Процессы и аппараты пылеочистки

Промышленная очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц проводится для уменьшения загрязненности воздуха, улавливания из газа ценных продуктов или удаления из него вредных примесей, отрицательно влияющих на последующую обработку газа, а также разрушающих аппаратуру. Очистка отходящих промышленных газов является одной из важных технологических задач большинства химических производств. Поэтому разделение газовых неоднородных систем относится к числу широко распространенных основных процессов химической технологии. В промышленности условиях пыль может образовываться в результате механического измельчения твердых тел (при дроблении, истирании, размалывании, транспортировке и т. д.), при горении топлива (зольный остаток), при конденсации паров, а также при химическом взаимодействии газов, сопровождающемся образованием твердого продукта.

Получаемая в таких процессах пыль состоит из твердых частиц размерами 3−70 мкм (ориентировочно). Взвеси, образующиеся в результате конденсации паров (нефтяные дымы, туманы смол, серной кислоты и др.), чаще всего состоят из очень мелких частиц размерами от 0,001 до 1 мкм.

Пыли содержат твердые частицы размером от 1 (по некоторым источникам, от 5) до 500 мкм; дымы — от 0,1 до 1 (по некоторым источникам, до 5) мкм. Туманы состоят из капелек жидкости размером 0,03−5 мкм и образуются в результате конденсации паров или при распылении жидкости в газе.

В технике выделения дисперсной фазы из газовых потоков применяется большое число аппаратов, отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц.

По способу улавливания пыли их обычно подразделяют на аппараты сухой, мокрой и электрической очистки газов.

В основе работы сухих пылеуловителей лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения. Самостоятельную группу аппаратов сухой очистки составляют пылеуловители фильтрационного действия.

В основе работы мокрых пылеуловителей лежит контакт запыленных газов с промывной жидкостью; при этом осаждение частиц происходит на капли, поверхность газовых пузырей или пленку жидкости.

В электрофильтрах осаждение частиц пыли происходит за счет сообщения им электрического заряда.

В качестве основы для классификации пылеулавливающих аппаратов воспользуемся схемой (рис. 1), предложенной Ужовым и Вальдбергом.

Рис. 1. Классификация промышленных пылеуловителей

1. Гравитационная очистка газов

Отстаивание твердых частиц в газовой среде подчиняется принципиально тем же закономерностям, что и осаждение их под действием сил тяжести в капельной жидкости. Скорость отстаивания пропорциональна, при прочих равных условиях, разности плотностей частиц и газа. Учитывая, что на несколько порядков меньше плотности капельной жидкости, можно заключить, что скорость очистки газов в поле сил тяжести будет значительно выше скорости отстаивания в капельно-жидких средах. Несмотря на это, очистка газа отстаиванием является относительно малоэффективным процессом, так как действующие силы в данном случае невелики сравнительно с центробежными и другими силами, используемыми для той же цели.

1.1 Пылеосадительные камеры

Осаждение взвешенных в газовом потоке частиц в пылеосадительных камерах происходит под действием сил тяжести. Простейшими конструкциями аппаратов этого типа являются отстойные газоходы, снабжаемые иногда вертикальными перегородками для лучшего осаждения твердых частиц. Для очистки горячих печных газов широко применяют многополочные пылеосадительные камеры.

Общая высота пылеосадительной камеры:

H = n (h + h1) (1)

где h — расстояние между полками; n1 — толщина одной полки; n — число полок.

Время пребывания газа в камере:

t = L / w (2)

где:L — длина камеры; w — скорость осаждения.

Очистку газов от пыли под действием сил тяжести производят в пылеосадительных камерах. Частицы пыли оседают из газа при его движении между полками, расстояние между которыми обычно составляет 0,1−0,4 м. При такой небольшой высоте каналов между полками уменьшается путь осаждающих частиц пыли. Вместе с тем наличие полок позволяет увеличить эффективную поверхность осаждения частиц. Уменьшение пути частиц и увеличение поверхности осаждения способствует уменьшению времени осаждения и, следовательно, повышению степени очистки газа и производительности камеры. Однако скорость потока газа в камере ограничена тем, что частицы пыли должны успеть осесть до того, как они будут вынесены потоком газа из камеры. Газ, пройдя полки, огибает вертикальную отражательную перегородку 3 (при этом из него осаждается под действием сил инерции дополнительно некоторое количество пыли) и удаляется из камеры. Одновременно отражательная перегородка способствует более равномерному распределению газа между горизонтальными полками камеры, так как в этом случае гидравлическое сопротивление каналов между ними одинаково. Пыль, осевшая на полках, периодически удаляется с них вручную специальными скребками через дверцы 4 в боковой стенке или смывается водой. Для непрерывной очистки газа от пыли камеру делят на два самостоятельных отделения или устанавливают две параллельно работающие камеры. В одном отделения (или в одной камере) производится очистки газа, в это же время другое отделение (камера) очищается от осевшей пыли. Под действием силы тяжести удается достаточно полно выделить из газа лишь крупные частицы пыли. Поэтому пылеосадительные камеры используют только для предварительной, грубой очистки газов, содержащих частицы пыли относительно больших размеров (>100 мкм). Степень очистки газа от пыли в этих аппаратах обычно не превышает 30−40%. Эти камеры громоздки и мало эффективны.

газопромыватель электрофильтр обеспыливание пенный

2. Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил

Инерционные пылеуловлители. Действие пылеуловлителей такого типа основано на использовании инерционных сил, возникающих при резком изменении направления газового потока, которое сопровождается значительным уменьшением его скорости. Устанавливая на пути движения запыленного газа (например, в газоходе) отражательные перегородки или применяя коленчатые газоходы, изменяют направление движения газа на 90 или. При этом частицы пыли, стремясь сохранитьнаправления своего первоначального движения, удаляются из потока. Для эффективного улавливания пыли скорость потока газа перед перегородками должна состовлять не менее 5−15 м/сек.

