Очитка газов в мокрых пылеуловителях

Очитка газов  в мокрых пылеуловителях

Мокрые пылеуловители  имеют ряд достоинств и недостатков  сравнении аппаратами других типов. Достоинства :1) небольшая стоимость и более высокая эффективность улавливания взвешенных частиц; 2) возможность использования для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм; 3) возможность очистки газа при высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгораний и взрывов очищенных газов и уловленной пыли; 4) возможность на ряду с пылями одновременно улавливать парообразные и газообразные компоненты. Недостатки: 1) выделение уловленной пыли в виде шлама, что связанно с необходимостью обработки сточных вод, т. е. с удорожанием процесса; 2) возможность уноса капель жидкости и осаждения их с пылью в газоходах и дымососах; 3) в случаи очистки агрессивных газов необходимость защищать аппаратуру и коммуникации антикоррозионными материалами.

В мокрых пылеуловителях в  качестве орошающей жидкости чаще всего  используется вода. В зависимости  от поверхности контакта или по способу  действия их подразделяют на 8 видов: 1) полые газопромыватели; 2) насадочные срубберы; 3) тарельчатые (барботажные и пенные); 4) с подвижной насадкой; 5) ударно-инерционного действия (ротоклоны); 6) центробежного действия; 7) механические газопромыватели; 8) скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури и эжекторные).

Иногда мокрые пылеуловители  подразделяются по затратам энергии  на низконапорные (гидравлическое сопротивление  которых не превышает ∆Р = кПА): форсуночные скрубберы, барботеры, мокрые центробежные аппараты и др.; средненапорные (∆Р=1,5-3 кПА): динамические скрубберы,  газопромыватели ударно-инерционного действия, эжекторные скрубберы; высоконапорные (∆Р>3,0 кПа): скрубберы Вентури , с подвижной насадкой.

В результате контакта запыленного  газового потока с жидкостью образуется межфазная поверхность контакта. Эта поверхность состоит из газовых  пузырьков, газовых струй, жидких струй, капель, пленок жидкости. В большинстве  мокрых пылеуловителей наблюдаются  различные виды поверхностей, поэтому  пыль улавливается в них по разным механизмам.

Полые газопромыватели. Наиболее распространены полые форсуночные скрубберы (рис.     а). Они представляют собой колонну круглого или прямоугольного сечения, в которой осуществляется контакт между газом и каплями жидкости. По направлению движения газа и жидкости полые скрубберы делят на противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости. Форсунки устанавливают в колонне в одном или нескольких сечениях: иногда рядом до 14-16 в каждом сечении, иногда только по оси аппарата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис .    Скрубберы:

а – полый форсуночный: 1 – корпус; 2 – форсунки;

б – насадочный с поперечным орошением: 1 – корпус; 2- форсунка; 3 – оросительное устройство; 4 – опорная решетка; 5 - насадка; 6 – шламосборник

При работе без каплеуловителей чаще используют противоточные скрубберы. Скорость газа в них изменяется от 0,6 до 1,2 м/с. Скрубберы с пылеуловителями работают при скорости газа 5-8 м\с. Гидравлическое сопротивление полого скруббера без каплеуловителя и газораспределителя обычно не превышает 250 Па.

Скрубберы обеспечивают высокую  степень очистки только при улавливании  частиц пыли размером d_ч =10 мкм и малоэффективны при улавливании частиц размером d₂<5 мкм.

Высота скруббера составляет  Н~2,5 D. Диаметр аппарата определяется по уравнению расхода, удельный расход жидкости m  выбирают в пределах 0,5-8 л\м³ газа.

Эффективность противоточного скруббера вычисляют по формуле

 

где_{расход жидкости, м}³\с; _{эффективность захвата каплямичастиц определенного диаметра;г} – скорость газа; _к –скорость осаждения капли, м\с;  d_k – диаметр капли, м; V_г – расход газа, м²\с; Н – высота скруббера, м.

Для капель с d_k ~0.6-1.0 мм скорость осаждения _к определяют по диаграммам. Коэффициент захвата каплями частиц находят по формулам:

при m < 2 л/м³                    _{= φ} ²/ (φ +0,35)²,

при m ≥ 2 л/м³                    _{= 1 – 0,15 φ} ^-1,24,

где φ – инерционный параметр, отличающийся от числа Стокса поправкой определяемой по справочникам.

Насадочные газопромыватели. Они представляют собой колонны с насадкой навалом или регулярной. Их используют для улавливания хорошо смачиваемой пыли, но при невысокой ее концентрации. Из за частого забивания насадки такие газопромыватели используют мало. Кроме противоточных колонн на практике применяют насадочные скрубберы с поперечным орошением (рис    ). В них для обеспечения лучшего смачивания поверхности насадки слой ее обычно наклонен на 7-10^о в направлении газового потока. Расход жидкости 0,15 – 0,5 л/м³, эффективность при улавливании частиц размером d_ч ≥ 2 мкм превышает 90%.

