Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка высокоэффективных волокнистых фильтров для улавливания высокодисперсной жидкой фазы вентиляционных выбросов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Разработка высокоэффективных волокнистых фильтров для улавливания высокодисперсной жидкой фазы вентиляционных выбросов"

На правах рукописи

Огурцов Александр Владимирович

«РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОЙ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ»

Специальность 03.00.16 -экология, технические науки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Воронеж, 2004г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте по промышленной и санитарной очистке газов ОАО «НИИОГАЗ».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Вальдберг Арнольд Юрьевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Красавицкий Юрий Владимирович

Ведущая организация - Белгородский государственный технологический

Защита диссертации состоится 9 декабря 2004 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 3220

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

кандидат технических наук, доцент Агапов Юрий Николаевич

университет им. В.Г. Шухова

2004г.

Учёный секретарь

(

диссертационного совета, к.т.н.,

С.А. Колодяжный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными и аспирационными выбросами является одной из важнейших проблем современности. Актуальна эта проблема и для Российской Федерации.

В 2000 г. по официальным данным природоохранных органов превышение содержания взвешенных веществ в атмосфере по сравнению с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) отмечалось в 185 городах России, с общей численностью населения свыше 61 млн. человек. Считается, что наибольшая опасность (для здоровья) связана с жидкими взвешенными частицами (каплями тумана), к которым относятся различные кислоты (серная, фосфорная), щелочи, эмульсии..

Отсюда вытекают важные задачи по разработке и освоению серийного производства простых и надёжных в эксплуатации аппаратов, обеспечивающих эффективное улавливание взвешенных в газовых потоках капель — туманоуловителей. Среди аппаратов этого типа в последние годы преобладающее значение приобрели волокнистые туманоуловители, обеспечивающие высокую эффективность при осаждении капель практически любого размера.

Широкий спектр различных по конструкции волокнистых каплеуловителей, применяемых на практике, значительно опередил уровень теоретических исследований действующих в них механизмов осаждения капель. Это обстоятельство привело к отсутствию, в большинстве случаев, надёжных методов их инженерного расчёта и подчас являлось причиной серьёзных просчётов при разработке промышленных установок.

Цель работы. Развитие теоретических основ улавливания жидких взвешенных частиц (капель) в волокнистых туманоуловителях и разработка на их базе надёжных методов выбора и расчёта туманоуловителей.

Эта цель достигалась комплексным решением следующего круга задач:

- углублённого анализа процессов, происходящих при осаждении взвешенных частиц (капель) - механизмов осаждения;

- обобщения экспериментальных данных по аэро- и гидродинамике и эффективности осаждения капель в волокнистых туманоуловителях;

- формулирования требований к фильтровальным материалам, применимым в волокнистых туманоуловителях;

- реализации полученных технических решений в виде новых перспективных

конструкций туманоуловителей, успешно осваиваемых промышленностью.

В основу теоретических и прикладных исследований положены закономерности аэрогидродинамики и механики аэрозолей, которые в сочетании с экспериментально-статическими методами обработки данных исследований обеспечивают получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов.

Научная новизна. Предложена инженерная классификация волокнистых туманоуловителей; обобщены данные по гидродинамике волокнистых туманоуловителей, определены области их устойчивой надёжной работы и предложены зависимости для инженерного расчёта их гидравлического сопротивления; рассмотрены основные механизмы осаждения взвешенных жидких частиц (капель) в туманоуловителях и определены

характеризующие их параметры; изучено влияние вторичного уноса на эффективность осаждения капель в волокнистых туманоуловителях; получены выражения для определения эффективности осаждения взвешенных капель в волокнистых туманоуловителях, послужившие основой для разработки методов инженерного расчёта, а также значения коэффициентов абсорбции хорошо растворимых газов при осуществлении комплексной очистки газов от взвешенных и газообразных вредностей.

Практическая ценность. Разработан и внедрён в промышленность целый ряд волокнистых туманоуловителей и систем очистки газов, базирующихся на их использовании.

При непосредственном участии автора разработана техническая документация на волокнистые туманоуловители в виде типоразмерных рядов, охватывающих значительный диапазон производительности аппаратов по очищаемым газам.

Реализация работы. Результатами проведенных исследований, оформленными в виде регламентов и рекомендаций на проектирование систем аспирации и вентиляции, широко пользуются проектные институты: Гипрогазоочистка, СантехНИИпроект, АО НПО «Техэнергохимпром», Гипросинтез, ГИПРОНИИАВИАПРОМ, «СИБГИПРОЗОЛОТО»,

Уралцветметгазоочистка.

На основе полученных при проведении работы экспериментальных данных, теоретических обобщений, конструктивных решений, методов расчёта происходит всё нарастающее внедрение в различные области промышленности и системы аспирации новых высокоэффективных и надёжных в эксплуатации экономичных волокнистых туманоуловителей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждены и одобрены на 15 Международном Конгрессе проектирования химических процессов (г. Прага, Чехия, 25-29 августа 2002 г.), на 5 Международной конференции «Экология и проектирование» (г. Вильнюс, Литва, 23-24 мая 2002 г.), на Круглом столе «Экология и город», проводившейся в рамках IV сессии Международной конференции «Эволюция инфосферы» (г. Москва, 23-23 марта 2004 г., РАН), на 1,2 и 3 Международных конференциях «ЭкоРос» (г. Москва, 2002, 2003 и 2004 г.г.), на 2-й и 5-й Международных конференциях «Инженерная защита атмосферы» (г. Москва, 2000 г., 2003 г.).

Публикации. Основные результаты проведенных исследований изложены в 8 публикациях общим объемом - 36 п.с, из них лично автору принадлежит 21 п.с. В опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата работах лично соискателю принадлежит: в [2-4,6] теоретическое обоснование и разработка методов расчета волокнистых туманоуловителей при различных скоростных режимах газового потока; в [1,2,4,6] результаты исследований и рекомендации по применению новых фильтровальных материалов; теоретическое обоснование и оценка физико-химических и механических процессов, протекающих одновременно с осаждением капель в волокнистых фильтрах: вторичный унос в [5], испарение капель в [7]; абсорбция хорошо растворимых газов в [8].

На защиту выносятся:

- научно-технические основы процесса очистки газов от взвешенных жидких частиц (капель) в волокнистых туманоуловителях;

- методы расчета осаждения взвешенных капель и хорошо растворимых газов в волокнистых туманоуловителях;

- конструкции перспективных аппаратов фильтрационного типа для механической очистки газов от капель туманов и газообразных вредностей;

- результаты внедрения волокнистых туманоуловителей в различные отрасли промышленности.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, использованием поверенных приборов и результатами внедрения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, приложений. Содержит 169 страниц, в том числе 123 страницы машинописного текста, 26 таблиц, 47 иллюстраций, списка использованных источников из 60 наименований и 3 приложений на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в диссертации; сформулированы цели и научная новизна работы; отмечены положения, выносимые на защиту; показаны практическая ценность результатов, полученных в процессе исследований, и формы их апробации; приведены сведения о публикациях автора и структуре работы.

В первой главе изложены научные основы образования туманов и методы осаждения взвешенных жидких аэрозольных частиц (капель) в системах газоочистки. Приведены конструкции волокнистых туманоуловителей, а также используемые в них фильтровальные материалы.

Существует два способа образования тумана: при конденсации пара в объеме из его смеси с неконденсирующимся в данных условиях газом и при механическом дроблении (диспергировании) жидкости. В случае конденсации пара образуются капли размером от 0,05 до 5,0 мкм. Капли, образующиеся при дроблении жидкости, крупнее - от 5 до 1000 мкм. За счет спонтанно протекающей броуновской (тепловой) коагуляции на практике минимальный размер взвешенных капель практически всегда больше 0,1 мкм.

Результатом образования тумана в технологическом агрегате (аппарате) является вынос капель отходящим газовым потоком (брызгоунос). Улавливание (осаждение) этих капель представляет собой одну из основных задач, решать которую призвана технология очистки газов от взвешенных частиц.

В качестве фильтровальных аппаратов для осаждения капель применяются, в основном, волокнистые фильтры, работающие в режиме самоочищения, т.е. с отводом посредством самотека накапливаемой в фильтровальном слое жидкости или с периодической заменой фильтровальной поверхности по мере накопления осаждаемого загрязнителя, т.е. без регенерации.

