Высокая оптическая плотность высокодисперсных аэрозольных выбросов и большая суммарная площадь поверхности содержащихся в них частиц обуславливают их биологическую вредность. Это, в свою очередь, предопределяет важность улавливания возможно большего количества высокодисперсных частиц. Однако это именно та фракционная область размеров частиц аэрозолей, где большинство аэрозолеуловителей имеют низкую эффективность, хотя в фильтрационных аппаратах эта проблема нашла свое решение с рядом известных недостатков: высокое гидравлическое сопротивление, необходимость регенерации фильтрующих элементов и т.д.
Эксплуатационная надежность многих аппаратов зависит от слипаемости частиц и их абразивности, начальной запыленности газов и их агрессивности.
К одним из самых простых и эффективных методов очистки промышленных газов от взвешенных частиц, удовлетворяющих вышеуказанным требованиям, относится «мокрый» способ очистки [7].
Влияние дисперсности и физико-химических свойств различных пылей на фракционную и общую эффективность противоточных аппаратов с подвижной насадкой и прямоточного аппарата с циркулирующей насадкой подробно приведены в работах [6,8]. Исследования улавливания пылей в аппаратах с регулярной подвижной насадкой (РПН) с прямоточным взаимодействием фаз немногочисленны. Так в работе [4] даны только зависимости общей эффективности осаждения от скорости газа и плотности орошения в зависимости от способа орошения – форсуночного или эжекционного. Исследования же эффективности осаждения туманов относятся, в основном, к насадочным аппаратам с кольцами Рашига [3] и скрубберам Вентури [2]. Осаждение туманов в восходящем прямоточном режиме исследовано нами в [4].
Сопоставительные исследования (рисунок 1) по фракционной эффективности улавливания тумана ортофосфорной кислоты в слое пластинчатой насадки и в насадке из колец Рашига [3], работающей в режиме эмульгирования, показали, что степень очистки, отнесенная к медианному размеру частиц, в 1,5 раза выше у аппарата с регулярно расположенными турбулизирующими элементами пластинчатой формы (ТЭПФ).
Анализ результатов исследований по улавливанию туманов (рисунок 2) и пылей (рисунок 3) в слое с (ТЭПФ) подтверждает общую закономерность для аэрозолей о значительном влиянии дисперсности и плотности частиц (капель) на фракционную, а, следовательно, и на общую эффективность улавливания.
Из представленной зависимости видно, что приведенная масса частиц оказывает заметное влияние на эффективность осаждения для достаточно крупных частиц тумана (
> 1 мкм). Для частиц же, радиус которых меньше 0,3 мкм это влияние нивелируется. Такая закономерность указывает на превалирующую роль сил инерции на процесс осаждения для частиц радиусом выше 2 мкм. Меньшие частицы осаждаются, главным образом, за счет механизма турбулентной диффузии.
|
1 – восходящий прямоток, 2 – нисходящий прямоток; WГ = 12 м/с, L = 25 м3/м2ч, Нн.с.= 1 м, tв = 2b, tГ = 2b. 3 – колонна с кольцами Рашига, данные. Рисунок 1 – Зависимость фракционной степени осаждения тумана H3PO4 от диаметра частиц.
|
1 – туман H3PO4, 2 – туман H2SO4, 3 – глицериновый аэрозоль; WГ = 12 м/с, L = 25 м3/м2ч, Нн.с.= 1 м, tв = 2b, tГ = 2b. Линии прямотоков: сплошная – восходящий, пунктирная – нисходящий; Рисунок 2 – Зависимость фракционной степени осаждения туманов от диаметра частиц.
|
Здесь надо отметить, что фракционная эффективность улавливания туманов глицерина и ортофосфорной кислоты при практически равной плотности имеет небольшое различие. Причем, это наблюдается для самых крупных фракций туманов. Такое различие объясняется, по-видимому, различной растворимостью этих веществ в воде. Для пылей, при проведении аналогичных исследований с пылями кокса, кварца и известняка в диапазоне изменения дисперсности 0¸10 мкм, так же наблюдается влияние растворимости. При одинаковой плотности материала кварца и известняка эффективность осаждения хорошо растворимой и гигроскопичной известковой пыли выше.
