Разделение газовых систем

В промышленности пыль может образовываться в результате механического измельчения твердых тел (при дроблении, и истирании, размалывании и т.д.), при горении топлива (зольный остаток), а также при химическом взаимодействии газов, сопровождающемся образованием твердого продукта. Получаемая в таких процессах пыль состоит из твердых частиц размерами 3 – 70 мкм. Взвеси, образующиеся в результате конденсации паров (нефтяные дымы, туманы смол, серной кислоты и др.), чаще всего состоят из очень мелких частиц размерами от 0,001 до 1 мкм.

Степень очистки (в %) газа η определяется следующим образом:

где G₁ и G₂ – количество взвешенных частиц в исходном и очищенном газе, кг/ч;

V₁ и V₂ – объемный расход исходного и очищенного газа, приведенного к нормальным условиям, м³/ч;

х₁ х₂ – концентрация взвешенных частиц в запыленном и очищенном газе, кг/м³.

Гравитационная очистка газов

Пылеосадительные камеры

1 – камера; 2 – горизонтальные перегородки (полки); 3 – отражательная перегородка; 4 – дверцы.

Запыленный газ поступает в камеру 1, внутри которой установлены горизонтальные перегородки (полки) 2. Частицы пыли оседают из газа при его движении между полками, расстояние между которыми обычно составляют 0,1 – 0,4 м. При такой небольшой высоте каналов между полками уменьшается путь осаждающихся частиц пыли. Вместе с тем наличие полок позволяет увеличить эффективную поверхность осаждения частиц. Скорость потока газа в камере ограничена тем, что частицы пыли должны успеть осесть до того, как ни будут вынесены потоком газа из камеры.

Газ, пройдя полки, огибает вертикальную отражательную перегородку 3 (при этом у него осаждается под действием сил инерции дополнительно некоторое количество пыли) и удаляется из камеры. Одновременно отражательная перегородка способствует более равномерному распределению газа между горизонтальными полками камеры. Пыль, осевшая на полках, периодически удаляется с них в ручную специальными скребками через дверцы 4 в боковой стенке или смывается водой. Для непрерывной очистки газа устанавливают две параллельно работающие камеры (одна работает, другую – очищают).

Пылеосадительные камеры используют только для предварительной, грубой очистки газов, содержащих частицы пыли относительно больших размеров (>100 мкм). Степень очистки газов от пыли не превышает 30 – 40%.

Мокрая очистка газов

Для тонкой очистки газов от пыли применяют мокрую очистку – промывку газов водой или другой жидкостью.

Мокрая очистка газов наиболее эффективна тогда, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые твердые частицы имеют незначительную ценность.

Охлаждение газов ниже температуры конденсации находящихся в нем паров жидкости способствует увеличению веса пылинок, играющих при этом роль центров конденсации, и облегчает выделение их из газа. Если улавливаемые частицы находятся в высокодиспергированном состоянии и плохо или совсем не смачиваются водой, то очистка газа в мокрых пылеуловителях малоэффективна. В таких случаях для улучшения смачиваемости частиц и увеличения степени очистки к используемой жидкости добавляют поверхностно – активные вещества.

Наиболее существенным недостатком мокрой очистки газов является образование большого количества сточных вод (шламов), которые вызывают коррозию аппаратуры и должны подвергаться дальнейшему разделению или очистке.

Скрубберы Вентури. Для тонкой очистки газов от высокодисперсной пыли применяют струйные турбулентные газопромыватели – скрубберы Вентури.

1 – конфузор; 2 – горловина; 3 – отверстия для ввода жидкости; 4 – диффузор; 5 – циклонный сепаратор; 6 – отстойник; 7 – насос.

