Гидромеханические процессы очистки газовых выбросов и жидкостных сбросов

Многие технологические процессы инженерной экологии связаны с движением жидкостей, газов или паров, перемешиванием в жидких и неоднородных средах, а также с разделением неоднородных смесей путем осаждения (отстаивания), фильтрования и центрифугирования. Скорость всех указанные физических процессов определяется законами гидромеханики.

Процессы осаждения частиц в гетерогенных системах

Процессы осаждения частиц неоднородных смесей являются частью большой группы гидромеханических процессов разделения гетерогенных систем, состоящих из компонентов, находящихся в различных агрегатных состояниях. Неоднородная смесь жидкость - твердые частицы представляет собой суспензию, смесь взаимно нерастворимых жидкостей является эмульсией, смесь газ - твердые частицы образуют газовзвесь или аэрозоль.

Осаждение частиц неоднородных смесей и разделение на их компоненты осуществляется на основе разности плотностей этих компонентов (фаз).

Основные закономерности и механизмы осаждения аэрозолей

В основу действия пылеулавливающих и сепарационных устройств положен определенный физический механизм. В пылеуловителях и сепарационных устройствах находят применение следующие способы отделения взвешенных частиц от взвешивающей среды, т. е. воздуха (газа): осаждение в гравитационном поле, осаждение под действием сил инерции, осаждение в центробежном поле, фильтрование, осаждение в электрическом поле, мокрая газоочистка и др.

На рис. 3.1 приведены схемы физических механизмов выделения взвешенных частиц из газовых потоков. Часть этих схем характеризует основные механизмы пылевыделения, а часть - вспомогательные, лишь увеличивающие эффективность действия основных.

Схема физических механизмов выделения частиц пыли из газовых потоков

Рис. 3.1. Схема физических механизмов выделения частиц пыли из газовых потоков

(F - силы; R - радиус циклона):

а - под действием силы тяжести; б - под действием центробежной силы; в - столкновение частицы с телом осаждения (инерционный удар); г- прямое осаждение; д - диффузионное осаждение; е - электростатическое осаждение; ж - термофорез;

  • 1 - частицы пыли; 2 - направление газового потока; 3 - тело осаждения;
  • 4 - силы диффузии; 5 - коронирующий электрод отрицательной полярности;
  • 6 - осадительный электрод; 7 - земля; 8 - нагретое тело; 9 - холодная поверхность

Гравитационный механизм пылевыделения - наиболее простой и соответственно наименее эффективный механизм выделения частиц из потока. Он основан на естественном осаждении пыли из медленно движущегося газового потока. Частицы аэрозоля осаждаются из потока загрязненного газа (воздуха) под действием силы тяжести. При турбулентном режиме движения газового потока нельзя эффективно выделить тонкие фракции пыли даже при значительном времени пребывания частиц в зоне осаждения. Для нормальной работы гравитационных пылеуловителей необходимо создать соответствующий режим движения загрязненного газа в аппарате с учетом размера частиц, их плотности и т. д. Гравитационный механизм пылевыделения используется в основном для частиц диаметром более 500 мкм.

Инерционный механизм пылевыделения основан на выделении частиц из газового потока при обтекании им препятствия той или иной формы. Инерционное осаждение основано на том, что частицы аэрозоля и взвешивающая среда ввиду значительной разности плотностей обладают различной инерцией. Частицы аэрозоля, двигаясь по инерции, отделяются от газовой среды. Отклонение линий тока от прямолинейного направления при обтекании потоком препятствия начинается тем раньше, чем больше поперечный размер препятствия. Соответственно раньше начинается и отклонение взвешенных в потоке частиц от линий тока газа. При малых размерах препятствия отклонение направления движения частиц начинается ближе к препятствию, вследствие чего силы инерции окажутся соответственно больше. Поэтому, чем меньше поперечный размер препятствия, тем выше вероятность достижения частицей поверхности препятствия и выделения их из газового потока. Этот эффект используется в мокрых пылеуловителях с помощью мелких капель или тонких волокон в тканевых фильтрах.

Чаще всего инерционный механизм используется в основном для улавливания частиц грубых фракций пыли с элементами препятствий, создающих резкие повороты потока. С помощью инерционного механизма удается эффективно улавливать частицы размером в доли микрона в мокрых скоростных пылеуловителях и тканевых фильтрах, но использование инерционного механизма требует создания высокой скорости газового потока, что связано со значительными гидравлическими потерями.

Центробежный механизм пылевыделения использует криволинейное движение пылегазового потока. Благодаря быстрому вращению газовой среды достигаются большие радиальные скорости перемещения взвешенных в газе частиц и эффективное их выделение из газового потока. Центробежный способ пылеулавливания реализуется в циклонных аппаратах, где продолжительность пребывания в них частиц невелика. Увеличение времени пребывания частиц в циклоне можно достичь увеличением числа витков газового потока, но это связано с увеличением потерь напора очищаемого газа. Увеличение окружной скорости газа в циклоне выше 18...20 м/с не улучшает существенно их эффективность, что объясняется увеличением турбулизации потока и торможением частиц в результате действия сил Кориолиса.

В циклонных аппаратах небольшого диаметра (до 1 м) можно достаточно эффективно улавливать частицы пыли размером 10 мкм и более, а в циклонах большего размера хорошо улавливаются частицы диаметром более 70...80 мкм.

Электрический механизм пылевыделения основан на использовании взаимодействия между электрическим полем и заряженной частицей. Зарядка частиц достигается путем направления запыленного потока через поток одноименно заряженных ионов. Проходя электрическое поле, частицы аэрозоля получают заряд. Электрическое поле, необходимое для возникновения сил, выделяющих заряженные частицы из потока, образуется в результате создания разности потенциалов на разноименных электродах, установленных на пути движения заряженного потока частиц. Электрические силы, действующие на заряженные частицы, сравнительно невелики, и поэтому для достижения высокой эффективности необходимо длительное пребывание частиц в электрическом поле. Выполнение этого требования связано с большими размерами электрофильтров.

Вместе с тем преимуществом электрической очистки является возможность ее использования для рабочей температуры газов 400 °С и выше, а также небольшие потери напора газового потока. Минимальный размер улавливаемых электрическим способом частиц достигает доли микрона и с его помощью можно эффективно улавливать даже туманы кислот, присутствующих в промышленных газах.

В пылеулавливающих и сепарационных устройствах, наряду с основным механизмом улавливания, обычно используются и другие закономерности. Благодаря этому общая и фракционная эффективность аппарата достигает более высоких значений.

Диффузионный механизм пылевыделения заключается в том, что мелкие частицы пыли участвуют в броуновском движении окружающих их молекул, вследствие чего возникает непрерывное движение частиц к осадительной поверхности. Чем меньше по размеру взвешенные в газе частицы, тем в большей степени участвуют они в броуновском движении и тем интенсивнее движение частиц по направлению к осадительной поверхности. Описанный процесс относится к вспомогательным механизмам выделения частиц из потоков, но он играет заметную роль при улавливании мелкой пыли в волокнистых и тканевых фильтрах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >