МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РОТОРНО-ФИЛЬТРАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЛАЖНОЙ ОЧИСТКИ ЗАПЫЛЕННЫХ ГАЗОВ

АННОТАЦИЯ

В статье теоретически и экспериментально исследуются энергопотребление и эффективность очистки роторно-фильтрационного аппарата для влажной очистки запыленных газов, а также определяются оптимальные параметры устройства с использованием метода математического планирования.

В методе математического планирования предполагалось, что полином второй степени полностью отражает влияние факторов на критерии оценки, а эксперименты проводились на основе плана (V₄). Результаты экспериментов были соответствующим образом обработаны, и были разработаны уравнения регрессии, адекватно представляющие критерии оценки. HARTLI-4 программы.

На основе результатов эксперимента оптимальные параметры устройства для процесса пылеудаления, выбранные для образца, установлены в стандартное состояние.

ABSTRACT

This article theoretically and experimentally studies the energy consumption and cleaning efficiency of a rotary filtration device for wet cleaning of dusty gases, and determines the optimal device parameters using a mathematical modeling method. Planning.

The mathematical planning method assumed that a second-degree polynomial fully captures the influence of factors on the evaluation criteria, and the experiments were conducted based on plan (V4). The experimental results were processed accordingly, and regression equations were developed that adequately represented the evaluation criteria. HARTLI-4 software was used.

Based on the experimental results, the optimal dust removal device parameters selected for the sample were set to a standard state.

Ключевые слова: Роторно-фильтрующее устройство, материал фильтрующей сетки, активная поверхность, влажный метод, гидравлическое сопротивление, нитратная и аммофосовая пыль, коэффициент локального сопротивления, рабочая поверхность, сопло.

Keywords: Rotary filter device, filter mesh material, active surface, wet method, hydraulic resistance, nitrate and ammophos dust, local resistance coefficient, working surface, nozzle.

Введение. Эффективность очистки влажными пылеулавливающими газоочистными устройствами и энергопотребление в процессе определяются конструкцией устройства. Одна из главных задач современных научных исследований в этой области — повышение эффективности очистки на единицу объема устройства и снижение энергопотребления [1,2,3].

Объект исследования. На основе этих задач были проанализированы многочисленные научные работы и данные, представленные в литературе, и на их основе была разработана схема роторно-фильтрационного устройства с простой структурой и низким энергопотреблением (рис. 1а), а также создано экспериментальное устройство (рис. 1б). Экспериментальные исследования проводились на созданном экспериментальном устройстве. Ниже представлены методы вывода регрессионных уравнений на основе экспериментальных исследований для расчета эффективности очистки устройства и потребляемой энергии [1,4].

Теория и метод исследования.

Экспериментально были определены скорость газа, расход жидкости, коэффициенты локального сопротивления в рабочих телах и гидравлическое сопротивление устройства. На основе экспериментальных результатов были изучены энергопотребление и эффективность очистки устройства, а также определены оптимальные параметры устройства с использованием метода математического планирования. В ходе этих экспериментов скорость газа, подаваемого в устройство, изменялась от 7 м/с до 35 м/с с шагом 4 м/с, расход жидкости - от 0,068 м³/ч до 0,171 м³/ч с шагом 0,034 м³/ч, а активная поверхность фильтрующего сетчатого материала изменялась до 0,202 м², 0,229 м² и 0,268 м².

Рисунок 1а. Структурная схема устройства

1-диффузор; 2-цилиндрический корпус; 3-конфузор; 4-форсунка для рабочей жидкости; 5-зонд; 6-роторный фильтр; 7-ванна для жидкости; 8-шланг для суспензии; 9-регулировочный шланг.

Рисунок 1б. Общий вид экспериментальной установки

В данном случае диаметр соплового отверстия составлял 1, 2, 3 мм, а частота вращения ротора принималась за среднее значение 25 об/мин для эксперимента, плотность газа составляла 1,82 кг/м³ для смеси нитратной пыли и воздуха и 1,88 кг/м³ для смеси аммофосовой пыли и воздуха. При проведении экспериментов температура системы вода-газ была выбрана равной 20°С±2, с учетом влияния внешней среды [1,5,6].

Энергопотребление роторно-фильтрационного устройства включает в себя энергию, потребляемую на входе и выходе запыленного воздуха, работу форсунок, энергию, потребляемую жидкостью для очистки запыленного воздуха, вращение ротора, а также трение в насосе и вентиляторе. Поскольку расчет точного количества потребляемой энергии является сложным процессом, мы используем результаты исследований К.Т. Семрау. В этом случае общее энергопотребление роторно-фильтрационного устройства может быть определено по следующей формуле.

 кДж/1000 м³                        (1)

Где: ΔP_s – гидравлическое сопротивление аппарата без подачи жидкости, Па; ΔP_sb – гидравлическое сопротивление аппарата с подачей жидкости, зависящее от плотности пыли, поступающей с воздухом, Па; V_s – объемный расход жидкости, м³; V_gas – объемный расход запыленного воздуха, м³; N_РФА – мощность, потребляемая для вращения ротора, перекачки жидкости и газа, Вт;

Данный метод расчета дает погрешность ±10 % при применении к устройствам очистки воздуха от влажной пыли различной конструкции и принципа работы.

Взаимосвязь между эффективностью очистки и энергопотреблением роторно-фильтрационного устройства может быть определена из следующего уравнения.

 %                                       (2)

Здесь: V и x — константы, которые определяются экспериментально по дисперсному составу пыли. Для определения значений V и x в уравнении (2) был выбран образец пыли нитратного и аммофосового минерального удобрения, и был проведен двухэтапный лабораторный анализ для определения среднего медианного размера частиц пыли.

Для определения точного значения эффективности очистки можно будет рассчитать число переноса вещества по уравнению.

                                               (3)

Здесь: N_м — количество переносимых материалов.

Когда значение числа, полученного в уравнении, находится в диапазоне 0,5÷10, полученное значение используется для определения эффективности очистки устройства с помощью таблицы, предложенной компанией K.T. Семрау.

Для оценки влияния переменных факторов в устройстве на эффективность очистки и энергопотребление были проведены многофакторные эксперименты с использованием метода математического планирования.

Теоретические исследования и многофакторные эксперименты показали, что активная площадь поверхности фильтрующего сетчатого материала (X1), диаметр отверстия Штюссера (X2), скорость запыленного воздуха, подаваемого в устройство (X3), и расход жидкости (X4) являются факторами, наиболее сильно влияющими на эффективность очистки и энергопотребление устройства. На основе результатов представленных выше теоретических исследований и многофакторных экспериментов были определены диапазоны изменения этих факторов. В таблице 1 показаны уровни и диапазоны изменения факторов [7].

Таблица 1.

Уровни факторов и диапазоны изменений

При проведении многофакторных экспериментов в качестве критериев оценки были приняты энергия, затраченная на очистку запыленного воздуха (Y1), и эффективность очистки устройства (Y2).

Эксперименты проводились на основе плана (V4), предполагающего, что полином второй степени полностью описывает влияние факторов на критерии оценки.

Для уменьшения влияния неконтролируемых факторов на критерии оценки последовательность экспериментов определялась с помощью таблицы случайных чисел, а отдельные эксперименты проводились для определения оптимальных параметров очистки нитратной и аммофосовой пыли. Результаты экспериментов обрабатывались надлежащим образом, и были разработаны следующие уравнения регрессии, которые адекватно представляют критерии оценки. Получено в рамках программы HARTLI-4.

Энергия, затрачиваемая на процесс очистки нитратной пыли в роторно-фильтрующем устройстве, определяется следующим регрессионным уравнением: кДж/1000 м³.

Y1 = + 33,8952 + 3,5563 X1+0,000X2 +15,4300X3 + 18,2967 X4 + 6,4683 X1X1 + 4,5287 X1X2 – 4,5238 X1X3 – 4,4679 X1X4 + 6,2984 X2X2 -2,27521 Х2Х3 – 1,9629 Х2Х4 – 8,8350 Х3Х3 + 4,5196 Х3Х4 – 11,9949 Х4Х4

Энергия, затрачиваемая на процесс очистки аммофосовой пыли в роторно-фильтрующем устройстве, определяется следующим регрессионным уравнением: кДж/1000 м³.

У1 = + 32,9121 + 3,5555 Х1 + 3,6200 Х2 + 15,4113 Х3 + 18,2720 Х4 + 7,5567 Х1Х1 + 4,5202 Х1Х2 – 4,5218 Х1Х3 – 4,4578 Х1Х4 + 3,8799 Х2Х2 – 22,7450 Х2Х3 – 1,9373 Х2Х4 – 7,7281 Х3Х3 + 3,9170 Х3Х4 – 10,8821 Х4Х4

Эффективность удаления нитратной пыли в роторно-фильтрующем устройстве определяется следующим уравнением регрессии, %.

Y2 = + 99,039 – 0,112 X1 + 0,145 X2 + 0,233 X3 + 3,175 X4 + 0,744 X1X1 + 0,362 X1X2 – 0,356 X1X3 + 0,000 X1X4 + 0,630 X2X2 – 2,040 X2X3 – 0,092 Х2Х4 + 0,418 Х3Х3 – 0,197 Х3Х4 – 2,244 Х4Х4

Эффективность удаления пыли аммофоса в роторном фильтрующем устройстве определяется следующим уравнением регрессии, %.

Y2 = + 99,350 – 0,151 X1 + 0,156 X2 + 0,221 X3 + 2,094 X4 + 0,000 X1X1 + 0,196 X1X2 – 0,184 X1X3 + 0,180 X1X4 – 0,102 X2X2 – 2,098 X2X3 – 0,172 Х2Х4 + 0,220 Х3Х3 – 0,207 Х3Х4 – 1,679 Х4Х4

Используя уравнение регрессии, полученное для процесса очистки и энергопотребления нитратной и аммофосовой пыли, были построены графики зависимости эффективности очистки и энергопотребления от переменных факторов в устройстве. Результаты представлены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Зависимость энергопотребления от переменных факторов 1 – пыль селитры; 2 – пыль аммофоса

а) зависимость энергии от активной поверхности; b) зависимость энергии от диаметра отверстия сопла; c) зависимость энергии от скорости газа; г) зависимость энергии от потребления жидкости.

