Скруббер Вентури. 
Скруббер Вентури

Принцип действия скрубберов Вентури основан на столкновении частиц пыли с диспергированной жидкой фазой вследствие разности их скоростей под влиянием интенсивной турбулентной диффузии в газовом потоке.

В скруббере Вентури (рис. 1) реализуется капельная абсорбция, который состоит из т.н. «сопла Вентури» (1 — конфузор, 2 — диффузор) и каплеуловителя 4. В конфузорную часть сопла 1 подводится запыленный поток газа, а через форсунки 2 под давлением впрыскивается жидкость для орошения этого потока. В конфузоре происходит разгон газа от начальной скорости газа (_г = 15.20 м/с) до скорости _г = 30.200 м/с в узкой части сопла. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен большой разностью между массами (плотностью) жидкости и газа, развитой поверхностью капель и высокой разностью (до 100 м/с) скоростей частиц пыли и жидкости в конфузоре. Заметим, что эффективность очистки в значительной степени от равномерности распределения жидкости по сечению конфузора. В диффузорной части сопла 3 резко падает давление с конденсацией пара. Поток с конденсированными парами постепенно тормозится до скорости _г = 15.20 м/с и попадает в каплеуловитель 4, который обычно выполняется в виде прямоточного циклона.

скруббер вентури пылеулавливание напор

Существуют различные конструкции и разновидности скрубберов Вентури многообразны (например, прямоточные высоконапорные аппараты типа ГВПВ и скрубберы Вентури СВ, разработанные НИИОГАЗом; газопромыватели типа КМП, КЦМП и др.). Рассмотрим один из разновидностей скрубберов Вентури, а, именно: прямоточный высоконапорный аппарат типа ГВПВ (рис. 2, таблица 1), состоящий трубы Вентури оптимальной конфигурации и прямоточного циклона типа КЦТ (рис. 3, таблица 2).

Таблица 1.

Таблица 2.

Подача орошающей воды производится в конфузор трубы Вентури с помощью одной или нескольких форсунок. Удельный расход воды изменяется от 0,5 до 2,5 дм/м³ (л/м³), гидравлическое сопротивление аппарата — от 6 до 12 кПа. Скорость газа в каплеуловителе 4−6 м/с, его гидравлическое сопротивление составляет 300−500 Па, а конечная концентрация капельной влаги находится в пределах 20−40 мг/м³. Труба Вентури может устанавливаться в любом положении (вертикально, горизонтально, наклонно).

Расчет эффективности работы (степень очистки газа от пыли) скруббера Вентури можно оценить с помощью энергетического метода, основанного на прямой зависимости эффективности работы пылеуловителя от энергии, затраченной на процесс очистки (пылеулавливания). В соответствии с данным методом степень очистки в аппарате может быть определена по формуле:

(1).

где К_ч — удельная суммарная энергия, взаимодействия газовой и жидкой фаз, в трубе Вентури, кДж/1000м³ (Па):

где Дp_апп — гидравлическое сопротивление аппарата, Па; p_ж — давление распыляемой орошаемой жидкости (воды) при входе в аппарат, Па; Q_ж и Q_г — объемные расходы орошающей жидкости и очищаемого газа, соответственно, м³/с.

Константы B и г определяются эмпирически для конкретной очищаемой пыли и при расчетах пользуются их справочными значениями. В скрубберах Вентури давление орошающей жидкости (воды) перед форсункой принимаются не менее 150 кПа, а её расход определяют из выражения:

где n — число форсунок; m = 0,5−2,5 л/м³ — удельный расход орошающей жидкости (воды). Расход очищаемого газа Q_г (м³/с) зависит от температуры газа на выходе из аппарата t_г^вых и может отличаться от первоначального расхода Q_0г при нормальных условиях, который можно оценить по формуле:

. (4).

Полученную величину объемного расхода очищаемого газа Q_г из м³/с пересчитывают в м³/час и по таблице 1, в зависимости от необходимой производительности, выбирают марку ГВПВ.

