Введение к работе
Актуальность работы. Атмосферный воздух всегда содержит мельчайшие твердые или жидкие частицы, несущие различные микроорганизмы. Размеры этих частиц могут колебаться от десятых долей микрона до десятков микрон, а соотношение между различными фракциями зависит от местных условий. В любом случае атмосферный воздух является полидисперсным аэрозолем. Суммарная концентрация частиц различной природы, находящихся в атмосферном воздухе колеблется от десятых долей до нескольких десятков и даже сотен миллиграммов на кубический метр, а частичная концентрация достигает 108-1010 частиц/м3. Далеко не все эти частицы содержат микроорганизмы. В городах средняя концентрация микроорганизмов в воздухе составляет 103-Ю4 клеток/м3.
Заводы тонкого микробиологического синтеза, особенно в тех случаях, когда они производят антибиотики, витамины и тому подобные препараты, обычно располагают в озелененных районах, где содержание микроорганизмов в воздухе не превышает 1000-3000 клеток/м . Спектр воздушной микрофлоры весьма разнообразен и также меняется в зависимости от местных условий. Размеры микроорганизмов, наиболее часто встречающихся в воздухе, колеблются от 0,5 до 25 мкм. В воздухе могут также присутствовать вирусные и фаговые частицы, размеры которых еще меньше, но они обычно находятся не в свободном состоянии, а на мельчайших частицах почвы, золы, сажи, пыльцы растений.
Поэтому при выборе методов очистки и стерилизации атмосферного воздуха и расчете соответствующих установок и оборудования следует учитывать возможное распределение микроорганизмов по частицам различных размеров. Средняя общая исходная концентрация микроорганизмов в атмосферном воздухе может быть принята 2000 клеток/м . После предварительной очистки подобного воздуха эта концентрация снижается в среднем 100 клеток/м3. Такая концентрация может быть принята в качестве исходной
при выборе метода и аппаратурного оформления установки для тонкой очистки и стерилизации аэрирующего воздуха. Известно большое количестве типов поглотителей пыли, что объясняется многообразием условий пылеулавливания.
Для улавливания высокодисперсных аэрозолей (размером менее 1 мкм) в настоящее время в основном используются фильтры. Главным их недостатком является изменение во времени производительности, гидравлического сопротивления и эффективности улавливания. Тогда как аппараты мокрой очистки имеют следующие достоинства.
Во-первых, более высокую эффективность улавливания частиц по сравнению с сухими механическими аппаратами.
Во-вторых, мокрые фильтры могут успешно использоваться в тех случаях, когда последние не применимы, например, при повышенной влажности газов.
В-третьих, аппараты мокрой очистки газов одновременно со взвешенными частицами могут улавливать парообразные и газообразные компоненты.
Именно аппаратам мокрой очистки газов и посвящено настоящее исследование.
Цель работы. Конечной целью работы как научного исследования явилась разработка высоко эффективных аппаратов конденсационной очистки газов от аэрозолей, позволяющих обеспечить тонкую очистку и стерилизацию воздуха в микробиологических производствах, как на стадии его подготовки, так и при его выбросе в атмосферу.
Достижение указанной цели потребовало решить ряд конкретных научных задач:
- теоретическое и экспериментальное изучение процесса насыщения газовых потоков, содержащих аэрозольные частицы парами жидкостей при турбулентном смешении струй с целью определения оптимальных геомет-
рических соотношений камеры смешения и параметров парогазовой смеси после смешения;
исследование течения перенасыщенного парогазового потока при диффузионном расширении для установления расчетных закономерностей, позволяющих определить оптимальные геометрические соотношения диффузора, обеспечивающие конденсацию заданного количества паров;
исследование эффективности осаждения аэрозольных частиц в центробежном поле при наличии градиента температур между поверхностями;
практическая реализация результатов исследования, заключающаяся в разработке и опытно-промышленной проверке установок для тонкой очистки атмосферного воздуха от аэрозолей.
Объектом исследования явились высокоэффективные системы очистки газов от аэрозольных частиц в микробиологических производствах.
Научная новизна работы.
Теоретический анализ закономерностей смешения воздуха с паром и расширения смеси пара с воздухом позволил предложить зависимости для расчета:
количества пара необходимого для создания критического пересыщения в зависимости от размера частиц аэрозоля, содержащихся в атмосферном воздухе;
термодинамических параметров турбулентного смешения пара и газа, содержащего аэрозольные частицы, что позволь определить оптимальные геометрические параметры камеры смешения и массу сконденсировавшихся паров;
оптимальные геометрические параметры диффузора, при которых обеспечивают максимальную степень конденсации пара на аэрозольных частицах.
Показана применимость полученных зависимостей в широком диапазоне изменения параметров.
Практическая значимость. Разработаны научные основы функционирования аппаратов конденсационного пылеулавливания, обеспечивающий эффективность улавливания аэрозолей размером 0,4-5 мкм не менее 99,99%, состоящий из камеры смешения, где происходит укрупнение частиц за счет конденсации пара, и циклона с температурным градиентом, создаваемым в закрученном газовом потоке. Экспериментально изучено влияние градиента температуры в циклоне на эффективность улавливания дисперсной фазы. На основании проведенных исследований разработаны и прошли опытно-промышленные испытания установка для отбора воздуха из атмосферы и очистки отходящих газов в производстве ферментов и кардиотропных препаратов. На защиту выносятся:
. - результаты сравнительных экспериментальных исследований позволяющие обосновать выбор способа очистки и стерилизации воздуха,
аналитический подход к определению параметров смешения потоков пара и газа с учетом количества и размера, присутствующих в нем аэрозольных частиц,
конструкция аппарата конденсационного улавливания аэрозольных частиц,
технологическая схема установки по очистки воздуха на основе конденсационного улавливания.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Инженерной защиты окружающей среды» Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) (Санкт-Петербург 1998, 1999 годы); на XVII Украинской конференции по органической химии (Днепропетровск, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы.
