«А.Г.Ветошкин ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПЫЛЕОЧИСТКИ Учебное пособие Пенза 2005 УДК 628.5 ББК 20.1 Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - с.: ил., библиогр. ...»

Министерство образования Российской Федерации

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.Г.Ветошкин

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПЫЛЕОЧИСТКИ

Учебное пособие

Пенза 2005

УДК 628.5

ББК 20.1

Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Учебное пособие.

– Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - с.: ил., библиогр.

Рассмотрены основы процессов и аппаратов технологии защиты атмосферы от аэрозольных пылевых выбросов с использованием различных методов и способов: гравитационные, центробежные, мокрые, электрические. Приведены методики расчета и проектирования аппаратов пылеочистки, включая пылеосадительные камеры, циклоны, вихревые аппараты, фильтры, мокрые скрубберы, электрофильтры. Приведены сведения по совершенствованию систем пылеочистки.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Экология и безопасность жизнедеятельности» Пензенского государственного университета. Оно предназначено для студентов специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды» и может быть использовано в качестве основной учебной литературы по дисциплине «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», при курсовом и дипломном проектировании по специальности 280202 и в качестве дополнительной учебной литературы при изучении дисциплины «Экология» студентами других инженерных специальностей.

Рецензенты:

Кафедра «Инженерная экология» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.

Кандидат технических наук, профессор, академик МАНЭБ В.В.Арбузов (Пензенский филиал Международного независимого экологополитологического университета).

Издательство Пензенского государственного университета А.Г.Ветошкин Содержание Введение 1. Характеристики аэрозольных выбросов в атмосферу.

2. Классификация методов и аппаратов для очистки аэрозолей.

3. Основные характеристики аппаратов для очистки аэрозолей.

4. Механическое пылеулавливание.

4.1. Пылеосадительные камеры.

4.2. Циклонные осадители.

4.2.1. Конструкции циклонов.

4.2.2. Расчет циклонов.

4.3. Вихревые пылеуловители.

5. Фильтрование аэрозолей.

5.1. Волокнистые фильтры.

5.2. Тканевые фильтры.

5.2.1. Фильтровальные ткани.

5.2.2. Рукавные фильтры.

5.3. Зернистые фильтры.

5.4. Расчет и выбор газовых фильтров.

6. Мокрое пылеулавливание.

6.1. Полые газопромыватели.

6.2. Орошаемые циклоны с водяной пленкой.

6.3. Пенные пылеуловители.

6.4. Ударно-инерционные пылеуловители.

6.5. Скоростные пылеуловители (скрубберы Вентури).

7. Электрическая очистка газов.

7.1. Принцип действия электрофильтров.

7.2. Конструкции электрофильтров.

7.3. Подбор и расчет электрофильтров.

8. Совершенствование процессов и аппаратов для пылегазоочистки.

8.1. Специализация аппаратов.

8.2. Предварительная обработка аэрозолей.

8.3. Режимная интенсификация.

8.4. Конструктивно-технологическое совершенствование.

8.5. Многоступенчатая очистка.

Литература.

Приложение. Краткие характеристики пылеуловителей.

Введение Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятельности людей сопровождаются выделением в воздух помещений и в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду. В воздух поступают аэрозольные частицы (пыль, дым, туман), газы, пары, а также микроорганизмы и радиоактивные вещества.

На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна. Благодаря очистке выбросов перед их поступлением в атмосферу предотвращается загрязнение атмосферного воздуха.

Очистка воздуха имеет важнейшее санитарно-гигиеническое, экологическое и экономическое значение.

Этап пылеочистки занимает промежуточное место в комплексе «охрана труда — охрана окружающей среды». В принципе пылеулавливание при правильной организации решает проблему обеспечения нормативов предельно-допустимых концентраций (ПДК) в воздухе рабочей зоны. Однако все вредности через систему пылеулавливания при отсутствии системы пылеочистки выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее. Поэтому этап пылеочистки следует считать неотъемлемой частью системы борьбы с пылью промышленного предприятия.

Цель настоящего учебного пособия - систематизировать сведения по процессам и аппаратам очистки воздуха от аэрозольных примесей, методические подходы к расчету сепарационного оборудования. Приводятся необходимые сведения по устройству, работе и расчету типового пылеулавливающего оборудования. Изложение материала сопровождается примерами расчета, которые облегчают усвоение теоретических вопросов.

1. Характеристики аэрозольных выбросов в атмосферу.

Под атмосферным загрязнением понимают присутствие в воздухе газов, паров, частиц, твердых и жидких веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют на растения, животных, человека, климат, материалы, здания и сооружения.

Загрязнение атмосферы может происходить как вследствие преобразования ее компонентов, так и переноса загрязняющих веществ из других частей биосферы. Эти процессы могут иметь природный или антропогенный характер.

Вещества, попадающие в атмосферу непосредственно из-за человеческой деятельности, обычно относят к антропогенным выбросам и загрязнителям.

