CC BY
2
УДК 66.021.1
Б01: 10.15587/2313-8416.2018.146844
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ВЛОВЛЮВАННЯ В ЦИКЛОННОМУ АПАРАТ1 НОВО1 КОНСТРУКЦП
© В. В. Новодворський, А. Р. Степанюк
Запропонований циклон суттево тдвищуе ефективтсть пиловловлювання композитного забруднення, яке складаеться з твердих частинок та водяног пари, та сприяе зменшенню температури в апаратi. Проведено лтературний огляд i визначено, що було до^джено ранiше i що авторами не було дослi-джено сукупного вловлювання. Було вiдiбрано проби пилу, що вловлено та проведено визначення фрак-цшного складу
Ключовi слова: пиловловлювач, полiдисперсний пил, апарат, очищення повтря, циклон, сепаратор, тверда частинка
1. Вступ
Циклони е найбшьш широко використовува-ним встаткуванням в промисловосп для пиловловлювання. Ц апарати працюють за рахунок вщцент-рово! сили, щоб вщокремити твердi частинки ввд га-зоподiбних потошв. Основними перевагами циклошв е простота виготовлення, вiдсутнiсть рухомих деталей, ввдносно невеликий гiдравлiчний опiр i велика продуктивнiсть [1].
2. Лггературний огляд
Незважаючи на те, що циклони користуються популярнютю в сучасних технолопях, промисловос-п, пiдвищення ефективностi вловлювання дрiбних часток е доа складною задачею.
Авторами [2, 3] виконаш дослiдження, яш виявили вплив завантаження частинок у дiапазонi вiд 1,6 г/м3 до 115,3 г/м3, швидкостi подачi газу та ефектившсть роздiлення. Авторами [4] дослвджено вплив тиску та застосування декшькох циклонiв i залежнiсть ефективносп вловлювання вiд цих па-раметрiв. Авторами [5, 6] було розв'язано актуаль-ну науково-технiчну задачу побудови математич-них моделей полiдисперсного багатофазового потоку та дослвджено процес коагуляцп. Авторами [7] виявлено вплив температурного поля на конце-нтращю дисперсно! фази.
Виконано порiвняльний аналiз [8] моделей з рiзними значеннями конструктивного параметра h, що представляе собою найкоротшу вiдстань мiж вну-трiшньою обичайкою елемента i його зовшшньою стiнкою, вимiряний в площиш симетрii, було встано-влено, що оптимальним значенням даного параметра е ^7,5 мм, оскiльки в дiапазонi початкових швидко-стей 15 ... 30 м/с для частинок дiаметром 10-6 ... 10-5 м воно дае найбшьший сумарний коефiцiент уловлю-вання при допустимих значеннях гвдродинашчного опору. Авторами [9] виконанi дослщження щодо ощ-нювання витрат.
В лiтературi не наведено способiв одночасного вловлювання високодисперсних твердих частинок та парiв води, тому було запропоновано циклон який пiдвищуе ефективнiсть пиловловлювання композитного забруднення, що складаеться з твердих частинок та водяно! пари, та сприяе зменшенню температури в апарап [10].
3. Мета та задачi дослвдження
Метою роботи е моделювання пиловловлювання композитного забруднення, яке складаеться з твердих частинок та водяно! пари та зменшення температури в апарап для частково! конденсаци парово! фази.
Для досягнення мети були поставленi наступнi
задача
- обгрунтувати фiзичну модель процесу вида-лення композитних забруднень в циклонному апарап та пiдiбрати математичну модель;
- визначити залежнiсть ефективно! в'язкостi вiд швидкостi зсуву та надати рекомендацii щодо проектування циклонного апарату запропоновано! конструкцii.
4. Матерiали i методи
На сьогодшшнш день виробництво добрив мае надзвичайно важливе значения. Виробництво азото-гумшових i азото-мiнеральних добрив з вмютом сульфату, калiю, i здшснюеться в грануляторi. Пiд час виробництва в грануляторi генеруеться велика шль-кiсть твердих, дрiбнодисперсних частинок та парiв води. Для осадження цих виквдв було запропоновано осаджувати високодисперснi твердi частинки та пари води у модершзованому циклонi . В результат чого в циклонному апарап утворюеться суспензiя.
