Физико-химические процессы в технологии защиты окружающей среды

Физико-химические процессы можно рассматривать как разновидность массообменных (диффузионных) процессов, объединяющих в себе как физические, так и химические механизмы и закономерности. Эти процессы широко используются в технологии защиты окружающей среды для очистки газовых выбросов и очистки сбросов сточных вод.

Осаждение частиц аэрозолей в электрическом поле

Осаждение взвешенных в газе твердых и жидких частиц под действием электрического поля имеет преимущества по сравнению с другими способами осаждения. Действие электрического поля на заряженную частицу определяется величиной ее электрического заряда. При электроосаждении частицам небольших размеров удается сообщить значительный электрический заряд и, благодаря этому, осуществить процесс осаждения очень малых частиц, который невозможно провести под действием силы тяжести или центробежной силы.

Принцип электрической очистки воздуха (газов) от взвешенных частиц заключается в зарядке частиц с последующим их выделением из взвешивающей среды под воздействием электрического поля.

Физическая сущность электроосаждения состоит в том, что, во-первых, газовый поток, содержащий взвешенные частицы, предварительно ионизируют, при этом содержащиеся в газе частицы приобретают электрический заряд. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит под воздействием электрического поля и вследствие диффузии ионов. Максимальная величина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм - диаметру частиц.

Зарядка частиц в неоднородном электрическом поле происходит в поле коронного разряда, возникающего между двумя электродами разноименного заряда (рис. 6.1).

Образование неоднородного электрического поля

Рис. 6.1. Образование неоднородного электрического поля:

1 - осадительный электрод; 2 - коронирующий электрод

Часть межэлектродного пространства, прилегающая к коронирующему электроду, в которой происходит ударная ионизация, называется коронирующей областью. Остальная часть межэлектродного пространства, т. е. между коронирующим и осадительным электродами - называется внешней областью.

Вокруг коронирующего электрода наблюдается голубовато-фиолетовое свечение (корона). Коронный разряд сопровождается также тихим потрескиванием. При коронном разряде происходит выделение озона и оксидов азота.

При обычных условиях большая часть молекул газа нейтральна, т. е. не несет электрического заряда того или иного знака; вследствие действия различных физических факторов в газе всегда имеется некоторое количество носителей электрических зарядов. К таким факторам относится сильный нагрев, радиоактивное излучение, трение, бомбардировка газа быст- родвижущимися электронами или ионами и др.

Ионизация газа осуществляется двумя способами:

  • 1) самостоятельно, при достаточно высокой разности потенциалов на электродах;
  • 2) несамостоятельно - в результате воздействия излучения радиоактивных веществ, рентгеновских лучей.

Если в электрическом поле между электродами создать определенное напряжение, то носители зарядов, т. е. ионы и электроны, получают значительное ускорение, и при их столкновении с молекулами происходит ионизация последних (рис. 6.2).

Схема зарядки частиц пыли в электрофильтре

Рис. 6.2. Схема зарядки частиц пыли в электрофильтре

Ионизация заключается в том, что с орбиты нейтральной молекулы выбивается один или несколько внешних электронов. В результате происходит превращение нейтральной молекулы в положительный ион и свободные электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией.

В промышленности электроосаждение взвешенных частиц из газа проводится таким образом, что газовый поток направляется внутрь трубчатых (или между пластинчатыми) положительных электродов, которые заземляются (рис. 6.3). Внутри трубчатых электродов натягиваются тонкие проволочные или стержневые электроды, являющиеся катодами.

Основные системы электродов и распределение силовых линий

Рис. 6.3. Основные системы электродов и распределение силовых линий:

а - трубчатый электрофильтр; б - пластинчатый электрофильтр;

+U,—U - приложенные напряжения положительного и отрицательного знаков; g - радиус коронирующего электрода;

Rз - радиус трубчатого осадительного электрода; ft - расстояние между проводом и пластинчатым электродом; ^ - расстояние между проводами

Образовавшиеся в результате ударной ионизации ионы и свободные электроны под действием поля также получают ускорение и ионизируют новые молекулы. Таким образом, процесс носит лавинообразный характер. Однако по мере удаления от коронирующего электрода напряженность электрического поля уже недостаточна для поддержания высоких скоростей, и процесс ударной ионизации постепенно затухает.