Выбросы в атмосферу различают по виду, составу, количеству, агрегатному состоянию, характеру появления и пребывания в атмосфере, влиянию на биосферу и множеству других признаков. Классификации антропогенных выбросов, пригодной для изучения их свойств с целью подбора способов очистки, пока нет. В стандартной классификации загрязнители разделены на 4 класса по агрегатному состоянию: газо- и парообразные, жидкие, твердые и смешанные. По химическому составу они делятся на группы, а в зависимости от размера частиц — на подгруппы. Например, твердые выбросы подразделяются на 4 подгруппы с размерами частиц, мкм: менее 1; 1…10;

10…50 и более 50.

В атмосферу Земли ежегодно поступает 150 млн. тонн различных аэрозолей, около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения.

Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

В основном существуют два основных источника загрязнения атмосферы:

- стационарные источники (промышленные предприятия, топливноэнергетический комплекс, сельское хозяйство, горнодобывающая промышленность;

- передвижные источники (транспорт).

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена.

Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы.

Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250…300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс.куб.м. условного оксида углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания.

Загрязнение воздуха вызывает значительные экономические потери.

Запыленность и загазованность воздуха в производственных помещениях приводит к снижению производительности труда, потере рабочего времени из-за увеличения заболеваемости. Во многих производствах наличие пыли в воздушной среде ухудшает качество продукции, ускоряет износ оборудования. В процессе производства, добычи, транспортирования многих видов материалов, сырья, готовой продукции часть этих веществ переходит в пылевидное состояние и теряется (уголь, руда, цемент и др.), загрязняя в то же время окружающую среду. Потери на ряде производств составляют до 3…5 %. Велики также потери из-за загрязнения окружающей среды. Мероприятия по уменьшению последствий загрязнения обходятся дорого.

На предприятиях имеют место организованные (через трубы, вентиляционные шахты и т. п.) и неорганизованные выбросы (через фонари и проемы в цехах, от мест погрузки и разгрузки транспорта, из-за утечек в коммуникациях и др.). Неорганизованные выбросы по мнению специалистов составляют от 10 до 26 % от общего количества выбросов в атмосферу.

Поступление в воздушную среду производственных помещений и выброс в атмосферу аэрозолей и других вредных веществ - результат несовершенства технологического и транспортного оборудования, в первую очередь, его негерметичности, а также отсутствия или недостаточной эффективности пылеулавливающих и локализующих устройств и систем.

Аэрозоль представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной средой является газ, в частности, воздух, а дисперсной фазой — твердые или жидкие частицы. Наиболее мелкие (тонкие) аэрозольные частицы по размерам близки к крупным молекулам, а для наиболее крупных наибольший размер определяется их способностью более или менее длительное время находиться во взвешенном состоянии.

В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в вид дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1…5 мкм.

К аэрозолям относятся пыли, туманы и дымы.

Пылями называют дисперсионные аэрозоли с твердыми частицами, независимо от дисперсности. Пылью обычно также называют совокупность осевших частиц (гель или аэрогель).

Под туманами понимают газообразную среду с жидкими частицами как конденсационными, так и дисперсионными, независимо от их дисперсности.

Дымами называют конденсационные аэрозоли с твердой дисперсной фазой или включающие частицы и твердые, и жидкие.

В процессах пылеулавливания весьма важны физико-химические характеристики пылей и туманов, а именно: дисперсный (фракционный) состав, плотность, адгезионные свойства, смачиваемость, электрическая заряженность частиц, удельное сопротивление слоев частиц и др. Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата необходимы прежде всего сведения о дисперсном составе пылей и туманов.

Аэрозоли обычно полидисперсны, т. е. содержат частицы различных размеров.

Дисперсность - степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение частиц аэрозолей по размерам. Он показывает, из частиц какого размера состоит данный аэрозоль, и массу или количество частиц соответствующего размера.

Дисперсность в значительной мере определяет свойства аэрозолей. В результате измельчения изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызвано, в основном, тем, что при диспергировании вещества многократно увеличивается его суммарная поверхность.

Дисперсный состав пыли имеет первостепенное значение для разработки и совершенствования пылеулавливающих аппаратов и систем, а также для осуществления мероприятий по предотвращению выделения пыли и ее распространению.

Интервал дисперсности аэрозольных частиц весьма велик: от 10-7 до см. Нижний предел определяется возможностью длительного самостоятельного существования весьма малых частиц; верхний предел ограничен тем, что крупные частицы весьма быстро осаждаются под действием сил тяжести и во взвешенном состоянии практически не наблюдаются.

Весь диапазон размеров частиц разбивают на фракции. Под фракцией понимают массовые (счетные) доли частиц, содержащихся в определенном интервале размеров частиц. Например, применяют следующую шкалу размеров пылевых частиц: 1 — 1,3 — 1,6 — 2,0 — 2,5 — 3,2 — 4,0 — 5,0 — 6,3 — 8,0 — 13 — 16 — 20 — 25 — 32 — 40 — 50 — 63 мкм.

