НОУ ІНТУЇТ | лекція | Техніка і технологія захисту водного та повітряного середовища від забруднень

1. Фізичні принципи очищення викидів і скидів від забруднень

Анотація: Принципи очищення від забруднень, екозахисних техніка та технологія, екологічна політика підприємств.

Фізичні принципи очищення викидів і скидів від забруднень

Робота будь-якого пристрою, що видаляє зважені частинки, заснована на використанні одного або декількох механізмів осадження. Основними з них є: гравітаційне осадження (седиментація); осадження під дією відцентрової сили; інерційний осадження: зачеплення (ефект торкання); електричне осадження.

Гравітаційне осадження відбувається в результаті вертикального осідання частинок при проходженні їх через знешкоджуючий пристрій. сила опору , Що діє на частинку діаметром при її русі в ламінарному режимі зі швидкістю в середовищі газу або рідини в'язкістю т, описується законом Стокса:

де - поправочний коефіцієнт на розмір часток: при діаметрі часток 0,1 мкм = 2,9; при 1,0 мкм = 1,16; при 10 мкм = 1,0.

При гравітаційному осадженні сила опору дорівнює вазі частинки в середовищі її знаходження з урахуванням сили Архімеда. Швидкість осадження сферичний в газоочисних апаратах, що використовують дію сили тяжіння, пропорційна квадрату діаметра частинок:

де - щільність частки; - динамічна в'язкість газу (рідини).

Швидкість висхідного потоку, при якій частка нерухома, називається швидкістю витання ( Мал. 10.1 ). Це поняття важливо для систем пневмотранспорту, димових труб, аспірації і пиловловлювачів, де відбувається переміщення середовища з зваженими в ній частками.

Номограма для визначення швидкості витання пилових частий

Відцентрове осадження відбувається при криволінійному русі дисперсного потоку, коли розвиваються відцентрові сили. Швидкість відцентрового осадження частинки масою , Що обертається в потоці по радіусу зі швидкістю можна розрахувати, прирівнюючи відцентрову силу і стоксово силу (10.1):

Величина швидкості відцентрового осадження більше швидкості гравітаційного осадження в ( ) Раз.

В апаратах, заснованих на використанні відцентрової сепарації, можуть застосовуватися два конструктивних рішення: потік обертається в нерухомому корпусі апарату; потік обертається разом з ротором. Перше рішення реалізується в циклонах, друге - в ротаційних пулеуловітелях.

Інерційний осадження відбувається в тому випадку, коли кінетична енергія частинки настільки велика, що вона не може слідувати уздовж викривленої лінії струму, а стикається з перешкодою і осідає на ньому ( Мал. 10.2 ).

Мал.10.2.

Осадження зважених в потоці частинок на обтічному кулі

Критерієм подібності інерційного осадження є критерій Стокса

де - швидкість потоку в деякій точці; - характерний розмір обтічного тіла.

Існує мінімальне значення числа Стокса, при якому інерція частки достатня, щоб вона досягла поверхні тіла і була їм захоплена. Коефіцієнт осадження з дисперсних частинок на кулі дорівнює нулю при . Захоплення частки можливий за умови . Інерційний осадження ефективно для частинок розміром понад 1 мкм.

на Мал. 10.3 наведені криві залежності коефіцієнта ефективності осадження частинок на кулі при його потенційному обтіканні потоком. Ці криві можна використовувати при розрахунках ефективності пилоуловлюючих установок, в яких осадження здійснюється на тілах сферичної форми (наприклад, на краплі).

Мал.10.3.

Інерційний осадження частинок на кулі при його потенційному обтіканні

Зачеплення частки на поверхні спостерігається, коли відстань частинки в потоці від обтічного тіла дорівнює або менше її радіусу. Ефект зачеплення стає значним при осадженні частинок на сферах з малим діаметром. Ефект зачеплення не залежить від швидкості набігаючого потоку газу.

Осадження зважених в повітрі частинок під дією електричного поля здійснюється після електричної зарядки частинок коронним розрядом. Коронний розряд - це особливий вид розряду в газах між електродами високої напруги, що мають різну кривизну ( Мал. 10.4 ).

Мал.10.4.

Механізм образованіея об'ємного заряду при коронному розряді

Близько дроти напруженість поля має велику величину. У цій зоні (чохол корони) утворюється коронний розряд, ця область починає світитися і потріскувати. Утворені тут електрони при русі в сторону плоского електрода вибивають з нейтральних молекул нові електрони. У цьому полягає суть пробою в газах. При виході з чохла корони електрони прилипають до молекул газу і зважених часток, утворюючи негативно заряджені іони.

Величина заряду (Кулон), придбаного проведеної сферичної часткою з діелектричної проникністю дорівнює

де діелектрична проникність .

У електрофільтрі зарядка часток відбувається швидко - за частки секунди. Прирівнюючи кулонівську силу силі Стокса, отримуємо швидкість осадження заряджених частинок

Швидкість руху частинок пилу діаметром понад 1 мкм в електричному полі (м / с) визначається за формулою

Осадження зважених часток пилу при контакті газового потоку з рідиною може здійснюватися на краплях, бульбашках і на поверхні рідини.

Уловлювання зважених часток краплями може відбуватися в спокійному режимі, коли аерозоль рухається з малою швидкістю - краплі падають під дією сили тяжіння, і коли потік сильно турбулізован - краплі інтенсивно диспергують. Переважним ефектом є інерційний. Дія сил інерції реально проявляється у ставленні частинок діаметром понад 1 мкм. Вирішальними є два фактори: швидкість потоку і питомий зрошення.

При питомій зрошенні і при значеннях критерію Стокса 1,0-170 ефективність осадження на краплях визначається за формулою

При русі бульбашок газу через шар рідини (барботаж) їх розмір коливається від 2,0 до 20 мм. При швидкості газового потоку до 4 м / с бульбашки надають рідини характер піни. Осадження частинок відбувається в основному за рахунок інерційного ефекту. Для збільшення ступеня очищення необхідно зменшувати розміри бульбашок.

При осадженні твердих частинок на поверхні рідини переважає інерційний ефект. При зіткненні з товстим шаром рідини частка або залишається на поверхні, або пробиває поверхню і занурюється в шар. Шлях, прохідний часткою в рідини по інерції (до релаксації) становить від декількох мікрон до 2 мм.

Фільтрація через пористі матеріали полягає в пропуску аерозолю через фільтрувальні перегородки, які пропускають повітря, але затримують аерозольні частинки. Частинки при зіткненні з циліндричними волокнами затримуються силами міжмолекулярної взаємодії ( Мал. 10.5 ). Відстань між волокнами в фільтрі в 5-10 разів перевищують розміри частинок.

Механізм осадження частинок на волокні

При русі потоку через фільтрувальний матеріал газ огинає волокна, більші частки пилу зберігають прямолінійний напрямок руху, стикаються з волокнами і прилипають до них. Чим більше значення числа Стокса, тим більше відбувається зіткнень з поверхнею волокон фільтра. Дрібні частинки можуть прилипнути до волокон, беручи участь в броунівському русі або за рахунок ефекту зачеплення, а також дії електричних сил.

Ефективність очищення обернено пропорційна діаметру волокна. Фільтрувальний матеріал повинен виготовлятися з тонких (5-20 мкм) волокон. При відкладенні пилу зростає гідравлічний опір, зменшується продуктивність фільтра. Пил періодично видаляють - це процес називається регенерацією фільтра.