Роторный распылительный пылеуловитель

Очистка промышленных газов от пыли пищевых продуктов является актуальной проблемой в ряде отраслей пищевой промышленности и перерабатывающих отраслях АПК [1-5]. Например [1-2], потери сухого молока в сушильных установках типа BРA-4, RS-1000, предусмотренные техническим паспортом, составляют 4 % от производительности сушилки, но могут достигать и значительно больших величин. Кроме экологической и санитарно-гигиенической эта проблема имеет существенную экономическую значимость – теряются десятки тонн готового продукта, что отражается на рентабельности и размерах прибыли предприятий.

Выбор конструкции пылеуловителя осуществляется с учетом технико-экономических характеристик, физико-химических свойств улавливаемых пылей и их дисперсного состава. B [1-2] отмечается, что более половины массы пыли, образующейся при производстве крахмала, сухого молока, кристаллической глюкозы и др. составляют частицы размером менее 10 мкм. Такие частицы неудовлетворительно улавливаются циклонами [4], которые используют на первой ступени очистки газов, поэтому на второй применяют рукавные фильтры и мокрые пылеуловители.

Рукавные фильтры обеспечивают степень улавливания частиц размером менее 1 мкм не менее 99 % [4]. Однако имеют высокое гидравлическое сопротивление и недостаточную эксплуатационную надежность (вследствие порывов фильтровальной ткани). Кроме

этого осаждаемые на фильтровальной ткани частицы пыли пищевых продуктов подвергаются более длительному термическому воздействию со стороны сушильных газов, что приводит к перегреванию термолабильных составляющих частиц пыли. Вышесказанное ограничивает применение рукавных фильтров на второй ступени очистки сушильных газов.

Мокрый способ пылеочистки рассмотрен в ряде работ, например [1-6] и др. Он имеет свои достоинства и недостатки. Aʜa-лиз технико-экономических показателей мокрых пылеуловителей позволяет сделать следующие выводы [1-6, 8].

Роторные аппараты с внутренней циркуляцией рабочей жидкости обеспечивают степень очистки газов от частиц пыли размером 1-5 мкм на 95-99 % при незначительных удельных энергозатратах и невысокой плотности орошения.

Наличие ротора несколько снижает эксплуатационную надежность по сравнению, например, с полыми скрубберами, которыми оснащены установки Я9 – ОМП – 1, однако затраты на эксплуатацию и ремонт, обеспечивающие их надежную работу, не выше, чем на очистку и эксплуатацию форсунок в полом скруббере [5].

Как отмечается в [5] оснащение систем очистки газов от пыли пищевых продуктов аппаратами «мокрой» пылеочистки роторного типа с внутренней циркуляцией и самоороше-нием позволит снизить потери продукта без существ енного роста его себестоимости.

Основным направлением в совершенствовании аппаратов мокрой пылеочистки следует считать снижение энергозатрат на их работу при повышении фракционной эффективности.

Нами были исследованы основные рабочие характеристики роторного распылительного пылеуловителя (РРП) с внутренней циркуляцией и самоорошением рабочей жидкостью [7]. Исследованы эффективность пыле- очистки, брызгоунос и гидравлическое сопротивление.

В качестве основных модельных пылей использованы пыли: сухого молока, лактозы, сахара. B целях экономии дорогостоящих пылевидных продуктов на первом этапе использовали угольную пыль марки К – коксующийся, взятую с угольного предприятия ОАО ЦОФ «Березовская» г. Березовский, Кемеровская область. Исходные пыли измельчались на вибрационной мельнице МВ-60 с рабочими органами в виде стержней. После каждого прохода измеряли размер частиц на цифровом микро- скопе марки Levenhuk D870T, снабженном программным обеспечением для определения площади поверхности частицы.

