CC BY
33
УДК 66.047 (088.8)
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
ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННОГО ДАВЛЕНИЯ В АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ В ПРОЦЕССАХ КОАГУЛЯЦИИ, НАПРАВЛЕННОЙ НА УЛАВЛИВАНИЕ ПЫЛИ ПРОДУКТА ПРИ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКЕ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВЫПУСКАЕМЫХ ОАО «РЕАТЭКС»
The given work is devoted to the theoretical analysis of process of radiating pressure in an acoustic field, 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 dusting is submitted to a dryer in shop on manufacture of phosphates on Open Society " REATEKS ". The circuit of an acoustic cyclone with connection of an acoustic column to an axial target branch pipe of a cyclone is developed. 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 радиационного давления в акустическом поле, представлено 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». Разработана схема акустического циклона с подсоединением акустической колонки к осевому выходному патрубку циклона. 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.
Применение акустических полей в режимах работы распыливающих и пылеулавливающих устройств - это путь к интенсификации процессов сушки диспергированных материалов. 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 w1 = 64,3 % и w2 =5 %; начальная температура воздуха перед сушилкой t1 = 300 °С, температура воздуха за сушилкой t2 = 300 °С; Для сушки используется наружный воздух с параметрами:
^ =-10 °С ; ё0 =1,47 г/кг; ф = 80%; 1о = 1,53 ккал/кг. Применим для диспергирования раствора акустическую форсунку. При постоянной производительности форсунки качество распыливания зависит от акустической мощности, создаваемой резонансным излучателем форсунки, которое приводит к более качественному распыливанию жидкости, повышая тем самым эффективность применения акустических форсунок.
2
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 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 сбора 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-коллектор, соединяющий общий выход циклонов со входом рукавного фильтра, 18-смеситель
исходного раствора с уловленным продуктом.
Теперь рассмотрим применение акустических полей в режимах работы пылеулавливающих устройств. В качестве первой ступени очистки принимаем для пылеотделения циклоны системы НИИОГАЗ ЦН-11.
Принимаем диаметр циклона 0,52 м. Тогда сопротивление его будет равно
Дрц = \ рг uv2 / 2g = 105-0,9-3,12/2 • 9,81 = 46 мм вод. ст., (1)
где uv - 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
V1 = Lv0 = 8050 • 0,76 = 6120 м3/час, (2)
где v0 — удельный объем воздуха при t0 .
Сопротивление фильтра для воздуха 20 мм вод.ст., нагревателя 50 мм вод.ст. и воздуховодов 20 мм вод. ст.
По характеристике (V1=6120 м /час, Др'= 81 мм вод. ст.) выбираем вентилятор серии ВРН № 5; n = 1730 об/мин., Пв = 0,63. Тогда расход электроэнергии будет равен
N2 = V1 Др / (3600-102- v Пп) = 6120-90/( 3600 -102-0,63-0,9) = 2,65 Квт (3) Работа акустического циклона с подсоединением акустической колонки к осевому выходному патрубку циклона (фиг.2) осуществляется следующим образом. Запыленный газовый поток подается через патрубок 9 на периферийный ввод 1 циклона. Здесь он закручивается за счет тангенциального ввода и винтообразной крышки 3. В звуковой
колонке 7 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 и крупные частицы оседают вниз звуковой колонки в полость, образованную поверхностями отбойной шайбы 10 и колонки, которая связана байпасным отводом 8 с периферийным вводом 9 газового потока. Отсюда часть воздушного потока с осевшими частицами пыли за счет явления эжекции вновь поступает по байпасному отводу 8 на ввод 9 и в циклон. Очищенный воздух выходит из верхней части колонки через патрубок 11.
Рис. 2. Схема акустического циклона с подсоединением акустической колонки к осевому выходному патрубку циклона: 1- входной патрубок, 2- выходной патрубок, 3-винтообразная крышка, 4-выхлопная труба, 5-цилиндрическая часть корпуса, 6-коническая часть корпуса, 7- акустическая колонка, 8-байпасный отвод, 9- периферийный ввод газового потока, 10- коническая отбойная шайба, 11- выходной патрубок очищенного газа, 12 - электрическая связь, 13 - блок управления.
