Гравитационная очистка газов
Отстаивание твердых частиц в газовой среде подчиняется принципиально тем же закономерностям, что и осаждение их под действием сил тяжести в капельной жидкости. Скорость отстаивания пропорциональна, при прочих равных условиях, разности плотностей частиц и газа . Учитывая, что на несколько порядков меньше плотности капельной жидкости , можно заключить, что скорость очистки газов в поле сил тяжести будет значительно выше скорости отстаивания в капельно-жидких средах. Несмотря на это, очистка газа отстаиванием является относительно малоэффективным процессом, так как действующие силы в данном случае невелики сравнительно с центробежными и другими силами, используемыми для той же цели.Пылеосадительные камеры
Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил
|
для частиц с условным диаметром 20 микрон |
99,5% |
|
|
для частиц с условным диаметром 10 микрон |
95% |
|
|
для частиц с условным диаметром 5 микрон |
83% |
|
C уменьшением диаметра степень очистки возрастает, но увеличивается металлоёмкость и затраты на очистку. При больших объёмах газа и высоких требованиях к очистке газовый поток пропускают параллельно через несколько циклонов малого диаметра (100-300 мм.).
Такую конструкцию называют мультициклоном или батарейным циклоном. Возможно также применить Электростатический фильтр, который, напротив, эффективен именно для малых частиц.
Достоинства и недостатки
Циклоны просты в разработке и изготовлении, надёжны, высокопроизводительны, могут использоваться для очистки агрессивных и высокотемпературных газов и газовых смесей. Недостатками являются высокое гидравлическое сопротивление, невозможность улавливания пылей с малыми размерами частиц и малая долговечность (особенно при очистке газов от пылей с высокими абразивными свойствами)
Циклоны
— в наибольшей мерераспространенные аппараты пылеочистки. Применяются на предприятиях металлургии, химической и нефтяной промышленности, в энергетике, деревообработке и других отраслях. При небольших капитальных затратах и минимальных эксплуатационных расходах, циклоны обеспечивают стабильную очистку воздуха от частиц и пыли размером более 10 мкм с эффективностью 80% — 95%. Основными элементами циклонов являются цилиндрический корпус, выхлопная труба и бункер. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении запыленного воздуха между и выхлопной трубой.В зависимости от пропускной способности по воздуху циклоны могут устанавливаться по одному или объединяться в группы из двух, четырех, шести или восьми циклонов. Циклон конструкции Научно — исследовательского института по санитарной и промышленной очистке газов (НИИОгаз) состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3. Запыленный газ поступает тангенциально со значительной скоростью (20-30м/сек) через патрубок 4 прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона. В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона. При таком вращательным движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении действия центробежной силы быстрее, чем частицы газа, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенкам аппарата, и переносятся потоком в пылесборник 5. Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается к верху и удаляется через выхлопную трубку 6. Движение частиц пыли в циклоне обусловлено в основном вращительным движением потока газа по направлению к пылесборнику (влияние сил тяжести частиц имеет в данном случае значительно меньшее значение).
Поэтому циклоны можно устанавливать не только вертикально, но также наклонно или горизонтально.
ЦИКЛОН ЦН-15
Циклоны ЦН-15 предназначены для сухой очистки газов. Указанные циклоны рекомендуется применять для улавливания золы из дымовых газов; пыли, уносимой из сушилок; пыли, уносимой газом из аппаратов, в которых протекают процессы со взвешенными в газе частицами; пыли, образующейся при пневматической транспортировке материалов; для очистки загрязненного воздуха с начальной запыленностью до 400 г/м3. Для очистки воздуха от взрывоопасной, сильнослипающейся и волокнистой пыли циклоны ЦН-15 применять не следует. В зависимости от расхода очищаемого воздуха циклоны могут применяться как в одиночном исполнении, так и в групповом, состоящем из 2-х, 4-х, 6-и и 8-ми циклонов. При подборе типоразмера циклона надо учитывать, что с увеличением диаметра циклона степень очистки воздуха уменьшается. В связи с этим не рекомендуется применять циклоны с диаметром более 800-1000мм. Конструкция циклона рассчитана на температуру до 400°С и разряжение (давление) 5 (500) кПа (кгс/м2).
