Мокрая пылеочистка. 
Теоретические основы защиты окружающей среды

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы. Существуют следующие варианты процесса мокрой пылеочистки:

улавливание каплями жидкости, двигающимися через газ;

улавливание цилиндрами (обычно твердыми, типа проюлок);

улавливание пленками жидкости (обычно текущими по твердым поверхностям);

улавливание в пузырях газа (обычно поднимающихся в жидкости);

улавливание при ударе газовых струй о жидкие или твердые поверхности.

Рис. 6.11. Равновесие частицы пыли на поверхности пленки жидкости Действие различных сил на частицу пыли, подведенную к поверхности жидкости, показано на рис. 6.11. Просуммируем действие всех вертикальных слагающих этих сил:

При каждом варианте мокрой пылеочистки 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.

Осаждение пылевых частиц на пленку жидкости. Смачивание поверхностей, предназначенных для осаждения частиц, является средством повышения эффективности фильтров и пылеуловителей.

(6.50).

где F_u — внешняя сила, Н; l — длина периметра смачивания, м;? — равновесный угол, град; S_ч — площадь частицы на уровне трехфазной границы, м²; h — разность высот уровня жидкости и периметра смачивания, м; m_ч — масса частицы, кг; m_ж — масса вытесненной частицей жидкости, кг. С другой стороны,? =? —? (? и? — соответственно угол смачивания и формы, град).

Величина h в уравнении (6.50) является функцией угла а, которая определяется формой поверхности жидкости. По мере уменьшения размеров погружаемого тела эта форма приближается к цилиндрической и для небольших по величине частичек пыли можно воспользоваться формулой.

(6.51).

где r — радиус цилиндра, м.

Согласно уравнениям (6.50) и (6.51), угол «уменьшается с уменьшением внешней силы Fu и массы частицы. Для частиц, размеры которых по всем трем напраатениям не превышают 100 мкм, при = 0 угол? практически равен 0 и соответственно? —? = 0.

Способность пыли смачиваться оказывает существенное влияние на эффективность ее улавливания. Некоторые вещества гидрофобны из-за особенностей молекулярной структуры их поверхности. Иногда гидрофобностью обладает пыль гидрофильных материалов вследствие образования на поверхностях ее частиц электрического заряда одного знака с зарядом на поверхности воды или адсорбции на поверхностях ее частиц прочного слоя молекул воздуха, препятствующих их смачиванию.

Известно, что смачиваемость твердых тел уменьшается с увеличением их дисперсности — даже такой предельно гидрофильный минерал, как кварц, после раздробления становится трудно смачиваемым. Можно считать, что частицы размером менее 10 мкм и особенно менее 5 мкм относятся к несмачиваемым независимо от их состава.

Для улавливания гидрофобных частиц необходимо, чтобы их кинетическая энергия превышала работу погружения частицы в воду, т. е. работу преодоления сил поверхностного натяжения. Это условие осуществляется только при больших скоростях соударения. Повышение эффективности пылеулавливания в этом случае достигается уменьшением поверхностного натяжения воды путем введения «смачивателей», подогрева и т. п.

Хорошо смачиваемые частицы, у которых угол? очень мал, плавают целиком погруженные в жидкость. Несмачиваемые частицы (? > 90°) находятся в газовой среде. С увеличением внешней силы равновесный угол, а возрастает до некоторого максимального значения, после чего частица тонет в жидкости. Смачиваемая частица тонет при? = ?_max. Для частиц кубической формы размером меньше 100 мкм сила, необходимая для погружения смачиваемой частицы в жидкость, может быть определена по формуле.

(6.52).

где? — сторона куба, м.

Частица, не смачиваемая жидкостью, тонет в ней, когда? = 90°, a F_max= 4а?. При погружении частицы в жидкость необходимо осуществить работу погружения, А (Дж):

(6.53).

где H — путь, проходимый частицей при ее погружении в жидкость, м.

Для смачиваемых частиц небольшого размера.

(6.54).

а для несмачиваемых.

где.

(6.55).

Приравнивая работу погружения шаровой частицы с эквивалентным диаметром d_э ее кинетической энергии (где w_ч.п — скорость погружения, м/с), можно определить минимальную нормальную скорость, с которой должна удариться частица о поверхность жидкости, чтобы утонуть в ней:

(6.56).

Расчетом установлено, что при толщине пленки жидкости, большей поперечного размера частицы, работа отрыва частицы значительно превосходит работу, необходимую для ее погружения в слой жидкости. Поэтому для предотвращения вторичного уноса частиц пыли газовым потоком после удара их о свободную поверхность жидкой пленки толщина пленки должна составлять не менее 0,2…0,3 мм.

