Лекция № 4

Барботажные и пенные аппараты.

В барботажных аппаратах очищаемые газы в виде пузырьков проходят через слой жидкости; при этом вследствие большой поверхности соприкосновения газов с жидкостью протекает процесс очистки газов от взвешенных частиц. Очищаемые газы барботируют в жидкость через трубки, опущенные в слой жидкости. Для дробления газов на мелкие пузырьки край барботажной трубки делают зубчатым. Эффективность подобных аппаратов достаточно велика, однако из-за сложности изготовления они имеют ограниченное применение в промышленности.

В пенных аппаратах пылеулавливающий эффект достигается в результате движения очищаемого газа через слой пены. Пена в этих аппаратах может формироваться различными способами: на решетке, куда подается жидкость, продуваемая снизу воздушным потоком или при ударе воздушного потока о зеркало жидкости. Они просты по конструкции и достаточно эффективны. В отличие от барботеров в пенных пылеуловителях газы проходят через жидкость со скоростью, превышающей скорость свободного всплывания пузырьков, что создает условия для образования высокотурбулизованной пены (рис. 16).

Рис. 16 – Пенные аппараты:

а) с провальной решеткой б) с переливной решеткой

Пенные газопромыватели представляют собой вертикальный аппарат круглого или прямоугольного сечения, во внутренней полости которого установлены перфорированные или щелевые решетки. Очищенные газы поступают к решеткам снизу. В результате интенсивного перемешивания газа с жидкостью в слое пены происходит смачивание и выделение из потока пылевидных частиц, которые выводятся из аппарата в виде шлака, а очищенные газы выходят через патрубок, расположенный в верхней части аппарата.

В пылеуловителе (а) жидкость как бы «проваливается» сквозь отверстия в решетке, через которые поступает очищенный поток. Аппараты с переливными решетками могут работать (б) со свободным сливом пены через сливной порог. Для эффективной работы аппаратов важно, чтобы жидкость и газ равномерно распределялись по поверхности решеток. В аппаратах с переливными решетками расходуется примерно в 3 раза меньше воды, однако решетки провального типа меньше забиваются пылью, поскольку стекающая в отверстия вода смывает осадок с решеток.

ω_г = 1,0...1,2 м/с

Δр = 300...500 Па

d_ч ≥ 1..2 мкм

Q_Н2О = 0,2...0,5 кг/м³ на 1 м²

η = 95...96%

Аппараты ударно-инерционного типа.

В газопромывателях ударно-инерционного действия газы очищаются от пыли в результате удара загрязненного газового потока о поверхность жидкости.

Чем выше скорость подходящего к поверхности жидкости аэрозольного потока, тем эффективнее будут использоваться силы инерции инородных включений газового потока. Однако с увеличением скорости газов в аппарате над поверхностью жидкости образуется газожидкостная взвесь, что приводит к необходимости пропускать уходящие из пылеуловителя газы через сепаратор жидкой фазы.

Рис. 17 – Мокрый пылеулавливатель

ударно-инерционного действия

С приближение нижнего среза газоподводящего патрубка к поверхности жидкости возрастает эффективность очистки газов при одновременном увеличении гидравлического сопротивления.

ω_г = 20 м/с

Δр = 400...4300 Па

d_ч ≥ 3 мкм

η = 98...99%

Аппараты центробежного типа.

В газопромывателях центробежного действия используется тот же принцип очистки аэрозольных потоков, что и в циклонах. При этом очищенный газ подается в нижнюю часть аппарата через боковой тангенциальный или улиточный ввод. Происходит закручивание газового потока в верхней части аппарата. На его внутренние поверхности соплами тангенциально подается вода, в результате чего на стенках образуется стекающая вниз пленка жидкости. Отбрасываемые центробежными силами твердые включения газового потока захватываются пленкой жидкости и транспортируются в шламосборник.

Для предотвращения брызгоуноса на выходе из аппарата целесообразно ставить каплеуловитель.

При содержании пыли, превышающем 2 г/м³, до циклона с водяной пленкой рекомендуется устанавливать первую ступень очистки в виде сухого циклона или другого пылеуловителя.

ω_г = 14...20 м/с

d_ч ≥ 30 мкм  η = 99,5%

d_ч ≥ 5 мкм  η = 85%

Эффективность работы этих аппаратов обеспечивается в том случае, если очищаемые газы совершают не менее 5 оборотов в цилиндрической части корпуса аппарата.

Рис. 18

Скоростные турбулентные пылеуловители.

Турбулентные промыватели применяют, главным образом, для очистки газов от микронной и субмикронной пыли. Принцип действия этих аппаратов основан на интенсивном дроблении жидкости газовым потоком, движущимся со скоростью 60...150 м/с. Осаждению частиц пыли способствует высокая турбулентность газожидкостных потоков.

Характерный признак этих аппаратов – наличие трубы-распылителя, в которой происходит перемешивание потоков жидкости и газа. В качестве трубы-распылителя в аппаратах данного типа используется труба Вентури. В связи с чем скоростные турбулентные газопромыватели получили название скрубберов Вентури. На рис. 19 показан один из вариантов скруббера Вентури с выносным пылеуловителем.

Рис. 19 – Скруббер Вентури с выносным пылеуловителем

Труба Вентури имеет плавное сужение на входе (конфузор) и плавное расширение на выходе (диффузор). Наиболее узкая часть трубы Вентури называется горловиной. В конфузор на некотором расстоянии от горловины с помощью форсунок подводится жидкость. Запыленный поток с большой скоростью проходит через горловину и входит в диффузор. В процессе истечения газа через горловину происходит тесный контакт между газом и жидкостью. Процесс очистки газа в аппарате можно рассматривать как фильтрование газа через объемный фильтр, состоящий из мельчайших капелек, образующихся при дроблении жидкости.

При движении газа через диффузорный участок трубы скорость потока снижается, в результате происходит агрегация мелких капель. Для их улавливания за трубой Вентури предусматриваются мокрые ударно-инерционные пылеуловители или мокрые прямоточные циклоны.

Эффективность улавливания пыли в скрубберах Вентури увеличивается с ростом скорости газов в горловине и плотности орошения. Оптимальное соотношение между скоростью газов в горловине трубы и плотностью орошения определяют для каждого вида пыли, оно зависит от ее дисперсного состава. Так, при улавливании частиц пыли, размеры которых меньше 0,1 мкм, большое значение приобретает продолжительность контакта запыленных газов с поверхностью диспергированной жидкости. В этом случае повышение эффективности может быть достигнуто при снижении скорости газов до 50 м/с и увеличении плотности орошения до 3,5 л/м³ газа. При улавливании частиц размером больше 0,1 мкм эффективность процесса зависит от инерционных сил, поэтому необходимы высокие скорости газа в горловине (100...120 м/с).

ω_г = 60...150 м/с

d_ч от 0,1...0,5 до 1...2 мкм

С_вх = 1...100 г/м³

Q_Н2О = 0,1...6 л/м³

η = 95...99%

П до 250 тыс. м³/ч

Эффективность очистки в скруббере Вентури

Вид пыли или тумана	Размер частиц, мкм	Запыленность, г/м3		η, %
		вход	выход
Туман H2SO4 в производстве H2SO4	-	0,3	0,0016	99,4
TiO2 в производстве TiO2	0,5	2,29	0,114	95,0

2.6 Туманоуловители

В настоящее время для сепарации капель из газовых потоков применяют гравитационные, инерционные, центробежные и фильтрационные методы. Выбор метода сепарации осуществляется с учетом реальных факторов: массы уноса, количества выбросов, дисперсного состава капель, свойств капельной жидкости и содержащихся в ней примесей.

Гравитационные каплеуловители аналогичны рассмотренным ранее осадительным камерам для очистки пыли. Область применения гравитационных каплеуловителей – улавливание крупных капель при больших нагрузках по жидкости (до 1 кг/м³ и более). К недостаткам каплеуловителей данного типа относят большие габаритные размеры и низкую эффективность при улавливании мелких капель.

Инерционные каплеуловители аналогичны инерционным пылеуловителям. В качестве инерционных каплеуловителей используются различного рода аппараты. Насадка может выполняться из дробленой породы, стружки, гальки, шлака, стандартных элементов (колец Рашига, сферический элементов и др.).

Эффективность инерционных каплеуловителей возрастает с увеличением скорости газового потока. Однако эта зависимость сохраняется до определенной скорости. По достижении газовым потоком критической скорости, различной для разных насадок и внутриаппаратных устройств, наступает эффект срыва капель и их уноса. Для большинства инерционных каплеуловителей оптимальная скорость газов находится в пределах 3...5 м/с.

Для увеличения критической скорости применяют наклонное (под углом 40...45°) расположение сепараторов. Недостаток инерционных каплеуловителей – склонность к образованию отложений в насадочных материалах.

