ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Процессы мокрой газоочистки

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама.

Технологический анализ, ведущий к разработке моделей функцио­нирования газоочистных устройств, базируется на представлениях о меха­низмах процессов. Механизмы процессов - это основные варианты контак­тов газ - жидкость, при которых происходит удаление частиц из газа. Су­ществуют следующие механизмы процессов:

1) улавливание каплями жидкости, двигающимися через газ;

2) улавливание цилиндрами (обычно твердыми, типа проволок);

3) улавливание пленками жидкости (обычно текущими по твердым поверхностям);

4) улавливание в пузырях газа (обычно поднимающихся в жидко­сти);

5) улавливание при ударе газовых струй о жидкие или твердые по­верхности.

При каждом аппаратном механизме частицы отделяются от газа бла­годаря одному или нескольким механизмам улавливания: гравитационной седиментации, центробежному осаждению, инерции и касанию, броунов­ской диффузии, термофорезу, диффузиофорезу, электростатическому оса­ждению. Скорость осаждения может быть увеличена благодаря укрупне­нию частиц вследствие агломерации и конденсационного роста.

Рассмотрим основные механизмы и зависимости, характеризующие осаждение пылевых частиц на каплях. При мокрой пылеочистке частицы удаляют по одному или нескольким основным механизмам. Рассмотрим существенные при орошении аэрозолей механизмы удаления частиц.

1. Гравитационная седиментация. Этот механизм не имеет большо­го значения применительно к скрубберам.

2. Центробежное осаждение. Частицы могут быть выброшены из газового потока центробежной силой, обусловленной изменением направ­ления течения. Крупномасштабные изменения направления течения, какие наблюдаются в циклонах, малоэффективны для удаления частиц диамет­ром менее 5 мкм.

3. Инерционный захват и касание. При обтекании малого объекта га­зовым потоком инерция вынуждает частицы продолжать перемещаться по направлению к объекту, причем некоторые из них осаждаются на нем. Фактически это то же самое, что центробежное осаждение, и различие в определениях дается по традиции. Инерционный захват обусловлен изме­нениями направления течения в малом масштабе. Поскольку инерционное осаждение эффективно для улавливания частиц диаметром порядка всего десятых микрометра, это наиболее важный механизм захвата частиц в мокрой газоочистке.

4. Броуновская диффузия. Когда частицы достаточно малы, напри­мер, имеют диаметр менее 0,1 мкм, они смещаются под ударами газовых молекул подобно самим молекулам. Поэтому эти частицы диффундируют случайным образом через газ вследствие броуновского движения. В общем инерционное осаждение и броуновская диффузия являются главными ме­ханизмами улавливания частиц скрубберами. Для частиц диаметром свы­ше 0,3 мкм более важно инерционное осаждение, его эффективность рас­тет с увеличением размера частиц. При диаметре частиц, меньшем 0,3 мкм, начинает преобладать диффузия, эффективность которой растет с умень­шением размера.

5. Термофорез. При наличии теплопередачи от газа к жидкости дол­жен существовать соответствующий градиент температуры, тогда частицы смещаются к холодной поверхности из-за разности интенсивности бом­бардировки газовыми молекулами с разных направлений. Этот эффект редко имеет большое значение в скрубберах.

6. Диффузиофорез. Массоперенос в скруббере, который может за­ключаться в конденсации водяного пара на холодной поверхности воды, приводит к появлению силы, под действием которой частицы осаждаются на поверхности. Такое осаждение может быть значительным, а доля уда­ленных частиц примерно равной доле конденсата.

7. Электростатическое осаждение. Если частицы несут электро­статический заряд, то они могут быть осаждены из газового потока под действием градиента заряда. Этот механизм обеспечивает высокую эффек­тивность улавливания частиц всех размеров.

8. Конденсация на частицах. Хотя этот процесс сам по себе не явля­ется механизмом улавливания, увеличение массы частиц вследствие пле­ночной конденсации водяного пара на них повышает эффективность инер­ционного осаждения. Это явление может происходить одновременно с диффузиофорезом и термофорезом при конденсации в скрубберах. Комби­нацию этих механизмов обозначают как градиентно-силовое - конденсационное (ГСК) улавливание.

9. Коагуляция. Частицы могут слипаться при столкновениях вследст­вие броуновского движения или турбулентности. Коагуляция или агломе­рация может приводить к увеличению размера частиц и повышению эф­фективности осаждения, но не по диффузионному механизму.

