3.Гидромеханические процессы
К гидромеханическим процессам, используемым для очистки выбросов и сбросов от нерастворимых в них загрязняющих веществ относятся:
отстаивание в поле сил тяжести (гравитационное разделение);
разделение в поле центробежных сил (центрифугирование);
разделение на пористых слоях (фильтрация).
3.1. Гравитационное разделение
Процессы гравитационного разделения используются для очистки водных и газовоздушных потоков от взвешенных частиц твердой или жидкой фазы под действием силы тяжести.
Частица массой (m )начинает двигаться в среде под действием силы тяжести если ее плотность ( ч ) отличается от плотности среды ( ). Сила (Fос), под действием которой частица начинает двигаться, равняется разности между весом (Р) и выталкивающей силой (Fв). Для шарообразной частицы:
(2.1)
Если выталкивающая сила меньше веса частицы (ч), частица осаждается, если наоборот – частица всплывает.
Скорость движения частицы (w) первоначально возрастает согласно закону равноускоренного движения:
(2.2)
При движении частицы в среде возникает обратно направленная сила сопротивления среды (Fс), которая уменьшает ее ускорение:
(2.3)
где - коэффициент сопротивления среды, зависящий от режима обтекания частицы средой (ламинарный, переходный или турбулентный);
S – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения.
Для шарообразной частицы:
(2.4)
За счет сопротивления среды ускорение частицы становится равным нулю и частица начинает двигаться с постоянной скоростью, которая определяется из равенства:
Fос = Fс
(2.5)
Коэффициент сопротивления () зависит от режима движения частицы (ламинарный, переходный или турбулентный) и определяется значением критерия Рейнольдса (Re):
(2.6)
где - кинематическая вязкость газа, Па/с
При значении Re 2 (ламинарный режим)
При значении Re от 2 до 500 (переходный режим)
При значении Re больше 500 (турбулентный режим) значение постоянно и равно 0,44.
Для расчета значения Re при неизвестной скорости осаждения частицы пользуются зависимость, предложенную Н.В. Лященко:
, (2.7)
где Ar – критерий Архимеда:
(2.8)
Рассчитав по уравнению Лященко значение критерия Re можно определить скорость осаждения шарообразной частицы:
Скорости осаждения (всплытия) частиц нешарообразной формы (w’) будут меньше. Для определения скоростей осаждения (всплытия) используют поправочный коэффициент (коэффициент формы) :
w’ = w (2.9)
Значения коэффициента 1 и его определяют опытным путем.
К примеру:
0,77 |
для частиц округлой формы |
0,66 |
для частиц угловатой формы |
0,58 |
для продолговатых частиц |
0,43 |
для пластинчатых частиц |
Для частиц нешарообразной формы определяющим линейным размером в критерии Re служит диаметр эквивалентного шара (dэ), равный диаметру шара, имеющего тот же объем, что и данная частица:
(2.10)
m – масса частицы
В реальных условиях, когда происходит осаждение (всплытие) множества частиц, скорость совместного движения частиц будет меньше, чем скорость движения отдельной, изолированной частицы. Причина – взаимодействие частиц и торможение их обратным потоком вытесняемой объемом частиц среды (газа или жидкости).
Скорость стесненного движения (wст) зависит от объемной доли среды в системе ():
(2.11)
где Vc, Vф – соответственно, объемы среды и осаждаемой фазы.
Для определения скорости стесненного осаждения (всплытия) используют интерполяционное уравнение, полученное при обобщении опытных данных:
(2.12)
Затем по рассчитанному значению критерия Re определяют скорость стесненного движения.
Скорость осаждения взвешенных частиц является основным параметром, используемым для расчета геометрических размеров аппаратов для очистки газовых и жидкостных потоков от взвешенных частиц (пылеосадительные камеры и отстойники) (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1.
Продолжительность прохождения газа через осадительную камеру при его равномерном распределении по сечению равна:
(2.13)
где Vк,Vг – соответственно, объем камеры (м3) и объемный расход газа (м3/с);
L – длина камеры, м;
B – ширина камеры, м;
H – высота камеры, м.
За это же время под действием силы тяжести частица пройдет путь:
(2.14)
где w – скорость осаждения частицы, м/с.
Чтобы частица успела осесть в пылеосадительной камере, должно соблюдаться условие:
h H
Фракционная эффективность пылеосадительных камер (эффективность улавливания частиц определенных размеров) зависит от соотношения h/H. Если величина h больше или равна по величине Н, то частицы будут улавливаться в камере. Эффективность улавливания частиц данного размера можно выразить в виде:
(2.15)
wi – скорость осаждения частиц диаметром di.