ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Коагуляция в аэрозолях

Частицы аэрозолей со средней и хорошей смачиваемостью, не реаги­рующие со смачивающими жидкостями, могут образовывать с ними при пе­ремешивании механические смеси, коллоидные растворы и истинные рас­творы. Истинные растворы отличаются от взвесей - коллоидов и механиче­ских смесей размерами частиц, на которые распадается вещество при пе­ремешивании. Истинные растворы содержат вещества в виде молекул, атомов, ионов и других частиц с характерными размерами 10-9 м и менее. К жидким

Коллоидным растворам относят высокодисперсные и грубодисперсные

-9 -7 -7 -5

Смеси с размерами частиц соответственно от 10 до 10 м и от 10 до 10

М. Грубодисперсные жидкие коллоиды с твердой дисперсной частью назы­вают суспензиями, с жидкой - эмульсиями.

Диспергированные вещества могут образовывать взвеси и истинные растворы не только в жидкой, но и в газообразной среде. Взвеси твердых и жид­ких частиц в газах называют золями, в воздухе - аэрозолями. Тонкодисперсные взвеси твердых и жидких частиц называют соответственно дымами и туманами. Как правило, такие названия относятся к конденсационным аэрозолям, которые можно рассматривать как коллоидные растворы в газовой среде. При опреде­ленных условиях агрегированные частицы дымов и туманов могут распадаться до молекул и растворяться в газе-носителе. Примером истинного газового рас­твора может служить очищенный от твердых и жидких примесей воздух.

Общей чертой истинных растворов является их устойчивость. Коллоид­ные растворы, как жидкие, так и газообразные, неустойчивы, т. е. не могут со­храняться длительное время в первоначальном состоянии. Взвешенные частицы со временем коагулируются (сцепляются друг с другом) и оседают.

Аэрозоль — неустойчивая система. Он подвержен постоянным из­менениям. С течением времени в аэрозоле происходит укрупнение взве­шенных частиц. Этот процесс носит название коагуляции (агрегирования, агломерации); он происходит в результате взаимодействия частиц под влиянием различного рода физических факторов.

Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц в результа­те их взаимодействия и объединения в агрегаты. Наибольшая роль в коагу­ляции пылей принадлежит молекулярным силам и силам электрического притяжения.

Коагуляция взвешенных в газах частиц существенно влияет на эф­фективность действия пылеулавливающих устройств. С точки зрения обеспы­ливания воздуха (газов) коагуляция весьма полезное явление, так как бла­годаря укрупнению пылевых частиц повышается эффективность их улав­ливания. Мелкодисперсная пыль, плохо или совсем не улавливаемая в бо­лее простых аппаратах, может быть задержана ими после коагуляции. Со­единение и укрупнение частиц происходит при слипании их вследствие столкновения под действием гравитационных сил, сил инерции, броунов­ского движения, взаимного притяжения и т. д. Параллельно с процессом образования агломератов происходит процесс разрушения образовавшихся укрупненных частиц.

Коагуляция будет происходить тем интенсивнее, чем больше веро­ятность столкновения аэрозольных частиц. Эта вероятность увеличивается под действием указанных выше факторов. Мелкие частицы в большей сте­пени подвержены коагуляции, чем крупные. Ускоряется также коагуляция при повышении концентрации пылевых частиц в газовой среде.

Имеет место естественная коагуляция, когда этот процесс происхо­дит под действием естественных сил, т. е. в основном за счет броуновского движения и гравитационных сил, и искусственная коагуляция, когда этот процесс интенсифицируют, применяя дополнительные факторы, например, турбулизацию запыленного потока, его искусственную ионизацию и аку­стическую обработку. Процесс коагуляции в результате ускоряется во много раз, т. к. вероятность столкновения и взаимодействия частиц во много раз увеличивается.

Скорость коагуляции аэрозольных частиц подчиняется закону 1/п - 1/П0 = Kkt, (6.19)

Где п - концентрация частиц в некоторый момент времени i (в с), 1/м ; п0

33

- начальная концентрация частиц, 1/м ; Кк - константа коагуляции, м /с.

Скорость убывания счетной концентрации частиц в результате про­цесса коагуляции определяется из выражения

N = - Dn/di = - KKn2, (6.20)

Где N - скорость коагуляции, соответствует числу встреч частиц в единице

2.