Для труб Вентури, при расчетах конечных температур t_г^вых применима формула (при скорости газа в трубе v_г = 50−150 м/с; m = 0,6−1,3 л/м³ и начальной температуре газа t_г^вх не менее 100⁰С:

(5).

где t_г^вх — температура газа на входе в трубу, ⁰С.

Необходимый диаметр прямоточного каплеуловителя КЦТ D_ц выбирают исходя из условной скорости газа в циклоне v_ц, которая лежит в диапазоне 2,5−4,5 м/с, и объемного расхода газа Q_г:

. (6).

Полученную величину диаметра D_ц (м) прямоточного каплеуловителя КЦТ округляют до ближайшего значения внутреннего диаметра D (мм) циклона, приведенной в таблице 2, по которому выбирают марку каплеуловителя КЦТ.

Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури равно сумме гидравлических сопротивлений трубы Вентури Дp_тр и каплеуловителя Дp_ц:

. (7).

Гидравлические сопротивление трубы Вентури Дp_тр складывается из двух составляющих — сопротивления сухой трубы Дp_тр сух и гидравлического сопротивления, обусловленного наличием в ней жидкости Дp_{тр ж}:

. (8).

Потери напора в сухой трубе без орошения жидкостью определяются по формуле:

где v_г — скорость газа в горловине трубы при рабочих условиях, м/с; с_г — плотность газа в рабочих условиях, кг/м³; о_{тр с} — коэффициент гидравлического сопротивления сухой трубы. Для трубы Вентури оптимальных размеров, используемые в аппаратах типа ГВПВ, при l_г = 0,15d_э (l_г — длина горловины; d_э? d₃, рис. 1), коэффициент гидравлического сопротивления о_{тр с} = 0,12−0,15. Потери напора в трубе, обусловленные введением орошающей жидкости, определяются по формуле:

где с_ж — плотность орошающей жидкости (воды) в рабочих условиях, кг/м³; о_{тр ж} — коэффициент сопротивления (для аппаратов типа ГВПВ, о_{тр ж}? 1,0); m — удельный расход орошающей жидкости, л/м³.

Гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя:

. (11).

Коэффициент сопротивления для прямоточночного циклона КЦТ принимается о_ц = 30−33, для циклона центробежного типа ЦН-24 — о_ц = 70. Плотность газа с_г в циклоне принимается равной плотности газа на выходе из трубы Вентури:

где с_0г — плотность газа при нормальных условиях, кг/м³.

Эффективность скрубберов Вентури (степень очистки от пыли) можно также рассчитать фракционным методом, в частности, для тарировочной пыли с параметрами: с_ч^т = 1000 кг/м³; = 0,556; м_г^т = 1,83^.10^-5 Па^.с, получена следующая эмпирическая формула определения медианного размера тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате з=50%:

. (13).

Пересчет динамической вязкости очищаемого газа м_г с параметров очистки тарировочной пыли м_г^т на рабочие условия производится.

где С — константа Сюзерленда (для воздуха — С = 124). Зная величину, условия очистки для тарировочной пыли пересчитывают на условия очистки от пыли с параметрами: d₅₀, lgу_ч, с_ч. Для этого сначала определяют размер частиц пыли со степенью очистки в аппарате з = 50%:

затем, определяют параметр x:

Степень очистки от пыли в аппарате определяют по таблице нормального функции распределения Гаусса F₀ (x) (таблица 2):

(17).

Расчет:

Выбрать скруббер Вентури типа ГВПВ, рассчитать его гидравлическое сопротивление и эффективность очистки от пыли фракционным методом, если заданы следующие условия: расход очищаемого газа при нормальных условиях Q_0г = 1,31 м³/с; температура газа при входе в аппарат t_г^вх = 175⁰С; плотность газа (воздух) с_0г = 1,21 кг/м³; коэффициент динамической вязкости при рабочих условиях м_г = 1,87^.10^-5 Па^.с; удельный расход орошающей жидкости (воды) m = 1,25 л/м³; давление жидкости перед форсункой p_ж = 2 МПа; параметры очищаемой пыли: d₅₀ = 7 мкм; у_ч = 2,03 мкм, с_ч = 600 кг/м³.