Циклоны изготавливаются как левого, так и правого исполнения. Они могут устанавливаться как на всасывающей линии вентилятора, так и на нагнетании. В зависимости от этого одиночный циклон комплектуется с улиткой на выходе очищенного воздуха или зонтом. При очистки воздуха от абразивной пыли, вызывающей износ крыльчаток вентилятора, циклоны рекомендуется устанавливать перед вентилятором. В группе циклонов патрубки с выходом очищенного воздуха могут объединяться сборным коллектором с выходом воздуха вертикально и системой улиток каждого циклона, объединенных общим фланцем. В первом случае группа циклонов носит название ЦН-15-СП, во втором случае ЦН-15-УП, где П — форма бункера циклона — пирамидальная; числа 200,300,400 и т.д. соответствуют диаметру циклона Dмм.При работе циклонов должна быть обеспечена выгрузка пыли. При этом уровень пыли в бункерах должен быть не выше плоскости, расположенной от крышки бункера на 0,5 диаметра циклона.В технической характеристике приведены значения производительности, отнесенные к скорости в цилиндрической части циклона V=2,5 и 4,0 м/с. В обычных условиях оптимальной считается скорость 4,0 м/с. Скорость 2,5 м/с рекомендуется принимать при работе с абразивной пылью.
Циклон ЦН15-2СП
Рис.3.
Циклон ЦН15-2СП
Циклон ЦН15-УП
В центробежных пылеосадителях (циклонах) осаждение взвешенных в газовом потоке частиц происходит в поле центробежных сил. Поступающий на очистку газ подводится к центробежному пылеосадителю по трубопроводу, направленному по касательной к цилиндрической части аппарата. В результате газ вращается внутри циклона вокруг выхлопной трубы. Под действием центробежной силы, возникающей при вращательном движении газа, твердые частицы большей массой отбрасываются от центра переферии, осаждаются на стенке, а затем через коническую часть удаляются из аппарата. Очищенный газ через выхлопную трубу поступает в производство или выбрасывается в атмосферу. С уменьшением радиуса циклона значительно увеличиваются центробежная сила и скорость осаждения частиц. На основе этой зависимости созданы конструкции батарейных циклонов, более эффективных, чем обычные циклоны. Батарейные циклоны состоят из параллельно включенных элементов малого диаметра (150 — 250 мм).
Их применяют в широком диапазоне изменения температур очищаемого газа (до 400° С) при относительно небольшой концентрации взвешенных в нем твердых частиц. Батарейные циклоны имеют прямоугольный корпус и состоят из одной или нескольких секций. Общие недостатки центробежных пылеосадителей — недостаточная очистка газа от тонкодисперсной пыли, высокое гидравлическое сопротивление, а следовательно, и большой расход энергии на очистку газа, быстрое истирание стенок пылью, а также чувствительность аппаратов к колебаниям нагрузки.
Рис.8. батарейный циклон
1 — корпус; 2,3 — решетки; 4-патрубок для ввода запыленного газа; 5 — элементы; 6 — патрубок для вывода очищенного газа; 7 — конусное днище
Теоретическая скорость осаждения:
w = d 2 (r1 — r2) wг2/ 9 v r2 D
где: d — диаметр частицы; r1 — плотность улавливаемых частиц; r2 — плотность газовой среды; wг — окружная скорость газа в циклон; D — диаметр циклона.
Высота цилиндрической части циклона:
h = 2Vсек / (D — D1) wг
где: Vcек — объем газа, постуающего в циклон в секунду; D1 — наружный диаметр выхлопной трубы.
