Расчет минимального размера частиц, улавливаемых в первой ступени пылеуловителя-классификатора

Полный текст

Введение

Во многих отраслях промышленности при проведении технологических операций происходит попадание мелкодисперсной пыли в отходящие газовые потоки. Остаточное количество этих частиц зачастую попадает в атмосферу и пагубно влияет на флору и фауну, а также необратимо воздействует на здоровье человека [1 – 3]. Поэтому внедрение новых и интенсификация существующих технологических процессов и аппаратов очистки промышленных выбросов является очень важной задачей. В настоящее время в качестве пылеулавливающего оборудования наиболее широкое применение находят аппараты инерционного типа. Они просты в эксплуатации и изготовлении, позволяют очищать пылегазовые потоки с большой начальной запыленностью и выделять пыль в сухом виде [1]. Кроме этого, в ряде отраслей промышленности необходимо не только выделить пыль из газового потока, но и классифицировать ее по фракциям, так как частицы определенного размера являются целевым продуктом. Задача классификации может быть решена как в отдельном аппарате – классификаторе, так и в аппаратах, совмещающих функции пылеуловителей и классификаторов [1, 4].

В Ярославском государственном техническом университете разработана одна из моделей такого пылеуловителя-классификатора.

Цель работы – рассчитать минимальный диаметр частиц, улавливаемых на первой ступени очистки пылеуловителя-классификатора. Установить зависимость минимального размера частиц от объемного расхода газовой фазы в аппарате.

Методика и результаты расчета минимального размера улавливаемых частиц

Разработанный пылеуловитель-классификатор позволяет осуществить высокоэффективную очистку пылегазового потока и одновременно классифицировать уловленную пыль по фракциям. Кроме этого, данная модель имеет ряд конструктивных и технологических преимуществ перед аналогичными конструкциями [5, 6].

 

Рис. 1. Принципиальная схема пылеуловителя-классификатора

 

Схема аппарата представлена на рис. 1. В корпусе аппарата 1 размещены три ступени выделения твердых частиц из газового потока. Газ, содержащий взвешенные частицы, через спиральный входной патрубок 2 поступает на первую ступень очистки I, где крупные частицы пыли за счет центробежной силы смещаются к периферии и по наклонному днищу 4 опускаются к патрубку 3, а затем удаляются из аппарата. Поток газа со средней и мелкой фракцией поступает на вторую ступень очистки II, расположенную в пространстве между приемным цилиндром 6 и экраном 7. На второй ступени очистки за счет изменения направления движения потока происходит отделение частиц средней фракции, которые выводятся через патрубок 5. Поток газа с мелкой фракцией огибает наружную поверхность приемного цилиндра 8 и поступает на третью ступень очистки III, на которой за счет неподвижных лопастей 9 происходит закрутка пылегазового потока, повышается действие центробежной силы, в результате чего мелкодисперсные частицы отделяются от газового потока через выходной патрубок 10, а мелкодисперсные частицы пыли по спиралеобразной траектории вдоль стенок приемного цилиндра 8 опускаются на наклонное днище 11 и выводятся из аппарата через патрубок 12.

Расчет минимального размера частиц, улавливаемых в первой ступени пылеуловителя-классификатора, проводился для частиц – отходов литейного производства с плотностью ρ_ч = 3170 кг/м³, которые равномерно распределены в воздушном потоке плотностью ρ = 1,206 кг/м³и динамической вязкостью μ = 18 · 10^–6 Па·с. Канал первой ступени пылеуловителя-классификатора имеет следующие размеры: наружный диаметр канала D = 0,35 м; внутренний диаметр канала D₀ = 0,21 м; высота первой ступени пылеуловителя-классификатора h_ст = 0,1155 м.

 

Рис. 2. К расчету скорости осаждения частиц для различных сечений

 

В пылегазовом потоке выделим концентрические продольные сечения, находящиеся на расстоянии R₀ = 0,1050 м; R₁ = 0,1225 м; R₂ = 0,1400 м; R₃ = 0,1575 м; R₄ = 0,1750 м от центра вращения потока (рис. 2). Расчет проводим в следующей последовательности.

1. Задается расход пылегазового потока Q.
2. Определяется скорость прохождения расстояния от выбранного сечения до стенки осаждения ν_i, то есть скорость, с которой частицы должны двигаться, находясь в данном сечении, чтобы достичь поверхности осаждения.

${\text{ν}}_1=\frac{R_{\text{4}}-R_{\text{0}}}{{\text{τ}}_{\text{пр}}}$; ${\text{ν}}_2=\frac{R_{\text{4}}-R_{\text{1}}}{{\text{τ}}_{\text{пр}}}$; ${\text{ν}}_3=\frac{R_{\text{4}}-R_{\text{2}}}{{\text{τ}}_{\text{пр}}}$; ${\text{ν}}_4=\frac{R_{\text{4}}-R_{\text{3}}}{{\text{τ}}_{\text{пр}}}$.

