Очистка газов и разделение газовых смесей

При выполнении многиз процессов обработки материалов в нефтеперерабатывающей и химической промышленностях образуются высокодисперсные смеси газа и твердого вещества (пыль, дым, туман).

Существует специальный термин для обозначения газов с содержащимися в них высокодисперсными частицами твердого вещества или жидкости – аэрозоль.

Процессы очистки газов и разделения газовых смесей решают множество важных задач:

- очистка промышленных или дымовых газов для достижения чистого окружающего воздуха;

- рекуперация содержащихся в отходящем газе веществ;

- регенерация чистых газов процесса.

 

Удаление пыли из газа есть процесс осаждения содержащихся в немвысокодисперсных твердых примесей.

Мерой качества удаления пыли является степень (или коэффициент) пылеулавливания η. Этот параметр определен как отношение достигнутого в результате обеспыливания снижения концентрации пыли С0-С1 к исходной концентрации С0.

η= С0-С1/ С0 * 100

 

 

Крупнозернистая пыль осаждается довольно легко, но чем она тоньше, тем труднее идет осаждение.

Поэтому для грубой пыли получают более высокие коэффициенты пылеулавливания, в то время как для тонкой пыли этот показатель всегда хуже.

Промышленная пыль не имеет единого размера частиц, поэтому для ее удаления нужно выбирать подходящий пылеулавливатель. В ряде случаев представляется целесообразным монтировать последовательно друг за другом сразу несколько очистных устройств: например, сначала циклон для удаления крупной пыли, а затем электрофильтр для отделения мелкой пыли.

Механическое обеспыливание газов основано на осаждении частиц пыли под действием силы тяжести, инерционных либо центробежных сил.

При гравитационном осаждении на одну частицу пыли, находящуюся в газе, действуют сила тяжести F_G и выталкивающая сила F_A. Когда частица оседает, добавляется еще и сила сопротивления потока F_W. Между этими тремя силами устанавливается равновесие с образованием результирующей силы F_R. Эта результирующая сила направлена вниз и приводит к оседанию пыли со скоростью υ_А.

При этом крупные частицы осаждаются достаточно быстро. Чем мельче частицы, тем меньше скорость их оседания. Очень мелкие частицы (ниже 0,1 мкм) вообще не осаждаются, поскольку тепловое движение в них преобладает над силой тяжести.

Если частицы пыли приходится осаждать с помощью силы тяжести, то режим подачи содержащего эту пыль газа должен выбираться с таким расчетом, чтобы частицы имели достаточно времени для оседания. Это достигается в очистном газовом канале. Он представляет собой большой резервуар, в который напускают газ. При этом поперечное сечение потока увеличивается, а скорость течения падает, так что газ некоторое время находится в газоходе. В этот момент частицы пыли могут опуститься с траектории течения в цилиндрический пылесборник, где пыль накапливается и по мере необходимости удаляется. Частицы, которые во время движения потока от входа до выхода из газохода не смогли уйти с траектории течения и опуститься вниз, не осаждается.

Размер частиц пыли, которые еще могут быть осаждены, называют крупностью разделения. Этот параметр тем меньше, чем ниже скорость течения газового потока и чем меньше высота траектории течения.

Особенно низкие траектории течения наблюдаются в пылеулавливающей камере. Там поперечное сечение потока разделено несколькими горизонтальными хордовыми насадками. Благодаря этому имеет место совсем небольшая скорость оседания частиц пыли. Они скапливаются на слегка наклонных хордовых насадках и сбиваются там в крупные хлопья. Вибратор помогает им спускаться со слегка наклонных поверхностей и проваливаться в цилиндрический сборник.

Гравитационное осаждене в очистном газовом канале и в пылеулавливающей камере годится исключительно для удаления крупных частиц пыли (примерно до 100 мкм). Более мелкая пыль уносится потоком газа-носителя.

Центробежное осаждение пыли осуществляется в циклоне, который представляет собой аппарат цилиндрической формы, сужающийся в нижней зоне на конус. Подлежащий очистке газ попадает в циклон по касательной сверху и сквозь его стенку выходит на круговую траекторию. На наружной стенке образуется крутящийся газовый вихрь – первичное завихрение.

Вовлеченные во вращение вместе с ним частицы пыли центробежной силой отбрасываются к стенке, сбиваются в агломераты и сползают по стенке вниз. Там они извлекаются из циклона через лопастный затвор.

Первичный газовый вихрь, вращаясь, перемещается по стенке аппарата вниз, в сужающуюся часть. При этом он сокращает диаметр своей круговой траектории и повышает скорость вращения. На дне аппарата первичный вихрь поворачивает в обратном направлении и с уменьшенным диаметром, вращаясь, в виде вторичного вихря поднимается вверх, где и покидает циклон по утопленной трубке.

