CC BY
38
УДК 66.047 (088.8)
О.С. Кочетов, М.Б. Сажина, В.В. Исаев, А.В. Костылева, О.Ю. Дорушенкова, Н.В. Шевченко, В.Б. Сажин
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СКРУББЕРА С АКУСТИЧЕСКИМИ ФОРСУНКАМИ ВО ВТОРОЙ СТУПЕНИ УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛИ ПРОДУКТА В ПРОЦЕССАХ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ
In work calculation of a scrubber with acoustic atomizers in the second step of catching of a dust of a product in processes распылительной dryings is submitted. The technique of construction of process of drying on I-d to the diagram is considered on an example of a mode of the dryer working by a principle of a parallel current of movement of a solution and the heat-carrier. The effect of work of acoustic system which is based that at resonant concurrence of own and stimulating frequencies, amplitude of speed of fluctuation of air in a mouth of the resonator is considered, sharply grows, causing significant increase of capacity of a falling sound wave. A film of the liquid overlapping an output(exit) dusting of the agent from the generator of sound fluctuations, decreases under influence of acoustic fluctuations of air on fine drops therefore the torch the finely dispersion sprayed solution with air is formed.
В работе представлен расчет скруббера с акустическими форсунками во второй ступени улавливания пыли продукта в процессах распылительной сушки. Методика построения процесса сушки на I-d диаграмме рассмотрена на примере режима сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя. Рассмотрен эффект работы акустической системы, который основан на том, что при резонансном совпадении собственной и возбуждающей частот, амплитуда скорости колебания воздуха в горловине резонатора, резко возрастает, вызывая значительное возрастание мощности падающей звуковой волны. Пленка жидкости, перекрывающей выход распыливающего агента из генератора звуковых колебаний, дробится под воздействием акустических колебаний воздуха на мелкие капли, в результате чего образуется факел мелкодисперсного распыленного раствора с воздухом.
Рассмотрим расчет скруббера с акустическими форсунками во второй ступени улавливания пыли продукта на примере режима 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. В качестве распыливающего устройства используется механическая центробежная 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, а окончательная очистка его производится в мокром скруббере 12, который орошается раствором, подаваемым насосом из емкости 11. В качестве распыливающих устройств скруббера используются акустические форсунки, конструкция которых представлена на рис.2. В скруббере происходит предварительное сгущение раствора до требуемой влажности. Отработанный и очищенный теплоноситель выбрасывается в атмосферу, а сгущенный раствор поступает в емкость 11, и после перемешивания его с исходным раствором поступает в диспергатор 3.
Акустическая форсунка в системе орошения мокрого скруббера работает следующим образом. Распыливающий агент (рис.2), например воздух, подается по штуцеру 3 в коллектор 2, связанный через отверстия 4 с полостью 5, которая выполнена в виде усеченного конуса. Акустические колебания распыливающего агента способствуют более тонкому распыливанию раствора, подаваемого в распределительную головку 7 через полый стержень 6, из которой раствор подается в виде пленки жидкости, пере-
крывающей выход распыливающего агента из генератора звуковых колебаний, образованного резонатором 8. Эта пленка дробится под воздействием акустических колебаний воздуха на мелкие капли, в результате чего образуется факел распыленного раствора с воздухом, корневой угол которого определяется величиной угла наклона конической поверхности крышки распределительной головки 7.
Физический эффект работы акустической системы основан на том, что при резонансном совпадении собственной и возбуждающей частот амплитуда скорости колебания воздуха в горловине резонатора, резко возрастает, вызывая значительное возрастание мощности падающей звуковой волны (эффект резонатора Гельмгольца) [5].
Максимальное увеличение энергии для резонатора будет наблюдаться на резонансной частоте :
гр = 0Мк / V)0,5 / п , (1)
где кр - проводимость отверстий, соединяющих резонаторную камеру объемом Vр (м3);
кр = %„ + 0,8,/4) ' (2)
где п - количество отверстий; So - площадь одного отверстия диаметром do, м ; /отв
- глубина отверстия, м.
При этом частота акустических волн, излучаемых резонатором лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек.
