Осаждение взвешенных частиц при контакте газов с жидкостью («мокрая» газоочистка)

Для тонкой очистки газов от пыли применяют мокрую очистку — промывку газов водой или другой жидкостью. Тесное взаимодействие между жидкостью и запыленным газом осуществляется в мокрых пылеуло­вителях либо на поверхности жидкой пленки, стекающей по вертикальной или наклонной плоскости (пленочные или насадочные скрубберы), либо на поверхности капель (полые скрубберы, скрубберы Вентури) или пу­зырьков газа (барботажные пылеуловители).

Улавливание взвешенных частиц каплями основано на кинематичес­кой коагуляции, обусловленной разностью скоростей частиц и капель. Можно выделить три основных режима захвата:

· спокойный режим - аэрозоль движется с малой скоростью, капли па­
дают под действием силы тяжести;

· средний режим - аэрозоль движется со скоростью, соответствующей
ламинарному или слаботурбулизированному режиму, капли имеют скорость, значительно превышающую скорость седиментации;

· динамический режим - скорость потока аэрозоля намного выше критической, т. е. он сильно турбулизирован. Капли (или просто жидкость, не раздробленная на капли) поступают в поток газа и интенсивно диспергируются под влиянием мощных турбулентных пульсаций, которые одновременно способствуют контакту между жидкостью и аэрозольными частицами.

Во всех случаях улавливание частиц пыли может происходить за счет действия прак­тически всех механизмов, однако влияние их на эффективность пылеулав­ливания далеко не одинаково. При этом капли чаще всего рассматрива­ются как жесткие шары. Преобладающим эффектом практически всегда является инерционный. Эффективность инерционного осаждения пыле­вых частиц на капле жидкости зависит от критерия Стокса (Stk):

(2.30)

где d_ч – диаметр частицы пыли, м;

r_ч - плотность частицы пыли, кг/м³;

m - кинематическая вязкость газа, Па/с.

Действие сил инерции реально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм.

Для шаровых взвешенных частиц диаметром (d_к) более 1 мкм в спокойном и среднем режиме эф­фективность инерционного осаждения на каплях может быть выражена за­висимостью:

, (2.31)

где h_з - эффективность захвата каплями частиц пыли;

v_oc -скорость осаждения капли жидкости, м/с;

Н - высота скруббера (длина пути потока газа при контакте с жидкостью), м.

Vг – расход очищаемого газа, м³/с;

Vж – расход орошающей жидкости, м³/с;

d_к – диаметр капель орошающей жидкости, м.

При относительно небольшом удельном орошении (0,1-1,0 л/м³) и при значениях Stk = 0,1¸ 1,0 эффективность осаждения на каплях можно опре­делить по эмпирической формуле Ленгмюра и Блоджетта:

(2.32)

При удельном орошении 1,5-2,0 л/м³ и Stk = 1,0¸170 можно использо­вать формулу:

(2.33)

При движении пузырьков газа через слой жидкости (барботаж) внутри их возникает пульсация газов. Для упрощения обычно принимается, что пузырьки имеют шарообразную форму. Размер пузырей газа d_г при барботаже колеблется от 2,0 до 20 мм. Он является функцией скорости газового потока, которая принимается от 1,0 до 4,0 м/с. Большое количество пузы­рей придает слою жидкости характер пены. Важнейшим условием рабо­тоспособности пенного слоя является его стабильность.

В обычных условиях в пузырьках осаждение частиц происходит под действием четырех механизмов: центробежного, инерции, гравитации и диффузии. Основными механизмами осаждения даже для частиц диаметром менее 1 мкм являются центробежный, инерционный и гравитационный.

Степень улавливания за счет инерционного и гравитационного осаждения теоретически оценивается по формулам:

инерционное осаждение

(2.34)

гравитационное осаждение

, (2.35)

где d_п – диаметр пузырька газа, м;

n_п – скорость подъема пузырька, м/с;

t_р – время релаксации частицы пыли, с.

Как видно из формул (2.34) и (2.35) при уменьшении диаметра пузырька увеличиваются параметры инерционного и гравитационного меха­низмов, т. е. необходимо, чтобы пузырек был как можно меньше. Таким образом, если контакт жидкости с газом осуществляется в пузырьке, то степень улавливания мелкодисперсной пыли крайне низкая, а для увели­чения степени очистки за счет других механизмов необходимо уменьше­ние размеров пузырьков.

При осаждении твердых частиц на поверхности жидкости последняя может располагаться в виде тонкой пленки на твердой поверхности либо занимать определенный объем и иметь глубину, достаточную для полного поглощения частиц. В обоих случаях, естественно, преобладает инерци­онный эффект.

После соударения с толстым слоем жидкости можно выделить три ва­рианта поведения частиц:

· частица отталкивается от поверхности, после чего либо снова ударяется о поверхность, либо уносится потоком газа;

· частица не отталкивается, но и не погружается в глубину слоя, т. е. остается на его поверхности;

· частица пробивает поверхность жидкости и погружается в слой.

В пылеулавливании наиболее желателен третий вариант, поскольку пер­вый дает нулевой эффект улавливания, второй приводит к загрязнению по­верхности жидкости и затрудняет ее последующую обработку. Следует так­же иметь в виду, что частица, проникшая в толщу жидкости, может всплыть обратно на ее поверхность, если р_ж > р_ч.

Путь, проходимый частицей в жидкости по инерции (до релаксации), в среднем очень невелик и, в зависимости от скорости вхождения и размера частиц, составляет от нескольких микрон до 1-2 мм. Для предотвращения вторичного уноса частиц газовым потоком после удара их о свободную по­верхность жидкой пленки считается, что толщина пленки должна состав­лять не менее 0,2-0,3 мм.