Дисперсный состав пыли представляют в виде таблицы или графика.

В таблице дается распределение пыли по фракциям в процентах от общей массы. Пример приведен в таблице 1.1.

Размер границах фракций, Фракции, 2,19 3,73 7,89 13,16 15,45 21,13 18,63 6,06 5,1 6, % от общей мас- сы частиц Результаты определения дисперсного состава могут быть представлены в виде таблицы, в которой приведены проценты массы или числа частиц, с размерами меньше или больше заданного. Пример - таблица 1.2.

Фракции пыли с частицами меньше или больше заданного размера тиц d, мкм тиц больше тиц меньше Совокупность всех фракций аэрозоля называют фракционным составом его дисперсной фазы, которую можно представлять графически. Откладывая по оси абсцисс значения интервалов, составляющих фракции, а по оси ординат - доли или процентные содержания частиц соответствующих фракций, получают гистограммы - ступенчатые графики фракционного состава. С уменьшением интервалов фракций гистограммы приближаются к плавным кривым.

Иногда такие кривые бывают близки по форме к кривой нормального распределения случайных величин, которая описывается двумя параметрами - средним диаметром частиц dm и стандартным отклонением от него:

где Мi - число частиц в i-той фракции.

Результаты определения дисперсного состава пыли обычно представляют в виде зависимости массовых (иногда счетных) фракций частиц от их размера. Распределения частиц примесей по размерам могут быть различными, однако на практике они часто согласуются с логарифмическим нормальным законом распределения Гаусса (ЛНР). В интегральной форме это распределение описывают формулой где M(dч) — относительная доля частиц размером менее dч; d50 — медианный размер частиц, при котором доли частиц размером более и менее d равны; lg — среднеквадратичное отклонение в функции ЛНР.

Графики ЛНР частиц обычно строят в вероятностно-логарифмической системе координат, текущий размер частиц откладывают на оси абсцисс, а на оси ординат — относительную долю частиц с размерами меньше dч.

Шкалу оси абсцисс строят по логарифму диаметра частиц, а оси ординат — вычислением каждого из значений шкалы по уравнению где y = lg ч 50.

Цифровые значения этой функции затабулированы и приводятся в сокращенном виде (табл. 1.3).

Если в этой системе координат интегральное распределение частиц по размерам описывается прямой линией, то данное распределение подчиняется ЛНР. В этом случае dm = d50 находят как абсциссу точки графика, ордината которой равна 50%, а lg — из уравнения lg = lg d84.1 - lg d50. Для характеристики пылей и сравнения их между собой достаточно иметь два параметра: d50 и lg. Значение d50 дает средний размер частиц, а lg — степень полидисперсности пыли. В табл. 1.4 приведены значения d50 и lg для некоторых пылей.

Экспериментальные исследования Кварцевая пыль 3,7 0, По дисперсности пыли классифицированы на 5 групп: I — очень крупнодисперсная пыль, d50 >140 мкм; II — крупнодисперсная пыль, d50 = 40…140 мкм; III — среднедисперсная пыль, d50 = 10…40 мкм; IV — мелкодисперсная пыль, d50 = l…10 мкм; V — очень мелкодисперсная пыль, d < l мкм.

Важный параметр пыли — ее плотность. От плотности частиц пыли зависит эффективность ее осаждения в гравитационных и центробежных пылеуловителях.

Склонность частиц пыли к слипаемости определяется ее адгезионными свойствами. Чем выше слипаемость пыли, тем больше вероятность забивания отдельных элементов пылеуловителя и налипания пыли на газоходах.

Чем мельче пыль, тем выше ее слипаемость. Слипаемость пыли значительно возрастает при ее увлажнении.

Смачиваемость частиц жидкостью (водой) влияет на работу мокрых пылеуловителей, а электрическая заряженность частиц — на их поведение в пылеуловителях и газоходах.

2. Классификация методов и аппаратов для очистки аэрозолей Под обезвреживанием воздушно-газовых выбросов понимают отделение от газа аэрозольных примесей или превращение в безвредное состояние загрязняющих примесей.

Процесс обеспыливания воздуха в общем виде включает следующие основные этапы:

- предотвращение распространения «исходной» аэродисперсной системы в воздухе рабочей зоны и увеличения устойчивости этой системы в направлении строго ограниченной заранее выделенной области (процесс пылеулавливания);

- разрушение пылевого аэрозоля, заключающегося в выделении пыли из воздуха (процесс пылеочистки);

- дальнейшее снижение устойчивости пылевого аэрозоля, сохранившегося после реализации предыдущих этапов, заключающееся в интенсификации распространения оставшихся в воздухе пылевых частиц и аэрации дисперсной среды в приземном слое атмосферы (процесс рассеивания пыли).