Рух уловлено! суспензи суттево залежить вiд ii теплофiзичних властивостей, особливо вiд в'язкосп та густини, якi в свою чергу залежать ввд внутрш-нього тертя, яке проявляеться при наявносп ввднос-ного руху сусiднiх шарiв рiдини i залежить вiд сил зчеплення мiж окремими молекулами.
Для забезпечення руху суспензи по стшках циклону необхвдно дослiдити властивостi руху сумь шi. Серед одних iз найважливiших - в'язкiсть. По закону Ньютона сила внутршнього тертя, тобто сила, яка проявляеться при перемщенш одного шару рщи-ни ввдносно iншого, прямо пропорцiйна вщноснш швидкостi перемiщения i величинi поверхш дотику цих шарiв.
Вона залежить ввд властивостей рiдини i не залежить ввд тиску.
Видшимо в потоцi рiдини, що рухаеться по стшщ, елементарний елемент h2nxdx (рис. 1). На нього дшть сили тяжiння, архiмеда i тертя.
вщ центру до видiленого елемента, dx - товщина ви-дшено! дiлянки.
Сила Архiмеда:
Fa=V•pг•g=pг g2пhxdx.
Тодi для нормально! роботи циклонного апа-рату у найпростiшому виглядi повиннi виконуватися умови:
- для вертикально! частини циклону:
(Fа+Fтер)<Fтяж;
Рис. 1. Осадження плiвки в циклонi Сила тяжшня може бути записана, як:
Fтяж=dm•g=pчg2лhxdx.
Сила тертя:
Fтер=S•ц=2лh(x+dx) ц,
де рч - густина суспензп (що вмiщаe в себе твердi ча-стинки), рг - густина газу, h - висота видшено! дмн-ки; § - прискорення вiльного падiння, х - вщстань
- для конiчно! частини циклону: Fа+Fтер •cos(A)<Fтяж
5. Результати дослвджень та \х обговорення
Для визначення математично! моделi необхщ-но визначити розмiри в твердих частинок та реологь чнi властивостi суспензi!.
В процеа ввдбору проб пилу, що вловлено в циклош та проведено визначення фракцшного складу. Пил складаеться з солей сульфату амошю, карбо-мiду та аморфних добавок гумапв рис. 2.а. Пiсля визначення шлькосл та розмiрiв частинок отримано осередженнi результати, зображенi на рис. 2.6.
б
Рис. 2. Фракцшний склад пилу в циклош: а - один iз зразшв; б - осередженш результати
а
З рис. 2.б фракцшного складу пилу видно, що графш вщповщае принципу бшомшального ро-зподiлу.
При вiдборi проб було створено модельний ро-зчин з твердо! фази i води 30:70 %, 40:60 %, 50:50 %, при температурах 19 °С i 50 °С.
Реологiчнi характеристики розчинiв полiмерiв дослвджуються на ротацiйному вiскозиметрi типу РВ-8 у дiапазонi швидкостей зсуву j=2...300с"1 [11, 12].
Визначено в'язшсш параметри залежностi в'яз-костi ввд швидкостi зсуву i напруги зсуву. Результати зображеш на рис. 3.
ln ц
0
-0.2 1 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8
19° С
50° С
ln j
y = -0,2267x+0,6001 R2=0,9717
y = 0,0854x-1,0286 R2=0,39
2
6
8
а
ln ц
0
5.4
-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5
ln ц
0
5.4
-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3
19° С
50° С
ln j
5.6
5.8
y=1,0484x-8,0323 R2=0,9163
6.2
y=0,9858x-7,9189 R2=0,9821
б
19° С —•—50° С 5.6 5.8 6
ln j
6.2
y = 1,0554x-8,133 R2=0,8291
y=0,3848x-4,5135 R2=0,5275
Рис. 3. Залежностi в'язкосп ввд швидкостi зсуву ^ = K ■ jn 1: а - при 30 % води; б - при 40 % води;
в - при 50 % води
6
в
6. Висновки
1) Пщбрано та обгрунтовано фiзичиу та матема-тичну моделi вловлюваиня в циклонi, що дае можли-вiсть визначити умови осадження забруднень у циклонi.
2) Визначено залежтсть в'язкостi ввд напруги
зсуву = f (тх ) i ввд швидкоcri зсуву ^f = f (j),
при рiзних конценrрацiях i температурах, що дало можливють визначити умови спкання плiвки осаду у бункер, тобто уточнити параметричний розрахунок циклону.
Л^ература
1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Москва, 1961. 829 с.
2. Ganegama Bogodage S., Leung A. Y. T. Improvements of the cyclone separator performance by down-comer tubes // Journal of Hazardous Materials. 2016. Vol. 311. P. 100-114. doi: http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.02.072
3. Huang A.-N. Effects of particle mass loading on the hydrodynamics and separation efficiency of a cyclone separator // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2018. Vol. 90. P. 61-67. doi: http://doi.org/10.1016/j.jtice.2017.12.016
4. Luciano R. D. Multi-objective optimization of cyclone separators in series based on computational fluid dynamics // Powder Technology. 2018. Vol. 325. P. 452-466. doi: http://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.11.043
5. Антонець I. В. Моделювання процесш переносу у трифазових полщисперсних потоках стосовно до мокро! очистки гаив ввд твердих частинок. Ки!в: 1нститут Вугшьних Енерготехнологш, 2016. 141 с.
6. Дубровський В. В., Шдвисоцький О. М., Шрайбер О. А. До визначення ефективностi уловлювання частинок летко! золи краплями // Проблеми загально! енергетики. 2011. № 3 (26). C. 45-49.
7. Рижков С. С., Ощип О. В. 1нтенсифжащя осадження високодисперсних частинок у лабiринтному сепараторi за ра-хунок термофоретичних ефектiв // Збiрник наукових праць НУК. 2011. № 4. C. 99-107.
8. Шелюх Ю. £. Сучаснi методи очищення повiтря ввд промислових видiв пилу // Вюник ЛДУ БЖД. 2012. № 6. C. 214-218.
9. Рижков С. С., Пастухов С. Ю. Численное моделирование осаждения высокодисперсных частиц в проточной части сепарационного оборудования // Електронний Вюник НУК. 2010. № 3. URL: http://evn.nuos.edu.ua/article/download/ 24952/22404
10. Радченко Р. Н., Радченко Н. I., Хлопенко Н. Я. Оценка эффективности охлаждения воздуха на входе главного двигателя транспортного судна забортной водой и эжекторной холодильной машиной // Збiрник наукових праць НУК. 2011. № 4. URL: http://jnn.nuos.edu.ua/article/download/25590/23057
11. Циклон / Новодворський В. В., Степанюк А. Р.; заявник Новодворський В. В. № u201807571; заявл. 06.07.2018.
12. Швед М. П., Степанюк А. Р. Дослщження реолопчних властивостей розчижв полiмерiв. Ки!в: КП1 iм. 1горя Сь корського, 2017. 17 с.
Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук Радовенчик В. М.
Дата надходження рукопису 28.08.2018
Новодворський Володимир Валершович, кафедра машин та апарапв хiмiчних i нафтопереробних ви-робництв, Нацюнальний технiчний ушверситет Укра!ни «Кшвський полiтехнiчний iнститут iменi 1горя Окорського», пр. Перемоги, 37, м. Ки!в, Украна, 03056 E-mail: qwertyqwerty641@ukr.net
Степанюк Андрш Романович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра машин та апарапв хiмiчних i нафтопереробних виробництв, Нацiональний технiчний унiверситет Укра!ни «Кшвський полiтехнiчний iнститут iменi 1горя Окорського», пр. Перемоги, 37, м. Ки!в, Украна, 03056 E-mail: ynk@kpi.ua