Рис. 2. Инерционный пылеуловители

Жалюзийный пылеуловитель состоит из собственно инерционного первичного пылеуловителя 1 и вторичного пылеуловителя — циклона 2. Запыленный газ поступает в пылеуловитель 1, жалюзи 3 которого представляют собой набор наклонных колец, установленных с зазором 2−3мм и немного перекрывающих друг друга. Жалюзи имеют коническую форму для того, чтобы скорость газа в различных поперечных сечениях аппарата оставалась примерно постоянной. Частицы пыли, ударяясь о кольца жалюзи, отбрасываются к оси конуса, а освобаждаемый от наиболее крупных частиц пыли газ проходит через зазоры в конусе и удаляется через патрубок 4. Небольшая часть газа (примерно 10%), в которой концентртруется основная масса частиц, поступает в циклон 2, где под действием центробежных сил освобождается от основной массы пыли и возвращается на доочистку в первичной жалюзийный пылеуловитель. Пыль удаляется из циклона через патрубок 5. Жалюзийный пылеуловители могут устанавливаться в горизонтальных и вертикальных газопроводах.

Рис. 3. Жалюзийный пылеуловитель

1 — жалюзийная решетка; 2 — очищенные газы (около 90 об. %); 3 — запыленные газы (около 10 об)

Инерционные пылеуловлители отличаются простотой устройства, компактностью и не имеют движущихся частей, однако в них достигается невысокая степень очистки (примерно 60%) пыли (размер удаляемых частиц более 25 мкм). К недостаткам инерционных пылеуловителей относятся также сравнительно большое гидравлическое сопротивление, быстрый износ и забивание перегородок.

Циклон — воздухоочиститель, используемый в промышленности для очистки газов или жидкостей от взвешенных частиц. Принцип очистки — инерционный (с использованием центробежной силы), а также гравитационный. Циклонные пылеуловители составляют наиболее массовую группу среди всех видов пылеулавливающей аппаратуры и применяются во всех отраслях промышленности. Собранная пыль может быть в дальнейшем переработана.

Принцип действия

Принцип действия простейшего противоточного циклона таков: поток запылённого газа вводится в аппарат через входной патрубок тангенциально в верхней части. В аппарате формируется вращающийся поток газа, направленный вниз, к конической части аппарата. Вследствие силы инерции (центробежной силы) частицы пыли выносятся из потока и оседают на стенках аппарата, затем захватываются вторичным потоком и попадают в нижнюю часть, через выпускное отверстие в бункер для сбора пыли (на рисунке не показан). Очищенный от пыли газовый поток затем двигается снизу вверх и выводится из циклона через соосную выхлопную трубу.

Конструкция

Существует огромное разнообразие типов циклонов. Кроме описанного выше противоточного циклона существуют и менее распространённые прямоточные. Противоточные циклоны различаются размерами, соотношением цилиндрической и конической частей, а также относительной высотой (т.е. отношением высоты к диаметру) цилиндрической части. Чем больше относительная высота, тем меньше коэффициент гидравлического сопротивления и разрежение в бункере (меньше вероятность подсоса пыли в аппарат), но меньше степень очистки. Наиболее оптимальна относительная высота 1,6, что соответствует принципу «золотое сечение» .

Эффективность

Степень очистки в циклоне сильно зависит от дисперсного состава частиц пыли в поступающем на очистку газе (чем больше размер частиц, тем эффективнее очистка). Для распространённых циклонов типа ЦН степень очистки может достигать

C уменьшением диаметра степень очистки возрастает, но увеличивается металлоёмкость и затраты на очистку. При больших объёмах газа и высоких требованиях к очистке газовый поток пропускают параллельно через несколько циклонов малого диаметра (100−300 мм.). Такую конструкцию называют мультициклоном или батарейным циклоном. Возможно также применить Электростатический фильтр, который, напротив, эффективен именно для малых частиц.

Достоинства и недостатки

Циклоны просты в разработке и изготовлении, надёжны, высокопроизводительны, могут использоваться для очистки агрессивных и высокотемпературных газов и газовых смесей. Недостатками являются высокое гидравлическое сопротивление, невозможность улавливания пылей с малыми размерами частиц и малая долговечность (особенно при очистке газов от пылей с высокими абразивными свойствами). 2]

3. Очистка газов фильтрованием

При очистке фильтрованием газы, содержащие взвешенные твердые частицы, проходят пористые перегородки, пропускающие газ и задерживающие на своей поверхности твердые частицы.

В зависимости от вида фильтровальной перегородки различают следующие фильтры для газов: а) с гибкими пористыми перегородками из природных, синтетических и минеральных волокон (тканевые материалы), нетканых волокнистых материалов (войлок, картон и др.), пористых листовых материалов (губчатая резина, пенополиуретан и др.), металлоткани;б) с полужесткими пористыми перегородками (слои из волокон, стружки, сеток);в) с жесткими пористыми перегородками из зернистых материалов (пористые керамика, пластмассы, спеченные или спрессованные порошки металлов и др.);г) с зернистыми слоями из кокса, гравня, кварцевого песка и др.

Выбор пористой перегородки обусловлен рядом факторов, из которых основными являются: химические свойства фильтруемого газа, его температура, гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки и размеры взвешенных в газе частиц.

Современные фильтры в зависимости от назначения и величин входной и выходной концентраций улавливаемой дисперсной фазы условно делят на три класса.

Фильтры тонкой очистки (предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (обычно выше 99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации дисперсной фазы (менее 1 мг/м3) и малой скорости фильтрования (менее 0,1 м/с). Фильтры для очистки атмосферного воздуха (воздушные фильтры) используются в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Промышленные фильтры применяются для очистки промышленных газов в основном с высокой концентрацией дисперсной фазы

4. Мокрая очистка газов

Для тонкой очистки газов от пыли применяют мокрую очистку — промывку газов водой или другой жидкостью. Тесное взаимодействие между жидкостью и запыленным газом осуществляется в мокрых пылеуловителях либо на поверхности жидкой пленки, стекающей по вертикальной или наклонной плоскости (пленочные или насадочные скрубберы), либо на поверхности капель (полые скрубберы, скрубберы Вентури) или пузырьков газа (барботажные пылеуловители).