Расчет параметров скруббера начнем с построения 1-ё диаграммы на примере со следующими техническими условиями на протекание процесса сушки (рис.4):
- максимально допустимая температура нагрева в процессе сушки исходного раствора
- 110 °С; часовая производительность по сухому продукту 01=400 кг/час; начальная и конечная влажность раствора и продукта = 64,3 % и =5 %; начальная температура воздуха перед сушилкой ^ = 300 °С, температура воздуха за сушилкой 1;2 = 300 °С;
Для сушки используется наружный воздух с параметрами: ^ =-10 °С ; ёо =1,47 г/кг; ф = 80 %; 1о = 1,53 ккал/кг.
Начальная точка В процесса сушки будет иметь параметры 1^=300 °С и ё1 = ё0 =1,47 г/кг (рис.4). Оценим количество подсасываемого воздуха на тракте от сушилки до вентилятора величиной 10 %; тогда количество воздуха, проходящего через скруббер, равно
Ьск = 1,1Ь = 1,1-8050 = 8855 кг/час.
Параметры воздуха, подсасываемого из помещения цеха:
Го = 20 °С; ф'о = 80 %, ё'о = 12 г/кг. Из построения на диаграмме 1-ё процесса смешения отработанного воздуха сушилки и воздуха из помещения цеха находим параметры воздуха перед скруббером, которые будут: ё'ск = 64 г/кг, 1'ск = 93 °С (точка М, рис. 4).
Строим действительный процесс сгущения раствора в скруббере, который, согласно расчету аналогичного процесса сушки, выражается линией ММ'. При определении конечной точки процесса исходим из относительной влажности воздуха за скруббером ф"ск= 60 %. Параметры воздуха в точке М' будут: ё"ск = 77 г/кг, 1"ск = 62 °С. Количество испаряемой влаги в скруббере
^^ж = Ьск /1000 (ё"ск - ё'ск) = 8855 / 1000(77 - 64) = 115 кг/час. (3)
Влажность раствора после скруббера
= (О1 - Осух - ^^к ) / (Сх - ^^к )100 = (1065 - 380 - 115 ) / (1065 - 115 ) -100 = 60 %, что соответствует принятой ранее величине влажности раствора перед сушилкой. Понижением влажности раствора за счет улавливания пыли продукта из воздушного потока пренебрегаем.
Рис.1. Схема распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя: 1-сушильная камера, 2-система воздуховодов для подачи теплоносителя, 3-распыливающее 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-бункер для сбора готового продукта, 11-емкость для исходного раствора, 12-скруббер.
При соответствующей изоляции сушилки принимаем потери тепла в окружающую среду равными д5 = 60 ккал/кг, тогда суммарные потери тепла составят
Д= и1- дм - = 48 - 11,7 - 60 = 23,7 ккал/кг.
Теперь для построения действительного процесса сушки на диаграмме 1-ё определим отрезок Ее (см. рис.4): Ее = еГ •Д /т = 100-(-23,7)/500 = - 4,8 мм и из точки В через точку Е проведем прямую линию до пересечения с 1;2 =100 °С, и получим влагосо-держание отработанного воздуха ё2=70 г/кг.
Подсчитаем расход сухого воздуха на 1 кг испаренной влаги
/ = 1000/ (ё2 - ё1) = 1000/( 70 - 1,47 ) = 14,6 кг/кг. (4)
При этом часовой расход сухого воздуха составит:
Ь = /^ = 14,6-550 = 8050 кг/час. Удельный объем влажного воздуха, отнесенный к 1 кг сухого воздуха, равен
У0 = 4,64-10-6 (622 + ё)(273 + 1), (5)
3 8
причем на входе в сушилку и'0 =1,65 м /кг, а на выходе из сушилки и"0 =1,19 м /кг.
В первый период сушки температура поверхности равна температуре мокрого термометра, т. е. ип = 1м ~ 53 °С. Этот период продолжается до тех пор, пока влажность частиц не станет равной гигроскопической, т. е. для данного раствора ■гс = 40 % (влажность, отнесенная к абсолютно сухому весу).
Исходя из скорости воздуха в скруббере иск = 1 м/сек, определяем диаметр скруббера
Бск= V( ЬскУск /(0,785 • 3600- иск ) = V (8855-1,085 / (0,785-3600-1) = 1,84 м. (6)
Скруббер работает с рециркуляцией раствора из расчета, чтобы плотность оро-
2
шения составляла А = 3 т/м час.
Количество распыливаемого раствора
Ор = А(7гБс/)/4 = 3(3,14-1,84 )/4 = 7,92 т/час = 7920 кг/час.