На каждом этапе предусматривается введение искусственных аэродисперсных систем или организация направленных внешних силовых полей. Процесс обеспыливания включает три элемента: пылеулавливание (ПУ), пылеочистку (ПО) и рассеивание пыли (РП). Каждый элемент системы можно реализовать различными методами (аэродинамическим, гидродинамическим, электромагнитным, теплофизическим, механическим и др.), которые определяются характером направленных внешних воздействий на пылевой аэрозоль. Любой метод может быть осуществлен различными способами (орошением, пеной, паром, туманом и др.), а способ — техническими средствами.

Основным элементом систем пылеочистки является аппарат очистки воздуха от пыли.

Среди исходных данных для выбора способов, технических средств и параметров пылеулавливания наиболее важным являются технологические и пылеаэродинамические.

Наиболее полная классификация аппаратов основывается на использовании следующих способов обеспыливания:

— физические способы включают: механический (аэродинамический, гидродинамический, фильтрационный), электрический, магнитный, акустический, оптический, ионизирующий, термический;

— химический;

— физико-химический;

— биохимический;

— физико-биохимический.

Каждый из указанных способов имеет определенную область применения и широту использования. В своей основе они базируются на одном (или нескольких) из следующих процессов обеспыливания: осаждения, коагуляции, удаления, обеззараживания, сжигания и улавливания.

Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электрические методы. В основе сухих методов лежат гравитационные, инерционные, центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. При использовании мокрых методов очистка газовых выбросов осуществляется путем тесного взаимодействия между жидкостью и запыленным газом на поверхности газовых пузырей, капель или жидкой пленки. Электрическая очистка газов основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом и электризации взвешенных в газе частиц.

При обработке выбросов, содержащих твердые аэрозольные загрязнители, низких величин проскока (1...2% и менее) можно достичь, как правило, только двухступенчатой очисткой. Для предварительной очистки могут быть применены жалюзийные решетки и циклонные аппараты (иногда для небольших выбросов - пылеосадительные камеры), а для окончательной - пористые фильтры, электрофильтры или мокрые пылеосадители.

Жидкие аэрозоли (туманы) могут быть скоагулированы посредством изменения параметров состояния (охлаждения и повышения давления) с целью осаждения в последующем с использованием как правило мокрых способов улавливания в мокрых скрубберах, пористых и электрических фильтрах, в абсорберах.

Мокрые способы очистки твердых и жидких аэрозолей имеют существенный недостаток - необходимость отделения уловленного загрязнителя от улавливающей жидкости. По этой причине мокрые способы следует применять только при отсутствии других методов очистки, отдавая предпочтение способам с минимальным расходом жидкости.

В основу действия аппаратов для очистки аэрозольных выбросов положен определенный физический механизм. В улавливающих устройствах находят применение следующие способы отделения взвешенных частиц от взвешивающей среды, т. е. воздуха (газа): осаждение в гравитационном поле, осаждение под действием сил инерции, осаждение в центробежном поле, фильтрование, осаждение в электрическом поле, мокрая очистка и др.

По основному механизму отделения частиц аэрозолей и носит название пылеулавливающий аппарат.

В устройстве для очистки аэрозольных выбросов, наряду с основным механизмом улавливания, обычно используются и другие закономерности.

Благодаря этому общая и фракционная эффективность аппарата достигает более высокого уровня.

Гравитационное осаждение. Частицы аэрозолей осаждаются из потока загрязненного воздуха под действием силы тяжести. Для этого необходимо создать соответствующий режим движения загрязненного воздуха в аппарате с учетом размера частиц, их плотности и т. д.

Инерционное осаждение. Инерционное осаждение основано на том, что частицы аэрозолей и взвешивающая среда ввиду значительной разности плотностей обладают различной инерцией. Аэрозольные частицы, двигаясь по инерции, отделяются от газовой среды.

Осаждение под действием центробежной силы. Происходит при криволинейном движении загрязненного воздушно-газового потока. Под действием возникающих центробежных сил аэрозольные частицы отбрасываются на периферию аппарата и осаждаются.

Эффект зацепления. Частицы аэрозолей, взвешенные в воздушной (газовой) среде, задерживаются в узких извилистых каналах и порах при прохождении воздушно-газового потока через фильтровальные материалы.

Мокрая очистка. Смачивание поверхности элементов аппаратов водой или другой жидкостью способствует задержанию аэрозольных частиц на данной поверхности.

Осаждение в электрическом поле. Проходя электрическое поле, частицы аэрозолей получают заряд. Двигаясь к электродам противоположного знака, они осаждаются на них.

В практике улавливания аэрозольных частиц находят применение и другие методы: укрупнение частиц в акустическом поле, термофорез, фотофорез, воздействие магнитного поля, биологическая очистка.

Пылеулавливающее оборудование при всем его многообразии может быть классифицировано по ряду признаков: по назначению, по основному способу действия, по эффективности, по конструктивным особенностям.

