Характеристика, виды, принцип работы и расчет параметров мокрых пылеуловителей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Сила тяжести пылинок больше, чем сила тяжести воздуха, на этом базируется функционирование элементарных пылеосадочных камер. Инерционные пылеуловители используют силу инерции, при которой загрязненные частицы продолжают свое движение, тогда как поток воздуха или газа направление своего движения уже изменил. Такие аппараты пылеулавливания, как циклоны используют и силу тяжести, и инерции, и центробежную силу. Циклон представляет собой цилиндр, в верхнюю часть которого входит обычно прямоугольный патрубок, но не прямо, а под углом, то есть тангенциально. По нему подается загрязненный газ со скоростью 15-20 м/сек. Центробежная сила, возникающая при этом, отбрасывает частицы пыли к стенкам корпуса, и они под действием силы тяжести опускаются по конической части циклона вниз в камеру пылеулавливания. Внизу создается пониженное давление, и очищенный газ устремляется вверх и по выхлопной трубе выходит либо в атмосферу, либо, если требуется, к потребителю. Но циклоны удаляют не все частицы, какая-то часть пыли остается на стенках цилиндра и конуса и не может оторваться. Потоком воздуха плохо захватываются пушистые и мягкие пылинки, поэтому сухие циклоны затруднительно использовать в текстильной и легкой промышленности. Плохо захватывается сажа, очень мелкие пылинки, литейная пыль. Для устранения этих недостатков циклоны получили дальнейшее развитие - в этой технологии стала использоваться вода. Мокрое пылеулавливание - достаточно простой, но весьма эффективный метод. Аппараты мокрой очистки сконструированы по такому же принципу, как сухие циклоны. Отличие состоит в том, что пыль улавливается за счет осаждения ее на мокрые стенки аппарата. Такие устройства называются скрубберами.

Преимущества и недостатки мокрого пылеулавливания.

Мокрое пылеулавливание имеет ряд преимуществ перед системами очистки других типов.

· Стоимость таких устройств сравнительно невелика (без учета очистки шлама).

· Эффективность работы значительно выше по сравнению с сухими пылеулавливателями.

· Они успешно конкурируют с рукавными фильтрами, считающимися высокоэффективными пылеочистителями.

· Имеют способность улавливать не только взвешенные частицы, но газообразные и парообразные компоненты.

· Улавливают мельчайшие частицы до 1 мкм и успешно применяются для второй ступени очистки.

· Мокрое пылеулавливание применяется для очистки газов высокой температуры, где существует опасность возгораний и взрывов.

В то же время мокрые пылеуловители имеют и ряд недостатков.

· Выделяющийся шлам (смесь грязи с водой) требует дополнительной очистки, что делает мокрое пылеулавливание более затратным.

· При охлаждении газов до температуры, близкой к точке росы, пыль может оседать на дымососах, газопроводах, системе вентиляции и вызывать их засорение.

· При очистке агрессивных газов аппаратура и коммуникации могут подвергаться коррозии.

· Центробежные скрубберы потребляют достаточно большой объем воды (0,25 л на 1 куб. м очищаемого газа).

В мокрых пылеуловителях очистка газа осуществляется при соприкосновении газа с жидкостью, чаще всего водой. При этом взвешенные в газе частицы пыли смачиваются жидкостью, утяжеляются и выпадают из газового потока либо под действием сил веса и инерции, в том числе центробежных сил, либо захватываются жидкостью и выводятся из аппарата в виде шлама. При очистке газа в мокрых пылеуловителях он и охлаждается. Процессу улавливания частиц пыли в мокрых пылеуловителях способствует конденсация паров жидкости, содержащихся в газе, при его охлаждении. По сравнению с сухими аппаратами мокрые пылеуловители более эффективны. Их применяют в тех случаях, когда уловленная из газа пыль может быть использована в мокром виде и когда необходимо охладить газ независимо от его очистки. Частицы пыли по способности смачиваться делят на две группы: гидрофильные (хорошо смачиваемые) и гидрофобные (плохо смачиваемые). У мелких частиц пыли на поверхности образуется пленка газа, которая препятствует их смачиванию. Для улучшения смачиваемости мелкой пыли в промывную жидкость следует вводить поверхностно активные добавки, разрушающие пленку газа на поверхности частиц пыли.

1. Классификация методов мокрой очистки промышленных газовых выбросов

Аппараты мокрой газоочистки составляют 51% газоочистных устройств в России, в которых очищается 50% дымовых газов, образующихся в производстве.

