Исследование аэрогидродинамики вихревых контактных устройств для аппаратов очистки газов

Петров В. И.; Махоткин А. Ф.

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОИ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 66.048.37

В. И. Петров, А. Ф. Махоткин ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОГИДРОДИНАМИКИ ВИХРЕВЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ для аппаратов очистки газов

Представлены исследования структуры газового потока, параметров крутки, математическое описание компонент скоростей по зонам вихревого контактного устройства, распределение линий тока внутри контактного устройства. Показана зависимость брызгоуноса от высоты контактного патрубка.

Известно большое количество различных конструкций вихревых контактных устройств (ВКУ), применяемых для проектирования многоступенчатых массообменных аппаратов [1,2]. Наличие у таких контактных устройств завихрителя газового потока позволяет изменять параметры крутки, существенно влиять на гидравлическое сопротивление и унос жидкой фазы. По конструкции завихрители газового потока подразделяются на аксиальные, аксиально-тангенциальные и тангенциальные, по расположению относительно тарелки - над тарелкой и под тарелкой. Для характеристики интенсивности закрутки потока за завихрителем используется несколько безразмерных параметров [3]:

М М * W Р т

Ф = ---------------; Ф * = -----; р = —, (1)

(К 1 + К р )К ^ WX

к к

где К р = 2 Р | Р^Г - интеграл от сил давления; К 1 = 2Р | р W Х^Г - осевая со-

гч

ставляющая потока количества движения; М = 2 р I рWр WxГ2dг - осевая состав-

0

ляющая потока момента количества движения; К - радиус канала; Г - текущий радиус; Р -давление в рассматриваемом сечении; р - плотность воздуха; W 9 W х - вращательная и

осевая составляющие скорости потока.

Нами исследованы распределения компонент скоростей по высоте и радиусу различных контактных устройств. Для каждой зоны получены уравнения распределения осевой, окружной и радиальной скоростей от изменения высоты и радиуса контактного устройства. Зависимости определялись статистическим методом, математическая модель представлена в виде полинома - отрезка ряда Тейлора, в который разлагается неизвестная зависимость. Уравнение регрессии записывается следующим образом:

Wi = Ь0 + Ь1 • Г + Ь2 • И + Ь3 • Г • И + Ь4 • Г2 + Ь5 • И 2 , (2)

где Ь0 , Ь1 5 - коэффициенты уравнения; W | — " относительная компонента

/ вх

скорости; Г — ,И — - относительный радиус и высота ВКУ; Г, И - текущий

/ гвх ' Н

радиус и высота ВКУ, м; ГВХ , Н - радиус и высота исследуемого ВКУ, м.

Численное значение коэффициентов уравнения, определенное для всех трех зон представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные коэффициенты уравнения

Зона Компонента скорости Ьо Ьі Ь2 Ьз Ь4 Ьб

-3,49 11,39 -8,88 24,00 -9,17 -25,68

I wr -6,40 18,06 7,72 -8,82 -14,40 -2,85

W ф -1,98 8,59 -15,63 10,33 -5,27 16,52

-5,99 0,63 44,98 -23,42 4,66 -58,24

II Wr -0,26 4,18 -0,38 5,31 -4,83 -13,48

W ф 7,07 0,28 -47,80 -3,72 -0,06 99,95

1,09 -0,78 -0,84 0,22 -0,0002 0,56

III Wr -0,15 1,91 -2,09 0,30 -1,87 0,42

W ф 1,05 0,32 0,08 0,39 -0,83 -0,27

Для раскрытия сложной картины течения газового потока внутри ВКУ с различной высотой контактного патрубка была рассчитана функция тока, которая находилась интегрированием полей распределения осевой скорости газа.

Зависимость изменения функции тока по высоте и радиусу ВКУ с цилиндрическим патрубком представлена на рисунке 1, где отчётливо видны три зоны течения потока: 1 зона - зона истечения газового потока, 2 - зона формирования потока, 3 - зона установившегося течения газового потока.

Первая зона - область пространства между завихрителем потока и внутренней стенкой контактного устройства, вторая зона - область пространства, находящегося непосредственно за завихрителем потока, третья зона расположена над второй. Высота каждой из исследуемых зон контактного устройства соответственно равна 0,55 й, 0,85 й и более

0,85 й, где й - диаметр контактного устройства.

