Сравнительная эффективность очистки газов аэрозолей на контактных устройствах различных конструкций

Comparative efficacy of cleaning sprays gas on contact devices of various designs

Anatoliy Laptev

doctor of technical sciences, professor, «Kazan State Power Engineering University» –KSPEU, Russia, Kazan

Marat Basharov

candidate of technical sciences, director of maintenanceand engineering JSC "TANECO", Russia, Kazan

Аннотация. Рассмотрена актуальная задача очистки газов от аэрозольных частиц. На основе применения теории турбулентной миграции частиц и ячеечной модели структуры потоков получены выражения для расчета профиля концентрации частиц по длине канала и эффективности турбулентной сепарации. Выполнены расчеты пяти типов контактных устройств и сделаны выводы о наиболее эффективных конструкциях.

Abstract: The current task of purification of gases from aerosol particles. On the basis of applying the theory turbulent migration of particles and cell structure of the model flows expressions for calculation of particle concentration profile along the channel and the efficiency of turbulent separation. Calculations of the five types of contact devices and conclusions on the most effective designs.

Ключевые слова: турбулентная миграция; аэрозоли; газосепараторы; эффективность разделения.

Keywords: turbulent migration; aerosols; gas separators; the separation efficiency.

Введение. Аппараты для очистки газов и паров от твердых и жидких механических включений являются важной составляющей частью при комплектовании технологической аппаратуры в различных отраслях промышленности и ТЭС.

Разнообразие условий работы установок и требований по очистке вызывают необходимость в создании новых конструкций газоочистительной аппаратуры и совершенствовании методов расчета их эффективности. К настоящему времени накоплен определенный опыт решений этих сложных задач. В многочисленных обзорах приводятся результаты наиболее интересных зарубежных и отечественных работ в этой области. За последние 10 - 15 лет опубликовано несколько монографий (М.Г.Зиганшина, Е.В.Сугак, А.А.Колесника, Н.А.Николаева,М.И.Фарахова, Н.А. Войнова и др.) [1-3] и справочной литературы (В.С.Швыдкий, Л.П.Холпанов, Галустов В.С., Ладыгичев М.Г. и др.) [4,5]. При преобладающих механизмах турбулентного и градиентного переноса используются полуэмпирические подходы и модели: Дейча М.Е., Ужова В.Н., Соу С., Медникова Е.П., LuiY.H., Фукса Н.А., SehmelG.A., MontgomeryT.L. и др [1,3,6,7].

Модель переноса аэрозолей

Если пренебречь молекулярной диффузией за пределами пограничного слоя, то основными составляющими механизма переноса становятся: перемешивания за счет общих турбулентных вихрей сплошной фазы, за счет общих турбулентных вихрей малых масштабов (обусловленных стохастическим движением дисперсной фазы относительно сплошной) и продольного перемешивания за счет значительной циркуляции в сплошной фазе. При небольших концентрациях (<0,2 кг/м³ или <2%, об.) частиц преобладающим является первая составляющая переноса.

Турбулентная миграция представляет собой форму поперечного движения частиц в сдвиговом турбулентном потоке. Эта форма, открытая Фортье, Флетчером и независимо от них Медниковым, имеет в механике аэрозолей фундаментальное значение[6].

Скорость турбулентной миграции является мерой интенсивности осаждения частиц из турбулентного потока газа на стенки канала, , где поток частиц, кг/м²с; С_∞ –концентрация частиц, кг/м³.В обобщении результатов экспериментов часто используется безразмерный эквивалент скорости осаждения , где – динамическая скоростьна стенке или межфазной поверхности, м/с.

При обтекании газа с дисперсными частицами контактных элементов на поверхности сепарируется дисперсная фаза за счет различных механизмов. При сепарации жидкого аэрозоля на поверхности контактных элементов будет образовываться пленка.

