Update site in the process

   Главная  | О журнале  | Авторы  | Новости  | Вопросы / Ответы


К содержанию номера журнала: Вестник КАСУ №6 - 2011

Автор: Давыдов Юрий Федорович

Для разработки подобных методик был создан полупромышленный стенд.

На стенде изучены параметры потока на различном расстоянии от завихрителя. В данной работе изучены завихрители трех типов: а) с закруткой потока вдоль стенки трубопровода, внутренний диаметр завихрителя 210 мм, наружный 232 мм, высота 3 мм, число лопаток 30; б) аксиальнолопаточный с полной закруткой потока переменным углом атаки. Диаметр внутреннего тела 150 мм, высота лопаток 53 мм; в) аксиально-лопаточный завихритель с полной закруткой потока и переменным углом атаки. Внутренний диаметр -76 мм, высота лопаток - 91 мм (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной модели сепаратора

Х – длина модели, Д – диаметр модели

Рабочий участок модели сепаратора - аккумулятора состоит из двух коаксиальных цилиндрических трубопроводов. Внутренний перфорированный трубопровод выполнен диаметром 260 мм с отверстиями диаметром 4 мм (пористость 49%) и длиной 1200 мм, на его концевом участке установлена непроницаемая заглушка. Наружный трубопровод изготовлен из оргстекла диаметром 300 мм и длиной 1500 мм как показано на рисунке 3. Для измерения давления на стенках трубопровода использовались дренажные отверстия по четырем мерным сечениям с диаметром 0,5 мм.

Измерения давления и скоростей проводились в четырех мерных сечениях по радиусу модели. Гидравлическое сопротивление моделей рассчитывалось по перепаду давления на рабочем участке. Перепад давления измерялся дифференциальным микроманометром ММН-240 и МКВ-250. Отбор давлений Р1 и Р0 проведен на начальном и конечном участке исследуемой модели

, (1)

где m – тангенс угла наклона трубки микроманометра, g- ускорение свободного падения, rсп - плотность спирта, А - отсчет по шкале микроманометра.

Рис. 2. Сепаратор-аккумулятор

Коэффициент местного сопротивления вычисляется по формуле:

, (2)

где xтр - коэффициент сопротивления трения участка между измерительными сечениями.

Измерение давления и скорости потока проводились цилиндрическим и шаровым зондом, и результаты сравнивались с результатами, полученными с помощью термоанемометра. При измерении характеристик потока цилиндрической трубкой с отверстием диаметром 0,8 мм применялся метод вращения трубки с помощью координатника на 180° вокруг своей оси и измерение манометром значений давлений по потоку воздуха и в противоположном направлении. При вычислении местных осредненных скоростей величина скоростного напора для каждой точки принималась равной разности полного напора, измеренного цилиндрической трубкой, и статического напора на наружной стенке в том же сечении. Перемещение зондов по сечению модели (в радиальном направлении) осуществлялось координатником конструкции ЛПИ обеспечивающем точность перемещения 0,5 мм.

В работе измерения проведены вращением однониточного термоанемометра с использованием предварительных пространственных тарировок. Использовался термоанемометр постоянной температуры ТАП-1 и основное уравнение этого термоанемометра, имеющее вид:

, (3)

где Е - величина напряжения на выходе термоанемометра, V - скорость потока.

Напряжение тока термоанемометра измерялось вольтметром. Значение осредненной скорости определено по формуле:

. (4)

Величина погрешности измерений в зависимости от применяемого метода изменялась в пределах от 0,8% до 4%. Для изучения сопротивления модели использовались зависимости коэффициента сопротивления рабочего участка от чисел Рейнольдс. Опыт показывает, что основной расход воздуха (около 85%) проходит через перфорированную стенку на участке трубы между сечениями с Х/Д = 4,4 и Х/Д = 5,0. В кольцевом зазоре до Х/Д = 51,5 скорость движения потока незначительна, где Х/Д – отношение расстояния до мерного сечения к линейному размеру кольцевого зазора. Распределение скорости в данном сечении близко к равномерному (D - размер кольцевого зазора).