Газопромыватели с подвижной насадкой. Они имеют большое распространение в пылеулавливании (   ). В качестве насадки используют шары из полимерных материалов, стекла или пористой резины. Насадкой могут быть кольца, седла и т.д. Плотность шаров насадки не должна превышать плотности жидкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.    Газопромыватели  с подвижной насадкой:

а – с цилиндрическим слоем; 1 – опорная решетка; 2 –  шаровая насадка; 3 – ограничительная  решетка; 4 – оросительное устройство; 5 – брызгоуловитель;

б, в – с коническим слоем форсуночный и эжекционный: 1 – корпус; 2 – опорная решетка; 3 – слой шаров; 4 – брызгоуловитель; 5 – ограничительная решетка; 6 – форсунка; 7 – емкость с постоянным уровнем жидкости

 

 

 

Колонна с подвижной насадкой может работать при различных  режимах, но оптимальный режим для  пылеулавливания – режим полного (развитого) псевдоожижения. Скорость газа _г^', соответствующая началу режима полного псевдоожижения, определяется из формулы

_г^') ² /d _ш = СS₀ exp [ - 12.6 (Q_ж/V_г) ^0,25 ],

Где d_ш – диаметр шаровой насадки, м; С – коэффициент (при ширине щели в опорной тарелке в = 2мм С = 2,8*10⁴, при в >2 мм С = 4,5*10⁴); S_o – свободное сечение решетки, м²/м ².

Предельно допустимая скорость газа _г '' равна

_г '' = 2,9 S_o^0.4 (Q_ж/ V_г) ^{- 0,15}.

Для обеспечения высокой  степени пылеулавливания рекомендуются  следующие параметры процесса: скорость газа – 5-6 с; удельное орошение 0,5 – 0,7 л/м³; свободное сечение тарелки S_o =0.4 м²/м² при в = 4-6 мм. При очистки газов, содержащих смолистые вещества, а также пыль, склонную к образованию отложений, применяют щелевые тарелки с большей долей свободного сечения (S_o=0.5-0.6 м²/м²).

Свободное сечение ограничительной  тарелки составляет 0,8-0,9 м²/м². При выборе диаметра шаров необходимо соблюдать соотношение D/d_ш ≥ 10. Оптимальными являются шары диаметром 20 – 40 мм и насыпной плотностью 200-300кг/м³.

Минимальная статистическая высота слоя насадки Н_ст составляет 5 – 8диаметров шаров, а максимальная определяется из соотношения Н _ст /D ≤ 1.

Высота секции (расстояние между тарелками) складывается из динамической высоты слоя псевдоожиженной шаровой насадки и высоты сепарационной зоны ( в м):

Н _сек = Н _дин + Н _сеп, Н _дин = 0,118 ω _ж ^0,3 Н_ст ^0,6 (ω _г/ S_о)^0,93,

Н _сеп = (0,1 – 0,2) Н _дин

Общее гидравлическое сопротивление  колонны рассчитывается по уравнению

∆Р = ∆Р_вх + ∆Р_вых + ∆Р_т + ∆Р _ш + ∆Р_ж.н + ∆Р_т',

где ∆Р_вх  и ∆Р_вых – потеря напора при входе и выходе газа из аппарата соответственно, Па; ∆Р_т -  гидравлическое сопротивление опорной тарелки со слоем удерживаемой жидкости , Па; ∆Р _ш – гидравлическое сопротивление слоя сухой насадки, Па; ∆Р_ж.н – гидравлическое сопротивление жидкости, удерживаемой слоем насадки, Па; ∆Р_т' – гидравлическое сопротивление ограничительной тарелки, Па.

Расчет ∆Р _ш и ∆Р_ж.н производят по формулам:

∆Р _ш = ρ_ж Н_ст (1 – ε₀)

∆Р_ж.н = 1254 ω _г ^0,24 ω_ж ^0,17 Н_ст ^0,92 ρ_ш ^{- 0,1},

Где ρ_ш – насыпная плотность, кг/м, ε₀ –порозность неподвижного слоя сухой шаровой насадки , принимается равной 0,4; ω_ж – скорость орошаемой жидкости в расчете на свободное сечение, м/с.

Скрубберы  с  подвижной шаровой насадкой конической формы (КСШ). Для обеспечения стабильности работы в широком диапазоне скоростей газа, улучшения распределения жидкости и уменьшения уноса брызг предложены аппараты с подвижной шаровой насадкой конической формы. Разработано два типа аппаратов: форсуночный и эжекционный (рис  ).

 В эжекционном скруббере орошение шаров осуществляется жидкостью, которая высасывается из сосуда с постоянным уровнем газами, подлежащими очистке. Зазор между нижним основанием конуса и уровнем жидкости зависит от производительности аппарата (чем больше зазор, тем больше производительность аппарата). В аппаратах применяют полиэтиленовые шары диаметром 34- 40 мм с насыпной плотностью 110- 120 кг /м³ . Высота слоя шаров Н _ст составляет 650 мм; скорость газа на входе в слой колеблется в пределах 6 – 10 м/с и уменьшается на выходе до 1-2 м/с. Высота конической части в обоих вариантах принята 1м. Угол раскрытия конической части зависит от производительности аппаратов и может составлять от 10 до 60^о. Для улавливания брызг в цилиндрической части аппаратов размещается неорошаемый слой шаров высотой 150мм.

 В форсуночном скруббере  расход жидкости на 1 м³ газов составляет 4-6 л. Гидравлическое сопротивление форсуночных скрубберов – 900 -1400 Па, эжекционных – от 800 до 1400 Па. Производительность конических скрубберов от 3000 до 40 000м³/ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.  Пенные пылеуловители (газопромыватели):

 а – с переливной тарелкой; б – с провальной тарелкой; 1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – приемная коробка; 4 – порог; 5 - сливная коробка; 6 - ороситель

Тарельчатые газопромыватели (барботажные, пенные). Наиболее распространены пенные аппараты с провальными тарелками или тарелками с переливом ( рис.   ). Тарелки с переливом имеют отверстия диаметром 3-8 мм и свободное сечение 0,15 -0,25 м²/м² . Провальные тарелки могут быть дырчатыми, щелевыми, трубчатыми и колосниковыми. Дырчатые тарелки имеют отверстия d₀ =4-8 мм. Ширина щелей у остальных конструкций тарелок равна 4-5 мм. Свободное сечение вех тарелок составляет 0,2 -0,3м²/м². Пыль улавливается пенным слоем, который образуется при взаимодействии газа и жидкости.

Выделяют следующие стадии процесса улавливание пыли в пенных аппаратах: инерционное осаждение  частиц пыли в подрешеточном пространстве; первую стадию улавливания частиц пыли в пенном слое («механизм удара»); вторую стадию улавливания частиц пыли в пенном слое (инерционно- турбулентное осаждение частиц на поверхности пены).

Эффективность улавливания  пыли в подрешеточном пространстве значительна при улавливании пыли размером частиц более 10 мкм. Преобладающим в работе пенных аппаратов для пылеулавливания является «механизм удара». Эффективность этого механизма намного больше эффективности других механизмов.

Эффективность процесса пылеулавливания  зависти от величины межфазной поверхности. Для дырчатых тарелок с переливом  удельную объемную поверхность контакта вычисляют по формуле 

а =1,62 ω_К ^0,4 φ_Г ^0,3  μ_ж ^0,25 ρ_ж ^0,6 / σ ^0,6.

Для провальных тарелок при  h₀≥ 20мм формула имеет вид

а = 5,58 ω_К ^0,15 μ_ж ^0,25 ρ_ж ^0,35 / h₀^0,25 σ ^0,6,

где а- удельная объемная поверхность контакта фаз, м²/м³ ; ω_К- скорость газа в колонне м/с; φ_Г – газосодержание пенного слоя; μ_ж-коэффициент динамической вязкости жидкости, Па*с; σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м²; h₀ –высота исходного слоя жидкости,м.

Для h₀< 20 мм коэффициент пропорциональности в формуле равен 0,28 h_0.

Н_п =4,35*10^-5 h₀ ^0,6 ω_К ^0,4 / σ ^0,6 υ_Ж ^0,25.

Полное гидравлическое сопротивление  аппарата

∆Р = ∆Р_вх + ∆Р_т + ∆Р_вых + ∆Р _кап,

Где ∆Р_т   -полное сопротивление тарелки, Па; ∆Р _кап- гидравлическое сопротивление каплеуловителя , Па.

Гидравлические потери при  входе и выходе газа из аппарата

∆Р_вх + ∆Р_вых принимаем равными 50 -100 Па.

∆Р_т= ∆Р_с+ ∆Р_σ + ∆Р_ст ,

∆Р_с = ξ ω 2ρ_г / 2,    ∆Р_σ  = 4σ / d₀,   ∆Р_ст = h₀ ρ_ж ,

Где ∆Р_с , ∆Р_σ, ∆Р_ст – соответственно сопротивление сухой тарелки , сил поверхностного натяжения и статического слоя жидкости, Па.

Пенный аппарат  со стабилизатором пенного слоя. На провальной решетке устанавливается стабилизатор, представляющий собой сотовую решетку из вертикально расположенных пластин, разделяющих сечение аппарата и пенный слой на небольшие ячейки. Благодаря стабилизатору происходит значительное накопление жидкости на тарелке, увеличение высоты пены по сравнению с провальной тарелкой без стабилизатора. Применение стабилизатора позволяет существенно сократить  расход воды на орошение аппарата.

Рекомендуются следующие  размеры стабилизатора: высота пластин 60мм, размер ячеек от 35х35 до 40х40 мм. Оптимальные условия работы :

ω_К =2,5-3,5 м/с; m= 0,05 - 0,1л/м³. В аппарате устанавливаются дырчатые провальные тарелки с d₀ = 3-6 мм и S₀ =0.12 – 0.18 м²/м². Производительность по газу аппаратов со стабилизаторами изменяется от 3000 до 90 000 м³/ч.