Badania mokrego odpylania w aparatach z wypełnieniem typu Multiwir

Transkrypt

1 1. Wstęp 14 Badania mokrego odpylania w aparatach z wypełnieniem typu Multiwir Tadeusz Gluba, Andrzej Heim Politechnika Łódzka Joanna Kwaśniak MULTIWIR W wielu urządzeniach technologicznych w czasie procesów przetwórczych materiałów ziarnistych wytwarzane są pyły, które ze zrozumiałych względów nie powinny wydostawać się do atmosfery. Zachodzi więc konieczność zamknięcia obszaru w którym te pyły występują i ich wydzielenia. Znanych jest szereg metod i urządzeń do separacji pyłów z układów gazowych które ogólnie dzielimy na suche i mokre. Wybór sposobu odpylania zaleŝy w pierwszym rzędzie od wielkości cząstek pyłu, stęŝenia, róŝnicy gęstości ciała stałego i gazu, wymaganego stopnia odpylania jak równieŝ wymagań odnośnie własności otrzymanych składników rozdziału (czy cząstki pyłu mogą być w zawiesinie, a gaz zawilgocony). Jednym ze sposobów separacji cząstek aerozolowych jest wykorzystanie sił odśrodkowych do odrzucania cząstek z wirujących strumieni gazu do wilgotnych ścianek wypełnienia o nazwie multiwir. Sam pomysł takiego wypełnienia został opatentowany w latach 80-tych [1], a w późniejszym okresie doczekał się opracowania teoretycznego [2], jak równieŝ badań eksperymentalnych. Jak większość tego typu opracowań posiada cechy konstrukcji rozwojowej.

2 Tadeusz Gluba, Andrzej Heim, Joanna Kwaśniak 2. Budowa wypełnienia i mechanika przepływu gazu Konstrukcyjnie wypełnienie stanowią zestawy równoległych listew w formie warstw (rysunek 1), które tworzą system kanałów o takim samym przekroju prostokątnym. Przekrój kanałów jest zdefiniowany odstępem pomiędzy sąsiednimi listwami oraz szerokością listew. Ze względu na lepsze dostosowanie przekroju kanału do zjawisk przepływowych, szerokość listew jest dwukrotnie większa od odstępu między listwami (warstwami). Strugi gazu płynące wzdłuŝ sąsiednich warstw krzyŝują się stycznie przekazując sobie wzajemnie pęd w wyniku tarcia lepkiego i wprawiają w ruch obrotowy (rysunek 2). PoniewaŜ przekazywanie pędu następuje na kaŝdym skrzyŝowaniu strumieni, dlatego częstość obrotów wirów wzrasta w miarę drogi przepływu. Stwierdzono, Ŝe po minięciu przez przepływający gaz około 15 skrzyŝowań listew ruch wirowy strugi staje się ruchem ustalonym i ma charakter wiru sztywnego, a więc ma strukturę wirującego walca, co oznacza, Ŝe prędkość obwodowa w osi wiru jest równa zeru i rośnie proporcjonalnie wzdłuŝ promienia. W kaŝdym kanale przepływowym występują dwa wiry o równoległych osiach i przeciwnym kierunku obrotów. Jedynie w kanałach przylegających do ścianki aparatu istnieją wiry pojedyncze. Z tego powodu szerokość listew w pakiecie jest 2 razy większa od odstępu między listwami, natomiast listwy skrajne mają szerokość dwukrotnie mniejszą. Rys. 1. Budowa wypełnienia multiwir Fig. 1. Construction of a Multiwir packing 2 VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa

3 Badania mokrego odpylania w aparatach z wypełnieniem typu Multiwir Rys. 2. Kinetyka przepływu gazu w wypełnieniu (przekrój A-A wypełnienia pokazanego na rysunku 1) Fig. 2. Gas flow kinetics in the packing (A-A cross-section of the packing shown in fig. 1) 3. Teoretyczna skuteczność odpylania ZałoŜenie, Ŝe jedyną siłą napędową transportu separowanych cząstek w kierunku powierzchni listew jest siła odśrodkowa występująca w ruchu obrotowym strumienia gazu, pozwoliło na wyprowadzenie [2] wzoru na skuteczność odpylania: d p 2 9µ g h h = ln (1) 2 2 α 2 f VL( ) tg 2r1 k ρ p ρ g 2 gdzie: d p średnica cząstki która znajdując się w odległości r 1 od osi strugi po przebyciu ze strugą wzdłuŝ kanału drogi L, dotrze do powierzchni listwy, α kąt skrzyŝowania listew (Rys. 1), V prędkość przepływu gazu wzdłuŝ kanału [m/s], µ g współczynnik lepkości dynamicznej gazu [kg/ms] ρ p ρ g gęstość ciała stałego i gazu [kg/m 3 ] f k współczynnik poprawkowy uwzględniający hamowanie ruchu obrotowego strugi, spowodowanie tarciem o powierzchnie listew oraz rozpraszaniem energii wywołanym nieprzystosowaniem kształtu do kołowego przekroju strugi VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa 3

4 Tadeusz Gluba, Andrzej Heim, Joanna Kwaśniak Vs rzecz. f k = (2) V s teoret. V s rzecz V s teoret. rzeczywista i teoretyczna prędkość styczna w ruchu obrotowym na obwodzie strugi Wartości współczynnika f k zostały ustalone doświadczalnie [3] (rysunek 3) Rys. 3. ZaleŜność współczynnika f k od kąta skrzyŝowania listew α oraz odległości między listwami h [3] Fig. 3. Dependence of coefficient f k on the angle of strip crossing α and distance between strips h [3] Przy załoŝeniu równomiernego rozmieszczenia cząstek kaŝdej wielkości w strumieniu wlotowym gazu moŝemy określić tzw. skuteczność odpylania rozumianą jako prawdopodobieństwo zatrzymania (dotarcia do powierzchni listwy wypełnienia) cząstek o średnicy d p. Jest ono definiowane wzorem 2 2 α 2 4 fk VL( ρ p ρ g ) tg d p η ( d ) = 1 exp 2 p 2 (3) 9µ gh 4 VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa

5 Badania mokrego odpylania w aparatach z wypełnieniem typu Multiwir 4. Wyniki badań dla odpylania suchego Obszerne badania skuteczności odpylania w aparacie z wypełnieniem typu multiwir wykonane zostały na sucho [3]. Wybrane typowe zaleŝności otrzymane z doświadczeń przedstawiono na rysunek 4. Ich charakter zasadniczo odbiega od krzywych teoretycznych będących obrazem równania (3), który pokazano równieŝ na rysunku 4. Porównując obie grupy krzywych wyraźnie widać, iŝ dla małych wymiarów cząstek (zwłaszcza poniŝej 1µm) uzyskana z doświadczenia skuteczności odpylania jest bardzo duŝa, bo na poziomie 50%, podczas gdy teoretycznie cząstki o tej wielkości nie powinny być na tej długości przepływu strugi odpylone. Dopiero dla cząstek o wymiarach powyŝej 5 µm wartości teoretyczne i doświadczalne stopnia odpylania są zbliŝone. Interesujący jest uzyskany w doświadczeniach spadek skuteczności odpylania ze wzrostem średnicy cząstek, jak równieŝ dla poszczególnych zakresów średnic cząstek, wpływ prędkości przepływu gazu. Rys. 4. Doświadczalna i teoretyczna skuteczność odpylania w zaleŝności od prędkości przepływu gazu dla h = 20mm, α = 90, L = 670 mm wg [3] Fig. 4. Experimental and theoretical dust separation efficiency depending on gas flow velocity for h = 20 mm, α = 90, L = 670 mm according to [3] Obszerne badania, aczkolwiek nie doprowadziły do wyjaśnienia zjawisk powodujących tak wysoką skuteczność odpylania cząstek aerozolowych dały wystarczające informacje dla projektowania aparatów przeznaczonych do suchego oczyszczania gazów z pyłów. VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa 5

