological parameters of the reaction and molecular-sieve properties of zeolites. The nature of the media and its quantity have a significant influence on the selectivity of the isomerization of n-hexane. 5 tables. 5 sources.
Key words: zeolites; catalysis; platinum; hydroisomerization.
1Скорникова Светлана Афанасьевна, кандидат химических наук, доцент кафедры квантовой физики и нанотехнологий, тел.: (3952) 405743, e-mail: zeolite@mail.ru
Skornikova Svetlana Afanasievna, Candidate of Chemistry, associate professor of the chair of Quantum Physics and Nanotechnolo-gies of Physicotechnical Institute, tel.: (3952) 405743, e-mail: zeolite@mail.ru
Киселева Татьяна Петровна, инженер оАо «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза». Kiseleva Tatiana Petrovna, engineer.
3Целютина Марина Ивановна, зам. директора по науке ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза». Tselyutina Marina Ivanovna, Deputy Director for Science.
4Резниченко Ирина Дмитриевна, генеральный директор ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза», тел.: (3951) 578953.
Reznichenko Irina Dmitrievna, Director General, tel.: (3951) 578953.