Носители электрических зарядов, перемещаясь под действием электрического поля, а также в результате броуновского движения, сталкиваются с пылевыми частицами, взвешенными в газовом потоке, проходящем через электрофильтр, и передают им электрический заряд.

При ионизации образуются как положительны, так и отрицательные ионы: положительные ионы остаются вблизи «короны» у катода, а отрицательные направляются с большой скоростью к аноду, встречая и заряжая на своем пути взвешенные в газе частицы.

При прохождении ионизированного потока газа в электрическом поле между двумя электродами заряженные частицы под действием электрического поля перемещаются к противоположно заряженным электродам и оседают на них. Большая часть взвешенных частиц, проходящих в межэлектродном пространстве, получает заряд, противоположный знаку осадительных электродов, перемещается к этим электродам и осаждается на них. Некоторая часть пылевых частиц, находящихся в сфере действия короны, получает заряд, противоположный знаку коронирующего электрода, и осаждается на этом электроде.

Если создать на электродах разность потенциалов (4...6) кВ/см, и обеспечить плотность тока (0,05...0,5) мА/м длины катода, то запыленный газ при пропускании его между электродами почти полностью освобождается от взвешенных частиц.

Рассмотрим основные зависимости, характеризующие электрическую очистку газов (воздуха) от пылевых частиц.

Основной закон взаимодействия электрических зарядов - закон Кулона выражается формулой

где qx,q2 - величины взаимодействующих точечных зарядов; г - расстояние между ними; кх - коэффициент пропорциональности х ^ 0).

Под точечными зарядами понимают заряды, находящиеся на телах любой формы, причем размеры тел малы по сравнению с расстоянием, на котором сказывается их действие.

Коэффициент пропорциональности кх в уравнении (6.1) зависит от свойств среды. Этот коэффициент может быть представлен в виде отношения двух коэффициентов

где к - коэффициент; е - безразмерная величина, называемая относительной диэлектрической проницаемостью среды. Для вакуума 8 = 1.

Закон Кулона может быть выражен также в виде

В уравнениях (6.2) и (6.3) коэффициент к в системе СИ принимают к = ~?0; здесь г0 -

электрическая постоянная.

Подставим эту величину в формулу (6.3.)

где е0 =8,85-10-12 Кл2/(Н'м2).

Для характеристики электрического поля применяют физическую величину - напряженность поля Е. Напряженностью в какой-либо точке электрического поля называют силу, с которой это поле действует на одиночный положительный заряд, помещенный в эту точку.

Коронный разряд возникает при определенной напряженности поля. Эта величина называется критической напряженностью и для отрицательной полярности коронирующего электрода может быть определена по эмпирической формуле

где R - радиус коронирующего электрода, м; р - отношение плотности газа в рабочих условиях к плотности газа в стандартных условиях (t = 20°С; р = 1,013 • 105 Па):

Здесь В - барометрическое давление, Па; рг - величина разрежения или избыточного давления в аппарате, Па; t - температура газов, °С.

Формула (6.4) предназначена для воздуха, но с некоторым приближением может применяться и для дымовых газов.

Напряженность поля на расстоянии х от оси коронирующего электрода:

где U - напряжение, приложенное к электродам, В; R{,R2 - радиусы коронирующего и осадительного электродов, м.

Величина заряда q (Кл), приобретаемого электропроводящей частицей сферической формы под воздействием электрического поля, рассчитывают по формуле:

где ?0 - диэлектрическая проницаемость среды, в0 =8,85-10-12 Кл2/(Н'м2); d4 - диаметр частицы, м; Е - напряженность электрического поля коронного разряда, В/м.

Величина заряда, приобретаемого электронепроводящей частицей:

где гч - относительная диэлектрическая проницаемость материала частицы.

Предельный заряд (Кл) частиц диаметром более 1 мкм определяют по формуле

или

где п - число элементарных зарядов; е - величина элементарного заряда (электрона), равная 1,6 10'19 Кл; 8 - показатель диэлектрических свойств частицы, ; Е - напряженность электрического поля у частицы, В/м; г - радиус частицы, м.

Формула (6.5) непосредственно применима, если диэлектрическая проницаемость вещества пыли г равна 2,5. Для многих веществ значение 8 значительно отличается: для газов 8 = 1; для гипса 8 = 4; для окислов металлов 8 = 12... 18; для металлов е = оо .