Волокнистые фильтры оснащаются перегородкой, состоящей из слоев различных волокнистых материалов и относятся к фильтрам объемного

действия, так как рассчитаны на улавливание и накапливание взвешенных частиц преимущественно по всей глубине фильтровальной перегородки.

Волокнистые фильтры, применяющиеся в качестве аппаратов, улавливающих взвешенные жидкие частицы (капли туманов, брызги), получили название туманоуловителей (туманобрызгоуловителей).

Отличительной особенностью работы волокнистых фильтров-туманоуловителей является коалесценция уловленных жидких частиц (капель) при контакте с поверхностью волокон и образование на них пленки жидкости, удаляющейся по мере накопления из слоя в виде струек или крупных капель.

Туманоуловители имеют ряд преимуществ перед газоочистными аппаратами других типов. Это, прежде всего, высокая эффективность очистки

при меньшем гидравлическом сопротивлении (см. рис.); возможность осуществления процесса фильтрации при скоростях до 10 м/с, что обеспечивает малые размеры аппаратов. Они могут применяться для очистки агрессивных

Согласно разработанному НИИОГАЗом ГОСТу Р 50821-95, туманоуловители волокнистые классифицируются в зависимости от скорости фильтрации на высокоскоростные (инерционные) и низкоскоростные (диффузионные).

Деление основывается на принципе действия, определяющем их эффективность очистки. К числу инерционных туманобрызгоуловителей относят аппараты, работающие при скорости более 2 м/с. Диффузионные туманоуловители работают при скорости фильтрации менее 10-15см/с.

При разработке конструкций волокнистых фильтров одной из главных задач является создание компактных малогабаритных аппаратов. Решить эту задачу возможно, в первую очередь, за счет использования складчатых фильтровальных элементов. Такая развертка фильтровальной поверхности позволяет значительно снизить скорость фильтрации и тем самым увеличить эффективность улавливания взвешенных частиц при работе аппарата в диффузионном режиме.

В работе представлены формы различных фильтрующих перегородок, определяемые механическими свойствами фильтрующих материалов, а также наиболее применяемые на практике конструкции волокнистых туманоуловителей.

Вторая глава посвящена теоретическим основам работы туманобрызгоуловителей. Основными параметрами, характеризующими процесс осаждения капель в туманоуловителях, являются гидравлическое сопротивление аппарата и эффективность улавливания.

Величина перепада давлений, обеспечивающая требуемую скорость течения газового потока через фильтрующую перегородку, является важнейшей эксплуатационной характеристикой любого каплеуловителя.

Существует большое количество зависимостей, описывающих с различной степенью точности величину гидравлического сопротивления волокнистых фильтров Др; практически все они относятся к вязкому (ламинарному) режиму течения (Яе<1).

С учетом этих зависимостей при Re =0,2 (соответствует верхней границе ламинарного движения газового потока при обтекании цилиндра) максимально возможное на практике гидравлическое сопротивление волокнистого туманоуловителя при ламинарном течении не должно превышать = 260 Па.

На основании анализа классических уравнений гидродинамики, используемых для определения величины проницаемости газов через пористые перегородки, для расчета гидравлического сопротивления волокнистых фильтров в тех случаях, когда течение не является ламинарным и необходимо учитывать инерционные потери, было предложено уравнение

Уравнение (1) отражает квадратичную зависимость гидравлического сопротивления фильтра от скорости газа, что характерно для турбулентного (скоростного) движения газового потока, а коэффициент гидравлического сопротивления должен учитывать взаимное расположение волокон в фильтре.

Коэффициент характеризующий гидравлическое сопротивление

перегородок, решеток и других препятствий на пути движения газового потока, находится в зависимости от критерия Re до определенного критического значения после которого (с увеличением скорости газового потока)

наступает автомодельный режим, и величина сохраняет практически постоянное, независимое от Re значение.

На жидкую взвешенную частицу (каплю) действуют силы, аналогичные тем, которые действуют на твердую частицу, взвешенную в потоке газов; поэтому для их улавливания (сепарации) используется принципиально то же оборудование, что и при улавливании твердых частиц. Преимущество осаждения капель перед осаждением твердых частиц состоит в том, что непосредственно после сепарации происходит агломерация капель, и уловленные капли могут быть отведены из сепаратора в виде потока жидкости, т.е. отпадает необходимость в узлах разгрузки уловленного продукта.

Значительно сложнее процесс отвода уловленного продукта протекает при наличии в газовом потоке помимо капель твердых взвешенных частиц. Совместное присутствие в газовом потоке жидких и твердых взвешенных частиц может привести к замазыванию поверхностей осаждения. То же самое происходит и при "высыхании" капель, представляющих собой растворы или

суспензию. По мере испарения жидкой составляющей (растворителя) подобные капли переходят в твердое состояние.

При улавливании капель в волокнистых туманоуловителях доминируют следующие механизмы осаждения: инерционный, диффузионный и касания. Влияние того или иного механизма осаждения на улавливание взвешенных капель зависит от целого ряда факторов и, в первую очередь, от их размера.

При расчете промышленных аппаратов, предназначенных для улавливания взвешенных частиц, широко используются методы подобия. Согласно этой теории, эффективность осаждения частиц за счет определенного механизма их осаждения может быть качественно охарактеризована соответствующим безразмерным параметром, а общая эффективность улавливания частиц в аппарате является функцией этих параметров и критерия Re, определяющего характер движения газового потока. Отсюда величину эффективности осаждения взвешенных капель в волокнистом фильтре можно представить в виде зависимости

где: - безразмерные параметры осаждения частиц за счет механизмов

инерции, касания и диффузии.

Были проведены расчеты по эффективности механизмов осаждения капель в волокнистых перегородках в диапазоне размеров улавливаемых капель от 0,1 до 10 мкм. Полученные результаты свидетельствуют, что наиболее существенное влияние на осаждение капель оказывает инерционный механизм при высокой скорости газов Этот механизм становится

доминирующим при размерах капель > 1,0 мкм и мало зависит от размера волокон

Механизмы осаждения: диффузионный и зацепления (касания) начинают преобладать при улавливании субмикронных капель (<0,5 мкм) и низкой скорости газов (¿0,2 м/с), причем эффективность осаждения увеличивается с уменьшением размера волокон

Это обосновывает разделение волокнистых туманоуловителей на высокоскоростные и низкоскоростные. Первые целесообразно применять при улавливании капель размером >1,0 мкм при скоростях фильтрации >2 м/с, вторые - при улавливании субмикронных капель (<1 мкм) при скоростях фильтрации <0,2м/с.

Эксплуатация волокнистых фильтров в диапазоне скоростей от 0,2 до 2,0 м/с представляется нецелесообразной, так как не обеспечивает высоких показателей по эффективности осаждения. Этот диапазон рабочих скоростей фильтрации может быть оправдан при осаждении достаточно крупных капель >2-3 мкм.

Инженерный метод расчета высокоскоростных волокнистых туманоуловителей, как и волокнистых брызгоуловителей основывается на доминирующей роли при осаждении капель в этих аппаратах инерционного механизма. При общепринятом допущении, что фракционная эффективность механических пыле- и туманоуловителей и дисперсный состав взвешенных частиц (капель) на входе в аппараты подчиняются нормально-логарифмическому закону распределения, общую эффективность рассчитывают с помощью интеграла вероятности

Численные значения критерия Стокса, при котором начинается инерционное осаждение в волокнистых фильтрах, лежит в пределах

Получение зависимостей для расчета волокнистых фильтров при скоростях фильтрации менее 0,2 м/с затруднено из-за одновременного влияния на процесс нескольких механизмов осаждения.

Исследования показали, что коэффициент диффузионного захвата волокнистым фильтровальным слоем возрастает с уменьшением величины критерия Пекле. Эта зависимость наблюдалась исследователями при значениях критерия причем экспериментальные данные

удовлетворительно совпадали с рассчитанными по формуле, предложенной Г.Л.Натансоном, для определения коэффициента диффузионного захвата взвешенных частиц цилиндром при малых значениях Ые и больших Ре

Ло = 2,92(2-1пКег)-1/3 Ре2/3 (3)

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования критерия Ре для оценки эффективности осаждения взвешенных частиц (капель) низкоскоростными волокнистыми туманоуловителями при малых скоростях газового потока.

