Calculation of the efficiency of catching drops in the axial centrifugal separators with the paddle swirlers

Full Text

Выбор конструкции центробежного сепаратора определяется, прежде всего, величиной уноса, допустимой в каждом конкретном случае работы технологического оборудования. Разработка новых конструкций и внедрение центробежных сепараторов в промышленность сдерживается сложностью гидродинамического расчета и расчета эффективности сепарации на стадии их проектирования. Исследования гидродинамики закрученных газовых потоков проводили на экспериментальной установке, основным узлом которой был центробежный сепаратор со сменными лопастными завихрителями [1, 2]. Cепаратор имел диаметр сепарационной зоны 200 мм и был выполнен по схеме аппарата с нижним центральным вводом газокапельной смеси, нижней зоной слива уловленной жидкости и верхним выхлопным патрубком. На нижнем центральном входе устанавливались сменные лопастные завихрители: один аксиально-тангенциального типа (АТ-75) с углом наклона лопасти к перпендикулярному сечению аппарата, равным α=75°, и диаметром входа газа DBX=100 мм и второй аксиального типа (А-60) с углом наклона лопасти к оси цилиндрического канала α=60° и диаметром входа газа DBX=150 мм. Скорость газа во входном патрубке изменялась в пределах от 5 до 52 м/с. В рамках предложенной модели сепарации частиц [2] эффективность их улавливания определяется величиной потока на стенку аппарата Jw, который может быть определен для каждого диаметра частиц по уравнению: , при r → R. (1) В уравнение (1) наибольший вклад вносят значения концентрации в пристенной области. На малых расстояниях от стенки аппарата влиянием диффузии можно пренебречь по сравнению с интенсивностью осаждения, и уравнение (1) приближенно может быть записано в виде: , (2) где величины скорости осаждения и концентрации частиц взяты для пристенной зоны. Эффективность улавливания дисперсной фазы растет пропорционально квадрату тангенциальной составляющей скорости газа в пристенной зоне. Рисунок 1. Изменение концентрации α среднеарифметического d10 и объемно-поверхностного d32 диаметров капель по радиусу сепаратора АТ-75 (соответственно кривые 1-3) Величину уноса ω жидкой дисперсной фазы из циклонного сепаратора определяли экспериментально по концентрации растворенной соли Na3P04, накопившейся в барботере-соленакопителе за время одного опыта. Конечную концентрацию соли измеряли с помощью спектрофотометра "TECATOR" – прибора, предназначенного для определения концентрации фосфат-иона в водных растворах в пределах от 0,1 до 1,0 мг/л раствора [1, 2]. Для сепараторов с завихрителями АТ-75 и А-60 зависимость уноса капель от скорости ввода имеет две ярко выраженные области. В первой области с увеличением Wвв наблюдается снижение величины уноса [1]. Данный факт, по-видимому, объясняется увеличением скорости осаждения частиц дисперсной фазы Vρoc в пристенной области (1), которая растет пропорционально скорости ввода потока в аппарат во второй степени. Концентрация же частиц дисперсной фазы в пристенной области с ростом Wвв в соответствии с рис.1, на участке падения уноса должна уменьшаться. При достижении некоторого критического значения Wвв наблюдается резкое возрастание величины уноса, вызванное срывом капель жидкости с поверхности пленки жидкости, находящейся на стенках циклона. Для первой области характерен постоянный слив избытка жидкости из вращающегося на внутренней поверхности корпуса жидкостного кольца в нижнюю часть центробежного сепаратора. По мере накопления жидкости в кольце оно спускается ниже к завихрителю, увеличиваясь в размере. Этот режим обеспечивают наибольшую эффективность разделения газожидкостной смеси. Для второй области зависимости ω=f(Wвв) характерен пульсационный режим образования жидкостного кольца, срыв капель с его поверхности