ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Центробежное осаждение частиц аэрозолей

Этот метод отделения частиц аэрозолей от воздуха (газа) значитель­но эффективнее гравитационного осаждения, так как возникающая цен­тробежная сила во много раз больше, чем сила тяжести. Центробежная се­парация может применяться по отношению к более мелким частицам.

Скорость центробежного осаждения шаровой частицы можно опре­делить, приравняв центробежную силу Fn, возникающую при вращении пылегазового потока, силе сопротивления среды по закону Стокса

Fц = m4 wm/r, (3.34)

Где тч - масса частицы, кг; wm - скорость вращения потока вокруг непод­вижной оси, м/с; r - радиус вращения потока, м.

Отсюда, с учетом силы сопротивления среды (3.4):

W4 = (d42 P0/I8 ^0)(wro2/r) = Тр^«2/г). (3.35)

Таким образом, скорость осаждения взвешенных частиц в центро­бежных пылеуловителях прямо пропорциональна квадрату диаметра час­тицы.

Скорость осаждения wH под действием центробежной силы больше, чем скорость гравитационного осаждения, в (wm /r)/g раз.

Если по аналогии с гравитационным осаждением выразить параметр центробежного осаждения как отношение центробежной силы, действую­щей на шаровую частицу, к силе сопротивления среды, то получим:

F w2m ( Ч І^Рч wm

Т = ТГ=~Г Рч — іч wa ) = —---------------------------- . (3.36)

Fc 6 r / 18^0 r

Отношение в правой части уравнения (3.36) представляет собой не что иное, как центробежный критерий Стокса Stkm,

Stk = іч2 рч wm/(18 ц0 r), (3.37)

В котором линейный параметр r представляет собой радиус вращения га­зового потока. Это позволяет выразить коэффициент осаждения частиц под действием центробежной силы в виде:

ПТ= f (Re; Stkm). (3.38)

В аппаратах, основанных на использовании центробежной сепара­ции, могут применяться два принципиальных конструктивных решения:

- поток аэрозоля вращается в неподвижном корпусе аппарата;

- поток движется во вращающемся роторе.

Первое решение применено в циклонах (рис.3.7), второе - в ротаци­онных пылеуловителях.

Корпус циклона состоит из цилиндрической и конической частей.

По форме циклоны разделяют на цилиндрические (Нц > Нк) и кони­ческие (Нк > Нц), где Нц и Нк соответственно высота цилиндрической и ко­нической части циклона. Строение конической части определяет особен­ности движения пылевоздушного потока в этой части циклона и оказывает существенное влияние на процесс сепарации, а также коагуляцию некото­рых видов пыли в аппарате, на устойчивость его работы при улавливании данных видов пыли.

Улавливание частиц аэрозоля в циклонных аппаратах основано на использовании центробежных сил. Рассмотрим общепринятую схему дви­жения потока аэрозоля и сепарации его частиц в циклоне. Поток аэрозоля с большой скоростью по касательной поступает в цилиндрическую часть корпуса циклона и совершает движение по нисходящей спирали вначале в кольцевом пространстве между корпусом и выхлопной трубой и продол­жает это движение в конической части корпуса, делая несколько витков (рис. 3.7). Под действием центробежной силы, возникающей при враща­тельном движении потока, аэрозольные частицы перемещаются радиально к стенкам циклона. Взвешенные частицы отделяется от воздуха в основном при переходе потока в восходящий, что происходит в конической части корпуса. Поток, продолжая движение в корпусе циклона, поворачивая на 180°, входит в выхлопную трубу и, совершая в ней движение по восходя­
щей спирали, выходит из циклона. Частицы, выделившиеся из потока, по­ступают через нижнее выпускное отверстие в бункер.

В циклоне создаются два вихревых потока: внешний - загрязненного воздуха от входного патрубка в нижнюю часть конуса и внутренний - от­носительно очищенного воздуха из нижней части конуса во внутреннюю трубу.

Процессы, происходящие в циклоне, весьма сложны и зависят от многих факторов, поэтому при теоретических расчетах приходится делать много допущений и упрощений. Так, принимают, что частицы аэрозоля, поступающие с воздушным потоком в циклон, имеют сферическую форму, при входе загрязненного потока в аппарат равномерно распределены по сечению, частицы, которые при перемещении достигли стенок, осаждают­ся, хотя в действительности часть этих частиц будет выброшена в выхлоп­ную трубу вследствие турбулизации потока и т. д. Кроме того, не учитыва­ется такой фактор, как коагуляция частиц, происходящая в циклоне.

Рассмотрим силы, действующие на частицу, движущуюся в кольце­вом пространстве между цилиндрической частью корпуса циклона и вы­хлопной трубой.

Центробежная сила, действующая на частицу, может быть определе­на из выражения

Fc = тч wt2/R, (3.39)

Силу сопротивления среды определяем из формулы Стокса Fс = 3 п Wp d4 цо, (3.40)

Где wt - тангенциальная скорость пылевой частицы, принимаемая равной скорости газового потока при входе в циклон, м/с; wp - скорость движения частицы в радиальном направлении, м/с; R - расстояние от центра враще­ния газового потока (оси циклона) до частицы, м; тч - масса шаровой час­тицы, равная (п dH рч/6), кг; d4 - диаметр частицы, м; рч - плотность мате-

3 2

Риала частицы, кг/м ; ц0 - динамическая вязкость газа, Нс/м.

Через несколько мгновений после входа запыленного потока в ци­клон силы Fy и Fс уравновешиваются, т. е.

Тч wt /R = 3 п Wp dH ц0, (3.41)

И частица движется в радиальном направлении с постоянной скоростью,

Которую можно определить из написанного выше равенства

2 2 2 wp = тч wt /(R3 п dH ц0) = dH wt рч/(18 R ц0). (3.42)

Из движущихся в потоке частиц наибольший путь пройдет частица, которая при входе в циклон находилась вблизи выхлопной трубы. Ее путь равен (R2 - R1), здесь R1 - радиус выхлопной трубы циклона, м; R2 - радиус цилиндрической части циклона, м.

Время для прохождения этого пути:

Т = (R2 - Ri)/wv. (3.43) 21

Величина R переменная, ее среднее значение можно принять

(R2 +R1)/2.

Подставив в формулу (3.39.) значение wF из (3.40.), найдем т = 18(R2 - R1)( R2 +R1)M0/(2 wT2 d42 p4) = 9 ^R2 - R12)/(wT2 d42 рч). (3.44) Из этой же формулы можно найти размер самых малых частиц, ко­торые успевают пройти путь (R2 - Ri) за время прохождения циклона газо­вым потоком, т. е. за время нахождения частицы в циклоне

Dmin = [9 Ц0( R22 - R12)/pH Wт2 т] = [9 Ц0( R22 - R12)/2 п Рч Wт R n] = = [9 Ц0( R2 - R1)/ п Рч Wт n], (3.45)

Где n - число оборотов, которые совершает газовый поток в циклоне (обычно принимают n = 2).

Данные, полученные по формулам (3.44.) и (3.45.), значительно от­личаются от результатов экспериментальных исследований. Это объясня­ется тем, что в формулах не в полной мере учтены все факторы, влияющие на циклонный процесс.

В реальных условиях пылевые частицы, имеющий размер больше dmin, улавливаются в циклоне далеко не полностью. В то же время часть частиц, имеющих размер меньше dmin, осаждается в циклоне. Это можно объяснить тем, что в формулах не учитывается коагуляция, происходящая в циклоне. Кроме того, часть мелких частиц увлекается потоком и осажда­ется вместе с более крупными частицами.