Принцип действия скрубберов Вентури основан на столкновении частиц пыли с диспергированной жидкой фазой вследствие разности их скоростей под влиянием интенсивной турбулентной диффузии в газовом потоке.
В скруббере Вентури (рис. 1) реализуется капельная абсорбция, который состоит из т.н. "сопла Вентури" (1 – конфузор, 2 – диффузор) и каплеуловителя 4. В конфузорную часть сопла 1 подводится запыленный поток газа, а через форсунки 2 под давлением впрыскивается жидкость для орошения этого потока. В конфузоре происходит разгон газа от начальной скорости газа (wг = 15..20 м/с) до скорости wг = 30..200 м/с в узкой части сопла. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен большой разностью между массами (плотностью) жидкости и газа, развитой поверхностью капель и высокой разностью (до 100 м/с) скоростей частиц пыли и жидкости в конфузоре. Заметим, что эффективность очистки в значительной степени от равномерности распределения жидкости по сечению конфузора. В диффузорной части сопла 3 резко падает давление с конденсацией пара. Поток с конденсированными парами постепенно тормозится до скорости wг = 15..20 м/с и попадает в каплеуловитель 4, который обычно выполняется в виде прямоточного циклона.
 |
Рис. 1. Скруббер Вентури: 1 – конфузор; 2 – форсунка; 3 – диффузор;
4 – циклон-каплеуловитель.
Существуют различные конструкции и разновидности скрубберов Вентури многообразны (например, прямоточные высоконапорные аппараты типа ГВПВ и скрубберы Вентури СВ, разработанные НИИОГАЗом; газопромыватели типа КМП, КЦМП и др.). Рассмотрим один из разновидностей скрубберов Вентури, а, именно: прямоточный высоконапорный аппарат типа ГВПВ (рис. 2, таблица 1), состоящий трубы Вентури оптимальной конфигурации и прямоточного циклона типа КЦТ (рис. 3, таблица 2).
Таблица 1.
Таблица 2.
 |
Подача орошающей воды производится в конфузор трубы Вентури с помощью одной или нескольких форсунок. Удельный расход воды изменяется от 0,5 до 2,5 дм/м3 (л/м3), гидравлическое сопротивление аппарата – от 6 до 12 кПа. Скорость газа в каплеуловителе 4-6 м/с, его гидравлическое сопротивление составляет 300-500 Па, а конечная концентрация капельной влаги находится в пределах 20-40 мг/м3. Труба Вентури может устанавливаться в любом положении (вертикально, горизонтально, наклонно).
Расчет эффективности работы (степень очистки газа от пыли) скруббера Вентури можно оценить с помощью энергетического метода, основанного на прямой зависимости эффективности работы пылеуловителя от энергии, затраченной на процесс очистки (пылеулавливания). В соответствии с данным методом степень очистки в аппарате может быть определена по формуле:
, (1)
где К ч – удельная суммарная энергия, взаимодействия газовой и жидкой фаз, в трубе Вентури, кДж/1000м3 (Па):
, (2)
где Δ p апп – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; p ж – давление распыляемой орошаемой жидкости (воды) при входе в аппарат, Па; Q ж и Q г – объемные расходы орошающей жидкости и очищаемого газа, соответственно, м3/с.
Константы B и γ определяются эмпирически для конкретной очищаемой пыли и при расчетах пользуются их справочными значениями. В скрубберах Вентури давление орошающей жидкости (воды) перед форсункой принимаются не менее 150 кПа, а её расход определяют из выражения:
, (3)
где n – число форсунок; m = 0,5-2,5 л/м3 – удельный расход орошающей жидкости (воды). Расход очищаемого газа Q г (м3/с) зависит от температуры газа на выходе из аппарата t гвых и может отличаться от первоначального расхода Q 0г при нормальных условиях, который можно оценить по формуле:
. (4)
Полученную величину объемного расхода очищаемого газа Q г из м3/с пересчитывают в м3/час и по таблице 1, в зависимости от необходимой производительности, выбирают марку ГВПВ.
Для труб Вентури, при расчетах конечных температур t гвых применима формула (при скорости газа в трубе v г = 50-150 м/с; m = 0,6-1,3 л/м3 и начальной температуре газа t гвх не менее 1000С:
(5)
где t гвх – температура газа на входе в трубу, 0С.
Необходимый диаметр прямоточного каплеуловителя КЦТ D ц выбирают исходя из условной скорости газа в циклоне v ц, которая лежит в диапазоне 2,5-4,5 м/с, и объемного расхода газа Q г:
. (6)
Полученную величину диаметра D ц (м) ппрямоточного каплеуловителя КЦТ округляют до ближайшего значения внутреннего диаметра D (мм) циклона, приведенной в таблице 2, по которому выбирают марку каплеуловителя КЦТ.
Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури равно сумме гидравлических сопротивлений трубы Вентури Δ p тр и каплеуловителя Δ p ц:
. (7)
Гидравлические сопротивление трубы Вентури Δ p тр складывается из двух составляющих – сопротивления сухой трубы Δ p тр сух и гидравлического сопротивления, обусловленного наличием в ней жидкости Δ p тр ж:
. (8)
Потери напора в сухой трубе без орошения жидкостью определяются по формуле:
, (9)
где v г – скорость газа в горловине трубы при рабочих условиях, м/с; ρг – плотность газа в рабочих условиях, кг/м3; ξтр с – коэффициент гидравлического сопротивления сухой трубы. Для трубы Вентури оптимальных размеров, используемые в аппаратах типа ГВПВ, при l г = 0,15 d э (l г – длина горловины; d э ≈ d 3, рис. 1), коэффициент гидравлического сопротивления ξтр с = 0,12-0,15.
Потери напора в трубе, обусловленные введением орошающей жидкости, определяются по формуле:
, (10)
где ρж – плотность орошающей жидкости (воды) в рабочих условиях, кг/м3; ξтр ж – коэффициент сопротивления (для аппаратов типа ГВПВ, ξтр ж ≈ 1,0); m – удельный расход орошающей жидкости, л/м3.
Гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя:
. (11)
Коэффициент сопротивления для прямоточночного циклона КЦТ принимается ξц = 30-33, для циклона центробежного типа ЦН-24 – ξц = 70. Плотность газа ρг в циклоне принимается равной плотности газа на выходе из трубы Вентури:
, (12)
где ρ0г – плотность газа при нормальных условиях, кг/м3.
Эффективность скрубберов Вентури (степень очистки от пыли) можно также рассчитать фракционным методом, в частности, для тарировочной пыли с параметрами: ρчт = 1000 кг/м3; 
= 0,556; μгт = 1,83 . 10-5 Па . с, получена следующая эмпирическая формула определения медианного размера тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате η=50%:
. (13)
Пересчет динамической вязкости очищаемого газа μг с параметров очистки тарировочной пыли μгт на рабочие условия производится по формуле:
, (14)
где С – константа Сюзерленда (для воздуха – С = 124).
Зная величину 
, условия очистки для тарировочной пыли пересчитывают на условия очистки от пыли с параметрами: d 50, lgσч, ρч. Для этого сначала определяют размер частиц пыли со степенью очистки в аппарате η = 50%:
, (15)
затем, определяют параметр x:
(16)
Степень очистки от пыли в аппарате определяют по таблице нормального функции распределения Гаусса F 0 (x) (таблица 3):
(17)
Пример расчета. Выбрать скруббер Вентури типа ГВПВ, рассчитать его гидравлическое сопротивление и эффективность очистки от пыли фракционным методом, если заданы следующие условия: расход очищаемого газа при нормальных условиях Q 0г = 1,5 м3/с; температура газа при входе в аппарат t гвх = 2000С; плотность газа (воздух) ρ0г = 1,59 кг/м3; коэффициент динамической вязкости при рабочих условиях μг = 2,49 . 10-5 Па . с; удельный расход орошающей жидкости (воды) m = 1,23 л/м3; давление жидкости перед форсункой p ж = 0,5 МПа; параметры очищаемой пыли: d 50 = 18,5 мкм; lgσч = 0,706, ρч = 2650 кг/м3.
Плотность очищаемого газа (воздух) при нормальных условиях: ρ0г = 1,21 кг/м3. Параметры и условия очистки тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате η =5 0%: ρчт = 1000 кг/м3; = 0,556; μгт = 1,83 . 10-5 Па . с.
1. Температура газа на выходе из трубы Вентури по формуле (5):
.