Циклоны, или центробежные сепараторы, предназначены в основном для удаления крупной пыли из больших объемов газа. Мелкая пыль в циклоне не осаждается.

При мокром обеспыливании частицы пылди связываются с мелко распыленными капельками воды и вместе с ними отделяются от газа.

Неочищенный газ с частицами пыли пропускается против направления потока высокодисперсных водяных капель.

Когда газ протекает относительно капель, частицы пыли в силу х инерционности не следуют изменениям направления течения и ударяются об эти капли. В итоге они сцепляются с ними, смачиваются и вместе с ними осаждаются в виде шлама в подключенном устройстве.

Осаждение происходит тем лучше, чем тоньше водяные капли и чем быстрее они натекают на частицы пыли.

С помощью такого метода из газов успешно удаляется пыль с размером частиц от 0,5 до 500 мкм.

Аппараты для осуществления такого метода называются мокрыми пылеуловителями, газоочистителями – скрубберами. Они представлены множеством разнообразных исполнений.

В качестве самого простого газоочистителя можно назвать промывную башню, представляющую собой вертикально расположенную трубу, в которой напыляемый вверху туман из водяных капель медленно опускается вниз против потока перемещающегося кверху загрязненного газа.

Промывные колонны – это тоже вертикально стоящие трубы, заполненные элементами насадки. Подаваемая сверху промывочная жидкость орошает и смачивает поверхность насадочных тел. Снизу проходит через полости сыпучей насадки содержащий пыль газ. При этом частицы пыли прилипают к поверхности воды и стекают вместе с ней.

В ротационном скруббере туман промывочной жидкости создается посредством сопла и вращающихся дисков. Поток загрязненного пылью газа должен пройти сквозь этот туман, причем частицы пыли связываются с каплями воды. Насыщенные пылью капли осаждаются на используемой в качестве набивки металлической ситовой ткани.

Сепаратор с кольцевыми соплами, функционирующий по принципу скачка давления, ткже находит широкое применение.. Он предназначен для осаждения не только тонкой пыли, но также примесного газа и жидкостного тумана.

Для отделения пыли промывочная жидкость под напором поступает в поток загрязненного газа. При этом какая-то часть пыли уже связывается с каплями воды. Газ с каплями жидкости нагнетается затем через узкие зазоры пакетов кольцевых сопел. Эти зазоры имеют ширину от 0,3 до 1,2 мм и обладают такой формой, что газовый поток проходит по дугообразной траектории. При этом капли жидкости ичастицы пыли выносятся центробежной силой на стенки и оседаются там, вытекая из сепаратаора в виде шлама.

Струйный скруббер представляет собой большой водоструйный насос. Он подсасывает содержащий пыль воздух в бьющую с высокой скоростью струю промывочной воды. При этом вода и запыленный газ интенсивно перемешивается друг с другом. Здесь связывается с водяными каплями и осаждается примерно на 90% частиц пыли.

Струйные скрубберы требуют большего расхода воды, для снижения которого воду пускают по замкнутому циклу.

Скруббер Вентури есть усовершенствованный вариант струйного скруббера с прифланцованным циклоном для осаждения водяных капель.

Загрязненный газ через входное отверстие подаетсяв трубу Вентури. В самом узком месте через насадку поступает промывочная жидкость. В трубе с соплами это приводит к турбулентному течению аэродисперсии (газа, насыщенного водяными каплями) и, следовательно, к сильному завихрению и перемешиванию. При этом почти 98% частиц пыли связывается с каплями воды.

Аэродисперсия проникает затем в циклонную часть скруббера. На поворотной плите и в венце направляющих лопаток она поворачивается с выходом на траекторию вращения. Содержащие пыль водяные капли под действием центробежной силы отбрасываются на стенки циклона и оседают там. Промывочная вода с частицами пыли выходит из скруббера в виде жидкого шлама, а очищенный газ вытекает через погружную трубку.

Основные преимущества скруббера Вентури: компактная конструкция, высокая степень пылеулавливания, относительно небольшой расход воды и минимальные энергозатраты.

Мокрые сепараторы используются в большинстве случаев для дополнительной очистки газов, из которых механическим способом в циклоне уже удалена крупная пыль. Они способны осаждать частицы пыли зернистостью до 0,1 мкм, Скопившийся жидкий шлам подлежит сгущению.

При фильтрационном пылеулавливании поток загрязненного пылью газа пропускается через фильтровальный материал, причем частицы пыли остаются, а газ проходит сквозь него.

В качестве фильтрвального материала выбирается в большинстве случаев ткань густого плетения либо специальный войлок. Такой материал задерживает частицы пыли размером от 0,1 до 100 мкм.

Осаждение пыли протекает неравномерно, но при этом в одном рабочем цикле.