Достоинства мокрых пылеуловителей, по сравнению с аппаратами сухого типа:

— более высокая эффективность улавливания взвешенных частиц;

— возможность использования для очистки газов от частиц размером крупнее 0,1 мкм;

— допустимость очистки газов при высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгораний и взрывов очищенных газов и уловленной пыли;

— возможность наряду с пылями одновременно улавливать парообразные и газообразные компоненты.

Однако метод мокрого обеспыливания имеет и ряд недостатков:

— выделение уловленной пыли в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод, т. е. с удорожанием процесса;

— возможность уноса капель жидкости и осаждения их с пылью в газоходах и димососах;

— в случае очистки агрессивных газов необходимость защищать аппаратуру и коммуникации антикоррозионными материалами Общепринятой классификации мокрых пылеуловителей до настоящего времени не существует. Обычно они подразделяются на группы в зависимости от характера (вида) поверхности контакта фаз (капельные, пленочные, барботажные) или способу действия:

— полые газопромыватели (оросительные промывные камеры; полые форсуночные скрубберы);

— насадочные скрубберы;

— тарельчатые газопромыватели (барботажные и пенные аппараты);

— газопромыватели с подвижной насадкой;

— мокрые аппараты ударно-инерционного действия;

— мокрые аппараты центробежного действия;

— механические газопромыватели (механические скрубберы, динамические скрубберы);

— скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури, эжекторные скрубберы).

4.1 Полые газопромыватели

В полых газопромывателях запыленные газы пропускают через завесу распыляемой жидкости. При этом частицы пыли захватываются каплями промывной жидкости и осаждаются в аппарате, а очищенные газы удаляются из него.

В противоточном скруббере (рис. 6) капли из форсунок падают навстречу запыленному потоку газов. Капли должны быть достаточно крупными, чтобы не быть унесенными газовым потоком, скорость которого обычно составляет vг = 0,61,2 м/с. Поэтому в газопромывателях обычно устанавливают форсунки грубого распыления, работающие при давлении 0,3−0,4 МПа. При скоростях газов более 5 м/с после газопромывателя необходима установка каплеуловителя.

Высота аппарата обычно в 2,5 раза превышает его диаметр (Н = 2,5D). Форсунки устанавливают в аппарате в одном или нескольких сечениях: иногда рядами (до 14−16 в сечении), иногда только по оси аппарата.

Факел распыла форсунок может быть направлен вертикально сверху вниз или под некоторым углом к горизонтальной плоскости. При расположении форсунок в несколько ярусов возможна комбинированная установка распылителей: часть факелов направлена по ходу газов, другая часть — в противоположном направлении. Для лучшего распределения газов по сечению аппарата в нижней части скруббера устанавливают газораспределительную решетку.

Полые форсуночные скрубберы широко используют для улавливания крупной пыли, а также при охлаждении газов и кондиционирования воздуха. Удельный расход жидкости невелик — от 0,5 .

Степень улавливания частиц крупнее 10 мкм в полых форсуночных скрубберах составляет 99%, но для частиц меньшего размера она резко снижается. Полые форсуночные скрубберы малоэффективны при улавливании частиц размером менее 5 мкм.

4.2 Насадочные газопромыватели

Насадочные газопромыватели представляют собой колонные аппараты с неподвижной насадкой в виде колец, шаров, седел или тел другой формы. В пылеулавливании нашли в основном применение противоточные насадочные скрубберы.

Насадка предназначена для увеличения поверхности контакта фаз. Жидкость течет пленкой по насадке, газ проходит противотоком. Такие газопромыватели используют для улавливания хорошо смачиваемой пыли, но при невысокой ее концентрации, поскольку в противном случае происходит частое забивание насадки.

Кроме противоточных колонн, на практике применяют насадочные скрубберы с поперечным орошением. В таких скрубберах для обеспечения лучшего смачивания поверхности насадки слой ее обычно наклонен на 7−10° в направлении газового потока.

4.3 Тарельчатые газопромыватели (барботажные, пенные)

В основе работы тарельчатых газопромывателей лежит взаимодействие газов с жидкостью на тарелках различной конструкции, причем характер взаимодействия в значительной степени определяется скоростью газового потока. При малых скоростях (приблизительно до 1 м/с) газы проникают через слой жидкости в виде пузырей — происходит барботаж. Эффективность пылеулавливания в этом случае достаточна велика лишь для частиц крупнее 5 мкм. Вследствие этого, а также вследствие невысокой производительности по газу барботажные пылеуловители в настоящее время

в промышленности практически не применяются.

С ростом скорости газов взаимодействие газового и жидкостного потоков протекает более інтенсивно и сопровождается образованием высокотурбулизованной пены, в которой происходит непрерывное разрушение, слияние и образование новых пузырьков. Поэтому газопромыватели данного типа часто называют пенными аппаратами. С изменением характера контакта газов и жидкости чисто барботажный механизм улавливания частиц пыли переходит в более интенсивный турбулентно-инерционный механизм, благодаря которому возможно эффективное улавливание частиц пыли размерами более 2 мкм.

Существует целый ряд конструкций тарельчатых (пенных) газопромывателей, но наиболее распространены пенные аппараты с провальными тарелками и пенные аппараты с переливными тарелками.

В аппарате с провальными тарелками применяются два вида тарелок: дырчатые и щелевые. Иногда щелевые тарелки изготавливаются сварными из трубок или пластин. Оптимальная с точки зрения гидравлического сопротивления тарелка должна иметь толщину 4−6 мм. Обычно диаметр отверстий пенного пылеуловителя d0 составляет 4−8 мм; ширина щели b = 45 мм, а доля свободного сечения s0 колеблется в пределах 0,2−0,25 м2/м2.

Гидравлическое сопротивление зоны контакта, т. е. тарелки со слоем пены, определяется выражением.

(3)

где Ат — параметр, зависящий от формы отверстий тарелки и режима взаимодействия газов и жидкости на тарелке (пенный или волновой); рs — гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости.