Гранулометрический состав полученных пылей представлен в таблице 1. Концентрация пылей задавалась, исходя из требований норм ПДК для каждого продукта, и соответствовала 2,5-10 мг/м3. Использовали дробно - факторный эксперимент, а при работе на угольной пыли реализована методика полно-факторного эксперимента, чтобы более полно установить влияние всех комбинаций факторов планирования на процесс пылеулавливания. Для получения пылей использовался: сахар-песок (ГОСТ 21-94), лактоза (IST 173057512-17.2006 стандарт предприятия Литвы), сухое молоко («Молоко цельное сухое, ГОСТ 449 5-87 Тeх-нические условия»), которое было привезено с ООО «ЛУАНКОС и К», г. Куйбышев Новосибирская обл. Продукт был непосредственно снят с рукавного фильтра.

Таблица 1

Дисперсный состав пылей

Вид пыли	Содержание частиц пыли (в % от их общего количества)							Медианный размер частиц, d 50 , мкм
	<1 мкм	2 мкм	3 мкм	4 мкм	5 мкм	6 мкм	7 мкм
угольная	65	13	14	3,5	2	~1	~1,5	1,4
сахарная	70	15	11	3	1	-	-	1,9
лактоза	96,3	3,5	0,2	-	-	-	-	1,3
Сухое молоко	81	7	6	2,7	2	1	1,3	1,9

Методика пылеулавливания принята согласно [4], а именно: пылезаборная трубка, изготовленная по рекомендациям Гинцветме-та, соединена с пылеосадительным циклоном, установленным в специальном трубопроводе, через который с помощью воздуходувки воздух откачивался из воздуховода со скоростью U ап = 1-4 м/с. В пылеосадитетельном циклоне установлен аналитический аэрозольный фильтр АФА ВП 20-1, каждый из которых подсушивался в эксикаторе в течение суток перед и после эксперимента. Фильтр взвешивался до и после запыления на аналитических весах марки ВЛР – 200 класс точности 2. Каждое измерение повторяли по три раза.

При исследовании брызгоуноса был использован сепарационный метод определения количества унесённой жидкости, то есть с помощью выносного инерционного сепаратора. Этот метод достаточно прост и надёжен и широко применяется в экспериментальных исследованиях и на производстве.

Методика измерения гидравлического сопротивления РРП состояла в измерении разности статического давления на входе и выходе. Статическое давление измерялось через дренажные отверстия в стенках газоходов с помощью микроманометра типа ММН-240.

Эксперименты проводились при варьировании параметров в следующих пределах: диаметр диспергирующих отверстий d 0 = 1,42,5 мм с одинаковым окружным (t окр ) и осевым (t ос ) шагом t ос = t окр = 2,5d 0 , отверстия расположены в 6 рядов в шахматном порядке; скорость газа в аппарате U ап = 1-4м/с; частота вращения распылителя задавалась из условий его устойчивой работы и была равна n = 8001000 об/мин, что обеспечивало скорость истечения жидкости в пределах U ж = 3,14-4 м/с. Эксп ерименты выполнены на системе воздух-вода при температуре 18±2 ⁰С.

При исследовании пылеочистки было установлено, что во всем диапазоне варьирования параметров на всех модельных пылях эффективность составляла не менее 99 %.

Обработка опытных данных позволила полу-

П = 98,91 + 0,14 d_n + 0,37U + 0,059 C + ,       ,₀, _ж , _n

+ 0,27 UГ - 0,098 d0Uж + 0,008 d 0 Cn -

• - 0,04 d_nU_r - 0,02 U С - 0,0965 U U_r -

• ^,  0 Г ^, жп ^, жГ

• - 0,007 С U_r;

пГ чить уравнение для расчета эффективности: R2 = 0,94                                     (1)

где R2 - - коэффициент корреляции.

