Центробежная очистка запыленных газов производится в циклонах (рис. 13). Пылегазовая смесь (Г + Т) вводится в корпус 1 тангенциально, через патрубок 3. Поток газа вынужден двигаться по спиральной траектории вдоль внутренней поверхности стенки корпуса в кольцевом зазоре между корпусом 1 и центральной трубой 2.
Частицы пыли, вошедшие вместе с газом, в начале своего пути не взаимодействуют с внутренней стенкой корпуса и, следовательно, в первые моменты стремятся сохранить прямолинейную скорость, равную скорости входящего в циклон газа. Но на газовый поток сразу же начинает действовать центростремительная сила реакции стенки корпуса, и поток под воздействием этой силы изменяет траекторию движения на криволинейную.
Рис. 13. Циклон для очистки газов:
1 – корпус; 2 – центральная труба; 3 – входной тан-генциальный патрубок; 4 – приемная емкость для пыли
Возникающая разность векторов скоростей газа и частицы приводит к появлению силы гидродинамического воздействия на частицу со стороны газового потока. Эта сила и является центростремительной
силой, искривляющей траекторию движения частиц, которые также начинают двигаться по спиральной траектории, но с бо¢льшим радиусом кривизны по сравнению с кривизной траектории потока газа.
По мере движения в кольцевом пространстве циклона частица приближается к внутренней стенке корпуса и в конечном счете оказывается на стенке, которая тормозит ее движение по окружности. На внутренней стенке корпуса в его нижней части концентрируется значительная часть частиц, откуда они под действием силы тяжести медленно сползают вдоль стенки в приемную емкость 4.
Газовый поток, из которого выделилась дисперсная твердая фаза, вынужден разворачиваться и выходить через центральную трубу 2.
Практически важным обстоятельством при циклонной очистке газов является требование герметичного подключения к циклону приемной емкости 4. Объясняется это тем, что почти всегда циклоны работают под некоторым разрежением по отношению к внешнему атмосферному давлению, что позволяет избежать попадания пыли в помещение через возможные неплотности соединений. Следовательно, если в месте подключения емкости 4 к нижней части корпуса имеется малейшая неплотность, то через нее в циклон будет поступать небольшое количество атмосферного воздуха, которого, однако, часто оказывается достаточно, чтобы подхватить и направить в выхлопную трубу 2 сползающий сверху слой уже выделенных из газового потока мелких частиц. При этом будет казаться, что разделительная способность самого циклона неудовлетворительна.
К сожалению, расчет траекторий движения частиц в циклонных аппаратах на основе строгого физико-математического анализа действующих на частицы сил оказывается практически невозможным. Так, кажущаяся простота выражения (12) для центробежной силы, действующей на частицу при ее криволинейном движении, существенно осложняется тем, что окружная скорость частицы w окр и радиус кривизны траектории ее движения r непрерывно изменяются и сами являются функциями всех возможных сил, действующих на частицу. Ситуация дополнительно осложняется вращением частиц вокруг своих центров тяжести, заметным воздействием на мелкие частицы турбулентных пульсаций газового потока, частиц друг на друга и т. п.
Все отмеченные обстоятельства приводят к тому, что расчет основных показателей работы циклонов производится на основе имеющихся рекомендаций по значению так называемой фиктивной скорости w ф = V c/(p/4 D ц2) газового потока в циклоне. Фиктивной скорость w ф называется потому, что с такой скоростью газовый поток не перемещается нигде внутри циклона. Со скоростью w ф газ с объемным расходом V c (м3/с) двигался бы вдоль оси циклона с внутренним диаметром D ц при отсутствии в нем центральной трубы. Действительные скорости вращающегося вокруг центральной трубы газового потока намного превышают значения w ф.
Многочисленными опытами установлено, что циклоны стандартных соотношений их геометрических размеров удовлетворительно отделяют частицы пыли размером до нескольких микрометров при значениях фиктивной скорости газа w ф = 2–3 м/с. По величине этой рекомендованной фиктивной скорости определяется необходимый диаметр циклона по задаваемой величине расхода запыленного газа:
| (13) |
При меньшей скорости газового потока центробежная сила, действующая на частицы, оказывается слишком малой, и эффективность разделения в циклоне также мала (см. формулу (12)). С другой стороны, может показаться, что значение скорости w ф и пропорциональное ей значение окружной скорости w окр должны быть как можно большими, так как при этом быстро увеличивается центробежная сила F цб. Однако одновременно с ее увеличением при возрастании скоростей газа в нижней части циклона вблизи входа уже очищенного газа в центральную выхлопную трубу 2 появляются вторичные газовые вихри, которые подхватывают выделенную из газового потока пыль и выносят ее в центральную трубу.
Рис. 14. Батарея мультициклонов:
1 – общий корпус; 2 – корпус муль-тициклона; 3 – завихритель газового потока; 4 – секторный затвор
При значительных производительностях по запыленному газу (V c > 0,2 м3/с) диаметр циклона получается близким к 1 м, при этом траектория частицы имеет малую кривизну. Соответственно мала и центробежная сила, отделяющая частицу от газового потока. Поэтому диаметры циклона больше 0,8 м обычно не используются, а очистку газов производят в параллельно устанавливаемых циклонах обычного диаметра. Общий расход газа при этом разбивается на параллельные потоки, которые очищаются от пыли в циклонах нормализованных размеров. Здесь важно организовать равномерную загрузку параллельно работающих циклонов одинаковыми по величине расходами газа, чтобы для всех циклонов соблюдалось условие по рекомендованному значению фиктивной скорости w ф. Существуют специальные конструкции распределительных устройств, обеспечивающих равномерное распределение газа по параллельным циклонам.
Значительные расходы запыленных газов можно подвергать разделению в батареях мультициклонов (рис. 14), где не требуется сложных распределительных устройств для равномерной тангенциальной подачи газа в каждый из параллельных циклонов. Запыленный газ здесь входит в каждый из мультициклонов параллельно его оси и приобретает вращательное движение (закрутку) при прохождении специального завихрителя 3, расположенного в кольцевом рабочем пространстве. Отделенная от газа пыль под действием силы тяжести медленно ссыпается из всех мультициклонов в общий корпус 1 с коническим днищем и выгружается из его центральной части через секторный затвор 4. Распределительное устройство отсутствует, кроме того здесь нет необходимости в тщательной герметизации соединения корпуса большого числа мультициклонов с приемником пыли, как это требуется при разделении в циклонах.
Аналогичную конструкцию имеют гидроциклоны, предназначенные для разделения суспензий. Для расчета гидроциклонов в специальной литературе даются соответствующие рекомендации.
Разделение запыленных газов и суспензий в циклонах и гидроциклонах, как правило, не так эффективно, как разделение в рукавных фильтрах и центрифугах.
Разделение суспензий
Используемые для центробежного разделения суспензий центрифуги представляют собой быстро вращающиеся барабаны, в которых вращается разделяемая суспензия, принимающая под действием центробежной силы форму кольца; барабан помещен в неподвижный корпус. Во всех центрифугах силой, приводящей к отделению дисперсной твердой фазы от жидкости, является центробежная сила инерции, возникающая вследствие вращения суспензии вместе с барабаном. Однако сам процесс разделения фаз в разных центрифугах может быть различным.
По способу разделения суспензий центрифуги классифицируют на осадительные и фильтрующие. В осадительных центрифугах (рис. 15) твердые частицы, имеющие обычно большую по отношению к жидкости плотность, под действием центробежной силы осаждаются на внутреннюю стенку вращающегося барабана, откуда тем или иным способом удаляются. В фильтрующих центрифу гах (рис. 16) центробежная сила инерции вращающегося кольца суспензии 4 является движущей силой процесса фильтрации жидкости через фильтрующую ткань 2, располагаемую по перфорированной цилиндрической поверхности барабана 1. Фильтрующаяся жидкость последовательно преодолевает гидравлические сопротивления слоя осадка 3 и фильтрующей ткани 2, как это было и при фильтрации под действием разности статических давлений (см. разд. 2).