6 5. Podsumowanie i cel pracy Tadeusz Gluba, Andrzej Heim, Joanna Kwaśniak Otrzymane doświadczalnie bardzo wysokie wartości skuteczności odpylania bardzo drobnych cząstek wskazały jednak na ograniczenia procesu prowadzonego na sucho, co wiąŝe się z porywaniem z powierzchni listew wytrąconych cząstek przy zbyt duŝych prędkościach przepływu gazu. MoŜna temu w sposób zasadniczy zapobiec przez zwilŝanie wypełnienia. Celem niniejszej pracy było zbadanie skuteczności odpylania na zwil- Ŝonym wypełnieniu typu multiwir. 6. Opis stanowiska i metodyki badawczej Badania odpylania na mokro wykonano w skali półtechnicznej w instalacji pokazanej schematycznie na rysunku 5. Wnętrze prostokątnego odpylacza mm podzielone było na dwie strefy: odpylania i odkraplania. Szerokości stref wynosiły 250 mm (odpylająca) i 500 mm (odkraplająca), natomiast wysokości odpowiednio 500 mm i 250 mm. Przy uŝyciu dozownika ślimakowego pyłu oraz inŝektora powietrznego wytwarzano zawiesinę pyłu w powietrzu, którą wtłaczano do odpylacza, gdzie w wyniku przepływu przez układ listew zwilŝanych wodą następowało wytrącenie cząstek pyłu na listwach, zmywanego następnie przez wodę do zbiornika cyrkulacyjnego. Jako pyłu uŝyto dwa rodzaje dolomitu mielonego w postaci mączki wysokorozdrobnionej o gęstości 2780 kg/m 3. Skład ziarnowy tych materiałów zmierzony z pomocą analizatora laserowego Analysette pokazano na rysunku 6. Bilansowano masę pyłu wprowadzanego do powietrza w inŝektorze m 0 z masą pyłu m wychwyconą przez wodę. Skuteczność odpylania określano ze wzoru m η = 100% (4) m 0 W czasie eksperymentów zmieniano prędkość przepływu powietrza przez wypełnienie, które określano jak przy przepływie przez pustą komorę ze wzoru M u = [ m / s] (5) s gdzie: M strumień objętościowy powietrza w m 3 /s określany na podstawie pomiaru prędkości w części wlotowej przy uŝyciu rurki Prandtla s przekrój komory odpylającej równy 0,125m 2 6 VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa

7 Badania mokrego odpylania w aparatach z wypełnieniem typu Multiwir Rys. 5. Schemat aparatury badawczej: 1 dozownik ślimakowy; 2 inŝektor; 3 dyfuzor; 4 obudowa, 5 zraszacz, 6 wypełnienie odpylające, 7 rurka Prandtla z manometrem róŝnicowym; 8 manometr róŝnicowy; 9 pompa; 10 przepustnica; 11 przegroda, 12 wypełnienie odkraplające; 13 zbiornik cyrkulacyjny; 14 wentylator; 15, 16 zawory Fig. 5. Schematic of the experimental rig: 1 screw feeder; 2 injector; 3 diffuser; 4 casing, 5 sprinkler, 6 dust-separation packing, 7 Prandtl tube with a differential manometer; 8 differential manometer; 9 pump; 10 throttling valve; 11 baffle, 12 droplet trap packing; 13 circulating tank; 14 fan; 15, 16 valves VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa 7

8 Tadeusz Gluba, Andrzej Heim, Joanna Kwaśniak Rys. 6. Skład granulometryczny mączek dolomitowych stosowanych w badaniach Fig. 6. Particle size distribution of dolomite flours used in the experiments 7. Wyniki badań Otrzymane wartości skuteczności odpylania η dla róŝnych prędkości przepływu powietrza u przedstawiono na rysunku 7. całkowita skuteczność odpylania η, % prędkość u, m/s dolomit I dolomit II bez wypełnienia Rys. 7. Skuteczność odpylania w funkcji prędkości przepływu powietrza Fig. 7. Dust separation efficiency as a function of air flow velocity 8 VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa

9 Badania mokrego odpylania w aparatach z wypełnieniem typu Multiwir W przebadanym zakresie prędkości powietrza skuteczność odpylania zmieniała się od około 52% dla dolomitu drobniejszego (I) oraz 60% dla dolomitu o większych wymiarach cząstek (II) do prawie 80% dla obu materiałów przy największych prędkościach przepływu powietrza. Na rysunku naniesiono równieŝ wyniki otrzymane dla odpylania w pustej komorze (bez wypełnienia) przy zraszaniu zapylonego powietrza wodą. Jest zrozumiałe, Ŝe w przypadku zastosowania wypełnienia skuteczność odpylania rośnie ze wzrostem prędkości przepływu powietrza (przynajmniej w badanym zakresie zmienności tego parametru), a krzywa ma charakter litery s. Natomiast przy pustej komorze skuteczność odpylania maleje ze wzrostem prędkości przepływu powietrza. Trzeba podkreślić, Ŝe zwiększanie prędkości przepływu gazu przez wypełnienie jest ograniczone, gdyŝ następuje wtedy zbyt intensywne porywanie przez gaz kropelek cieczy, z czym związane musiałoby być rozbudowywanie strefy odkraplającej. W instalacji badawczej maksymalna, dopuszczalna prędkość w strefie odpylania (liczona na pusty aparat) wynosiła 9,5 m/s. 8. Wnioski końcowe ZwilŜane wodą wypełnienie typu multiwir o grubości warstwy listew 0,5 m, przy prędkości przepływu powietrza w granicach 3 9 m/s wychwytuje cząstki o gęstości 2780 kg/m 3 i wielkości rzędu 1 µm ze skutecznością na poziomie od około 52% do około 80%. Skuteczność odpylania rośnie ze wzrostem prędkości. W celu optymalizacji geometrii wypełnienia tak z punktu widzenia sprawności odpylania jak równieŝ nakładów energetycznych (spadku ciśnienia przy przepływie gazy przez wypełnienie) konieczne jest wykonanie szerszych badań. Literatura 1. Kwaśniak J.: Urządzenie do odpylania gazów. Patent PL nr Kwaśniak J.: Application of the Multiwir Method to Separation of Droplets and Solid Particles From Gases. Chem. Eng. Process, 24, 211/ Kwaśniak J., Leschonski S.: Strömungsfelder, Partikelabscheidung und Druckverlust in Multiwir. Institut fur Mechanische Verfahrenstechnik und Umweltverfahrenstechik der Technischeen Universitet Clausthal VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa 9

10 Tadeusz Gluba, Andrzej Heim, Joanna Kwaśniak Streszczenie W wielu urządzeniach technologicznych w czasie procesów przetwórczych materiałów ziarnistych wytwarzane są pyły, które ze zrozumiałych względów nie powinny wydostawać się do atmosfery. Zachodzi więc konieczność zamknięcia obszaru w którym te pyły występują i ich wydzielenia. Jednym ze sposobów separacji cząstek aerozolowych jest wykorzystanie sił odśrodkowych do odrzucania cząstek z wirujących strumieni gazu do wilgotnych ścianek wypełnienia o nazwie multiwir. Sam pomysł takiego wypełnienia został opatentowany w latach 80-tych, a w późniejszym okresie doczekał się opracowania teoretycznego, jak równieŝ badań eksperymentalnych. Jak większość tego typu opracowań posiada cechy konstrukcji rozwojowej. Opisano budowę wypełnienia typu multiwir mogącego znaleźć zastosowanie w procesach odpylania gazów. Przedstawiono, na podstawie danych literaturowych, teorię zjawisk występujących przy przepływie gazów przez wypełnienie oraz wyniki badań odpylania na sucho. Następnie opisano stanowisko badawcze, metodykę pomiarów oraz rezultaty własnych prób odpylania na mokro pyłów dolomitowych o wymiarach cząstek rzędu 1 µm. Otrzymane sprawności odpylania zmieniały się w granicach od około 52% do prawie 80%. Abstract Investigation Of Wet Dust Separation In An Apparatus With Multiwir Packing In many technological devices during grainy materials processing dust is produced, which should not get out into the atmosphere for clear reasons. So there is a need to close the area in which this dust is occurring and its emission. One of methods of separation of aerosol particles is usage of centrifugal forces for casting off particles from whirling streams of gas to wet walls of packing called "Multiwir". The very idea of such packing was patented in the 80 s and it became an issue of theoretical study as well as experimental examinations in the subsequent period. Like the majority of this type of studies it possesses features of the development construction. Construction of a Multiwir packing that can be applied for dust separation from gases is described in this paper. The theory of phenomena occurring during gas flow through the packing and results of investigation of dry dust separation are presented on the basis of literature data. Next, an experimental rig, methods of measurement and results of our own attempts of wet separation of dolomite dust with 1 µm particles is described. The obtained dust removal efficiencies ranged from ca. 52% to almost 80%. 10 VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa