Осаждение пылевых частиц на поверхности жидкости

При столкновении частицы с толстым слоем жидкости, когда толщина пленки жидкости L_ж больше диаметра частицы (L_ж > d_ч), возможны три варианта поведения частицы (рис. 4.6):

1) частица рикошетом ударяется о поверхность и уносится потоком газа;

2) частица не рикошетирует, но и не погружается в глубину слоя, т. е. остается на поверхности;

3) частица пробивает поверхность жидкости и погружается в слой.

Рис. 4.6

В пылеулавливании наиболее желателен третий вариант, поскольку первый вариант дает пулевой эффект улавливания, а второй – сводится к варианту осаждения частиц на смоченных поверхностях. Следует иметь в виду, что если плотность жидкости больше плотности частицы (ρ_ж > ρ_ч), то частица, проникшая в толщу жидкости, может всплыть обратно на ее поверхность – в этом случае процесс также сводится ко второму варианту. В наиболее общем виде движение сферической частицы, погрузившейся в жидкость, описывается уравнением

, (4.38)

где m_ч – масса частицы;

– масса «присоединенной» к частице жидкости;

– скорость частицы относительно жидкости;

t – время погружения частицы;

F_сопр – сила сопротивления среды (жидкости) движению частицы:

,

где ξ_ч – коэффициент аэродинамического сопротивления частицы относительно жидкости;

S_ч – площадь сечения частицы, перпендикулярного направлению движения;

ρ_ж – плотность жидкости, в среде которого движутся частицы.

Принимая шарообразную форму частицы, силу сопротивления можно переписать в виде

. (4.39)

Коэффициент аэродинамического сопротивления частицы ξ_ч зависит от безразмерного критерия Рейнольдса для частицы, движущейся в жидкости:

,

где μ_ж – динамическая вязкость газов.

При условии, что 0,1 ≤ Re ≤ 1000, коэффициент сопротивления частицы равен Для этого случая выводится следующее решение уравнения (4.38) (при ρ_ж = 1г/см³ – плотность жидкости, вода; ρ_ч = 2,5 г/см³ – плотность частицы):

(4.40)

где x_ч – длина пути, проходимая частицей в жидкости;

Re₀ – критерий Рейднольдса для частицы в начальный момент движения. Решения (4.40) приведены на рисунках 4.7 и 4.8.

Из решения (рис. 4.7. и 4.8.) следует, что скорость крупных частиц убывает быстрее, чем скорость мелких, а влияние размера частиц на длину пути x_ч больше, чем влияние скорости.

Для хорошо смачивающихся (гидрофильных) частиц для удержания на поверхности воды достаточно их точечного контакта. Плохо смачивающиеся (гидрофобные) частицы, в том числе все мелкие, будут уловлены только в том случае, если глубина погружения в жидкость их центра будет превышать их радиус r (x_ч /d_ч > 0,5), так как при этом можно ожидать «захлапывание» каверны за погрузившейся частицей, что возможно лишь при Re > 5. Из решения (график на рис. 4.7) видно также, что для торможения крупных частиц требуется большая толщина пленки жидкости (воды), поскольку возможно, что частица, пройдя слой воды, ударится о поверхность дна и покинет слой жидкости.

Таким образом, частицы малых размеров и частицы, соударяющиеся с поверхностью жидкости (воды) с малой скоростью, погружаются в нее на глубину менее x_ч < d_ч и, если они плохо смачиваются, могут быть сорваны воздушными потоками. При значениях Re > 1000 к толщине пленки L_ж ≤ 20 d_ч/2 – также возможен отскок частиц от твердой стенки дна пленки и вторичный выход частицы в воздушный поток.

Приведенный анализ условий осаждения частиц на сухих, смоченных и жидких поверхностях позволяет сделать важные выводы.

1. В сухих пылеуловителях и фильтрах общего назначения могут надежно удерживаться частицы не более 4–5 мкм. Заполнять сухие фильтры предпочтительнее полимерными материалами, так как деформация поверхности этих материалов при ударе о них пылевых частиц улучшает условия контакта и адгезии.

2. В пылеуловителях и фильтрах с поверхностями, смоченными маслами, могут надежно удерживаться хорошо смачивающиеся частицы размером до 20…50 мкм и плохо смачивающиеся частицы размером до 10 мкм.

3. Пленками жидкости (воды) в мокрых пылеуловителях надежно удерживаются частицы, движение которых характеризуется значением Re > 5.

Рис. 4.7. Зависимость пути, проходимого сферической пылевой частицей в воде,
от размера частиц и значения критерия Re в момент удара частицы
о поверхность воды

Рис. 4.8. Значения критерия Re для движения сферических частиц в воде при t = 20 ⁰C

Для повышения эффективности пылеулавливания в некоторых случаях стремятся уменьшить поверхностное натяжение воды путем введения поверхностно-активных веществ (ПАВ), главным образом синтетического происхождения – сульфанол, синтинол, лаурит натрия (шампуни). Молекулы ПАВ интерополярны, т. е. они имеют гидрофильную полярную группу и неполярную углеводородную гидрофобную цепь. К гидрофобной поверхности частицы, погрузившейся в воду, поворачиваются неполярные углеводородные части молекул ПАВ, адсорбирующихся на поверхности частиц. Полярные – гидрофильные части молекул образуют наружный слой. В итоге частица оказывается окруженной гидрофильным слоем, т. е. становится смачиваемой. Например: добавка к воде 0,1…1 % ПАВ снижает поверхностное натяжение до 300 мкН/см, но одновременно приводит к образованию устойчивой пены, которая в ряде случаев препятствует работе пылеуловителя. В этих случаях добавляют пеногасители – вещества, мало растворимые в воде, но быстро растекающиеся по ее поверхности в виде мономолекулярного слоя. Пеногасители вытесняют пенообразователи из поверхностного слоя, понижая устойчивость пены. Добавка пеногасителей (например, ПМС-1000 – полиметилсилоксановая жидкость в количестве около 0,001 %) также способствует дальнейшему снижению поверхностного натяжения воды.

Лучшему смачиванию частиц способствует также повышение температуры воды, так как при этом уменьшаются силы поверхностного натяжения и разрушается слой воздуха, адсорбированный на поверхности частиц.