Можно отметить ряд эмпирических и полуэмпирических зависимостей [1,6]для расчета приведенной скорости турбулентного осаждения частиц , связанных со временем релаксации скорости частиц:

,                                                                                                               (1)

гдедиаметр частиц, м; плотность частиц и газа, кг/м³; кинематическая вязкость газа, м²/с.

Безразмерное время релаксации записывается в виде:

.                                                                                                               (2)

В результате обобщения многочисленных экспериментальных данных различных авторов получено[6]

при

                                                                                             (3)

при

                                                                                                           (4)

где безразмерный параметр ;  - частота энергоемких пульсаций, с^-1; эквивалентный диаметр канала, м.

Ячеечная модель

Примем ячеечную модель с условным делением контактного устройства на ячейки полного перемешивания в направлении от входа в выходу аэрозоля. Число ячеек зависит от режимных и конструктивных характеристик контактного устройства и определяется экспериментально или с использованием полуэмпирических зависимостей. Обычно экспериментально [8] или расчетом с применением различных моделей [9], находится диффузионное число Пекле , где средняя скорость среды, м/с; характерный размер, м; коэффициент обратного (продольного) перемешивания, а затем с применением эквивалентной связи[8]

                                                                                         (5)

вычисляется число ячеек .

Запишем поток массы осаждаемых аэрозольных частиц в ячейке

  ,                                                                                      (6)

                                                                                       (7)

где массовый расход газа в ячейке, кг/с; С – концентрация аэрозольных частиц, кг/м³; плотность газа, кг/м³; площадь контакта (осаждения) в i-й ячейке, м².

Расход газа в канале принимается постоянным и равен расходу газа в ячейке. Из равенства потоков запишем концентрацию аэрозоля в i-й ячейке

                                                                                          (8)

при начальная концентрация аэрозоля на входе.

Выражение (8) является достаточно общим для контактных устройств различных конструкций при соответствующем определение параметров  и поверхности

Выражение (8) можно записать используя среднюю скорость газа w в канале контактного устройства. Для этого используем соотношения

                                                                                (9)

где S – площадь поперечного сечения канала, м²; удельная поверхность канала в i-й ячейке, м²/м³; H_i– длина ячейки, м. При одинаковом размере ячеек ; где Н – длина канала, м; удельная поверхность, м²/м³.

Тогда имеем

                                                                       (10)

Эффективности газосепарации в ячейке и в канале запишутся в форме

                                                                       (11)

С применением ячеечной модели суммарная эффективность газоочистки запишется по известному правилу

                                                                  (12)

Тогда из выражений (10) – (12) получим

                                                        (13)

В результате имеем аналог выражения ячеечной модели из теории массопередачи с применением числа единиц переноса. Из выражения (13) следует: при n=1 – модель идеального смешения, при  – модель идеального вытеснения.

Выводы

Для сравнения сепарационной эффективности рассмотрены сухие и орошаемые трубки при слабом и сильном взаимодействии с пленкой жидкости, а также закруткой потока и с мелкой насадкой [10-13].

В результате сделанных расчетов по выражению (13) сепарационной эффективности различных типов контактных устройств, можно сделать вывод о том, что наиболее предпочтительным является использование орошаемых трубок с ленточными завихрителями. При длине трубки H=0,3 м обеспечивается эффективность 99% при очистки газов от частиц ≥ 3 мкм. Перепад давления составляет 2500 Па при м/с. Аналогичная эффективность обеспечивается при осевом движении газа в режиме сильного взаимодействия с пленкой жидкости, но при H=0,6 м. Перепад давления составляет 2400 па. Самая высокая эффективность достигается при заполнении трубки мелкой хаотичной насадкой. Эффективность 99 % (мкм, м/с) обеспечивается при Н=0,2 м, но перепад давления составляет около 20000Па.

Окончательный выбор конструктивного исполнения и режима работы должен выполняться после технико-экономического анализа всех вариантов промышленных условий эксплуатации аппаратов газоочистки [7,14-16].