Изменение вектора направленности взаимодействующих потоков с восходящего на нисходящее при равных прочих условиях не оказывает какого-либо заметного влияния на эффективность осаждения высокодисперсных фракций. Только начиная с частиц, размер которых больше 2 мкм эффективность осаждения при восходящем прямотоке становится выше (рисунок 2 и 3, сплошная линия), чем при нисходящем (пунктирная линия). Это объясняется различием в величинах относительных скоростей частиц и струйно-капельных образований улавливающей жидкости при скоростях газа WГ < 12 м/с, т.е. при скоростных режимах, когда еще сказывается влияние силы тяжести. При восходящем прямотоке разность относительных скоростей больше, чем при нисходящем.
1 – кварц, 2 – кокс, 3 – известняк;
WГ = 12 м/с, L = 25 м3/м2ч, Нн.с.= 1 м, tв = 2b, tГ = 2b.
Линии прямотоков: сплошная – восходящий, пунктирная – нисходящий;
Рисунок 3 – Зависимость фракционной степени осаждения пылей от диаметра частиц.
На рисунке 4 представлен сопоставительный график зависимостей фракционной степени улавливания кварцевой пыли от диаметра частиц для решеток регулярно подвижных насадков (РРПН) в условиях восходящего и нисходящего прямотока при скорости газа 15 м/с, для аппарата ЦН (циркулирующей насадкой) при WГ = 7 м/с [8] и для противоточного РПН [8].
Увеличение скорости газа влечет за собой постоянный рост степени улавливания, хотя условное время пребывания частиц аэрозоля в контактной зоне уменьшается. Следовательно, причиной роста эффективности является как возрастание инерционных различий между частицами крупных фракций и структурными образованиями орошающей жидкости (каплями, струями, пленками), так и увеличение коэффициента турбулентной диффузии высокодисперсных частиц (dr<1мкм), величина которой определяется пульсационной скоростью, и соответственно, скоростью газа. С другой стороны, фактором увеличения эффективности улавливания частиц размером dr < 1 мкм, несомненно, является рост поверхности контакта.
Полученные результаты, как качественно, так и количественно подтверждают теоретические представления о механизме и закономерностях осаждения мелких фракций, для которых толщина пограничного слоя существенно влияет на подвод частиц к поверхности осаждения.
WГ = 15 м/с, L = 25 м3/м2ч, Сr = 0,01 кг/м3;
1 – восходящий прямоток; 2 – нисходящий прямоток;
3, 4– данные для ЦН и противоточного РРПН соответственно;
Рисунок 4 – Сопоставительные данные по фракционной степени осаждения кварцевой пыли от диаметра частиц.
С повышением скорости газа выше 15 м/с рост эффективности для различных фракций неравномерен. Так, для мелких фракций (dr<1мкм) приращение эффективности уменьшается с уменьшением дисперсности частиц, а по мере увеличения размеров частиц степень очистки заметно растет. Этот факт указывает на неоднозначное влияние механизмов турбулентной диффузии и инерционного столкновения на улавливание частиц различной дисперсности в режимах с повышенными скоростями (WГ ³ 15 м/с). Такое неадекватное влияние механизмов осаждения позволяет утверждать, что с точки зрения технико-экономических показателей аппарата при улавливании частиц тумана дисперсностью dr < 0,6 мкм повышение скорости WГ > 15 м/с нецелесообразно.
Зависимость фракционной эффективности аппарата ЦН (линия 3) при рабочей скорости 7 м/с показывает, что в области высокодисперсных фракций эффект турбулентной диффузии реализуется не в полной мере, хотя энергозатраты выше почти в три раза (DРЦН = 4,5 КПа). Это свидетельствует о высоком значении коэффициента полезного действия исследуемого типа насадки.