Лабораторная работа № 3 Расчет полого форсуночного скруббера

Лабораторная работа № 3
Расчет полого форсуночного скруббера
Полые форсуночные скрубберы используются для очистки от пыли и
растворимых в воде веществ выбросов различных металлургических
переделов. Улавливание пылевых частиц в скруббере достигается за счет их
контакта с каплями воды, подаваемой с помощью системы форсунок.
Скруббер представляет собой колонну прямоугольного или круглого
сечения, в которой организуется движение очищаемого газа и орошающей
его воды. Обычно применяются скрубберы с противоточным движением газа
и воды или скрубберы с поперечным орошением водой движущегося газа.
Последние из-за высокого брызгоуноса снабжаются каплеуловителями.
Запыленный газ подается в нижнюю часть колонны, и после осаждения
пылевых частиц на каплях вода удаляется из скруббера через верхнюю часть
колонны. На пути газа располагаются несколько рядов форсунок по 8 ...16 в
каждом. Наряду с очисткой газа от пыли и растворения в воде примесей
скруббер обеспечивает охлаждение газа до 40 ... 50 °С и его увлажнение
практически до состояния насыщения. В связи с этим расчет скруббера
должен выполняться как тепло- и массообменного аппарата. Расчетом
определяются
необходимые
размеры
скруббера,
его
режимные
характеристики и эффективность улавливания пыли. Расчет и выбор
форсунок для подачи орошающей жидкости выполняется по отдельной
методике.
Методика инженерного расчета скруббера
Количество тепла, передаваемого очищаемым газом орошающей его
воде с учетом потерь тепла (ΔQ, %),
Q = Vо,с(J1 – J2)/(1 + 0,01ΔQ),
где Vo,c - расход сухого газа на очистку, м3/с ; J1,J2- теплосодержание газа на
входе и на выходе из скруббера при температуре t1 и t2 соответственно
J1=Cr,1t1+x1(i1-i2), J2=Cr,2t2, кДж/м3;
Сr,1 и Сr,2 – средние теплоемкости газа в интервале температур от 0 до t1 и от 0
до t2 соответственно, кДж/(м3 град); теплосодержание водяных паров при
начальной (t1) и конечной (t”ж) температурах: i1 = 2480 + I,96t1; i2 = 2480
+1,96t”ж, кДж/кг;
х1 – начальное влагосодержание газа, г/м3;
ΔQ – потери тепла скруббером в % от количества тепла очищаемого
газа.
Поскольку на выходе из скруббера газ практически насыщен водяным
паром, то температура этого пара близка к температуре "мокрого"
термометра (tм) и обычно ниже таковой на 5...8°С. Температуру t”ж можно
определить по эмпирической формуле вида
t ж  t м  (5...8)  9,568  х 10,658  t 1
( 0 , 058 х10 , 48 )
 (5...8) , оС
Расход воды для орошения газа
Vж  Q / ж i п  iж   1  iж  iж ,
где ρж – плотность орошающей жидкости, кг/м3;
φ – коэффициент испарения вода;
iп=Сп tж// - теплосодержание насыщенного водяного пара, кДж/кг;
iж/ = Cж/ tж/ ; iж//  Cж// tж// – теплосодержание орошающей воды при начальной
tж/ и конечной tж// температурах;
Cп, Cж/ , Cж// – средние теплоемкости водяного пара, орошающей воды в
интервалах температур от 0 до tж//
tж/
и tж// соответственно,
кДж/(кг град).
При влагосодержании, г/м3, насыщенного водяным паром газа, равном
х2 = х1+φVж/Vо,с,
3
объемный расход, м /с, газа на выходе из скруббера при рабочих условиях
V 2 = V o , c (1+x 2 /0,804)(1+t 2 /273)101,3/(P б а р ±P r ),
где Рбар – барометрическое давление на местности, кПа;
Рг – избыточное (+ Рг) давление газа или разрежение газа (-Рг) в
скруббере, кПа.
Из условий стационарного теплообмена объем форсуночного скруббера
составит, м3,
W = 1000Q/(KΔtл),
где К = [1 + 0,001(t1+t2)/2]  [116,5 + 52,5Vжρж/Vo,cρо,с] - объемный
коэффициент теплопередачи, Вт/(м3 град);
ρо,с – плотность сухого газа, кг/м3;
Δtл=[(t1- tж// )-(t2- tж/ )]/2,3lg[(t1- tж// )-(t2- tж/ )] – средняя логарифмическая
разность температур газа и орошающей жидкости, °С.
На основании опыта установлены оптимальные скорости газа в
скруббере, при которых обеспечивается эффективная очистка газа от пыли.