В соответствии с ГОСТ 12.2.043-89 «Оборудование пылеулавливающее. Классификация.» аппараты очистки в зависимости от размеров улавливаемых частиц и эффективности их улавливания разделены на пять классов (табл. 2.1).

Класс ап- Размеры эф- Эффективность по массе пыли, при группе диспарата фективно улав- персности пыли классификации групп пылей.

Часто в зависимости от коэффициента очистки аппараты делят на две группы: грубой очистки и тонкого обеспыливания. Однако понятие грубой очистки и тонкого обеспыливания являются относительными в зависимости от вида производства и задач обеспыливания.

По ГОСТ 12.2.043—89 все оборудование для санитарной очистки газов и воздуха от взвешенных дисперсных частиц подразделяется на две категории: аппараты сухой очистки и аппараты мокрой очистки.

В свою очередь аппараты, использующие сухие методы очистки, по сущности происходящих в них физических явлений подразделяются на гравитационные, инерционные, фильтрационные и электрические.

Пылеулавливающее оборудование в зависимости от способа отделения пыли от воздушного потока применяют следующих исполнений: оборудование для улавливания пыли сухим способом, при котором отделенные от воздуха частицы пыли осаждаются на сухую поверхность; оборудование для улавливания пыли мокрым способом, при котором отделение частиц от воздушного потока осуществляется с использованием жидкостей.

Пылеулавливающее оборудование по принципу действия подразделяется на группы, по конструктивным особенностям на виды и действует по сухому (табл. 2.2.) и мокрому (табл. 2.3.) способу.

Группы и виды пылеулавливающего оборудования для улавливания пыли Группа оборудо- Вид оборудования Область применения Группы и виды пылеулавливающего оборудования для улавливания Группа обору- Вид оборудо- Область применения Примечание. Знак «+» означает применение; знак «-» означает неприменение.

Аппараты мокрой очистки подразделяются на инерционные, фильтрационные и электрические.

Наиболее распространенным оборудованием для улавливания дисперсных частиц из воздушно-газовых потоков являются: сухие гравитационные и инерционные вихревые осадители, фильтры различных конструкций, мокрые пылеуловители, электрофильтры.

В целом система очистки воздуха и газов может содержать оборудование нескольких типов, соединенное в последовательную цепочку по мере повышения эффективности пылеулавливания. Пылеулавливающее оборудование, в котором отделение пыли от воздушного потоки осуществляется последовательно в несколько ступеней, отличающихся по принципу действия, конструктивным особенностям и способу очистки, относят к комбинированному пылеулавливающему оборудованию.

В настоящее время используются различные методы и аппараты для улавливания аэрозольных примесей из воздуха. На практике для этого чаще всего применяют аппараты гравитационные, инерционные сухие и мокрые, фильтрующие в пористом слое и в электрическом поле. К основным представителям инерционных сухих пылеуловителей относят жалюзийные устройства, циклоны одиночные и групповые, мультициклоны, а мокрых промыватели полые и насадочные, пенные, ударно-инерционного действия (струйные, импакторные, ротоклоны), скрубберы Вентури. Пористые фильтры различают по фильтрующему материалу (фильтры из волокнистых - тканых и нетканых, сыпучих материалов, уплотненных металлических и металло-керамических порошков, металлических и полимерных сеток), а затем - по конструкциям, типоразмерам и частным признакам. У электрофильтров основным разделительным признаком считается горизонтальное или вертикальное направление движения обрабатываемого потока.

Выбор оборудования при формировании системы пылеулавливания зависит от конкретных требований производства и физико-механических и физико-химических свойств дисперсных частиц.

В основе оригинальной концепции классификации сепараторов взвешенных частиц, которая была предложена А.И. Пирумовым, лежит принцип разделения пылеуловителей на классы по размерам эффективно улавливаемых частиц (табл. 2.4). Такая классификация оказывает существенную помощь при выборе средств пылеулавливания.

Классификация пылеуловителей по размерам эффективно улавливаемых эффективно улавливаемых частиц, мкм Группа пыли сти *Примечание. Группа пыли и соответствующий ей размер частиц, которые могут быть уловлены с максимальной степенью очистки в данном классе сепаратора.

В табл. 2.5 приведены характеристики различных пылеуловителей.

Эти сведения значительно облегчают выбор подходящего оборудования для систем очистки воздушно-газовых выбросов от взвешенных частиц.

Структурные характеристики различных систем пылеулавливания противление частиц тиц, улавливаемых с высокой эффективностью, мкм точности на основании расчетов средней концентрации частиц соответствующего размера в выходном сечении пылеосадительной камеры по формуле (%):

где i - число точек, для которых рассчитывается концентрация частиц; Ni - отношение концентрации частиц данного размера в расчетной точке выходного сечения камеры к их концентрации во входном сечении. Концентрация этих частиц во входном сечении принимается равномерно распределенной по сечению. Предполагается, что распределение частиц по размерам подчиняется нормальному закону распределения, значение величины N определяется по уравнению:

Значения функций Ф( x1 ) и Ф( x2 ) определяются из таблицы нормальной функции распределения (табл. 4.1).