В мокрых пылеуловителях очистка газа осуществляется при соприкосновении газа с жидкостью, чаще всего водой. При этом взвешенные в газе частицы смачиваются жидкостью, утяжеляются и выпадают из газового потока либо под действием сил веса и инерции, в том числе центробежных сил, либо захватываются жидкостью и выводятся из аппарата в виде шлама.

Традиционно аппараты мокрой газоочистки разделяют на следующие группы:

1. Статические газопромыватели: оросительные устройства, полые газопромыватели, насадочные газопромыватели;

2. Тарельчатые газопромыватели (барботажные и пенные аппараты);

3. Аппараты с подвижной насадкой;

4. Мокрые аппараты центробежного действия;

5. Механические газопромыватели;

6. Мокрые аппараты ударно-инерционного действия (ротоклоны);

7. Скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури);

8. Эмульгаторы.

По принципу взаимодействия фаз газ-жидкость мокрую газоочистку можно разделить на 4 основных способа:

1. запыленный газовый поток проходит через завесу разбрызгивающейся жидкости;

2. использование движущихся пленок жидкости, с которыми контактируют взвешенные в газах частицы;

3. взвешенные твердые частицы контактируют с жидкостью в результате действия инерционных сил при резком изменении направления движения газового потока;

4. контакт с жидкостью основан на интенсивной диспергации орошающей жидкости с помощью газового потока, движущегося с высокой скоростью.

Оросительные устройства. К оросительным устройствам относят брызгала, устанавливаемые в газоходах, и промывные камеры. В оросительных устройствах запыленный газ пропускают через завесу распыляемой или разбрызгиваемой воды. При этом частицы пыли, сталкиваясь с каплями жидкости, смачиваются, укрупняются и под действием сил тяжести выпадают из газового потока.

Простейшее оросительное устройство представляет собой ряд форсунок или брызгал, установленных в газоходе или дымовой трубе и создающих в их поперечном сечении водяную завесу. Очень часто возникают сложности с созданием сплошной водяной завесы, как правило, в газоходе имеются зоны, в которых вообще отсутствует контакт жидкости и газа. Во избежание уноса брызг воды газ проходит через завесу со скоростью, не превышающей 3 м/с. Расход воды составляет 0,1-0,3 л/м3. Эффективность очистки составляет всего 50-60% даже при улавливании частиц пыли крупнее 20 мкм.

Полые газопромыватели. Простейшими аппаратами для мокрой очистки и одновременно охлаждения газов являются полые скрубберы - вертикальные колонны круглого или прямоугольного сечения. Колонна орошается водой, которая разбрызгивается через форсунки. В противоточном скруббере обеспечивается лучший тепло- и массообмен между газом и жидкостью, чем в прямоточном. При большом расходе орошающей жидкости форсунки устанавливают в два и более ярусов.

Если полый скруббер используют для очистки газа от пыли, то расход жидкости составляет от 3 до 10 м3 на 1000 м3 газа.

Степень улавливания пыли тем больше, чем больше расход орошающей жидкости, запыленность газа и размер частиц пыли, но обычно она не превышает 50%. Мелкие фракции (менее 10 мкм) практически не улавливаются в полом скруббере. Поэтому полые скрубберы применяют в основном для охлаждения и увлажнения газа. Их устанавливают перед аппаратами, предназначенными для тонкой очистки газа. Гидравлическое сопротивление полых скрубберов невелико и составляет 100-250 Па.

Насадочные газопромыватели. В насадочных скрубберах сечение колонны заполнено насадкой, по которой в виде пленки стекает жидкость. Противотоком к ней движется газ, подаваемый в нижнюю часть колонны. Смоченная поверхность насадки и является поверхностью контакта фаз.

При недостаточном орошении насадки на ее элементах может налипать пыль, что приводит к росту гидравлического сопротивления и снижения производительности скруббера. Очистка насадки от пыли представляет собой довольно трудоемкую операцию, связанную с удалением насадки из аппарата. Поэтому для очистки запыленных газов используют только регулярную насадку с крупными элементами или хордовую насадку.

Расход жидкости в насадочных скрубберах составляет 1,5-6 м3 на 1000 м3 газа. Гидравлическое сопротивление их невелико, хотя и больше, чем полых скрубберов.

Степень улавливания пыли в насадочных скрубберах зависит от тех же факторов, что и в полых. Обычно улавливается до 70% частиц размером 25 мкм, более крупная пыль улавливается на 80-90%.

Газопромыватели с подвижной насадкой. В корпусе полого скруббера между нижней опорно-распределительной тарелкой и верхней ограничительной тарелкой помещается слой шаров из полимерных материалов, стекла или пористой резины. Оптимальным режимом работы при пылеулавливании считается режим полного (развитого) псевдосжижения. Скорость газов не должна превышать 5 м/с, удельное орошение составляет 0,5-0,7 л/м3. Гидравлическое сопротивление 800 - 1400 Па. Из-за ряда эксплуатационных сложностей аппараты не находят широкого распространения.

Барботажные (пенные) пылеуловители. Их используют для очистки сильно запыленных газов. В таких аппаратах жидкость, взаимодействующая с газом, приводится в состояние подвижной пены, что обеспечивает большую поверхность контакта фаз.

Барботажный пылеуловитель представляет собой цилиндрический или прямоугольный корпус, в котором находится перфорированная тарелка. Вода или другая промывная жидкость через штуцер попадает в тарелку. В нижнюю часть аппарата через патрубок подается запыленный газ. Проходя через отверстие тарелки, газ барботирует через жидкость, превращая ее в слой подвижной пены. В слое пены пыль поглощается жидкостью, часть которой удаляется из аппарата через переточный порог, а другая часть сливается через отверстия в тарелке, промывая их и улавливая в подтарелочном пространстве крупные частицы пыли. Образующаяся суспензия выводится из нижней части аппарата.

При большом содержании пыли в газе и высоких требованиях к качеству очистки используют аппараты с двумя тремя числом тарелок.

Расход жидкости в барботажных пылеуловителях составляет 0,2-0,3 м3 на 1000 м3 газа. Гидравлическое сопротивление однотарелочных аппаратов 500-1000 Па.

Пыль с частицами размером более 20-30 мкм улавливается в барботажных аппаратах практически полностью. Частицы размером 5 мкм улавливаются на 80-90%. Частицы меньших размеров улавливаются заметно хуже.

Газопромыватели ударно-инерционного действия - это пылеуловители, в которых контакт газов с жидкостью осуществляется за счет удара газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации или непосредственным отводом газожидкостной взвеси в сепаратор жидкой фазы. В результате такого взаимодействия образуются капли диаметром 300-400 мкм. Особенностью аппаратов ударного действия является полное отсутствие средств перемещения жидкости, и поэтому вся энергия, необходимая для создания поверхности контакта, подводится через газовый поток.

Газопромыватели центробежного действия можно разделить по конструкционному признаку на два вида: аппараты, в которых закрутка газового потока осуществляется с помощью центрального лопастного закручивающего устройства и аппараты с боковым тангенциальным или улиточным подводом газов.

Орошение аппаратов второго типа может осуществляться форсунками, устанавливаемыми в центральной части аппарата или вдоль его стенок, и в виде пленки, стекающей по внутренней стенке аппарата. Большинство отечественных конструкций центробежных скрубберов имеют тангенциальный подвод газов и пленочное орошение.

Расход жидкости в центробежных скрубберах составляет 0,1-0,2 м3 на 1000 м3 очищаемого газа. Гидравлическое сопротивление зависит от скорости газа и диаметра скруббера.

Степень улавливания пыли больше, чем в насадочных скрубберах: частицы размером 25 мкм улавливаются примерно на 90%, а более курупные на 95%.

Механические газопромыватели отличаются наличием вращающего устройства, которое обеспечивает разбрызгивание и перемешивание жидкости или вращение газового потока. В зависимости от того, к чему подводится механическая энергия, аппараты этого типа подразделяются на две группы.

К первой из них, получившей собственно название механических скрубберов, относятся газопромыватели, в которых очищаемые газы приводятся в соприкосновение с жидкостью, разбрызгиваемой с помощью вращающегося тела. Однако эти аппараты в настоящее время для очистки газов от пыли практически не применяются.

Ко второй группе газопромывателей относятся центробежные механические пылеуловители, в которых для вращения газового потока и перемешивания его с жидкостью используется крыльчатка. Аппараты получили название динамических газопромывателей, но из-за сложности конструкции не нашли ширикогораспространения в промышленности.

Скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури) состоящие из трубы-распылителя и центробежного скруббера, получили наибольшее распространение в теплоэнергетике.

