CC BY
36
Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, Г.А. Кесоян, В.Б. Сажин, А.В. Костылева, Е.С. Бородина,
С.С. Шестаков
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССА АКУСТИЧЕСКОЙ КОАГУЛЯЦИИ НА УЛАВЛИВАНИЕ ПЫЛИ ПРОДУКТА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОАО «РЕАТЭКС»
The given work is devoted to the theoretical analysis of process of acoustic coagulation with reference to technological process распылительной dryings. Process of acoustic coagulation is based that at influence of sound and ultrasonic waves on the industrial gases containing weighed particles, the probability of forma-tion(education) of large units is considerably increased that considerably facilitates the subsequent clearing gases in gasclearing devices. The theoretical substantiation of an opportunity of application of process of acoustic coagulation for increase of efficiency of catching of a product after drying in распылительной to a dryer in shop on manufacture of phosphates on Open Society " REATEKS " is considered. In result it is revealed, that optimum parameters for sound processing are: a level of sound pressure in a range 130 ... 145 dB, frequency of sound fluctuations in a range 900 ... 2000 Gz, time of scoring in a range 1,5 ... 2,5 sek, concentration of a dust in an air stream - not less than 2 g/m3.
Данная работа посвящена теоретическому анализу процесса акустической коагуляции применительно к технологическому процессу распылительной сушки. Процесс акустической коагуляции основывается на том, что при воздействии звуковых и ультразвуковых волн на промышленные газы, содержащие взвешенные частицы, значительно увеличивается вероятность образования крупных агрегатов, что значительно облегчает последующую очистку газов в газоочистных аппаратах. Рассмотрено теоретическое обоснование возможности применения процесса акустической коагуляции для повышении эффективности улавливания продукта после сушки в распылительной сушилке в цехе по производству фосфатов на ОАО «РЕАТЭКС». В результате выявлено, что оптимальными параметрами для звуковой
обработки являются: уровень звукового давления в диапазоне 130_145 дБ, частота звуковых колебаний
в диапазоне 900_2000 Гц, время озвучивания в диапазоне 1,5_2,5 сек, концентрация пыли в воздушном потоке - не менее 2 г/м3.
Рассмотрим режим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, схема которой представлена на рис. 1. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка.
Вывод готового продукта из сушильной установки производится с помощью скребков 7 в приемный короб 8 для готового продукта, а затем в бункер 9 для сбора готового продукта. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны 6, размещенные в стояках 5, и соединенные посредством звукового канала 13 со звуковой колонной 12, причем выход звуковой колонны соединен с общим входом циклонов 6, а в качестве второй ступени очистки воздуха от пыли продукта используется рукавный фильтр 14, связанный через коллектор 15 с общим выходом циклонов. В емкости для исходного раствора предусмотрен смеситель 18 исходного раствора с уловленным продуктом, поступающим из бункеров 10,16,17, что позволяет исключить потери продукта.
Рассмотрим расчет сушилки на примере со следующими техническими условиями на протекание процесса распылительной сушки:
- максимально допустимая температура нагрева в процессе сушки исходного раствора
- 110 °С; часовая производительность по сухому продукту G1=400 кг/час; начальная и
конечная влажность раствора и продукта '1 = 64,3 % и W2 =5 %; начальная температура воздуха перед сушилкой її = 300 °С, температура воздуха за сушилкой 1;2 = 300 °С;
Для сушки используется наружный воздух с параметрами:
^ =-10 °С ; ё0 =1,47 г/кг; ф = 80%; 1о = 1,53 ккал/кг.
2
Рис.1. Схема распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения аствора и теплоносителя: 1-сушильная камера, 2-система воздуховодов для подачи теплоносителя, 3-распыливающее акустическое устройство, 4-корпус сушильной установки, 5-стояки для размещения системы улавливания высушенного продукта, 6-циклон, 7-скребковое устройство, 8-приемный короб для готового продукта, 9-привод скребкового устройства, 10,16,17-бункер для ора готового продукта, 11-емкость для исходного раствора, 12-звуковая колонна, 13-звуковой канал, соединяющий выход звуковой колонны с общим входом циклонов, 14-рукавный фильтр, 15-ллектор, соединяющий общий выход циклонов со входом рукавного фильтра, 18-смеситель исходного раствора с уловленным продуктом.
Рассмотрим применение акустических полей в режимах работы пылеулавливающих устройств. В качестве первой ступени очистки принимаем для пылеотделения циклоны системы НИИОГ АЗ ЦН-11, вход которых соединен с выходом звуковой колонны (рис.2)
Принимаем диаметр циклона 0,52 м. Тогда сопротивление его будет равно
Дрц = £, рг иу2 / 2§ = 105-0,9-3,12/2 • 9,81 = 46 мм вод. ст., где иу - условная скорость воздуха в циклоне, равная 3,1 м/сек.