Рисунок 3. Зависимость эффективности очистки от переменных факторов. 1 – пыль селитры; 2 – пыль аммофоса

а) зависимость эффективности очистки от активной поверхности; б) зависимость эффективности очистки от диаметра отверстия сопла; в) зависимость эффективности очистки от скорости газа; г) зависимость эффективности очистки от расхода жидкости [8].

Анализ полученных уравнений регрессии и графиков показывает, что все факторы оказывают существенное влияние на критерии оценки. Кроме того, расход жидкости, скорость запыленного воздуха, диаметр отверстия сопла и активная поверхность фильтрующего сетчатого материала находятся в сложной взаимосвязи с исследуемыми факторами.

Для определения оптимальных значений факторов, влияющих на изучаемые процессы, а именно гидравлического сопротивления аппарата, эффективности очистки и энергопотребления, уравнения регрессии (1)–(2) решались отдельно для процесса очистки нитратной и аммофосовой пыли. При этом принималось условие, что эффективность очистки нитратной пыли должна быть выше 98,41%, а эффективность очистки аммофосовой пыли — выше 98,67% в соответствии с требованиями ГОСТ-62-198-142 и ГОСТ-67-198-142. Эта задача решалась с помощью программы Excel «Поиск решения» на компьютере ПК «Пентиум IV», оптимальные значения переменных факторов были получены в кодированной форме, а кодированные значения были преобразованы в натуральные значения (табл. 2).

Таблица 2.

Переход от кодированных ценностей к естественным ценностям

Таким образом, оптимальные параметры устройства для процесса пылеудаления, выбранные для образца, были стандартизированы и могут быть записаны следующим образом.

Для процесса очистки пыли селитры;

– активная площадь поверхности фильтрующего сетчатого материала, S_акт=0,245 м²

– диаметр отверстия сопла, d_с=1,5 мм

– скорость запыленного воздуха, υ=22,67 м/с

– расход жидкости, Q_ж=0,121 м³/час

При данных значениях факторов энергопотребление устройства составило 4,6 кВт/ч, эффективность очистки — 99,728 %, а гидравлическое сопротивление — 1016,3 Па.

Для процесса очистки пыли от аммофоса;

– активная площадь поверхности фильтрующего сетчатого материала, S_акт=0,230 м²

– диаметр отверстия сопла, d_с=2 мм

– скорость запыленного воздуха, υ=23 м/с

– расход жидкости, Q_ж=0,137 м³/час

При данных значениях факторов энергопотребление устройства составило 6,2 кВт/ч, эффективность очистки — 99,9641 %, а его гидравлическое сопротивление — 1098,46 Па [9].

Заключение

Согласно результатам эксперимента, было установлено, что эффективность очистки на 3,6–4,6% выше, чем у существующих устройств для влажной очистки, расход жидкости для очистки 1 м³ воздуха в 1,7–2,5 раза ниже, а энергопотребление в 0,9–1,4 раза ниже, что полностью соответствует техническим требованиям к устройствам данного типа.

Список литературы:

1. Архипов В.А., Березиков А.П. Основы теории инженерно-физического эксперимента. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. 206 с.
2. Вальдберг А.Ю., Николаевина Н.Е. «Процесс и аппаратура обеспечения экологической среды». Москва: «Дрофа», 2008. – ул. 239.
3. Исомидинов А.С., Мадалиев А.Н. «Гидродинамика и аэродинамика ротора фильтрующего аппарата отверстия газового фильтра». Международная научно-практическая конференция «Международный научный обзор проблемы и перспектив современной науки и образования». Бостон. ССГА. 22-23 ноября 2018 г. 32 с.
4. Isomidinov A.S. “Chang namunalarini tanlash va ularning dispers tarkibini analiz qilish”, V Mejdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferensii «Global science and innovations 2019: central asia» V-Tom Astana – 2019 264-268b.
5. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1971. 280 с.
6. Kobzar AI, Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников.Москва: Физматлит, 2006. – 816 с.
7. Нечаева Е.С. Исследование основных характеристик роторного распылителя пылеуловителя. Дисс ктн Кемерово – 2014, – 149 с.
8. Тожиев Р.Ж., Каримов И.Т., Исомидинов А.С. «Роторный мокрый пылеуловитель», ФерПИ, научно-технический журнал, выпуск №1, 2018, стр. 195-198:
9. Тожиев, Р.Ж., Исомиддинов, А.С., Ахроров, А.А.У., & Сулаймонов, А.М. (2021). Выбор оптимального абсорбента для очистки водородно-фтористого газа в роторно-фильтровальном аппарате и исследование эффективности аппарата. Universum: технические науки, (3-4 (84)), 44-51.
10. Rasuljon, T., Akmaljon, A., & Ilkhomjon, M. (2021). Selection of filter material and analysis of calculation equations of mass exchange process in rotary filter apparatus. Universum: технические науки, (5-6 (86)), 22-25.