Установлено, что по длине модели на начальном участке изменение давления незначительно, а начиная от Х/Д > 1 градиент давления, имеет отрицательное значение. Такое распределение давления по длине модели создается за счет сильной закрутки потока и неравномерности оттока его из внутреннего канала в кольцевой. Форма распределения давления по радиусу внутреннего трубопровода характеризуется положительным градиентом давления от перфорированной стенки до 0,1 r/R независимо от числа Рейнольдса и расстояния от завихрителя. Зона устойчивого понижения давления начинается от r/R = 0,20 до r/R = 0,35 в зависимости от числа Рейнольдса и с увеличением последнего уменьшается. В кольцевом канале максимальное значение давление достигает в сечениях вблизи от выхода из сепаратора. Причем, максимальные значения давления наблюдаются у перфорированной стенки, и стабилизация давления начинается на расстоянии r/D от 0,4 до 0,5.

В модели 2 использован аксиально-лопаточный завихритель с диаметром внутреннего тела 150 мм, число лопаток 8 штук, высотой лопаток 53 мм и углом закрутки лопаток 55°. Геометрический параметр закрутки n* = 1,597.

Установлено, что наибольшие скорости в потоке наблюдаются у перфорированной стенки, образуя во внутреннем трубопроводе кольцевую область максимальных скоростей.

В результате экспериментов предлагается комплекс системы контроля концентрации паров серной кислоты в отходящих газах сернокислотного цеха, позволяющий осуществить оптимизацию ее производства на цинковом предприятии. В информационно-измерительную систему входят оптический пылемер и модифицированный сепаратор - аккумулятор двухфазных потоков, размещенные в специализированном помещении на газоходе, на выходе из сернокислотного цеха, входящим в санитарную трубу высотой 120 м. Система связывает многопараметровый динамический процесс производства серной кислоты и улавливание токсичных вредных веществ в единый функциональный комплекс. При этом контролируются параметры на выходе из источника: температура и статическое давление в потоке, расход газа, концентрация вредных веществ (серного и сернистого ангидрида, серной кислоты), температура промывной воды и кислоты на всех участках ее производства, объем кислоты направленной на циркуляцию, токовая нагрузка фильтра, параметры процесса сушки газа.

В качестве характеристики потока излучения, проходящего через двухфазный поток, содержащий капельную фазу серной кислоты, была использована зависимость оптической плотности среды Д, равной логарифма отношения потока излучения F0 к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через поток (5)

Д = lg . (5)

Оптическая плотность зависит от набора частот, выражаемых через длину волны, характеризующей исходный поток. Измерения оптической плотности в потоке капельной серной кислоты проводились в соответствии с ГОСТ 4204-77 «Серная кислота. Технические условия». Оптический пылемер работал с длиной волны λ=530 нм. Чистота оптики пылемера обеспечивается непрерывной подачей чистого сжатого воздуха в его внутренний корпус, что предотвращает диффузионное распространение капельной фазы серной кислоты во внутренней части оптического пылемера.

Результаты измерений приведены на рис. 3. Использование комплексной измерительной системы «сепаратор – оптический пылемер» позволяет получить линейную зависимость Д=f(С), в отличии от явно нелинейной зависимости полидисперсного потока. Экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическим законом Бугера-Ламберта-Бера, из которого получается известная прямая пропорциональность оптической плотности от концентрации. Из данных видно, что погрешность измерения оптической плотности при полидисперсном и монодисперсном потоках составляет при значении концентрации С=3 г/, соответственно, 51% и 7%. Получение достоверного сигнала концентрации паров серной кислоты в газоходе при измерении полидисперсного потока производится с применением измерительной пары, в которую входит сепаратор- оптический пылемер, позволяющей производить измерения в стабилизированном монодисперсном потоке. Сепаратор размещается непосредственно в газоходе и в период своей работы формирует в рабочей части и непосредственно за собой струю монодисперсного потока в общем потоке газов. Таким образом, в предложенной измерительной схеме сепаратор выполняет функцию первичного преобразователя, который преобразует сигнал «неудобный» для дальнейшей обработки, в частности, полидисперсный поток, в «удобный» сигнал, т.е. в монодисперсный поток. Фокусировка оптической пары пылемера устроена так, что измеряемый телесный угол располагается в центре стабилизированной монодисперсной части потока, поэтому на период измерения обеспечивается достоверная пропорциональная взаимосвязь выходного сигнала, в данном случае оптической плотности, от массовой концентрации паров серной кислоты. Таким образом, линейный вид статической характеристики оптического пылемера позволяет значительно повысить точность измерения концентрации серной кислоты, а также упростить измерительную схему, и следовательно, сделать систему контроля более надежной и недорогой.

