Захват частиц пыли жидкостью

Мокрая очистка газов и область ее применения

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОКРОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ

Пылеуловители мокрого типа получили широкое распространение в технике. Отличительной их особенностью является захват улавливаемых частиц жидкостью, которая уносит их из аппаратов в виде шлама.

 

 

Мокрые аппараты имеют следующие достоинства: простоту конструкции и сравнительно невысокую стоимость; более высокую эффективность по сравнению с сухими механическими пылеуловителями инерционного типа; меньшие габариты по сравнению с тканевыми фильтрами и электрофильтрами; возможность использования при высокой температуре и повышенной влажности газов; работы на взрывоопасных газах; улавливания вместе с взвешенными твердыми частицами паров и газообразных компонентов.

Однако мокрым пылеуловителям свойствен и ряд недостатков:

- значительные затраты энергии при высоких степенях очистки;

- получение уловленного продукта в виде шлама, что часто затрудняет и удорожает его последующее использование;

- необходимость организации оборотного цикла водоснабжения (отстойники, перекачивающие насосные, охладители и т. п.), что значительно увеличивает стоимость системы газоочистки;

- образование отложений в оборудовании и газопроводах при охлаждении газов до температуры точки росы или капельном уносе влаги из пылеуловителя;

- коррозионный износ оборудования и газопроводов при очистке газов, содержащих агрессивные компоненты;

- вредное влияние капельной влаги, содержащейся в газах, на стенки дымовых труб;

- ухудшение условий рассеивания пыли и вредных газов, выбрасываемых через дымовые трубы в воздушный бассейн.

Несмотря на эти недостатки, мокрые аппараты широко применяют в металлургии, особенно в случаях, когда наряду с очисткой требуется охлаждение и увлажнение газа. Мокрые аппараты устанавливают также в случае отсутствия места для размещения электрофильтров или тканевых фильтров. Рентабельность мокрой очистки газов значительно повышается в случае возможности присоединения ее к существующему водному хозяйству.

 

Для улавливания пыли с использованием жидкости применяют два основных способа захвата частиц пыли: каплями жидкости и пленкой жидкости. Для осуществления первого способа запыленный поток промывают диспергированной жидкостью. Во время промывки частицы пыли захватываются каплями жидкости и выводятся из газового потока. В зависимости от режима температур, давлений и влажности газа в процессе промывки может происходить испарение капель или конденсация паров из газового потока. При известных условиях частицы пыли могут служить ядрами такой конденсации. Использование конденсационного эффекта может значительно улучшить осаждение пыли.

Второй способ осаждения пыли осуществляют, направляя поток частиц пыли на поверхность жидкости, смоченную жидкостью стенку или пленку специально полученных газовых пузырей.

В соответствии со способом захвата мокрые пылеулавливающие аппараты можно разделить на две группы: 1) с промывкой газа жидкостью; 2) с осаждением пыли на пленку жидкости.

Механизмы захвата частиц пыли жидкостью те же, что и при захвате пыли элементами фильтрующего слоя.

Захват частиц пыли каплями жидкости. При движении капли в пространстве, заполненном запыленным газом, осаждение пыли на ней происходит в основном вследствие кинематической коагуляции. Как показывают расчеты и подтверждает практика, при чисто гравитационной коагуляции захват частиц пыли плотностью r_ч = 2000 кг/м³ распыленной водой возможен только при размере частиц d_ч>1 мкм. Частицы меньше 1 мкм на каплях не осаждаются.

Если механизм осаждения частиц на капле можно рассматривать как чисто инерционный, то коэффициент захвата определяется числом Стокса Stk и количество захваченных частиц в единицу времени N_t будет равно

,(7.1)

а количество частиц, захваченных на единицу длины пути,

, (7.2)

Следовательно, количество частиц, захваченных 1 см³ распыленной воды на том же участке пути, равно

, (7.3)

Как видно из формулы (7.3), эффективность улавливания при прочих равных условиях возрастает с уменьшением диаметра капли и может достичь высоких значений даже для мелких частиц.

Захват частиц пыли пленкой жидкости. При ударе частицы о твердую стенку возможны либо отскок частицы, либо прилипание к стенке за счет сил адгезии Р_ад. Отскок частицы возникает, если кинетическая энергия отражающейся частицы больше энергии адгезии Е_ад:

, (7.4)

где m — масса частицы диаметром d и плотностью r_ч; m=pd³r_ч/6; w — скорость отскока в предположении отсутствия сил адгезии (приближенно равна 0,8 от скорости при ударе). Ориентировочно можно принять

и , (7.5)

где h — зазор между поверхностью стенки и частицей.

В результате приближенного интегрирования выражения (7.5) можно найти граничное значение скорости удара, при котором еще возможно прилипание частиц:

w = 0,249/d, (7.6)

где d — размер частицы, мкм.

При наличии на поверхности пленки жидкости условия прилипания существенно улучшаются (схема захвата дана на рис. 7.1,а). В этом случае сила адгезии может быть определена по формуле

, (7.7)

где α — угол, определяющий смоченную часть поверхности частицы; φ — краевой угол смачивания, зависящий от физико-химических свойств и дисперсности пыли (рис. 7.1,б).

Для хорошо смачиваемых материалов (φ≈0) при точечном контакте (α≈0) величина силы адгезии равна

, (7.8)

Рис. 7.1. Захват частиц пыли пленкой жидкости.

Для минеральных масел при толщине пленки δ= 0,5d

P_ад=157d (7.9)

Сравнивая выражения (7.5) и (7.9), можно сделать вывод, что сила адгезии при поверхности, покрытой маслом, во много раз больше, чем при сухой поверхности.

С теми же допущениями можно определить предельную скорость удара, см/с, обеспечивающую осаждение частиц:

ω=7350/d. (7.10)

При одинаковой скорости ω смоченной поверхностью будут удерживаться значительно более крупные частицы, чем сухой.

Вследствие того, что смачиваемость материалов ухудшается с уменьшением размеров, в технике пылеулавливания часто приходится иметь дело с гидрофобными частицами. Для улавливания таких частиц необходимо, чтобы их кинетическая энергия превышала работу погружения частицы в жидкость, т. е. работу преодоления сил поверхностного натяжения. Из этих условий получено, что предельная скорость удара частицы, обеспечивающая ее погружение в жидкость, равна

(7.11)

где ψ — угол между направлением движения частицы и нормалью к поверхности жидкости в точке удара.

При ψ = 0, т. е. движении частицы по нормали к поверхности жидкости,

(7.12)

При больших углах ψ частицы рикошетируют от поверхности и улавливание возможно только при высоких скоростях удара. Частицы при Re<5 в момент удара погружаются в пленку жидкости не полностью и могут быть легко сорваны газовым потоком, так как поверхность жидкости после удара быстро выпрямляется, а удерживающие частицы силы адгезии (а в случае горизонтальной поверхности, то и силы тяжести) незначительны.