Величины x1 и x2, в свою очередь, определяются из выражений:

где h - расстояние от потолка камеры; Dt - коэффициент турбулентной диффузии частиц.

При выполнении условия wос < L. g / v, что характерно для большинства случаев осаждения в камерах, коэффициент турбулентной диффузии частиц совпадает с коэффициентом турбулентной диффузии газового потока и может быть рассчитан по формуле Шервуда - Вертца:

где - коэффициент трения потока, может быть принят равным 0,03.

Тогда выражения (4.7) и (4.8) значительно упрощаются и принимают вид:

Дополнительные значения wос v, необходимые для определения нескольких точек зависимости п = f (dч ), принимаются больше и меньше значения ( wос v) 50. Полный коэффициент очистки и степень очистки определяются по уравнению:

где N вх - плотность распределения, %/мкм; d ч - разность граничных размеров выбираемого диапазона частиц из гистограммы, мкм.

Значения нормальной функции распределения Следует иметь в виду, что N вх. d ч должно быть равно 100 %.

Расчеты пылеосадительных камер выполняют в следующем порядке.

1. Определяют скорость газового потока в рабочем сечении камеры:

где V - расход газов, м3/с; H, B - высота и ширина камеры, м.

Чем меньше скорость потока, тем больше степень очистки, но и более громоздкой получится камера. Желательно, чтобы скорость потока не превышала 0,8...1 м/с, однако для компактных частиц большой плотности ее можно доводить до 2...3 м/с.

2. Принимают по конструктивным соображениям соотношение длины и высоты камеры L / H Для конструкций с L / H p 3 данная методика расчета не дает необходимой точности.

3. Принимают, что отношение скорости витания частиц wос, которые будут уловлены в камере на 50 %, к скорости газового потока приблизительно соответствует полутора значениям ( wос / v) 50 1,5. H L и находят из этого соотношения величину wос.

4. Диаметр частиц, оседающих в камере на 50 %, находят в предположении, что оседание происходит в соответствии с законом Стокса по формуле:

Для нагретых газов может быть использована формула 5. Выбирают несколько соотношений wос / v, больших и меньших принятого и определяют соответствующие значения dч.

6. Определяют среднюю концентрацию частиц на выходе из камеры для каждого принятого соотношения wос/v или, что то же самое, для каждого принятого значения dч следующим образом:

а) назначают "k" точек по высоте сечения, задаваясь величиной h/H, где h - расстояние от потолка камеры до рассматриваемой точки;

б) рассчитывают так называемые параметры очистки x1 и x2 (параметры функции парциального распределения Ф(х)) по формулам:

в) по значениям x1 и x2 из таблицы 4.1 находят интегралы вероятностей (x1) и (х2) и подсчитывают значение Ni:

г) усредняют значение N по сечению, вычисляя его как среднее арифметическое по высоте сечения:

д) определяют средний парциальный коэффициент осаждения частиц рассматриваемого размера (с принятой скоростью осаждения-витания):

7. Находят полный коэффициент очистки как сумму произведений долей частиц соответствующих фракций на их фракционные (парциальные) коэффициенты очистки по формуле Пример 4.1. Определить эффективность осаждения частиц в пылеосадительной камере, если она имеет длину L = 10 м, высоту Н = 1 м, ширину В = 2 м. Расход воздуха через камеру V = 3600 м3/ч, плотность частиц ч = 500 кг/м, вязкость газа = 18 10 Па с.

Скорость потока в сечении камеры По уравнению (4.12) находим относительную скорость осаждения частиц, улавливаемых в камере с эффективностью, равной 50 %:

Отсюда скорость осаждения-витания ( woc ) 50 = 0,075 м/с.

Тогда по найденной скорости осаждения-витания, заданной плотности и вязкости газа находим размер частиц, улавливаемых в камере с эффективностью 50 %:

Для определения зависимости п = f (d ч ) выбираем несколько дополнительных относительных скоростей витания:

Этим значениям относительных скоростей витания соответствуют диаметры частиц d ч = 60 мкм и d ч2 = 90 мкм.

Средняя концентрация частиц на выходе из камеры определяется как средняя величина в 4…5 точках сечения. С этой целью зададимся пятью значениями h / H : 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0.

Результаты расчетов представим в следующем виде:

Среднее значения Ncp составляет 0,86, а парциальный коэффициент очистки газа для частиц с размером dч = 60 мкм п = 100(1- 0,86) = 14 %;

Среднее значение Ncp составляет 0,14, а парциальный коэффициент очистки газа для частиц с размером dч = 90 мкм п = 100(1 - 0,14) = 86 %.

Таким образом, в результате расчета получены три значения парциальных коэффициентов очистки газа (14, 50 и 86 %) при трех значениях ( wос v ) = 0,1; 0,15; 0,2.