Скрубберы Вентури объединяют большую группу аппаратов, общим для которых является наличие трубы распылителя, в которой осуществляется интенсивное дробление газовым потоком, движущимся с высокой скоростью (порядка 40-150 м/с), орошающей его жидкости и установленного за ней каплеуловителя. Первоначально в качестве трубы-распылителя использовалась труба Вентури в ее чистом виде, откуда и появилось название газопромывателей подобного типа.

Расход воды в скрубберах Вентури относительно высок: 0,7-3 м3 на 1000 м3 газа. Гидравлическое сопротивление больше, чем в других аппаратах мокрой очистки: 3000-7000 Па. Мокрые скоростные золоуловители обеспечивают эффективность очистки газов от золы, равную 91-94%.

В настоящее время ведутся работы направленные на повышение эффективности действующих скрубберов с трубами Вентури. Подобная работа выполнена на Кировской ТЭЦ-4, где с учетом неравномерности поля скоростей в трубе Вентури, центробежные форсунки заменены на центробежно-струйные для более равномерного распределения жидкости. В результате приведения плотности орошения в соответствие с фактическим полем скоростей запыленного потока удалось повысить эффективность скруббера Вентури с 91 - 94% до 96 - 98%.

Эмульгаторы. Эмульгаторы - относительно новые устройства, которые при определенных условиях могут обеспечить эффективность очистки более чем 99%.Однако часто установленные эмульгаторы работают весьма неустойчиво. Из-за неравномерности распределения газов по эмульгаторным трубкам только часть из них работает в оптимальном режиме. При пониженных скоростях жидкость проваливается сквозь трубку без образования эмульсионных пробок, а при повышенных - выбрасывается из них и растекается по верхней трубной доске, образуя отложения из уловленной золы. Постепенно трубки зарастают твердыми отложениями, что является причиной возрастания гидравлического сопротивления и вынужденной остановки котла для очистки кассет. Описанные явления затрудняют эксплуатацию устройства и поддержание его эффективности на высоком уровне.

2. Конструкции основных аппаратов мокрой очистки

Скрубберы.

Широко распространенные в химическом производстве скрубберы Вентури служат, главным образом, для очистки промышленных газов от высокодисперсной пыли.

Наиболее эффективное применение скрубберы Вентури получили в современном производстве минеральных удобрений. К примеру, они являются частью основного оборудования технологической комплектной линии по производству такого сложного, азотно-фосфорного высококонцентрированного минерального удобрения, как гранулированный аммофос. Мощность такой линии составляет 750-800 тысяч тонн в год.

В данных аппаратах газ очищается от аммиака (улавливается кислой аммофосной пульпой) и фтористых соединений.

Рис. 1. Комплектная технологическая схема производства гранулированного аммофоса

Воздух, проходя через аэрохолодильник, поступает в циклон, где проходит сначала «сухую» очистку, а затем, попадая в скруббер Вентури, орошаемый водой, проходит еще одну очистку, но уже «мокрую». После этого воздух и очищенный газ посредством выходной трубы удаляется в окружающую атмосферу.

Для комплексной очистки газов от их составляющих и частиц пыли специально был создан полый скоростной скруббер с центробежным батарейным каплеуловителем.Такой аппарат представляет собой орошаемую полую колонну, вверху которой расположен батарейный пылеуловитель с коническими завихрителями. Этот элемент улавливает капли промывной жидкости, которые выносятся из аппарата очистки потоком очищенного газа. Скруббер орошается тремя форсуночными ярусами с факелами распыла. Ориентация факелов такова: самый верхний ярус - вниз, а средний и нижний - вверх. Во избежание образования на элементах каплеуловителя всевозможных твердых отложений, устройство оснащено коллектором гидросмыва, который периодически начинает работать в тот период времени, когда происходит остановка газоочистной установки.

Рис. 2. Центробежный каплеуловитель

Форсуночные полые скрубберы в основном используют для охлаждения, увлажнения и очистки (предварительной) газов, температура которых составляет более 200 градусов по Цельсию. Для транспортировки и очистки отходящих технологических газов от жидких и твердых частиц, имеющих размер более 2 или 3 мкм, применяют эжекторные скрубберы. Такие аппараты не имеют тягодутьевого устройства и вращающихся деталей, поэтому их часто используют в установках с токсичными, взрывоопасными и коррозионными средами. Их производительность по газу составляет 120-140 тысяч кубометров в час.

Недостатки скрубберов-пылеуловителей:

· Процесс очищения намного дороже, чем сухое очищение. Это вызвано тем, что частицы пыли оседают в виде шлама. Вследствие этого возникает необходимость дополнительного очищения сточных вод.

