ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНО-КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты влияния режимно-конструктивных параметров двухступенчатого аппарата на эффективность очистки воздуха от хлопковой пыли. Изучено влияние зависимости гидравлического сопротивления аппарата от скорости пылевоздушного потока (при скоростях 10–25 м/с), гидравлическое сопротивление насадки в скруббере, предельные допустимые концентрации хлопковой пыли в очищенном воздухе, также определено число Рейнольдса.

ABSTRACT

The article presents the results of the influence of the regime-design parameters of a two-stage apparatus on the efficiency of air purification from cotton dust. The following rates were studied by researching: the impact of the hydraulic resistance on the speed of the dusty airflow (at speeds of 10–25 m/s); the hydraulic resistance of the nozzle in the scrubber, and the maximum allowable concentration of cotton dust in the purified air. The Reynolds number was also determined.

Ключевые слова: циклон, скруббер, очистка, волокнистая пыль, минеральная пыль, центробежная очистка, мокрая очистка, эффективность.

Keywords: cyclone, scrubber, cleaning, fibrous dust, mineral dust, centrifugal cleaning, wet cleaning, efficiency.

Введение

Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятельности людей сопровождаются выделением в воздух помещений и в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду. В воздух поступают аэрозольные частицы (пыль, дым, туман), газы, пары, а также микроорганизмы и радиоактивные вещества [1; 9; 8].

На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна. Благодаря очистке выбросов перед их поступлением в атмосферу предотвращается загрязнение атмосферного воздуха [13; 14; 15; 3; 2].

Очистка воздуха имеет важнейшее санитарно-гигиеническое, экологическое и экономическое значение [11].

Основная часть

Этап пылеочистки занимает промежуточное место в комплексе «охрана труда – охрана окружающей среды». В принципе, пылеулавливание при правильной организации решает проблему обеспечения нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК) в воздухе рабочей зоны. Однако все вредности через систему пылеулавливания при отсутствии системы пылеочистки выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее. Поэтому этап пылеочистки следует считать неотъемлемой частью системы борьбы с пылью промышленного предприятия [12; 5].

На основе вышеизложенного проведена серия опытов по очистке атмосферного воздуха от хлопковой пыли. Для определения гидравлического сопротивления и коэффициента гидравлического сопротивления первой и второй ступеней очистки проведена серия опытов. Результаты проведенных исследований приведены в табл.1.

Таблица 1.

Изменение коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от скорости потока

Из табл. 1 видно, что с увеличением скорости воздушного потока от 10 до 25 м/с гидравлическое сопротивление аппарата первой ступени также увеличивается от 130 до 495 Па, а коэффициент гидравлического сопротивление снижается от 0,54167 до 0,33. Изменение гидравлического сопротивления двухступенчатого аппарата также зависит от скорости воздушного потока, то есть увеличивается от 480 до 865 Па, а ее коэффициент гидравлического сопротивления также снижается от 2,0 до 3,6. По результатам измерений среднее значение коэффициента гидравлического сопротивления циклона первой ступени составляло в среднем x_вх.=0,4, а второй ступени (циклон + скруббер) составляло в среднем x_вх.=2,7. Потеря давления, отнесенная к скоростному давлению, не зависит от числа Re, что свидетельствует об автомодельности сопротивления по числу Re.

Число Рейнольдса определяли с помощью [10]:

                                                   (1)

где  w – скорость воздушного потока, м/с;

d – диаметр входного патрубка, м;

r – плотность воздуха, кг/м³;

m – динамическая вязкость среды, Па·с/мм².

Рисунок 1. Влияние входной скорости воздушного потока на изменение число Рейнольдса, Re

Из рис. 1 видно, что при скорости потока 10 м/с число Рейнольдса составляло 1,0×10⁵, а при скорости потока 17 м/с число Рейнольдса 3,1×10⁵, дальнейшее увеличение скорости потока до 22 м/с – 5,3×10⁴, с увеличением скорости потока до 25 м/с число Рейнольдса достигало до 6,9×10⁵. Это объясняется тем, что режим движения внутри аппарата турбулентный.