2. Расход газа при рабочих условиях на выходе из трубы по формуле (4):
.
По таблице 1 выбираем аппарат типа ГВПВ–0,014, с производительностью 4140-8400 м3/час.
3. Определяем диаметр циклона-каплеуловителя определяем по формуле (6) (скорость газа в циклоне задаем v ц = 4,5 м/с):
.
В качестве каплеуловителя выбираем прямоточный циклон типа КЦТ-700 (таблица 2) с внутренним диаметром циклона D = 700 мм и производительностью 5600-7625 м3/час.
4. Скорость газа в горловине (по условиям выхода из трубы) при площади сечения горловины для аппарата ГВПВ–0,014 – F г = 0,014 м2 (см. таблицу 1):
.
5. Плотность газа при рабочих условиях на выходе из аппарата по формуле (12):
6. Гидравлическое сопротивление для сухой трубы ξтр с = 0,14 при оптимальных её размерах l г / d э = 0,15 вычисляем по формуле (9):
7. Гидравлическое сопротивление трубы, обусловленное наличием орошающей жидкости, определяем по формуле (10) (при ξтр ж ≈ 1,0 – для аппаратов типа ГВПВ, и плотности орошающей жидкости (воды) ρж = 1000 кг/м3):
8. Суммарное гидравлическое сопротивление трубы Вентури по формуле (8):
9. Определение гидравлического сопротивления циклона-каплеуловителя КЦТ.
9.1. Уточняем скорость газа в каплеуловителе при выбранном диаметре циклона D ц = 700 мм = 0,7 м:
9.2. Гидравлическое сопротивления циклона-каплеуловителя КЦТ по формуле (11) при ξц = 32:
10. Общее гидравлическое сопротивление аппарата по формуле (7):
11. Определим необходимый расход воды на орошение через одну форсунку (n = 1) по формуле (3):
12. Удельная суммарная энергия, взаимодействия газовой и жидкой фаз, в скруббере Вентури по формуле (2):
13. Определим диаметр частиц тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате η=50% при ρчт = 1000 кг/м3; = 0,556; μгт = 1,83 . 10-5 Па . с по формуле (13):
14. Пересчитываем с условий очистки тарировочной пыли на условия очистки от пыли с параметрами: d 50, lgσч, ρч.
14.1. Найдем динамическую вязкость очищаемого газа в рабочих условиях по формуле (14):
,
14.2. Определяют размер частиц пыли со степенью очистки в аппарате η=50% по формуле (15):
15. Определяем параметр x по формуле (16):
16. Определяем степень очистки от пыли в аппарате определяют по таблице нормального функции распределения Гаусса F 0 (x) (таблица 3):
Таблица 3.
Значения нормальной функции распределения Гаусса: 
| х | F 0 (х) | х | F 0 (х) | х | F 0 (х) | х | F 0 (х) | х | F 0 (х) | х | F 0 (х) |
| -2,70 | 0,0035 | -1,36 | 0,0869 | -0,58 | 0,2810 | 0,16 | 0,5636 | 0,94 | 0,8264 | 1,66 | 0,9515 |
| -2,60 | 0,0047 | -1,34 | 0,0901 | -0,56 | 0,2877 | 0,18 | 0,5714 | 0,96 | 0,8315 | 1,68 | 0,9535 |