и резкое возрастание уноса. Значение критической скорости ввода газа для А-60 составляет 14 м/с и для АТ-75 – 41 м/с. Увеличение скорости ввода свыше критических Wвв влечет за собой отвод жидкости из сепаратора в верхний патрубок в виде восходящих спиральных струй, поднимающихся по стенке аппарата. Уравнение (1) было использовано для расчета эффективности улавливания капель в осевом сепараторе с лопастным завихрителем АТ-75. Эффективность улавливания определялась величиной потока капель на стенки сепаратора и концентрацией капель в очищенном газе. При расчетах использованы полученные экспериментальные данные (рисунок 1). Начальное содержание капель в газе перед сепаратором составляло qH=0,04 кгж/кг г. Изменение концентрации капель в газе, зависит от текущего радиуса. На участке r=(0 -:-0,4)R принято α=αн. В пристенной зоне сепаратора при r=(0,4-:-1,0)R концентрация капель в газе увеличивается (рисунок 1). Расчет по уравнению (1) проводился численным методом. При этом использовались следующие соотношения: (3) где αн – начальная концентрация капель жидкости в газе, м3/м3. , (4) где Iн – начальный поток капель через лопастной завихритель, м3/м2с; – расход газа, м3; F3 – боковая поверхность конического лопастного завихрителя, м2. Поток неуловленных в сепараторе капель, отнесенный к боковой поверхности лопастного завихрителя: (5) Концентрация капель в отводимом из сепаратора газе: (6) – скорость газа на выходе из лопастного завихрителя, м/с. В качестве расчетного диаметра капель принимался среднемассовый диаметр d50 входе в лопастной завихритель. Результаты расчетов приведены в табл. 1. Произведенные измерения показали, что при расчете эффективности сепарации дисперсной фазы в осевых центробежных сепараторах с лопастными завихрителями требуется учитывать действие трех факторов: осаждения под действием силы инерции, турбулентной диффузии и перемещения частиц под действием ненулевой радиальной составляющей осредненной скорости потока. В случае мелких частиц можно рассматривать индивидуальное влияние каждого из отмеченных факторов. Эффективность улавливания зависит главным образом от величины концентрации тонкодисперсных частиц и скорости их осаждения в пристенной области. Каждой выбранной конструкции сепаратора соответствует индивидуальный диапазон устойчивой работы, при котором достигается минимальная величина уноса. Концентрация дисперсной фазы в пристенной зоне определяется целым рядом факторов, в том числе и конструкцией завихрителя осевого центробежного сепаратора. Концентрация частиц дисперсной фазы при расчете эффективности улавливания может быть найдена либо экспериментально, либо путем численного решения задачи о движении закрученного взвесенесушего турбулентного потока в центробежном осевом сепараторе. В последнем случае могут быть получены теоретические зависимости величины уноса от расхода газа через аппарат и нагрузки по улавливаемой дисперсной фазе. Таблица 1 Скорость газа в завихри-теле, , м/с Начальная концентрация капель в газе, αн, м3/м3 Диаметр капель на входе в сепаратор, d50, м Окружная компонента скорости газа, Uφ, м/с Начальный поток капель в завихрителе, Iн, м3/м2с Поток капель на стенки сепаратора, Iw, м3/м2с Поток капель, уносимых из сепаратора, Iω, м3/м2с Концентрация капель в газе на выходе из сепаратора, αω, м3/м3 1,53 4,8·10-5 (27÷30) ·10-6 5,1 7,3·10-5 7,12·10-5 1,25·10-5 8,2·10-6 2,62 6,97 1,26·10-4 1,11·10-4 1,44·10-5 5,5·10-6 3,92 11,87 1,83·10-4 1,65·10-4 2,1·10-5 5,0·10-6 5,67 16,86 2,7·10-4 2,6·10-4 1,2·10-5 3,7·10-6 7,21 20,1 3,45·10-4 3,22·10-4 2,3·10-5 3,2·10-6

About the authors

A. S. Zhikharev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.; +7 (499) 267-10-13

O. A. Cherepanova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

+7 (499) 267-10-13

References

Supplementary files