АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Механическая очистка газов

Наиболее простым способом очистки газов от взвешенных в них частиц является осаждение этих частиц под действием силы тяжести в отстойных аппаратах и под действием центробежной силы, развиваемой потоком газов в центробеж­ных аппаратах, называемых циклонами.

Отстойные камеры. Для предвари­тельной грубой очистки газов можно при­менять отстойные камеры, в которых от­деление твердых взвешенных в газе ча­стиц происходит вследствие свободного осаждения их под влиянием силы тя­жести. Твердая взвешенная частица, по­павшая с газом в отстойный аппарат (рис. 95), совершает сложное движение: она движется вдоль аппарата со скоро­стью w и под влиянием силы тяжести— вниз со скоростью осаждения w0. Величина абсолютной скорости движе­ния частицы может быть определена как диагональ параллелограмма со сторонами w и w0. Длина аппарата I должна быть такой, чтобы частица, двигаясь с этой абсолютной скоростью, успела осесть на его дно.

Теоретически производительность отстойного аппарата определяется по уравнению расхода:

VceK.~fw ЛР/сек (1—176)

Если отстаивание частицы пыли в аппарате протекает за время т, то

І Н

W — — и т =----------------

Т wn

А следовательно,

I/ — hf-j J_ — hHl

У = Ш — = ЬН1 = Btw0 (1-177)

М3/сек (1—178)

В этих формулах принято: Н—высота аппарата в м\ Ь—ширина аппарата в м\ I—длина аппарата в м\ F0=bl—площадь горизонтального сечения аппарата или площадь плана его в м2\

W0—скорость осаждения (см. стр. 84).

Уравнение (1—192) показывает, что теоретически производитель­ность отстойных аппаратов не зависит от их высоты, а лишь от площади

Их сечения в плане и скорости осаж­дения.

Простейшим устройством для предварительной очистки газов от пыли являются отстойные га­зоходы (рис. 96). Для лучшего осаждения пыли в газоходах иногда устраивают вертикальные перегород­ки, благодаря которым удлиняется путь газа и уменьшается его скорость, что способствует лучшему пыле­улавливанию.

Для грубой очистки от пыли главным образом горячих печных газов применяют также пылеосадительные камеры (рис. 97), в которых газовый поток с помощью большого числа горизонтально рас­положенных стальных перегородок разбивается на ряд плоских гори­зонтальных струй.

Газ, подлежащий очистке, непрерывно поступает через регулиро­вочный шибер 2 в канал 3 и распределяется в камере между перегород­ками—листами 1. При прохождении газа вдоль камеры взвешенные твердые частицы оседают на поверхностях листов, а очищенный газ посту­пает через сборный канал 4 в вертикальный канал 5 и из него через за­слонку 6 направляется в газоход. Пыль, осевшая на листах, периоди­чески сгребается с них специальными скребками через дверцы 7. Камера и газоходы сооружаются кирпичными.

Для того чтобы камера могла работать все время, ее обычно делят на два самостоятельных отделения, из которых одно находится в работе,
а другое в это время очищается от пыли. Отделения отключаются при помощи колокольных песочных затворов; выгрузка пыли производится при помощи скребков через люк.

Расстояние между листами в камере обычно равно 40—100 мм. Для того чтобы частицы, успевшие осесть в камере, не захватывались потоком газа, скорость последнего не должна быть больше максимально

Допустимой величины, определяемой по уравнению г^<3,6і/£ІїіііІ2).

Ї2

Принцип действия центробежных пылеосадителей. Для увеличения скорости осаждения твердых частиц, взвешенных в газе, и для более полной очистки используют действие центробежной силы, развиваемой газовым потоком в центробежных аппаратах— циклонах.

Циклон (рис. 98) представляет собой цилин­дрический резервуар 1 с коническим днищем 2 и выхлопной трубой 3, расположенной внутри ци­линдрической части аппарата. Газ, содержащий пыль, подводится к циклону по трубопроводу 4, направленному по касательной к цилиндру, вследствие чего газ совершает внутри циклона вращательное движение вокруг выхлопной трубы. При вращательном движении газа развивается центробежная сила, и под ее воздействием взве­шенные в газе твердые частицы, обладающие большей, чем частицы газа, массой, отбрасы­ваются от центра к периферии, осаждаются на цилиндрических стенках аппарата и затем ссы­паются в коническую часть его. Газ, в той или иной степени освобожденный от взвешенных в нем твердых частиц, удаляется из циклона по выхлопной трубе, а осевшие в конической части аппарата твердые частицы удаляются периодиче­ски по мере накопления или непрерывно через патрубок 5, снабженный задвижкой (секторным затвором).

