Автоматизированная система исследования процесса сепарации в циклонах и скрубберах

На сегодняшний день первостепенна проблема защиты атмосферы от техногенных выбросов промышленных предприятий. Эффективность применяемых систем пылеочистки не всегда соответствует нормам ПДК. Для решения данной проблемы постоянно совершенствуются и разрабатываются новые газоочистные и пылеулавливающие устройства (циклоны, скрубберы, фильтры и др.). Разрабатываемое оборудование должно обеспечивать максимальную степень очистки при минимальных материальных и энергетических затратах. При этом важно выбрать наиболее подходящий для данных технологических условий тип оборудования, и точно рассчитать ожидаемые показатели его работы до изготовления опытных образцов. Однако в настоящее время недостаточно разработаны методики и модели прогнозирования показателей работы циклонов, а также отсутствует соответствующее программное обеспечение (ПО).

Для очистки газа от пыли в химической и нефтегазовой промышленности, при производстве строительных материалов в основном используются низкоэффективные противоточные циклоны. Высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), основными преимуществами которых являются: возможность стабильного и эффективного разделения в широком диапазоне варьирования расхода газа и концентрации пыли при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении. Однако мало исследованы их эксплуатационные характеристики при низких нагрузках по газу и пыли и большой закрутке потока.

При разработке высокопроизводительного пылеулавливающего оборудования чрезвычайно важны научные исследования, позволяющие на основе новейших научных данных сконструировать новые, более рациональные и эффективные аппараты. При этом в процессе проведения экспериментов необходимо обрабатывать множество статистических данных, ручная обработка которых занимает длительное время.

Существуют пакеты прикладных программ (TASCflow3D [98], ANSYS CFX [76- 110], FlowVision [15], CANAL [48]), базирующиеся на методе конечных элементов и различных теоретических моделях турбулентности и предназначенные для расчета структуры гетерогенного потока. Однако их использование существенно ограничено производительностью компьютерной системы, высокой трудоемкостью вычислительного эксперимента, требующего построений не только точной трехмерной модели движения потока, но и неравномерной сетки с измельчением в зонах с большим градиентом скоростей, сложностью интерфейса и высокой стоимостью. Эксплуатация таких программ требует профессиональной подготовки пользователя, незначительное изменение конструкции аппарата требует проведения нового численного эксперимента. Существующее ПО фирм «Интеграл» и «ЛОГУС» не ориентировано на расчет показателей работы пылеуловителей. Поэтому разработка автоматизированной системы исследования процесса сепарации и прогнозирования показателей работы циклонов и скрубберов на основе математических моделей является актуальной и практически значимой с точки зрения интенсификации и компьютеризации технологического процесса. До настоящего времени в России такой системы не существовало. Были лишь попытки разработки автоматизированного расчета показателей работы про-тивоточных циклонов [33].

Большой вклад в исследования и моделирование процесса сепарации в пылеуловителях, разработку математических моделей и методов оценки их эффективности очистки и гидравлического сопротивления внесли отечественные ученые: И. Е. Идельчик, У. Г. Пирумов, В. А. Успенский, М.И. Шиля-ев, Б. С. Сажин, Э. Н. Сабуров, В. П. Приходько, А. Ю. Вальдберг, Е. В. Сугак, O.A. Трошкин, В. А. Лазарев, B.C. Асламова, М. Е. Смирнов и др., а также зарубежные исследователи: В. Страус, Ф. Ментер, С. Б. Шеферд, С. Е. Лейпл, Ж. Касал, Ж.М. Мартинес-Бенет, В. Барт.

Цель работы — разработать автоматизированную систему научных исследований процесса сепарации в циклонах и скрубберах для решения задач: 5 оптимального выбора пылеуловителя и режима его эксплуатации по заданным техническим условиямоценки показателей работы функционирующих аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать новые регрессионные модели для прогнозирования эффективности очистки циклонов любого типа и прямоточных циклонов на основе декомпозиционного подхода к систематизации экспериментальных данных.

2. Определить оптимальные место расположения промежуточного отбора и технологические параметры, обеспечивающие максимум эффективности пылеулавливания прямоточного циклона.

3. Спроектировать информационное, математическое и программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований для: обработки экспериментальных результатов седиментации и процесса сепарациирасчета показателей работы циклонов и скрубберов на основе существующих методов и разработанных регрессионных моделей эффективности очисткивыбора оптимального пылеуловителя на заданные условия его эксплуатацииопределения оптимальных режимов функционирования пылеуловителей.

4. Провести экспериментальные исследования прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли при большой закрутке потока и невысоком расходе воздуха.