Значения параметра Ат для различных типов тарелок и режимов их работы определяются по формулам, приведенным в[5]. По данным того же источника, величина Dрs:

— для щелевых тарелок

(4)

где s — коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

— для дырчатых

(5)

Удельное орошение в пенных аппаратах обычно принимают равным 0,4−0,5 л/м3. В этом случае переход от пенного режима к волновому наблюдается при vг. кр = 2,02,3 м/с. Оптимальным для улавливания пыли считается пенный режим взаимодействия газов и жидкости на тарелке.

Диаметр мокрого пылеуловителя с провальными тарелками по конструктивным соображениям, связанным с распределением газов, не должен превышать 2,5 м. В случае большого количества очищаемых газов необходимо устанавливать несколько параллельных аппаратов.

Высота слоя пены на тарелке Нп может быть определена по формуле

(6)

где h0 — высота исходного слоя жидкости на тарелке, м;

(7)

где С0 — коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки; С0 = 1,61,7 для обычно применяемых в пенных аппаратах тарелок.

В пенных пылеуловителях с переливными тарелками обычно устанавливают только дырчатые тарелки с диаметром отверстий 3−8 мм и со свободным сечением 0,15−0,25 м2/м2.

Скорость газов в свободном сечении находится в интервале 1−3 м/с. Максимальный размер поперечного сечения аппарата определяется возможностью равномерного распределения газов перед тарелкой и обычно составляет 5−8 м2. Расход жидкости на орошение аппарата составляет 0,2−0,3 л/м3. Высота пены при указанных параметрах потоков газа и жидкости обычно равна 80−100 мм. Гидравлическое сопротивление тарелки со слоем пены составляет р = 3 001 000 Па.

В пенных аппаратах можно выделить следующие стадии процесса улавливания пыли:

— инерционное осаждение частиц пыли в подрешеточном пространстве;

— улавливание частиц при входе газового потока в слой пены на тарелке («механизм удара»);

— инерционно-турбулентное осаждение частиц на поверхности раздела фаз газ-жидкость в пене.

Эффективность первой стадии значительна лишь при улавливании крупных частиц пыли (более 10 мкм). Результативность «механизма удара» при входе газового потока в жидкость на тарелке гораздо выше. Доказано, что этот механизм является преобладающим при работе пенных пылеуловителей. Эффективность третьей стадии тем выше, чем больше высота слоя пены на тарелке Hп и чем больше величина удельной поверхности контакта фаз газ-жидкость.

Аналогичные механизмы улавливания пыли наблюдаются и в пенных газопромывателях с подвижным слоем насадки. Шаровая насадка в таких аппаратах способствует некоторой интенсификации третьей стадии — осаждения частиц пыли в слое пены. 1]

4.4 Газопромыватели с подвижной насадкой

Аппараты с подвижным слоем насадки появились относительно недавно, но уже получили достаточно широкое распространение в пылеулавливании. В качестве насадки в таких аппаратах чаще всего используются полые и сплошные шары из полимерных материалов, стекла или пористой резины. Насадкой могут служить и другие тела, например кольца, седла и т. п. Для обеспечения свободного перемещения насадки в газожидкостной смеси плотность шаров не должна превышать плотность жидкости .

Аппараты с подвижной насадкой работают при скоростях газа 5−6 м/с, т. е. в 2−3 раза превышающих скорость газов в пенных аппаратах. Более высокая скорость газов и турбулизирующее действие псевдоожиженных шаров приводит к значительному увеличению высоты слоя.

Кроме того, шаровая насадка, циркулирующая в рабочем объеме аппарата, вследствие непрерывного изменения расстояния между шарами и их соударений, способствует интенсификации осаждения частиц пыли в слое пены. В итоге аппараты с подвижной насадкой имеют более высокую эффективность по сравнению с пенными пылеуловителями.

Конические скрубберы с подвижной насадкой обеспечивают стабильность работы в широком диапазоне скоростей газов. Их преимущества по сравнению с цилиндрическими — улучшение распределения жидкости и уменьшение брызгоуноса.

Существуют два конструктивных варианта конических скрубберов с подвижной насадкой: форсуночный и эжекционный.

В таких аппаратах рекомендуется применять полиэтиленовые шары диаметром 30−40 мм с насыпной плотностью 110−120 кг/м3. Статическая высота слоя шаров составляет обычно 650 мм. Скорость газов на входе в слой колеблется в пределах от 6 до 10 м/с и уменьшается на выходе из него до 1−2 м/с. Высота конической части в обоих вариантах принята равной 1 м. Внутренний угол раскрытия конической части (10−60°) зависит от производительности аппарата. Для улавливания брызг в цилиндрической части аппаратов размещается неорошаемый слой шаров высотой около 150 мм.

В форсуночный скруббер орошающая жидкость подается в количестве 4−6 л/м3 газов. При эжекционном варианте орошение шаров осуществляется жидкостью, которая всасывается из емкости постоянного уровня газами, подлежащими очистке. Величина зазора между нижним основанием конуса и уровнем жидкости зависит от производительности аппарата.

Гидродинамическое сопротивление форсуночного аппарата составляет 900−1400 Па, а эжекционного — 800−1400 Па.

В настоящее время в промышленности применяются конические скрубберы с подвижной насадкой производительностью по газам от 3000 до 40 000 м3/ч.

4.5 Газопромыватели ударно-инерционного действия

В этих аппаратах контакт газов с жидкостью осуществляется за счет удара газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием образовавшейся газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации или с непосредственным отводом газожидкостной взвеси в сепаратор жидкой фазы. В результате такого взаимодействия образуются капли диаметром 300−400 мкм.

Особенностью аппаратов ударного действия является полное отсутствие средств перемещения жидкости, и поэтому вся энергия, необходимая для создания поверхности контакта, подводится с газовым потоком.

В связи с этим газопромыватели ударного действия иногда называют аппаратами с внутренней циркуляцией жидкости.

Самыми распространенными аппаратами этой группы являются газопромыватель с центральной трубой, скруббер Дойля и ротоклон.

Наиболее простым по конструкции является газопромыватель с центральной трубой, представляющий собой вертикальный аппарат, в нижней части которого находится слой жидкости.

Запыленный газ входит по центральной трубе, с большой скоростью ударяется о поверхность жидкости и, поворачивая на 180°, удаляется из аппарата. Частицы пыли при ударе проникают в жидкость и в виде шлама периодически или непрерывно отводятся из аппарата.

Подобную конструкцию имеет и скруббер Дойля. На выходе из центральной трубы установлен конус с вершиной навстречу потоку газа. С помощью конуса скорость потока газа в щели на выходе из трубы достигает 35−55 м/с. Газ ударяется о поверхность жидкости, создавая завесу из капель. Гидравлическое сопротивление газопромывателя составляет от 500 до 4000 Па, а удельный расход жидкости — до 0,13 л/м3.

Газопромыватель этой же группы — ротоклон — имеет щелевые каналы, частично погруженные в жидкость, через которые проходит запыленный газ, оттесняя жидкость к нижней стенке. В виде водяных струй жидкость удаляется из щели. Скорость потока газа в щели — до 15 м/с. При интенсивном контакте газа с жидкостью частицы пыли проникают в жидкость и выводятся из аппарата. Очищенный газ выходит сверху.

Важное значение для нормальной эксплуатации газопромывателей этого класса имеет поддержание постоянного уровня жидкости в аппарате. Даже незначительное изменение уровня жидкости может привести к резкому снижению эффективности или значительному увеличению гидравлического сопротивления.

Отсутствие мелких отверстий (форсунок) для раздачи жидкости и механических вращающихся частей позволяет работать при значительной запыленности газов. Удаление шлама из отстойника осуществляется периодически или непрерывно (иногда с помощью скребкового транспортера).

Подпитка водой производится только для компенсации ее потерь за счет испарения и отвода со шламом. Поэтому ротоклоны целесообразно устанавливать для очистки холодных или предварительно охлажденных газов.

4.6 Газопромыватели центробежного действия

Принцип использования центробежной силы для улавливания частиц пыли, широко используемый в циклонах, нашел применение и в целом ряде мокрых аппаратов.

Наиболее простым аппаратом этого типа является циклон с водяной пленкой (ЦВП), аналогичный сухому циклону. В верхней части циклона ЦВП дополнительно тангенциально расположен ряд трубок, по которым поступает вода, стекающая пленкой по внутренней поверхности аппарата. Орошение внутренних стенок циклона препятствует вторичному уносу осевших на них частиц пыли. Аппарат выпускают с диаметром 300−1000 мм. Расход воды составляет 0,14−0,43 л/с. Максимальная допускаемая концентрация пыли на входе в циклон — 2 г/м3.

Помимо циклонов с мокрой пленкой известны и другие конструкции мокрых центробежных пылеуловителей, которые обычно называют полыми центробежными скрубберами. Эффективность пылеулавливания у этих аппаратов выше, чем у обычных скрубберов, за счет увеличения относительной скорости капель и газа, которое достигается при использовании центробежных сил вращающегося газового потока. Осаждение частиц в центробежном скруббере происходит за счет суммарного действия двух механизмов: центробежного, перемещающего частицы к стенкам аппарата, и инерционного, способствующего осаждению частиц на каплях орошающей жидкости.

Применяемые на практике центробежные скрубберы конструктивно можно разделить на два вида: аппараты с тангенциальным подводом газов и аппараты, в которых вращение газового потока осуществляется с помощью специальных лопастных закручивающих устройств, например центральных розеток и т. п.

Центробежные скрубберы орошают через форсунки, установленные в центральной части аппарата. Над форсунками в центробежных скрубберах находится свободная от подачи орошения зона, которая дает возможность каплям достигнуть стенок аппарата, прежде чем из него выйдет газовый поток. Жидкость, стекая по стенке аппарата, образует пленку. Таким образом центробежные силы позволяют повысить эффективность пылеулавливания и резко уменьшить унос жидкости из аппарата.

Одним из самых эффективных мокрых пылеуловителей центробежного действия является циклонно-пенный аппарат (ЦПА). В нижней части цилиндро-конического циклонно-пенного аппарата находится слой жидкости. Газовый поток подается тангенциально через отверстия по периметру цилиндрической части аппарата непосредственно в слой жидкости. В результате взаимодействия газов с жидкостью образуется слой динамической пены, совершающий вращательное движение.

Такие газопромыватели часто называют безрешеточными пенными пылеуловителями.

Оптимальный гидродинамический режим в ЦПА соответствует скорости газов в свободном сечении аппарата wг = 5 м/с и высоте слоя пены Нп = 0,3 м; потери давления Dр 1100 Па. В ЦПА практически полностью улавливаются частицы крупнее 10 мкм и достаточно хорошо — частицы крупнее 4−5 мкм.

Циклонно-пенные аппараты, подобно газопромывателям ударно-инерционного действия, относятся к аппаратам с внутренней циркуляцией жидкости (дополнительный подвод жидкости необходим только для компенсации ее потерь на испарение и со шламом).

К недостаткам ЦПА следует отнести наличие достаточно сложных устройств для подвода газа, обеспечивающих образование пенного слоя, и низкую эффективность при улавливании частиц пыли мельче 4−5 мкм.

4.7 Механические газопромыватели Характерной особенностью механических газопромывателей является наличие вращающегося устройства (ротора, диска и т. п.), которое обеспечивает разбрызгивание и перемешивание жидкости или вращение газового потока.

В зависимости от способа подвода механической энергии аппараты этого типа подразделяются на две группы:

— механические скрубберы — газопромыватели, в которых очищаемые газы приводятся в соприкосновение с жидкостью, разбрызгиваемой с помощью вращающегося тела (вала с лопастями, диска, перфорированного барабана и т. п.);

— динамические газопромыватели (ДГ) — аппараты, в которых подводимая механическим устройством энергия используется для вращения газового потока.

ДГ отличаются от сухих ротационных пылеуловителей только подводом на входе в аппарат орошающей жидкости, которая способствует росту их эффективности.

Недостаток — значительный дополнительный расход энергии на вращение разбрызгивающих устройств. Не вся энергия вращения является полезной: большая часть ее теряется в приводных устройствах и расходуется на трение движущихся частей.

4.8 Скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури Скоростные газопромыватели — это эффективные высоконапорные мокрые пылеуловители капельного действия. Их применяют главным образом для очистки газов от микронной и субмикронной пыли. Принцип действия этих аппаратов основан на интенсивном дроблении орошающей жидкости запыленным газовым потоком, движущимся с большой скоростью (от 60 до 150 м/с). Осаждению частиц пыли на каплях орошающей жидкости способствуют турбулентность газового потока и высокие относительные скорости улавливаемых частиц пыли и капель.

К скоростным газопромывателям относятся:

— скрубберы Вентури;

— диафрагменные (дроссельные) скрубберы;

— скрубберы с подвижным дисковым шибером.

Конструкции их геометрически различны, но все они имеют трубы распылители, где загрязненный поток газа движется со скоростью до 150 м/с, распыляя при этом поток жидкости. Труба-распылитель обязательно имеет сужение, куда подают жидкость и где она наиболее интенсивно распыляется и взаимодействует с потоком газа.

При улавливании частиц порядка 1 мкм решающее значение имеют инерционные силы. При осаждении частиц размером менее 0,1 мкм существенное значение приобретают силы диффузионные. Все скоростные газопромыватели характеризуются высокой степенью очистки, большими гидравлическими потерями и необходимостью установки каплеуловителя.

Самым распространенным аппаратом этого класса является скруббер Вентури — наиболее эффективный из применяемых в промышленности мокрых пылеуловителей. В связи с непрерывно возрастающими требованиями к глубине очистки пылегазовых выбросов промышленных предприятий скрубберы Вентури постепенно становятся доминирующим видом мокрых пылеуловителей.

Основная часть скруббера Вентури в целях снижения вредных гидравлических потерь выполняется в виде трубы Вентури, имеющей плавное сужение на входе газов 1 (конфузор) и плавное расширение 3 на выходе (диффузор). Узкая часть трубы Вентури 2 получила название горловины.

5. Электрическая очистка газов

В электрофильтрах происходит ионизация молекул газового потока, проходящего между двумя электродами, к которым подведен постоянный электрический ток. Основные элементы электрофильтра-коронирующие и осадительные электроды. Отрицательное напряжение обычно подводят к коронирующему электроду, а положительное к осадительному. Поэтому к осадительным электродам под действием разности потенциалов движутся только отрицательные ионы и свободные электроны. Последние на своем пути сталкиваются со взвешенными в газовом потоке мелкими твердыми или жидкими частицами, передают им отрицательные заряды и увлекают к осадительным электродам. Подойдя к осадительному электроду, частицы пыли или тумана оседают на нем, разряжаются и при встряхивании отрываются от электрода под действием собственной силы тяжести. Для предотвращения искрового разряда между электродами (короткого замыкания) в электрофильтрах создают неоднородное электрическое поле, напряжение которого уменьшается по мере удаления от коронирующего электрода. Неоднородность поля достигается установкой электродов определенной формы. В зависимости от формы осадительного электрода различают электрофильтры трубчатые и пластинчатые. Трубчатые электрофильтры представляют собой камеры, в которых установлены осадительные электроды в виде круглых или шестигранных труб. Коронирующими электродами служат отрезки проволоки, натянутые по оси труб. Сверху электроды прикреплены к раме, подвешенной на изоляторах, снизу связаны общей рамой для предотвращения колебаний. Равномерное распределение газа по трубам обеспечивается установкой газораспределительной решетки.

В пластинчатых электрофильтрах осадительными электродами служат параллельные гладкие металлические листы или натянутые на рамы сетки; между ними подвешены коронирующие электроды, выполненные из отрезков проволоки. Преимущества трубчатых электрофильтров по сравнению с пластинчатыми — создание более эффективного электрического поля и лучшее распределение газа по элементам. Последнее позволяет улучшить очистку или увеличить скорость прохождения газа и производительность аппарата.

К недостаткам трубчатых электрофильтров следует отнести: сложность монтажа, трудность встряхивания корояирующих электродов без нарушения строгого центрирования, а также большой расход энергии на единицу длины электрических проводов.

Преимущества пластинчатых электрофильтров — простота монтажа и удобство встряхивания электродов. Для очистки сухих газов применяют преимущественно пластинчатые электрофильтры, а для очистки трудно улавливаемой пыли, капель жидкости из туманов и для обеспечения наиболее высокой степени очистки используют трубчатые электрофильтры.

Установка для электрической очистки газов включает обычно электрофильтр и преобразовательную подстанцию с соответствующей аппаратурой.

6. Технологический расчет пенного газопромывател

Определить основные размеры пенного газопромывателя для очистки от пыли 50 000/ч газа приС. Запыленность газа на входе в аппарат

= 0,01 кг/ (при нормальных условиях), степень очистки 0,99.

1. Объемный расход газа, V= 50 000ч

2. Температура, = С

3. Запыленность газа на входе аппарата, = 0,01кг/

4. Степень очистки,= 0,99.

Решение. Поскольку скорость газа в полном сечении аппарата является основным фактором, от которого зависит хорошее пенообразование и, следовательно, эффективность очистки, важно правильно выбрать расчетную скорость. Верхним пределом допустимой скорости газа является такая его скорость, при которой резко усиливается унос воды в виде брызг. По экспериментальным данным в газопромывателях, имеющих слой пены высотой 30−100 мм, струйный прорыв газа, вызывающий разрушение пены и сильный брызгоунос, начинается при скоростях газа в полном сечении аппарата (под решеткой) от 2,7 до 3,5 м/с.

Чем выше слой пены на решетке и чем больше свободное сечение решетки, тем большая скорость газа возможна без брызгоуноса. Уменьшение диаметра отверстий (при сохранении постоянного свободного сечения решетки) также способствует уменьшению брызгоуноса. Обычнр верхним пределом является скорость газа под решеткой ~ 3 м/с.

Нижним пределом скорости газа для пенного аппарата является такая скорость, при которой сильно уменьшается пенообразование.