Теория улавливания взвешенных частиц исходит из предположения, что каждое соприкосновение частицы с поверхностью осаждения заканчивается ее «прилипанием», частица отделяется от потока и может считаться уловленной. В действительности это справедливо только для очень мелких частиц. Крупные частицы, достигнув в процессе сепарации поверхности осаждения, могут отскочить от нее и возвратиться в газовый поток.

Подобное явление происходит и при осаждении взвешенных частиц (капель) в пористых перегородках (фильтрах); частицы соударяются с фильтровальной поверхностью, отскакивают от нее и движутся с газовым потоком дальше до нового соударения и в итоге могут пройти фильтрующий слой насквозь.

Соприкосновение частиц с препятствием (поверхностью осаждения) подчиняется закономерностям удара. Отскоку микротел после удара препятствуют силы адгезии

Процесс улавливания взвешенных в газовом потоке капель в волокнистых фильтрах следует рассматривать как осаждение частиц на смоченную поверхность, так как задержанные фильтром капли, растекаясь, стекают по его поверхности в виде пленки жидкости. При наличии тонкой пленки на поверхности осаждения сила адгезии значительно больше, чем в случае сухой поверхности, и может быть определена по формуле

При отрыве частицы от смоченной поверхности сила адгезии действует до тех пор, пока отрываемая частица сохраняет контакт с пленкой жидкости. Величину зазора между частицей (каплей) и смоченной поверхностью осаждения очевидно следует принять равной толщине стекающей пленки жидкости. При ламинарно-волновом течении пленки была получена зависимость

г^а'Ч'^ж"6

<1,=--(5)

«гРгШ

Из формулы (5) следует, что минимальный диаметр капель отскакивающих от поверхности фильтровальной перегородки, обратно пропорционален скорости газового потока и корню квадратному их плотности. Поэтому, чем крупнее и тяжелее капли, содержащиеся в газовом потоке, тем меньше скорость газового потока, определяющая начало брызгоуноса.

В третьей главе изложены вопросы методологического обеспечения экспериментальных исследований.

Улавливание капель туманов зависит от действенности (работоспособности) механизмов осаждения. Основными параметрами, определяющими значения механизмов осаждения являются: дисперсный состав и плотность капель; скорость газового потока, его плотность, вязкость и температура; диаметр волокна и пористость фильтровального материала. Кроме того, в процессе проведения исследований необходимо фиксировать: производительность волокнистого фильтра, гидравлическое сопротивление аппарата, концентрацию капель на входе и выходе из туманоуловителя.

Все вышеперечисленные параметры (за исключением дисперсности капель) измерялись в соответствии с действующими ГОСТами.

Для получения воспроизводимых результатов анализа дисперсного состава промышленных аэрозолей, особенно конденсационного происхождения, предпочтение отдается методам определения, которые не требуют предварительного (до проведения анализа) осаждения дисперсной фазы. Таким является метод с использованием струйных сепараторов (импакторов), который и был применен при проведении настоящих исследований.

Установлено, что большинство промышленных аэрозолей (туманов) подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения частиц по размерам. В этом случае дисперсный анализ, проведенный с помощью импактора, позволяет экспериментальным путем определить две величины и адекватно характеризующие распределение капель тумана по размерам.

В диссертации предложен целый ряд методов и вспомогательных устройств, позволяющих определить дисперсный состав капель туманов с помощью импакторов, учитывающих такие сложности, как одновременное присутствие в газовом потоке твердых и жидких взвешенных частиц; образование капель в процессе охлаждения насыщенных газов, содержащих как конденсирующиеся пары кислот, так и крупные капли механического происхождения (брызгоунос) и др.

Свойства фильтровальных материалов оказывают существенное влияние на процесс осаждения взвешенных капель. Анализ параметров волокнистых материалов, включая последующие их гидравлические испытания, исследования эффективности осаждения капель, служил основой для разработки требований к фильтровальным материалам, рекомендуемым для установки в волокнистых туманоуловителях.

В диссертации приведены методики проведения испытаний фильтровальных материалов с оценкой погрешности полученных результатов, а также описание лабораторных и промышленных установок, использованных как для исследования фильтровальных материалов, так и комплексного изучения процесса улавливания капель.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований волокнистых фильтров.

Фильтровальные материалы. Основным материалом для улавливания капель является разработанный при участии НИИОГАЗа иглопробивной войлок марки Т-2, изготавливаемый из полипропиленовых волокон диаметром 50 мкм. В настоящее время этот материал выпускается по ТУ 8397-214-0030237-00. В некоторых случаях применяется фильтровальный материал ПВ-5 из лавсановых волокон диаметром 20 мкм. Лавсановое волокно более термостойко и может эксплуатироваться при температуре до 120°С, но уступает полипропиленовым волокнам по химической стойкости.

С целью выявления наиболее перспективных фильтровальных материалов был исследован ряд образцов (всего 16) отечественных нетканых материалов с диаметром волокна ~40 мкм. Анализ экспериментальных данных показал, что с наилучшими показателями по эффективности осаждения капель обладают фильтровальные материалы Смог-330 и Рунит, которые с учетом невысокой стоимости были рекомендованы для промышленного производства.

Положительный результат дали и испытания материала из стеклянных волокон «Supersil», по своим фильтровальным качествам этот материал оказался на уровне применяемых на практике материалов.

Исследования фильтровальных материалов позволили сформулировать требования к их свойствам и разработать на них ТУ.

Гидравлическое сопротивление. Обработка экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению сухих фильтровальных перегородок, изготовленных из различных материалов (металлической проволоки, монель-металла, полипропиленовых и лавсановых волокон и др.), проводилась на основании уравнения (1).

Исследования показали, что при скорости газового потока величина С, колеблется в пределах от 3 до 6. При Re<5 значения резко возрастают.

Обработка экспериментальных данных в переходном режиме при иг= 0,33,5 м/с и (1. = 25-50 мкм позволила получить эмпирическую формулу Др иг(1г

-- 830а2-36--(6)

Н Её,2

Гидравлическое сопротивление сухих фильтровальных перегородок, изготовленных из перфорированных винипластовых пленок может быть рассчитано по формуле

3,47 1>г2ргН

Др =- + --(7)

(НМ,)'-" 8.4

В случае, когда газовый поток содержит взвешенные капли, гидравлическое сопротивление волокнистого фильтра рассматривалось как сумма двух составляющих

Др4 = Др + Држ (8)

Подобный прием используется при анализе гидравлического сопротивления практически всех мокрых пылеуловителей (скрубберов), для

которых характерно наличие двухфазного потока. Для анализа величины гидравлического сопротивления за основу было принято выражение

Исследования показали, что величина £ ж зависит от Z и от материала фильтровальной перегородки. Для проволочных сеток коэффициент £ ж может быть рассчитан по эмпирической формуле

Коэффициент Он для иглопробивных войлоков может быть принят равным -826.

Для расчета величины для перфорированных винипластовых пакетов (пленок) формула (9) была видоизменена

и,2Н

Држ - Сж

(И)

Исследования показали, что значения величины для перфорированных пакетов выше, чем для волокнистых сеток. На основании экспериментальных данных получена зависимость, аналогичная формуле (10)

Сж= 26600 -136001^ (12)

Эффективность улавливания капель. Основной механизм улавливания частиц в волокнистых фильтрах в значительной степени определяет их размеры. Для частиц размером менее 0,5 мкм преобладает диффузионное осаждение, для более крупных все большую роль начинают играть эффекты касания и инерции. Скорость фильтрации оказывает противоположное влияние на диффузионное и инерционное осаждение частиц. В связи с этим, как указывалось выше, волокнистые фильтры (туманоуловители) и подразделяются на высоко- и низкоскоростные.

В высокоскоростных фильтрах скорость фильтрации обычно превышает 2 м/с, и доминирующим механизмом осаждения является инерционный, определяемый величиной критерия Стокса. Поскольку расчет параметров, входящих в критерий Stk (прежде всего <1, И е), в реальных условиях затруднен, было признано целесообразным использовать для получения расчетной зависимости метод физической аналогии. В качестве аналога было предложено использовать величину гидравлического сопротивления Подобная

физическая аналогия, безусловно, оправдана, так как трение, определяющее величину гидравлического сопротивления, и осаждение взвешенных частиц за счет инерционных сил на поверхности осаждения (волокнах) вызываются одним и тем же процессом перемещения газового потока через фильтрующий слой.