Полный коэффициент очистки газа рассчитывается по уравнению (4.13) при наличии гистограммы пыли на входе в камеру.

Наибольшее распространение в системах пылеочистки получили циклоны. Циклоны широко применяются для очистки от пыли вентиляционных и технологических выбросов во всех отраслях народного хозяйства.

На практике система улавливания частиц создается путем придания запыленному потоку закрученного или вращательного движения, ограниченного цилиндрическими стенками. Частицы осаждаются при отбрасывании на стенки. Такое устройство называется циклоном.

Эффективность циклонов можно объяснить на следующем примере.

Частица массой m двигающаяся по круговой траектории радиуса r с тангенциальной скоростью ит, подвержена действию центробежной силы m.

ит2/r. Для типичных условий ит = 15 м/с, r = 0,6 м эта сила примерно в раз превышает силу тяжести. Поэтому указанная сила может резко увеличить осаждение в камере.

Циклоны просты в изготовлении, надежны в эксплуатации при высоких давлениях и температурах, обеспечивают фракционную эффективность очистки на уровне 80…95% от частиц пыли размером более 10 мкм.

Циклоны в основном рекомендуется использовать перед высокоэффективными аппаратами пылеочистки (тканевыми и электрофильтрами). В ряде случаев циклоны обеспечивают эффективность очистки, достаточную для выброса газов или воздуха в атмосферу.

В России и СНГ для циклонов принят стандартизированный ряд внутренних диаметров D: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000 мм. Для всех одиночных циклонов бункеры выполняются цилиндрическими с коническим днищем. Диаметр бункера принимают 1,5 D для цилиндрических и 1,1...1,2 D для конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера принимается 0,8 D, угол конусности стенок днища - 60°.

Циклоны делятся на циклоны большой производительности и циклоны высокой эффективности. Первые имеют обычно большой диаметр и обеспечивают очистку значительных количеств воздуха. Вторые - сравнительно небольшого диаметра (до 500…600 мм). Очень часто применяют групповую установку этих циклонов, соединенных параллельно по воздуху.

Эффективность очистки газа в циклонах в основном определяется дисперсным составом и плотностью частиц улавливаемой пыли, а также вязкостью газа, зависящей от его температуры. При уменьшении диаметра циклона и повышении до определенного предела скорости газа в циклоне эффективность очистки возрастает. Поэтому диаметры серийно выпускаемых циклонов не превышают 5 м.

Циклоны, как правило, используют для грубой и средней очистки воздуха от сухой неслипающейся пыли. Принято считать, что они обладают сравнительно небольшой фракционной эффективностью в области фракций пыли размером до 5…10 мкм, что является основным их недостатком.

Однако циклоны, особенно циклоны высокой эффективности, улавливают не такую уж малую часть пыли размером до 10 мкм - до 80 и более процентов.

В современных высокоэффективных циклонах, в конструкции которых учтены особенности улавливаемой пыли, удалось существенно повысить общую и фракционную эффективность очистки. Отмеченный выше недостаток обусловлен особенностями работы циклонов, в частности, турбулизацией потока запыленного воздуха, которая препятствует сепарации пыли.

Разработано и применяется в технике обеспыливания большое число различных типов циклонов, которые отличаются друг от друга формой, соотношением размеров элементов и т. д. (рис. 4.4).

Конструктивно циклоны могут быть выполнены одиночными, групповыми и батарейными. Среди одиночных и групповых циклонов наибольшее распространение получили циклоны НИИОГаза типов ЦН-15 и СК-ЦН производительностью 600…230 000 м3/ч, а среди батарейных циклонов - типов БЦ-2, ПБЦ, ЦБ-254 Р, ЦБ-150у производительностью от 000 до 480 000 м3/ч. Эффективность очистки в батарейных циклонах выше, чем в одиночных или групповых, так как в них циклонные элементы имеют значительно меньший диаметр при равных производительностях.

Запыленный воздух поступает в циклон через патрубок, очищенный — удаляется через выхлопную трубу. В зависимости от способа подведения воздуха к циклону различают циклоны с тангенциальным и спиральным подводом воздуха. При прочих равных условиях циклоны со спиральным подводом обладают более высокой эффективностью очистки. Поток запыленного воздуха входит в корпус циклона обычно со скоростью 14…20 м/с.

Применяют циклоны правые (вращение потока запыленного воздуха по часовой стрелке, если смотреть сверху) и левые (вращение против часовой стрелки).

Скорость газа в свободном сечении цилиндрической части циклонов должна лежать в пределах 2,5…3,5 м/с. В обычных условиях оптимальной считается скорость 3,5 м/с, а скорость 2,5 м/с рекомендуется принимать при работе с абразивной пылью.