Запыленный газ через конфузор 1 трубы Вентури попадает в горловину 2, где его скорость достигает 60 – 150 м/сек. Через отверстия 3 под избыточным давлением 30 – 100 кН/м² (0,3 – 1 ат) в горловину вводится жидкость, которая, сталкиваясь с газовым потоком, распыляется на мелкие капли (диаметром ~ 10 мкм). При соударениях с частицами пыли капли, поглощая их, укрупняются. Эти капли вместе с газом проходят через диффузор 4, где скорость потока снижается до 20 – 25 м/сек, и попадают в циклонный сепаратор 5. Здесь скорость газожидкостной смеси уменьшается до 4 – 5 м/сек, капли под действием центробежной силы отделяются от газа и вместе со шламом удаляются в отстойник 6. В последнем вода отделяется от шлама и вновь подается насосом 7 в скруббер.

В скруббере Вентури эффективно улавливаются весьма тонкие частицы (1 – 2 мкм). При этом возможно удалить из газа до 99% загрязнений. Скруббер Вентури прост по устройству (не имеет движущихся частиц), но его гидравлическое сопротивление относительно велико (150 – 750 мм. вод. ст.)

Электрическая очистка газов

Физические основы процесса

Электрическая очистка газов основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом. Если ионизированный газ поместить в электрическое поле, образованное двумя электродами, к которым подведен постоянный электрический ток высокого напряжения, то ионы и электроны начнут перемещаться по направлению силовых линий. При достижении напряженности электрического поля до нескольких десятков тысяч вольт кинетическая энергия ионов и электронов возрастает настолько, что они при своем движении, сталкиваясь с нейтральными газовыми молекулами, будут расщеплять их на положительные ионы и свободные электроны. Образование ионов происходит лавинообразно и газ полностью концентрируется. Такая ионизация называется ударной.

После полной ионизации газа возникают условия для возникновения электрического разряда между электродами – коронный разряд. Электрод, вокруг которого образуется «корона», носит название коронирующего электрода, а другой, противоположно заряженный электрод, выполненный в виде трубы или пластины – осадительного электрода. Коронирующий присоединяется к отрицательному полюсу, осадительный к положительному.

Под действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны к осадительному электроду.

Соприкасаясь со встречными пылинками и капельками, они сообщают последним свой заряд и увлекают к осадительному электроду. Основная масса взвешенных в газе частиц приобретает отрицательный заряд вследствие того, что более подвижные отрицательные ионы проделывают более длинный путь из области «короны» к осадительному электроду.

Степень очистки газа в электрофильтре в значительной степени зависит от проводимости пыли.

Электрофильтры работают только на постоянном токе, так как при переменном токе заряженные частицы, испытав ряд импульсов, направляющих их то в одну, то в другую сторону, могут быть вынесены из аппарата ранее, чем они успевают достичь поверхности осадительного электрода.

Устройство электрофильтров

Для питания установки выпрямленным током высокого напряжения используют электрические агрегаты, состоящие из регулятора напряжения 1, повысительного трансформатора 2, преобразующего переменный ток напряжением 380/220В в постоянный ток напряжением 100 кВ, и высоковольтного выпрямителя 3. После выпрямителей ток подводится к электродам 4 и 5 электрофильтра 6. Корпус электрофильтра обычно имеет прямоугольную или цилиндрическую форму и изготавливается из материалов, стойких к химическому и механическому воздействиям очищаемой среды (сталь, кирпич, железобетон и др.)

Принципиальная схема установки для электрической очистки газов

1 – регулятор напряжения; 2 – повысительный трансформатор; 3 – высоковольтный выпрямитель; 4 – коронирующий электрод; 5 – осадительный электрод; 6 – электрофильтр.

Коронирующие электроды представляют собой проволоки круглого или звездообразного сечения, а осадительные электроды – пластины, либо трубы круглого или шестиугольного сечения.

Электрофильтры бывают вертикальные и горизонтальные. Их часто изготавливают из нескольких секций, что дает возможность отличать одну из секций для ремонта и осмотра. В некоторых случаях для повышения степени очистки газа секции электрофильтра располагают последовательно по ходу газа и снабжают самостоятельным электрическим питанием, такие фильтры называются двупольными или многопольными.