| -2,50 | 0,0062 | -1,32 | 0,0934 | -0,54 | 0,2946 | 0,20 | 0,5793 | 0,98 | 0,8365 | 1,70 | 0,9554 |
| -2,40 | 0,0082 | -1,30 | 0,0968 | -0,52 | 0,3015 | 0,22 | 0,5871 | 1,00 | 0,8413 | 1,72 | 0,9573 |
| -2,30 | 0,0107 | -1,28 | 0,1003 | -0,50 | 0,3085 | 0,24 | 0,5948 | 1,02 | 0,84C1 | 1,74 | 0,9591 |
| -2,20 | 0,0139 | -1,26 | 0,1038 | -0,50 | 0,3085 | 0,26 | 0,6026 | 1,04 | 0,8508 | 1,76 | 0,9608 |
| -2,10 | 0,0179 | -1,24 | 0,1075 | -0,48 | 0,3156 | 0,28 | 0,6103 | l,06 | 0,8554 | 1,78 | 0,9625 |
| -2,00 | 0,0228 | -1,22 | 0,1112 | -0,46 | 0,3228 | 0,30 | 0,6179 | 1,08 | 0,8599 | 1,80 | 0,9641 |
| -1,98 | 0,0239 | -1,20 | 0,1151 | -0,44 | 0,3300 | 0,32 | 0,6255 | 1,10 | 0,8643 | 1,82 | 0,9656 |
| -1,96 | 0,0250 | -1,18 | 0,1190 | -0,42 | 0,3372 | 0,34 | 0,6331 | 1,12 | 0,8686 | 1,84 | 0,9671 |
| -1,94 | 0,0262 | -1,16 | 0,1230 | -0,40 | 0,3446 | 0,36 | 0,6406 | 1,14 | 0,8729 | 1,86 | 0,9686 |
| -1,92 | 0,0274 | -1,14 | 0,1271 | -0,38 | 0,3520 | 0,38 | 0,6480 | 1,16 | 0,8770 | 1,88 | 0,9699 |
| -1,90 | 0,0288 | -1,12 | 0,1314 | -0,36 | 0,3594 | 0,40 | 0,6554 | 1,18 | 0,8810 | 1,90 | 0,9713 |
| -1,88 | 0,0301 | -1,10 | 0,1357 | -0,34 | 0,3669 | 0,42 | 0,6628 | 1,20 | 0,8849 | 1,92 | 0,9726 |
| -1,86 | 0,0314 | -1,08 | 0,1401 | -0,32 | 0,3745 | 0,44 | 0,6700 | 1,22 | 0,8888 | 1,94 | 0,9738 |
| -1,84 | 0,0329 | -1,06 | 0,1446 | -0,30 | 0,3821 | 0,46 | 0,6772 | 1,24 | 0,8925 | 1,96 | 0,9750 |
| -1,82 | 0,0344 | -1,04 | 0,1492 | -0,28 | 0,3897 | 0,48 | 0,6844 | 1,22 | 0,8888 | 1,98 | 0,9761 |
| -1,80 | 0,0359 | -1,02 | 0,1539 | -0,26 | 0,3974 | 0,50 | 0,6915 | 1,24 | 0,8925 | 2,00 | 0,9772 |
| -1,78 | 0,0375 | -1,00 | 0,1587 | -0,24 | 0,4052 | 0,52 | 0,6985 | 1,24 | 0,8925 | 2,10 | 0,9821 |
| -1,76 | 0,0392 | -0,98 | 0,1635 | -0,22 | 0,4129 | 0,54 | 0,7054 | 1,26 | 0,8962 | 2,20 | 0,9861 |
| -1,74 | 0,0409 | -0,96 | 0,1685 | -0,20 | 0,4207 | 0,56 | 0,7123 | 1,28 | 0,8997 | 2,30 | 0,9893 |
| -1,72 | 0,0427 | -0,94 | 0,1736 | -0,18 | 0,4286 | 0,58 | 0,7190 | 1,30 | 0,9032 | 2,40 | 0,9918 |
| -1,70 | 0,0446 | -0,92 | 0,1788 | -0,16 | 0,4364 | 0,60 | 0,7257 | 1,32 | 0,9066 | 2,50 | 0,9938 |
| -1,68 | 0,0465 | -0,90 | 0,1841 | -0,14 | 0,4443 | 0,62 | 0,7324 | 1,34 | 0,9099 | 2,60 | 0,9953 |
| -1,66 | 0,0485 | -0,88 | 0,I894 | -0,12 | 0,4522 | 0,64 | 0,7389 | 1,36 | 0,9131 | 2,70 | 0,9965 |
| -1,64 | 0,0505 | -0,86 | 0,1949 | -0,10 | 0,4602 | 0,66 | 0,7454 | 1,38 | 0,9162 | ||
| -1,62 | 0,0526 | -0,84 | 0,2005 | -0,08 | 0,4681 | 0,68 | 0,7517 | 1,40 | 0,9192 | ||
| -1,60 | 0,0548 | -0,82 | 0,2061 | -0,06 | 0,4761 | 0,70 | 0,7580 | 1,42 | 0,9222 | ||
| -1,58 | 0,0571 | -0,80 | 0,2119 | -0,04 | 0,4840 | 0,72 | 0,7642 | 1,44 | 0,9251 | ||
