Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles
Based on the analysis of the physical picture of transfer phenomena in a three-phase flow, we have composed a complete list of quantities that describe the behavior of a polydisperse three-phase mixture in a hollow scrubber. At the same time, some of these quantities are constant or vary within a ve...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2016
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/546 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104038590742528 |
|---|---|
| author | Shraiber Antonets I.V. |
| author_facet | Shraiber Antonets I.V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Shraiber ",
"institution": null
},
{
"author": "Antonets I.V.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Shraiber |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:41Z |
| description | Based on the analysis of the physical picture of transfer phenomena in a three-phase flow, we have composed a complete list of quantities that describe the behavior of a polydisperse three-phase mixture in a hollow scrubber. At the same time, some of these quantities are constant or vary within a very narrow range; furthermore, we may not change arbitrarily the characteristics of flue gases and volatile ash; scrubber height, initial velocities and liquid specific flow rate affect the efficiency of cleaning monotonically. Hence, excluding these quantities, we have come to a conclusion that the optimal conditions of scrubber operation should be searched in the space of parameters of the drops distribution by sizes. We have established that, over a wide range of determining parameters, the optimal conditions correspond to that domain where the distribution mode is minimal. For one of numerical experiments, optimization enables one to decrease particle emission to the atmosphere by a factor of 1.52. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2016.02.057 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
57ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 3 (46)
УДК 532.529 О.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, проф., І.В. АНТОНЕЦЬ,
Інститут загальної енергетики НАН України,
вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03680, Україна
ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМУ РОБОТИ СКРУБЕРА ВЕНТУРІ ДЛЯ ОЧИСТКИ
ГАЗІВ ВІД ТВЕРДИХ ЧАСТИНОК
Встановлено, що оптимальні умови роботи скрубера Вентурі відповідають мінімально
можливим координатам подачі крапель, їх швидкостям та модам функцій їх розподілу за
розмірами, а також максимальним швидкостям газу в горловині. Наведено приклад зна-
ходження оптимальної геометрії скрубера.
К л ю ч о в і с л о в а: скрубер, трифазовий потік, краплі, тверді частинки, очистка газів
від золи, ефективність.
Серед апаратів для мокрої очистки газів від
завислих частинок, що використовуються в
енергетиці та промисловості, найбільш ефек-
тивними вважаються скрубери Вентурі, але
показники їх роботи далеко не завжди відпові-
дають існуючим вимогам. Для визначення
шляхів удосконалення та оптимізації таких
апаратів видається доцільним застосовувати
метод математичного моделювання, зокрема,
найбільш повну модель полідисперсного три-
фазового потоку, що була розроблена в
Інституті загальної енергетики (ІЗЕ) НАН
України [1, 2]. У моделі враховуються взаємодія
крапель різних фракцій, зіткнення твердих
частинок (ТЧ), взаємодія крапель із ТЧ, що
може привести до їх коагуляції або відскоку
частинки від краплі, подрібнення крапель
аеродинамічними силами, вплив турбулентно-
сті на швидкість ковзання між частинками та
ін. Результати використання такої моделі для
порожнистого скрубера представлено в [3]. У
цьому повідомленні знаходяться оптимальні
умови роботи скрубера Вентурі.
Ефективність роботи скрубера Вентурі
визначається як
(1)
де Gj – питома масова витрата фракції j твердих
частинок; Bj – масова концентрація рідини у
ТЧ; N – кількість фракцій ТЧ; індекси 0 та f від-
носяться до вхідного та вихідного перетинів
апарата.
У загальному випадку ефективність його
роботи залежить від багатьох величин: фізич-
них властивостей твердої речовини, газу, ріди-
ни та її пари; початкових швидкостей і тем-
ператур компонентів трифазового потоку;
сумарної витрати ТЧ на вході
ційного складу Δj0 (розмір ТЧ), Gj0; подіб-
них характеристик для крапель
(М – кількість їх фракцій); геометричних
характеристик апарата та координати xst подачі
© О.А. ШРАЙБЕР, І.В. АНТОНЕЦЬ, 2016
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ
ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ ЕНЕРГЕТИКИ
та їх фрак-
крапель у двофазовий потік (газ + ТЧ).
Звичайно, дослідити вплив кожної із переліче-
них величин навряд чи можливо, але у цьому
нема необхідності, оскільки деякі з них постій-
ні або змінюються у дуже вузькому діапазоні
(якщо рідиною є вода), і, крім того, ми не
можемо міняти довільно характеристики димо-
вих газів та леткої золи, а також вихідні темпе-
ратури. Нарешті, ТЧ звичайно невеликі, і для
спрощення вважаємо, що початкові температу-
ри і швидкості ТЧ та газу однакові.
Подібно до [3] розглядаємо функцію розпо-
ділу крапель за розмірами, встановлену свого
часу в дослідах ІЗЕ та характерну для широко
поширених у промисловості відцентрових фор-
сунок:
f (δ) = A δb exp (-cδ). (2)
Розглядаємо «класичну» форму труби
Вентурі, що складається із двох конусів (кон-
фузора і дифузора) та циліндра (горловини). Як
показали попередні дослідження, істотний
вплив на ефективність очистки мають довжини
конфузора L1 та горловини L2. В результаті при-
ходимо до висновку, що характеристики про-
цесу визначаються сімома параметрами: b, c,
ugt, ui0, xst, L1, L2 (ugt – швидкість газу на вході у
горловину).
Щоб уникнути громіздких обчислень екс-
тремальної точки у семивимірному факторно-
му просторі, розіб’ємо нашу задачу на дві: у
першій вибираємо реальну геометрію труби
Вентурі, що застосовується на практиці [4, 5], і
розглядаємо п’ятивимірний простір b, c, ugt, ui0,
xst, а у другій оптимізуємо геометричні характе-
ристики. Для розв’язання першої задачі фік-
суємо фізичні властивості речовин, їх початко-
ві температури та початкові витрати крапель і
твердих частинок.
Для вказаних вище п’яти змінних викори-
стовуємо їх кодові позначення zn (n = 1 – 5). На
основі рекомендацій [4, 6] та наших дослідних
даних вибираємо параметри початкової (базо-
вої) точки, де zn = 0, інтервали варіювання фак-
торів Δφn, які відповідають Δ zn = 1, та їх міні-
мальні і максимальні значення, що наведені в
табл. 1.
Таблиця 1 – Вихідні дані для розрахунків
58 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 3 (46)
Таблиця 2 – Умови та результати першого етапу пошуку оптимального режиму
О.А. ШРАЙБЕР, І.В. АНТОНЕЦЬ
59ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 3 (46)
Визначення оптимального режиму роботи скрубера Вентурі для очистки газів від твердих частинок
На першому етапі пошуку будуємо локальне
лінійне рівняння регресії для деякого околу
базової точки. План, що було реалізовано для
цього, та отримані результати наводяться у
табл. 2 (тут q = 100 – η (%), див. (1)).
Обробка даних табл. 2 дозволила отримати
таке рівняння регресії:
q = 3,825 – 0,0562 z1 + 0,0238 z2 +
(3)
+ 0,3213 z3 – 0,9412 z4 + 0,1533 z5.
Видно, що найбільший вплив на величину q
чинить швидкість газового потоку, і для покра-
щення уловлювання частинок слід її збільшу-
вати.
Далі, на другому етапі реалізується рух по
факторному простору у напрямку, протилеж-
ному градієнту наближення (3). Як параметри
базової точки вибираємо значення факторів,
що відповідають досліду 2 із табл. 2, який дає
кращий результат серед дослідів першого
етапу. Для четвертого фактора вибираємо той
самий крок, що у табл. 2 (Δ z4 = 1, Δugt =
= 2,5 м/с), а кроки для інших – пропорційно
коефіцієнтам регресії. Вихідні дані для розра-
хунків і отримані результати наведено в табл. 3.
Таким чином, процедура крутого спуску
дозволила покращити характеристики роботи
апарата більше ніж втричі у порівнянні з кра-
щим дослідом у табл. 2 і привела нас на грани-
цю досліджуваної області – на гіперплощину
ugt = 80 м/с. Тому далі, на третьому етапі
досліджуємо поведінку функції відклику у
чотиривимірному факторному просторі побли-
зу точки, що відповідає кращому досліду 13
(позначимо її через А1). Приписуємо їй значен-
ня кодових змінних zn = 0 і реалізуємо план,
наведений у табл. 4, з такими самими інтерва-
лами варіювання факторів, як у табл. 1.
Обробка даних табл. 4 привела до такого рів-
няння регресії:
q = 0,8652 + 0,01125 z1 + 0,00945 z2 +
(4)
+ 0,1664 z3 + 0,0562 z5.
Таблиця 3 – Умови та результати другого етапу пошуку
Таблиця 4 – Умови та результати третього етапу
З урахуванням (4) реалізуємо четвертий етап
пошуку – крутий спуск у чотиривимірному
факторному просторі від кращої точки А2
(дослід 15). Кроки зміни факторів знаходяться
як і раніше. Ці результати зібрано у табл. 5.