· Высокие потери жидкости.

· Частое зарастание оборудования пылью.

· Высокая вероятность возникновения коррозии.

Абсорберы.

Абсорберы отлично подходит для очистки воздуха от паров таких жидкостей и веществ, как метанол, капролактам и деметилформамид.

Абсорбер - это аппарат, представляющий собой цилиндрический вертикальный сварной корпус, в котором концентрически располагаются три сетчатые тарелки с шаровой насадкой. Под каждой из этих тарелок находятся еще одни тарелки, только уже пленочные, которые одновременно являются распределителями жидкости для орошения (выполняется снизу) подвижной насадки, расположенной на ситчатых тарелках. Жидкость в пленочных тарелках распределяется при помощи форсунок, имеющих горизонтальную кольцевую щель.

Принцип действия абсорбера следующий: очищенный воздух, поступая в нижнюю часть аппарата, проходит все тарелки (пленочные и ситчатые) и приводит в движение шаровую насадку, после чего посредством верхнего штуцера уходит в атмосферу. Абсорбер обеспечивает орошающей жидкости тонкое диспергирование (измельчение) и одновременно с этим в его кубе образуются концентрированные растворы улавливаемых продуктов, которые затем регенерируют и снова возвращают в производство.

Ротоклоны (устарели).

Такие аппараты, как ротоклоны, способны эффективно улавливать частицы пыли, размер которых составляет более 2 и даже 3 мкм при содержании их в газе более чем 90%. В таких аппаратах газ контактирует с жидкостью за счет его удара об ее поверхность. Жидкость в смеси с газом проходит далее через профилированный канал, который называется импеллер, где частицы пыли под действием центробежных сил осаждаются на каплях жидкости. Основное преимущество любого ротоклона - это довольно низкий расход жидкости. Производительность этого аппарата по газу составляет от 2,5 до 90 тысяч кубометров в час.

3. Устройство барботажного аппарата

Барботажные колонные аппараты обычно выполняются в виде вертикальных цилиндрических емкостей, в придонной части которых размещены газораспределители -- барботеры. Колонны могут быть пустотелыми или секционированными горизонтальными перегородками 3, которые служат промежуточными газораспределителями и уменьшают продольную циркуляцию жидкости. Теплообменными устройствами служат размещенные внутри змеевики или стенки аппарата, заключенные в рубашку.

Рис. 3. Барботажный колонный аппарат: 1 -- емкость; 2 -- барботер; 3 -- перегородка

Простота конструкции барботажных колонн позволяет проектировать их на большие объемы, допускает установку антикоррозионной футеровки, обеспечивает высокую надежность в эксплуатации.

Характерным признаком работы барботажных колонн является неорганизованная и слабая циркуляция жидкости, поэтому при анализе гидродинамики таких аппаратов обычно считают, что газ барботирует через жидкость, не имеющую направленного движения. Слабая циркуляция не позволяет обрабатывать в барботажной колонне неоднородные жидкие системы (суспензии, эмульсии) с большой разностью плотностей фаз.

Пропускная способность барботажных колонн по газу лимитируется его приведенной (отнесенной к площади свободного сечения аппарата) скоростью около 0,1 м/с. При более высоких скоростях газа образуются слишком крупные пузыри, возникают крупномасштабные пульсации, влекущие за собой значительные колебания давления и вибрацию аппаратов. Пропускная способность по жидкости (при непрерывном процессе) определяется необходимым временем пребывания ее в колонне.

С точки зрения математического моделирования, при упрощенном подходе барботажные колонны, не секционированные горизонтальными перегородками, обычно относят к аппаратам идеального смешения по жидкой фазе и вытеснительного типа по газовой. При секционировании каждая секция рассматривается как аппарат идеального смешения.

Пустотелые колонны наиболее целесообразно использовать для реакций, продолжительных по времени, т. е. протекающих в кинетической области, и сопровождаемых малым тепловым эффектом. Если роль теплообменной поверхности выполняют стенки колонны, заключенные в рубашку, то площадь этой поверхности растет пропорционально диаметру колонны D, а количество выделяющейся реакционной теплоты -- пропорционально D2. При увеличении объема аппарата или его диаметра может возникнуть ситуация, когда площадь поверхности боковых стенок не обеспечит отвод теплоты реакции. В этом случае внутри колонны устанавливают змеевики или трубчатые вертикальные теплообменные элементы.