| -1,56 | 0,0594 | -0,78 | 0,2177 | -0,02 | 0,4920 | 0,74 | 0,7703 | 1,46 | 0,9279 | ||
| -1,54 | 0,0618 | -0,76 | 0,2236 | -0,00 | 0,5000 | 0,76 | 0,7764 | 1,48 | 0,9306 | ||
| -1,52 | 0,0643 | -0,74 | 0,2297 | 0,00 | 0,5000 | 0,78 | 0,7823 | 1,50 | 0,9332 | ||
| -1,50 | 0,0668 | -0,72 | 0,2358 | 0,02 | 0,5080 | 0,80 | 0,7881 | 1,52 | 0,9357 | ||
| -1,48 | 0,0694 | -0,70 | 0,2420 | 0,04 | 0,5160 | 0,82 | 0,7939 | 1,54 | 0,9382 | ||
| -1,46 | 0,0721 | -0,68 | 0,2483 | 0,06 | 0,5239 | 0,84 | 0,7995 | 1,56 | 0,9406 | ||
| -1,44 | 0,0749 | -0,66 | 0,2546 | 0,08 | 0,5319 | 0,86 | 0,8051 | 1,58 | 0,9429 | ||
| -1,42 | 0,0778 | -0,64 | 0,2611 | 0,10 | 0,5398 | 0,88 | 0,8106 | 1,60 | 0,9452 | ||
| -1,40 | 0,0808 | -0,62 | 0,2676 | 0,12 | 0,5478 | 0,90 | 0,8159 | 1,62 | 0,9474 | ||
| -1,38 | 0,0838 | -0,60 | 0,2743 | 0,14 | 0,5557 | 0,92 | 0,8212 | 1,64 | 0,9495 |
Варианты температуры воздуха на входе в скруббер Вентури типа ГВПВ
| Варианты: | № 1 (21) | № 2 (22) | № 3 (23) | № 4 (24) | № 5 (25) | № 6 (26) | № 7 (27) | № 8 (28) | № 9 (29) | № 10 (30) |
| Температура воздуха на входе в трубу Вентури, t гвх , 0С |
| Варианты: | № 11 | № 12 | № 13 | № 14 | № 15 | № 16 | № 17 | № 18 | № 19 | № 20 |
| Температура воздуха на входе в трубу Вентури, t гвх , 0С |
Варианты удельного расхода орошающей жидкости
| Варианты: | № 1 (21) | № 2 (22) | № 3 (23) | № 4 (24) | № 5 (25) | № 6 (26) | № 7 (27) | № 8 (28) | № 9 (29) | № 10 (30) |
| Удельный расход орошающей жидкости (воды) m, л/м3 | 0,50 | 0,55 | 0,60 | 0,65 | 0,70 | 0,750 | 0,80 | 0,85 | 0,90 | 0,95 |
| Варианты: | № 11 | № 12 | № 13 | № 14 | № 15 | № 16 | № 17 | № 18 | № 19 | № 20 |
| Удельный расход орошающей жидкости (воды) m, л/м3 | 1,0 | 1,05 | 1,10 | 1,15 | 1,20 | 1,25 | 1,30 | 1,35 | 1,40 | 1,45 |
Варианты давления орошающей жидкости перед форсункой
| Варианты: | № 1 (21) | № 2 (22) | № 3 (23) | № 4 (24) | № 5 (25) | № 6 (26) | № 7 (27) | № 8 (28) | № 9 (29) | № 10 (30) |
| Давление жидкости перед форсункой p ж, МПа | 0,50 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 |
| Варианты: | № 11 | № 12 | № 13 | № 14 | № 15 | № 16 | № 17 | № 18 | № 19 | № 20 |
| Давление жидкости перед форсункой p ж, МПа | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 2,1 | 2,2 | 2,3 | 2,4 |
Плотность очищаемого газа (воздух) при нормальных условиях: ρ0г = 1,21 кг/м3.
Задаваемая скорость в циклоне-каплеуловителе: v ц = 4,0 м/с.
Число форсунок в аппарате: n =1.
Параметры и условия очистки тарировочной пыли со степенью очистки η=50% в скруббере Вентури типа ГВПВ: ρчт = 1000 кг/м3; = 0,556; μгт = 1,83 .10-5 Па.с.