Самохвалов Н.М., кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета
РАСЧЕТ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАПЫЛЕННЫХ ГАЗОВ
Целью расчета зернистых фильтров является определение основных размеров фильтрующего слоя, обеспечивающих заданные показатели очистки и производительность. К основным размерам относятся - толщина зернистого слоя и поверхность фильтрации.
Показатели очистки определяются эффективностью улавливания пыли и гидравлическим сопротивлением. При расчете и выборе конструкции фильтра необходимо также учитывать условия его работы и свойства пылегазового потока - температуру, влажность, химическую агрессивность, пожаро- и взрывоопасность, дисперсность, адгезионные и электрические свойства пыли.
Известные методики расчета зернистых фильтров не позволяют этого сделать, так как носят частный характер. Периодичность и продолжительность регенерации обычно определяются на основе опыта эксплуатации или экспериментальных данных и зависят, в основном, от предельно допустимой величины гидравлического сопротивления.
Нами разработана новая методика расчета фильтров, которая позволяет получить такие результаты, которые более близки к оптимальному варианту конструкции аппарата. Данную методику можно использовать для расчета фильтров как периодического, так и непрерывного действия, с неподвижной и подвижной насадкой.
Исходными данными для расчета являются - объемная производительность по очищаемому газу V, требуемая эффективность очистки п или остаточная запыленность 2ост, входная запыленность 2вх и температура потока, характеристики пыли (медианный размер 850, дисперсия о2, насыпная рнп и кажущаяся рп плотности, угол естественного откоса ао, аутогези-онная прочность пылевого слоя Ра) и зернистого материала (удельная поверхность Г и доля свободного объема 8, насыпная рнз и кажущаяся рз плотности, диаметр зерен ёз).
Расчет зернистых фильтров ведется в следующем порядке:
1. Принимаем продолжительность цикла фильтрования т. Для фильтров с неподвижной и рециркулирующей насадками т рекомендуется принимать в пределах 900-3600 с, с вращающейся насадкой в пределах 120-600 с.
2. Принимаем время пребывания запыленного потока в зернистом слое тпр, которое должно быть не меньше ткр. Критическое время пребывания определяется из уравнения
ткр = 4,3-10-3 рп/850.
Находим соотношение тпр /т. Оно должно быть не меньше величины К, которая рассчитывается по уравнению
К = 3,0-10-6 рп/850.
3. На основе исходных данных определяем эффективность очистки (в процентах) по уравнению
П = (1 - 1ост/^вх)-100
и коэффициент проскока пыли (в долях) из зависимости
К = (100 - п)/100.
4. Рассчитываем коэффициент уноса пыли Ку для неподвижного слоя по уравнению
Ку = 0,00132Рап/(35()рнп^ао), (1)
а для движущемся зернистои среды
Ку = 0,00198Рап/(ё5° РнпЕ^а0). (2)
Здесь показатель п определяется в зависимости от значении Ра (если Ра < 60 Па, то п = 1; если 60 Па<Ра <120 Па, то п = 0,8; при Ра>120 Па, то п = 0,7);
и - ускорение свободного падения, м/с.
5. Определяем коэффициент захвата пыли Кэ по формуле
Кэ = 34500^6 5о°'25(1-е)/(рНпё32'05), (3)
где л - динамическая вязкость газа, Па-с.
6. Для произвольных значении толщин фильтрующего слоя Н (например, в пределах от 0,05 до 0,4 м) рассчитываем соответствующие им скорости фильтрования Ж0 при восходящем потоке из уравнения
и1/К) = Кэ(Н° 8^о)[1-Ку(т/тпр)°°16]. (4)
При нисходящем потоке скорость находим из зависимости
и(1/К) = Кэ(1 + 1,381к)(Н°-8/Шо)[1-Ку(т/гпр)016]. (5)
Здесь Stk = ^520 Ж0рг/(18£^з) - критерии Стокса,
где рг - плотность газа, кг/м3.
При расчете фильтров с рециркуляцией насадки в этих уравнениях, вместо т, используется время стабилизации
тстаб 4т.
Полученные данные используем для построения графической зависимости Ж0 = /(Н). Эта зависимость определяет множество сочетании толщины зернистого слоя и скорости фильтрования, обеспечивающих заданные условия очистки (эффективность, свойства пыли и газа, продолжительность цикла фильтрования, соотношение т/тпр). Руководствуясь конструктивными особенностями рассчитываемого фильтра и величинои гидравлического сопротивления подбираем наиболее благоприятные значения Н и W0. Если в дальнейших расчетах эти значения толщины фильтрующего слоя и скорости фильтрования окажутся неприемлемы, выбираем новые или принимаем другую продолжительность цикла фильтрования т (т. е. переходим к пункту 1).
7. Рассчитываем поверхность фильтрования
^ = V/ Ш0.
Исходя из поверхности Б, определяем конструктивные размеры фильтрующей перегородки (длина, ширина, диаметр и пр.). Для зернистых фильтров с кольцевым слоем за поверхность фильтрации принимается поверхность, соответствующая среднему диаметру слоя.
Длину барабана фильтра с вращающейся насадкой рекомендуется прини-мать в пределах от 0,3 до 0,8 его внешнего диаметра.
В случаях, когда предполагается фильтрация продувочного воздуха через зернистый слой (фильтры с рециркуляцией, вращающиеся с обратной струй-ной продувкой и др.), величина поверхности фильтрования должна быть в дальнейшем уточнена с учетом расхода воздуха на продувку
Р = (V + Vпр)/Wо,
где Vпр - объемный расход продувочного воздуха.
8. Для фильтров с вращающейся насадкой определяем число продувочных сопел из зависимости
т = тп / 60,
где п - окружная скорость вращения барабана; принимается в пределах 0,5-2 об/мин.
Необходимо, чтобы расстояние между соплами обеспечивало продувку всей длины фильтрующего слоя без промежутков.
9. Определяем гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя АР. Для этого, предварительно, находим показатель вида фильтрования
Пвф =
( ш2 Л 1 +
р ж
г п о
п о
— + Ра АР
Г 7 V
1+
7
вх у
1+
V ^50 у
Если его значения меньше 100, то АР рассчитываем по уравнению
АР = КоАРч + АР3,
где Ко - коэффициент регенерации зернистого слоя, принимается равным 1,2; АРч - гидравлическое сопротивление чистого фильтрующего слоя; АР3 - прирост сопротивления от запыления слоя, определяется из зависимости
АРз = ^Го(1вх-1ост)Жо2т/(е2рнп).
Если 100 < Пвф < 150, то прирост АР3 находим из уравнения
АРз = Кпс(7вх-7ост)Жо2г/е2. Здесь Кпс - коэффициент сопротивления пылевого слоя.
Кпс = ),25[е2Ра/(ргЖо2)]),37/фнпё25)о2),
где о2 - дисперсия пыли.
Если Пвф > 150, то АР определяем из зависимости для фильтрования с закупориванием
пор
АР = 1/(А - Ст)2,
где А = (1/АРч)0,5, а
С = [(1вх-1ост)/(Щрнп)][Жо/(2иЩ/2)]0,5. Здесь С - коэффициент извилистости каналов
с = [(п/2)-1](1-е)2/3.
В случае расчета фильтра с движущимся зернистым слоем в уравнениях в качестве е принимается порозность движущегося слоя, а в качестве продолжительности цикла фильтрования - время стабилизации тстаб = 4т.
Для расчета сопротивления чистого зернистого слоя ДРч в зависимости от условий фильтрования могут быть использованы уравнения:
АРч = 1,89Жо'6[10'4/'4рг'6Н/е2; АРч = ПЩо^^^р^Н/г3
и другие, приведенные в работах [1-3].
10. Рассчитываем объем зернистой загрузки. Для фильтров с неподвижным слоем он будет равен:
ГзМ = Ж
Для фильтров с рециркуляцией зернистой насадки общий объем загрузки включает объемы фильтрующего слоя, загрузочного бункера и нижней конической части аппарата:
Узм = ¥И + Гзб + Ук.
ост
Объемный расход рециркулируемой насадки определяем из зависимости
Узр = FH / т.
В барабанном зернистом фильтре с пересыпкой зерен объем фильтрующей загрузки определяем как
Узм = FH - Унзм, где Унзм - объем недогрузки зернистого материала в барабан.
Унзм = (0,07-0,09)FH V(R - rXR + r) ,
где R - радиус внешней поверхности барабана, м; r - радиус внутренней поверхности барабана, м.
11. При расчете фильтров с рециркуляцией используя, например, методику [4] рассчитываем систему пневмотранспорта. В этот расчет входит - определение расхода воздуха на рециркуляцию Упв, диаметра пневмоподъемника dmp и гидравлического сопротивления линии пневмотранспорта АРпт.
Расход воздуха на пневмотранспорт составит Упв = Узр/ао, где ао - объемная концентрация твердой фазы при пневмотранспорте, м3/м3. При транспортировке с низкой концентрацией взвеси ао < 0,04 м3/м3 [4].
Для расчета диаметра пневмоподъемника находим критерий Рейнольдса для условий витания зерен
Ree = (4Ar/3X)0,5,
где Ar = [(d2gp2)/^2]/[(рт-рг)/рг] - критерий Архимеда; X - коэффициент сопротивления, являющийся функцией критерия Рейнольдса (его расчет рассмотрен в работах [2, 5]). По критерию Ree вычисляем скорость витания зерен
Ve = Ree^/peds. (6)
Диаметр пневмоподъемника определяем из уравнения
dmp = (4Vne/nv),
где v - скорость транспортирующего потока, м/с.
Для вертикального пневмотранспорта с невысокой концентрацией твердой фазы скорость транспортирующего потока v должна превышать скорость витания на менее, чем в 1,6-1,7 раза.
Гидравлическое сопротивление линии пневмотранспорта находим из выражения
АРпт = АР+АР2+АР3+АР4+АР5+АР6. (7)
Здесь АР1 - потеря напора от транспортирующего потока.
АР1 = XLpsv2/(2dmp),
где X - коэффициент трения. Он зависит от режима потока в пневмоподъемнике, который определяется по критерию Рейнольдса
Re = vpsdmp/^г.
Если критерий Рейнольдса имеет значения от 3000 до 50000, то
X = 0,316/Re0,25.
При Яв от 3-103 до 3-106 можно использовать зависимость
X = 0,0052 + 0,5/Яв0,32. АР2 - статический напор транспортируемого потока
АР2 = рг^Ц1-оо),
где Ь - длина пневмотранспортной линии (ее величина принимается из конст-руктивных соображений), м.
АР3 - статический напор транспортируемого материала
АР3 = (pз-pг)ЬGтg/pтuFтр.
Здесь Gт = Узррнз - массовый расход зернистой насадки; и = V - \в - скорость на участке с установившемся режимом движения; Fтр - сечение пневмоподъемника.
АР4 - потеря напора от трения транспортируемого материала
АР4 = Х1и2Ьрзоо/(2Б),
где X1 - принимается равным 0,005.
АР5 - потеря динамического напора на изменение количества движения
АР5 = Gт(v ^в)^.
АР6 - потеря напора на разгонном участке
Ар = (рр) _ 1п
2р3 ^ТР
(и 2 - v - vв )(и1 - v + vв ) (и 2 - v + ^ )( - v - ^ \
Здесь и} - скорость потока в начале разгонного участка, и = 0; и2 = 0,95^ - vв) - скорость потока в конце разгонног
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.