Для пенных газопромывателей с большим свободным сечением решетки и большим диаметром отверстий нижним пределом является такая скорость газа, при которой большая часть жидкости протекает через отверстия, в результате чего высота пены становится ничтожно малой. Для обычных условий нижним пределом расчетной скорости можно считать 1 м/с.

Примем среднюю скорость газа w = 2 м/с.

Определяем площадь поперечного сечения аппарата:

f (1)

Газоромыватель может быть круглого или прямоугльного сечения. В коуглом аппарате обеспечивается более равномерный поток газа, в прямоугольном — лучшее распределение жидкости.

Примем аппарат прямоугольного сечения размером 3×2 м с подачей воды посередине. Для лучшего распределения газа по площади аппарата ввод газа осуществляется через диффузор.

Расчет количества подаваемой воды проводится различно, в зависимости от температуры поступающего газа. Для холодного газа наибольшее влияние на расход оказывают гидродинамические факторы, для горячего газа расход воды определяется тепловым балансом. При очистке от пыли газов, имеющих температуру ниже С, расчет количества подаваемой воды проводят, исходя из гидродинамики процесса и материального баланса газоочистки. В обычных условиях для сохранения достаточной равномерности пенообразования по всей решетке необходимо, чтобы через отверстия протекало не больше 50% подаваемой воды, так как слишком сильная утечка создает неравномерность высоты слоя воды на решетке.

Расход воды в газопромывателе складывается из расхода воды, идущей в утечку, и расхода воды, идущей на слив с решетки.

Испарением воды при заданной температуре газа можно пренебречь.

Количества воды, протекающей через отверстия решетки, определяется массой уловленной пыли и заданным составом суспензии, а затем подбирается решетка с таким свободным сечением, диаметром отверстий и прочими данными, чтобы обеспечивать установленную утечку.

При заданной степени очистки? концентрация пыли в газе после газопромывателя определяется по формуле.

= (1-) = 0,01 (1 — 0,99) = 0,0001кг/ (2)

Количество улавливаемой пыли:

= (-) = 50 000 (0,01 — 0,0001) = 383кг/ч (3)

Если известна концентрация суспензии с = Т: Ж (в кг/кг), то утечка, т. е. объем воды, необходимый для образования суспензии (в /ч), определяется по уравнению

= (4)

Концентрация пыли отнесена к объёму газа перед аппарптом приведенному к нормальным. Она незначительно отличается от запыленности газа (в кг/м3) после аппарата, так как количество газа после аппарата увеличивается на 1−2% за счет испарения воды в газопромыватели .

Концентрация суспензии, как правило, находится в пределах отношения Т: Ж = (1: 5): (1: 10). Получение суспензии с Т: Ж >1: 5 может вызвать забивание отверстий решетки (особенно мелких). Получение суспензии с Т: Ж<1: 10 нерационально ввиду ее слишком больших объемов.

с = 1: 8= 0,125кг/кг и К = 0,7

Тогда

Lу==2,14/ч

На всю решетку или

2,14/3,6 = 0,36/ (/ч) на 1 решетки.

Вследствие трудности определения параметров решетки по заданной утечке, а также учитывая частичное испарение воды после ее протекания через решетку, возьмем коэффициент запаса ~1,5, т. е. примем

Lу = 1,5 * 2,14 3,3 /ч, или 0,55/ (/ч)

Количество сливной воды определяется по формуле:

Lу = ib (5)

где i — интенсивность потока на сливе с решетки, м3/м*ч; b —ширина решетки перед сливом, равная длине сливного порога, м.

Принимая i = 1 м3/(м*ч), находим для выбранного типа аппарата (слив на обе стороны):

Lу = 1*2* 2 =4/ч

Общий расход воды:

L = 3,3 + 4 = 7,3 /ч (6)

Удельный расход воды:

= / газа (7)

Утечка составляет от общего расхода воды L

= % (8)

что приемлемо (должно быть 2).

Основные характеристики решетки (диаметр и шаг отверстий) подбирают, исходя из необходимой утечки.

Установлено, что утечка воды возрастает с увеличением диаметра отверстий d0 и высоты исходного слоя * жидкости на решетке h0 .

Утечка сильно возрастает при уменьшении скорости газа в отверстиях ниже 4—6 м/с (в зависимости от d0 и h0) и резко снижается при увеличении скорости газа выше 13—15 м/с, что может вызвать забивание решетки пылью, Кроме того, повышение скорости газа в отверстиях при небольшом слое воды (пены) на решетке, характерном для газопромывателей, приводит к струйному прорыву газа и сильному брызгообразованию.

Для обеспечения нормальной работы газопромывателя скорость газа wQ в крупных отверстиях решеток следует выбирать в пределах 8—13 м/с, а для решеток с более мелкими отверстиями в пределах 7—10 м/с, в зависимости от исходной запыленности газа, возможных колебаний газовой нагрузки и других условий.

Учитывая значительную концентрацию пыли в газе (10 г/м3 при нормальных условиях) и относительно большую легкость изготовления решеток с крупными отверстиями (меньше отверстий и легче сверловка их), устанавливаем решетку с крупными отверстиями, для которых рекомендуются расчетные скорости газа 8 — 13 м/с.

Исходным слоем называется высота слоя не вспенной жидкости, идущей на образование слоя пены данной высоты.

Считая, что колебания в нагрузке аппарата по газу будут происходить, в основном, в сторону снижения (обычные условия), выбираем скорость газа = 12м/с

Отношение площади свободного сечения решетки к площади сечения аппарата f составит

(9)

z = 0,95 — коэффицент, учитывающий, что 5% площади свободного сечения занимают опоры решетки, переливные стенки и т. д. При разбивке отверстий решетки по шестиугольнику с шагом t заштрихованная площадь равняется

S = tx = t 2 t2 (10)

На эту площадь приходится два отверстия диаметром. Площадь отверстий

(11)

Отношение / S должно составлять 0,2:

(12)

Откуда

t (13)

При диаметре отверстий = 5 мм t 10, 7 11 мм (14)

Высота порога на сливе с решетки устанавливается из расчета создания слоя пены перед сливом высотой 60—100 мм (в зависимости от заданной степени очистки).