Центробежная сила и фактор разделения. Если тело вращается вокруг оси, то на него действует центростремительная сила, направлен­ная в сторону оси вращения. При этом согласно третьему закону меха­ники возникает сила, равная по величине центростремительной, но проти­воположная ей по направлению. Эта сила называется центробеж­ной; она является таким образом силой инерции, возникающей при изменении направления движения тела.

Обозначим по предыдущему:

M—масса тела=— кгс-сек2/м\ 8

W—скорость вращения тела в м/сек; г—радиус вращения в м.

Тогда центробежную силу можно выразить так:

Г, mw2

С =-------------- кгс

Где ^— ускорение центробежной силы в м/сек2.

Важным фактором, характеризующим центробежные аппараты, является отношение ускорения центробежной силы к ускорению силы тяжести, численно равное отношению величины центробежной силы к силе веса данного тела. Это отношение, которое является безразмер­ной величиной, называется фактором разделения:

(1-180)

Фактор разделения представляет собой критерий, аналогичный кри­терию Фруда (/г=—), но характерный для поля центробежных сил.

Определяющим линейным размером фактора разделения является радиус вращения г.

Осаждение пыли под воздействием центробежной силы происходит по тем же законам, что и осаждение под действием силы тяжести, с тем лишь отличием, что скорость осаждения частиц будет значительно боль­ше скорости осаждения в отстойных аппаратах. Увеличение скорости осаждения определяется числовым значением фактора разделения Кр. Поэтому для определения скорости осаждения в центробежных аппаратах можно воспользоваться ранее выведенными формулами по осаждению пыли в отстойных аппаратах, соответственно умножая результат на числовое значение фактора разделения.

Скорость осаждения. При осаждении пыли в центробежных аппа­ратах, так же как и в пылеосадительных отстойных камерах, возможны три области осаждения, характеризуемые числовыми значениями кри­териев Рейнольдса или Архимеда, причем при любом режиме осажде­ния центробежная сила, действующая на взвешенную в газе частицу, будет в Кр раз больше силы тяжести. Пользуясь ранее выведенными формулами (1—101) и (1—104) для скорости осаждения под действием силы тяжести, найдем для данного случая:

При осаждении в условиях, соответствующих закону Стокса, когда сопротивление среды пропорционально первой степени скорости осажде­ния, т. е. при Re<2

= D2(Tl^Y2^ М/сек (1-181)

D2 (Ті — Г2) w2 /1 і oo\

W* =-------- 18[igr — M/ceK (1—182)

При осаждении в условиях, когда сопротивление среды пропорцио­нально квадрату скорости осаждения, т. е/ при /?е>2

^ = -J/4ЩЕ^ М/сек (1-183)

Ил и

W0 = Y м/сек (1 184)

В этом случае, так же как и при осаждении под воздействием силы тяжести, для нахождения скорости осаждения необходимо знать режим осаждения, т. е. необходимо знать числовое значение критерия Рейнольд­са, а следовательно, и значение входящей в него скорости осаждения.

Пользуясь ранее выведенными формулами (стр. 86), получим для осаждения под воздействием центробежной силы:

= GKp (1-185)

СЯе2 = 4" (1—186)

Критические значения произведения критериев Ar-Кр в данном случае будут выражаться следующими величинами:

В условиях осаждения в пределах подчинения закону Стокса, т. е. при Re^.2

Аг-Кр = 36

В условиях промежуточного режима, т. е. при 2<#е<500

Ar-Кр = 84 ООО

И в условиях автомодельного режима, т. е. при /?е>500

Лг-Кр>84 ООО

В соответствии с изложенным выше при известных значениях произ - ведения Ar-ЬСр находим числовое значение критерия Рейнольдса: при Лг-Кр<36

Re=^£. (1-187)

При 36<Лг-/Ср<84 ООО

С-188)

При Аг-Кр>84 ООО

Re = l,7iyrAr-K9 (1—189)

Скорость осаждения в данном случае находим так же по уравнению

W0 = <о м/сек (1—190)

"Ї2

Значительно осложняет проведение расчета центробежных пыле- осадителей то обстоятельство, что фактор разделения, который входит в формулы при определении критерия Рейнольдса, выражается через радиус г, величину которого можно определить только после того, как будет известна скорость осаждения. Поэтому радиусом г приходится предварительно задаваться и затем проводить проверку.