Объема в единицу времени,

1/(м с).

Из выражения (6.19.) следует, что в начальный момент, когда кон­центрация частиц велика, коагуляция происходят с большей скоростью, но затем ее скорость быстро падает.

Тепловая (броуновская) коагуляция. В основе броуновской коагуля­ции лежит броуновское (хаотическое, беспорядочное) движение весьма малых частиц - до 0,1 мкм.

Процесс тепловой (броуновской) коагуляции мало зависит от приро­ды пылевых частиц. Коагуляция происходит тем быстрее, чем больше диа­пазон размеров частиц, так как имеет место процесс поглощения крупны­ми частицами мелких. Увеличение скорости коагуляции за счет полидис­персности, по сравнению с коагуляцией монодисперсной пыли, не превы­шает 10 %. Скорость тепловой коагуляции повышается с увеличением аб­солютной температуры дисперсной среды. Скорость коагуляции малых частиц также вырастает с повышением давления. Замечено, что дисперс­ность пыли в технологических газах, поступающих на очистку, обычно выше, чем в источнике пылеобразования. Это можно объяснить тем, что броуновская коагуляция происходит почти мгновенно.

Градиентная коагуляция. Градиентная коагуляция обусловлена на­личием градиента скорости в потоке запыленных газов. Наиболее харак­терным примером является течение газов около твердой стенки канала. В соответствии с законами гидравлики, частица вблизи стенки движется с меньшей скоростью, чем частица, находящаяся ближе к продольной оси канала. Контакт частиц возможен, если расстояние между ними меньше суммы их размеров Действие градиентной коагуляции ограничивается в основном пристенным слоем. Поэтому она играет существенную роль при значительной длине каналов и большой поверхности, по которой происхо­дит контакт.

Турбулентная коагуляция. Скорость коагуляции частиц в дисперсной среде может быть искусственно повышена путем турбулизации аэрозоля. Вихревое движение среды, возникающее вследствие турбулизации, увели­чивает вероятность столкновения частиц и, следовательно, повышает ско­рость коагуляции.

Турбулизацию пылегазовых потоков осуществляют для укрупнения пылевых частиц и повышения благодаря этому эффективности очистки. Вихревое движение, возникающее вследствие турбулизации, увеличивает вероятность столкновения и, следовательно, укрупнения частиц.

Кинематическая коагуляция. Процесс кинематической коагуляции происходит при относительном движении частиц различного размера под действием внешних сил — силы гравитации, центробежных сил и др. Час­тицы различного размера движутся с различными скоростями. Вследствие этого происходит их столкновение и укрупнение. Примером кинематиче­ской коагуляции является осаждение частиц на каплях, находящихся под действием силы тяжести (этот процесс называется также гравитационной коагуляцией). Кинематическая коагуляция происходит также при встреч­ном движении распыленной воды и аэрозоля в мокрых пылеуловителях.

Электрическая коагуляция. Между заряженными частицами, а также между заряженными и незаряженными частицами возникают силы взаи­модействия. Это в значительной мере определяет поведение частиц. Час­тицы сталкиваются, слипаются, образуя агрегаты.

Между частицами действуют следующие электрические силы взаи­модействия: кулоновская сила притяжения или отталкивания, возникаю­щая между двумя заряженными частицами, находящимися на определен­ном расстоянии друг от друга; сила индукции между заряженной частицей и соседней незаряженной; сила взаимодействия между заряженной части­цей и другими частицами с тем же знаком; сила внешнего электрического поля (если оно имеется).

Электрическая коагуляция используется в технике пылеулавливания. Принципы электрической коагуляции используются также при искусст­венной ионизации газопылевых потоков с целью укрупнения пылевых час­тиц.

Акустическая коагуляция. Пылегазовый поток проходит через аку­стическое поле, создаваемое источником звука и ультразвука.

При определенных параметрах поля и характеристиках пылегазового потока вследствие колебания среды значительно возрастает число столк­новений между пылевыми частицами, что приводит к их слипанию, т. е. к укрупнению пыли. Акустическая обработка осуществляется с целью по­вышения эффективности пылеулавливания.