Производительность осадительной центрифуги непрерывного действия может быть определена аналогично тому, как определялась производительность гравитационной пылеосадительной камеры. Вводится коэффициент заполнения барабана суспензией j = V cуcп/ V б, 0 < j < 1 (обычно j = 0,2–0,5), где V cуcп и V б –объем кольца суспензии и полный объем всего барабана. Приравняем объ-
Рис. 2.15. Барабан осадительной центрифуги:
1 – барабан со сплошной цилиндрической поверхностью; 2 – кольцо суспензии
Рис. 2.16. Барабан фильтрующей центрифуги:
1 – перфорированный барабан; 2 – фильтрующая ткань; 3 – слой осадка; 4 – кольцо суспензии
ем кольца суспензии (p/4)(D б2 – D к2) H и объем суспензии в барабане, выраженный через коэффициент его заполнения (p/4) D б2 H j. Получим выражение для внутреннего диаметра кольца:
Время пребывания жидкости в кольце суспензии tп = V cуcп/ V с = j V б/ V с, где V с – объемный расход жидкости через центрифугу. Время осаждения частицы поперек кольца суспензии толщиной d = (D б – D к)/2 равно tос = (D б – D к)/(2 w –ос), где w –ос – скорость осаждения частицы, усредненная по толщине кольца d. Толщина кольца даже при заполнении барабана суспензией на 50 % составляет не более 0,15 D б. Приравнивая tп и tос, получим j V б/ V с = (D б – D к)/(2 w –ос), откуда
| (14) |
Скорость осаждения w –ос находится из условия баланса сил, действующих на частицу в центробежном поле (см. аналогичный баланс сил для гравитационного осаждения):
| (15) |
где w– угловая скорость вращения частицы, равная скорости вращения кольца суспензии и барабана, r –– среднее значение радиуса вращения частицы вместе с кольцом суспензии; w2 r – – величина центробежного ускорения частицы; слагаемое левой части – центробежная сила инерции, действующая на сферическую частицу диаметром d и плотностью rт в направлении к стенке барабана; первое слагаемое правой части – архимедова сила выталкивания частицы в поле центробежной силы, направленная противоположно центробежной силе к оси вращения; r – плотность сплошной жидкой фазы; второе слагаемое правой части представляет собой силу гидравлического сопротивления, которую оказывает жидкость на частицу при ее поперечном движении к стенке; x – коэффициент сопротивления частицы.
Уравнение движения частицы (15) решается относительно средней скорости ее осаждения, которая может быть представлена в виде:
| (16) |
Сравнение формулы (16) с аналогичной формулой (4) для гравитационного осаждения показывает их различие только в безразмерном множителе w2 r – /g, представляющем отношение центробежного ускорения w2 r –к ускорению g силы тяжести. Это отношение с заменой r – ® R = = D б/2, т. е. K p = w2 R/g, называют фактором разделения центрифуги; его значение характеризует разделяющую способность центрифуги по отношению к гравитационному разделению. По величине фактора разделения центрифуги классифицируются на нормальные (K p до 3 × 103) и сверхцентрифуги (K p > 3 × 103). Большинство промышленных центрифуг имеют фактор разделения 600–1200.
Алгебраическая процедура нахождения скорости w –ос по соотношению (16) с учетом зависимости x(Re), где Re = w –ос d /n, не отличается от описанной ранее для гравитационного осаждения.
Для расчета движущей силы процесса фильтрования в фильтрующих центрифугах рассмотрим центробежную силу, с которой элементарный слой суспензии толщиной dr и находящийся на текущем расстоянии r от оси вращения кольца, воздействует на слой суспензии, расположенный вне рассматриваемого элементарного слоя: dF цб= rc dv w2 r, где dv = 2p rdrН – объем элементарного слоя; rc dv – элементарная масса слоя; rc – плотность суспензии; w2 r – центробежное ускорение, действующее на элементарный слой. Подстановка значения dv в выражение для dF цб дает соотношение dF цб = 2pw2 H rc r 2 dr, интегрирование которого при очевидном граничном условии F цб| r=D к/2 = 0 приводит к выражению для полной центробежной силы, с которой весь слой вращающейся суспензии действует на фильтровальную ткань: F цб = pw2 H rc(D б3 – D к3)/12. Деление силы F цб на площадь фильтрования S = p D б H дает выражение для движущей силы центробежного фильтрования:
| D P цб= F цб/ S = rcw2(D б3 – D к3)/(12 D б). | (17) |
Величина D P цб используется для расчетов скорости фильтрования по общей формуле (8).
Конструкции центрифуг
Конструкции центрифуг весьма разнообразны. Рассмотрим основные виды фильтрующих и осадительных центрифуг. Подвесная фильтрующая центрифуга периодического действия (рис. 17) представляет собой вертикальный барабан 1, на перфорированной цилиндрической поверхности которого натянута фильтрующая ткань 3. Вращающийся барабан расположен в неподвижном корпусе 2, имеющем в нижней части отверстия для выгрузки фильтрата (Ф) и влажного осадка (ОС). Исходная суспензия (С) загружается в барабан при его вращении и под действием центробежной силы располагается в форме кольца 4, прилегающего к внутренней поверхности барабана и создающего разность давлений по обе стороны от фильтрующей перегородки. Под действием этой разности давлений фильтрат проходит через слой образующегося осадка 5 и фильтровальную ткань 3, собирается на внутренней стенке корпуса 1 и выводится из центрифуги (Ф).
Рис. 17. Подвесная фильтрующая центрифуга периодического действия:
1 – барабан с перфорированной цилиндрической поверхностью; 2 – неподвижный корпус; 3 – фильтрующая ткань; 4 – кольцевой слой суспензии; 5 – кольцевой слой осадка; 6 – спицы барабана; С – суспензия; ОС – осадок; Ф – фильтрат
Рис. 18. Фильтрующая центрифуга полунепрерывного действия с ножевым съемом осадка:
1 – горизонтальный барабан с перфорированной цилиндрической поверхностью; 2 – неподвижный корпус; 3 – фильтрующая ткань; 4 – нож для съема осадка; 5 – рычажный механизм ножа; 6 – наклонный лоток для выгрузки осадка; С – суспензия; ОС – осадок; Ф – фильтрат
После того как набирается определенное количество осадка, подача суспензии прекращается. При необходимости промывки осадка вместо суспензии во вращающийся барабан подается промывная жидкость. Затем барабан тормозится до полной остановки, и производится выгрузка осадка (под действием собственного веса и частично вручную) через спицы 6 в нижней части барабана. Далее барабан вновь приводится во вращение, включается подача суспензии, и цикл периодической работы повторяется.
Разгон барабана до номинального числа оборотов обычно требует большей мощности на преодоление инерции барабана по сравнению с энергией, расходуемой на преодоление сил трения в подшипниках при поддержании рабочего числа оборотов заполненного суспензией барабана, поэтому мощность электрического привода центрифуги должна превышать мощность рабочего режима в 2–3 раза.
Диаметр барабана центрифуг такого типа достигает 1,2 м, фактор разделения K p = w2 R / g – до 1200.
Фильтрующая центрифуга полунепрерывного действия с ножевым съемом осадка (рис. 18) имеет горизонтально расположенный перфорированный барабан 1 с фильтрующей тканью 3, заключенный в неподвижном корпусе 2.
Следует отметить, что основная трудность при эксплуатации центрифуг непрерывного или полунепрерывного действия состоит в организации непрерывной выгрузки твердой фазы из вращающегося барабана центрифуги.
В центрифуге рассматриваемого типа образующийся на фильтрующей ткани влажный осадок срезается ножом 4, который на короткое время прижимается к ткани рычажным механизмом 5. Отделенный от ткани осадок (ОС) падает на наклонный поддон 6, по нему медленно сползает вниз и таким образом выгружается из центрифуги. При съеме осадка частота вращения барабана уменьшается, чтобы уменьшить вероятность механического повреждения ткани прижимаемым к ней ножом. Перед моментом съема осадка подача суспензии (С) в барабан прекращается, но вновь возобновляется после окончания короткой стадии срезания осадка. Таким образом, при работе этой центрифуги барабан не останавливается. Промывка осадка возможна перед началом его удаления.