При обтекании газопылевым потоком шаровой капли жидкости тра­ектории движения газа и пылевых частиц расходятся вследствие различной величины сил инерции, действующих на газ и на частицы с разной массой. Крупные частицы в меньшей мере, чем газ, изменяют свое направление при подходе к капле и осаждаются на ней (рис. 3.16). Схема близка к про­цессу инерционного осаждения и фильтрационного осаждения частиц на элементах волокнистого фильтра, имеющих цилиндрическую форму. Объ­ясняется это тем, что в этих случаях рассматривается двухфазный поток и действуют силы инерции.

Мелкие частицы, следуя вместе с газом, огибают каплю и уходят с потоком газа. У этих частиц инерция недостаточна для преодоления со­противления газа.

Эффективность инерционного осаждения пылевых частиц на капле жидкости зависит от критерия Стокса. Действие сил инерции реально про­является в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм.

Лм

Для шаровых частиц пыли размером dH эффективность инерционного осаждения на каплях может быть выражена зависимостью

Sn = Kd4 Vo ро/18 Цо dK ), (3.115)

Где v0 - скорость потока, м/с; ц0 - динамическая вязкость газа, Пас; dR - диаметр капель, м.

При значении Stk > 0,1 эффективность осаждения на каплях можно определить по эмпирической формуле:

Sstk = Stk2/(Stk + 0,125)2. (3.116)

Кроме инерционного осаждения, на каплях имеет место осаждение диффузионное, под действием электростатических сил. Однако роль их по сравнению с инерционным осаждением очень незначительна, а для частиц более 0,2 мкм может не учитываться.

Частицы малых размеров (менее 0,1 мкм) подвержены воздействию броуновского (теплового) движения молекул. Перемещение частиц в этом случае описывается уравнением Эйнштейна (2.6).

При справедливости закона Стокса, когда размер частиц больше среднего пути пробега молекул, коэффициент диффузии частиц можно вы­разить как функцию размера частиц:

D _ CкkБТг

Ч 3njdч

Где Тг - абсолютная температура газа, К; кБ - постоянная Больцмана, рав­ная 1,38-10-23 Дж/К.

При dч < li коэффициент диффузии может быть рассчитан по урав­нению, предложенному Ленгмюром:

R8R гТг^ 1/2

, (3.118)

3п D 2 p г {пМ г )

Где рг, Rr, Мг - абсолютное давление (Па), универсальная газовая постоян­ная Дж/(кмольК); молекулярный вес газа, кмоль.

Коэффициент диффузии D4, входит в безразмерный комплекс, харак­теризующий отношение сил внутреннего трения к диффузионным силам. Этот комплекс получил название критерия Шмидта Sc, иногда называемо­го диффузионным критерием PrD:

D

(3.119)

Другим критерием, используемым в практике диффузионных расче­тов, является критерий Пекле Ре, представляющий собой отношение кон­вективных сил к диффузионным силам:

V0 P0l j

Pe _ Re - Sc _

J P0D D4

Где l - определяющий линейный параметр обтекаемого тела.

Величина, обратная критерию Ре, является параметром диффузион­ного осаждения и обозначается через D.

Ниже приведены (табл. 3.5) значения коэффициента диффузии час­тиц, рассчитанные по формуле (3.117) (для воздуха при нормальных усло­виях), и значения критерия Sc:

Таблица 3.5

Значения коэффициента диффузии частиц и критерия Шмидта

Как видно из приведенных данных, коэффициент диффузии резко увеличивается с уменьшением размера частиц. Однако скорость диффузии даже субмикронных частиц весьма мала по сравнению со скоростью диф­
фузии молекул газов, поскольку коэффициент диффузии частиц на не­сколько порядков меньше.

Для расчета эффективности диффузионного осаждения частиц при обтекании газовым потоком шара справедливо выражение:

LD = 242/(Pedm )12. (3.121)

Уравнение для расчета эффективности диффузионного осаждения на цилиндре при вязком его обтекании имеет вид:

R/D = 2,92(2 - lnRe т) "1/3 Pe "2/3, (3.122)

А при потенциальном осаждении

R/D = 3,19 Pe "1/2. (3.123)

Согласно вышеприведенным уравнениям, эффективность диффузи­онного осаждения обратно пропорциональна размерам частиц и скорости газового потока.