Техника и технология защиты водной и воздушной среды от загрязнений

Физические принципы очистки выбросов и сбросов от загрязнений

Работа любого устройства, удаляющего взвешенные частицы, основана на использовании одного или нескольких механизмов осаждения. Основными из них являются: гравитационное осаждение (седиментация); осаждение под действием центробежной силы; инерционное осаждение: зацепление (эффект касания); электрическое осаждение.

Гравитационное осаждение происходит в результате вертикального оседания частиц при прохождении их через обезвреживающее устройство. Сила сопротивления , действующая на частицу диаметром при ее движении в ламинарном режиме со скоростью в среде газа или жидкости вязкостью т, описывается законом Стокса:

( 10.1)

где - поправочный коэффициент на размер частиц: при диаметре частиц 0,1 мкм = 2,9; при 1,0 мкм = 1,16; при 10 мкм = 1,0.

При гравитационном осаждении сила сопротивления равна весу частицы в среде ее нахождения с учетом архимедовой силы. Скорость осаждения сферических частиц в газоочистных аппаратах, использующих действие силы тяжести, пропорциональна квадрату диаметра частиц:

( 10.2)

где - плотность частицы; - динамическая вязкость газа (жидкости).

Скорость восходящего потока, при которой частица неподвижна, называется скоростью витания ( рис. 10.1). Это понятие важно для систем пневмотранспорта, дымовых труб, аспирации и пылеуловителей, где происходит перемещение среды с взвешенными в ней частицами.

Рис. 10.1. Номограмма для определения скорости витания пылевых частий

Центробежное осаждение происходит при криволинейном движении дисперсного потока, когда развиваются центробежные силы. Скорость центробежного осаждения частицы массой , вращающейся в потоке по радиусу со скоростью можно рассчитать, приравнивая центробежную силу и стоксову силу (10.1):

( 10.3)

Величина скорости центробежного осаждения больше скорости гравитационного осаждения в () раз.

В аппаратах, основанных на использовании центробежной сепарации, могут применяться два конструктивных решения: поток вращается в неподвижном корпусе аппарата; поток вращается вместе с ротором. Первое решение реализуется в циклонах, второе - в ротационных пулеуловителях.

Инерционное осаждение происходит в том случае, когда кинетическая энергия частицы настолько велика, что она не может следовать вдоль искривленной линии тока, а сталкивается с препятствием и осаждается на нем ( рис. 10.2).

Рис. 10.2. Осаждение взвешенных в потоке частиц на обтекаемом шаре

Критерием подобия инерционного осаждения является критерий Стокса

( 10.4)

где - скорость потока в некоторой точке; - характерный размер обтекаемого тела.

Существует минимальное значение числа Стокса, при котором инерция частицы достаточна, чтобы она достигла поверхности тела и была им захвачена. Коэффициент осаждения з дисперсных частиц на шаре равен нулю при . Захват частицы возможен при условии . Инерционное осаждение эффективно для частиц размером более 1 мкм.

На рис. 10.3 приведены кривые зависимости коэффициента эффективности осаждения частиц на шаре при его потенциальном обтекании потоком. Эти кривые можно использовать при расчетах эффективности пылеулавливающих установок, в которых осаждение осуществляется на телах сферической формы (например, на капле).

Рис. 10.3. Инерционное осаждение частиц на шаре при его потенциальном обтекании

Зацепление частицы на поверхности наблюдается, когда расстояние частицы в потоке от обтекаемого тела равно или меньше ее радиуса. Эффект зацепления становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым диаметром. Эффект зацепления не зависит от скорости набегающего потока газа.

Осаждение взвешенных в воздухе частиц под действием электрического поля осуществляется после электрической зарядки частиц коронным разрядом. Коронный разряд - это особый вид разряда в газах между электродами высокого напряжения, имеющими разную кривизну ( рис. 10.4).

Рис. 10.4. Механизм образованиея объемного заряда при коронном разряде

Около провода напряженность поля имеет большую величину. В этой зоне (чехол короны) образуется коронный разряд, эта область начинает светиться и потрескивать. Образующиеся здесь электроны при движении в сторону плоского электрода выбивают из нейтральных молекул новые электроны. В этом заключается суть пробоя в газах. При выходе из чехла короны электроны прилипают к молекулам газа и взвешенным частицам, образуя отрицательно заряженные ионы.

Величина заряда (Кулон), приобретаемого проводимой сферической частицей с диэлектрической проницаемостью равна

( 10.5)

где диэлектрическая проницаемость .

В электрофильтре зарядка частиц происходит быстро - за доли секунды. Приравнивая кулоновскую силу силе Стокса, получаем скорость осаждения заряженных частиц

( 10.6)

Скорость движения частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле (м/с) определяется по формуле

( 10.7)

Осаждение взвешенных частиц пыли при контакте газового потока с жидкостью может осуществляться на каплях, пузырьках и на поверхности жидкости.

Улавливание взвешенных частиц каплями может происходить в спокойном режиме, когда аэрозоль движется с малой скоростью - капли падают под действием силы тяжести, и когда поток сильно турбулизован - капли интенсивно диспергируются. Преобладающим эффектом является инерционный. Действие сил инерции реально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм. Решающими являются два фактора: скорость потока и удельное орошение.

При удельном орошении и при значениях критерия Стокса 1,0-170 эффективность осаждения на каплях определяется по формуле

( 10.8)

При движении пузырьков газа через слой жидкости (барботаж) их размер колеблется от 2,0 до 20 мм. При скорости газового потока до 4 м/с пузыри придают жидкости характер пены. Осаждение частиц происходит в основном за счет инерционного эффекта. Для увеличения степени очистки необходимо уменьшать размеры пузырьков.

При осаждении твердых частиц на поверхности жидкости преобладает инерционный эффект. При соударении с толстым слоем жидкости частица или остается на поверхности, или пробивает поверхность и погружается в слой. Путь, проходимый частицей в жидкости по инерции (до релаксации) составляет от нескольких микрон до 2 мм.

Фильтрация через пористые материалы заключается в пропуске аэрозоля через фильтровальные перегородки, которые пропускают воздух, но задерживают аэрозольные частицы. Частицы при соприкосновении с цилиндрическими волокнами задерживаются силами межмолекулярного взаимодействия ( рис. 10.5). Расстояние между волокнами в фильтре в 5-10 раз превышают размеры частиц.

Рис. 10.5. Механизм осаждения частиц на волокне

При движении потока через фильтровальный материал газ огибает волокна, более крупные частицы пыли сохраняют прямолинейное направление движения, сталкиваются с волокнами и прилипают к ним. Чем больше значение числа Стокса, тем больше происходит столкновений с поверхностью волокон фильтра. Мелкие частицы могут прилипнуть к волокнам, участвуя в броуновском движении или за счет эффекта зацепления, а также действия электрических сил.

Эффективность очистки обратно пропорциональна диаметру волокна. Фильтровальный материал должен изготавливаться из тонких (5-20 мкм) волокон. При отложении пыли возрастает гидравлическое сопротивление, уменьшается производительность фильтра. Пыль периодически удаляют - это процесс называется регенерацией фильтра.