10.3. Виділення дисперсної фази з газових потоків
Відходять гази промисловості, що містять зважені тверді або рідкі частинки, представляють собою двофазні системи, в яких суцільний фазою є гази, а дисперсної # 150; тверді частинки або крапельки рідини. Такі аеродісперсние системи називають аерозолями. які в свою чергу поділяють на пилу, дими і тумани.
Пилу містять тверді частинки розміром від 1 (за деякими джерелами, від 5) до 500 мкм; дими # 150; від 0,1 до 1 (за деякими джерелами, до 5) мкм. Тумани складаються з крапельок рідини розміром 0,03 # 150; 5 мкм і утворюються в результаті конденсації пари або при розпилюванні рідини в газі.
У техніці виділення дисперсної фази з газових потоків застосовується велика кількість апаратів, що відрізняються один від одного як за конструкцією, так і за принципом осадження зважених часток.
За способом уловлювання пилу їх зазвичай поділяють на апарати сухий, мокрій і електричної очистки газів.
В основі роботи сухих пиловловлювачів лежать гравітаційні, інерційні і відцентрові механізми осадження. Самостійну групу апаратів сухого очищення становлять пиловловлювачі фільтраційного дії.
В основі роботи мокрих пиловловлювачів лежить контакт запилених газів з промивної рідиною; при цьому осадження частинок відбувається на краплі, поверхня газових бульбашок або плівку рідини.
В електрофільтрах осадження частинок пилу відбувається за рахунок повідомлення їм електричного заряду.
В якості основи для класифікації пилоуловлюючих апаратів скористаємося схемою (рис. 10.3.1), запропонованої Ужов і Вальдберг в [1].
Мал. 10.3.1. Класифікація промислових пиловловлювачів
Ефективність очищення газів від пилу (ступінь очищення, коефіцієнт корисної дії) виражається відношенням кількості уловленого матеріалу до кількості матеріалу, що надійшов в газоочисної апарат з газовим потоком за певний період часу.
Ефективність h очищення в пилоуловлюючих апаратах визначають в основному ваговим методом. Розраховують її декількома способами.
За змістом пилу в газах до надходження в газоочисної апарат і на виході з нього:
де G # 150; масова витрата частинок пилу (крапель, туману), що містяться в газі; qг # 150; приведений до нормальних умов об'ємний витрата газів; з # 150; концентрація частинок в газах. Індекс «н» відноситься до газів, що надходять в апарат; індекс «до» # 150; до газам, що виходять з апарату.
Якщо обсяг газів в процесі очищення змінюється, наприклад за рахунок підсосу, то ефективність:
де Kп # 150; коефіцієнт підсмоктування; .
Ефективність очищення може бути визначена по концентрації пилу в газах до надходження в апарат
і за кількістю уловленной пилу:
де Gу # 150; кількість уловленной пилу, кг / с;
а також за кількістю уловленной апаратом пилу
і концентрації пилу в газах, що виходять з апарату:
Відомо, що ефективність очищення від частинок пилу різних розмірів неоднакова. Так як краще вловлюється велика пил, то коефіцієнт очищення газів часто визначають по фракційної ефективності # 150; ступеня очищення газів від частинок певного розміру.
Фракційна ефективність очищення hфi виражається формулою:
Знаючи фракційну ступінь очищення газів, можна визначити загальний ступінь очищення (ефективність апарату) за формулою:
де f (d) i # 150; функція щільності розподілу вловлюються частинок за розмірами, м # 150; 1 [2].
Ефективність уловлювання пилу може бути виражена у вигляді коефіцієнта проскока частинок (ступеня неповноти уловлювання), який являє собою відношення концентрації частинок за апаратом до їх концентрації перед ним. Коефіцієнт проскакування використовують, коли потрібно оцінити кінцеву запиленість або порівняти відносну запиленість газів на виході з різних апаратів.
Коефіцієнт проскакування Kпр розраховують за формулою
Сумарну ступінь очищення газів h, що досягається в декількох послідовно встановлених апаратах, розраховують за формулою:
де 1. 2. n # 150; ступінь очищення газів від пилу відповідно в першому, другому і n -м апараті.
Механічні методи пилеочісткі поділяють на сухі і мокрі. Сухі методи краще, ніж мокрі (оскільки не утворюється забруднених вод), проте в ряді випадків мокрі методи є більш ефективними. Сухі механічні пиловловлювачі, як правило, відрізняються простотою виготовлення і експлуатації. Але оскільки ефективність уловлювання в них пилу не завжди виявляються достатньою, вони часто виконують роль апаратів попереднього очищення газів.
