1.6. Розділення газових систем

1.6.1. Загальні відомості

У промислових умовах внаслідок механічного подрібнення твердих матеріалів – дроблення і помелу, під час транспортування сипких матеріалів, згоряння палива, переробки й зберігання тонкоподрібнених матеріалів утво­рюється пил, який разом із газом викидається в атмосферу. Крім цього, в атмосферу потрапляють дрібні краплинки рідини (розмірами до 1 мкм), які утворюються під час конденсації парів (туман). Це призводить до забруднення повітря, втрат цінних матеріалів, корозії апаратури, порушення технологічних процесів тощо. Тому очистка промислових газів є одним із найважливіших технологічних завдань хімічних виробництв.

Розрізняють такі способи очистки газів:

– осадження під дією сил тяжіння;

– осадження під дією інерційних, зокрема, відцентрових сил;

– фільтрування;

– мокра очистка;

– осадження під дією електростатичних сил (електрична очистка).

Ступінь очистки газів у пиловловлювальних апаратах будь-якого типу (ККД апарата) визначають за залежністю:

, (1.108)

де V₁ i V₂ – об’ємні витрати газу на вході в апарат і на виході з нього (за нормальних умов), м³/с; х₁ і х₂ – концентрація пилу (туману) в запиленому й очищеному газі, приведеному до нормальних умов, кг/м³.

У деяких випадках для досягнення необхідного ступеня очистки газів використовують двоступеневі й багатоступеневі установки, які складаються з газоочисних апаратів одного або різних типів.

1.6.2. Очистка газів під дією сил тяжіння

Осадження твердих частинок у газовому середовищі підпорядковується закономірностям осадження під дією сил тяжіння у крапельній рідині. У межах дії закону Стокса рівняння (1.16) має вигляд:

,

звідки швидкість осадження:

, (1.109)

тобто швидкість осадження за інших однакових умов пропорційна до різниці густин частинок ρ_т і газу ρ_г. З урахуванням того, що густина газу ρ_г на три порядки менша від густини рідини ρ_р, можна зробити висновок, що швидкість очистки газів у полі дії сил тяжіння буде значно більшою від швидкості осадження у крапельно-рідких середовищах.

Максимальний розмір частинок, осадження яких здійснюється за законом Стокса, можна знайти, якщо в останній вираз замість швидкості осадження w_о ввести її значення через критерій Rе:

. (1.110)

Приймаючи граничне значення Rе = 2 для ламінарної області, визначимо:

(1.111)

Існує і мінімальний розмір частинок, нижче від якого спостерігається відхилення від закону Стокса. Нижня межа застосування закону Стокса становить Rе . Якщо Rе ≤ 10^-4, то на швидкість осадження дуже дрібних частинок починає впливати тепловий рух молекул середовища. За цих умов розмір частинок стає співмірним із середньою довжиною λ вільного пробігу молекул середовища і швидкість осадження виявляється меншою, ніж розрахо­вана за (1.109). Тому величину w_о, розраховану за рівнянням (1.109), необхідно розділити на поправковий коефіцієнт:

. (1.112)

Величина А змінюється для газів у межах 1,4–20 (для повітря А=1,5).

Згідно з розрахунками, під час осадження в повітрі частинок з розміром d > 3 мкм коефіцієнт k . Якщо d  0,1 мкм, пил не осаджується, а спосте­рігається тільки хаотичний броунівський рух його частинок.

Пилоосаджувальні камери. Камера 1 є спорудою здебільшого прямокут­ної форми (рис. 1.38), всередині якої розміщені горизонтальні перегородки (полички) 2. Частинки пилу осаджуються на перегородках під час руху газу каналами, утвореними перегородками. Відстань між поличками незначна і становить 0,1–0,4 м, тобто цим самим забезпечується невеликий шлях осаджен­ня частинок. Крім цього, наявність перегородок дає змогу збільшити ефективну поверхню осадження. Усе це сприяє зменшенню часу осадження та збіль­шенню ступеня очистки газу і продуктивності камери. Швидкість потоку газу в камері повинна бути такою, щоб частинки за час перебування газу в апараті встигли осадитись. Здебільшого швидкість приймають такою, що дорівнює 1–1,5 м/с.

Рис. 1.38. Пилоосаджувальна камера:

1 – камера; 2 – полички (перегородки); 3 – відбивна перегородка; 4 – дверцята для вивантаження пилу

Після проходження каналами між перегородками газ обгинає верти­кальну відбивну перегородку 3 і виводиться з камери. Відбивна перегородка сприяє рівномірнішому розподіленню газу між поличками камери, оскільки гідравлічний опір каналів однаковий.

Пил із перегородок видаляється вручну спеціальними скребачками через дверцята 4. Для неперервності очистки газу камера складається з двох секцій. Коли в одній секції здійснюється очистка газу, з другої видаляють осаджений пил.

Пилоосаджувальні камери прості у виготовленні, мають невеликий гідрав­лічний опір (50–100 Па), однак вони громіздкі, ефективність очистки в них низька (40–50 %), особливо під час вловлювання дрібнодисперсного пилу (< 20 мкм). Тому такі апарати здебільшого використовують як перший ступінь очистки.

Розрахунок пилоосаджувальних камер. За заданою продуктивністю пилогазової суміші розрахунок робочої поверхні пиловідстійних камер такий самий, як і розрахунок відстійників для рідини (рівняння (1.24)).

Позначимо через w_г швидкість руху газу в камері, L – довжину полички, h – відстань між поличками та b – ширину камери (рис. 1.39). Розглянемо частинку, яка разом із газовим потоком потрапила між двома суміжними поличками. Під дією сили тиску потоку частинка рухається вздовж каналу і поступово під дією сили тяжіння осаджується. Для того, щоб відбулося її осадження на поверхню полички, необхідне виконання умови – час осадження частинки повинен бути меншим від часу перебування газу в апараті. Час осадження частинки становить:

; (1.113)

час перебування газу в апараті:

. (1.114)

Рис. 1.39. До розрахунку пилоосаджувальної камери

Отже,

. (1.115)

З цього рівняння допустима швидкість газу:

w_г = . (1.116)

Якщо є камера з певними геометричними розмірами і задані об’ємні витрати газу, то мінімальний діаметр частинок, які осаджуватимуться в цій камері (в області дії закону Стокса), визначають з рівняння:

. (1.118)