Если толщина пленки жидкости больше размера частицы, то последняя может погрузиться в жидкость полностью. Утолщенные пленки и слои жидкости необходимы для надежного улавливания пыли при ее повышенной концентрации, в особенности при наличии в ней крупных частиц. Такие условия стремятся создать при очистке воздушных выбросов в мокрых пылеуловителях, при этом, как правило, используют циркулирующую в пылеуловителях воду.

В рассматриваемом случае кинетическая энергия частицы должна быть достаточна для преодоления сопротивления воды при ударе о ее поверхность и при погружении в нее. Важно выяснить также, какова должна быть минимальная толщина слоя воды, чтобы крупная частица, движущаяся через воду с большой скоростью, не смогла вновь вернуться в воздушный поток, отскочив в воде от твердой стенки.

При неравномерном движении частицы в воде нельзя пренебрегать присоединенной массой, как это делается при исследовании движения частицы в воздухе. Кроме того, ввиду большей вязкости воды значение Re в начале движения оказывается больше 1 даже при движении с малыми скоростями и очень небольших размерах частиц.

С учетом этого уравнение движения сферической частицы диаметром d_ч имеет вид.

(6.57).

где? — коэффициент сопротивления сферы.

В данном случае для определения коэффициента сопротивления сферы удобно применить формулу (6.2). Имея в виду эту формулу, а также то, что присоединенная масса сферической частицы равна половине массы жидкости в объеме сферы, после преобразования получим из выражения (6.57).

(6.58).

Решение (6.58) дает результат.

и соответственно.

(6.59).

где при х = 0 имеем w = w₀; Re = Re₀.

Согласно изложенному, для удержания на поверхности воды хорошо смачиваемой частицы достаточно их точечного контакта. Плохо смачиваемые частицы, включая все мелкие, будут уловлены в том случае, если глубина погружения в жидкость их центра превышает их радиус r_ч (x/d_ч > 0,5), так как при этом можно ожидать захлопывания каверны за погрузившейся частицей. Этому условию соответствуют значения Re > 5. Для торможения крупных частиц требуется большая толщина пленки воды. Например, смачиваемая частица (?? ?/2) размером 40 мкм, ударившись о поверхность воды со скоростью 18 м/с, что вполне реально для условий пылеулавливания, пройдет в воде до полной потери скорости путь, равный около 16 d_ч. Представим, что толщина слоя воды равна 0,3 мм, как это имеет место в центробежных скрубберах. Пройдя через такой слой воды, частица ударится о поверхность металлической стенки со скоростью 5,2 м/с. Пренебрегая потерями энергии частицы при ударе ее о твердую стенку, получим, что она покидает поверхность воды со скоростью примерно 0,6 м/с.

Вылетевшая из воды частица может быть подхвачена воздушным потоком и вынесена из пылеуловителя.

Пленками воды в мокрых пылеуловителях надежно удерживаются частицы, движение которых характеризуется значением Re > 5. Частицы малых размеров и частицы, соударяющиеся с поверхностью пленки воды с малыми скоростями, погружаются в воду на глубину менее величины г_ч и, если они плохо смачиваются водой, могут быть сорваны воздушными потоками. При значении Re > 1000 и толщине пленки воды менее 20 r_ч возможен отскок частиц от твердой стенки, покрытой пленкой, и вторичный выход частицы в воздушный поток.

Осаждение на капле жидкости. 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 (см. рис. 6.5). Крупные частицы в меньшей мере, чем газ, изменяют свое направление при подходе к капле и осаждаются на ней. 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.

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

(6.60).

где v_c — скорость потока, м/с; ?₀ — динамическая вязкость газа, Па · с; d_к — диаметр капель, м.

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

Для сравнения величины диффузионного осаждения с инерционным вводится понятие эффективного коэффициента осаждения? л, который определяется как отношение диффузионного потока к потоку осаждающихся частиц при прямолинейном движении.

Для случая осаждения на капле (шаре) имеем.

(6.61).

где G_ч — массовая скорость частиц, кг/с;? — концентрация частиц в потоке, кг/м³.

При размере частиц значительно меньшем 1 мкм эффективность диффузионного осаждения сравнима с инерционным.

Капли жидкости, движущиеся в газовом потоке, могут дробиться на более мелкие в том случае, когда внешние силы, действующие на каплю, преодолевают силы поверхностного натяжения.

Дробление одиночных капель, падающих в газовой среде, начинается при диаметре капель более 0,6…0,7 см. Оценить величину критического диаметра капли d_кp (м) можно по формуле.

(6.62).

где ?_кр — критическая скорость газа, при которой наступает дробление, м/с.

Диаметр капли d_к (м), образующейся при дроблении, может быть определен из уравнения.

(6.63).

где k_f — коэффициент, показывающий, какая часть динамического напора, обусловленного изменением пульсационных скоростей по длине капли, передается поверхности капли w_от — относительная скорость капли, м/с); l — линейный масштаб потока, м.

При малых скоростях потока дробления капель не происходит. Лишь с увеличением скорости капля теряет устойчивость и начинает дробиться.