(7)
Исходный раствор
Сжатый воздух
Рис. 2. Схема акустической форсунки: 1-корпус, 2-коллектор, 3,9-штуцер, 4-дроссельное отверстие, 5-полость, 6-полый стержень, 7-корпус распределительной головки, 8-торцевая выточка, 10-демпфирующая полость, 11-калиброванные отверстия.
Влажность раствора перед скруббером
-ск =( О^1 + (Ор - СО -1')/ Ор = (1065^64,3 + (7920 - 1065>60)/7920 = 60,7%. В скруббере устанавливаем четыре акустические форсунки тонкого распыла (рис.2). Распыление производится при давлении 3,0 ати. Принимая соответствующие размеры форсунки, при которых коэффициент расхода составляет ц =0,5, определим диаметр выходного сечения форсунки:
5ф = V (Ор /(4-0,785-3600-ц р'р )) = V (7920 / (4Ю,785в600^^2^,8Ь340/Ч100)) =
=0,7440-2 м = 7,4 мм.
Объем скруббера Уск = 0 ск / (ауск Аг ср) = 66000/(235 -25,5) ~ 11 м3 Рабочая высота скруббера
Н ск = Уск / Ьск = 11,0/2,64 = 4,17 м. (8)
Из построения на диаграмме 1-ё процесса смешения отработанного воздуха сушилки и воздуха из помещения цеха находим параметры воздуха перед скруббером,
которые будут: ё'ск = 64 г/кг, 1;'ск = 93 °С (точка М). Строим действительный процесс сгущения раствора в скруббере, который, согласно расчету аналогичного процесса сушки, выражается линией ММ'. При определении конечной точки процесса исходим из относительной влажности воздуха за скруббером фск" = 60 %. Параметры воздуха в точке М' будут: ё"ск = 77 г/кг, 1"ск = 62 °С.
Количество испаряемой влаги в скруббере
^^ж = Ьск/1000 (ё"ск - ^ск) = 8855 / 1000(77 - 64) = 115 кг/час. (9) Исходя из скорости воздуха в скруббере иск = 1 м/сек, определяем диаметр скруббера
Бск= V ( ЬскУск /(0,785 - 3600- иск ) = V (8855-1,085 / (0,785-3600-1) = 1,84 м. (10) Скруббер работает с рециркуляцией раствора из расчета, чтобы плотность орошения составляла А = 3 т/м час.
Распыление производится при давлении 3,0 ати. Принимая соответствующие размеры форсунки, при которых коэффициент расхода составляет ц =0,5, определим диаметр выходного сечения форсунки:
5ф = V (Ор /(4-0,785-3600-ц -^Др р'р )) = V (7920 / (4-0,785-3600-0,542-9,81-3-104-1100)) =
=0,74-10-2 м = 7,4 мм.
Объем скруббера
Уск = 0 ск / (ауск Д1 ср) = 66000/(235 -25,5) ~ 11 м3 Рабочая высота скруббера
Н ск = Уск / Рск = 11,0/2,64 = 4,17 м. (11)
Выводы.
В работе представлен расчет скруббера с акустическими форсунками, эффект работы которых основан на том, что при резонансном совпадении собственной и возбуждающей частот, амплитуда скорости колебания воздуха в горловине резонатора, резко возрастает, вызывая значительное возрастание мощности падающей звуковой волны. При этом пленка жидкости, перекрывающей выход распыливающего агента из генератора звуковых колебаний, дробится под воздействием акустических колебаний воздуха на мелкие капли, в результате чего образуется факел мелкодисперсного распыленного раствора с воздухом, и повышается скорость сушки на 10 %.
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.: Машино-строение,1966.
4. Повышение эффективности технологических процессов в поле акустических колебаний. Научн.тр.МИСиС. М.:Металлургия,1981.Под ред.Н.Н. Хавского.
5. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. М.:Наука, в 3-х кн. Книга 3: Физические основы ультразвуковой технологии, 1970, гл. 9 и 10.
6.Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985.
7. Чунаев М.В. Разработка метода и рациональной схемы комплексной обработки воздуха для повторного использования тепла/ М.В. Чунаев, Б.С.Сажин, О.С.Кочетов, В.Б.Сажин.// Успехи в химии и химической технологии. Т. XIX, № 10 (58), 2005.- С. 106...109.