Жидкая фаза исходной суспензии (как и промывная вода на стадии промывки) фильтруется через слой осадка и через фильтрующую ткань, выходит на наружную поверхность вращающегося барабана, разбрызгивается с нее на внутреннюю поверхность неподвижного корпуса 2, и под действием силы тяжести фильтрат (Ф) выводится из нижнего патрубка.
Фактор разделения фильтрующих центрифуг с ножевым съемом осадка составляет K p » 650, диаметр барабана – до 1,8 м. Последовательные стадии работы центрифуги могут реализовываться с помощью несложной автоматики, поэтому центрифуги этого типа иногда называют автоматическими.
Фильтрующая центрифуга непрерывного действия с пульсирующим поршнем (рис. 19) также представляет собой горизонтально расположенный перфорированный барабан 1 с фильтрующей тканью 3, но в отличие от предыдущих конструкций здесь барабан не имеет отбортовки для удержания слоя суспензии, так как режим подачи суспензии в этой центрифуге таков, что суспензия сразу же уходит через слой осадка 4. При этом появляется возможность выталкивания образующегося слоя осадка с помощью поршня 5, вращающегося вместе с барабаном и одновременно совершающего возвратно-поступательное движение на некоторую часть длины барабана. Суспензия (С) непрерывно подается во вращающуюся перфорированную воронку 6, из которой она под действием центробежной силы попадает на слой осадка. Жидкая фаза фильтруется через незначительный по толщине слой осадка, набирающийся между двумя последовательными ходами поршня-толкателя, затем через фильтровальную ткань 3, разбрызгивается с наружной перфорированной поверхности барабана 1 внутрь корпуса 2, стекает к штуцеру, через который фильтрат (Ф) и отводится из центрифуги. Влажный осадок 4 выталкивается поршнем 5 и через разгрузочный патрубок выводится из корпуса центрифуги (ОС).
Рис. 19. Фильтрующая центрифуга непрерывного действия с поршневой выгрузкой осадка:
1 – перфорированный барабан; 2 – неподвижный корпус; 3 – фильтрующая ткань; 4 – слой осадка; 5 – поршень-толкатель; 6 – вращающаяся воронка с отверстиями для разбрызгивания суспензии; С – суспензия; ОС – осадок; Ф – фильтрат
Рис. 20. Осадительная центрифуга непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка:
1 – сплошной конический барабан; 2 – неподвижный корпус; 3 – перфорированный полый вал; 4 – шнек; 5 – отверстия для выгрузки влажного осадка; 6 – отверстия для выгрузки осветленной жидкости; С – суспензия; Ж – осветленная жидкость; ОС – влажный осадок
Фактор разделения центрифуг такого типа K p » 700, частота вращения 103 мин–1.
На рис. 20 представлена схема непрерывно действующей осадительной центрифуги со шнековой выгрузкой влажного осадка.
Центрифуга имеет неперфорированный сплошной барабан 1 конической формы, внутрь которого через отверстия перфорированного полого вала 3 непрерывно поступает суспензия (С). Она разбрызгивается на внутреннюю поверхность конического барабана 1 и образует там слой, в котором под действием центробежной силы происходит одновременно осаждение более тяжелых частиц на стенку и перемещение осветленной жидкости в широкую часть барабана. Центробежная сила стремится переместить в широкую часть вращающегося барабана не только осветленную жидкость, но и влажный осадок (см. разложение вектора центробежной силы на рис. 20). Однако влажный осадок (сгущенная у стенки барабана суспензия) принудительно перемещается против действия продольной составляющей F цб в узкую часть барабана с помощью шнека 4, вращающегося вместе с валом 3, но с угловой скоростью, отличающейся от угловой скорости барабана на 1–2 %, что означает медленное вращение шнека относительно слоя осадка в барабане. Таким образом, шнек вытесняет осадок через отверстия 5 в узкой части барабана, а жидкость, свободно обтекая лопасти шнека, проходит в широкую часть барабана и выгружается оттуда через сливные отверстия 6.
