Разделение газовых систем

Промышленная очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц проводится для уменьшения загрязненности воздуха, улавливания из газа ценных продуктов или удаления из него вредных примесей.

Примеси могут быть – твердыми (пыль), источником которых являются процессы измельчения твердых тел, горение топлива, при химическом взаимодействии газов, сопровождающемся образованием твердой фазы (размер ≈ 3÷70 мкм), взвеси, образующиеся в результате конденсации паров (нефтяные дымы, туманы серной кислоты), размер 0,001÷1 мкм.

Выбор способа очистки определяется видом примеси, газа, технологическими условиями и требованиями.

Наиболее распространены следующие способы:

1. осаждение под действием силы тяжести (гравитационная очистка);

2. осаждение под действием инерционных, в частности центробежных сил;

3. фильтрование;

4. мокрая очистка;

5. осаждение под действием электростатических сил.

Качество очистки оценивается по степени очистки:

(71)

G₁ и G₂ – количество взвешенных частиц в исходном и очищенном газе, кг/г;

V₁, V₂ – объемный расход исходного и очищенного газа, приведенного к н.у. (t=0 ⁰С, р=1 ат).

На практике требуемая степень очистки газа не всегда может быть достигнута в 1 аппарате. Поэтому в ряде случаев применяют двухступенчатые и многоступенчатые аппараты одного и того же или разных типов.

Характеристика различных способов

1. Гравитационная очистка – подчиняется тем же законам, что и осаждение (см. понятие скорости осаждения в неподвижной жидкости). При осаждении в ламинарном режиме:

(72)

d – диаметр частиц; ρ_т – плотность частиц;

ρ – плотность среды; μ – вязкость.

Общее уравнение:

(73)

ζ – сопротивление среды.

Т.к. ρ_т<ρ_г, то скорость очистки значительно выше, чем в жидкости, однако по сравнению с другими методами малоэффективен, т.к. действующие силы (mg) меньше, чем центробежные и другие инерционные.

Очитку проводят в пылеосадительных камерах.

Газ поступает в камеру, где пыль осаждается на полках. Расстояние между полками 0,1-0,4 м. Их наличие, во-первых, увеличивает поверхность осаждения, во-вторых, уменьшает путь (траекторию) осаждающейся частицы.

(рисунок)

Устройство: 1. Камера. 2. Полки.

3. Отражательная перегородка. 4. Дверцы для очистки.

Отражательная перегородка способствует более равномерному распределению газа на полках, т.к. выравнивает гидравлическое сопротивление каналов. Кроме того, под действием сил инерции на (3)осаждается дополнительная часть пыли. Удаление пыли с полок или через дверцы (4) скребками или смывается водой. Для непрерывной работы используют 2 камеры – для предварительной грубой очистки от крупных частиц > 100 мкм. Степень очистки 30-40%.

2. Очистка газов под действием центробежных сил.

Действие пылеуловителей основано на использовании инерционных сил, возникающих при резком изменении направления газового потока, сопровождающемся значительным уменьшением скорости. Этого добиваются, устанавливая на пути газа перегородки или коленчатые газоходы. Направление движения газа меняется на 90 или 180 ⁰. Для эффективной очистки скорость газа перед перегородкой должна быть не менее 5-15 м/с.

Примером аппаратов, работающих на этом принципе, являются циклоны и жалюзийные пылеуловители.

Циклоны – разработано большое число разновидностей циклонов, в которых степень очистки повышают за счет усложнения конструкции. Это приводит к удорожанию аппарата и повышению энергетических затрат, т.к. увеличивается гидравлическое сопротивление. Простой и удачной считается конструкция НИИОгаз (Научно-исследовательский институт по санитарной и промышленной очистке газа).

1. Корпус.

2. Коническое днище.

3. Крышка.

4. Входной патрубок.

5. Пыылесборник.

6. Выхлопная труба.

Запыленный газ подается тангенциально со скоростью 20-30 м/сек через патрубок 4 в верхнюю часть. Благодаря тангенциальному вводу от приобретает вращательное движение вокруг выхлопной трубы. Пыль отбрасывается к стенкам корпуса. В аппарате создаются 2 спиральных потока: 1) внешний поток запыленного газа у стенок циклона; 2) внутренний поток очищенного газа, который поднимается в выхлопную трубу и удаляется из циклона. Пыль концентрируется вблизи стенок и переносится потоком в разгрузочный бункер-пылесборник.