Размеры циклонов и их к. п. д. При заданной степени дисперсности пыли раз­меры циклона определяются окружной скоростью газа в нем и скоростью газа в выхлоп­ной трубе. Практически принимают скорость газа в циклоне порядка 12—14 м/сек и в выхлопной трубе 4—8 місек. Скорость газа во входном отверстии циклона принимают 18—20 м/сек.

Обозначим:

'w—средняя окружная скорость газа в циклоне в м/сек', wr—скорость газа в выхлопной трубе в м/сек;

—наружный радиус выхлопной трубы в м; г2—радиус цилиндрической части циклона в м\

<р—число оборотов, которое делают частицы газа в циклоне вокруг выхлопной трубы; т—продолжительность пребывания частиц газа в циклоне в сек.

Длительность пребывания газа в циклоне определяем как

I 2тсг2ф

Сек. (1—191>

W W

За этот промежуток времени і частица пыли должна под действием центробежной силы пройти путь, равный г2—гг. При скорости осаждения w0 промежуток времени, не­обходимый для осаждения, выражается величиной

Г* —

---- :----- сек.

Ш0

Из сравнения двух последних уравнений имеем

Г2—ГХ _ 2тсг2ф W0 w

Откуда

(1-192>

W

Практически газ в циклоне делает около 1,5 оборотов, и поэтому можно считать что 10, тогда

Г2 =-------------- Лі (1—193^

1 — 10 —

W

Исходя из заданной производительности циклона, находим внутренний радиус выхлопной трубы гт из уравнения

Усек. =

Откуда

Гт = "|/Усек - м (1—194)

V...

При толщине стенок выхлопной трубы В находим радиус гх -

R1 = rT-fS (1—195)

Высоту цилиндрической части циклона Н определяем из уравнения ^сек. = (г2 — гг) Hw м3/сек

Откуда

" = (г,-,*)'- * <'-196>

Коническая часть циклона не поддается расчету. На основании ряда наблюдений над действующими циклонами можно рекомендовать устраивать циклоны с более глу­бокой конической частью и выбирать угол при вершине конуса в пределах 30—40°. Диа­метр пылевого отверстия в конусе циклона принимают в зависимости от количества пыли и степени ее дисперсности; практически диаметр отверстия равен 200—250 мм.

Осаждение пыли в циклоне является сложным процессом. Влияние многочислен­ных факторов, от которых оно зависит, не может быть учтено аналитически и должно - определяться экспериментально с применением теории подобия.

П. Г. Романков вывел обобщенное уравнение к. п. д. циклона.

Обозначим через сн и ск концентрацию пыли в исходном и очищенном газе в г/ж9.

Тогда к. п. д. циклона

На твердую частицу, движущуюся в циклоне, действуют одновременно центро­бежная сила С, сила тяжести G и сила сопротивления среды 5. Величина у зависит от соотношения этих сил (значения которых были приведены выше):

G = mg; S=ZF —

ТиЯуі 7ггі2

Для шарообразных частиц m=—а коэффициент сопротивления

C=/(f)-

Следовательно, в общем виде

= / (Тж. D> Iх» Ї2. О'о» Г>

Т. е. к. п. д. циклона зависит от фи­зических свойств и скорости газа, размеров твердых частиц, их удель­ного веса и линейного размера са­мого циклона.