Подсчитаем, какова должна быть высота слоя пены на решетке, чтобы обеспечить заданную степень очистки= 0,99.

Коэффициент скорости пылеулавливания

(15)

Связь между коэффициентом и высотой слоя пены Н при улавливании гидрофильной пыли со средним размером частиц 15 — 20 мкм выражается эмпирической формулой:

Н = - 1,95w + 0,09 = 4,5 — 1,95 *2,3 + 0,09 = 0,1 м (16) С другой стороны, для пылеуловлителей

(17)

где — высота исходного слоя воды на решетке, м.

(18)

Высота исходного слоя жидкости связана с интенсивностью потока на сливе i и с высотой порога п эмпирической зависимостью:

= + hп (19)

где — коэффициент, характеризующий водослив; для производственных расчетов с достаточной точностью можно принять ф = 3; — степень подпора жидкости порогом, которая может значительно изменяться в зависимости от условий пенообразования; для рабочих условий газопромывателей 0,4.

Таким образом, высоту порога (в мм) можно рассчитать по формуле

(20)

В нашем случае: w = 2,3 м/с, i= 1/ (мч)

Тогда высота порога:

= 2,5 13 — 7,5= 25 мм

Для обеспечения работы аппарата при колебаниях его режима примем высоту порога 30 мм.

Общая высота газопромывателя складывается из высот отдельных частей его: надрешеточной, подрешеточной и бункера. Эти высоты определяются конструктивно: — в зависимости от брызгообразования и размеров брызгоуловителя, — в зависимости от конструкции подвода газа, — в зависимости от свойств суспензии.

6.1 Расчет гидравлического сопротивления корпуса аппарата

Расчет гидравлического сопротивления пенных аппаратов со стабилизатором слоя может быть проведен, но зависимости:

?Р=?Рр + ?Р0+?Р ?+?Ра (21)

где ?Рр, ?Рп ,?Р? ,?Ра — потери напора соответственно сухой решетки, слоя пены, за счет сил поверхностного натяжения, корпуса аппарата.

Величина ?Рр (в Па) может быть найдена, но формуле

?Рр 1,82 (vг0) 2рг/2

где v гскорость газа в отверстиях решетки, м/с.

Потеря напора (в Па) за счет слоя пены на решетке:

?P =0,447 H п рж g/(v° г) 0,5 (22)

где H п — высота слоя пены, м; рж — плотность жидкости, кг.'м; v° г — скорость газа в отверстиях решетки, м/с.

В уравнении (22) высота слоя пены (мм) может быть найдена по зависимости:

H п =4,8 vг0,79 т 0,2/(d0 0,14 S01,9) (23)

где т — плотность орошения, л/м3 газа; d0 — диаметр отверстий решетки,

мм; S0 — относительная площадь свободного сечения решетки, м2/м2.

Потерю напора (в Па) под действием сил поверхностного натяжения рассчитывают по формуле:

?Pc=4/d 0 (24)

где — коэффициент поверхностного натяжения, н/м.

Гидравлическое сопротивление корпуса аппарата рассчитывают по зависимости:

?Ра =?а vг2 р z./2 (25)

где = ?а 25…28 — коэффициент гидравлического сопротивления корпуса аппарата.

Степень фракционной очистки (в %) может быть рассчитана по зависимости:

?ф =1001−87,1(1,37-dТ0,1)/Hп 0/9 ?z0,25) (26)

где dТ — средний эквивалентный размер частиц фракции, мкм;

Hп — высота слоя пены, мм; и. — скорость газа в сечении аппарата, м с.

Заключение

В практике химических производств нередко приходится подвергать разделению неоднородные газовые системы (пыли и туманы). Газы можно очищать от взвешенных в них твердых или жидких частиц под действием сил тяжести, центробежных и электростатических сил, а также промывкой и фильтрацией газов. Промышленное осуществление каждого из этих способов связано с применением соответствующей аппаратуры: газовых отстойников, центробежных пылеосадителей, электрических фильтров, гидравлических пылеуловителей и газовых фильтров. Выбор аппарата для очистки газов определяется рядом факторов, главными из которых являются размеры улавливаемых частиц и заданная степень очистки газов. Исходя из этих параметров, можно ориентировочно выбирать газоочистительные устройства по данным, приведенным в таблице.

Таблица Приведенные данные дают представление лишь о порядке соответствующих величин, которые могут изменяться в широких пределах в зависимости от состояния, состава и свойств поступающего на очистку запыленного газа. Как видно из таблицы, пылеосадительные камеры и центробежные пылеосадители можно применять только для сравнительно грубой очистки газа. При этом следует отдавать предпочтение циклонам как более компактным аппаратам, обеспечивающим относительно высокую степень очистки. Более полная степень очистки газов может быть достигнута при использовании гидравлических пылеуловителей, газовых фильтров и электрофильтров.

Мокрая очистка газов в гидравлических пылеуловителях (скрубберах — насадочных, центробежных и струйных) и механических газопромывателях обеспечивает высокую степень очистки газов (98−99%). Однако этот способ ограниченно применяют в химической промышленности, так как мокрая очистка сопровождается охлаждением, увлажнением, а иногда и окислением газа; кроме того улавливаемые при мокрой очистке частицы не всегда можно использовать в производстве.

Получившие в последнее время некоторое распространение на химических заводах пенные аппараты обеспечивают высокую степень очистки газов от пыли, дыма, туманов (до 90%), но они также не лишены присущих гидравлическим пылеуловителям недостатков.

Электрофильтры — наиболее эффективные пылеочистительные устройства, но применение их экономически выгодно только при больших объемах очищаемого газа. Использование газовых фильтров возможно в тех случаях, когда температура очищаемого газа составляет 80−90° С.

1. Яблокова М. А. Процессы и аппараты химической технологии: Новый справочник химика и технолога. Часть 2 (12 разделов) Из-во С-П.: Химия, 2004.

2. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. — М.: Химия, 1981 — 812 с.

3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.М., «Химия», 1973. — 752 с.