Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ИССЛЕДОВАНИЯ УЛАВЛИВАНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ

Ескендиров М.З. 1 Садырбаева А.С. 1 Туребекова А.М. 1 Возжаева Н.С. 1
1 Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауэзова
Процессы осаждения аэрозолей из технологических потоков газов лежат в основе многих технологий – химической, нефтехимической, лакокрасочной, коксохимической, нефтяной, газовой, пищевой и др. Так при производстве различных продуктов образуются промышленные газы, содержащие аэрозоли различной природы происхождения – полидисперсные твердые частицы (пыль, дым) или жидкие частицы (туман), от которых газы должны быть очищены. Высокая эффективность и интенсивность, простота конструкции и универсальность, а также эксплуатационная надежность являются основными требованиями, предъявляемыми к системам очистки газов от аэрозолей. Результативность решения вопросов по эффективному улавливанию аэрозолей различной природы происхождения в практически любом аэрозолеуловителе зависит от дисперсности частиц, который обуславливает особенности физических законов поведения аэрозолей, а также выбор способов и аппаратов, применяемых для улавливания аэрозолей.
очистка газа
улавливание аэрозолей
турбулентный поток
диффузия
1. Seinfeld J.H., Pandis N.S. Atmospheric Chemistry and Physics/John Wiley & Sons Inc. – New York: Chichester Weinheim Brisbane Singapore Toronto, 1998. – 356 p.2
2. Аэров В.Г., Гордон Г.М., Пономарев В.Д. Некоторые вопросы улавливания высокодисперсных пылей в скоростных турбулентных пылеуловителях // Сб. научн.труд. – М.: ГИНЦВЕТМЕТ, 1966, №24. - С. 299-393.8
3. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1977. - 456 с.7
4. Ескендиров М.З. Коагуляция и осаждение туманов в прямоточном аппарате с регулярным расположением турбулизирующих элементов: дис. … канд. техн. наук. - Шымкент, 1991. - 218 с.6
5. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. /Пер. с англ. Под ред. Б. Ф. Садовского. – М.: Мир, 1987. – 280 с.1
6. Сабырханов Д.С. Разработка, расчет и внедрение массообменных и пылеулавливающих аппаратов с подвижной и регулярной насадкой: автореф. … д-ра. техн. наук. - Шымкент, 1996. - 30 с.5
7. Страус В. Промышленная очистка газов. – М.: Металлургия, 1968. – 616 с.3
8. Шарыгин М.П. Закономерности осаждения пыли в слое подвижной насадки и разработка интенсивных пылеуловителей: дис. … канд. техн. наук. - Иваново, 1982. - 300 с.4

Высокая оптическая плотность высокодисперсных аэрозольных выбросов и большая суммарная площадь поверхности содержащихся в них частиц обуславливают их биологическую вредность. Это, в свою очередь, предопределяет важность улавливания возможно большего количества высокодисперсных частиц. Однако это именно та фракционная область размеров частиц аэрозолей, где большинство аэрозолеуловителей имеют низкую эффективность, хотя в фильтрационных аппаратах эта проблема нашла свое решение с рядом известных недостатков: высокое гидравлическое сопротивление, необходимость регенерации фильтрующих элементов и т.д.

Эксплуатационная надежность многих аппаратов зависит от слипаемости частиц и их абразивности, начальной запыленности газов и их агрессивности.

К одним из самых простых и эффективных методов очистки промышленных газов от взвешенных частиц, удовлетворяющих вышеуказанным требованиям, относится «мокрый» способ очистки [7].

Влияние дисперсности и физико-химических свойств различных пылей на фракционную и общую эффективность противоточных аппаратов с подвижной насадкой и прямоточного аппарата с циркулирующей насадкой подробно приведены в работах [6,8]. Исследования улавливания пылей в аппаратах с регулярной подвижной насадкой (РПН) с прямоточным взаимодействием фаз немногочисленны. Так в работе [4] даны только зависимости общей эффективности осаждения от скорости газа и плотности орошения в зависимости от способа орошения – форсуночного или эжекционного. Исследования же эффективности осаждения туманов относятся, в основном, к насадочным аппаратам с кольцами Рашига [3] и скрубберам Вентури [2]. Осаждение туманов в восходящем прямоточном режиме исследовано нами в [4].

Сопоставительные исследования (рисунок 1) по фракционной эффективности улавливания тумана ортофосфорной кислоты в слое пластинчатой насадки и в насадке из колец Рашига [3], работающей в режиме эмульгирования, показали, что степень очистки, отнесенная к медианному размеру частиц, в 1,5 раза выше у аппарата с регулярно расположенными турбулизирующими элементами пластинчатой формы (ТЭПФ).

Анализ результатов исследований по улавливанию туманов (рисунок 2) и пылей (рисунок 3) в слое с (ТЭПФ) подтверждает общую закономерность для аэрозолей о значительном влиянии дисперсности и плотности частиц (капель) на фракционную, а, следовательно, и на общую эффективность улавливания.

Из представленной зависимости видно, что приведенная масса частиц оказывает заметное влияние на эффективность осаждения для достаточно крупных частиц тумана ( > 1 мкм). Для частиц же, радиус которых меньше 0,3 мкм это влияние нивелируется. Такая закономерность указывает на превалирующую роль сил инерции на процесс осаждения для частиц радиусом выше 2 мкм. Меньшие частицы осаждаются, главным образом, за счет механизма турбулентной диффузии.

 

1 – восходящий прямоток, 2 – нисходящий прямоток;

WГ = 12 м/с, L = 25 м3/м2ч, Нн.с.= 1 м, tв = 2b, tГ = 2b.

3 – колонна с кольцами Рашига, данные.

Рисунок 1 – Зависимость фракционной степени осаждения тумана H3PO4 от диаметра частиц.

 

1 – туман H3PO4, 2 – туман H2SO4, 3 – глицериновый аэрозоль;

WГ = 12 м/с, L = 25 м3/м2ч, Нн.с.= 1 м, tв = 2b, tГ = 2b.

Линии прямотоков: сплошная – восходящий, пунктирная – нисходящий;

Рисунок 2 – Зависимость фракционной степени осаждения туманов от диаметра частиц.

 

 

Здесь надо отметить, что фракционная эффективность улавливания туманов глицерина и ортофосфорной кислоты при практически равной плотности имеет небольшое различие. Причем, это наблюдается для самых крупных фракций туманов. Такое различие объясняется, по-видимому, различной растворимостью этих веществ в воде. Для пылей, при проведении аналогичных исследований с пылями кокса, кварца и известняка в диапазоне изменения дисперсности 0¸10 мкм, так же наблюдается влияние растворимости. При одинаковой плотности материала кварца и известняка эффективность осаждения хорошо растворимой и гигроскопичной известковой пыли выше.

Изменение вектора направленности взаимодействующих потоков с восходящего на нисходящее при равных прочих условиях не оказывает какого-либо заметного влияния на эффективность осаждения высокодисперсных фракций. Только начиная с частиц, размер которых больше 2 мкм эффективность осаждения при восходящем прямотоке становится выше (рисунок 2 и 3, сплошная линия), чем при нисходящем (пунктирная линия). Это объясняется различием в величинах относительных скоростей частиц и струйно-капельных образований улавливающей жидкости при скоростях газа WГ < 12 м/с, т.е. при скоростных режимах, когда еще сказывается влияние силы тяжести. При восходящем прямотоке разность относительных скоростей больше, чем при нисходящем.

 

 

1 – кварц, 2 – кокс, 3 – известняк;

WГ = 12 м/с, L = 25 м3/м2ч, Нн.с.= 1 м, tв = 2b, tГ = 2b.

Линии прямотоков: сплошная – восходящий, пунктирная – нисходящий;

Рисунок 3 – Зависимость фракционной степени осаждения пылей от диаметра частиц.

 

На рисунке 4 представлен сопоставительный график зависимостей фракционной степени улавливания кварцевой пыли от диаметра частиц для решеток регулярно подвижных насадков (РРПН) в условиях восходящего и нисходящего прямотока при скорости газа 15 м/с, для аппарата ЦН (циркулирующей насадкой) при WГ = 7 м/с [8] и для противоточного РПН [8].

Увеличение скорости газа влечет за собой постоянный рост степени улавливания, хотя условное время пребывания частиц аэрозоля в контактной зоне уменьшается. Следовательно, причиной роста эффективности является как возрастание инерционных различий между частицами крупных фракций и структурными образованиями орошающей жидкости (каплями, струями, пленками), так и увеличение коэффициента турбулентной диффузии высокодисперсных частиц (dr<1мкм), величина которой определяется пульсационной скоростью, и соответственно, скоростью газа. С другой стороны, фактором увеличения эффективности улавливания частиц размером dr < 1 мкм, несомненно, является рост поверхности контакта.

Полученные результаты, как качественно, так и количественно подтверждают теоретические представления о механизме и закономерностях осаждения мелких фракций, для которых толщина пограничного слоя существенно влияет на подвод частиц к поверхности осаждения.

 

WГ = 15 м/с, L = 25 м3/м2ч, Сr = 0,01 кг/м3;

1 – восходящий прямоток; 2 – нисходящий прямоток;

3, 4– данные для ЦН и противоточного РРПН соответственно;

Рисунок 4 – Сопоставительные данные по фракционной степени осаждения кварцевой пыли от диаметра частиц.

 

С повышением скорости газа выше 15 м/с рост эффективности для различных фракций неравномерен. Так, для мелких фракций (dr<1мкм) приращение эффективности уменьшается с уменьшением дисперсности частиц, а по мере увеличения размеров частиц степень очистки заметно растет. Этот факт указывает на неоднозначное влияние механизмов турбулентной диффузии и инерционного столкновения на улавливание частиц различной дисперсности в режимах с повышенными скоростями (WГ ³ 15 м/с). Такое неадекватное влияние механизмов осаждения позволяет утверждать, что с точки зрения технико-экономических показателей аппарата при улавливании частиц тумана дисперсностью dr < 0,6 мкм повышение скорости WГ > 15 м/с нецелесообразно.

Зависимость фракционной эффективности аппарата ЦН (линия 3) при рабочей скорости 7 м/с показывает, что в области высокодисперсных фракций эффект турбулентной диффузии реализуется не в полной мере, хотя энергозатраты выше почти в три раза (DРЦН = 4,5 КПа). Это свидетельствует о высоком значении коэффициента полезного действия исследуемого типа насадки.


Библиографическая ссылка

Ескендиров М.З., Садырбаева А.С., Туребекова А.М., Возжаева Н.С. ИССЛЕДОВАНИЯ УЛАВЛИВАНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 3.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17215 (дата обращения: 22.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074