Максимальная величина заряда (Кл) частиц размером (диаметром) менее 1 мкм определяется в основном тепловым (диффузионным) движением ионов и пропорциональна радиусу частиц:

или

Сила действия поля, Н, на частицу, обладающую предельным зарядом, равна:

- для частиц размером > 1 мкм

- для частиц размером < 1 мкм

Пыль с малой электрической проводимостью вызывает явление обратной «короны», которое сопровождается образованием положительно заряженных ионов, частично нейтрализующих отрицательный заряд частиц, вследствие чего они теряют способность перемещаться к осадительному электроду и осаждаться. На проводимость пыли оказывает влияние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное электрическое сопротивление пыли снижается. При высоких температурах газа понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухудшению улавливания пыли.

В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро: за время менее секунды заряд частиц приближается к своему предельному значению (табл. 6.1).

Таблица 6.1

_Соотношение заряда частиц от времени зарядки _

Время зарядки, с

КГ3

10"2

10"1

1,0

Заряд, в % от предельного

13,8

61,0

94,0

99,5

Скорость движения частиц в электрическом поле определяется совокупным действием аэродинамической силы движущегося газового потока, силы тяжести, давлением электрического ветра, взаимодействием электрического поля и заряда частицы. Согласно закону Ньютона давление газового потока на частицу

где С, - аэродинамический коэффициент; S - площадь поперечного сечения частицы, м2; р0 - плотность газа, кг/м3; wOTH - относительная скорость, равная разности скорости газового потока и скорости частицы, м/с.

Под действием аэродинамической силы частица движется в потоке газа со скоростью, близкой к скорости газового потока.

Сила тяжести для частиц пыли невелика, и ею можно пренебречь.

Электрический ветер обусловлен механическим воздействием движущихся ионов на молекулы газа и частицы пыли, и в целом способствует процессу осаждения частиц.

Основной силой, вызывающей движение частицы к осадительному электроду, является сила взаимодействия между электрическим полем и зарядом частицы (кулоновская сила). В соответствии с законом Кулона эта сила равна

где Еос - напряженность электрического поля в зоне осаждения.

При движении заряженной частицы к осадительному электроду действующая на нее сила электрического поля уравновешивается силой сопротивления, которую при ламинарном режиме движения в соответствии с законом Стокса можно принять равной:

где р0 - динамическая вязкость газа, Па с; v0 - скорость потока газа, м/с.

Приравнивая эти две силы, можно найти скорость движения частицы к осадительному электроду, т. е. скорость дрейфа. Для крупных частиц при Е = Е и 5 = 2 скорость дрейфа wa будет прямо пропорциональна их размеру и квадрату напряженности электрического поля:

Для мелких частиц с учетом поправки Кенингема-Милликена получим:

где Ск - поправка Кенингема-Милликена: Ск = 1 + АХ/г; здесь А - численный коэффициент,

равный 0,815... 1,63; X - длина среднего свободного пробега молекул газа, м; X = 1(Г7 м. Время осаждения может быть найдено из уравнения:

где 5 - расстояние от коронирующего электрода до поверхности осадительного электрода, м. Величина скорости дрейфа частицы wa изменяется с изменением величины х. Теоретическая степень очистки газа для трубчатого электрофильтра:

где L - длина активной зоны электрофильтра, м; v0 - скорость газа, м/с; R - радиус осадительного электрода, м.

Кривая изменения r = f(L) при прочих равных условиях асимптотически приближается к максимуму.

Для пластинчатого электрофильтра соответственно

где 5 - расстояние между коронирующими и осадительными электродами, м.

Для электрофильтров обоих типов степень очистки может быть представлена в обобщенном виде:

где / - удельная поверхность осаждения, т. е . поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м3/с очищаемого газа, м2.

Для трубчатого электрофильтра

для пластинчатого электрофильтра

Эффективность электрофильтра с увеличением показателя степени waf повышается, асимптотически приближаясь к 100%.

На рис. 6.4. представлены конструктивные схемы электрофильтров основных типов.

Трубчатый (а) и пластинчатый (б) электрофильтры [24]

Рис. 6.4. Трубчатый (а) и пластинчатый (б) электрофильтры [24]:

1 - коронирующие электроды; 2 - осадительные электроды; 3 - рама; 4 - устройство для встряхивания электродов; 5 - изоляторы

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >