Энергетический метод расчета эффективности мокрых пылеуловителей

Эффективность работы мокрых пылеуловителей в значительной степени зависит от затрат энергии на процесс очистки газа, включая как энергию затрачиваемую на движение газов через аппарат, так и энергию, расходуемую на подачу и диспергирование жидкости. При этом следует учитывать только энергию, затрачиваемую в пределах аппарата.

Главным энергетическим параметром мокрого пылеуловителя является суммарная энергия соприкосновения К_ч, т.е. расход энергии на обработку жидкостью определенного объема газов в единицу времени. Численную величину этого параметра определяют из следующего выражения

К_ч = Dр_ап + р_ж V_ж/ V_г, кДж/1000 м³ газа                                                                       (4.7)

где Dр_ап – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; р_ж – давление диспергируемой жидкости при входе в аппарат, Па; V_ж и V_г – объемные расходы соответственно жидкости и газа, м³/с.

В соответствии с энергетическим методом расчета степень очистки газов в мокром пылеуловителе может быть определена по формуле

,                                                                                                                   (4.8)

где В и c – константы, зависящие от физико-химических свойств и дисперсного состава улавливаемой пыли.

При высоких степенях очистки оценку эффективности работы аппарата удобнее выражать не степенью очистки h, а числом единиц переноса N_ч связанным с эффективностью зависимостью

.                                                                                                                   (4.9)

Из сопоставления выражений (4.8) и (4.9) можно получить выражение

.                                                                                                                   (4.10)

Зависимость (4.10) в логарифмических координатах К_ч- N_ч отображается прямой линией, угол наклона которой к горизонту дает величину c, а величина В определяется как значение N_ч при К_ч = 1. Величины коэффициентов c и В определяются экспериментально для каждой отдельной пыли. Результаты испытаний некоторых видов пылей приведены в таблице Приложения 1.

Температура и барометрическое давление атмосферного воздуха зависят от высоты над уровнем моря, географического расположения и погодных условий. На уровне моря в качестве стандартных приняты: температура 15 °С и барометрическое давление 101,325 кПа. Значения температуры и барометрического давления для стандартной атмосферы на высоте от -500 до 20000 м можно вычислить по формулам [3]:

         P_б=101,325 (1–2,25577 10^-5 Z)^5,2559;                                       

                                                               t =15–0,0065 Z,                                                        

где Z – высота над уровнем моря, м;

Р_б – барометрическое давление, кПа;

t – температура воздуха, ° С.

Эффективность очистки газов зависит от гидравлического сопротивления скруббера Вентури и величины удельного орошения.

Рассчитав режим работы скруббера Вентури (скорость газа в горловине трубы и удельное орошение), можно обеспечить любую требуемую концентрацию пыли в очищенном газе.

В скрубберах Вентури, как и других мокрых пылеулавливающих аппаратах, протекают тепло и массообменные процессы, описанные выше (уравнения 4.1-4.6). При проведении практических расчетов скрубберов Вентури важно знать изменение температуры очищаемых газов.

Для определения температуры газов на выходе из трубы Вентури Т₂ можно использовать эмпирическое выражение

Т₂ = (0,133-0,041 m)· Т₁ +35, ° С                                                                                     (4.16)

где Т₁ – начальная температура газов, ° С; m _– удельный расход орошающей жидкости, м³/м³.

Расчет скрубберов Вентури

В настоящее время для расчета эффективности пылеулавливания скрубберов Вентури пользуются энергетическим методом, приведенным выше.

Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури D р_о находят как сумму гидравлических сопротивлений трубы Вентури D р_Т и каплеуловителя D р_к

D р_о = D р_Т + D р_к, Па.                                                                                                       (4.17)

Потеря давления в трубе Вентури D р_Т определяется как сумма гидравлического сопротивления сухой трубы Вентури D р_с и увеличения гидравлического сопротивления трубы Вентури, обусловленного введением жидкости D р_ж

D р_Т = D р_с + D р_ж, Па.                                                                                                       (4.18)

Гидравлическое сопротивление сухой трубы Вентури D р_с определяется из выражения

, Па,                                                                                                        (4.19)

где w _г – скорость газов в горловине трубы при рабочих условиях, м/с; r _г – плотность газов при рабочих условиях, кг/м³; x _с – коэффициент сопротивления сухой трубы Вентури (справочная величина).

Для нормализованных труб Вентури при длине горловины l ₂ = 0,15 d ₂ можно принимать x _с =0,12-0,15.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное введением жидкости D р_ж, определяется из выражения

, Па,                                                                                                 (4.20)

где m – удельный расход орошающей жидкости, м³/м³; r _ж – плотность орошающей жидкости, кг/м³; x _ж – коэффициент сопротивления, обусловленный вводом жидкости.