Степень очистки в циклонах зависит от размеров частиц:

Ø 100÷1000 мм. 30-85% (d≈5 мкм)

70-95% (d≈10 мкм)

95-95% (d≈20 мкм).

Содержание пыли в газе не должно превышать 0,4 кг/м³. Для циклонов Ø 2000÷3000 мм допускается содержание пыли 3-6 кг/м³. Расчет их проводят по величине гидратического сопротивления аппарата Δр.

Степень очистки конкретного аппарата определяют по номограмам в зависимости от ρ_пыли, ее фракционного состава, начального содержания, допускаемого гидравлического сопротивления.

Степень очистки зависит от фактора разделения:

(74)

следовательно, можно:

• или увеличить w, но тогда ухудшается очистка из-за повышения степени турбулентности, и увеличивается гидратическое сопротивление;

• или уменьшить r, что снижает производительность.

Поэтому используют для очистки больших количеств газа мультициклоны или батарейные циклоны. В одном корпусе монтируют несколько циклонов небольшого Ø (20 и более). Вращательное движение газу сообщается с помощью закручивающего устройства («винт»-э лопасти угол 25⁰, «розетка» – 8 лопастей угол 25⁰ и угол 30⁰).

Размеры циклонных элементов нормализованы и составляют Ø 100, 150, 250 мм.

Степень очистки: 65-85% (d≈5 мкм)

85-90% (d≈10 мкм)

90-95% (d≈20 мкм).

Достоинства циклонных аппаратов:

• простота конструкции;

• возможность очистки газов при высокой температуре;

• по сравнению с пылеосаждающими камерами более высокая степень очистки, более компактны, могут устанавливаться под наклоном, более экономичны.

Недостатки:

• высокое гидратическое сопротивление 400÷700 Па;

• чувствительность к колебанию нагрузки;

• истираемость корпуса;

• в батарейных циклонах необходимо исключить слипание пыли (т.е. пыль должна быть сыпучей).

Рекомендуется для очистки от пыли d<10 мкм.

Жалюзийный пылеуловитель – состоит из первичного жалюзийного пылеуловителя и циклона (как вторичного п/у).

Пылеуловитель представляет собой корпус, в котором устанавливаются жалюзи – набор наклонных колец, установленных с зазором 2-3 мм и частично перекрывающих друг друга.

Частицы пыли, ударяясь о кольца жалюзи, отбрасываются к оси конуса, а очищенный газ проходит через зазоры и удаляется через патрубок.

≈10% газа из конуса, содержащего основное количество пыли, поступает на очистку в циклоне, затем возвращается в линию запыленного газа.

Степень очистки ≈60%, рекомендуется для d>25 мкм.

Достоинство: простота конструкции.

Недостаток: высокое гидратическое сопротивление, быстрый износ и забивание перегородок.

3. Фильтрование.

При очистке фильтрованием газы проходят через пористые перегородки.

В зависимости от вида фильтровальной перегородки различают 4 типа фильтров:

а) Фильтры с гибкими пористыми перегородками: часто применяются рукавные фильтры.

1. Входной газоход.

2. Рукава.

3. Распределительная решетка.

4. Рама.

5. Выхлопная труба.

6. Дроссельные клапаны.

7. Газоход для продувки рукавов.

8. Пылеприемная камера.

9. Шнек.

Газ поступает через газоход 1 и распределительную решетку в пористые рукава, удаляется через выхлопную трубу. Для очистки фильтра подачу газа прекращают и через газоход, подают под избыточным давление воздух или очищенный газ. При этом встряхивают механически раму 4. Пыль попадает в камеру 8, откуда удаляется шнеком 9. В настоящее время используют продувку без отключения подачи газа: через газоход подают сжатый газ с избыточным давлением 6-10 кПа (≈1,5 атм.). О необходимости регенерации фильтров свидетельствует увеличение гидравлического сопротивления до 2-2,5 кПа.

Установки включают несколько таких элементов для обеспечения непрерывной работы.

Степень очистки 98-99%.

Достоинство: очищает от тонкодисперсной пыли.

Недостаток: быстрый износ ткани.

Выбор ткани: определяется механической прочностью, химической и термической стойкостью. Верхний температурный предел обеспечивается термической стойкостью ткани, нижний температурный предел – точкой росы газа, т.к. происходит увлажнение фильтра и замазывание его грязью.

