Осаждение под действием электрических сил

Электрическая очистка основана на иони­зации молекул газа электрическим разрядом и последующей адсорбции ионизированных молекул на взвешенных частицах твердой или жидкой фазы. Направление вектора скорости заряженных частиц будет опреде­ляться их знаком, а скорость движения и, следовательно, кинетическая энергия — напряженностью электрического поля.

Если газ поместить в электрическое поле, образованное двумя электродами, к ко­торым подведен постоянный электрический ток высокого напряжения, то имеющиеся в газе ионы и электроны начнут перемещаться по направлению силовых линий. При повышении раз­ности потенциалов между электродами (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. Вновь образовавшиеся заряды при сво­ем движении также ионизиру­ют газ. В результате образо­вание ионов происходит лави­нообразно и газ полностью ионизируется. Такая иониза­ция называется ударной.

При полной ионизации га­за между электродами возни­кают условия для электричес­кого разряда. С дальнейшим увеличением напряженности электрического поля возможен проскок искр, а затем электрический пробой и короткое замыкание электродов. Чтобы избежать этого, создают неоднородное электрическое поле путем устройства электродов в виде проволоки, натянутой по оси трубы, или проволоки, натянутой между параллельными пластинами. Густота си­ловых линий и, следовательно, напряженность поля в этих условиях наи­более высока у провода и постепенно убывает по мере приближения к тру­бе или пластине. Напряженность поля непосредственно у трубы (пласти­ны) является недостаточной для искрообразования и электрического про­боя.

При напряженности поля, достаточной для полной ионизации, между электродами возникает коронный разряд, сопровождающийся голубовато-фиолетовым свечением, образованием «короны» вокруг каждого провода и характерным потрескиванием. Электрод, вокруг которого образуется «корона», носит название коронирующего электрода, а другой, противоположно заряженный электрод, выполненный в виде трубы или пластины называется осадительным электродом. Коронирующие электро­ды присоединяются к отрицательному полюсу источника тока, а осадительные — к положительному.

При возникновении «короны» образуются ионы обоих знаков и сво­бодные электроны. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны перемещаются к осадительному электроду.

Соприкасаясь со встречными пылинками и капельками, находящимися в газе, они сообщают последним свой заряд и увлекают их к осадительному электроду. В результате частицы пыли или тумана оседают на этом электроде. Основная масса взвешенных в газе частиц пыли или тумана приобретает отрицательный заряд вследствие того, что более подвижные отрицательные ионы и электроны проделывают более длинный путь из области «короны» к осадительному электроду, чем положительные ионы. Соответственно больше вероятность их столкновения со взвешен­ными в газе частицами. Лишь небольшая часть частиц пыли или тумана, которые столкнулись с положительно заряженными ионами в области «короны», оседают на коронирующем электроде. Отрицательно заряженные ионы, частицы пыли или тумана, попадая на осадительный электрод, отдают ему свои заряды, а затем удаляются с электрода.

Степень очистки газа в электрофильтре в значительной степени зависит от проводимости пыли. Если частицы хорошо проводят ток, а силы адгезии (сцепления) невелики, то заряд отдается мгновенно, а сама частица получает заряд электрода. Возникает кулоновая сила отталкивания, и частица вновь может попасть в газовый поток. Это приводит к увеличе­нию уноса пыли из электрофильтра и понижению степени очистки. Если пыль плохо проводит ток, то она прижимается силой поля к электроду и образует на нем плотный слой отрицательно заряженных частиц, который отталкивает приближающиеся частицы того же знака, т. е. противодейст­вует основному электрическому полю. Это явление также значительно снижает эффективность очистки газа.

Для исключения вредного влияния пыли, осевшей на электродах, ее удаляют периодическим встряхиванием электродов или увеличивают проводимость пыли путем увлажнения газа перед входом в электрофильтр водой, не допуская, однако, снижения температуры газа ниже его точки росы.

При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов осаждается на последних и количество переносимых зарядов существенно уменьшается, а следовательно, снижается сила потребляе­мого тока, так как скорость взвешенных частиц (0,3—0,6 м/сек) значи­тельно меньше скорости ионов (60—100 м/сек). При падении силы потреб­ляемого тока до нуля степень очистки газа резко ухудшается — происхо­дит полное «запирание короны». В этом случае для борьбы со снижением силы тока уменьшают концентрацию взвешенных частиц в газе (устанав­ливая перед электрофильтрами дополнительную газоочистительную аппа­ратуру) или снижают скорость поступающего газа, уменьшая нагрузку электрофильтра.

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.

Скорость движения заряженных частиц пыли или тумана к осадительному электроду при прочих равных условия зависит от их диаметра:

частицы диаметром более 1 мкм

(2.26)

 

частицы диаметром менее 1 мкм

 

, (2.27)

где Е – напряженность электрического поля, в/м;

r – радиус частицы, м;

m - вязкость газа, Па×с

 

 

Степень очистки газов в электрофильтре рассчитывается по формулам:

для электрофильтра с трубчатыми осадительными электродами

 

(2.28)

 

 

для электрофильтра с пластинчатыми осадительными электродами

, (2.29)

 

где w_г – скорость газа в свободном сечении электрофильтра, м/с;

w_ч – скорость частиц при движении к электроду, м/с;

L – высота (длина) электрода, м;

R,h – соответственно, радиус трубчатого электрода и расстояние между пластинами пластинчатого электрода, м.

 

Степень эффективности улавливания взвешенных частиц в электрофильтрах, рассчитанная по теоретическим уравнениям 2.28 и 2.29, несколько отличается от действительной величины эффективности наблюдаемой на практике, что требует уточнения на основе данных о фактической эффективности работы электрофильтров в реальных условиях.