До сухим механічним пиловловлювачами відносять апарати, в яких використовуються такі механізми осадження: гравітаційний, інерційний і відцентровий.
10.3.1. Виділення дисперсної фази в осаджувальних камерах
Гравітаційне осадження (седиментація) відбувається в результаті вертикального осідання частинок під дією сили тяжіння при проходженні їх через газоочисної апарат. Апарати, що використовують цей принцип уловлювання пилу, називають осадітельного камерами.
Розглянемо їх основні типи. На рис. 10.3.1.1 показана горизонтальна осаджувальна камера простої конфігурації. Запилений газовий потік повільно рухається в сепараційному просторі камери, а частинки осідають з нього в секції мішка.
Мал. 10.3.1.1. Горизонтальна осаджувальна камера
без внутрішніх пристроїв:
1 # 150; корпус; 2 # 150; пилесборний бункери
Така конструкція проста, але дуже громіздка, оскільки сепарації камера повинна бути досить об'ємною для забезпечення досить повільного руху газу в горизонтальній площині і виключення небажаних локальних турбулентних потоків (як в горизонтальному, так і у вертикальному напрямку).
У багатополичний камері (рис. 10.3.1.2) всепараційні простір секціоновано горизонтальними полками, що істотно зменшує тривалість осадження частинок, дозволяє працювати з більш високими швидкостями газу, а також виключає вертикальне турбулентне перемішування потоку газосуспензії. Для видалення пилу полки роблять похилими; застосовують встряхивающие пристрої, наприклад, вібратори, кулачкові струшувачі.
Мал. 10.3.1.2. Багатополичний осаджувальна камера:
1 # 150; полки; 2 # 150; затвор; 3 # 150; люк для видалення пилу
У камері з перегородками (рис. 10.3.1.3), поряд з гравітаційними силами, використовують і інерційні, що збільшує ефективність очищення.
Мал. 10.3.1.3. осаджувальна камера
з вертикальними перегородками:
1 # 150; корпус; 2 # 150; пилеотводящіе бункери;
3 # 150; перегородки
У Пилеосадітельние камері, представленої на рис. 10.3.1.4, в робочому просторі є ланцюгові або дротові завіси, які затримують горизонтальне рух газосуспензії, фільтрують пил, розбивають випадкові турбулентні потоки.
Мал. 10.3.1.4. Осаджувальна камера з ланцюговими
або дротяними завісами:
1 # 150; корпус; 2 # 150; ланцюгова або проволчная завіса
На рис. 10.3.1.5 представлена вертикальна осаджувальна камера. У вертикальній камері потік газосуспензії виходить з газоходу, розширюється, швидкість газу при цьому значно зменшується, і з газосуспензії випадають частки, швидкість осадження яких більше швидкості потоку газу. Для зміщення частинок з осьової зони камери
в її верхній частині встановлено відбивний диск.
Мал. 10.3.1.5. Вертикальна осаджувальна камера:
1 # 150; газохід; 2 # 150; відбивний диск
Швидкість газу в горизонтальних осаджувальних камерах становить 0,2 # 150; 1,5 м / с, їх гідравлічний опір знаходиться в межах від 50 до 150 Па. Осаджувальні камери придатні для уловлювання великих частинок розміром не менше 50 мкм. Ступінь очищення газу в таких камерах не перевищує 40 # 150; 50%. При роботі з хімічно агресивними газами внутрішні поверхні осаджувальних камер захищають спеціальними покриттями.
Наближений розрахунок осаджувальних камер полягає в наступному. Тривалість t (с) проходження газами осаджувальної камери при рівномірному розподілі газового потоку по її перетину становить
де Vк # 150; обсяг камери, м 3; qг # 150; об'ємна витрата газів, м 3 / с; L. B. H # 150; відповідно довжина, ширина і висота камери, м.
За цей час під дією сили тяжіння частка певного розміру (з певної фракції) пройде шлях
де vос # 150; середня швидкість осадження частинок даної фракції, м / с.
Фракційна ефективність осаджувальних камер визначається відношенням. Якщо hH. то всі частинки, що мають швидкість осадження vос. і більші уловлюються в камері. Ефективність уловлювання частинок даного розміру (фракції) можна виразити
у вигляді
де Vг # 150; швидкість газу, приведена до вільного перетину камери, м / с.
Фракційна ефективність багатосекційній камери з горизонтальними полками
де n # 150; число секцій в камері.