В качестве второй ступени улавливания пыли продукта используем рукавный фильтр. Выбор вентилятора, подающего воздух в сушилку. Производительность вентилятора
Уї = Ьуо = 8050 • 0,76 = 6120 м3/час, где у0 — удельный объем воздуха при ^ .
Сопротивление фильтра для воздуха 20 мм вод.ст., нагревателя 50 мм вод.ст. и воздуховодов 20 мм вод. ст.
По характеристике (У1=6120 м /час, Др'= 81 мм вод. ст.) выбираем вентилятор серии ВРН № 5; п = 1730 об/мин., Пв = 0,63. Тогда расход электроэнергии будет равен
N2 = Уї Др / (3600-102- V Пп) = 6120-90/( 3600 -102-0,63-0,9) = 2,65 Квт.
Выбор вентилятора, отсасывающего воздух из сушилки. Производительность вентилятора будет равна
Ув = ЬскУ" = 8855 • 1,18 = 10700 м3/час, где у" - удельный объем воздуха при 1;'ск.
Сопротивление сушилки, циклонов, звуковой колонны и воздуховодов при соответствующих температурах равно Ар' = 120 мм вод.ст. Сопротивление системы, отнесенное к 20 °С, равно
Ар = Ар'( 273 + 1' зк) / 293 = 120 (273 + 93 ) / 293 = 152 мм вод.ст.
По конструктивным соображениям устанавливаем два вентилятора.
По характеристике ( У'п = 5350 м3/час и Ар = 152 мм вод.ст.) выбираем вентилятор системы ВРС № 4; п = 1620 об/мин, Пв = 0,57. Расход электроэнергии на два вентилятора составит
N3 = 2У1 Ар' / (3600-102- V Пп) = 2-5350-120 / (3600-102-0,57-0,9) = 6,85 квт.
На рис.2 приведена схема акустического пылеулавливания. Запыленный газовый поток подается через патрубок 10 в акустическую колонку 8, параметры звуковых колебаний которой настраиваются от блока управления 12. В звуковой колонке 8 происходит отделение от воздуха пылевых частиц, так как под действием звукового поля и связанных с ним колебательных процессов, происходящих в воздушной среде, пылевые частицы коагулируются, а крупные частицы оседают вниз колонны, откуда воздушный поток поступает на вторичную очистку в циклоне через воздуховод 9 на ввод 1. Здесь он закручивается за счет тангенциального периферийного ввода и винтообразной крышки 3. Затем направляется по нисходящей винтовой линии вдоль стенок аппарата. В результате чего частицы пыли под действием центробежной силы движутся от центра аппарата к периферии, и, достигая стенок аппарата транспортируются вниз в коническую часть 6 корпуса для сбора уловленной пыли. Очищенный воздух выводится из циклона через выходной патрубок 2. Гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента составляет 15...25 % от гидравлического сопротивления всего аппарата, а материал фильтрующего элемента обладает повышенными звукопоглощающими свойствами.
При воздействии звуковых и ультразвуковых волн на промышленные газы, содержащие взвешенные частицы, можно при определенных условиях добиться такого колебательного движения частиц, при котором значительно увеличивается вероятность столкновения частиц друг с другом, в результате чего частицы слипаются, образуя крупные агрегаты (коагулируют), что значительно облегчает последующую очистку газов в газоочистных аппаратах.
Согласно современным представлениям на взвешенные в газах частицы при воздействии акустических колебаний действуют три основных фактора: совместное колебание частиц и газовой среды, динамические силы между соседними частицами и давление акустической радиации.
В зависимости от условий взвешенная частица либо участвует в колебаниях среды (полностью или частично), либо не участвует вовсе. Оптимальными параметрами для звуковой обработки являются: уровень звукового давления в диапазоне 130.145 дБ, частота звуковых колебаний в диапазоне 900.2000 Гц, время озвучивания в диапазоне 1,5...2,5 сек, концентрация пыли в воздушном потоке - не менее 2 г/м .
Если принять в качестве упрощающего условия, что между взвешенной частицей и колеблющейся средой действуют силы Стокса, то можно записать
РС = ЪПЦг(уг - Уц ) (1)
где уг - скорость газа. Это допущение справедливо для частиц диаметром до 4 мкм и при частотах колебаний до 10 кГц.
При пропускании звуковых волн через объем газа, находящийся в некотором замкнутом сосуде, в последнем устанавливаются стоячие звуковые волны, скорость газа в которых изменяется в соответствии с уравнением
где с - скорость звука; т - угловая частота (т — 2лу, V - частота звука); а - амплитуда звуковой волны.
Рис. 2. Схема акустического циклона с подсоединением акустической колонки к вводу газового потока циклона: 1- входной патрубок, 2- выходной патрубок, 3- винтообразная крышка,
4- выхлопная труба, 5-цилиндрическая часть корпуса, 6- коническая часть корпуса, 7- фильтрующий элемент, 8- акустическая колонка, 9- воздуховод, соединяющий циклон с акустической колонкой, 10- входной патрубок запыленного газового потока, 11- генератор звуковых колебаний,
12-блок управления.
Из выражения (2) следует, что в точках х = 0, пс/т, 2пс/т,..., удаленных друг от друга на расстоянии пс/т = Х/2 (X — длина звуковой волны), скорость уг всегда равна нулю; эти точки называют узлами скорости. Посредине между ними (при х =пс/(2т), Зпс/(2т),...) расположены точки, в которых амплитуда колебаний скорости максимальна; эти точки называют пучностями волны. Таким образом, множитель а/с в уравнении (2) характеризует амплитуду скорости газовой частицы в пучности волны; обозначим его через А. Тогда в целом произведение Ат $1п(т х/с) = Ат*т(2пх/Х) можно рассматривать как амплитуду скорости газа иг в любой точке х, т.е. у = исо*(тт).
Пусть направление звуковой волны совпадает с направлением силы тяжести. Тогда уравнение колебания частицы аэрозоля в акустическом поле имеет вид:
d2 хч
Шч = dz2
(
= (тч - тг )g + 3пцгd4 UГ cos(az) -
dx4
dz
или
t.
dx dx
■ + -
= UГ cos(az) + b
(3)
р ёт2 ёт
где Ь = tрg - (1 - Рг/Рч) = V* (1 - Рч/Рг); ^ =Шч / (Зпрйч) = Рч ёч/(18рг). Решение
уравнения (3) при начальных условиях х = ёх/ ёт = 0 при т = 0 имеет вид
х,
ч Z)= tpg
^ Р ^ 1 -^
V рч J
z — t,
1 - exp
Л
V p J
D
+----1 exp
Ur p
V tP J
+ — sin (az-ф) (4)
a
т
т
dt, м
Рис. 3. Зависимость относительной амплитуды колебаний частицы от ее размера при астоте колебаний среды, равной 1 кГц (1), 5 кГц (2), 10 кГц (3, 20 кГц (4), 50 кГц (5), 100
кГц (6).
В акустическом поле частицы одной и той же пыли колеблются с разными амплитудами и разными фазами. Так, например, при частоте v = 5 кГц капельки воды диаметром менее 1 мкм будут колебаться практически с той же амплитудой, что и газовая среда, тогда как частицы диаметром 10 мкм имеют амплитуду, величина которой составляет 5% от амплитуды колебаний газа. Если увеличить частоту колебаний до 25 кГц, то капельки воды диаметром 1 мкм будут иметь амплитуду, равную приблизительно 90% амплитуды колебаний газа.
В самом деле, согласно данным рис. 3, тяжелые крупные частицы практически не колеблются, но они весьма интенсивно осаждаются. Поэтому, если направление распространения звуковых (или ультразвуковых) волн будет параллельным движению тяжелых частиц, легкие частицы, колеблющиеся вместе с газом, будут непрерывно пересекать траекторию тяжелой частицы, увеличивая частоту столкновений.
Выводы.
Выявлена целесообразность применения акустической коагуляции при модернизации процесса улавливания продукта после сушки в распылительной сушилке на ОАО «РЕАТЕКС». Оптимальными параметрами для звуковой обработки являются: уровень звукового давления в диапазоне 130.145 дБ, частота звуковых колебаний в диапазоне 900.2000 Гц, время озвучивания в диапазоне 1,5.2,5 сек, концентрация пыли в воздушном потоке - не менее 2 г/м3.
Список литературы
1. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия,1984. -320 с.
2. Голубев Л.Г.Сушка в химико-фармацевтической промышленности/ Л.Г.Голубев, Б.С.Сажин, Е.Р.Валашек.- М.: Медицина, 1978. -272 с.
3. Лыков М.В Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик. М.: Машиностроение, 1966.
4. Швыдкий B.C. Теоретические основы очистки газов: Учебник для вузов/ B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий-М.: Машиностроение-1, 2001.-502с.
5. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. - М.: Металлургия, 1988. - 256 с.