Осадительные центрифуги, имеющие относительно высокую частоту вращения (до 3000 мин–1) и значительные факторы разделения (до 2000), используются для разделения тонких суспензий на осветленную жидкость и
Рис. 21. Тарельчатый сепаратор для разделения эмульсий и тонких суспензий:
1 – барабан; 2 – неподвижный корпус; 3 – набор (пакет) тарелок; 4 – вертикальные ребра; 5 – отверстия; Э – эмульсия; ЛФ и ТФ – легкая и тяжелая фазы
осадок довольно высокой влажности. Промывка осадков в осадительных центрифугах невозможна.
Тарельчатый сепаратор (рис. 21), предназначенный в основном для разделения эмульсий и тонких суспензий, имеет вращающийся барабан 1, внутри которого на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга расположены несколько десятков конических тарелок 3. Разделяемая гетерогенная смесь (Э) непрерывно подается по центру барабана, полностью заполняет его, чему способствует система отверстий 5 в тарелках, и вовлекается вместе с барабаном во вращательное движение за счет сил трения жидкости о тарелки и воздействия на смесь вертикальных радиальных перегородок 4.
Эмульсия (или суспензия), находящаяся между тарелками и вращающаяся вместе с барабаном и тарелками, испытывает воздействие центробежной силы инерции, при этом более тяжелая фаза перемещается в периферийную часть барабана, вытесняя оттуда легкую фазу к оси вращения барабана. Вывод легкой фазы (ЛФ) производится вблизи оси вращения; тяжелая фаза (ТФ) выводится на некотором удалении от оси. Исходная смесь нагнетается в сепаратор под избыточным давлением, под действием которого отсепарированная тяжелая фаза из периферийной зоны барабана перемещается против центробежной силы и выводится из верхней части барабана не в периферийной точке, а значительно ближе к оси вращения, где окружная скорость вращения жидкости меньше.
Частота вращения барабана тарельчатого сепаратора достигает (5–10) × 103 мин–1, диаметр барабана – до 0,8 м.
Электроочистка газов
Выделение мелкой пыли из газов производится в электростатическом поле, которое создается между положительным и отрицательным электродами так называемого электроосадителя (электрофильтра).
Рис. 22. Элементы трубчатого (а) и пластинчатого (б) электрофильтров (электроосадителей) (вид сверху):
1 – отрицательно заряженный проволочный электрод; 2 – положительный трубчатый (пластинчатый) электрод; 3 – коронный электрический разряд; пунктир – силовые линии напряжен-
ности электрического поля
Чтобы твердые частицы можно было выделить из газового потока, им нужно сообщить электрический заряд, а для этого необходим постоянный источник заряда. В процессах электроочистки запыленных газов для получения свободных электронов создается существенно неоднородное электростатическое поле между отрицательным проволочным электродом 1 (рис. 22, а) и трубчатым положительным электродом 2. Напряженность электрического поля (в вольтах на метр) в такой геометрической системе обратно пропорциональна радиусу r расстояния от проволоки E ~ 1/ r.
Постоянное напряжение, подаваемое на электроды, равно нескольким десяткам киловольт, что обеспечивает значение напряженности электрического поля вблизи центрального проволочного электрода свыше 3 × 106 В/м, при котором происходит ионизация воздуха с образованием устойчивого электрического разряда 3.
Положительно заряженные ионы воздуха быстро достигают отрицательного проволочного электрода и нейтрализуют на нем свой заряд. Электроны двигаются в направлении силовых линий электрического поля к положительному трубчатому электроду. Вдоль оси трубы перемещается запыленный газ, и свободные электроны, двигаясь поперек потока газа, сталкиваются с частицами (как правило, состоящими из какого-либо диэлектрического вещества) и заряжают их поверхностным отрицательным зарядом. Получившие отрицательный заряд частицы начинают относительно медленно перемещаться вдоль силовых линий поля к положительному трубчатому электроду. Такое движение называют электростатическим осаждением пыли на внутреннюю поверхность вертикальной трубы. Отдав свой отрицательный заряд стальной трубе, частицы под действием силы тяжести перемещаются вниз вдоль внутренней стенки трубы, где собираются в коническом днище и выгружаются через секторный затвор.