Основним завданням при розрахунку гравітаційних пиловловлювачів є визначення швидкості падіння частки певного розміру. Частка осідає під дією сили тяжіння. Рівняння рівноваги сил, що діють на кулясту частинку з діаметром dч. можна записати у вигляді
де Rч # 150; щільність частки; Fc # 150; сила опору середовища, Н.
В області дії закону Стокса (10 # 150; 4 і швидкість осадження У більш загальному випадку (при будь-якому режимі руху) і швидкість осадження де коефіцієнт аеродинамічного опору С може бути знайдений по кривій Релея (див. рис. 2.2.8.3) або розрахований за формулами: при 10 # 150; 4 при 2 при 500 Однією з вдалих аппроксимаций кривої Релея є [2] залежність Для орієнтовних розрахунків швидкості осадження частинки vос можна рекомендувати напівемпіричну залежність аеровіт # 150; Тодеса [3], справедливу для всіх режимів обтікання, де Ar # 150; критерій Архімеда; Формула (10.3.1.14) може бути застосована і для частинок неправильної форми, якщо підставити в неї еквівалентний діаметр частинки Існує також [9] узагальнений метод розрахунку швидкості осадження частинок в нерухомій необмеженому середовищі, придатний при будь-якому режимі осадження (ламинарном, перехідному, турбулентному). Відповідно до цього методу визначають критерій Архімеда за формулою (10.3.1.15), потім за графіком (рис. 10.3.1.6) знаходять критерій Re або критерій Лященко (Ly) Далі обчислюють швидкість осадження як або за критерієм Лященко як Мал. 10.3.1.6. Залежність критеріїв Re і Ly Для частинок неправильної форми швидкість осадження визначають тим же шляхом з критерію Лященко, але з підстановкою в критерій Архімеда замість dч величини d е. У процесах пиловловлювання найчастіше мають справу з дуже дрібними частинками, які рухаються в ламінарному режимі. Для визначення застосовності закону Стокса в звичайних практичних умовах вирішальна роль належить розміром частинок. При 16 10 # 150; 6 Для частинок з розміром менше 10 # 150; 6 м в рівняння (10.3.1.6) необхідно вводити поправку kК Кенінгема # 150; Милликена [1], що враховує підвищення рухливості частинок, розмір яких можна порівняти з середньою довжиною li вільного пробігу газових молекул. В цьому випадку . де Fс.ст # 150; сила опору середовища, розрахована за формулою Стокса (10.3.1.6). поправка Кенінгема # 150; Милликена зазвичай вводиться для частинок дрібніше 3 мкм і розраховується за формулою де Мг # 150; молекулярна маса газу; R # 150; універсальна газова постійна, R = 8314 Дж / (кмоль К); тг # 150; абсолютна температура газу, К. У табл. 10.3.1.1 наведені значення поправки Кенінгема # 150; Милликена для частинок, що осідають в повітрі при tг = 20 ° С і нормальному атмосферному тиску Значення поправки Кенінгема # 150; Милликена Якщо у формулі Стокса (10.3.1.7) знехтувати rг Rч. то vос (кінцева швидкість частинки, що досягається при встановленні рівності між силою опору середовища та зовнішньої силою # 150; силою тяжіння) складе де tр # 150; час релаксації частинки. З формули (10.3.1.22) слід, що швидкість осадження зважених часток в газоочисних апаратах, що використовують дію сили тяжіння, прямо пропорційна квадрату діаметра частинки. Щоб зрозуміти, наскільки істотно вплив діаметра, наведемо такий приклад: Діаметр частинки dч. мкм (ρч = 1000 кг / м 3) Швидкість осадження vос. м / с Параметр гравітаційного осадження G дорівнює відношенню сили тяжіння Fт до сили опору середовища Fс: і може бути виражений відношенням швидкості осадження частинки до швидкості газового потоку. Рівняння (10.3.1.23) може бути представлено також у вигляді відносини двох критеріїв де # 150; критерій Стокса; # 150; критерій Фруда; l # 150; визначальний лінійний розмір. У геометрично подібних пилеосадітельних камерах ступінь очищення Конкретний вид функцій (10.3.1.25) для камер різної конструкції можна знайти в спеціальній літературі, наприклад в [1].
від критерію Ar для осадження одиночної частинки
в нерухомому середовищі:
1 і 6 # 150; кулясті частки; 2 # 150; округлені; 3 # 150; незграбні;
4 # 150; довгасті; 5 # 150; пластинчасті
(Li = 0,065 мкм).
для частинок, що осідають в повітрі при ТГ = 20 ° С
і нормальному атмосферному тиску