Рассмотрим акустический пограничный слой у плоской твердой стенки (плоскость xz), считая движение происходящим в плоскости ху. Учитывая приближения, обусловленные малой толщиной пограничного слоя, и нестационарный характер течения, запишем уравнение Прандтля в следующем виде:
du du du д 2u dU dU
— + u — + v--v—- =-+ u--(4)
дт dx dy dy дт dx
здесь производная dp/dx выражена через скорость U(x,y) ядра потока в соответствии с уравнением Эйлера. В рассматриваемом случае
U= v0cos(kc) ■cos (ат) = vccos(kx)-Re[exp(-irnr))], (5)
где к = 2л/Х = т/с, что соответствует стоячей плоской звуковой волне с угловой частотой т, Яе означает вещественную часть комплексного числа, а амплитуда колебаний скорости газа в звуковой волне в целях единообразия параметров уравнения (12) обозначена через уо.
Будем решать уравнение (12) последовательными приближениями по малой величине у0. В первом приближении полностью пренебрегаем конвективным ускорением потока, т.е. слагаемыми и(ди/дх) + \(ди/ду). Тогда (с учетом соотношения (13)) уравнение (12) существенно упрощается
ди(1) д 2и(1) . (1 , ( ,
- v-— = -mv0 cos(kx)• exp(-mr)
2 — -о—у-/ — (6)
дт ду
Решение этого уравнения, удовлетворяющее граничным условиям и(1) = 0 при у = 0 и и(1) = и при у = да, имеет вид
= Re{v0 cos(kx) • exp(- im r)[l - exp(- xy)]}
где
X =
im
l - i
~5~
(7)
Решение полученного уравнения должно удовлетворять условиям ^(2)(0) = 0, ^(2)'(0) = 0, эквивалентным равенствам и(2) = у(2) = 0 на твердой поверхности. Что же касается условий вдали от стенки, то можно лишь потребовать, чтобы скорость и(2) стремилась к конечному значению (но не к нулю). Подстановка (23) в (26) и двукратное интегрирование приводят к следующему результату для производной ^(2)':
Z
(2)
(y )=3 - И-¥ ]-
exp|
y 1 • (y 1 1 ( y 1 (y
— I sinl — I— expl - — I cosí — s) ls) 4 4 s) ¥
+4Sexp(-^
cosí — I - siní —
ls) ¥
При у ^ да эта производная стремится к значению С(2)'И = 3/8
чему соответствует скорость
2
и(2) (®)=3c
8c
(2kx)
(8)
Полученный результат имеет ту характерную особенность, что он описывается периодической функцией. Физический смысл такого решения заключается в установлении регулярных периодических структур в потоке газа, находящемся в поле звуковых волн. Определение конкретного вида и типа подобных структур требует учета размеров и геометрической конфигурации области движения. В частном случае акустического течения в пространстве между двумя плоскопараллельными стенками (плоскости у = 0 и у = к),Б котором возникает стоячая звуковая волна, стационарные составляющие компонент скорости газа описываются выражениями
и
(2) _
3v0
16c
sin(2kx)
1 -
3(y - h¡2)2
v
(2)
3v2k 8c
cosí
(2kx)
í
vy - 2 , l 2 У
(h 2)2
h 1 (y - h/2)3
h 2)2
Нетрудно установить, что скорость и(2) изменяет знак на расстоянии
(h/2)(l - 3-1/2) = 0,423(h/2) от стенки.
v
Течение, описываемое приведенными формулами, состоит из двух рядов вихрей, симметрично расположенных относительно серединной плоскости у = к/2 и
периодичных вдоль оси х с периодом Х/2. На рис. 3 представлена иллюстрация подобной структуры при И = 1 м и V = 165 Гц.
х, м
Рис. 3. Вихревые структуры при движении газа в акустическом поле Выводы.
Проведенный анализ по акустической радиации в процессах коагуляции, позволяет предполагать, что использование данного процесса может существенно повысить эффективность улавливания частиц. Анализ данных, проведенный в работе, также показывает целесообразность применения акустической коагуляции при модернизации процесса улавливания продукта после сушки в распылительной сушилке на ОАО «РЕАТЕКС». В результате исследования 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.
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. Сушка распылением. М.: Пищепромиздат, 1955.
4. Лыков М.В.Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик.- М.: Машиностроение, 1966.
5. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985.
6. Пажи Д.Г. Распыливающие устройства в химической промышленности/ Д.Г.Пажи, А.А.Корягин, Э.Л.Ламм. - М.: Химия, 1975. -200 с.
7. Швыдкий B.C. Теоретические основы очистки газов: Учебник для вузов/ B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий.-М.: Машиностроение-1, 2001.-502с.
8. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. - М.: Металлургия, 1988. - 256 с.
9. Ужов В.Н.Очистка промышленных газов от пыли/ В.Н.Ужов, А.Ю.Вальдберг, Б.И Мягков, И.К.Решидов. - М.: Химия, 1981. - 392с.