П. Г. Романков показал, что к. п. д. циклона

Ї] = f ^Fr, Re, (1-200)

Вследствие больших скоростей движения газа в циклоне влиянием силы тяже­сти можно пренебречь, исключив критерий Fr из выражения для у], но при осаждении в циклоне частиц в условиях, соответствующих закону Стокса, влиянием силы тяже­сти пренебрегать нельзя и поэтому к. п. д. циклона выражается зависимостью

Y]d2a>r

У) = f (Fr, Stk) = / -^Г

Stk—безразмерный критерий, называемый критерием Стокса,

Который может быть получен путем подстановки значения скоро­сти осаждения частиц по закону Стокса в общий критерий гид­ромеханического подобия Ньютона.

Значения к. п. д. циклона как функции критериев Fr и Stk приведены на гра­фике (рис. 99), построенном по опытным данным П. А. Коузова.

Следует, однако, подчеркнуть, что необходимы дальнейшие экспериментальные работы по уточнению к. п. д. циклона.

В приведенных теоретических соображениях принято, что окружная скорость потока газа постоянна и воздействие взвешенных частиц друг на друга отсутствует. На практике при значительных концентрациях пыли эффективность пылеосаждения повышается вследствие укрупнения (агломерации) частиц и механического уноса мелких частиц крупными.

Коэффициент полезного действия современных циклонов практи­чески" равен 70—80% (в среднем), но может быть меньшим и большим этой величины в зависимости от свойств осаждаемой пыли.

Циклоны являются эффективными аппаратами механической газо­очистки, однако возможность их применения ограничена величиной взве­шенных в газе твердых частиц (dMHH.>l при отсутствии агломерации частиц).

Скорость движения частиц пыли к стенкам циклона зависит от квадрата скорости движения газа; поэтому с уменьшением подачи газа степень очистки в циклонах резко снижается.

Сопротивление циклонов довольно велико (40—85 мм вод. ст.), и соответственно велик расход энергии на очистку газа.

Рис. 100. Схема циклона: Рис. 101. Конический циклон

1—корпус; 2—коническое днигце; ЛИОТ.

3—входная труба; 4—крышка; 5—выхлопная труба; 6—пылеотво -

Дящий патрубок. *

Конструкция циклонов. Как указывалось выше, в основу различ­ных конструкций циклонов положен принцип использования центробеж­ной силы.

Циклон (рис. 100) состоит из вертикального цилиндрического кор­пуса 1 с коническим дном 2. Газ, содержащий взвешенные частицы пыли, поступает по трубе 3 в цилиндрическую часть циклона, закрытую крыш­кой 4 (скорость входа газа 0 м/сек). Попав в цилиндр, газовый поток продолжает двигаться по спирали вдоль внутренней поверхности ап­парата. Под действием центробежной силы частицы пыли движутся в радиальном направлении, а затем вместе с крайними слоями газа—вдоль стенок циклона. Часть нисходящего газового потока, достигая нижнего отверстия выхлопной трубы 5, входит в нее, продолжая свое вращатель­ное движение. При движении остального газа по конической части ци­клона внутренние слои газа поворачивают к оси аппарата и образуют восходящий вращающийся поток. Таким образом, в циклоне происходит движение газа вдоль оси аппарата, направленное в противоположные стороны. Пыль, движущаяся с газом по стенке конуса, удаляется через пылеотводящий патрубок 6.

Конструкции циклонов для улавливания пыли разнообразны, при­чем они отличаются относительными размерами и конфигурацией основ­ных элементов.

Одним из наиболее простых аппаратов является конический циклон (рис. 101), разработанный Ленинградским институтом охраны труда (ЛИОТ). Характерной особенностью конического циклона является спи­ральная крышка, препятствующая распространению газового потока кверху и направляющая его в одну сторону.

Wd

Рис. 103. Элемент бата­рейного циклона: 1—корпус; 2— выхлопная тру­ба; 2— винтовые лопасти.

Разработаны и другие более совершенные конструкции циклонов. Высокая степень очистки запыленного газа может быть достигнута в циклоне конструкции Научно-исследовательского института по про­мышленной и санитарной очистке газов (НИОГАЗ). Этот циклон (рис. 102) обладает относительно небольшим гидравлическим сопротивлением и хорошо очищает газы, концентрация пыли в которых может достигать нескольких сот граммов на 1 м3 газа. На рис. 102 показаны основные размеры циклона в зависимости от диаметра его цилиндрической части 2. Оптимальный угол наклона крышки циклона а=15°. Выгрузку пыли из бункера производят периодически или непрерывно. При непрерыв­ной выгрузке бункер вместо шибера снабжают лопастным затвором.