Методы исследований: аппроксимация функций, регрессионный анализ, численные методы, теория гидрогазодинамики, теории проектирования автоматизированных систем и баз данных. Использовано следующее программное обеспечение: интегрированная среда разработки CodeGear RAD Studio 2007, MS SQL Server, MS Excel 2007 и другие программные инструменты.

Научная новизна заключается в новом способе решения комплекса задач при автоматизации технологического процесса сепарации и функционирования циклонов и скрубберов:

1. Новые регрессионные модели, полученные при декомпозиционном подходе к обработке экспериментальных данных, используемые для прогнозирования эффективности пылеулавливания циклонов противоточного, прямоточного типов и со встречными закрученными потоками (патент 1Ш № 2 358 810) и прямоточных циклонов с учетом режима движения потока, зависящие от коэффициентов относительного уноса, учитывающих влияние плотности, концентрации и масс-медианного размера частиц пыли и диаметра аппарата.

2. Новая постановка и результаты решения задачи нелинейной оптимизации конструктивного и режимных параметров прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли.

3. Информационное, математическое, программное и методическое обеспечение новой автоматизированной системы научных исследований свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990, номер госу дарственной регистрации в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов»: 50 200 701 900 от 6.09.2007).

Достоверность результатов исследования подтверждается достаточным совпадением расчетных данных по предлагаемым математическим моделям с экспериментальными данными различных авторов (2.4%), практическими внедрениями разработанной АСНИ.

Практическая значимость заключается в разработке научно обоснованных математических моделей прогнозирования эффективности пылеулавливания циклонов любого типа и прямоточных циклонов. Создана база данных технологических характеристик циклонов, скрубберов и физико-химических свойств газов, жидкостей и пылей. На базе известных и авторских методов оценок эффективности и гидравлического сопротивления циклонов созданы автоматизированные подсистемы расчета и прогнозирования сепарационных характеристик циклонов (свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8990) и скрубберов при промышленной эксплуатации, позволяющие оптимизировать выбор пылеуловителя для заданных режимов работы. Разработано программное обеспечение подсистемы автоматизации 7 научных исследований седиментации и процесса сепарации, реализующее функции: расчет гранулометрического состава пылиавтоматическая обработка результатов экспериментального исследования процесса сепарации в ПЦПО и построение регрессионных зависимостей (линейных, квадратичных, экспоненциальных, логарифмических) коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса и эффективности пылеулавливания циклона от среднерасходной скорости. Для уточнения размеров крупных частиц коэффициент гидравлического сопротивления частицы рассчитывался по формуле Сиска.

Реализация результатов исследования

Разработанная автоматизированная подсистема обработки результатов исследования процесса сепарации в циклонах используется в учебном процессе Ангарской государственной технической академии в лабораторном практикуме при изучении дисциплин «Гидравлика», «Процессы и аппараты», «Автоматизация технологических процессов».

Автоматизированные подсистемы технологического расчета, прогнозирования и оптимального выбора циклонов и скрубберов внедрены в учебный процесс Ангарской государственной технической академии, Томского политехнического университета, Иркутского государственного университета путей сообщения и Восточно-Сибирского технологического университета (г. Улан-Удэ) на кафедрах «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Общая химическая технология», «Безопасность жизнедеятельности и экология» и «Промышленная экология и защита в чрезвычайных ситуациях».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (2007;2009), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Саратов, 2008, Псков, 2009), Всероссийских ежегодных научных конференциях с международным участием «Актуальные вопросы защиты окружающей среды и безопасность 8 территорий регионов России» (Улан-Удэ, 2006;2008), научно-практической конференции «Безопасность регионов — основа устойчивого развития» (Иркутск, 2007, 2009), Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2007), Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Современные проблемы экологии и безопасности» (Тула, 2007), Всероссийской конференции по математике и механике (Томск, 2008), Международном научно-методическом симпозиуме «Современные проблемы многоуровневого образования» (Див-номорское, 2008), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2009» (Саратов, 2009), Международной научно-технической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009), IX Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008), X Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 2 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в рецензируемых изданиях, 8 статей в сборниках научных трудов, методические указания для студентов, 17 тезисов докладов, патент РФ и свидетельство об отраслевой регистрации разработки в фонде алгоритмов и программ. Без соавторов опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, выводы, список использованной литературы из 124 наименований, условные обозначения и приложения. Объем работы составляет 192 страницы, в том числе 65 рисунков, 18 таблиц.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ГЛАВЕ 2

1. Сопоставление оптимальных управлений, полученных в результате решения задачи нелинейной оптимизации, с экспериментальными данными ПЦПО выявило хорошее совпадение показателей работы циклона. Относительные погрешности расчета перепада давления составили 4,19%, эффективности сепарации — 3,30%, запыленности потока — 12,28%, оптимального расположения окон промежуточного отбора относительно выходных кромок ОНА-26%.