Эти скорости рекомендовано задавать для противоточного скруббера с
гидравлическим сопротивлением ΔР = 230 ... 250 Па в диапазоне ωс = 0,7 ...
1,5 м/с, а для скруббера с поперечным орошением, имеющего
гидравлическое сопротивление ΔР=900 ... 1500 Па, в диапазоне ωс = 6...8,7
м/с. При заданной скорости очищаемого газа определяются эквивалентный
диаметр скруббера D  4V /  wc , м, и его активная высота Н = 4W/πD2, м.
2
При этом следует выполнить условие по строительной устойчивости
(стройности) скруббера, согласно которому отношение H/D ≈ 2,5. Если при
заданной скорости оно не выполняется, то из рекомендованного диапазона
принимается иная скорость, при которой условие по стройности конструкции
выполняется.
Для обеспечения качества орошения водой очищаемого газа форсунки
располагают в несколько рядов. Расстояние первого ряда форсунок от оси
ввода очищаемого газа должно быть равно Н1 ≈ 0,5D, а расстояние между
2
следующими рядами – Н2 ≈ 2D. Исходя из активной высоты скруббера и этих
расстояний определяется число рядов форсунок по его высоте
N=1 +(Н-Н1)/H2.
Скорость движения капель распыленной воды с диаметром dк
составляет ωк = 0,255dк0,431, м/с. Расчет форсуночного скруббера завершается
определением эффективности очистки газа от пыли. Для сравнения
имеющихся методик этот расчет выполняется по энергетическому методу и
по методу, основанному на теории массообменных процессов.
Главным энергетическим параметром скруббера является расход
энергии в единицу времени на обработку очищаемого газа распыливаемой
водой. Оценочная характеристика этого параметра – суммарная энергия
соприкосновения частиц с каплями, Па,
К ч = ΔP+P ж V ж /V 2 ,
где ΔР – сопротивление скруббера, Па;
Рж – давление воды на распыление, Па.
Согласно энергетическому методу, степень очистки газа
ηэ = 1-ехр(-В КчЕ ),
где В и Е – константы, зависящие от физико-химических свойств и
дисперсного состава пыли в очищаемом газе. Выбираются из табл. 13.4 в
лабораторной работе №13.
Согласно теории массообменных процессов, степень очистки газа для
противоточного скруббера
η=1-ехр(-3V ж η з ω г ж Н/2V 2 d к ω к ),
а для скруббера с поперечным орошением
η=1-ехр(-3V ж η з Н/2V 2 d к ),
где коэффициент захвата частицы каплей воды ηз = Stk2/(0,35+Stk)2 при
плотности орошения S = 1000Vж /V2 < 2, и ηз = 1-0,15Stk-1,24 при S ≥ 2;
скорость газа относительно жидкости для противоточного скруббера
ωrж = ωс + ωк и ωrж = ωс - для скруббера с поперечным орошением, м/с;
dк – заданный диаметр капли распыливаемой воды, рекомендуемый в
диапазоне (0,6...1,0) 10-3, м; Stk =d 4 2 ρ ч ω r ж C к м /18µ г d к – число Стокса ;
d4 – средний медианный диаметр частицы пыли, м;
ρч – плотность частицы, кг/м3;
µr – коэффициент динамической вязкости газа, Па  с ;
Скм – поправка Кенингема - Милликена (при d4≥ 10мкм, Скм =1;
при d4< 10 мкм, Скм = 1,156 dч -0,0644).
Рассчитанные степени очистки сравниваются. Как правило,
теоретическая степень очистки получается выше определенной по
энергетическому методу.
3
Исходные данные для расчета и задачи
Для расчета вводятся следующие исходные данные:
- тип скруббера (0 – противоточный; 1 – с поперечным орошением);
- барометрическое давление на местности, Па;
- избыточное давление или разрежение газа в скруббере, Па;
- расход сухого газа на очистку, м3/с;
- температура газа на входе в скруббер, °С;
- рекомендуемая температура газа на выходе из скруббера, °С;.
- теплоемкости газа для условий входа и выхода, кДж/(м3град);
- начальное влагосодержание газа, г/м3;
- плотность сухого газа, кг/м3;
- динамическая вязкость газа, Па с;
- температура воды, подаваемой на орошение, °С;
- динамическая вязкость воды, Па  с;
- тепловые потери скруббера, %;
- теплоемкость насыщенного водяного пара, кДж/(кг град);
- коэффициент испарения воды (φ = 0,45 ...0,55);
- давление воды перед форсункой Pж = (3 ...4) 105, Па;
- диаметр капель распыливаемой воды dK =(0,6…1)10-3, м;
- минимальный диаметр частиц пыли в очищаемом газе, м;
- средний медианный размер пыли, м;
- плотность пылевых частиц, кг/м3;
- признак пыли, содержащейся в очищаемом газе (задается согласно
предлагаемому на экране дисплея перечню);
- скорость газа на выходе из скруббера (задается в диалоговом
режиме: для противоточного скруббера 0,8 ... 1,5, для скруббера с
поперечным орошением 5...8,7 м/с);
- гидравлическое сопротивление скруббера (задается в диалоговом
режиме: для противоточного скруббера 230...250 Па, для скруббера с
поперечным орошением - 900...1500 Па).
4
Результаты расчета контрольного примера
По результатам расчета пользователем программного продукта может
быть сформирован отчет и экспортирован в форматы .xls либо .pdf. Пример
расчета контрольного примера приведен ниже:
Расчет полого форсуночного скруббера
Исходные данные
Расход сухого газа при н.у., м3/с
18
Барометрическое давление на местности, кПа
101
Избыточное давление (разрежение) газа, кПа
12
Температура газа на входе, °С
144
Температура газа на выходе, °С
49
Теплоемкость газа на входе, кДж/(м3 град)
0,87
Теплоемкость газа на выходе, кДж/(м3 град)
0,82
Начальное влагосодержание газа, кг/м3
0,018
Плотность сухого газа, кг/м3
0,95
Плотность орошающей жидкости, кг/м3
Динамическая вязкость газа, Па с
100
0
2,2E-05
Температура воды, °С
21
Теплоемкость воды для температур от 0 до tж'', кДж/кг
4,182
Теплоемкость воды для температур от tж' до tж'', кДж/кг
4,182
Тепловые потери скруббера, %
10
Теплоемкость насыщенного водяного пара, кДж/(кг град)
2,09
Коэффициент испарения воды
0,5
Давление воды перед форсункой, кПа
290
Диаметр капель распыливаемой воды, м
0,0008
Средний медианный размер пыли, м
3E-05
Плотность пылевых частиц, кг/м3
Скорость газа на выходе, м/с
200
0
1,8
В
0,0988
Е
0,4663
Результаты расчета
Эквивалентный диаметр скруббера, м
4,484
Активная высота скруббера, м
10,996
Энергетический коэффициент очистки
0,62744
Расстояние между осью подвода газа и первым рядом
2,242
5
форсунок, м
Расстояние между рядами форсунок, м
8,967
Расчетная плотность орошения
0,48
Расчетная степень очистки
1
Расчетная скорость на выходе скруббера
1,8
Число форсунок
2
Задачи исследования
В лабораторной работе студентам могут быть предложены следующие
задачи (в зависимости от объема лабораторного практикума):
1. Занести исходные данные (по вариантам).
2. Для противоточного скруббера исследовать параметры, влияющие на
коэффициент энергетической очистки.
Объяснить полученные
результаты.
3. Для скруббера с поперечным орошением исследовать параметры,
влияющие на геометрические размеры аппарата. Изменяя скорость
движения газа в скруббере, получить отношение высоты к диаметру,
равное 2,5.
Исходные варианты для расчета
t1,0С t2,0С t’ж,0С
№
Рг ,
V,
варианта кПа
м3/с
1
10,1 30
160
45
15
2
10,2 21
173
46
16
3
10,4 23
189
47
17
4
10,8 32
202
48
18
х1,
кг/м3
0,015
0,016
0,018
0,021
5
11
18
220
49
19
0,025 370
6
7
11,4
11,6
19
20
173
168
50
46
20
21
0,023 390
0,019 410
8
11,8
19,5
218
47
22
0,02
9
9,9
18,6
224
48
23
0,028 460
10
11
9,7
9,3
18,1
20,6
199
160
49
45
24
15
0,026 480
0,015 290
12
10,1
21,2
173
46
16
0,016 310
6
Рж,
кПа
290
310
330
350
440
Тип пыли
Конвертерная
Ваграночная
Мартеновская
Мартеновская с
кислородным
дутьем
Мартеновская с
воздушным
дутьем
Колошниковая
Известковых
печей
Печей
плавки
латуни
Известковых
печей
Доменных печей
Печей выплавки
ферросилиция
Печей выплавки
силикомарганца
13
10,2
28,6
189
47
17
0,018 330
14
10,4
27,7
202
48
18
0,021 350
15
10,8
26,5
220
49
19
0,025 370
16
11
29
173
50
20
0,023 390
17
18
19
20
11,4
11,6
11,8
9,9
23,4
25
19
20
168
218
224
199
46
47
48
49
21
22
23
24
0,019
0,02
0,028
0,026
7
410
440
460
480
Каолинового
производства
Туман
фосфорной
кислоты
Производства
целлюлозы
Электрокрекинга
метана
Конвертерная
Ваграночная
Мартеновская
Известковых
печей