Четвертий етап дозволив знизити величину
q ще вдвічі порівняно із точкою А2 і привів нас
на границю області пошуку хst = 0 (дослід 21,
цю точку позначаємо через А3). Слід підкрес-
лити, що останній дослід забезпечує дуже висо-
ку ефективність процесу уловлювання
(η ≈ 99,62 %), проте цікаво дізнатись, чи є мож-
ливість подальшого його покращення. Аналіз
рівняння регресії свідчить про те, що початко-
вий фракційний склад крапель у межах табл. 1
чинить найменший вплив на ефективність
уловлювання частинок, оскільки внесок меха-
нізму аеродинамічного подрібнення істотно
зростає з підвищенням δi0, тобто багатофазо-
вий потік немов би сам вибирає зручний для
нього фракційний склад крапель. Тому було
вирішено, замість пошуку оптимуму у триви-
мірному просторі, спочатку дослідити вплив ui0
(п’ятий етап), а вже потім вивчити фактори z1 і
z2 (див. табл. 2 і 4). Наведемо деякі результати
розрахунків з різними ui0 та значеннями інших
параметрів для точки А3:
ui0, м/c 5 10 15 19,5 25
q 0,228 0,263 0,313 0,376 0,477.
Таким чином, треба вибрати мінімальну
початкову швидкість крапель, що дозволить
зменшити q більше ніж у 1,5 раза.
Нарешті, останній (шостий) етап пошуку
пов’язаний із дослідженням впливу фракційно-
го складу вихідних крапель. Розрахунки для різ-
них точок (b, с) у табл. 1 дають q = 0,225 – 0,229,
при цьому краща ефективність відповідає міні-
мальній моді розподілу (2) (подібно до [3]).
Для розв’язання другої задачі вибираємо
згідно з [4, 5] прямокутну область L1 = 0,5 – 1 м;
L2 = 0,15 – 0,55 м, що відповідає кодовим
позначенням нових змінних z1 = (L1 – 0,75)/
/0,25 та z2 = (L2 – 0,35)/0,2. Шукане рівняння
регресії має вигляд
η° = a + bz1 + cz2 – dz1 z2 –
(5)
– ez1
2 – fz2
2,
де η° = η – 95 %. Отже, треба провести шість
числових експериментів. План, що було реалі-
зовано для пошуку коефіцієнтів рівняння (5),
наведено у табл. 6, а рівняння регресії таке:
60 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 3 (46)
О.А. ШРАЙБЕР, І.В. АНТОНЕЦЬ
Таблиця 5 – Умови та результати четвертого етапу
* Останній крок зменшено, щоб не вийти за межі допустимого діапазону значень хst.
Таблиця 6 – Вихідні дані для пошуку коефіцієнтів рівняння (5)
61ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 3 (46)
Визначення оптимального режиму роботи скрубера Вентурі для очистки газів від твердих частинок
η° = 2,0725 + 0,4875 z1 + 0,5125 z2 —
(6)
– 0,0475 z1 z2 – 0,41 z1
2 – 0,115 z2
2.
Відшукуючи точку, де ∂η°/∂zi = 0, знаходимо
z1 = 0,471; z2 = 2,131. Таким чином, точка мак-
симуму функції (6) розташована поза областю
пошуку, вказаною вище; отже, залишається
вибрати оптимальну точку на прямій z2 = 1. Тут
теж було побудовано квадратичне рівняння
регресії
η° = 2,47 + 0,44 z1 – 0,41 z1
2 (7)
і знайдено максимум функції відгуку, якому
відповідає z1 = 0,537. При цьому маємо
η° = 2,588.
ВИСНОВКИ
Аналіз фізичних явищ, що мають місце у
полідисперсному трифазовому потоці, який
реалізується у скрубері Вентурі, показав, що
оптимальні умови уловлювання частинок слід
відшукувати у семивимірному просторі b, c, ugt,
ui0, xst, L1, L2, оскільки інші параметри, які
істотно впливають на ефективність уловлюван-
ня, змінюються мало або задаються технологіч-
ними умовами. Для спрощення задачу розбито
на дві: у першій методом крутого спуску роз-
глядаються режимні параметри, у другій мето-
дом квадратичної апроксимації – геометричні.
Встановлено, що оптимальні умови роботи
труби Вентурі відповідають мінімально можли-
вим значенням ui0 та xst, максимальним швид-
костям газу в горловині труби ugt і розподілам
крапель за розмірами із мінімальною модою.
Для типового режиму наведено приклад пошу-
ку оптимальних геометричних характеристик
скрубера Вентурі.
1. Шрайбер О.А. Моделювання процесу мок-
рої очистки димових газів від леткої золи / О. А.
Шрайбер, І. В. Федінчик // Промышленная теп-
лотехника. – 2012. – Т. 34, № 3. – С. 86 – 92.
2. Shraiber A.A. Modeling of the process of ash
removal from gas in a Venturi scrubber with regard
for the turbulent fluctuations of particle velocity /
A.A. Shraiber, I.V. Antonets // Problems of general
energy. – 2014. – Issue 3 (38). – P. 57 – 61.
3. Шрайбер О.А. Визначення оптимального
режиму роботи порожнистого скрубера для очи-
стки газів від твердих частинок / О.А. Шрайбер,
І. В. Антонець // Проблеми загальної енергети-
ки. – 2016. – Вип. 2 (45). – С. 57 – 60.
4. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов от
пыли / В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков,
И. К. Решидов. – М.: Химия, 1981. – 392 с.
5. Алиев Г. М.-А. Техника пылеулавливания и
очистки промышленных газов / Г. М.-
А. Алиев. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
6. Кропп Л.И. Золоуловители с трубами
Вентури на тепловых электростанциях /
Л.И. Кропп, А. И. Акбрут. – М.: Энергия, 1977.
– 160 с.
Надійшла до редколегії 15.09.2016 року
|
| id | systemreorg-article-546 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:17:44Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/95/9736f7dcc5a5a2dcea6ecef5e8e38d95.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5462026-07-18T12:57:41Z Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles Визначення оптимального режиму роботи порожнистого скрубера для очистки газів від твердих частинок Shraiber Antonets I.V. scrubber, drops, solid particles, optimal conditions. скрубер, краплі, тверді частинки, оптимальні умови. Based on the analysis of the physical picture of transfer phenomena in a three-phase flow, we have composed a complete list of quantities that describe the behavior of a polydisperse three-phase mixture in a hollow scrubber. At the same time, some of these quantities are constant or vary within a very narrow range; furthermore, we may not change arbitrarily the characteristics of flue gases and volatile ash; scrubber height, initial velocities and liquid specific flow rate affect the efficiency of cleaning monotonically. Hence, excluding these quantities, we have come to a conclusion that the optimal conditions of scrubber operation should be searched in the space of parameters of the drops distribution by sizes. We have established that, over a wide range of determining parameters, the optimal conditions correspond to that domain where the distribution mode is minimal. For one of numerical experiments, optimization enables one to decrease particle emission to the atmosphere by a factor of 1.52. На основі аналізу фізичної картини явищ переносу у трифазовому потоці складено повний перелік величин, які описують поведінку полідисперсної трифазової суміші у порожнистому скрубері. При цьому деякі з цих величин постійні або змінюються у дуже вузькому діапазоні; крім того, ми не можемо міняти довільно характеристики димових газів та золи; висота скрубера, початкові швидкості і питома витрата рідини впливають на ефективність очистки монотонно. Тому, виключивши ці величини, ми прийшли до висновку, що оптимальні умови роботи скрубера слід шукати у просторі параметрів розподілу крапель за розмірами. Встановлено, що у широкому діапазоні визначальних параметрів оптимальні умови відповідають області, де мода розподілу мінімальна. Для одного з числових експериментів оптимізація дозволяє зменшити викиди частинок в атмосферу у 1,52 рази. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2016-06-10 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/546 10.15407/pge2016.02.057 System Research in Energy; No. 2 (45) (2016): The Problems of General Energy; 57-60 Системні дослідження в енергетиці; № 2 (45) (2016): Проблеми загальної енергетики; 57-60 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/546/482 Copyright (c) 2016 Shraiber , Antonets I.V. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | scrubber drops solid particles optimal conditions. Shraiber Antonets I.V. Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles |
| title | Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles |
| title_alt | Визначення оптимального режиму роботи порожнистого скрубера для очистки газів від твердих частинок |
| title_full | Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles |
| title_fullStr | Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles |
| title_full_unstemmed | Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles |
| title_short | Determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles |
| title_sort | determination of the optimal conditions of the work of a hollow scrubber for gas cleaning from solid particles |
| topic | scrubber drops solid particles optimal conditions. |
| topic_facet | scrubber drops solid particles optimal conditions. скрубер краплі тверді частинки оптимальні умови. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/546 |
| work_keys_str_mv | AT shraiber determinationoftheoptimalconditionsoftheworkofahollowscrubberforgascleaningfromsolidparticles AT antonetsiv determinationoftheoptimalconditionsoftheworkofahollowscrubberforgascleaningfromsolidparticles AT shraiber viznačennâoptimalʹnogorežimurobotiporožnistogoskruberadlâočistkigazívvídtverdihčastinok AT antonetsiv viznačennâoptimalʹnogorežimurobotiporožnistogoskruberadlâočistkigazívvídtverdihčastinok |