Для определения коэффициента сопротивления, обусловленного вводом жидкости x _ж, для нормализованных труб с центральным вводом жидкости в конфузор, можно воспользоваться эмпирическим выражением

x _ж = 0,63× x _с × m ^-0,3 .                                                                                                          (4.21)

Значения x _ж для других способов подвода воды приведены в специальной литературе.

Гидравлическое сопротивление каплеуловителя D р_к определяется из выражения

, Па,                                                                                                        (4.22)

где w _ц – скорость газов в циклоне (должна находиться в пределах 2,5-4,5 м/с); x – коэффициент сопротивления циклона (принимается x=30-33 – для прямоточных циклонов, x=70 – для циклонов типа ЦН-24).

Необходимый диаметр каплеуловителя d _ц определяется по формуле

, м.                                                                                                           (4.23)

Активная высота каплеуловителя Н_ц в зависимости от скорости газа принимается по данным таблицы 2.

Таблица 2

w ц, м/с	2,5-3	3-3,5	3,5-4,5	4,5-5,5
Нц (в долях от d ц)	2,5	2,8	3,8	4,5

 

Для определения основных размеров нормализованных труб Вентури пользуются следующими соотношениями:

– длина горловины l_г=0,15×d_г, (d_г – диаметр горловины);

– угол сужения конфузора a₁=25-28°;

– длина конфузора l_к=(d_к–d_г)/2tg(a₁/2),  (d_к – диаметр входного сечения конфузора);

– угол расширения диффузора a₂= 6-8°;

– длина диффузора l_д=(d_д–d_г)/2tg(a₂/2), (d_д – диаметр выходного сечения диффузора).

Пример выбора и расчета скруббера Вентури

Задание. Выбрать и рассчитать скруббер Вентури для очистки отходящих газов закрытой ферросплавной печи, выплавляющей силикомарганец, определить размеры скруббера, эффективность его работы и гидравлическое сопротивление при следующих данных: расход газа при нормальных условиях V _о =2000 м³/ч, коэффициент сопротивления циклона-каплеуловителя x =32, температура газа Т_г =60° С, разрежение перед трубой Вентури Р_г =1,2 кПа, плотность газа при нормальных условиях r _о =1,26 кг/м³, концентрация пыли в газе z ’ =1 г/м³, температура воды, поступающей на орошение по напором Р_в =300 кДж, составляет Т_н = Т_ж =35° С, необходимая концентрация пыли на выходе из аппарата z ’’ =20 мг/м³, удельный расход воды на орошение m =1,2 дм³/м³.

 

Решение:

1. Необходимая степень очистки газа ;

 = 0,98.

2. Число единиц переноса

;

=3,91.

Удельную энергию, К_ч, кДж/1000 м³ газа, затрачиваемую на пылеулавливание, определяют из уравнения , подставив численное значение  и взяв значения коэффициентов В и c из таблицы Приложения 1. Получим выражение

 откуда  кДж/1000 м³ газа.

4. Общее гидравлическое сопротивление скруббера Вентури

 

=12540 Па,

где m = 0,0012 м³/м³ – удельный расход воды на орошение.

5. Плотность газа на входе в трубу Вентури при рабочих условиях

;

=1,02 кг/м³.

6. Объемный расход газа, поступающего в трубу Вентури при рабочих условиях

;

= 0,69 м³/с.

7. Расход орошающей воды

М_в = V ₁ × m = 0,69×1,2 = 0,83 дм³/с.

8. Температура газов на выходе из трубы Вентури

Т₂ = (0,133–0,041 · m)× Т_г + Т_ж = (0,133–0,041×1,2) ×60+35 = 40° С.

 

9. Плотность газов на выходе из трубы Вентури (считаем, что газы насыщены влагой (d = 0,063 кг/м³)

;

=0,93 кг/м³,

где D р_m – сопротивление трубы Вентури, предварительно принимаемое равным 12 кПа (на основании работы аппаратов-аналогов).

10. Объемный расход газа на выходе из трубы Вентури

;       

=0,75 м³/с.

По таблице П.2.1 выбираем аппарат типа ГВПВ-0,006 с производительностью1700-3500 м³/ч.

Рассчитываем параметры циклона-каплеуловителя

11 а) Диаметр циклона-каплеуловителя:

;     

= 0,62 м.

где w _ц – скорость газа в циклоне-каплеуловителе (для прямоточных циклонов принимаем w _ц = 2,5 м/с).

В качестве каплеуловителя выбираем прямоточный циклон типа КЦТ-600 (таблица П.2.2) с внутренним диаметром циклона D = 600 мм и производительностью 3890-5600 м³/час.

11 б) Высота циклона-каплеуловителя

H = 2,5 × D =2,5×0,62 = 1,55 м.

11 в) Гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя

;        

 = 93 Па.

12. Гидравлическое сопротивление трубы Вентури

D р _m = D р – D р_ц =12540-93 = 12447 Па.

13. Коэффициент сопротивления, обусловленный вводом орошающей жидкости, для нормализованной трубы Вентури

x _ж =0,63 × x _с × m ^-0,3 =0,63×0,145×0,0012 ^-0,3 =0,69,

где x _с =0,145 – коэффициент сопротивления сухой нормализованной трубы Вентури.

14. Необходимая скорость газов в горловине трубы Вентури

;   

=160,8 м/с.

Рассчитываем геометрические размеры трубы Вентури

15 а) Диаметр горловины трубы Вентури, м

d_г = d₂= 1,13  ,

= 0,077 м.

По полученному диаметру горловины, используя данные Приложения 2, выбираем аппарат типа ГВПВ-0,006 с производительностью1700-3500 м³/ч и находим все остальные размеры нормализованной трубы Вентури:

15 б) Длина горловины l_г, м

l_г= 0,15×d_r,

где d_г – диаметр горловины.

15 в) Диаметр входного отверстия конфузора, м

d_к= d₁= 1,13  ,

где V_{1 – объемный} расход газа, поступающего в трубу Вентури при рабочих условиях, м³/с; w_вх – скорость воздуха во входном патрубке, равная 15-20 м/с.

15 г) Длина конфузора l_к, м

l_к = (d_k-d_г)/2tg (α₁/2),

где α₁ – угол раскрытия конфузора, равный 25-30°.

15 д) Диаметр выходного отверстия диффузора, d_д, м

d_д= d₃= 1,13  ,

где V₂ – объемный расход газа на выходе из трубы Вентури, м³/с; w_вых – скорость выхода воздуха из диффузора, равная 16-18 м/с.

15 е) Длина диффузора l_д, м

l_д = (d_д-d_г)/2tg (α₂/2),

где α₂ – угол раскрытия диффузора, равный 6-8°.

15 ж) Диаметр сопла подачи воды d_с, м

d_c =1,06 ,

где М_в – расход орошающей воды, м³/с, Р_в – напор воды поступающей на орошение, Па.

16. Степень очистки газа

;

=1–exp(–3,91)= 1–0,0200405=0,9799,

где В и c – константы, зависящие от физико-химических свойств и дисперсного состава пыли, образующейся при выплавке силикомарганца в закрытых ферросплавных электропечах (выбираются согласно данным таблицы Приложения 1).

В = 6,9·10^-3; c   = 0,67

Или проще

0,9799=97,99 %.

17. Концентрация пыли на выходе из скруббера Вентури составляет

= (1-0,9799)×1000 = 20,1 мг/м³.

Исходные данные для расчета скруббера Вентури

Задание для варианта 1

Выбрать и рассчитать скруббер Вентури для очистки отходящих газов от пыли известковых печей, определить размеры скруббера, эффективность его работы и гидравлическое сопротивление при следующих данных: расход газа при нормальных условиях V _о =2650 м³/ч, коэффициент сопротивления циклона-каплеуловителя x =32, температура газа Т_г =98° С, разрежение перед трубой Вентури Р_г =1,29 кПа, плотность газа при нормальных условиях r _о =1,19 кг/м³, концентрация пыли в газе z ’ =1 г/м³, температура воды, поступающей на орошение по напором Р_в =400 кДж, составляет Т_н = Т_ж =35° С, необходимая концентрация пыли на выходе из аппарата z ’’ =27 мг/м³, удельный расход воды на орошение m =1,0 дм³/м³. Коэффициент сопротивления сухой нормализованной трубы Вентури x _с =0,135.Влагосодержание d = 0,069 кг/м³. Скорость газа в циклоне-каплеуловителе w _ц =2,85.Предварительное гидравлическое сопротивление трубы Вентури D р_m= 8,5 кПа.

Задание для варианта 2

Выбрать и рассчитать скруббер Вентури для очистки отходящих газов от пыли известковых печей, определить размеры скруббера, эффективность его работы и гидравлическое сопротивление при следующих данных: расход газа при нормальных условиях V _о =2500 м³/ч, коэффициент сопротивления циклона-каплеуловителя x =32, температура газа Т_г =70° С, разрежение перед трубой Вентури Р_г =1,20 кПа, плотность газа при нормальных условиях r _о =1,26 кг/м³, концентрация пыли в газе z ’ =1 г/м³, температура воды, поступающей на орошение по напором Р_в =300 кДж, составляет Т_н = Т_ж =35° С, необходимая концентрация пыли на выходе из аппарата z ’’ =15 мг/м³, удельный расход воды на орошение m =1,0 дм³/м³. Коэффициент сопротивления сухой нормализованной трубы Вентури x _с =0,145.Влагосодержание d = 0,063 кг/м³. Скорость газа в циклоне-каплеуловителе w _ц =2,5.Предварительное гидравлическое сопротивление трубы Вентури D р_m= 12 кПа.

Форма отчетности:

отчет по практической работе на листах формата А4 в печатной форме; защита практической работы в форме собеседования с преподавателем на основе контрольных вопросов для самопроверки.

Рекомендации по выполнению заданий практического занятия