В результате обработки экспериментальных данных была получена зависимость

¿зо = 1,044ехр(-4,28 Ю^Др.),

(13)

которая действительна при скорости фильтрации >2 м/с и может быть использована для расчета эффективности высокоскоростных фильтров при нормально-логарифмическом распределении значений диаметра взвешенных

частиц по массе на входе в фильтр (что характерно для абсолютного большинства аэрозолей).

Для расчета эффективности улавливания капель в переходном режиме при скорости фильтрации порядка 1 м/с и гидравлическом сопротивлении Дра< 2000 Па была получена зависимость

В формулах (13) и (14) величина в мкм.

Адекватность предложенного метода расчета была подтверждена экспериментальными данными, полученными как в лабораторных, так и промышленных условиях.

В низкоскоростных фильтрах, работающих при скоростях фильтрации <0,2 м/с, осаждение капель происходит, в основном, за счет механизмов диффузии и зацепления. Причем, если роль первого из них с уменьшением скорости фильтрации возрастает, то влияние механизма зацепления остается постоянной.

Экспериментальные исследования показали, что фракционная эффективность волокнистого туманоуловителя, работающего в низкоскоростном режиме, как и высокоскоростном, подчиняется нормально-логарифмическому закону распределения, что позволяет принять для расчета эффективности волокнистого туманоуловителя, работающего в низкоскоростном (диффузионном) режиме, вероятностный метод, используемый для расчета высокоскоростных (инерционных) туманоуловителей.

Необходимое в этом случае значение d50 (мкм) может быть выражено в виде зависимости

где F— функция, полученная в результате подстановки зависимости (3) в комплекс, характеризующий фракционную эффективность улавливания капель в диффузионном режиме фильтрации. «Н

К--(2-1п11е)"3Ре-2/3] (16)

Я(1В

Удержание осевших капель поверхностью волокон. Эксперименты по фракционной эффективности осаждения капель веретенного масла в высокоскоростных фильтрах показали, что с ростом скорости эффективность увеличивается до определенной величины, после чего начинает снижаться. Таким образом, была подтверждена зависимость (5), которая в условиях эксперимента приняла вид

иг = 6,310-Ч (17)

Из выражения (17) следует, что капли размером 8,65 мкм отскакивают от смоченной поверхности при = 7,3 м/с, а капли размером 5,78 мкм - при 10 м/с. В то же время унос капель размером ~3 мкм должен произойти при достаточно высоких скоростях газового потока (около 20 м/с). Экспериментальные данные подтвердили возможность расчета скорости газового потока, соответствующей началу вторичного уноса капель определенного размера.

Комплексная очистка газов. Подход к применению волокнистых фильтров при наличии комплексных загрязнений в газовом потоке отличается в каждом конкретном случае. Следует иметь в виду, что присутствие в газах нерастворимых взвешенных частиц (или достаточно быстро затвердевающих капель) приводит к необходимости их регенерации. И здесь возможны два варианта: периодическая или непрерывная промывка поверхности фильтра жидкостью или замена (с утилизацией отработанной фильтрующей поверхности). В последнем случае решающим фактором становится экономика, определяющая целесообразность подобного подхода с учетом времени эксплуатации фильтра до замены.

Орошение фильтрующей поверхности необходимо и при улавливании газообразных примесей, т.е. в случае, когда волокнистый фильтр помимо осаждения взвешенных частиц (капель) абсорбирует газообразные вредности.

Для решения задачи комплексной очистки газов был разработан волокнистый фильтр-абсорбер с сеточной насадкой, представляющей собой гофрированную сетку объемного плетения из полипропиленовой нити диаметром 0,3 мм. Посекционное расположение насадочных слоев в виде кассет позволяет осуществить раздельное орошение каждой секции различными по составу растворами при улавливании многокомпонентных вредностей.

В пятой главе приведены конструкции промышленных волокнистых туманоуловителей, разработанные на основании диссертационных исследований.

Сернокислотное производство. Разработан брызгоуловитель, представляющий собой цилиндрическую емкость, заполненную отечественной полипропиленовой сеткой. Производительность одного элемента по газовому потоку составляет ~3,2 м3/ч, общее число элементов, встраиваемых в сернокислотный скруббер, достигает 600 и более. Эксперименты показали, что капли диаметром 5 мкм улавливаются брызгоуловителем с эффективностью 0,97. Брызгоуловители были внедрены на Рязанском нефтеперерабатывающем заводе.

Гальваническое производство. Для очистки аспирационного воздуха, отводимого от гальванических и травильных ванн, от капель туманов и кислот, разработан бортовой отсос со встроенным волокнистым фильтром типа БОФ-Н-П-500. Бортовой отсос изготавливается из нержавеющей стали или полипропилена. В качестве фильтровального материала применяется полипропиленовое полотно иглопробивное марки Т-2 или пакет винипластовых сеток. Бортовые отсосы успешно работают на целом ряде машиностроительных предприятий.

Продолжается работа по совершенствованию фильтров типа ФВГ (фильтр волокнистый для гальваники) производительностью от 5000 до 40000 м3/ч. Гидравлическое сопротивление фильтров не более 700 Па, эффективность улавливания капель при скорости фильтрации 3,0-3,5 м/с не менее 0,96. Фильтровальный материал — синтетический иглопробивной войлок из полипропиленовых волокон.

В результате модернизации фильтра типа СНАН-Ц; предназначенного для очистки выбросов от операции цианистого цинкования, был разработан

типоразмерный ряд волокнистых фильтров ФВГС-Ц на производительность 5, 10 и 20 тыс. м3/ч. Новый аппарат изготавливается из нержавеющей стали, что повышает его эксплуатационную надежность. Изменение расположения оросительных устройств и некоторое снижение скорости фильтрации позволило ликвидировать брызгоунос.

Осуществлена реконструкция скруббера производительностью 30000 м3/ч на линии травления алюминия в растворе щелочи на заводе ОАО «Мосметаллоконструкция». В аппарате была изменена система орошения, уменьшено проходное сечение и в качестве брызгоуловителя установлен иглопробивной фильтрующий материал с диаметром волокон 50 мкм, что позволило поднять эффективность очистки газов с 0,90-0,92 до 0,97-0,98.

Исследования действующих систем очистки аспирационных газов гальванических производств показали, что во многих случаях температура жидкости в ванне достигает 100°С и значительно превосходит температуру отводимого воздушного потока (20-25°С). Это приводит к уменьшению размера уносимых газом капель за счет их испарения.

Теоретический анализ, проведенный на основании классического уравнения Фреслинга, описывающего скорость испарения капли, с использованием экспериментальных данных, показал, что при высокой температуре раствора в ванне (>45°С) капли максимального размера испаряются практически мгновенно и достаточно быстро при температуре, близкой к температуре воздушного потока. Уменьшение размера капли за счет испарения сказывается на эффективности ее осаждения, что наблюдалось на ряде промышленных предприятий. Отсюда вытекает необходимость максимального приближения туманоуловителя к источнику выброса.

Проведенные исследования позволили определить возможности регенерации при улавливании "высыхающих" капель. Если осевшие частицы растворимы в воде (или в растворах), то промывка фильтровальной поверхности обеспечивает ее регенерацию. В тех же случаях, когда частицы нерастворимы, их регенерация посредством промывки фильтровальной поверхности становится практически невозможной: необходима периодическая замена фильтровальной поверхности.

Разработанный для комплексной очистки скруббер СННК производительностью 10000 м3/ч был установлен в гальваническом цехе ММПО "Красный Октябрь". Скруббер обеспечивал требуемую очистку аспирационных газов как от капель, так и от газообразных примесей (Н^04 и НС1 на входе в аппарат присутствовали в двух фазах).

Исследования позволили определить объемный коэффициент абсорбции К, хорошо растворимых газов в аппарате с насадкой в виде полипропиленовой сетки. Полученные значения К„ порядка 3000-7000 1/ч при скорости газового потока 1,1-1,2 м/с хорошо согласуются с данными по абсорбции хорошо растворимых газов в широко применяемых для этой цели насадочных абсорберах.

Улавливание капель тумана в процессах окраски. Исследования, проведенные в НИИОГАЗе, позволили выявить отечественные фильтровальные материалы, обеспечивающие необходимую эффективность улавливания аэрозоля краски. Эти материалы: "Вазопрон", ФСВУ в

течение восьми лет успешно эксплуатируются на окрасочной камере фирмы "Бецема" (г. Красногорск, Московская обл.). Объем очищаемого воздуха составляет 72000 м3/ч.

На фирме "Бецема" замена материала "Вазопрон" в фильтре для предварительной очистки приточного воздуха осуществлялась один раз в 6 месяцев, ФСВУ в основных фильтрах - 1 раз в две недели и "Вазопрон" в фильтрах тонкой очистки -1 раз в 4-8 недель.

Испытания фильтровальной перегородки из полипропиленовых волокон толщиной 5-6 мм, проведенные на установке фирмы "Бецема" при скорости фильтраци 0,55 м/с, показали возможность эксплуатации фильтра в течение 30 суток. Следует отметить, что фильтровальный материал, рекомендуемый фирмой "С"Ш" (Нидерланды) для этой операции, по регламенту подлежит замене после 14 суток эксплуатации.

Улавливание капель тумана фосфорной кислоты. Высокая эффективность волокнистых туманоуловители при улавливании капель фосфорной кислоты была подтверждена испытаниями фильтра производительностью 20000 м3/ч на действующей системе получения термической фосфорной кислоты. При скорости фильтрации от 2,6 до 6,1 м/с эффективность превысила 0,99. Концентрация капель на входе колебалась от 30 до 45 г/м3, гидравлическое сопротивление — от 2000 до 5500 Па.

Учитывая этот опыт, волокнистый туманоуловитель производительностью 20000 м3/ч был запроектирован для установки в системе очистки газовых выбросов агрегата термической обработки корпусов снарядов объекта уничтожения химического оружия, сооружаемого в настоящее время в г. Щучье Курганской обл.

В шестой главе изложена методика расчета волокнистых туманоуловителей, работающих в различных скоростных режимах по газовому потоку (высокоскоростном, низкоскоростном и переходном).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована необходимость разработки методов расчета и проектирования волокнистых фильтров (туманоуловителей), обеспечивающих эффективное улавливание содержащихся в промышленных и аспирационных выбросах высокодисперсных взвешенных частиц (капель туманов).

2. Обобщены и развиты научно-технические закономерности осаждения взвешенных жидких частиц (капель) в механических каплеуловителях. На основании анализа механизмов осаждения взвешенных частиц определены параметры, влияние которых является доминирующим при улавливании высокодисперсной жидкой фазы.

Показано, что подобными механизмами являются инерционный при размерах частиц крупнее 0,5 мкм и диффузионный при размерах частиц меньше 0,5 мкм. В связи с этим для улавливания субмикронных капель размером до 0,5 мкм рекомендовано применять низкоскоростные волокнистые фильтры, а для улавливания капель крупнее 0,5 мкм -высокоскоростные волокнистые фильтры.

3. Предложена общая классификация туманоуловителей, а также классификация волокнистых туманоуловителей, положенная в основу ГОСТ

Р 50821- 90 «Туманоуловители волокнистые. Типы и основные параметры». Разработанные классификации в направлении создания новых перспективных конструкций туманоуловителей.

4. Разработаны методологические основы дисперсного анализа капель в газовом потоке (в промышленных условиях).

Предложенные методы, основанные на применении струйных импакторов, позволяют проводить дисперсный анализ капель при:

- одновременном присутствии в газовом потоке твердых и жидких взвешенных частиц;

- наличии капель, образующихся за счет действия различных механизмов (конденсационного и механического);

- образовании капель в процессе охлаждения насыщенных газов, содержащих как конденсирующиеся пары кислот, так и крупные капли механического происхождения.

5. Обобщены данные по гидродинамике волокнистых туманоуловителей, уточнены оптимальные режимы их работы и предложены формулы для расчета их гидравлического сопротивления.

6. Теоретически обоснована и подтверждена практическими данными возможность вероятностного метода расчета волокнистых туманоуловителей в различных гидродинамических режимах: высокоскоростном, переходном и низкоскоростном.

7. Установлено влияние процесса испарения взвешенных капель на эффективность их осаждения в волокнистых туманоуловителях. Предложен метод расчета скорости испарения капель тумана, позволяющий оценить влияние места установки фильтра на эффективность осаждения капель.

8. Предложена и подтверждена экспериментально математическая модель, описывающая зависимость вторичного уноса капель от скорости фильтрации.

9. Предложены технические решения (Фильтр Волокнистый Гальванический Стальной для улавливания Цианистых соединений, Скруббер Насадочный Неметаллический для Комплексной очистки) по комплексной очистке газов в волокнистых туманоуловителях от взвешенных капель и газообразных примесей. На основании экспериментальных данных определен объемный коэффициент массопередачи при улавливании хорошо растворимых газов.

10. Разработаны и внедрены в промышленность эффективные и надежные в эксплуатации волокнистые туманоуловители.

Фильтры представляют собой типоразмерные ряды, рассчитанные на широкий диапазон нагрузки по очищаемым газам.

Аппараты оснащены отечественными фильтровальными материалами из полипропиленовых или лавсановых волокон, по своим техническим характеристикам ничем не уступающими более дорогостоящим зарубежным образцам.

Разработанные конструкции каплеуловителей с использованием отечественной полипропиленовой сетки показали высокую эффективность каплеулавливания и успешно применяются для замены выходящих из строя импортных устройств (сернокислотное производство, процессы окраски).

11. С помощью критериев Рейнольдса, Стокса и Пекле разработана методика инженерного расчета эффективности и гидравлического сопротивления волокнистых туманоуловителей, работающих в различных гидродинамических режимах.

Условные обозначения: О, - коэффициент диффузии, м2/«:; <1,, с!«, -диаметр волокон, капель, отверстий м; <1М - диаметр частиц (капель), улавливаемых с эффективностью, равной 0,5, м; <1т — медианный диаметр капель, м; Н - глубина фильтрующего слоя, м; Др, Држ, Др. - гидравлическое сопротивление сухого фильтра, за счет уловленных капель, общее, Па; Б0 -свободное сечение фильтровальной перегородки, м2; Уж - объемный расход, м'/с; иг - скорость газового потока, м/с; Ъ - массовая концентрация взвешенных частиц (капель) в газах, кг/м3; а - относительная плотность фильтрующей среды; С, , С,ж - коэффициент гидравлического сопротивления сухого фильтра, за счет уловленных капель; т) - эффективность осаждения капель; е - пористость; р - плотность газов, капель, кг/м3; ст - поверхностное натяжение, Н/м; ^ст - среднеквадратичное отклонение в функции распределения; Ре - критерий Пекле; Ие - критерий Рейнольдса; 8Ис — критерий Стокса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вальдберг А.Ю., Каменщиков И.Г., Огурцов А.В. Улавливание капель тумана в процессах окраски. М., Хим. и нефтегазов. машиностр., 2000, №9, с.47-48 (лично соискателя 1 с).

2. Вальдберг А.Ю., Мошкин А.А., Огурцов А.В. Современное состояние теории и практики образования и улавливания жидких аэрозольных частиц. Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. М., ВИНИТИ, 2002, №4, с.2-27 (лично соискателя 12 с).

3. Вальдберг А.Ю., Мошкин АЛ., Огурцов А.В. Метод расчета высокоскоростных пылеуловителей. М., Хим. и нефтегазов. машиностр., 2002, №4, с.47-48 (лично соискателя 1,5 с).

4. Вальдберг А.Ю., Огурцов А.В., Гришина С.Н. Расчет волокнистых туманоуловителей, работающих в переходном режиме. М., Хим. и нефтегазов. машиностр., 2003, №4, с.35-36 (лично соискателя 1,5 с).

5. Вальдберг А.Ю., Огурцов А.В., Косова М.М. Исследование новых образцов фильтровальных материалов для волокнистых туманоуловителей. М., Хим. и нефтегазов. машиностр., 2004, №4, с.35-37 (лично соискателя 2 с).