Физико-химические характеристики рабочей жидкости (таблица 2) (плотность, ρ ж , кг/м³; вязкость, µ ж *10³, Па*с; поверхностное натяжение жидкость, σ ж *10³, Н/м) замерены при работе РРП и составили:

Таблица 2

Физико-химические свойства рабочей жидкости

Вид пыли	ρ ж	μ ж *l03	σ ж *l03
	кг/м3	Па*с	Н/м
Уголь	1008	1,34	68,53
Сухое молоко	886	57,1	44,75
Лактоза	887	50,4	40,61
Сахар	1039	16,2	28,1

Результаты исследования брызгоуноса представлены на графиках (рисунки 1-2).

Обобщенная формула для расчета брызгоуноса в исследованном диапазоне изменений параметров имеет вид:

а п /1 < 1 1 A-6 л 2.07 t 71,60 7 t-0,24 .

e = 0,2451 - 10 • d 0    - U ж - U г , ;

R2= 0,942124, кг/кг           (2)

Рисунок 1 - Зависимость брызгоуноса от скорости газа в аппарате при d 0 = 2,0 мм.

Из графиков, представленных на рисунках 1 и 2, можно сделать вывод, что с увеличением частоты вращения ротора, то есть увеличением скорости капель факела распы -ленной жидкости, ударное взаимодействие этих кап ель с пленкой жидкости на пристенном каплеотбойнике происходит более интенсивно и количество мелкодисперсных капель, полученных при этом взаимодействии, увеличивается. Эти капли больше подвержены брызгоуносу. Увеличение скорости газовой фазы в аппарате увеличивает брызгоунос. Как следует из (2), d 0 оказывает наибольшее влияние на брызгоунос, что связано с увеличением производительности распылителя.

Во всем исследованном диапазоне относительный брызгоунос (кг жидкости на 1 кг газа) не превышает 0,05, что допустимо [6].

Полученные экспериментальные данные обрабатывались в программе Microsoft Office Excel 2007. Из данных, представленных на рисунке 3, следует, что вращающийся распылитель в неорошаемом (сухом) аппарате создает определенное гидравлическое сопротивление проходу воздуха. Причем с увеличением частоты вращения сопротивление снижается. Данное явление можно объяснить вентиляционным эффектом, создаваемым вращающимся распылителем и крыльчаткой. При скорости воздуха в РРП 3,5 м/с потери напора возрастают на 10-15 % за счет вращения распылителя с частотой n = 900-1000 об/мин.

В целом гидравлическое сопротивление неорошаемого РРП при n = 900 и 1000 об/мин остается невысоким.

Рисунок 2 - 3ависимость брызгоуноса от скорости газа в аппарате.

Сопоставляя данные на рисунках 3 и 4, можно сделать выводы, что А ф в РРП достаточно велико и в несколько раз превышает А Р сух . Как следует из данных на рисунке 4, с увеличением частоты вращения распылителя А Р ₀ несколько снижается. На наш взгляд, это можно объяснить вентиляционным эффектом, создаваемым вращающимся распылителем и факелом жидкости.

Математическая обработка данных, представленных на рисунке 3, позволила получить уравнение.

АР„ = 486,5537 + 103,2143 ■ U_a„ - ор                                ап

• - 31,8471^ + 0 ■ d ₀, Па

R 2 = 0,999 Ж .     ⁰                     (3)

где R2 - коэффициент корреляции.

Из анализа уравнения (3) следует, что влиянием d₀ на А Р ор можно пренебречь. Учитывая, что ^^сух ^<*^< ^_Ор , уравнение (3) можно рекомендовать для расчетной практики

Как показывают данные на рисунке 4, в диапазоне П ап = 1,0... 4,0 м/с гидравлическое сопротивление исследуемого РРП меняется в пределах 460-790 Па.

Рисунок 3 - Зависимость гидравлического сопротивления сухого аппарата от скорости газа Экспериментальные данные: 1 - n = 800 об/мин, 2 n = 900 об/мин, 3 n = 1000 об/мин; 4 n =0 об/мин. Результат математической обработки:

5 Пж=3,14 м/с; 6 - Иж=3,5325 м/с; 7 - Иж=3,925м/с; 8 -n =0 об/мин.