Значительные колебания температуры, в течение времени прохождения технологического процесса производства серной кислоты, приводят к существенным колебаниям концентрации основных компонентов пылегазовых потоков. Причем, взаимная зависимость их концентрации принимает неявный вид. На кривой дано возможное распределение зависимости при непрерывном контроле процесса, в случае применения предлагаемой измерительной системы и создания полидисперсного потока. Необходимость внедрения таких систем показывает и характер зависимостей основных сопровождающих компонентов газовых потоков в дымовой трубе: SO2, SO3, H2SO4.

Рис. 3. Зависимость оптической плотности капельной фазы серной кислоты от ее концентрации

1 – распределение без применения сепаратора; 2 – распределение с применением сепаратора

В результате применения измерительного комплекса сепаратор - оптический пылемер осуществляется непрерывный контроль за выбросами в атмосферу по всем основным компонентам и появляется возможность непосредственно влиять на содержание паров серной кислоты, SO2 и SO3 в отводящих потоках, путем изменения параметров процесса производства серной кислоты, таких, как, температуры, качества воды при охлаждении, сушке и изменении технологического режима. При этом происходит более полная нейтрализация токсичных компонентов выбросов.

Колебание концентрации SO3, H2SO4 в газовом потоке, проходящем через санитарную трубу и, соответственно, рост или падение объемов выбросов показывает на изменение рабочих режимов в технологическом процессе производства серной кислоты. Для обеспечения стабильности производственных процессов и гарантии их прохождения в границах допустимого рабочего режима, информация, идущая от измерительного комплекса должна поступать на соответствующий технологический участок или узел. В совокупности с информацией о других технологических параметрах (давлении, температуры и т.д.) сигналы от измерительного устройства могут быть командными принятие решения об изменении режима работы узла или участка, нарушающего режим работы всего сернокислотного производства.

Основные результаты и выводы

В результате экспериментов разработан оптический метод контроля концентрации монодисперсного потока капельной фазы серной кислоты, позволяющий за счет линеаризации статической характеристики оптического пылемера, уменьшить погрешность измерения с 51% до 7%, а также значительно упростить измерительную схему и, следовательно, сделать систему контроля более надежной и недорогой.

Рис. 4. Зависимость концентрации серной кислоты на входе в санитарную трубу от температуры в сушильной башне

Рис. 5. Измерительная схема оптической системы контроля

1 – напряжение от сети; 2 – трансформатор; 3 – блок стабилизатора по току; 4 – осветитель 24 ГК; 5 – фотоприемник ФД 24 К; 6 – усилитель тока; 7 – преобразователь в аналоговую форму сигнала; 8,9 – блок дистанционной передачи сигнала; 10 – самописец; 11 – пульт ЭВМ

ЛИТЕРАТУРА

1. Вишняков С.Н., Седелев В.А., Давыдов Ю.Ф. Стабилизация неочищенных пылегазовых потоков при непрерывном контроле пылегазовых параметров пирометаллургических процессов // Интеграция науки, образования и производства в современных условиях (ВКТУ, 29-31 марта, 2000 г.): Материалы РНТК, ВК ТУ. - г.Усть-Каменогорск, 2000. - с.84-85.

2. Давыдов Ю.Ф., Седелев В.А., Вишняков С.Н. Применение сепараторов двухфазных потоков для непрерывного контроля концентрации паров серной кислоты // Вестник ВК ТУ. - 2000. - N 1. - с.85-89.



К содержанию номера журнала: Вестник КАСУ №6 - 2011


 © 2017 - Вестник КАСУ