Очистка газов фильтрованием
Мокрая очистка газов
Скрубберы Вентури., Рис.10. пластинчатый электрофильтр
Определить основные размеры пенного газопромывателя для очистки от пыли 30000/ч газа приС. Запыленность газа на входе в аппарат= 0,03кг/ (при нормальных условиях), степень очистки 0,99.1. Объемный расход газа, V= 30000ч2. Температура, = С3.Запыленность газа на входе аппарата, = 0,03кг/4. Степень очистки,= 0,99. Решение. Поскольку скорость газа в полном сечении аппарата является основным фактором, от которого зависит хорошее пенообразование и, следовательно, эффективность очистки, важно правильно выбрать расчетную скорость. Верхним пределом допустимой скорости газа является такая его скорость, при которой резко усиливается унос воды в виде брызг. По экспериментальным данным в газопромывателях, имеющих слой пены высотой 30-100 мм, струйный прорыв газа, вызывающий разрушение пены и сильный брызгоунос, начинается при скоростях газа в полном сечении аппарата (под решеткой) от 2,7 до 3,5 м/с.Чем выше слой пены на решетке и чем больше свободное сечение решетки, тем большая скорость газа возможна без брызгоуноса. Уменьшение диаметра отверстий (при сохранении постоянного свободного сечения решетки) также способствует уменьшению брызгоуноса. Обычнр верхним пределом является скорость газа под решеткой ~ 3 м/с.Нижним пределом скорости газа для пенного аппарата является такая скорость, при которой сильно уменьшается пенообразование.Для пенных газопромывателей с большим свободным сечением решетки и большим диаметром отверстий нижним пределом является такая скорость газа, при которой большая часть жидкости протекает через отверстия, в результате чего высота пены становится ничтожно малой. Для обычных условий нижним пределом расчетной скорости можно считать 1 м/с.Примем среднюю скорость газа w = 2 м/с.Определяем площадь поперечного сечения аппарата:f = ; f== 3,6Газоромыватель может быть круглого или прямоугльного сечения. В коуглом аппарате обеспечивается более равномерный поток газа, в прямоугольном — лучшее распределение жидкости.Примем аппарат прямоугольного сечения размером 3х2 м с подачей воды посередине (рис.10).
Для лучшего распределения газа по площади аппарата ввод газа осуществляется через диффузор. Расчет количества подаваемой воды проводится различно, в зависимости от температуры поступающего газа. Для холодного газа наибольшее влияние на расход оказывают гидродинамические факторы, для горячего газа расход воды определяется тепловым балансом. При очистке от пыли газов, имеющих температуру ниже С, расчет количества подаваемой воды проводят, исходя из гидродинамики процесса и материального баланса газоочистки. В обычных условиях для сохранения достаточной равномерности пенообразования по всей решетке необходимо, чтобы через отверстия протекало не больше 50% подаваемой воды, так как слишком сильная утечка создает неравномерность высоты слоя воды на решетке. Расход воды в газопромывателе складывается из расхода воды, идущей в утечку, и расхода воды, идущей на слив с решетки. Испарением воды при заданной температуре газа можно пренебречь.Количества воды, протекающей через отверстия решетки, определяется массой уловленной пыли и заданным составом суспензии, а затем подбирается решетка с таким свободным сечением, диаметром отверстий и прочими данными, чтобы обеспечивать установленную утечку.При заданной степени очистки концентрация пыли в газе после газопромывателя определяется по формуле:= (1-) = 0,03 (1 — 0,99) = 0,0003кг/Количество улавливаемой пыли:= ( — ) = 30000 (0,03 — 0,0003) = 730,5 кг/чЕсли известна концентрация суспензии с = Т: Ж (в кг/кг), то утечка , т.е. объем воды, необходимый для образования суспензии (в /ч), определяется по уравнению: = Концентрация пыли отнесена к объему газа перед аппаратом приведенному к нормальным условиям. Она незначительно отличается от запыленности газа (в кг/) после аппарата, так как количество газа после апарата увеличивается на 1 — 2 % за счет испарения воды в газопромывателе.Где К — коэффицент распределения пыли между утечкой и сливной водой, выраженный отношением количества пыли, попадающей в утечку, к общему количеству уловленной пыли; обычно К = 0,6: 0,8Концентрация суспензии, как правило, находится в пределах отношения Т: Ж = (1: 5): (1: 10).
Получение суспензии с Т: Ж >1: 5 может вызвать забивание отверстий решетки (особенно мелких).
