4. Разделение газовзвесей (обеспыливание газов) в циклонах

Газовзвеси образуются в ряде процессов химической техноло­гии: при сушке твердых материалов в потоке нагретых газов, их обработке в псевдоожиженном слое, измельчении и классифика­ции, обжиге, пневмотранспорте и др. Разделение газовзвесей

(

Рис. V-6. Схемы циклонов для выделения твердых частиц из газовзвесей: а -~ схема циклона; б, в «- элементы бата* рейных циклонов соответственно типов «винт» и «розетка»; г =а общий вид бата­рейного циклона; / «« корпус циклона} 2 — газовзвесь; 3 — очищенный газ} 4 -=» пыль* 5 — бункер.

отделение твердых частиц от газа) часто диктуется экономиче­скими соображениями (улавливание ценных продуктов), во всех случаях — необходимостью обеспечения чистоты воздуха в про­изводственных помещениях и окружающей среде. Среди промыш­ленных методов разделения газовзвесей, рассматриваемых в раз­личных разделах нашего курса, значительное место занимает осаждение твердых частиц в поле центробежной силы. Этот метод, осуществляемый в аппаратах, называемых циклонами, имеет либо самостоятельное значение, либо используется в сочетании с другими методами. Циклоны имеют тот же принцип действия, что и гидроциклоны, несколько отли­чаясь только формой корпуса; им свойственны те же достоинства. К числу недостатков циклонов относятся ограниченный предель­ный размер улавливаемых твердых частиц (не ниже 5—10 мкм) и неприменимость при высокой влажности и слипаемости по­следних.

Существует ряд конструкций циклонов, из которых наибольшее распространение получили аппараты различных модификаций, разработанные научно-исследовательским институтом очистки га­зов (НИИОГАЗ). Схема одного из этих циклонов (тип ЦН-15) показана на рис. V-6, а. Циклон состоит из цилиндро-конического корпуса диаметром до 1 м, снабженного вверху тангенциально расположенным штуцером для закручивания входящего потока газовзвеси, нижним штуцером для выхода осевшей пыли в сборник (бункер) и газоотводящей трубы, соосной с корпусом. Последняя иногда снабжается на выходе из аппарата улиткой. Как и в гидро­циклоне, входящая газовзвесь приобретает вращательное движе­ние и, огибая газоотводящую трубу, перемещается вниз в кольце­вом пространстве и далее в периферийной части конуса. Содержа­щиеся в газовзвеси твердые частицы отбрасываются центробежной силой к стенке корпуса и стекают в бункер, а очищенный газ, начиная с выхода его из кольцевого пространства, непрерывно удаляется по газоотводящей трубе. Таким образом, внутри циклона возникают два вращающихся потока — нисходящий на периферии и восходящий в центральной части. Улитка служит для преобразо­вания вращательного движения уходящего газа в прямолинейное. Циклон применяется для очистки газовзвесей с содержанием твер­дой фазы до 400 г/м³. Производительность при диаметре корпуса 800 мм достигает 2 м³/с. При больших потоках газовзвеси устанав­ливают группу циклонов (до 8 в группе), с общим бункером и рав­номерным распределением потока. Основные размеры: d, = 0,6D; а\ = (0,35—0,4) D; а X Ь = (0.66D) X (0,2£>); высота циклонов диаметром 100—800 мм составляет 500—3700 мм.

Если пренебречь ускорением осаждаемых твердых частиц, обусловленным изменением радиальной скорости, то скорость осаждения w₀ и время пребывания потока газовзвеси в циклоне т можно определить по уравнениям (V.8)—(V.13). Из последних видно, что w₀ растет и т падает по мере увеличения центробежного

ускорения со²/-. Следовательно, при одинаковой скорости входа газовзвеси (cor = idem) эффективность циклона возрастает с умень­шением его диаметра (w₀ растет, d_a и т падают). Этим объясняется широкое применение батарейных циклонов, или м у л ь-т и ц и к л он о в, представляющих собою группу параллельно включенных циклонов малого диаметра (около 250 мм), располо­женных в общем корпусе. Число циклонов в батарее доходит до 120, а их суммарная производительность превышает 140 м³/с при содержании твердой фазы в газовзвеси до 250 г/м³ с размером частиц от 10 мкм и выше. Заметим, что ограничение содержания твердой фазы в газовзвесях, разделяемых в циклонах, обусловлено обеспечением ее свободного удаления; при больших содержаниях нормальная работа циклонов нарушается из-за забивания выпуск­ных отверстий для твердых частиц. В промышленности применяют две конструкции циклонов, соединяемых в батареи: с вводом газовзвеси через винтовую вставку — «винт» (рис. V-6, б) или через неподвижное лопастное колесо—«розетку» (рис. V-6, в). Общий вид батарейного циклона показан на рис. V-6, г. Оба циклона частично улавливают частицы размером 3 мкм.