Рассмотрим два основных момента, отличающих процесс осаждения в электростатическом поле от гравитационного осаждения частиц в пылеосадительных камерах. Во-первых, неоднородность напряженности электрического поля между электродами и неодновременность приобретения частицей электрического заряда означают переменное значение электростатической силы, действующей на частицу в процессе ее осаждения. В трубчатых аппаратах напряженность электрического поля обратно пропорциональна радиусу E ~1/ r, но рассчитать динамику приобретения поверхностью частицы электрического заряда оказывается весьма затруднительно.
Второе отличие электроосаждения от гравитационного состоит в ином влиянии размера частиц на величину скорости их осаждения. Действительно, количество электронов, которые могут оказаться на поверхности частиц, пропорционально величине этой поверхности. Следовательно, суммарный электрический заряд частицы пропорционален ее поверхности, а электростатическая сила F эл притяжения отрицательно заряженной частицы положительно заряженной трубой равна произведению локальной напряженности электрического поля Е (В/м) на величину заряда частицы: F эл = k p d2eE, где e – заряд электрона; k – коэффициент пропорциональности между числом электронов, захваченных поверхностью частицы, и площадью поверхности. Если, как и при анализе гравитационного осаждения, принять, что ускорением частицы можно пренебречь, то движение частиц приближенно можно описать на основе равенства силы F эл и силы гидродинамического сопротивления частицы при движении ее поперек газового потока: k p d2eE = x(p/4) d 2r w –oc2/2.
Осаждение мелких частиц происходит при ламинарном их обтекании газом, для которого коэффициент сопротивления обратно пропорционален величине критерия Рейнольдса x = 24/Re. Подстановка x в уравнение движения частицы дает: w –oc = keEd /(12m). Следовательно, при электроосаждении скорость осаждения пропорциональна первой степени диаметра частицы, а не квадрату ее диаметра, как это было при ламинарном гравитационном осаждении (см. формулу (5)). Отсюда следует, что по мере уменьшения размеров частиц скорость их гравитационного осаждения уменьшается значительно быстрее, чем при электроосаждении. Следовательно, мелкие частицы (d < 10 мкм) предпочтительнее осаждать в электростатическом поле. Однако при выборе способа очистки газов от пыли следует иметь в виду относительно высокие капитальные затраты при организации электроочистки, что обусловлено высокой стоимостью вспомогательного оборудования (высоковольтные трансформатор и выпрямитель переменного напряжения).
Конструкции самих камер электроосадителей несложны. Трубчатые аппараты представляют собой многие параллельные повторения элемента из трубы и центрального провода, показанного на рис. 22, а. В пластинчатых электроосадителях (см. рис. 22, б) используются все 100 % объема аппарата, а потому металлоемкость пластинчатых аппаратов меньше, чем трубчатых.
Мокрая очистка газов
Очистку газов от частичек пыли и капелек тумана путем контакта газа с жидкостью используют в тех случаях, когда подлежащие очистке газовые потоки не имеют высокой температуры, при которой происходило бы значительное испарение или даже кипение жидкости.
Поверхностью контакта между газом и жидкостью может быть суммарная поверхность жидкой пленки, стекающей по слою твердой насадки типа керамических колец Рашига, или поверхность газовых пузырей в жидкости.
Основное требование к жидкости, используемой для мокрой очистки газов от пыли, – ее способность смачивать поверхность частиц, которые эта жидкость должна улавливать.
Конструкции аппаратов для мокрой газоочистки различны. Полые распылительные скрубберы (уловители) представляют собой вертикальные аппараты круглого сечения, в которых очищаемый запыленный газ может подаваться как сверху, так и снизу, а жидкость разбрызгивается в верхней части аппарата. Частицы пыли (или тумана) захватываются поверхностью падающих капелек, и так называемый шлам, т. е. жидкость с уловленными ею частицами, выводится из нижней части аппарата.