 

3.6. Осаждение взвешенных частиц при контакте газов с жидкостью («мокрая» газоочистка)

 

Для тонкой очистки газов от пыли применяют мокрую очистку — промывку газов водой или другой жидкостью. Тесное взаимодействие между жидкостью и запыленным газом осуществляется в мокрых пылеуло­вителях либо на поверхности жидкой пленки, стекающей по вертикальной или наклонной плоскости (пленочные или насадочные скрубберы), либо на поверхности капель (полые скрубберы, скрубберы Вентури) или пу­зырьков газа (барботажные пылеуловители).

Улавливание взвешенных частиц каплями основано на кинематичес­кой коагуляции, обусловленной разностью скоростей частиц и капель. Можно выделить три основных режима захвата:

· спокойный режим - аэрозоль движется с малой скоростью, капли па­
дают под действием силы тяжести;

· средний режим - аэрозоль движется со скоростью, соответствующей
ламинарному или слаботурбулизированному режиму, капли имеют скорость, значительно превышающую скорость седиментации;

· динамический режим - скорость потока аэрозоля намного выше критической, т. е. он сильно турбулизирован. Капли (или просто жидкость, не раздробленная на капли) поступают в поток газа и интенсивно диспергируются под влиянием мощных турбулентных пульсаций, которые одновременно способствуют контакту между жидкостью и аэрозольными частицами.

 

Во всех случаях улавливание частиц пыли может происходить за счет действия прак­тически всех механизмов, однако влияние их на эффективность пылеулав­ливания далеко не одинаково. При этом капли чаще всего рассматрива­ются как жесткие шары. Преобладающим эффектом практически всегда является инерционный. Эффективность инерционного осаждения пыле­вых частиц на капле жидкости зависит от критерия Стокса (Stk):

 

(2.30)

 

где d_ч – диаметр частицы пыли, м;

r_ч - плотность частицы пыли, кг/м³;

m - кинематическая вязкость газа, Па/с.

 

Действие сил инерции реально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм.

Для шаровых взвешенных частиц диаметром (d_к) более 1 мкм в спокойном и среднем режиме эф­фективность инерционного осаждения на каплях может быть выражена за­висимостью:

, (2.31)

 

где h_з - эффективность захвата каплями частиц пыли;

v_oc -скорость осаждения капли жидкости, м/с;

Н - высота скруббера (длина пути потока газа при контакте с жидкостью), м.

Vг – расход очищаемого газа, м³/с;

Vж – расход орошающей жидкости, м³/с;

d_к – диаметр капель орошающей жидкости, м.

 

При относительно небольшом удельном орошении (0,1-1,0 л/м³) и при значениях Stk = 0,1¸ 1,0 эффективность осаждения на каплях можно опре­делить по эмпирической формуле Ленгмюра и Блоджетта:

 

(2.32)

 

При удельном орошении 1,5-2,0 л/м³ и Stk = 1,0¸170 можно использо­вать формулу:

 

(2.33)

 

При движении пузырьков газа через слой жидкости (барботаж) внутри их возникает пульсация газов. Для упрощения обычно принимается, что пузырьки имеют шарообразную форму. Размер пузырей газа d_г при барботаже колеблется от 2,0 до 20 мм. Он является функцией скорости газового потока, которая принимается от 1,0 до 4,0 м/с. Большое количество пузы­рей придает слою жидкости характер пены. Важнейшим условием рабо­тоспособности пенного слоя является его стабильность.

В обычных условиях в пузырьках осаждение частиц происходит под действием четырех механизмов: центробежного, инерции, гравитации и диффузии. Основными механизмами осаждения даже для частиц диаметром менее 1 мкм являются центробежный, инерционный и гравитационный.

Степень улавливания за счет инерционного и гравитационного осаждения теоретически оценивается по формулам:

инерционное осаждение

(2.34)

 

гравитационное осаждение

, (2.35)

 

где d_п – диаметр пузырька газа, м;

n_п – скорость подъема пузырька, м/с;

t_р – время релаксации частицы пыли, с.

Как видно из формул (2.34) и (2.35) при уменьшении диаметра пузырька увеличиваются параметры инерционного и гравитационного меха­низмов, т. е. необходимо, чтобы пузырек был как можно меньше. Таким образом, если контакт жидкости с газом осуществляется в пузырьке, то степень улавливания мелкодисперсной пыли крайне низкая, а для увели­чения степени очистки за счет других механизмов необходимо уменьше­ние размеров пузырьков.

При осаждении твердых частиц на поверхности жидкости последняя может располагаться в виде тонкой пленки на твердой поверхности либо занимать определенный объем и иметь глубину, достаточную для полного поглощения частиц. В обоих случаях, естественно, преобладает инерци­онный эффект.

После соударения с толстым слоем жидкости можно выделить три ва­рианта поведения частиц:

· частица отталкивается от поверхности, после чего либо снова ударяется о поверхность, либо уносится потоком газа;

· частица не отталкивается, но и не погружается в глубину слоя, т. е. остается на его поверхности;

· частица пробивает поверхность жидкости и погружается в слой.

 

В пылеулавливании наиболее желателен третий вариант, поскольку пер­вый дает нулевой эффект улавливания, второй приводит к загрязнению по­верхности жидкости и затрудняет ее последующую обработку. Следует так­же иметь в виду, что частица, проникшая в толщу жидкости, может всплыть обратно на ее поверхность, если р_ж > р_ч.

Путь, проходимый частицей в жидкости по инерции (до релаксации), в среднем очень невелик и, в зависимости от скорости вхождения и размера частиц, составляет от нескольких микрон до 1-2 мм. Для предотвращения вторичного уноса частиц газовым потоком после удара их о свободную по­верхность жидкой пленки считается, что толщина пленки должна состав­лять не менее 0,2-0,3 мм.

 

Массообменные процессы