На очищенном фильтровальном материале удерживаются частицы пыли, размер которых превышает пропускную способность материала (то есть составляет более 10 мкм). Отфильтрованная пыль образует фильтровальный осадок, с течением времени постепенно увеличивающийся в размерах. Этот осадок действует в качестве фильтрующегося средства, удерживая даже частицы, размер которых меньше проходных отверстий фильтровального материала.

Степень пылеулавливания по мере продолжения фильтрации становится все выше, но одновременно возрастает и потеря давления в фильтровальном материале.

 

Поэтому осадок необходимо периодически удалять. Это достигается (после отключения подачи загрязненного газа) путем демонтажа и вытряхивания (выколачивания) фильтровального материала либо продувки его сжатым воздухом. После этого начинается новый процесс фильтрации.

Фильры для очисткигазов исполняются часто в виде нескольких рукавных фильтров, параллельно включенных в аппарате в виде батареи. Процесс фильтрации при этом протекает попеременно в трех расположенных друг за другом блоках. В то время как в двух из них осуществляется фильтрация (слева), в третьем происходит выгрузка осажденной пыли (справа).

При выполнении процесса фильтрации (слева) загрязненный пылью газ поступает в рукава фильтра. При этом частицы пыли собираются во внутренней стороне рукава, образуя фильтровальный осадок.

Когда осадок достигает своей максимальной толщины, подача потока загрязненного газа прекращается. Теперь в рукава фильтра в обратном напралении толчками вдувается воздух (справа). Одновременно осуществляется вибрация, в результате чего фильтровальный осадок отваливается от рукава фильтра и падает вниз в улавливающий конус, из которого он выгружается в мешки.

После полной очистки рукавов фильтра вновь производится переключение на удаление пыли.

Для очистки от пыли непрерывного потока отходящего газа требуется батарея из минимум трех рукавных фильтров, работающих поочередно. Два фильтра находится в работе, третий в это время вытряхивается и стоит наготове как резервный.

Для обеспылия горючих газов используют в качестве фильтровального материала набивки из твердого пористого вещества, а также металлическую ситовую ткань или металлические фильтры из пористой бронзы, получаемой спеканием смеси порошков меди и олова. Рукваные фильтры годятся только для очистки потоков сухого газа. Влажные или мокрые газы склеивают фильтровальный материал.

Фильтрационное пылеулавливание служит для отделения пыли с зернистостью от 0,1 до 100 мкм. Затраты на эксплуатацию батарей рукавных фильтров достаточно высоки.

Принцип электростатического обеспыливания основан на том факте, что частицы пыли с электростатическим зарядом притягиваются в электрическом поле электрода с противоположным зарядом.

При электростатическом обеспыливании поток загрязненного пылью газа проводится между коронирующим электродом с сильным отрицательным зарядом (постоянное напряжение) и положительно заряженным осадительным электродом. Коронирующий электрод находится под высоким напряжением (около 50000 В) и отдает электроны, которые отрицательно заряжают (ионизируют) окружающие его молекулы газа. Они притягиваются положительно заряженным осадательным электродом и в поле высокого напряжения между коронирующим и осадительным электродами и перемещаются в напралении последнего. На пути к осадительному электроду заряжанные молекулы газа сталкиваются с протикающими мимо частицами пыли, отдают им свой заряд и отрицательно заряжают их. Далее отрицательно заряженные частицы пыли притягиваются положительно заряженным осадительным электродом, летят к нему, разряжаются и сцепляются с уже имеющимися там частицами пыли, образуя клубки. Вибрационно-выколачивающее устройство отрывает их от осадительного электрода, и они падают вниз.

 

Электрофильтры имеют в большинстве случаев пластинчатое исполнение. Они состоят из ряда параллельно расположенных пластин, выполняющих функцию осадательных электродов. Между пластинами предусмотрены установленные в несколько рядов друг за другом проволочные коронирующие электроды. Загрязненный газ проходит в зазорах между пластинами мимо коронирующих электродов. Частицы пыли заряжаются и осаждаются на пластинах.С помощью электрофильтров удается успешно удалять мелкую и мельчайшую пыль с размером частиц от 0,001 до 10 мкм.

Большинство видов пыли содержит широкий спектр крупности, например летучая зола от процессов сжигания (от 1 до 100 мкм).

Отделение такой пыли под силу только пылеулавливающим установкам, в которых последовательно друг за другом смонтированы пылеулавители разных типов, причем каждый из них отделяет лишь частицы определенного класса крупности.

 

Контрольные вопросы:

1 Какой показатель служит для определения максимальной концентрации вредных веществ на рабочем месте?

2 Объясните физические аспекты процесса удаления пыли в циклоне

3 Опишите принцип мокрого пылеотделения

4 Как функционирует батарея рукавных фильтров?

5 Как протекает процесс отделения частиц пыли в электрофильтре?