Получение суспензии с Т: Ж<1: 10 нерационально ввиду ее слишком больших объемов.с = 1: 8= 0,125кг/кг и К = 0,7. Тогда ==4,1/чНа всю решетку или4,1/3,6 = 1,14/ (/ч) на 1 решетки.Коэффицент запаса ~1,5= 1,5 2,14 3,3 /ч, или0,55/ (/ч)Количество сливной воды определяется по формуле: = ibСлив на обе стороны:= 12 2 =4/чОбщий расход воды:L = 3,3 + 4 = 7,3 /чУдельный расход воды:= =0,24 / газаУтечка составляет от общего расхода воды L:= 100 = 45 %Скорость газа = 12м/сОтношение площади свободного сечения решетки к площади сечения аппарата f составит:= = = 0,2z = 0,95 — коэффицент, учитывающий, что 5% площади свободного сечения занимают опоры решетки, переливные стенки и т.д.При разбивке отверстий решетки по шестиугольнику с шагом t заштрихованная площадь:S = tx = t 2 = 1,73На эту площадь приходится два отверстия диаметром . Площадь отверстий:= 2 0,785Отношение / S должно составлять 0,2:= 0,2Откудаt = При диаметре отверстий = 5ммt = = 10,7 11ммКоэффицент скорости пылеулавливания= = = 4,5м/сСвязь между коэффицентом и высотой слоя пены Н при улавливании гидрофильной пыли со средним размером частиц 15 — 20 мкм выражается эмпирической формулой:Н = — 1,95w + 0,09 = 4,5 — 1,95 2,3 + 0,09 = 0.1мС другой стороны, для пылеуловлителейН = 0,806где — высота исходного слоя воды на решетке, м.= + hВысоту порога (в мм) можно рассчитать по формуле:= 2,5 — 7,5В нашем случае: w = 2,3 м/с, i= 1/ (мч)Тогда высота порога:= 2,5 13 — 7,5= 25 ммДля обеспечения работы аппарата при колебаниях его режима примем высоту порога 30 мм.Общая высота газопромывателя складывается из высот отдельных частей его: надрешеточной , подрешеточной и бункера . Эти высоты определяются конструктивно: — в зависимости от брызгообразования и размеров брызгоуловителя, — в зависимости от конструкции подвода газа, — в зависимости от свойств суспензии.Заключение
В практике химических производств нередко приходится подвергать разделению неоднородные газовые системы (пыли и туманы).
Газы можно очищать от взвешенных в них твердых или жидких частиц под действием сил тяжести, центробежных и электростатических сил, а также промывкой и фильтрацией газов. Промышленное осуществление каждого из этих способов связано с применением соответствующей аппаратуры: газовых отстойников, центробежных пылеосадителей, электрических фильтров, гидравлических пылеуловителей и газовых фильтров.Выбор аппарата для очистки газов определяется рядом факторов, главными из которых являются размеры улавливаемых частиц и заданная степень очистки газов. Исходя из этих параметров, можно ориентировочно выбирать газоочистительные устройства по данным, приведенным в таблице.Таблица
|
Аппарат |
Размеры улавливаемых частиц в мкм |
Степень очистки в % |
|
|
Пылеосадительные камеры |
5-20000 |
40-70 |
|
|
Центробежные пылеосадители |
3-100 |
45-85 |
|
|
Электрофильтры |
0,005-10 |
85-99 |
|
|
Гидравлические пылеуловители |
0,01-10 |
85-99 |
|
|
Газовые фильтры |
2-10 |
85-99 |
|
Приведенные данные дают представление лишь о порядке соответствующих величин, которые могут изменяться в широких пределах в зависимости от состояния, состава и свойств поступающего на очистку запыленного газа. Как видно из таблицы, пылеосадительные камеры и центробежные пылеосадители можно применять только для сравнительно грубой очистки газа. При этом следует отдавать предпочтение циклонам как более компактным аппаратам, обеспечивающим относительно высокую степень очистки. Более полная степень очистки газов может быть достигнута при использовании гидравлических пылеуловителей, газовых фильтров и электрофильтров.
Мокрая очистка газов в гидравлических пылеуловителях (скрубберах — насадочных, центробежных и струйных) и механических газопромывателях обеспечивает высокую степень очистки газов (98-99%).
При этом этот способ ограниченно применяют в химической промышленности, так как мокрая очистка сопровождается охлаждением, увлажнением, а иногда и окислением газа; кроме того улавливаемые при мокрой очистке частицы не всегда можно использовать в производстве.
Получившие в последнее время некоторое распространение на химических заводах пенные аппараты обеспечивают высокую степень очистки газов от пыли, дыма, туманов (до 90%), но они также не лишены присущих гидравлическим пылеуловителям недостатков.
Электрофильтры — в наибольшей мереэффективные пылеочиститель-ные устройства, но применение их экономически выгодно только при больших объемах очищаемого газа. Использование газовых фильтров возможно в тех случаях, когда температура очищаемого газа составляет 80-90° С.
1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд.2-е. В 2-х кН.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. — 400 с.
2. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. — М.: Химия, 1981 — 812 с.
3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. — Л.: Химия, 1991. — 352 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.М., «Химия», 1973. — 752 с.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии — Л: Химия 1981. — 560 с.