6. Вальдберг А.Ю., Огурцов А.В., Казначеева Т.О. К расчету низкоскоростных волокнистых туманоуловителей. М., Хим. и нефтегазов. машиностр., 2004, № 8, с.35-36 (лично соискателя 1 с).

7. Вальдберг А.Ю., Каменщиков И.Г., Огурцов А.В. Особенности эксплуатации волокнистых туманоуловителей в гальванических производствах. М., Хим. и нефтегазов. машиностр., 2004, №9, с.44-45 (лично соискателя 1 с).

8. Вальдберг А.Ю., Огурцов А.В., Рукина Н.С. Абсорбция хорошо растворимых газов в волокнистом фильтре. М., Хим. и нефтегазов. машиностр., 2004, № 10, с. 39-40 (лично соискателя 1 с).

ОГУРЦОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОЙ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. Специальность 03.00.16 - экология, технические науки

Подписано в печать 2.11.2004г. Формат 60x84 1/16. Объем 1.0 уч.-изд.л. Бумага писчая Тираж 100 экз. Заказ № 532.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного Университета 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября,84, ВГАСУ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Огурцов, Александр Владимирович

Основные условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УЛАВЛИВАНИЕ КАПЕЛЬ ТУМАНОВ В СИСТЕМАХ ГАЗООЧИСТКИ. ВОЛОКНИСТЫЕ ТУМАНОУЛОВИТЕЛИ.

1.1. Туманы (основные положения).

1.2. Классификация промышленных туманоуловителей.

1.3. Волокнистые туманоуловители.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТУМАНОБРЫЗГОУЛО

ВИТЕЛЕЙ.

2.1. Гидравлическое сопротивление.

2.2. Осаждение капель.

2.3. Удержание капель поверхностью осаждения.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ УСТАНОВКИ.

3.1. Общие положения.

3.2. Дисперсный состав капель тумана.

3.3. Определение дисперсности капель тумана.

3.4. Исследование параметров фильтровальных материалов.

3.5. Установка для исследований гидравлического сопротивления фильтрующих материалов и эффективности осаждения капель.

3.6. Экспериментальные установки.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ И ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Фильтровальные материалы.

4.2. Гидравлическое сопротивление.

4.3. Эффективность улавливания капель.

4.4. Удержание осевших капель поверхностью волокон.

4.5. Применение волокнистых фильтров для очистки газов, содержащих помимо капель взвешенные твердые вещества и газообразные вредности

4.6. Выводы.

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ ТУМАНОУЛОВИТЕЛИ

5.1. Применение волокнистых брызгоуловителей в сернокислотном производстве.

5.2. Гальванические производства.

5.3. Насад очный скруббер из полимерных материалов.

5.4. Улавливание капель тумана в процессах окраски.

5.5. Улавливание капель тумана фосфорной кислоты.

5.6. Выводы.

ГЛАВА 6. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ВОЛОКНИСТЫХ

ТУМАНОУЛОВИТЕЛЕЙ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка высокоэффективных волокнистых фильтров для улавливания высокодисперсной жидкой фазы вентиляционных выбросов"

Актуальность проблемы. Защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными и аспирационными выбросами является одной из важнейших проблем современности. Отсюда вытекает то серьёзное внимание, которое уделяется её решению в большинстве стран мира и, прежде всего, в странах экономически развитых.

Предотвращение выбросов в атмосферу актуально и для Российской Федерации.

Известно, что значительная доля выбросов падает на взвешенные частицы: Твёрдые и жидкие. В 2000 г. по официальным данным природоохранных органов превышение содержания взвешенных веществ в атмосфере по сравнению с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) отмечалось в 185 городах России, с общей численностью населения свыше 61 млн. человек. Согласно тем же данным, вредные взвешенные вещества, содержащиеся в приземном слое атмосферы, лидируют по масштабу воздействия- на здоровье человека. Их отрицательному влиянию подвержены около-15 млн. граждан России. Считается, что наибольшая опасность (для здоровья) связана с жидкими взвешенными частицами (каплями тумана), к которым относятся различные кислоты (серная, фосфорная), щелочи, ^мульсии.

Отсюда вытекают важные задачи по разработке и освоению серийного производства простых и надёжных в эксплуатации аппаратов, обеспечивающих эффективное улавливание взвешенных в газовых потоках капель -туманоуловителей. Среди аппаратов этого типа в последние годы преобладающее значение приобрели волокнистые туманоуловители, обеспечивающие высокую эффективность при осаждении капель практически любого размера.

Широкий спектр различных по конструкции волокнистых каплеуловителей, применяемых на практике, значительно опередил уровень теоретических исследований действующих в них механизмов осаждения капель. Это Обстоятельство привело к отсутствию, в большинстве случаев, надёжных методов их инженерного расчёта и подчас являлось причиной серьёзных просчётов при разработке промышленных установок. Особенно это касается улавливания капель туманов конденсационного происхождения, отличающихся исключительно мелким размером взвешенных частиц (<5мкм), и комплексной очистке газов от одновременно присутствующих в очищаемом потоке взвешенных жидких и твёрдых частиц.

В' связи с этим разработка научно-технических основ осаждения капель в волокнистых материалах и на их базе принципов инженерного расчёта волокнистых туманоуловителей должна позволить преодолеть разрыв, существовавший между теорией и практикой, и научно обоснованно подходить к выбору аппаратурного оформления и технологического решения систем очистки газов, обеспечивающих Эффективное улавливание жидких взвешенных частиц.

Значительная доля технологических процессов, связанных с улавливанием капель туманов, протекает в условиях химически агрессивной среды, например, сернокислотное производство. Поэтому технические решения^ по разработке конструкций эффективных туманоуловителей в большинстве случаев пересекаются с необходимостью их коррозионной * защиты или, что более перспективно, с применением материалов, стойких в химически агрессивных средах.

Проведённые исследования базируются на фундаментальных работах по теории образования туманов и поведения взвешенных в них капель, которые в значительной степени принадлежат отечественным учёным. В этой связи необходимо отметить автора целого ряда монографий, посвященных вопросам образования туманов, А.Г. Амелина и создателя механики аэрозолей Н.А. Фукса.

Важные теоретические вопросы, связанные с образованием и поведением капель, в газовом потоке, освещены в работах В.Г. Левича, С.С. Кутателадзе и М.А. Стыриковича.

К сожалению, как исследований, так и работ, относящихся непосредственно к технике каплеулавливания в волокнистых фильтрах, немного. Здесь в первую очередь, следует выделить работы Б.И. Мягкова и И.Г. Каменщикова по разработке и эксплуатации волокнистых туманобрызгоуловителей. ^ Диссертация выполнена в Научно-исследовательском институте по промышленной и санитарной очистке газов — НИИОГАЗ в соответствии с перспективными планами развития техники очистки промышленных выбросов

Федеральная целевая научно-техническая программа 1996-2000 г.г. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», раздел «экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы химии и химической технологии»).

Цель работы. Развитие теоретических основ улавливания жидких взвешенных частиц (капель) в волокнистых туманоуловителях и разработка на их базе надёжных методов выбора и расчёта туманоуловителей.

Эта цель достигались комплексным решением следующего круга задач:

• углублённого анализа процессов, происходящих при осаждении взвешенных ^ частиц (капель) — механизмов осаждения;

• обобщения экспериментальных данных по аэро- и гидродинамике и эффективности осаждения капель в волокнистых туманоуловителях;

• формулирования требований к фильтровальным материалам, применимым в волокнистых туманоуловителях;

• реализации полученных технических решений в виде новых перспективных конструкций туманоуловителей, успешно осваиваемых промышленностью.

В основу теоретических и прикладных исследований положены закономерности аэрогидродинамики и механики аэрозолей, которые в сочетании с ^кспериментально-статическими методами обработки данных исследований обеспечивают получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов.

Научная новизна. Предложена инженерная классификация волокнистых туманоуловителей; обобщены данные по гидродинамике волокнистых туманоуловителей, определены области их устойчивой надёжной работы и предложены зависимости для инженерного расчёта их гидравлического сопротивления; рассмотрены основные механизмы осаждения взвешенных жидких частиц (капель) в туманоуловителях и определены характеризующие их параметры; ^гзучено влияние вторичного уноса на эффективность осаждения капель в волокнистых туманоуловителях; получены выражения для определения эффективности осаждения взвешенных капель в волокнистых туманоуловителях, послужившие основой для разработки методов инженерного расчёта, а также значения коэффициентов абсорбции хорошо растворимых газов при осуществлении комплексной очистке газов от взвешенных и газообразных вредностей.