Электрофильтры делятся на сухие, в которых улавливается сухая пыль, и мокрые – для удаления пыли, увлажненной в результате конденсации паров влаги из очищаемого газа, а также для осаждения капель и тумана.

Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил

Скорость газа перед перегородками 5 – 15 м/сек, коленчатые газоходы, изменяют направление движения газа на 90 – 180⁰ – инерционные пылеуловители.

Циклон конструкции Научно – исследовательского института. Состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3.

1 – корпус; 2 – коническое днище; 3 – крышка; 4 – входной патрубок; 5 – пылесборник; 6 – выхлопная труба.

Запыленный газ поступает со скоростью 20 – 30 м/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 вращательном движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении движения 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 трубу 6.

Движение частиц пыли в циклоне обусловлено в основном вращательным 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.

+++++++++++++ +++++++++++++++++++++++ +++++++++++

Роторные аппараты → для вязких и термолабильных растворов.

Окружная скорость ротора 2 – 3,5 м/с. Интенсивная теплоотдача. Малое время выпаривания (10 – 15с). Диаметр аппарата 600 мм, мощность привода 3,0кВт.

Недостатки: малая поверхность нагрева, мала производительность.

Схема выпарной установки работающей под разрежением

1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – пароувлажнитель; I – V – выпарные аппараты.

Схема выпарной установки с концентратором

Схема с перепуском пара

Установка состоит из нескольких корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом корпусе.

Вследствие этой разности давлений раствор (упаренный) самотеком перетекает во второй корпус (здесь происходит его охлаждение до температуры кипения во втором корпусе). За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительное количество вторичного пара. Такое явление происходит во всех корпусах (кроме первого) и носит название самоиспарения раствора.

Для передачи тепла необходимо полезная разность температур, т.е.

t_пол. = t_гп – t_кип. и Р₁ > Р₂ > Р₃ (создается путем избыточного давления в первом корпусе или вакууме в последнем корпусе).

Использование пара из паровых турбин. Создается экономичность установки за счет использование пара низкого потенциала.

Установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением (в этом случае отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе, но происходит увеличение толщины стенок корпуса).

Многокорпусная противоточная установка

Достоинства: коэффициент теплопередачи уменьшается от первого корпуса к последнему; во второй схеме коэффициент теплопередачи значительно меньше изменяется, чем в первой схеме вторая схема выпаривания наиболее эффективна К₁: К₂ : К₃ = 1 : 0,58 : 0,34.

Материальный баланс

(1)

где G_Н и b_Н – расход и концентрация исходного раствора;

b_n – концентрация упаренного раствора из последнего корпуса.

Тогда

Тепловой баланс

1 – 3 – корпуса; 4 – барометрический конденсатор; 5 – ловушка; 6 – насос.

Тогда для 1 корпуса:

для 2 корпуса:

для 3 корпуса:

где – удельные теплоемкости парового конденсата при температурах конденсации ;

– удельные теплоемкости раствора по корпусам;

–удельные теплоемкости воды при температурах ;

– температура исходного раствора и температура кипения раствора по корпусам;

– теплоты концентрирования раствора по корпуса;

– потери тепла в окружающую среду (3 – 5%).

Данная система содержит четыре неизвестных: D₁,W₁,W₂,W₃ ее дополняют уравнением материального баланса по выпариваемой воде:

Обобщенное уравнение теплового баланса для n – корпусной установки:

Уравнение материального баланса по воде:

где m – число корпусов установки.

Общая полезная разность температур и ее распределение по корпусам. Общая разность температур Δt_общ многокорпусной прямоточной установки представляет собой разность между температурой Т₁ первичного пара и температурой вторичного пара , поступающего из последнего корпуса в конденсатор:

Общая разность температур не может быть полностью использована вследствие наличия температурных потерь. Поэтому Δt_пол < Δt_общ

В однокорпусной установке:

где Т – температура конденсации греющего пара;

t – температура кипения раствора.

Для многокорпусной установки общая полезная разность температур равна разности между температурой Т₁ свежего пара, греющего первый корпус, и температурой конденсации вторичного пара, выходящего из последнего

(n–го) корпуса, за вычетом суммы температурных потерь во всех корпусах установки, т.е.:

При условии равенства поверхностей нагрева полезная разность температур в корпусах равна:

(1)

т.к. и складывая полезные разности температур отдельных корпусов, находим общую полезную разность:

Подставляя полученное значение в выражении (1) получим:

Выбор числа корпусов

При переходе от 1 установки к 2 экономия греющего пара 50 %.

При переходе от 4 установки к 5 экономия уменьшается до 10 %.

С увеличением корпусов возрастает поверхность нагрева. Чем выше концентрация, тем больше температурные потери, тем меньше число корпусов.

Δt_ПОЛ. = 3⁰С для аппаратов с принудительной циркуляцией, Δt_ПОЛ. = 5 – 7⁰С для аппаратов с естественной циркуляцией.

Классификация

По типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики); по расположению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной и иногда с наклонной нагревательной камерой); по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители).

Различают аппараты: с неорганизованной или свободной (естественной) и принудительной циркуляций.

Их можно разделить на прямоточные (за один проход раствора) и многократной циркуляцией раствора.

А также в зависимости от организации процесса: периодически и непрерывно действующие.

1. Аппарат со свободной циркуляцией раствора (змеевиковые выпарные аппараты). Периодически действующие: аппараты с рубашкой.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтенсивная неупорядоченная циркуляция раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Здесь коэффициенты теплопередачи низки.

Эти аппараты используются только для выпаривания агрессивных и вязких жидкостей, выделяющих твердые осадки. Здесь поверхность нагрева может быть защищена с помощью ингибирования.

С горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и с вертикальным цилиндрическим корпусом. Достоинства: небольшая высота слоя выпариваемого раствора, это значительно снижает температурные потери вследствие гидростатической депрессии; имеют большой объем парового пространства (их используют для выпаривания пенящихся растворов). Недостатки: громоздки и металлоемки; непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов, из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб; невысокие коэффициенты теплоотдачи в горизонтальных трубах (из-за слоя конденсата).

2.Аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой. Длина труб о 2 до 4м, в межтрубное пространство подается нагревательный пар. Поверхность теплообмена в кипятильных трубках на единицу объема выпариваемого раствора больше, чем в циркуляционной трубе, т.к. поверхность трубы находится в линейной зависимости от диаметра, а объем жидкости пропорционален квадрату диаметра.

3. Аппарат с подвесной нагревательной камерой.

4.Аппарат с выносной циркуляционной трубой – центробежный брызгоуловитель.

5.Аппарат с выносной нагревательной камерой – увеличивается длина кипятильных труб 7 м. Скорость циркуляции 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена.

+++++++++++++ +++++++++++++++++++++++ +++++++++++

Расчет фильтров

Периодически действующие фильтры

1. Определение τ_осн при условии, что промывка и продувка отсутствует, а разделение происходит при ΔP = const

2. Определение объема фильтрата:

3. Общее число циклов работы фильтра в сутки

где Q_общ. – производительность установки по фильтрату.

4. Число циклов работы одного фильтра в сутки

5. Необходимое количество фильтров:

Непрерывно действующие фильтры

1. Принимают оптимальную толщину осадка ~ 5 мм.

2. Из равенства находят:

3. Определяем время фильтрования из условия R_фп = 0:

4. Опытным путем определяем продолжительность стадии промывки τ_п

5. Число секций в зоне первого обезвоживания , второго обезвоживания , удаление осадка и регенерации

6. Продолжительность:

– первое обезвоживание

где – число секций в зонах фильтрования и промывки.

– второе обезвоживание

– удаление осадка и регенерации

7. Общая продолжительность цикла:

8. Скорость вращения барабана: