Расчет скруббера Вентури

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.

Конкретные конструкции скрубберов Вентури очень многообразны; только основных видов насчитываются десятки. Поэтому целесообразно остановиться только на типовых устройствах, широко апробированных в отечественной практике.

Наиболее современные конструкции аппаратов этого типа разработаны НИИОГАЗом. Первый типоразмерный ряд – прямоточные высоконапорные аппараты типа ГВПВ (рис. 5.6, табл. 5.4), состоящий из трубы круглого сечения и малогабаритного прямоточного циклона типа КЦТ (рис. 5.7, табл. 5.5).

		Рис. 5.7. Каплеуловитель типа КЦТ: 1 – входной патрубок; 2 – корпус; 3 – выходной патрубок
Рис. 5.6. Труба Вентури типа ГВПВ: 1 – диффузор; 2 – горловина; 3 – конфузор; 4 – подвод орошающей воды

Таблица 5.4

Нормализованный ряд аппаратов типа ГВПВ

Типоразмер	Площадь сечения горловины, м2	Производительность (по условиям выхода), м3/ч	Основные размеры, мм					Масса, кг
			d1	d2	d3	h	H
ГВПВ-0,006	0,006	1700-3500	273	85	219	12	1850	70
ГВПВ-0,010	0,010	3100-6500	377	115	325	17	2500	120
ГВПВ-0,014	0,014	4140-8400	400	135	377	20	2940	150
ГВПВ-0,019	0,019	5590-11340	480	155	400	24	3140	175
ГВПВ-0,025	0,025	7450-15120	600	180	480	27	3790	257
ГВПВ-0,030	0,030	9320-18900	630	200	530	30	4025	310
ГВПВ-0,045	0,045	13800-28000	720	240	630	35	4620	420
ГВПВ-0,060	0,060	18630-37800	900	280	720	40	5425	560
ГВПВ-0,080	0,080	23460-47600	1000	320	820	50	5940	675
ГВПВ-0,100	0,100	32430-65800	1120	370	1000	55	7240	975
ГВПВ-0,140	0,140	41400-84000	1320	420	1120	65	8140	1200
Примечания: 1. Температура газа до 400ºС. 2. Давление жидкости перед форсункой 0,08-0,98 МПа. 3. Удельный расход орошающей жидкости 0,5-2,5 л/м3

Таблица 5.5

Нормализованный ряд циклона типа КЦТ

Типоразмер	Внутренний диаметр D, мм	Полная высота H, мм	Производительность, м3/ч	Масса, кг
КЦТ-400	400	1210	1700	85
КЦТ-500	500	1750	3100-3890	154
КЦТ-600	600	2000	3890-5600	168
КЦТ-700	700	2220	5600-7625	218
КЦТ-800	800	2462	7625-9960	268
КЦТ-900	900	2754	9960-12600	332
КЦТ-1000	1000	3004	12600-15560	408
КЦТ-1200	1200	3557	15560-22410	708
КЦТ-1400	1400	4107	22410-30500	908
КЦТ-1600	1600	4607	30500-39840	1158
КЦТ-1800	1800	5208	39840-50420	1558
КЦТ-2000	2000	5758	50420-62245	1828
КЦТ-2200	2200	6408	62245-75315	2268
КЦТ-2400	2400	6908	75315-84000	2648

Рис. 5.8. Скруббер Вентури типа СВ с коническим обтекателем: 1 – форсунка; 2 – конфузор; 3 – горловина; 4 – регулирующий конический обтекатель; 5 – диффузор; 6 – направляющий патрубок; 7 – центробежный завихритель; 8 – корпус каплеуловителя; 9 – люк	Рис. 5.9. Скруббер Вентури типа СВ с эллиптическим (плоским) обтекателем: 1 – труба-распылитель; 2 – регулирующая вставка с эллиптическим обтекателем; 3 – циклон каплеуловитель; 4 – конический центробежный завихритель

Подача орошающей воды производится в конфузор трубы Вентури с помощью одной или нескольких цельнофакельных форсунок. Удельный расход воды изменяется от 0,5 до 2,5 дм/м³, гидравлическое сопротивление от 6 до 12 кПа. Скорость газа в каплеуловителе 4-5,6 м/с; при этом его гидравлическое сопротивление составляет 350 Па, а конечная концентрация капельной влаги находится в пределах 20-40 мг/м³. Труба Вентури устанавливается в любом положении (вертикально, горизонтально, наклонно).

Второй типоразмерный ряд – ряд скрубберов Вентури типа СВ с кольцевым сечением горловины, объединяющий аппараты двух модификаций. В аппаратах первой модификации (рис. 5.8) предусмотрена регулировка сечения горловины с помощью перемещения вверх и вниз конического обтекателя с углом раскрытия 7º. Требуемое гидравлическое сопротивление обеспечивается за счет изменения скорости газа в кольцевой горловине в пределах 100-200 м/с и удельного расхода жидкости от 0,5 до 3,5 дм³/м³. Эти аппараты имеют производительность от 2 до 50 тыс. м³/ч. Вторая модификация кольцевых скрубберов Вентури (рис. 5.9) имеет эллиптический (плоский) обтекатель и рассчитана на производительность от 50 до 500 тыс. м³/ч. Аппарат комплектуется из трубы-распылителя с регулируемым сечением горловины и отдельно стоящих (одного или двух) циклонов-каплеуловителей. Изменение гидравлического сопротивления аппарата от 4 до 12 кПа обеспечивается регулировкой скорости газа в сечении горловины от 80 до 180 м/с и изменением удельного расхода жидкости в пределах 0,5-3 дм³/м³.

Расчеты эффективности работы мокрых пылеуловителей различных типов, помимо собственных методик и фракционного метода (см. раздел 2.3), могут осуществляться с помощью так называемого энергетического метода, основанного на зависимости эффективности работы пылеуловителя от энергии, затраченной на процесс пылеулавливания. В соответствии с данным методом степень очистки может быть определена по формуле

η = 1 – exp(-B ),

(5.3)

где К_ч – суммарная энергия соприкосновения (основной энергетический параметр мокрого пылеуловителя), кДж/1000м³, определяемый по формуле

Кч = Δpап – pв·Vв/Vг,

(5.4)

где Δp_ап – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; p_в – давление распыляемой жидкости (воды) при входе в аппарат, Па; V_в и V_г – объемные расходы соответственно жидкости и газа, м³/с.

Константы B и χ определяются эмпирически и при расчетах пользуются справочными данными. В скрубберах Вентури давление воды перед форсункой необходимо принимать не менее 150 кПа, а расход жидкости вычисляется из выражения

Vв = m·Vг/n,

(5.5)

где n – число форсунок, m – удельный расход воды (при очистке от высокодисперсной пыли m = (0,5-2,5)·10^-3 м³/ м³).

Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури (Па) равно сумме сопротивлений трубы (Па) и каплеуловителя (Па):

Δpап = Δpт + Δpк,

(5.6)

Δp_т складывается из двух составляющих – сопротивления сухой трубы (Па) и гидравлического сопротивления, обусловленного наличием жидкости (Па):

Δpт = Δpс + Δpж,

(5.7)

Потери напора в трубе без орошения определяются по формуле

Δpс = ,

(5.8)

где w_г – скорость газа в горловине трубы при рабочих условиях, м/с; ρ_г – плотность газа при рабочих условиях, кг/м³; ζ_с – коэффициент сопротивления сухой трубы, при l_г = 0,15d_э (l_г – длина горловины, м; d_э – эквивалентный диаметр горловины, м) ζ_с = 0,12-0,15; при наличии удлиненной горловины и 10d_э > l_г > 15d_э коэффициент сопротивления

ζс = 0,165 + 0,034 – (0,06 + 0,028 )M,

(5.9)

где М = w_г/w_зв– число Маха; w_зв – скорость звука, м/с.

Потери напора, обусловленные введением жидкости, рассчитываются по формуле

Δpж = ,

(5.10)

где ρ_ж – плотность воды при рабочих условиях, кг/м³; ζ_ж – коэффициент сопротивления (для ГВПВ приблизительно ζ_ж = 1,0) определяемый из выражения

,

(5.11)

где А и (1+В) – эмпирические коэффициенты (табл.5.6).

Таблица 5.6

Значения коэффициентов А и (1+В)

Способ подвода орошения	Скорость газов в горловине, м/с	Длина горловины, м	Коэффициенты
			А	1+В
Центральный и пленочный в конфузор	>80	(0,15-12,0)dэ	1,68(lг/dэ)0,29	1-1,12(lг/dэ)0,045
	<80		3,49(lг/dэ)0,266	1-0,98(lг/dэ)0,026
Центральный перед конфузором	40-150	0,15dэ	0,215	-0,54
Периферийный в конфузор перпендикулярно газовому потоку	>80	0,15dэ	1,4	0,024
	<80		1,4	-0,316

В качестве каплеуловителей наиболее часто применяются прямоточные циклоны (например, КЦТ) или центробежные скрубберы системы ВТИ. Необходимый диаметр каплеуловителей выбирают исходя из условной скорости в циклоне w_ц, которая должна соответствовать диапазону 2,5-4,5м/с, и объемного расхода газа V_г:

Dц = 1,13 ,

(5.12)

Активная высота каплеуловителя H_ц в зависимости от скорости газа в циклоне выбирается из табл. 5.7.

Таблица 5.7

wц, м/с	2,5-3,0	3,0-3,5	3,5-4,5	4,5-5,5
Hц (в долях Dц)	2,5	2,8	3,8	4,5

Гидравлическое сопротивление каплеуловителя

Δpц = ,

(5.13)

Коэффициент сопротивления ζ_ц для прямоточного циклона принимается ζ_ц = 30-33, для циклона типа ЦН-24 с разрывом в выхлопной трубе ζ_ц = 70. Плотность газа в циклоне принимается равной плотности газа на выходе из трубы Вентури.

При расчете мокрых пылеуловителей возникает проблема расчета средних и конечных параметров газа (температура, расход, состав или влагосодержание) в аппарате. Ввиду сложности тепломассообмена между жидкой и газовой фазой расчет лучше вести по эмпирическим методикам. При их отсутствии, если газы горячие и не насыщены водяными парами, расчет можно произвести как для процесса испарительного охлаждения газа.

Пренебрегая тепловыми потерями в аппарате температуру, расход и состав газа после аппарата можно определить решив систему уравнений, относительно t_м и x_м:

		(5.14)
	смtм + xмiм = сначtнач + xначiнач + (xм – xнач)  свtм	(5.15)

где p = 101кПа – давление, в аппарате принимаемое для расчета; p_н(t_м) – давление водяных паров при насыщении и давлении 101кПа, определяемое по справочным данным в зависимости от температуры газовой смеси, кПа; x_нач и x_м – начальное и конечное влагосодержание сухих газов, кг/кг; t_нач и t_м – начальная температура газа и температура мокрого термометра, С; с_нач и с_м – средние удельные теплоемкости при постоянном давлении сухих газов в интервале температур от 0С до t_нач и t_м, Дж/(кгК); с_в = 4,19  10³ Дж/(кгК) – теплоемкость воды; i_нач и i_м – начальная и конечная энтальпии водяных паров, равные 2480 + 1,96t кДж/кг, где t принимается равной в свою очередь t_нач и t_м.

Уравнение (5.14) представляет собой уравнение теплового баланса для испарительного охлаждения газа, при котором горячий газ, ненасыщенный водяными парами контактирует с водой. Предполагается, что теплообмен газа и воды в аппарате успевает завершиться, и тогда газ и водяные пары на выходе будут иметь температуру мокрого термометра, а излишняя энергия газа будет затрачена на испарение воды

Т.к. система нелинейная, ее решение предпочтительнее производить с помощью ЭВМ, или решить методом последовательных приближений, находя t_м, предварительно задаваясь ею и определяя соответствующее ей p_н(t_м) по таблице 5.8 и влагосодержание x_м по формуле (5.14).

Таблица 5.8
Давление водяных паров при насыщении и давлении смеси 0,101 МПа
tм, ºС	pн, кПа	tм, ºС	pн, кПа	tм, ºС	pн, кПа	tм, ºС	pн, кПа
0	0,61	30	4,23	60	19,9	90	70,0
5	0,865	35	5,62	65	24,9	95	85,0
10	1,22	40	7,35	70	31,0	100	101
15	1,70	45	9,5	75	38,4
20	2,33	50	12,3	80	47,3
25	3,16	55	15,7	85	57,6

Для труб Вентури при расчетах конечных температур применима формула (при w_г = 50-150 м/с; m = 0,6 – 1,3 кг/м³ и начальной температуре газа от 100ºС), ºС:

,

(5.16)

где – температура газа на входе в трубу, ºС.

Эффективность скрубберов Вентури как уже отмечалось можно рассчитать и фракционным методом по (2.7), (2.8) и (5.2) приняв lgσ_η = 0,556 и определив величину (при ρ_ч = 1000 кг/м³ и μ_г = 18,3·10^-6 Па·с) по формуле:

.

(5.17)

С помощью последней формулы производится расчет скрубберов Вентури с кольцевым сечением горловины с переменным гидравлическим сопротивлением (см. выше). При этом решают обратную задачу, находят величину К_ч, а через нее рекомендуют Δp по формуле (5.4) в зависимости от заданной эффективности очистки.