На защиту выносятся:

- научно-технические основы процесса очистки газов от взвешенных жидких частиц (капель) в волокнистых туманоуловителях;

- методы расчёта осаждения взвешенных капель и хорошо растворимых газов в волокнистых туманоуловителях;

- конструкции перспективных аппаратов фильтрационного типа для механической очистки газов от капель туманов и газообразных вредностей; - результаты внедрения волокнистых туманоуловителей в различные отрасли промышленности.

Практическая ценность. Разработан и внедрён в промышленность целый ряд волокнистых туманоуловителей и систем очистки газов, базирующихся на их использовании.

При непосредственном'участии автора разработана техническая документация на волокнистые туманоуловители в виде типоразмерных рядов, охватывающих значительный диапазон производительности аппаратов по очищаемым газам. Результатами проведенных исследований, оформленными в виде регламентов и ^рекомендаций на проектирование, широко пользуются проектные институты: Гипрогазоочистка, СантехНИИпроект, АО НПО «Техэнергохимпром», Гипросинтез, ГИПРОНИИАВИАПРОМ, «СИБГИПРОЗОЛОТО»,

Уралцветметгазоочистка.

На основе полученных при проведении i работы экспериментальных данных, теоретических обобщений, конструктивных решений, методов расчёта происходит всё нарастающее внедрение в различные области промышленности и системы аспирации новых высокоэффективных и надёжных в эксплуатации экономичных волокнистых туманоуловителей.

Ф Отдельные аспекты работы систематически используются в практике работы высших учебных заведений - Московском государственном университете инженерной экологии, Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева, Московском государственном институте стали и сплавов,

Воронежской государственной технологической академии, Воронежской государственной архитектурно-строительной академии, Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина.

Личный вклад соискателя состоит в разработке классификации волокнистых туманоуловителей, в обобщении экспериментальных и промышленных данных по гидродинамике волокнистых туманоуловителей.

Соискателем разработаны аналитические методы и расчётные зависимости для оценки гидравлического сопротивления волокнистых туманоуловителей, вторичного брызгоуноса, эффективности осаждения капель и абсорбции хорошо растворимых газов в волокнистых туманоуловителях; сформулированы технические требования к фильтровальным материалам, применимых в волокнистых туманоуловителях; разработаны конструкции и внедрены в промышленность волокнистые туманоуловители, обеспечивающие реализацию исходной задачи работы.

Апробация работы.

1). 15-й Международный Конгресс проектирования химических процессов (г. Прага, Чехия, 25-29 августа 2002 г) (15-й Международный конгресс технических и химических процессов).

2). 5-я Международная конференция Экология и проектирование (г. Вильнюс, ® Литва, 23-24 мая 2002г.

3)" К^-й Международный Конгресс проектирования химических процессов (г. Прага, Чехия, 22-26 августа 2004 г) (16-й Международный конгресс технических и химических процессов).

4). Круглый стол «Экология и город» в рамках IV сессии Международной конференции «Эволюция инфосферы» (г. Москва, 23-25 марта 2004г., РАН)

5). 1-я Международная конференция «ЭкоРос» (г. Москва, 14-16 октября 2002г.)

6). 2-я Международная конференция «ЭкоРос-2003» (г. Москва, 21-23 октября ♦ 2003г.)

7). 2-я Международная конференция «Инженерная защита атмосферы» (г. Москва, 18-19 апреля 2000г.) и

8). 5-я Международная конференция «Инженерная защита окружающей среды» г. Москва, 14-15 апреля 2003г.)

Публикации.

1. «Улавливание капель тумана в процессах окраски». М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2000 №9, с. 47-48 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, И.Г. Каменщиковым).

2. «Современное состояние теории и практики образования и улавливания жидких аэрозольных частиц. Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. М. ВИНИТИ, 2002, №4, с. 2-27 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, М.М. Косовой).

3. «Метод расчёта высокоскоростных туманоуловителей» М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2002 №7, с. 45-46 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, А.А. Мошкиным).

4. «Расчёт эффективности волокнистых туманоуловителей, работающих в переходном режиме» М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2003 №4, с. 35-36 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, С.Н. Гришиной).

5. «Исследования новых образцов фильтровальных материалов для волокнистых туманоуловителей» М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2004 №4, с. 35-37 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, М.М. Косовой).

6. «К расчёту низкоскоростных волокнистых туманоуловителей» М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2004 №8, с. 35-36 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, Т.О. Казначеевой).

7. «Особенности эксплуатации волокнистых туманоуловителей в гальванических производствах» М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2004, №9, с.44-45 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, И.Г. Каменщиковым).

8. «Абсорбция хорошо растворимых газов в волокнистом фильтре» М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2004, № 10, с. 39-40 (совместно с А.Ю. Вальдбергом, Н.С. Рукиной).

Заключение Диссертация по теме "Экология", Огурцов, Александр Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ К РАБОТЕ

1. Обоснована необходимость разработки методов расчета и проектирования волокнистых фильтров (туманоуловителей), обеспечивающих эффективное улавливание содержащихся в промышленных и вентиляционных выбросах высокодисперсных взвешенных частиц (капель туманов).

2. Уточнены закономерности осаждения взвешенных жидких частиц (капель) в механических каплеуловителях. На основании анализа механизмов осаждения взвешенных частиц определены параметры, влияние которых является доминирующим при улавливании высокодисперсной жидкой фазы.

Показано, что подобными механизмами являются инерционный при размерах частиц крупнее 0,5 мкм и диффузионный при размерах частиц меньше 0,5 мкм. В связи с этим для улавливания субмикронных капель размером до 0,5 мкм рекомендовано применять низкоскоростные волокнистые фильтры, а для улавливания капель крупнее 0,5 мкм - высокоскоростные волокнистые фильтры.

3. Предложена общая классификация туманоуловителей, а также классификация волокнистых туманоуловителей, положенная в основу ГОСТ Р 50821-90 «Туманоуловители волокнистые. Типы и основные параметры». Разработанные классификации являются исходным материалом для дальнейших исследований в направлении создания новых перспективных конструкций туманоуловителей.

4. Разработаны методологические основы дисперсного анализа капель в газовом потоке (в промышленных условиях).

Предложенные методы, основанные на применении струйных импакторов, позволяют проводить дисперсный анализ капель при :

- одновременном присутствии в газовом потоке твердых и жидких взвешенных частиц;

- наличии капель, образующихся за счет действия различных механизмов (конденсационного и механического);

- образовании капель в процессе охлаждения насыщенных газов, содержащих как конденсирующиеся пары кислот, так и крупные капли механического происхождения.

5. Уточнены коэффициенты гидравлического сопротивления волокнистых туманоуловителей и оптимальные режимы их работы; предложены формулы для расчета их гидравлического сопротивления.

6. Теоретически обоснована и подтверждена практическими данными возможность вероятностного метода расчета волокнистых туманоуловителей в различных гидродинамических режимах: высокоскоростном, переходном и низкоскоростном.

7. Установлено влияние процесса испарения взвешенных капель на эффективность их осаждения в волокнистых туманоуловителях. Предложен метод расчета скорости испарения капель тумана, позволяющий оценить влияние места установки фильтра на эффективность осаждения капель.

8. Предложена и подтверждена экспериментально математическая модель, описывающая зависимость вторичного уноса капель от скорости фильтрации. ^

9. Предложены технические решения (Фильтр Волокнистый Гальванический Стальной для улавливания Цианистых соединений, Скруббер Насадочный Неметаллический для Комплексной очистки) по комплексной очистке газов в волокнистых туманоуловителях от взвешенных капель и газообразных примесей. На основании экспериментальных данных определен объемный коэффициент массопередачи при улавливании хорошо растворимых газов.

10. Разработаны и внедрены в промышленность эффективные и надежные в эксплуатации волокнистые туманоуловители. Аппараты оснащены отечественными фильтровальными материалами из полипропиленовых или лавсановых волокон, по своим техническим характеристикам ничем не уступающими более дорогостоящим зарубежным образцам.