Δр = 40...120 Па

Центробежные каплеуловители имеют следующие достоинства: высокая эффективность, небольшая склонность к образованию отложений, небольшие габаритные размеры по сравнению с рассмотренными ранее типами аппаратов.

Коленные сепараторы выполняют в виде «колена» прямоугольного поперечного сечения. Для сбора и отвода уловленной жидкости в коленных сепараторах применяют разрывы канала «колена» (рис. 20).

ω_г = 10...18 м/с

Δр = 80...1500 Па

Рис. 20 – «Коленный» сепаратор

В циклонных каплеуловителях сепарация капель из очищаемых газов осуществляется за счет действия центробежных сил. Подаваемый на очистку газы с помощью улиточного ввода или встроенных внутренних завихрителей приводятся во вращательно-поступательное движение внутри корпуса циклона. Под действием центробежных сил капли жидкости прижимаются к стенкам циклона, осаждаются на них, образуя пленку жидкости на внутренней поверхности циклона. По стенкам жидкость стекает в нижнюю часть циклона и далее – в сборник жидкости.

ω_г = 4,5...5,5 м/с

η = 70...90%

С_вых = 60...100 мг/м³

В качестве каплеуловителей могут использоваться циклоны ЦН-24, ЦН-15, ЦН-11.

Если в отходящих газах содержатся капли ценных химических, агрессивных или вредных веществ, их одноступенчатая очистка в ранее описанных аппаратах может оказаться недостаточной как с экономической, так и с точки зрения охраны окружающей среды. В подобных случаях целесообразно применять многоступенчатые схемы очистки. В качестве возможных вариантов таких схем целесообразно использовать пенные аппараты. На второй ступени применяют центробежные и другие каплеуловители.

Фильтры волокнистые используют для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей. Принцип их действия основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости под действием силы тяжести.

Туманоуловители делят на низкоскоростные (ω_ф ≤ 0,15 м/с), в которых преобладает механизм диффузионного осаждения, и высокоскоростные (ω_ф = 2...2,5 м/с), где осаждение происходит главным образом под действием инерционных сил.

Волокнистые низкоскоростные туманоуловители обеспечивают η до 99,9% от частиц с d_ч < 3 мкм и полностью улавливают частицы большего размера. Волокнистые слои формируются набивкой стекловолокна диаметром от 7 до 30 мкм или полимерных волокон (лавсан, полипропилен) диаметром от 12 до 40 мкм. Толщина слоя 5...15 см.

d_ч < 3 мкм

ω_ф ≤ 0,15 м/с

Δр = 200...1000 Па

η = 99,9%

Высокоскоростные туманоуловители имеют меньшие габаритные размеры и обеспечивают η = 90...98% при Δр = 1500...2000 Па (d_ч < 3 мкм). В качестве фильтрующей набивки в таких туманоуловителях используют войлоки из пропиленовых волокон, которые успешно работают в среде разбавленных и концентрированных кислот (H₂SO₄, HCl, HF, H₃PO₄, HNO₃) и щелочей.

d_ч < 3 мкм

ω_ф ≤ 2...2,5 м/с

Δр = 1500...2000 Па

η = 90...98%

В тех случаях, когда диаметр капель тумана составляет 0,6ююю0,7 мкм и менее, для достижения приемлемой эффективности очистки приходится увеличивать ω_ф до 4,5...5 м/с, что приводит к заметному брызгоуносу.

На рис. 21 показана конструкция высокоскоростного волокнистого туманоуловителя с цилиндрическим фильтрующим элементом 3, который представляет собой перфорированный барабан с глухой крышкой. В барабане установлен грубоволокнистый войлок 2 толщиной 3-5 мм. Вокруг барабана по его внешней стороне расположен брызгоуловитель 1, представляющий собой несколько перфорированных плоских и гофрированных слоев винипластовых лент. Брызгоуловитель и фильтроэлемент нижней частью установлены в слой жидкости.

Рис. 21 – Высокоскоростной туманоуловитель

Все рассмотренные пылеуловители делят на 5 классов:

Класс пылеуловителя	Группа пыли по дисперсности		Эффективность очистки
I		V (< 1 мкм)		0,8
II		IV (1...10)		0,45...0,999
III		III (10...40)		0,8...0,999
IV		II (40...140)		0,95...0,999
V		I (> 140 мкм)		0,99...0,999