Рис. 4. Барботажная колонна с вертикальными теплообменными элементами

абсорбер гранулированный барботажный теплообменный

Помимо полых барботажных колонн в химической промышленности используются в качестве газо-жидкостных реакторов и колонны, заполненные твердыми телами. В одном случае они являются насадкой, необходимой для увеличения поверхности контакта фаз в системе газ--жидкость, а в другом -- катализатором.

Насадочные реакторы-колонны, работающие в режиме противотока фаз, обычно применяют для реакций, протекающих в диффузионной области. По конструкции они практически не отличаются от абсорбционных и ректификационных насадочных колонн.

Барботажные колонны с затопленной насадкой применяют для осуществления химических превращений, как в диффузионном, так и в кинетическом режиме. Насадка может быть неподвижной, выполненной из керамических колец, или подвижной, представляющей собой полые шары со средней плотностью, почти не отличающейся от плотности жидкости. В колоннах с неподвижной насадкой трудно осуществлять равномерный отвод реакционной теплоты из всего объема аппарата, так как перенос жидкости в радиальном направлении затруднен насадочными телами. В этом отношении более совершенны колонны с подвижной насадкой, которые, к тому же, обеспечивают и более высокую эффективность массопереноса реагирующего компонента из газа в жидкость . Общим недостатком колонн с насадкой является то, что значительная часть реакционного объема занята инертными телами, что снижает среднее время пребывания жидкости в аппарате.

Реакторы с насадкой в виде гранулированного катализатора нашли применение в ряде каталитических газо-жидкостных процессов. Такие аппараты выполняют в виде барботажных колонн 1, весь объем катализатора в которых разделен на слои. Каждый слой уложен на газораспределительную решетку с сеткой и сверху пружинами поджат другой сеткой. Пространства 3 между слоями служат для перераспределения газовой фазы и дополнительного ввода газа или сырья (если это необходимо). Отвод теплоты реакции в таких аппаратах может осуществляться тремя способами: хладагентом, подаваемым в змеевики, предварительно охлажденными газом или жидкостью,вводимыми в пространства между слоями катализатора. Реакторы со стационарным слоем катализатора работают обычно при восходящем потоке газо-жидкостной смеси, но поскольку скорость жидкости очень мала, по гидродинамическим условиям их можно отнести к барботажным колоннам.

Рис. 5. Барботажные колонные реакторы с зернистым катализатором

Основные неудобства эксплуатации таких реакторов связаны со сроком службы катализатора. Если время его эффективной работы невелико, то реактор становится аппаратом периодического действия. Существенным недостатком является также большое сопротивление аппарата, достигающее 2,5*105 Па на метр высоты слоя. Это сопротивление может сильно возрастать за счет осмоления катализатора и закупорки межзерновых каналов. В более благоприятных условиях с этой точки зрения работают аппараты с суспендированным катализатором, который можно к тому же регенерировать, не прекращая ведения процесса. Однако для выделения катализатора требуются надежные сепарирующие устройства, усложняющие конструкцию реакторного узла и его эксплуатацию.

4. Расчет параметров барботажного аппарата

Одной из основных характеристик газо-жидкостной смеси в любом барботажном аппарате является ее объемное газосодержание:

,

где Vгж -- объем газо-жидкостной смеси, заполняющей аппарат; Vг -- объем газа, заключенного в объеме Vгж.

При постоянстве объемного расхода барботирующего газа усредненное по времени и по объему слоя истинное газосодержание составляет:

,

где Sгж -- площадь свободного сечения аппарата, занятая газо-жидкостной смесью; Sг -- площадь сечения аппарата, занятая газом; vг -- приведенная скорость газа (расход газа, отнесенный к площади свободного сечения аппарата); uг -- истинная скорость газа в аппарате.

Усредненная величина e г определяет объем жидкости в газо-жидкостной смеси:

;

высоту слоя газо-жидкостной смеси в аппарате (при высоте исходного слоя жидкости Hж):

;

плотность газо-жидкостной смеси:

r гж = r ж(1 - e г) + r гe г,

где rж и rг -- плотности жидкости и газа.

При барботаже газа через жидкость образуется поверхность контакта фаз с площадью F. Анализируя эффективность работы барботажных аппаратов, обычно пользуются понятием удельной площади межфазной поверхности:

.

Если условно принять, что газо-жидкостная смесь содержит однородные пузыри шарообразной формы со средним диаметром dп, то:

Полидисперсность газовых пузырей может быть учтена введением в уравнение дополнительного множителя, однако в реальных условиях его значение близко к единице .