зг ем со со о оо

г» со-^

С\

ю

со

ООО)

Рис. 1 - Распределение линий тока в ВКУ с цилиндрическим патрубком. Н - высота патрубка; й - диаметр патрубка

Обработка экспериментальных данных проведенного эксперимента позволила получить зависимости параметров крутки по сечению ВКУ с цилиндрическим патрубком. На рисунке 2 представлена зависимость интегрального параметра крутки газового потока по различным сечениям цилиндрического контактного устройства диаметром 140 мм и высотой 400 мм. Из графика видно, что с увеличением высоты контактного устройства параметр крутки уменьшается как в приосевой зоне Г/К=0,2, так и в пристенной области Г/К>0,86 в 3-3,5 раза соответственно. Это явление необходимо учитывать при разработке промышленных колонных аппаратов: так, изменяя высоту контактного патрубка, можно регулировать унос жидкой фазы с нижней ступени на верхнюю ступень аппарата. При разработке промышленных аппаратов необходимо определить влияние высоты контактного устройства на унос жидкой фазы. Результаты исследования относительного уноса жидкой фазы при различных высотах контактного патрубка представлены на рисунке 3.

Рис. 2 - Зависимость изменения интегрального параметра крутки от высоты и радиуса ВКУ: 1 - 0,055 м; 2 - 0,075 м; 3 - 0,090 м; 4 - 0,120 м; 5 - 0,150 м; 6 - 0,300 м; 7 -0,350 м

Д м

Рис. 3 - Зависимость изменения относительного брызгоуноса (кг/кг) от высоты контактного патрубка при скорости газа в выходном сечении W= 13м/с: 1 — 1_=1,33; 2 - 1_=5.0; 3 - 1_=16.0; 4 - Ь=32.0м3/м2ч

Анализ графика показал, что в диапазоне высоты контактного патрубка 0,22-0,27м существует зона минимального брызгоуноса жидкой фазы из ВКУ.

С целью определения оптимальной высоты была проведена оптимизация работы вихревого контактного устройства с цилиндрическим патрубком для многоступенчатых массообменных аппаратов. При этом получили следующие параметры: высота контактного патрубка 0,25 м, расход газа в ВКУ 750 м3/ч. Разработанные оптимальные ВКУ были использованы нами при проектировании промышленного аппарата очистки отходящих газов, содержащих пары и туман азотной кислоты и окислы азота. Данный аппарат внедрён на ФГУП «Котовский завод пластмасс» [4]. Эффективность работы многоступенчатого вихревого аппарата по сравнению с другими представлена на рисунке 4.

100

Л °/°

80

60

40 --------------------------------

20 40 60 НЫ03,80%

Рис. 4 - Сравнение степени газоочистки различных промышленных аппаратов при концентрации СВХ = 8 гр/м3: 1 — вихревой многоступенчатый аппарат г. Котовск; 2 -одноступенчатые вихревые аппараты г. Шостка; 3 - насадочные башни г. Алексин; 4 - безнасадочный абсорбер ОТБ - 40 г. Котовск

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования было выбрано ВКУ, состоящее из патрубков различной высоты, завихрителя потока, расположенного внутри, и отбойника. Исследование структуры газового потока проводили с помощью пятиканального шарового зонда, который был тарирован в аэродинамической трубе.

Литература

1. Махоткин А.Ф. Теоретические основы очистки газовых выбросов производства нитратов целлюлозы. Казань: Изд-во КГУ, 2003. 268 с.

2. Петров В.И., Князев В.Н., Вольперт В.И. // В кн.: Межвуз. сб. науч. тр. Интенсификация химических процессов переработки нефтяных компонентов / Нижнекамск ИПЦ, 1997. С. 104-106.

3. Аэродинамика закрученной струи /Под ред. Ахмедова Р.Б.-М.: Энергия, 1977. 240с.

4. Петров В.И., Балыбердин А.С. и др. // В сб.: матер. докладов Междунар.научно-технич. и метод. конференция «Современные проблемы технической химии». Казань: КГТУ, 2004. С. 161-165.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Петров В. И., Махоткин А. Ф.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Петров В. И., Махоткин А. Ф.

Текст научной работы на тему «Исследование аэрогидродинамики вихревых контактных устройств для аппаратов очистки газов»