Очистка промышленных газов от газообразных и дисперсных примесей (стр. 3 из 4)
Уравнение для расчета эффективности улавливания в случае движения закрученного потока газа с аэрозольными частицами в цилиндрическом канале без учета вторичного уноса получено в виде (рис. 3) [18]
| h = 1 - exp(8tg2gЧSt`L), | (3) |
где St = wzd2rd/(18mD) = wzt/D v критерий Стокса; t = d2rd/(18m) v время релаксации скорости частицы [19], `L = L/D v относительная длина канала сепаратора; wz v среднерасходная осевая скорость газа; d v размер частиц; rd v плотность дисперсной фазы; m v коэффициент динамической вязкости газа; g v угол закрутки потока.
Сложность гидродинамических процессов в турбулентном закрученном потоке делает строгое аналитическое решение задачи о центробежной сепарации дисперсных частиц с учетом вторичного уноса практически невозможным. Для этой цели можно использовать данные экспериментальных исследований о скорости уноса частиц с поверхности канала турбулентным потоком.
Рис. 3. Расчетная фракционная эффективность центробежного разделения без учета вторичного уноса:система воздух-вода при 20 ¦С, D = 30 мм, L = 300 мм, g = 45¦
В результате анализа процессов центробежной сепарации и вторичного уноса получена полуэмпирическая зависимость для расчета эффективности разделения в виде
 , | (4) |
где a ¦ 0.01 v доля частиц, захватываемая турбулентным вихрем с поверхности канала [20, 21]; b = a/(270Ч75) ¦ 4.94Ч10-7 v коэффициент.
Расчетная зависимость (4) соответствует дан-ным экспериментальных исследований и наглядно показывает влияние на эффективность очистки газа конструктивных и технологических параметров (рис. 4).
При конденсационном разделении в центробежных сепараторах основным режимом течения двухфазного потока является дисперсно-кольце-вой режим, сопровождающийся течением пленки жидкости по стенке канала и спутным потоком газа или пара, несущего капли жидкости и твердые частицы.
Процесс разделения осуществляется в несколько основных этапов: насыщение аэродисперсного потока паром, конденсационное укрупнение частиц, выделение дисперсной фазы.
Аэрозольные частицы в парогазовой смеси выполняют роль активных центров конденсации, и при достижении соответствующих условий для начала процесса на их поверхности образуются сначала отдельные ядра конденсации (мелкие капли новой фазы), а затем сплошной слой жидкости, толщина которого в дальнейшем продолжает увеличиваться, приводя к укрупнению и утяжелению частиц. При этом смачиваемость и растворимость исходной частицы уже не играют существенной роли, так как конденсация фактически происходит на поверхности жидкого слоя.
Скорость конденсации и диаметр капли для стационарного случая (при постоянной температуре и давлении) и идеального пара можно рассчитать по уравнению Максвелла. При охлаждении парогазовой смеси, движущейся вдоль более холодной поверхности, происходит перенос тепла через прилегающий к ней пограничный слой газа, а затем и конденсация. Если в смеси имеется дисперсная фаза (жидкие или твердые аэрозольные частицы), то конденсация происходит не только на поверхности канала, но и на частицах. Соотношение между массами конденсата, образующегося на частицах и на охлаждаемой поверхности канала, зависит от величины пересыщения и концентрации в смеси дисперсной фазы. При большом количестве центров конденсации в потоке на них конденсируется значительно большее количество пара, чем на стенках канала [22]. Так, при численной концентрации частиц 108 м-3 на них образуется 99 % всего конденсата.
Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что конденсационное укрупнение позволяет в обычных условиях увеличить размер частиц от 1 до 10v15 мкм. Конечный размер частиц в значительной степени определяется величиной поверхностной плотности теплового потока и при скорости газа более 30 м/с и численной концентрации более 1012 м-3 слабо зависит от скорости и начального размера, так как в этом случае объем конденсата, образовавшегося на каждой частице, гораздо больше первоначального объема самой частицы. Конденсационное укрупнение частиц в парогазовом потоке целесообразно проводить при сравнительно низких концентрациях дисперсной фазы (до 1012 м-3), высоких тепловых нагрузках и малых скоростях потока (до 30 м/с). При более высоких концентрациях небольшой объем жидкой фазы на каждой частице не может привести к ее ощутимому укрупнению. Увеличение скорости потока приводит к росту энергозатрат на проведение процесса при незначительном увеличении конечного размера частиц.
Механизм осаждения частиц на стенку канала в конденсационном центробежном сепараторе аналогичен другим прямоточным центробежным сепараторам, поэтому основные закономерности процесса аналогичны.