Рисунок 4 - Зависимость гидравлического сопротивления орошаемого аппарата от скорости воздуха (d 0 = 2*10^-3 м)

Экспериментальные данные: 1 n = 1000 об/мин, 2 n = 900 об/мин, 3 n =800 об/мин. Результат математической обработки: 4 - Пж=3,925м/с;

5 - П ж =3,5325 м/с; 6 П ж =3,14м/с.

В работе [3] приведены техникоэкономические характеристики мокрых пылеуловителей различных конструкций. Наиболее близким по конструктивному решению является роторный распылительный газопромыватель (РРГ), который имеет лучшие характеристики. Сопротивление РРГ в диапазоне скоростей газа П ап = 1,5... 3,1 м/с составляет А Р_ор = 150...730 Па. РРП при П ап = 2,5... 3,8 м/с имеет практически одинаковое с РРГ А Р_ор .

Сумма расходов на работу аппарата складывается из затрат на электроэнергию, на работу системы «мокрой» очистки, стоимости орошающей жидкости, затрат на амортизацию, текущий ремонт и из затрат на утилизацию шлама. При многократном использовании орошающей жидкости весомые затраты приходятся на энергозатраты при работе пылеуловителя.

Расчет удельных энергозатрат К уд (МДж/1000 м³ газа) на работу аппарата «мокрой» пылеочистки определяется по формуле:

К уд = Р а + Р ж ■ и ж- + — ,     (4)

у          М Г иГ где РА - гидравлическое сопротивление аппарата (Па); Рж - давление распыливаемой жидкости (Па); ^ж- - объемный расход соответ-иг ственно жидкости и газа (м3/с); NМ - мощность вращающегося механизма, расходуемая на контактирование газа с жидкостью (Вт); М Г -масса газа (кг).

Поэтому внедрение на пищевые предприятия аппарата «мокрой» пылеочистки роторного типа позволит снизить потери готовой продукции без роста её себестоимости.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что основным направлением в совершен ствовании аппаратов «мокрой» очистки следует считать снижение энергозатрат на их работу при повышении фракционной эффективности.

В таблице 3 представлена сравнительная характеристика аппаратов «мокрого» способа очистки, которые используются в пищевой промышленности [1-5], данные по РРП получены автором.

Таблица 3

Аппараты мокрого типа очистки

Показатель	Тип аппарата
	СДК	СИОТ	ЦВП	Вентури	ГДП-М	ГРБ	Я9-ОМП-1	РРГ	РРГ-1	РРП
Диаметр, м	1,2 2,4	1,3 5,4	0,3-1,0	0,15-1,9	1,0-1,5	0,6-1,5	- 2,5	0,251,6	0,251,6	0,251,6
Скорость газа, м/с	4-7,5	14-20	4,5-7,1	50	10-12	1-4	1,4	1,5 3,1	1,95 3,25	1,0-4
Плотность орошения, м3/(м2- ч)	25 35	0,06 17,2	0,6-20	0,7-111	0,02-4,8	(0,6-6) ■ 10 " 3	0,941,04	(0,4120) 10 "5	(0,4-1) 10 " 5	(0,04 -0,5) 10 " 3
Гидравлическое сопротивление, кПА	1,2 3,5	1,12,0	0,360,9	2,3	1,8	0,550,8	0,620,74	0,150,7	0,080,6	0,460,79
Эффективность очистки, %	96 99,6	99,9	90-95	99	99	98-99	95-96	99,9	99,9	99,9
Диаметр улавливаемых частиц, мкм	2	5	5-10	1,0	5	7-8	нет данных	1,4	1,2	1,3-1,9
Удельные энергозатраты, МДж/1000м3 газа	7,2	1,5-24	0,6-6,3	2,8-69,8	1,2-8,8	0,8-2,3	0,640,81	0,341,26	0,160,8	0,550,8