Виды ткани: хлопок, лен (<80 ⁰С), шерсть (<110 ⁰С), полиамид, полиэтилен (волокна) (<130 ⁰С÷140 ⁰С), фторпласт, политетрафторэтилен (275⁰С); реже - стекловолокно (<400 ⁰С), кремнезем (1000 ⁰С) – 2 последних плохо работают на изгиб.

б) Фильтры с жесткими пористыми перегородками: используются для сверхтонкой очистки газа.

Материал перегородок – керамика, металлокерамика, пластмассы или мелкоячеистые сетки.

Для очистки химически агрессивных горячих газов используют металлокерамические фильтры. Их изготавливают из гранул, порошка или стружки металла путем прессования и спекания, проката или литья (d>0,5 мкм).

в) Фильтры с полужесткими пористыми перегородками: фильтры набираются из ячеек, в которых между сетками зажат слой стекловолокна, шлаковаты, металлической стружки, смоченной маслом.

Применяются для очистки малозапыленных газов (0,001-0,005 г/м³). Используются в вентиляции.

Для очистки высокодисперсных и радиоактивных аэрозолей используют фильтры Петрянова (ФП – марка).

г) Фильтры с зернистыми слоями: зернистый мтериал заключается в секции из перфорированных листов, из которых набирают фильтр. Слои могут быть как вертикально, так и горизонтально, с неподвижным или перемещающимся материалом. В качестве материала используют раздробленный шлак, кокс, гравий, песок и пр.

Используются для тонкой очистки газов от паров масла, от сажи, пыли.

Выбор типа фильтра обусловлен следующими свойствами:

• химические свойства газа и его температура;

• гидравлическое сопротивление перегородки;

• размеры взвешенных частиц.

4. Мокрая очистка газов.

Это промывка газа водой или другой жидкостью – эффективна тогда, когда возможно охлаждение и увлажнение газа, а выделяемая пыль не представляет ценности.

Охлаждение газа ниже точки росы содержащихся в нем паров способствует увеличению веса твердых пылинок (центры конденсации). Если пыль не смачивается водой или тонкодисперсная, то в воду добавляют поверхностно-активные вещества.

Промывная жидкость после газоочистки направляется в отстойники и шламоуловители, осветляется, охлаждается и возвращается на газоочистку.

Главный недостаток – большое количество отходов – шламов.

Используемые аппараты:

а) Полые и насадочные скрубберы: колонные аппараты, квадратного или круглого сечения. Газ движется снизу вверх со скоростью 0,8-1,5 м/сек и орошается водой через форсунки по всей высоте колонны.

В насадочных скрубберах вода подается сверху, поверхность контакта фаз образуется на насадке (кольца, хордовая, кокс, кварц).

Степень очистки 60-75% - в полых, 75-85% - в насадках. Гидравлическое сопротивление 150-200 и 200-300 Па соответственно.

б) Центробежные скрубберы – подобны циклонам, только газ подается внизу тангенциально, а стенки корпуса смачиваются водой (тонкая пленка). Степень очистки 95% (d≈5÷30 мкм), 85-90% (d≈2÷5 мкм).

Достоинство – низкое гидравлическое сопротивление, простота.

в) Скрубберы Вентури – используются для тонкой очистки от высокодисперсной пыли.

1. Конфузор.

2. Горловина с отверстием для ввода жидкости.

3. Диффузор.

4. Циклонный сепаратор.

В диффузоре скорость газа увеличивается до 60÷150 м/с, в горловину 2 подается под давлением 30-100 кПа жидкость, которая диспергирует в струе газа на капли Ø 10 мкм. При соударениях с пылью капли поглощают твердые частицы и укрупняются. В диффузоре скорость газа уменьшается до 25 м/с, и газ подается в циклонный сепаратор, где жидкость по стенкам стекает и удаляется в отстойник.

В скруббере Вентури улавливают тонкие частицы и туманы (0,2-1,1 мкм).

Степень очистки – до 99%.

Достоинство: простота устройства.

Недостаток: высокое гидравлическое сопротивление (1500-7500 Па).

г) Барботажные (пенные) пылеуловители – используются при очистке сильнозапыленных газов.

Внутри аппарата устанавливается перфорированная тарелка. Газ барботирует через слой жидкости на тарелки. 80% жидкости удаляется через регулируемый порог с пеной, 20% жидкости сливается через отверстия тарелки и удаляется через штуцер, улавливая крупные частицы.

Число тарелок зависит от требуемой степени очистки.

Степень улавливания 95÷99%.