11. С помощью критериев Рейнольдса, Стокса и Пекле разработана методика инженерного расчета эффективности и гидравлического сопротивления волокнистых туманоуловителей, работающих в различных гидродинамических режимах.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Огурцов, Александр Владимирович, Москва

1. Амелин А.Г, Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М., Химия, 1972, 304 с.

2. Фукс Н.А., Сутугин А.Г. Высокодисперсные аэрозоли. М., ВИНИТИ, 1969, 84 с.

3. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М., Химия,1972, 248 с.

4. Вальдберг А.Ю., Исянов JI.M., Яламов Ю.И. Теоретические основы охраны атмосферного воздуха от загрязнения промышленными аэрозолями. Санкт-Петербург, МП "НИИОГАЗ-Фильтр" -С.Пб. ГТУ РП, 1993, 235 с.

5. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М., Изд-во АН СССР, 1955, 352 с.

6. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М., Изв. АН СССР, 1958, 92 с.

7. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М., Физматгиз, 1959, 700 с.

8. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. М., Химия, 1981, 392 с.

9. Распыливающие устройства в аппаратах газоочистки. Авт.: Г.К.Лебедюк, В.С.Галустов, Ю.В.Ковалевский. Обзорная информация, ХМ-14, М., ЦИНТИ-Химнефтмаш, 1976, 52 с.

10. Вальдберг А.Ю., Савицкая Н.М. Обобщенная оценка дисперсного распыла гидравлических форсунок. Теор. основы хим. технологии, 1989, т.23, N5, с.689-692.

11. Вальдберг А.Ю., Савицкая Н.М., Ковалевский Ю.В. Форсуночный подвод жидкости в аппараты и системы очистки газов. Обзорная информ. ХМ-14, М., ЦИНТИХимнефтемаш, 1990, 28 с.

12. Справочник по пыле- и золоулавливанию. Под общ. ред. А.А.Русанова. М., Энергоатомиздат, 1983, 312 с.

13. Lefebvre А.Н. Atomisation and Sprey Technology, 1987, v.3, N1, p.37-51.

14. Вальдберг А.Ю., Савицкая Н.М. Пневматическая форсунка для тонкого распыла жидкости. Хим. и нефтегазовое машиностроение, 1998, N5, с. 29-31.

15. Jasuia А.К. Atomisation of crude and residual fuel oils. ASME, Paper 78/GI/83,presented at ASME. Gas Turbine Conference, London, April, 1978.

16. Витман JI.A., Кацнельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкостей форсунками. М., Госэнергоиздат, 1962, 264 с.

17. Nukiyama S, Tanasawa Y. Experiments on the atomisation of liquids in an airstream. Trans.Soc.Mech.Engng, Japan, 1939, v.5, p.68-75.

18. Stearman F, Williamson G.G. In.Gas Purification Process. Ed. by G.Nonhebel. London, Newns-Butterworth, 1972, p.564-577.

19. Мягков Б.И., Каменщиков И.Г., Резник Ф.Б. Очистка воздуха от гальванических ванн. Обзорная информация, ХМ-14, М., ЦИНТИХимнефтемаш, 1978,48 с.

20. Каплеуловители и их применение в газоочистке. Авт.: Г.К.Лебедюк, А.Ю.Вальдберг, М.П.Громова и др. Обзорная информация, ХМ-14, М., ЦИНТИХимнефтемаш, 1974, 84 с.

21. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М., Энергия, 1976, 296 с.

22. Вальдберг А.Ю., Мошкин А.А., Каменщиков И.Г. Образование туманов и каплеулавливание в системах очистки газов. М., ОАО «НИИОГАЗ», 2003, 256 с.

23. Экологические требования к установкам очистки газов. Методическое пособие. Минприроды России, Санкт-Петербург, 1996, 58 с.

24. Пылеулавливание в металлургии. Справочник, под ред. А.А.Гурвица. М., Металлургия, 1984, 336 с.

25. Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрений. Под ред. ЭЛ.Тарата. Л., Химия, 1979, 208 с.

26. Балабеков О.С., Балтабаев Л.Ш. Очистка газов в химической промышленности. М., Химия, 1991,256 с.

27. ГОСТ Р 50821-95 Туманоуловители волокнистые. Типы и основные параметры. Требования безопасности. Методы испытаний. М., ИПК, изд-во стандартов, 1996, 12 с.

28. Авт. свид.№1417278 Фильтровальный материал. Авт.: С.И.Лаптев и др.

29. Авт. свид.№1437076 Фильтровальный материал. Авт.: В.П.Мишта и др.1. Бюлл.№42, 1987.

30. Авт. свид.№1438825 Фильтровальный материал. Авт.: В.П.Мишта и др. Бюлл.№43, 1988.

31. Авт. свид.№ 1489809 Устройство для очистки газов. Авт.: И.Н.Бараш и др. Бюлл.№24, 1989.

32. Вальдберг А.Ю. Расчет гидравлического сопротивления насадочных скрубберов. Хим. и нефт.машиностр., 1996, №1, с.52-55.

33. Ужов В.Н., Мягков Б.И. Очистка промышленных газов фильтрами. М., Химия, 1970, 320 с.

34. Davies C.N. Air Filtration. London-New Jork, Academie Press, 1973, 172 p.

35. Sullivan R., Hertel K. Advances in Colloid Science, 1942, v.l, N4, p.37-80.

36. Langmuir J. The Collected Works, London, 1961, v.10, p.394.

37. Ergun S. Chem. Engng. Progr., 1952, v.48, p.89-94.

38. Whitby K.T. ASHRAF, 1955, v.7, N9, p.56-64.

39. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Машиностроение, 1975, 559 с.

40. Вальдберг А.Ю., Крайнов Н.В., Савенков Н.В., Савицкая Н.М. Расчет эффективности высокоскоростных волокнистых фильтров. Теор.основы хим. технол., 1994, т.28, N2, с.164-166.

41. Вальдберг А.Ю., Мошкин А.А., Каменщиков И.Г. Эффективность улавливания капель тумана в волокнистых фильтрах при малых скоростях фильтрации. Хим. и нефтегазов. машиностроение, 1999, N1, с.40-42.

42. Кирш В.А. Моделирование аэрозольных волокнистых фильтров при накоплении частиц. Автореферат канд. диссерт. М., ИФН РАН, 2001, 20 с.

43. Черняков A.JI. Гидродинамика волокнистых сред и ее применение в теории подобия. Автореферат докт. диссерт. М., ФГУП НИФХИ им.ЛЯ.Карпова, 2001,27 с.

44. Натансон Г.Л. ДАН СССР, 1957, т. 112, N1, с. 100-103. 45.3имон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М., Химия, 1976, 432 с.

45. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М., Стройиздат, 1981,296 с.

46. ГОСТ 17.2.4.06-90 Охрана природы. Атмосфера. Методы определенияскорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.

47. ГОСТ 17.2.4.07-90 Охрана природы. Атмосфера. Методы определения давления и температуры газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.

48. ГОСТ 17.2.4.08-90 Охрана природы. Атмосфера. Методы определения влажности газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.

49. ГОСТ 17.2.4.01-80 Охрана природы. Атмосфера. Метод определения величины каплеуноса после мокрых газоочистных аппаратов.

50. ГОСТ Р 50820-95 Оборудование газоочистное и пылеулавливающее. Методы определения запыленности газопылевых потоков.

51. ГОСТ 21956-88 Бумага и картон фильтровальные. Метод определения герметичности.

52. ГОСТ 8047-93 Бумага и картон. Правила приемки. Отбор проб для определения среднего качества.

53. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М., Высшая школа, 1963, 254 с.

54. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. Метод расчета эффективности механических пылеуловителей по энергозатратам. Теор. основы химической технологии, 1992, т.26, N1, с.145-147.

55. Рамм В.М. Абсорбция газов. М., Химия, 1976, 656 с.

56. Каталог газоочистного оборудования. С.-Петербург, ЦОЭК при Госкомэкологии РФ, 1997, 232 с.

57. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М., Мир, 1971, 536 с.

58. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплотехническим свойствам газов и жидкостей. М., Физматгиз, 1963, 703 с.

59. Рабинович В.А., Хавкин В.Я. Краткий химический справочник. JL, Химия, 1991,432 с.