Важнейшим характеристическим параметром рабочего про­цесса циклона является коэффициент очистки газа (степень разделения газовзвеси), равный отно­шению массового количества осажденных твердых частиц G_0T к их массовому количеству в исходной газовзвеси G_cx : ср = G_0X/G_CT.

Отношение массового количества уносимых твердых частиц G_yT к их массовому количеству в исходной газовзвеси G_cx назы­вается коэффициентом уноса: ср_у = (G_cx — G_ox)/G_cx = = 1-_Ф.

Время осаждения частиц заданного диаметра определяется в зависимости от режима их движения по формулам (V.8)—(V.ll), а по времени т и заданной производительности определяется тре­буемый рабочий объем циклона. Если твердая фа'за является поли­дисперсной, то в расчетах, как и для гидроциклона, базируются на минимальном диаметре осаждаемых частиц, после чего, поль­зуясь кривой нх распределения по размерам, находят коэффи­циент очистки газа по формуле (V. 17). Необходимые для расчета фракционные коэффициенты очистки газа вычисляют по формуле: Ф,- = Ald_it где А — константа, зависящая от конструкции цик­лона. Заметим, что существенная зависимость ф; от размера частиц наблюдается лишь при d_t <j 50 мкм, оставаясь, однако, практи­чески постоянной в широком диапазоне скоростей газа. Так, при d_t = 40, 20, 10 и 5 мкм соответственно ф< = 97, 93, 88, 60%. В зависимости от дисперсного состава твердой фазы величина Фпол колеблется на практике в пределах от 50 до 95%.

Большую роль в работе циклона играет скорость газовзвеси во входном патрубке ai_BX, которая предопределяет скорость газа внутри циклона и в газоотводящей трубе, поскольку диаметры D, d и dx взаимосвязаны, Скорость w_BX должна быть, разумеется, значительно больше скорости витания наиболее крупных частиц. С другой стороны, скорость газа в полном сечении циклона (по диаметру D) не должна быть ниже 2,5 м/с, чтобы предотвратить забивание циклона осевшими твердыми частицами. Заметим, наконец, что с ростом скорости газа (соответственно со²г) эффектив­ность циклона растет лишь до определенного предела, после чего она снижается за счет частичного уноса осевших частиц. По­скольку расход энергии на транспортировку газа возрастает с уве­личением его скорости, последняя на практике редко выходит за пределы 10—15 м/с.

Гидравлическое сопротивление циклона Ар (разность давлений на входе и выходе газа) определяется по скорости газа до_ц, отнесен­ной к диаметру цилиндрической части корпуса D (в Па): Ар = — £ (ргйУц/2), где £ —коэффициент гидравлического сопротивле­ния, определяемый опытным путем; рекомендуется Ар = 600— 1000 Па, что соответствует Z, = 15—25.

Г. РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЗВЕСЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

1. Основы и техника разделения газовзвесей

Скорость осаждения очень мелких частиц (<^10 мкм) из газовых и жидких сред, как было показано выше, чрезвычайно мала не только в гравитационном поле, но и в поле центробежной силы. По этой причине разделение тонкодисперсных газовзвесей (очистка газов от пыли и мелких капель) рассмотренными выше методами практически невозможно. Этот процесс, однако, успешно осуще­ствляется вэлектрическом поле.

Как известно из физики, между двумя электродами с различной поверхностью, присоединенными к полюсам источника тока, возникает неоднородное электрическое поле. Напряжение последнего выше у электрода с меньшей поверхностью. Так, если одним электродом является тонкая проволока, а вторым — пласти­на, то напряжение поля (густота силовых линий) убывает по направлению от проволоки к пластине (рис. V-7, а). При некоторой «критической» разности потенциалов в газовом пространстве между электродами возникает электрический разряд, сопровож­дающийся голубоватым свечением (короной) около проволоки. Этот разряд называется коронирующим, а проволока — к о р о-нирующим электродом.

В области короны образуются газовые ионы обоих знаков, которые при высокой напряженности поля приобретают скорость, достаточную для ионизации нейтральных частиц при столкновении с ними. Так как вновь образовавшиеся ионы имеют такую же высо­кую скорость, то в результате происходит лавинная ионизация газа. Если проволока заряжена отрицательно, а пластина положи­тельно, отрицательные ионы будут притягиваться к пластине,

а положительные — к проволоке, нейтрализуясь на ней. При достаточном напряжении электрического поля (порядка 4— 6 кВ/см) между электродами устанавливается постоянный ионный поток. Если между электродами пропустить газовзвесь, то ионы, соприкасаясь с твердыми частицами (или капельками), отдают им свой заряд и увлекают с собой. Поскольку более подвижные отри-

Рис. V-7. Схемы электрофильтров:

а — образование неоднородного электри­ческого поля; б — схема трубчатого элек­трофильтра; в — схема пластинчатого элек­трофильтра; / — осадительные электроды (трубы н пластины); 2 — коронирующие электроды; 3 — нижняя камера; 4 — верх­няя камера; 5 — нижняя рама; 6 — верхш коронирующих электродов; 8 — газовзвесь; 9 заземление.

цательные ионы проходят более длинный путь (из области короны к пластине) и столкновение их с твердыми частицами более ве­роятно, последние заряжаются преимущественно отрицательно и, достигнув пластины, оседают на ней. Лишь немногие частицы, столкнувшись в области короны с положительными ионами, осе­дают на проволоке. Твердые частицы, осевшие на пластине, называемой осадительным электродом, можно периоди­чески удалять встряхиванием. Капельки благодаря низкому удельному электрическому сопротивлению быстро отдают свой заряд осадительному электроду (пластине), смачивают его и стекают.

Совершенно очевидно, что для рассматриваемого процесса требуется только постоянный ток. В случае переменного тока заряженные частицы, получая частые импульсы в разные стороны, могут быть вынесены газовым потоком до достижения ими осадительного электрода.

При прочих равных условиях степень очистки газа от взвешен­ных в нем твердых частиц должна возрастать с понижением их проводимости. В случаях хорошей проводимости частицы быстро приобретают заряд пластины и под действием кулоновой силы отталкивания могут уноситься газовым потоком из электрического поля.

Для разделения газовзвесей в электрическом поле (для пыле­улавливания) используют аппараты, называемые электро­фильтрами, двух конструктивных модификаций: трубчатые и пластинчатые. На рис. V-7, б показана схема трубчатого электрофильтра. Последний состоит из пучка вертикальных метал­лических труб (осадительные электроды) диаметром 150—300 мм и длиной 3—4 м, по осям которых проходят натянутые проволоки (коронирующие электроды) диаметром 1,5—2,0 мм. Концы труб соединяют две камеры, из которых нижняя служит для распреде­ления очищаемой газовзвеси и выхода осажденной пыли, а верх­няя — для отвода очищенного газа. Проволоки подвешены на общей раме, опирающейся на изоляторы. Нижние концы проволок прикреплены к раме, фиксирующей их вертикальное осевое положение. Для удаления пыли, оседающей на проволоках, последние непрерывно встряхиваются ударами нескольких свя­занных молотков по верхней несущей раме. Пыль, оседающая на внутренней поверхности труб, периодически стряхивается систе­мой молотков, расположенных между рядами труб и соединенных общим приводом (на рисунке не показан). Вся система труб поме­щена в защитном корпусе.

Пластинчатые электрофильтры отличаются от трубча­тых тем, что осадительными электродами служат не трубы, а верти­кальные пластины, между которыми проходят подвешенные на раме проволоки (см. рис. V-6, в). Пластинчатые электрофильтры менее металлоемки, более компактны, проще в монтаже и доступ­нее для удаления осажденной пыли. Преимуществом трубчатых электрофильтров является возможность использования большего напряжения электрического поля и достижения, следовательно, более высокой удельной производительности.

Заряд, получаемый твердой частицей, обратно пропорционален квадрату ее диаметра. Кроме того, частицы с низкой электропро­водностью, оседая на трубах или пластинах, не могут быстро отдать им свой заряд и отталкивают приближающиеся новые частицы. По этим причинам осаждение в электрофильтрах очень мелких частиц часто становится невозможным. Для устранения этого явления достаточно увлажнить исходную газовзвесь с целью увеличения электрической проводимости.

2. Закономерности осаждения в электрическом поле

Как уже отмечено выше, для улавливания дисперсных частиц в электрофильтрах напряжение электрического поля Е должно быть выше некоторой критической величины £_кр. Только в этом случае обеспечивается лавинная ионизация газа. Величина ^„р выражается следующей эмпирической формулой (в кВ):

£к_Р = 31 (1 + 0,308 VgpFo) r₀ In (Rlr)

где г₀ и R — радиусы сечений коронирующего и осадительного электродов; р — плотность газа относительно воздуха при нормальном давлении и темпера­туре 25 °С.

Из приведенной формулы видно, что величина Е_кр падает по мере уменьшения г, поэтому выгодно применение коронирующих электродов с малым радиусом сечения. В среднем на практике 2г = 0,2 см и 2R = 25 см, поэтому в случае воздушного потока Е_кр = 29,6 кВ. Для получения достаточной плотности ионного потока рабочее напряжение Е должно быть в 1,5—2,5 раза выше Е_ир, поэтому в электрофильтрах обычно Е = 40—75 кВ.

На химических предприятиях большей частью отсутствует по­стоянный ток высокого напряжения. Для его получения повышают при помощи трансформаторов напряжение переменного тока (с 220—500 В) и последний преобразуют механическими выпря­мителями в ток постоянный по направлению.

Время пребывания т разделяемой газовзвеси (очищаемого газа) в рабочем пространстве электрофильтра при ее движении вдоль электрода длиной / со скоростью w_r будет: % = l/w_r.

Для осаждения твердых частиц (или мелких капель) послед­ние должны пройти в перпендикулярном направлении путь S, равный R — г₀, т. е. поперечное расстояние между электродами. Если локальная скорость осаждаемых частиц на этом пути равна

s

Г dS ,

w₀, то время его прохождения выразится так: т₀ = (вели-

о чина w₀, как мы увидим ниже, не постоянна).

Процесс осаждения возможен, очевидно, только при условии т > т₀. Для нахождения т₀ требуется предварительное определе­ние скорости частицы в электрическом поле w₀, что возможно лишь очень приближенно, постулируя ламинарный режим оса­ждения. В этом случае, как известно, сила гидродинамического сопротивления движению частицы диаметром d и с плотностью р_т в среде с плотностью р_с равна: Р_г = 3iiw₀nd, где р — вязкость сплошной среды.

Сила Р_г в рассматриваемом процессе уравновешивается си­лой Р_э, действующей на частицу в электрическом поле, причем Р₃ = Епе, где Е — напряжение поля и п — число элементарных зарядов е, которое несет частица. Из равенства 3\iw₀nd = Епе находим: w₀ = Ene/Sniid,

При высоком заряде частицы скорость ее осаждения будет также высока; это позволяет очищать газ от очень мелких частиц, не улавливаемых в гравитационных отстойниках и циклонах. Наи­больший электрический заряд (пе)_макс, который может воспринять частица с диэлектрической постоянной е_дэ при напряжении элек­трического поля Е, выражается формулой:

_^-=4⁰

_1+2eri)4-

Допустим, что за время dx газовый поток прошел путь dl и концентрация дисперсной фазы уменьшилась при этом на вели­чину dc. Если площадь живого сечения потока равна /, то масса удаленных дисперсных частиц за время dx составит — f dl dc. За это же время dx частицы переместятся в направлении к осадитель-ному электроду на расстояние w₀dx и будут удалены из кольце­вого пространства шириной w₀ dx и объемом w₀U dl dx, где U — периметр омываемого сечения осадительного электрода. Масса удаленных частиц равна cw₀U dl dx. Таким образом, рассматри­ваемый процесс может быть описан следующим уравнением: —/ dl dc = cw₀U dl dx.

В случае трубчатого электрофильтра / = nR² и U = 2nR, поэтому —R dc — 2cw₀ dx. Интегрируя последнее уравнение в пре­делах от 0 до х и от с_н до с_к, находим: In (cJc_K) = 2w₀x/R или с_а/с_к = exp (2w₀x/R).

Пользуясь полученным выражением, находим степень очистки газа:

г) = (с_н — с_к)/с_н = I — exp (— 2w₀xJR) = 1 — exp (— 2w₀l/Rw_r) (V. 18)

где с_а и с_к — начальная и конечная концентрации дисперсной фазы в газовзвесн.

Из уравнения (V.18) следует, что высокая степень очистки мо­жет быть достигнута при больших значениях / и w₀ и при малых значениях w_T и R. Увеличение длины электродов возможно путем последовательного соединения нескольких электрофильтров. Од­нако резкое уменьшение скорости газа и диаметра осадительных электродов приводит к усложнению конструкции электрофиль­тров и к увеличению их габаритов и стоимости. На практике скорость газа в трубчатых электрофильтрах, отличающихся более благоприятным электрическим полем, составляет 0,75—1,5 м/с, а в пластинчатых 0,5—1,0 м/с. Более ограничены возможности воздействия на величину ш₀, поскольку с уменьшением диаметра осаждаемых частиц резко падает величина воспринимаемого за­ряда и, следовательно, также скорость осаждения w₀. Это озна­чает, что по мере уменьшения диаметра осаждаемых частиц сте­пень очистки газа при прочих равных условиях снижается.

В реальных условиях режим осаждения редко бывает лами­нарным. Более того, турбулизации потока в электрофильтрах сильно способствует «электрический ветер», возникающий в ре­зультате передачи импульса движущихся ионов газа всей газовой среде и взвешенным в ней дисперсным частицам. В связи с этим обычно принимают время т на основании опыта в пределах 2—10 с, а уравнение (V.18) используют для определения эффективности электрофильтра в случае изменения условий его работы. Расход энергии в электрофильтрах колеблется на практике в пределах 0,75—0,80 кВт на 1000 м³/ч газа.

224