Время пребывания частиц в первой ступени τ_пр, с, определяется как

${\text{ν}}_4=\frac{R_{\text{4}}-R_{\text{3}}}{{\text{τ}}_{\text{пр}}}$,

где V_ст – объем первой ступени пылеуловителя-классификатора, м³, Q – объемный расход пылегазовой смеси, м³/с.

3. Определяется угловая скорость вращения потока в ступени.

Предположим, что режим движения потока турбулентный, поэтому считаем скорость движения во всех точках приблизительно одинаковой и равной средней скорости υ_ср. Тогда угловая скорость вращения потока, с^–1,

$\text{ω}=\frac{{\text{υ}}_{\text{ср}}}{R_{\text{ср}}}=\frac{Q}{S_{\text{вх}}{R}_{\text{ср}}}$.

За средний радиус вращения R_ср принимается радиус R₂ = 0,1400 м. Средняя скорость потока определяется через объемный расход Q и площадь входного патрубка S_вх = 0,0085 м².

4. Рассчитывается минимальный размер частиц, которые осядут на поверхности. Будем считать режим осаждения этих частиц ламинарным. Для ламинарного режима осаждения диаметр улавливаемых частиц определяется по формуле [7]

$d_{\text{ч}}=$$\sqrt{\frac{18{\text{\hspace{0.05em}\hspace{0.05em}μ\hspace{0.33em}ν}}_{\text{ос}}}{({\text{ρ}}_{\text{ч}}-\text{ρ}){\text{\hspace{0.33em}ω}}^{2}R}}$,

где R – радиус вращения, м.

Принимается, что скорость осаждения данных частиц ν_ос равна скорости прохождения расстояния от выбранного сечения до стенки осаждения, то есть ν_ос1 = ν₁ (при R = R₀), ν_ос2 = ν₂ (при R = R₁), ν_ос3 = ν₃ (при R = R₂), ν_ос4 = ν₄ (при R = R₃).

Результаты расчетов представлены в табл. 1. График зависимости минимального размера частиц, оседающих на поверхности в первой ступени пылеуловителя-классификатора, от объемного расхода пылегазовой смеси показан на рис. 3.

 

Рис. 3. График зависимости минимального размера улавливаемых частиц от объемного расхода пылегазовой смеси при R = R₀

 

Анализ полученных результатов показал, что с увеличением объемного расхода пылегазовой смеси размер улавливаемых частиц уменьшается, что связано с увеличением центробежной силы потока и, как следствие, увеличением скорости осаждения частиц. При этом, чем меньше расстояние до поверхности осаждения, тем меньше размер улавливаемых частиц, что связано с увеличением центробежной силы от центра к периферии канала первой ступени пылеуловителя-классификатора.

 

Таблица 1

Результаты расчета минимального размера частиц, улавливаемых в первой ступени пылеуловителя-классификатора при различных расходах пылегазовой смеси

Рассчитываемые параметры	Расход пылегазовой смеси, м³/с
	0,136	0,126	0,102	0,076	0,051
Время пребывания частиц в первой ступени пылеуловителя-классификатора, с	0,052	0,057	0,070	0,093	0,140
Скорость осаждения частиц в сечении, м/с
R0, v1	1,34	1,24	1	0,75	0,5
R1, v2	1	0,93	0,75	0,56	0,38
R2, v3	0,67	0,62	0,5	0,38	0,25
R3, v4	0,33	0,31	0,25	0,19	0,13
Угловая скорость вращения потока, с–1	114,29	105,68	85,71	64,29	42,86
Минимальный размер улавливаемых частиц в сечении, мкм:
R0, $d_{\text{ч1}}^{\text{min}}$	10,00	10,40	11,50	13,30	16,30
R1, $d_{\text{ч2}}^{\text{min}}$	8,00	8,30	9,20	10,70	13,10
R2, $d_{\text{ч3}}^{\text{min}}$	6,10	6,40	7,10	8,20	10,00
R3, $d_{\text{ч4}}^{\text{min}}$	4,10	4,20	4,70	5,40	6,70

 

Заключение

Предложена методика расчета минимального размера частиц, улавливаемых на первой ступени очистки нового пылеуловителя-классификатора. Получена зависимость $d_{\text{ч1}}^{\text{min}}$= f(Q). Представленная методика может быть использована для предварительной оценки эффективности работы аппарата и фракционного состава дисперсной фазы, уловленной на первой ступени очистки пылеуловителя-классификатора.

Об авторах

Мария Андреевна Юровская

ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: barashevama@ystu.ru

старший преподаватель кафедры «Химическая технология органических веществ»

Россия, Ярославль

Валерий Константинович Леонтьев

ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет»

Email: barashevama@ystu.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология органических веществ»

Россия, Ярославль

Антон Евгеньевич Лебедев

ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет»

Email: barashevama@ystu.ru

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Технологические машины и оборудование»

Россия, Ярославль

Список литературы

Дополнительные файлы