Удельная площадь межфазной поверхности полидисперсной системы газовых пузырей определяется свойствами жидкости и газа, их скоростями и практически не зависит от вида газораспределителя. Влияние конструкции барботера на газосодержание и на удельную площадь поверхности контакта фаз проявляется только при малых высотах барботажного слоя, например на ситчатых тарелках массообменных аппаратов, где высота расширяющейся струи газа соизмерима с общей высотой газо-жидкостного слоя.

Влияние свойств газа и жидкости на величину SV при массовом барботаже является очень сложным. При приблизительно одинаковых вязкости, поверхностном натяжении и плотности жидкостей величина SV для растворов электролитов оказывается значительно выше, чем для недиссоциированных жидкостей. Различие значений SV наблюдается и для разных растворов электролитов при постоянстве указанных физических свойств жидкостей.

Наиболее существенное влияние на величину SV оказывает присутствие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). Небольшие и часто практически нефиксируемые добавки ПАВ могут в значительной степени изменять структуру газо-жидкостной системы, приводить к образованию устойчивых пен с повышенным газосодержанием.

Из-за высокой сложности учета физико-химических свойств жидкостей в реальных технологических процессах до сих пор не установлено надежных рекомендаций, пригодных для расчета удельной площади поверхности контакта фаз газ--жидкость в промышленных барботажных аппаратах.

В газо-жидкостных системах, образованных чистыми жидкостями, т. е. не содержащих ПАВ, различают три режима барботажа -- пузырьковый, динамической ячеистой пены и динамической неячеистой пены.

При пузырьковом режиме в жидкости всплывают отдельные небольшие пузыри, диаметр которых dп определяется диаметром dо отверстий барботера, свойствами жидкости и не зависит от давления при изменении его до 106 Па. Режим наблюдается только в том случае, когда скорость газа в отверстиях барботера vо не превышает скорости всплывания газовых пузырей (vо Ј vп). Для одиночных газовых пузырей с диаметрами менее 1 мм скорость всплывания можно оценить по формуле. Для пузырей более крупных размеров скорость всплывания представляет собой практически постоянную величину, которую можно рассчитать по уравнению. Размер пузырей, отрывающихся от отверстий диаметром dо = 1ч5 мм, при пузырьковом режиме барботажа можно оценить по формуле:

Режим динамической ячеистой пены наступает, когда скорость газа в отверстиях газораспределителя превышает скорость свободного всплытия пузыря (vо > vп). Для системы вода--воздух при массовом барботаже скорость vп = 0,25-0,26 м/с. В отверстиях барботеров промышленных аппаратов скорость газа обычно существенно превышает эту величину и может достигать 10-15 м/с. При этом газ вырывается из отверстия в виде расширяющейся струи, распадающейся на пузыри различных размеров на некотором расстоянии от барботера. Образующаяся газо-жидкостная смесь имеет ячеистую структуру, и высота ее слоя возрастает с увеличением расхода газа. Верхняя граница существования режима динамической ячеистой пены определяется условием:

где Кб -- критерий режима барботажа.

Режим динамической неячеистой пены наступает при Кб > 18. При этом образуется подвижная газо-жидкостная смесь, состоящая из разноразмерных газовых пузырей неопределенной формы, несущих в себе капли жидкости. Если барботажная колонна имеет небольшой диаметр (труба), то газ поднимается вверх в виде удлиненных крупных пузырей (снарядов), разделенных прослойками жидкости с мелкими пузырями. В этом случае говорят о снарядном, или пробковом, режиме барботажа.

Промышленные барботажные колонны обычно работают в режиме динамической ячеистой пены. Средний размер dп образующихся при этом газовых пузырей может быть рассчитан по формуле:

где E -- скорость диссипации энергии в единице объема жидкости, заполняющей газо-жидкостный аппарат, Вт/м3; для барботажных колонн:

E = vгr жg.

Три гидродинамических режима различают также и в барботажных аппаратах с неподвижным зернистым слоем насадки или катализатора. Пузырьковый режим, соответствующий малым расходам газа, характеризуется движением отдельных изолированных друг от друга пузырьков газа в межзерновых каналах, заполненных сплошной жидкой фазой. При увеличении расхода газа возникает пульсационный режим, подобный вышеописанному снарядному режиму для аппаратов с полыми трубами. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к струйному режиму, при котором газ проходит в виде сплошной фазы по каналам с наименьшей плотностью упаковки зернистого материала. При этом наблюдается срыв капель и брызг жидкости с поверхности твердых частиц.