Экспериментально установлено, что в общем случае увеличение осевой составляющей скорости потока снижает общую эффективность сепарации жидкой фазы, а тангенциальной v повышает, однако чрезмерное ее увеличение может привести к срыву жидкой пленки с поверхности осаждения и вторичному уносу. В целом движение восходящего или нисходящего закрученного двухфазного потока отличается широким диапазоном допустимых нагрузок по газу и жидкости (по сравнению с осевым), при этом брызгоунос определяется полной скоростью газа на границе раздела фаз.
На рис. 5 представлены графики экспериментальной зависимости величины брызгоуноса от средней осевой скорости парогазового потока при различных значениях угла закрутки потока. Для каждой кривой характерно наличие оптимальной скорости потока, при которой унос минимален.
Ее значение зависит от угла закрутки и в исследованных интервалах изменения параметров лежит в пределах от 14 до 22 м/с, что в целом соответствует обычным значениям для центробежных сепараторов, в которых наивысшая степень очистки (и, соответственно, минимальный унос) достигается при значениях rгw2 от 150 до 600 кг/(мЧс2) и скоростях газа от 10 до 20 м/с (для циклонов диаметром до 200 мм v до 50 м/с). При меньшей скорости дисперсная фаза не успевает отсепарироваться, а при больших увеличивается вторичный унос v вследствие увеличения полной скорости потока на границе раздела фаз происходит срыв пленки конденсата. При скоростях, существенно больших оптимальных значений (выше 35v40 м/с), величина уноса уже практически не зависит от угла закрутки потока, что, видимо, свидетельствует о срыве пленки исключительно турбулентными пульсациями газа.
При оптимальных скоростях потока в исследованном интервале значений угла закрутки эффективность сепарации дисперсной фазы составляет от 97.5 до 99.5 %.
Значение минимального расхода пара на смешение, обеспечивающего улавливание аэрозольных частиц, зависит от их начальной концентрации, а также температуры и влажности очищаемого газа. При концентрации от 108 до 1012 м-3, температуре газа от 20 до 80 ¦С и влажности от 40 до 80 % минимальный расход пара составляет от 20T50 г/кг. Увеличение расхода пара сверх минимального практически не сказывается на эффективности.
Получено, что при оптимальных режимах работы дисперсный состав пыли в шламе практически совпадает с дисперсным составом исходного порошка (независимо от его плотности и смачиваемости). Следовательно, эффективность улавливания частиц размером от 0.1 до 10 мкм в конденсационном центробежном сепараторе при концентрации от 108 до 1012 м-3 не зависит от их исходного диаметра, что подтверждает выводы теоретического анализа. Частицы размером 5T10 мкм в прямоточных центробежных сепараторах улавливаются на 95T100 % даже без конденсационного укрупнения [23]. Следовательно, и частицы меньшего диаметра в конденсационном центробежном сепараторе улавливаются практически полностью, и фракционная эффективность сепарации ограничивается исключительно величиной брызгоуноса.
Опытно-промышленные испытания. Характерные результаты опытно-промышленных исследований по очистке газовых выбросов известковой печи биохимического завода в пленочном аппарате с винтовой шероховатостью высотой 3 мм при скорости газа 10 м/с представлены в табл. 2. Получено, что изменение концентрация извести в воде в пределах от 20 до 100 г/л не оказывает существенного влияния на эффективность очистки газа. Даже при сравнительно небольшой скорости газа из-за низкого напора промышленного вентилятора (до 100 мм. вод. ст) достигнута эффективность очистки от газообразных примесей, обеспечивающая предельно допустимые выбросы (ПДВ). При искусственном распылении жидкости достигнуто увеличение эффективности очистки, которая при улавливании пыли составила 96 %.
На основании полученных данных рассчитан промышленный пленочный трубчатый аппарат производительностью 20000 м3/ч. Потребность в извести составляет 4 кг/ч, удельные энергозатраты 0.5 кВтЧч/тыс.м3. Разработанный пленочный трубчатый аппарат и технологическая схема для очистки газовых выбросов известковой печи АО ?Красноярский БХЗ¦ позволяют снизить вредные выбросы до установленных ПДВ при низких энергозатратах.
Исследования эффективности улавливания аэрозольных частиц в конденсационном центробежном сепараторе проводились также в условиях опытно-промышленных испытаний на экспериментальном производстве Всесоюзного научно-исследовательского технологического института антибиотиков и ферментов медицинского назначения (ВНИТИАФ, г. Санкт-Петербург). Испытания проводились при производстве антибиотиков инозина и актиномицета.