2. Использование в программном модуле «Седиментация» при расчете размеров крупных частиц формулы Сиска для определения коэффициента гидравлического сопротивления частицы позволило определить гранулометрический состав пыли с точностью 2%.

3. Знание функции распределения частиц по размерам позволяет обоснованно выбрать в АПТРЦ метод для оценки эффективности пылеулавливания циклонов.

4. Экспериментальные исследования процесса сепарации в ПЦПО на цементе и оксиде алюминия при малых расходах и больших закрутках потока показало, что эффективность сепарации невысока (76.89%), что является следствием большого диаметра выхлопного патрубка и несовершенством ОНА. Нецелесообразно увеличивать закрутку потока более 72

5. Полученные вероятностно-энергетическим методом Вальдберга-Кирсановой прогнозные значения эффективности пылеулавливания ПЦПО хорошо коррелируют с экспериментом. Относительная погрешность определения эффективности сепарации составляет 1,80.2,33%.

6. Аппроксимация, выполненная в программном модуле «Эксперимент» показала, что гидравлическое сопротивление ПЦПО линейно зависит от квадрата среднерасходной скорости потока, а коэффициент гидравлического сопротивления ПЦПО адекватно описывается параболической зависимостью от критерия Рейнольдса, вычисленного по диаметру циклона.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦИКЛОНОВ И СКРУББЕРОВ

3.1. Универсальная регрессионная модель расчета эффективности циклонов

Типовая методика расчета эффективности сепарации циклонов НИИОГАЗ [68- 101] ориентирована на унифицированные противоточные циклоны и прямоточный циклон ЦКТИ. Учет влияния диаметра циклона, скорости несущего потока в плане циклона и плотности пыли производится опосредовано, при пересчете ds (j. Для учета влияния запыленности газа z, превышающей 20 г/м, на эффективность сепарации в работе [111] предложена эмпирическая зависимость для неслипаемых пылей. Основой расчета эффективности по типовой методике НИИОГАЗ являются параметры фракционной эффективности циклона (d50 и lg Gn — стандартное логарифмическое отклонение фракционной эффективности) и характеристики дисперсного состава пыли (5ОТ — масс-медианный диаметр частиц, lg, а — стандартное логарифмическое отклонение функции распределения частиц по размерам). Определение d50 для конкретного пылеулавливающего устройства сопряжено с необходимостью проведения специальных опытов на пыли различного фракционного состава или использования расчетных зависимостей, часто не адекватно описывающих экспериментальные данные. Следует заметить, что методика НИИОГАЗ не апробирована на прогнозе эффективности циклонов со встречными закрученными потоками.

В работах [1- 27] рассмотрен эмпирический метод пересчета относительного проскока пыли при одинаковых в среднем скоростях потоков с базового циклона (индекс 0) на геометрически подобный расчетный (р) циклон по уравнению: s =^-IkL. (3.1)

V-" По) i Kl0

В основу этого метода положено допущение о независимом влиянии параметров Д 8″" 2 на величину относительного проскока пыли е.

Однако предложенная методика не учитывает влияние насыпной плотности пыли р5. Обобщая экспериментальные данные (см. табл. 3.1) по различным циклонным пылеуловителям, предлагается способ определения эффективности пылеулавливания циклона любого типа (прямоточного, проти-воточного, вихревого) по известной эффективности пылеулавливания эталонного циклона, геометрически подобного данному, при масштабном переходе на заданные режимы работы и с использованием коэффициентов уноса с учетом параметра рз [26], защищенный патентом РФ [18].

Экспериментальные данные различных исследователей (см. табл. 3.1) для циклонных пылеуловителей любого типа (прямоточного, противоточно-го, со встречными закрученными потоками), учитывающие влияние каждого фактора в отдельности, практически ложатся на одну кривую, если их представлять в виде относительных зависимостей, названных коэффициентами уноса Кв, К5т, К2, Кр (рис. 3.1. 3.4). Это позволяет считать найденный характер влияния факторов Д 8№ г, р5 на относительный унос пыли е универсальным, т. е. применимым для расчета циклонных пылеуловителей различных типов. Учет влияния режима работы аппарата на его эффективность введением соответствующего коэффициента невозможен из-за различного уровня оптимальных скоростей для циклонов разных типов.