В насадочных скрубберах внутренний объем вертикальной колонны заполнен инертной насадкой, по поверхности которой стекает пленка подаваемой сверху жидкости. Газовый поток проходит в зазорах между элементами насадки, при этом частицы пыли из газа захватываются пленкой жидкости и в нижней части скруббера вместе с жидкостью выводятся из аппарата.
Центробежные пленочные скрубберы, по существу, представляют собой циклоны (см. рис. 13), на внутреннюю поверхность корпуса которых сверху в виде пленки подается жидкость. Как и в обычном циклоне, центробежная сила отбрасывает частицы к стенке корпуса, где они поглощаются пленкой жидкости. При этом уменьшается опасность вторичного захвата пыли уже очищенным газовым потоком (см. центробежную очистку газов).
Барботажные (пенные) пылеуловители (рис. 23) используются для очистки газов с повышенным содержанием пыли. Запыленный газ (Г + Т) поступает под газораспределительную решетку 2, на которую подается жидкость (Ж). Запыленный газ барботирует через слой 3 жидкости и далее проходит через слой 4 образующейся пены. Частицы пыли захватываются поверхностью жидкости и отводятся в виде шлама (Ш) через сливной порог 5 и частично – с протечками через отверстия решетки.
Пенные пылеуловители обладают сравнительно высокой улавливающей способностью даже для весьма мелких частиц (частицы размером 5 мкм
Рис. 23. Барботажный (пенный) пылеуловитель:
1 – корпус; 2 – газораспределительная решетка; 3 – слой жидкости; 4 – слой пены; 5 – переливной порог; Г + Т – запыленный газ; Ж – жидкость; Г – очищенный газ; Ш – шлам
улавливаются на 80–90 %), но отклонение скорости подаваемого под решетку газа от расчетного значения (3 м/с) может приводить либо к большому уносу пены газовым потоком, либо, наоборот, – к проливу жидкости через отверстия решетки.
В заключение отметим, что выбор того или иного метода гидромеханического разделения неоднородных сред зависит от многих факторов: от требуемой эффективности разделения, исходной концентрации дисперсной фазы, среднего размера частиц и степени неоднородности частиц по их размерам, температуры поступающего на разделение гетерогенного потока, его химической агрессивности и т. п. В зависимости от преимуществ и недостатков каждого из способов разделения и по результатам технико-экономического анализа, т. е. определения капитальных, эксплуатационных и приведенных затрат производится выбор того или иного способа разделения и размеров основных аппаратов.
Вопросы для самопроверки
| 1. | Как классифицируются методы разделения неоднородных систем? |
| 2. | От каких сил зависит скорость гравитационного осаждения частиц? |
| 3. | Запишите уравнение скорости периодической фильтрации. |
| 4. | На основе каких экспериментальных данных определяются константы скорости фильтрации? |
| 5. | Каковы основные конструкции фильтров периодического и непрерывного действия? |
| 6. | Какие силы действуют на частицы при центробежном разделении? |
| 7. | Что такое фактор разделения центрифуг? |
| 8. | Какие существуют способы выгрузки осадков из фильтрующих и осадительных центрифуг? |
| 9. | Какие силы действуют на частицы при электроочистке запыленных газов? |
| 10. | Поясните принцип действия и перечислите основные виды мокрой очистки запыленных газов. |
ПРИМЕРЫ
Осаждение
Пример 1. Определить скорость осаждения сферических частиц диаметром 0,10 мм из материала плотностью 2400 кг/м3 при температуре 20 °С: а) в воздухе при атмосферном давлении; б) в воде.
Решение. Поскольку размер осаждающихся частиц невелик, то имеет смысл вначале использовать формулу (1) для ламинарного обтекания сферы.
а) В воздухе
w ос = (2400 – 1,21) 9,81 (0,10 × 10–3)2/(l8 × 0,0185 × 10–3) = 0,710 м/с