Газосодержание барботажного слоя в пустотелых колоннах изменяется как по высоте аппарата, так и по его сечению. При больших высотах исходного слоя величина eг резко возрастает на расстоянии 100-150 мм от газораспределителя, затем остается практически неизменной по всей высоте газо-жидкостного слоя и только в верхней его части вновь увеличивается . В промышленных барботажных колоннах высота газо-жидкостного слоя достаточно велика, что позволяет пренебречь влиянием концевых эффектов и принимать среднее газосодержание по всей высоте аппарата постоянным. Такое допущение правомочно при условии:

где Hж -- высота исходного слоя жидкости.

В пустотелых барботажных колоннах среднее газосодержание слоя достаточно большой высоты, образованного из маловязкой жидкости, можно рассчитать по формуле, полученной в результате обобщения опытных данных многих исследователей. Для вязких жидкостей в уравнение рекомендуется вводить дополнительный сомножитель.

В барботажных колоннах с восходящим течением газо-жидкостной смеси через слой неподвижной насадки газосодержание не зависит от формы и размеров насадочных тел, от скорости жидкости в пределах от 0 до 0,007 м/с и от диаметра аппарата. При вязкости жидкости nж = 0,001?0,025 Па с газосодержание в насадочных колоннах может быть рассчитано по уравнению:

где dэ -- эквивалентный диаметр насадочного тела.

Гидравлическое сопротивление пустотелой барботажной колонны в рабочих условиях можно выразить соотношением:

,

где Dpгр -- потери давления в отверстиях газораспределителя; Dpсл -- статическое давление слоя газо-жидкостной смеси c высотой H; zо -- коэффициент сопротивления односторонне затопленного отверстия, для определения которого можно пользоваться данными.

Рис. 6

Коэффициент сопротивления отверстий.

При истечении газа в жидкость при следующих значениях коэффициента поверхностного натяжения жидкости (в Н/м): 1 -- 0,02; 2 -- 0,03; 3 -- 0,04; 4 -- 0,05; 5 -- 0,06; 6 -- 0,07; 7 -- 0,08

Гидравлическое сопротивление барботажной колонны с неподвижным слоем мелкозернистой насадки при восходящем потоке газо-жидкостной смеси с достаточной для инженерных расчетов точностью можно рассчитать по уравнению:

Здесь Sнд -- удельная площадь поверхности насадки (отношение поверхности насадки к объему слоя); eт -- объемная доля твердого в слое; Reж-- критерий Рейнольдса по жидкости:

где -- эквивалентный диаметр межзерновых каналов.

Входящий в уравнение коэффициент трения жидкости о зернистый слой следует рассчитывать по формуле Розе:

.

Уравнение проверено экспериментально при vг = 0,05? 0,8 м/с; vж = 0,0036- 0,025 м/с; mж = 0,001- 0,035 Па с. Отклонения опытных значений p от расчетных составляют в среднем 20 %. Однако в области малых приведенных скоростей жидкости (vж < 0,01 м/с) зависимость дает существенно завышенные результаты. В этом случае сопротивление неподвижного зернистого слоя при восходящем потоке газо-жидкостной смеси можно оценить как сумму гидростатического давления барботажного слоя и потерь давления на трение в межзерновых каналах:

где -- истинная скорость жидкости в межзерновых каналах.

При расчете lтр по формуле следует пользоваться значением критерия:

Заключение

При прохождении учебной практики я познакомился с методами мокрой очистки газов от пыли, с конструкцией аппаратов, основными критериями работоспособности установок по очистке газа. Познакомился с основами расчета основных параметров барботажного аппарата. Аппараты данного типа очень эффективны. Они очень часто устанавливаются на предприятиях РФ для очистки газов. Очистка газов от пылей очень важна для многих технологических процессов, а так же важна для защиты окружающей среды от техногенных загрязнений.

Список литературы

1. Мухленов И.П., Тарат Э.Я., Туболкин А.Р., Тумаркина Е.С. Пенный режим и пенные аппараты. Л.: Химия, 1977. - 303с.

2. Поникаров И.И. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки. М.: Альфа-М, 2006. - 605с.

3. Борисов Г.С. Основные процессы и аппараты химической технологии. 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991.- 496с.

4. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов от пыли. М.: Химия, 1985. - 321с.

Размещено на Allbest.ru

...