Рисунок 2. Влияние скорости пылевоздушного потока на гидравлическое сопротивление модельного циклона

Из рис. 2 видно, что при скорости потока на первой ступени 10 м/с гидравлическое сопротивление аппарата составляло 130 Па, а степень очистки воздуха – 41,24%, а с увеличением скорости потока до 15 м/с величина гидравлического сопротивления циклона повышается до 245 Па, соответственно, растет и степень очистки до 65,75%. При повышении скорости пылевоздушного потока до 20 м/с гидравлическое сопротивление аппарата изменяется до 347 Па, при этом эффективность очистки также повышается до 77,18% [4]. С дальнейшим увеличением скорости потока до 25 м/с гидравлическое сопротивление аппарата также повышается, то есть этот показатель составляет 495 Па, а эффективность очистки аппарата достигает своего максимума, то есть 87,88%. По результатам экспериментов определены оптимальные значения скорости пылевоздушного потока – 22 м/с в циклоне, эффективности очистки – 83,26% и гидравлическое сопротивление циклона – 410 Па.

По ходу экспериментальных исследований также определено общее гидравлическое сопротивление двухступенчатого аппарата. Результаты проведенных исследований приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние скорости пылевоздушного потока на общее гидравлическое сопротивление двухступенчатой установки (циклон + скруббер)

Из рис. 3 видно, что при скорости потока 10 м/с гидравлическое сопротивление аппарата первой ступени составляло 130 Па, а после второй ступени составляло 480 Па, а при скорости 18 м/с гидравлическое сопротивление аппарата первой ступени составляло 305 Па, а после второй ступени составляло 710 Па, при дальнейшем увеличении скорости потока до 25 м/с гидравлическое сопротивление аппарата первого ступени составляло 495 Па, а после второй ступени – 865 Па. При оптимальной скорости 22 м/с гидравлическое сопротивление аппарата (то есть циклона) после первой ступени – 410 Па, а второй ступени (циклон + скруббер) гидравлическое сопротивление аппарата составляло 781 Па. Таким образом, повышение гидравлического сопротивления аппарата зависит от увеличения скорости внутри аппарата, то есть DР = f(w).

Таким образом, на основании результатов проведенных экспериментальных исследований можно заключить, что двухступенчатая установка для глубокой очистки запыленного воздуха, содержащая циклон + скруббер, обладает сравнительно высокой эффективностью до 98,8% при соблюдении требований санитарных норм (80 мг/м³).

С целью выявления влияния конструктивных изменений на гидравлическое сопротивление одноступенчатого центробежного аппарата была проведена серия опытов. Измерение гидравлического сопротивления и скорости пылевоздушного потока определяли путем замера давления на входе и выходе аппарата. Разность общего напора на входе и выходе аппарата принималась за его гидравлическое сопротивление. На рис. 4 приведены результаты влияния конструктивных изменений на эффективность очистки (при входной скорости потока от 22 м/с).

Рисунок 4. Влияние конструктивных изменений на гидравлическое сопротивление центробежного аппарата

Из рис. 4 видно, что с увеличением диаметра аппарата от 50 до 250 мм эффективность очистки снижается с 84,6 до 61,2% из-за малого столкновения частиц друг с другом за счет большого пространства внутри аппарата, при этом кинетическая энергия твердых частиц увеличивается.

На хлопкоочистительном заводе выделяются различные пыли с различными размерами, поэтому с целью определения фракционной эффективности предлагаемых аппаратов проведены опыты, результаты проведенных исследований приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Эффективность очистки одноступенчатого (циклон) аппарата по фракциям

При скорости 10 м/с эффективность очистки для <10 мкм частиц после первой ступени (циклона) достигала 7,9%, для 20–40 мкм частиц эффективность очистки – 17,41 %, с увеличением размера частиц хлопковой пыли до 200 мкм эффективность очистки также увеличивается, то есть этот показатель составлял 82,61% (табл. 2). При скорости пылевоздушного потока 14 м/с эффективность очистки циклона для 40–60 мкм частиц составляла 38,16%, а для 200 мкм частиц – 85,12%. При скорости 22 м/с эффективность очистки центробежного аппарата для <10 мкм частиц составляла 18,8%, для 60–80 мкм частиц – 61,38%, а для 200 мкм частиц эффективность очистки достигала до 89,02%. При дальнейшем увеличении скорости потока до 25 м/с эффективность очистки незаметно увеличивается, всего 0,97% (для 200 мкм частиц), но гидравлическое сопротивление центробежного аппарата увеличивается заметно, то есть от 410 до 495 Па. Поэтому оптимальная скорость потока была выбраны 22 м/с.

Таблица 3.

Эффективность очистки одноступенчатого (циклон + скруббер) аппарата по фракциям

Из табл. 3 видно, что при скорости воздушного потока в двухступенчатом аппарате 10 м/с эффективность очистки для <10 мкм частиц достигала 45,42%, для 20–40 мкм частиц эффективность очистки достигается 48,14%, с увеличением размера частиц пыли до 200 мкм эффективность очистки также увеличивается, то есть этот показатель составлял 90,11%. При скорости пылевоздушного потока 14 м/с эффективность очистки циклона для 40–60 мкм частиц составляла 56,78%, а для 200 мкм частиц – 93,54%, при увеличении скорости до 22 м/с эффективность очистки центробежного аппарата для <10 мкм частиц составляла 48,91%, для 60–80 мкм частиц – 83,67%, для 200 мкм частиц эффективность очистки достигала до 99,02%.

Для достижения самой высокой эффективности скруббера роль воды имеет огромное значение. Для этого проведена серия опытов по определению оптимального расхода воды скруббера с целью очистки атмосферного воздуха от мелкодисперсных твердых частиц (рис. 5).

Рисунок 5. Влияние расхода воды на эффективность очистки

Из рис. 5 видно, что при расходе воды внутри скруббера 1 л/ч эффективность очистки запыленного воздуха от мелкодисперсных твердых частиц достигает 85,90%, с изменением расхода воды до 3 л/ч эффективность очистки также изменяется до 87,80%. С увеличением расхода воды внутри аппарата до 8 л/ч эффективность очистки изменяется до 99,02%, при дальнейшем увеличении расхода воды от 9 до 11 л/ч эффективность очистки также изменяется от 99,25 до 99,43%. Это объясняется тем, что увеличение расхода воды (от 9 до 11 л/ч) внутри аппарата незаметно влияло на повышение эффективности скруббера для очистки атмосферного воздуха от мелкодисперсных частиц и приводит к увеличению энергетических расходов.

Вывод

Таким образом, при скорости пылевоздушного потока 22 м/с достигается самая высокая эффективность очистки воздуха от хлопковой пыли (99,02%); зависимость гидравлического сопротивления аппарата от скорости пылевоздушного потока имеет прямолинейный характер; гидравлическое сопротивление насадки в скруббере имеет незначительную величину – примерно 13% от общего сопротивления; обеспечивается предельно допустимая концентрация хлопковой пыли в очищенном воздухе (40 мг/м³).

Список литературы:

1. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки : учеб. пособие. – Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. – 210 с.
2. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: в 2 ч. Ч. 1 / под ред. С. Калверта, Г.М. Инглунда. – М. : Металлургия, 1988.
3. Зиганшин М.Г., Колесник А.А., Посохин В.Н. Проектирование аппаратов пылегазоочистки. – М. : Экопресс-3М, 1998.
4. Мирзаев А.Н., Рахмонов Д., Буриева З.Р. Влияния режимных параметров на степень очистки в двухступенчатом аппарате // Central Asian Journal of Theoretical and Applied Science. – 2022. – № 3(5). – С. 10–14.
5. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов / А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов, В.В. Зенков, Г.С. Соловьев. – М. : Химия, 1985.
6. Очистка промышленных газов от пыли / В.Н. Ужов [и др.]. – М. : Химия, 1985.
7. Очистка промышленных газов от пыли / В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков, И.К. Решидов.  – М. : Химия, 1981.
8. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности (Основы энвайронменталистики). – Калуга : Изд-во Н. Бочкаревой, 2000.
9. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. – М. : Химия, 1989.
10. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Химия, 1974. – 288 с.
11. Систер В.Г., Муштаев В.И., Тимонин А.С. Экология и техника сушки дисперсных материалов. – Калуга : Изд-во Н. Бочкаревой, 1999.
12. Страус В. Промышленная очистка газов. – М. : Химия, 1981.
13. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник: в 3 т. Т. 1. – Калуга : Изд-во Н. Бочкаревой, 2003. – 917 с.
14. Тимонин А.С. Основы расчета и конструирования химико-технологического и природоохранного оборудования : справочник: в 3 т. Т. 2. – Калуга : Изд-во Н. Бочкаревой, 2002.
15. Штокман Е.А. Очистка воздуха. – М. : АСВ, 1999.