Плотность очищаемого газа (воздух) при нормальных условиях: с_0г = 1,21 кг/м³. Параметры и условия очистки тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате з =5 0%: с_ч^т = 1000 кг/м³; = 0,556; м_г^т = 1,83 ^.10^-5 Па^.с.

1. Температура газа на выходе из трубы Вентури по формуле (5):

t^вых_г=(0,133−0,041*1,25)*175+35=67,24, ⁰С. .

2. Расход газа при рабочих условиях на выходе из трубы по формуле (4):

Q_г=1,31*м³/с= 5868 м³/час По таблице 1 выбираем аппарат типа ГВПВ-0,014, с производительностью 4140−8400 м³/час.

3. Определяем диаметр циклона-каплеуловителя определяем по формуле (6) (скорость газа в циклоне задаем vц = 4,0 м/с):

D_ц=1,13*=0,721 м В качестве каплеуловителя выбираем прямоточный циклон типа КЦТ-700 (таблица 2) с внутренним диаметром циклона D = 700 мм и производительностью 5600−7625 м³/час.

4. Скорость газа в горловине (по условиям выхода из трубы) при площади сечения горловины для аппарата ГВПВ-0,014 — Fг = 0,014 м² (см. таблицу 1):

v_г=1,63/0,014=116.

5. Плотность газа при рабочих условиях на выходе из аппарата по формуле (12):

• ?_г= 1,21*= 0,97 кг/м³
• 6. Гидравлическое сопротивление для сухой трубы отр с = 0,14 при оптимальных её размерах lг /dэ = 0,15 вычисляем по формуле (9):

• ?р_тр.сух=0,14*= 0,91 * 10³ Па
• 7. Гидравлическое сопротивление трубы, обусловленное наличием орошающей жидкости, определяем по формуле (10) (при отр ж 1,0 — для аппаратов типа ГВПВ, и плотности орошающей жидкости (воды) сж = 1000 кг/м3):

_трж= 1**1,25*10^-3= 8,41*10³ Па.

8. Суммарное гидравлическое сопротивление трубы Вентури по формуле (8):

_тр=(0,91+8,41)*10³= 9,32*10³ Па.

• 9. Определение гидравлического сопротивления циклона-каплеуловителя КЦТ.
• 9.1. Уточняем скорость газа в каплеуловителе при выбранном диаметре циклона Dц = 700 мм = 0,7 м:

v_ц== 4,24 м/с.

9.2. Гидравлическое сопротивления циклона-каплеуловителя КЦТ по формуле (11) при оц = 32:

• ?р_ц= 32*= 279,01 Па
• 10. Общее гидравлическое сопротивление аппарата по формуле (7):
  • ?р_апп=9,32*10³+279,01=9,59*10³ Па
• 11. Определим необходимый расход воды на орошение через одну форсунку (n = 1) по формуле (3):

Q_ж= 1,25*1,63*10^-3/1=2,04*10^-3 м³/с.

12. Удельная суммарная энергия, взаимодействия газовой и жидкой фаз, в скруббере Вентури по формуле (2):

К_ч=9,59*10³+2*10⁶*=2,52*10³ Па.

13. Определим диаметр частиц тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате з=50% при счт = 1000 кг/м3; = 0,556; мгт = 1,83.10−5 Па. с по формуле (13):

d^т_??=50=564*(2,52*10³)^-0,88=0,573 мкм.

• 14. Пересчитываем с условий очистки тарировочной пыли на условия очистки от пыли с параметрами: d50, lgуч, сч.
• 14.1. Найдем динамическую вязкость очищаемого газа в рабочих условиях по формуле (14):

_г=1,83*10^-5**()^3/2=2,176*10^-5 Па*с.

14.2. Определяют размер частиц пыли со степенью очистки в аппарате з=50% по формуле (15):

d_??=50=0,573*= 0,79 мкм.

15. Определяем параметр x по формуле (16):

Х== 1,49.

• 16. Определяем степень очистки от пыли в аппарате определяют по таблице нормального функции распределения Гаусса F0 (x) (таблица 3):
  • ??=F₀(1,49)?0,9332 или ??=93,32%