Такие циклоны имеют диаметр до 800 мм\ в одном блоке может быть установлено до шести параллельно работающих аппаратов.

Как видно из формул (1—182) и (1—184), скорость осаждения ча­стиц может быть увеличена либо путем увеличения скорости газового потока, либо- уменьшением радиуса вращения газа.

12 А. I. Касаткин.

Однако первый путь ведет к сильному возрастанию сопротивления движению газа и при некотором значении скорости газа приводит к паде­нию к. п. д. циклона вследствие увеличения турбулентности потока.

В связи с тем, что при уменьшении ра­диуса циклона происходит значительное уве­личение центробежной силы и скорости оса­ждения частиц, были разработаны конструк­ции батарейных циклонов, состоящих из параллельно включенных циклонов мало­го диаметра (150—250 мм). Такие батареи лучше улавливают пыль, чем обычные ци­клоны.

Батарейные циклоны могут работать с переменной нагрузкой, при выключении и включении отдельных элементов батареи.

На рис. 103 показан типовой элемент батарейного циклона типа ЦГ-1 для золо­улавливания.

Элемент состоит из корпуса 1 и выхлоп­ной трубы 2, снабженной наружными винто­выми лопастями 3 для сообщения газу движе - j-ecox ния по спирали.

Газ поступает в корпус элемента сверху и проходит по поверхности винта в кольцевом пространстве между наружной поверхностью трубы и внутренней поверхностью корпуса. Частицы пыли под действием центробежной силы осаждаются на стенках корпуса, ссыпают­ся с них в нижнюю коническую часть, а затем собираются в бункере батареи.

Элементы батарейного циклона (рис. 104) устанавливают вертикально, параллельными рядами в корпусе 1 прямоугольного сече­ния. Камера снабжена двумя решетками 2 к 3, в отверстия которых и вставляются эле­менты.

Газ, подлежащий очистке, поступает^ че­рез патрубок 4 в пространство между решет­ками и распределяется по отдельным элемен­там 5. Очищенный газ попадает в простран­ство над верхней решеткой и отводится через боковой патрубок 6. Осевшие частицы пыли собираются в коническом днище 7. Элементы батареи изготовляются из чугуна, а решетки для них — из листовой стали.

Батарейные циклоны применимы для очистки газов при широком диапазоне темпе­ратур (до 400°).

При расчете батарейного циклона для золоулавливания определяют число его элементов п при известных величинах производительности циклона по газу УСек. м97сек и сопротивления Ар мм вод. ст. Сопротивлением циклона первоначально задаются, а затем проверяют эту величину расчетом.

Из технико-экономических соображений сопротивление батарейного циклона принимают равным при максимальной нагрузке Дрмакс.=60—85 мм вод. ст. и при нор­мальной нагрузке Др=35—50 мм вод. ст.

Число элементов циклона

П = 49,7 r Vc™' t = (1-202)

1 ^273i

Где t—температура газа в °С.

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона проверяют по формуле

Xs? Yt

&р = С 2g мм вод• ст - (1—203)

Где С—коэффициент сопротивления завихряющего элемента циклона (для винта при­нимают С=8,5);

7 Усек* г

Wy—условная скорость газа в элементе в м/сек, равная—j-—, причем/—площадь

Сечения элемента в jи2; Yt—уд. вес газа при его рабочей температуре.

Высоту входа в распределительную камеру циклона определяют по формуле

С-204)

Где wBX.—средняя скорость газа в живом сечении первого ряда элементов камеры цик­лона

ДР(273-М).

^вх. = ld. d-------- £273" '

В—ширина распределительной камеры; у—число труб в первом ряду;

RfH—наружный диаметр выхлопной трубы элемента.

Для золоудаления применяют также газоочистительные аппараты, в которых выделение пыли из газа происходит под действием инерционных сил при изменении направления движения запыленного газового потока (сухие инерционные золоулови­тели жалюзийного типа).

Такие аппараты отличаются компактностью, но во многих случаях не дают доста­точно полной очистки и поэтому имеют ограниченную область применения.