Оценка энергетических затрат при улавливании мелкодисперсных частиц в сепараторе с соосно расположенными трубами

Цель - оценка энергетических затрат при улавливании мелкодисперсных частиц диоксида кремния в сепараторе с соосно расположенными трубами и эффективности устройства. Для этого было произведено численное моделирование движения газового потока с мелкодисперсными частицами диоксида кремния в сепараторе с соосно расположенными трубами в программном комплексе ANSYS Fluent. В ходе исследований изменялись входная скорость газового потока от 5 до 10 м/с, ширина прямоугольной щели от 2,1 до 8,7 и ее высота от 10 до 30 мм. Показано, что максимальная эффективность улавливания мелкодисперсных частиц диоксида кремния и минимальные энергетические затраты на прокачку газового потока в устройстве существенным образом зависят от образования устойчивой вихревой структуры в межтрубном пространстве. Результаты исследований показали, что оптимальная входная скорость газового потока составляет 7,5 м/с. При данной скорости эффективность улавливания частиц соответствует более высоким скоростям с отклонением ± 6%. При этом потери давления составляют в 1,74 раза меньше, чем при более высоких скоростях. Для достижения эффективности не менее 90% и высоте прямоугольной щели от 10 до 30 мм числа Стокса должны соответствовать значениям равным более 50. Рассчитано, что энергетические затраты на прокачку газовой среды с частицами диоксида кремния в сепараторе с соосно расположенными трубами составляют от 1,9 до 31,2 Вт при входной скорости газового потока 7,5 м/с. Параметры прямоугольной щели при этом могут быть: ширина - от 2,1 до 8,7 мм, высота - от 10 до 30 мм. Применение сепараторов с соосно расположенными трубами в технологической линии, в которой используются плазменные технологии, может стать альтернативой аппаратам тонкой очистки газов.

1. Космачев П.В., Власов В.А., Волокитин Г.Г. Наноразмерный SIO2, полученный плазменно-дуговым методом // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2018. № 2-3. С. 15-19. https://doi.org/10.18101/2306-2363-2018-2-3-15-19

2. Постнов В.Н., Мельникова Н.А., Свистунова О.С., Постнов Д.В., Мурин И.В. Нанокомпозиты на основе нафиона, содержащие модифицированный аэросил // Журнал общей химии. 2016. Т. 86. № 10. С. 17561758. https://doi.org/10.1134/S1070363216100273

3. Ab Rahman I., Ghazali N.A.M., Bakar W.Z.W., Masudi S.A. Modification of glass ionomer cement by incorporating nanozirconia-hydroxyapatite-silica nano-powder composite by the one-pot technique for hardness and aesthetics improvement // Ceramics international. 2017. Vol. 43. Iss. 16. P. 13247-13253. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.07.022

4. Cho Y.-S., Moon J.-W. Collection of industrial oil using nanoparticles and porous powders of silica // Archives of Metallurgy and Materials. 2017. Vol. 62. No. 2B. P. 13711375. https://doi.org/10.1515/amm-2017-0211

5. Зинуров В.Э., Дмитриев А.В., Мубаракшина Р.Р. Повышение эффективности аспирационных систем при обработке крахмалистого сырья // Ползуновский вестник. 2020. № 2. С. 18-22. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2020.02.004

6. Tofighian H., Amani E., Saffar-Avval M. A large eddy simulation study of cyclones: the effect of sub-models on efficiency and erosion prediction // Powder Technology. 2020. Vol. 360. P. 1237-1252. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.10.091

7. Зинуров В.Э., Дмитриев А.В., Соловьева О.В., Латыпов Д.Н. Влияние загрязнения пылеочистительного сепаратора мелкодисперсной пылью на энергетические затраты в ходе его эксплуатации // Вестник технологического университета. 2019. Т. 22. № 8. С. 33-37.

8. Лаптев А.Г., Башаров М.М., Лаптева Е.А. Сепараци-онная и энергетическая эффективность насадочных аппаратов очистки газов от аэрозолей // Теоретические основы химической технологии. 2017. Т. 51. № 5. С. 491-498.

9. Зинуров В.Э., Дмитриев А.В., Дмитриева О.С. Улавливание мелкодисперсных капель из газового потока в сепарационном устройстве с двутавровыми элементами // Промышленная энергетика. 2020. № 12. С. 4753. https://doi.org/10.34831/EP.2020.23.49.008

10. Song Chengming, Pei Binbin, Jiang Mengting, Wang Bо, Xu Delong, Chen Yanxin. Numerical analysis of forces exerted on particles in cyclone separators // Powder Technology. 2016. Vol. 294. P. 437-448. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.02.052

11. Mazyan W.I., Ahmadi A., Ahmed H., Hoorfar M. Increasing efficiency of natural gas cyclones through addition of tangential chambers // Journal of Aerosol Science. 2017. Vol. 110. P. 36-42. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2017.05.007

12. Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S. Intensification of gas flow purification from finely dispersed particles by means of rectangular separator // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2018. Vol. 451. P. 012211. https://doi.org/10.1088/1757-899X/451/1/012211

13. Gao Sihong, Zhang Dandan, Fan Yiping, Lu Chunxi. A novel gas-solids separator scheme of coupling cyclone with circulating granular bed filter (C-CGBF) // Journal of Hazardous Materials. 2019. Vol. 362. P. 403-411. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.07.065

14. Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S. Influence of elements thickness of separation devices on the finely dispersed particles collection efficiency // International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment: MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 224. P. 02073. https://doi.org/10.1051/matecconf/201822402073

15. Sagot B., Forthomme A., Ait Ali Yahia L., De La Bourdonnaye G. Experimental study of cyclone performance for blow-by gas cleaning applications // Journal of Aerosol Science. 2017. Vol. 110. P. 53-69. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2017.05.009

16. Tsareva O.V., Balyberdin A.S., Vakhitov M.R., Kharkov V.V., Dubkova N.Z. Investigation of filter materials for gas cleaning from sulfuric acid // Earth and Environmental Science: IOP Conference Series. 2020. Vol. 421. Iss. 7. P. 072014. https://doi.org/10.1088/1755-1315/421/7/072014

17. Zhang Mingxing, Chen Haiyan, Yan Cuiping, Li Qi-anqian, Qiu Jie. Investigation to rectangular flat pleated filter for collecting corn straw particles during pulse cleaning // Advanced Powder Technology. 2018. Vol. 29. Iss. 8. P. 1787-1794. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.04.014

18. Le Dang Khoi, Yoon Joon Yong. Numerical investigation on the performance and flow pattern of two novel innovative designs of four-inlet cyclone separator // Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 2020. Vol. 150. P. 107867. https://doi.org/10.1016/j.cep.2020.107867

19. Parvaz F., Hosseini S.H., Elsayed K., Ahmadi G. Numerical investigation of effects of inner cone on flow field, performance and erosion rate of cyclone separators // Separation and Purification Technology. 2018. Vol. 201. P. 223-237. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.03.001

20. Venkatesh S., Sakthivel M. Numerical investigation and optimization for performance analysis in Venturi inlet cyclone separator // Desalination and Water Treatment. 2017. Vol. 90. P. 168-179. https://doi.org/10.5004/dwt.2017.21444