Рис. 4.4. Основные типы конструкций циклонов:

а – циклон НИИОГаза; б – СИОТ; в – ВЦНИИОТ; г – СК-ЦН-34;

д – ЛИОТ; 1 – корпус; 2 – входной патрубок; 3 – выходная Запыленные газы подаются в циклоны через тангенциальные или аксиальные завихрители и совершают внутри аппаратов сложное вращательно-поступательное движение, характеристики которого изучены еще недостаточно. На частицы, взвешенные в потоке внутри циклона, действует сила инерции, которая стремится сместить их с криволинейных линий тока по касательным, направленным под некоторым углом вниз и к стенке корпуса. Частицы, соприкасающиеся с внутренней поверхностью стенки, под действием сил тяжести, инерции и опускающегося газового потока скользят вниз и попадают в пылеприемник (бункер). Частицы, не достигшие стенки, продолжают движение по криволинейным линиям тока и могут быть вынесены из циклона газовым потоком, который может захватить и некоторое количество осевших в бункер частиц.

Упрощенно считая, что траектории движения взвешенных частиц близки к окружностям, можно величину возникающей силы инерции принять пропорциональной квадрату тангенциальной скорости, массе частиц и обратно пропорциональной радиусу вращения. Так, при радиусе вращения менее метра и тангенциальной скорости в пределах 10...15 м/с сила инерции на порядок превосходит силу тяжести. По этой причине сепарация частиц в циклонах происходит намного интенсивнее, чем в гравитационных осадителях.

Поскольку инерционная сила пропорциональна массе, то мелкие частицы улавливаются в циклонах плохо. Степень очистки аэрозолей с размерами частиц свыше 10 мкм находится в пределах 80...95%, а более мелких частиц - намного хуже. Увеличение эффекта осаждения частиц за счет уменьшения диаметра циклона и повышения скорости потока возможно до некоторых пределов, ограниченных техническими и экономическими факторами, такими как рост энергетических затрат, ухудшение очистки вследствие повторного захвата отсепарированных частиц, абразивный износ, увеличение металлоемкости и другими. Для широко распространенных циклонов оптимальные значения скоростей потоков и конструктивных параметров установлены опытным путем и приводятся в справочной литературе.

Циклоны НИИОГаз. В институте НИИОГаз разработан ряд конструкций цилиндрических и конических циклонов. Широкое распространение получили цилиндрические циклоны (рис. 4.5) ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦНЦифровое обозначение циклона соответствует углу наклона крышки аппарата и патрубка, подводящего запыленный поток. Для данных циклонов характерна удлиненная цилиндрическая часть корпуса. Циклон ЦНу имеет укороченную коническую часть. Его применяют при ограничении по высоте, он имеет несколько худшие показатели, чем ЦН-15.

Циклон ЦН-11 предназначен для очистки воздуха (газов) от сухой неслипающейся неволокнистой пыли, образующейся в различных помольных и дробильных установках и при транспортировании сыпучих материалов.

Для улавливания взрывоопасной и легковозгораемой пыли циклоны ЦН должны быть выполнены по специальным чертежам и не иметь узлов, где могло бы происходить скопление пыли, и должны быть снабжены необходимым количеством взрывных клапанов.

Цилиндрические циклоны ЦН в зависимости от требуемой производительности можно устанавливать одиночно или компоновать в группы по два, четыре, шесть, восемь циклонов (рис. 4.6).

Соотношение размеров (в долях внутреннего диаметра) для циклонов ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-24 дано в табл. 4.2.

Соотношение размеров (в долях внутреннего диаметра) для циклонов Внутренний диаметр вы- 0,59 для всех типов хлопной трубы, d Внутренний диаметр пыле- 0,3-0,4* для всех типов выпускного отверстия, d Ширина входного патрубка 0,2 для всех типов в циклоне (внутренний размер), b Ширина входного патрубка 0,26 для всех типов на входе (внутренний размер), b Длина входного патрубка, l 0,6 для всех типов Диаметр средней линии 0,8 для всех типов циклона, Dcp Высота установки фланца, 0,1 для всех типов входного патрубка циклона, Высота входного патрубка 0,66; 0,66; 1,11 0, (внутренний диаметр), а части циклона, Нц Высота конуса циклона, Нк 2,0; 1,50; 1,75 2, хлопной трубы, hв * Больший размер принимается при малых D и большой запыленности К коническим циклонам НИИОГаз относятся аппараты СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М (рис. 4.2,г; табл. 4.3). Циклоны имеют удлиненную коническую часть и спиральный входной патрубок. Циклоны обладают высокой эффективностью очистки. Они предназначались для улавливания сажи.

Соотношение размеров (в долях диаметра D) для циклонов рической части, D ти, Нц хлопной трубы, d выпускного отверстия, d хлопной трубы, hв hфп ной трубы, hт Текущий радиус улитки, D/2+b/2 D/2+b/ D/2+b/ Фракционная эффективность циклонов ЦН-11, ЦН-15 и конических циклонов представлена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Фракционная эффективность циклонов ЦН НИИОГаз:

1 - ЦН-11; 1 - ЦН-15; 3 - ЦН-15у; 4 - ЦН-24; 5 - СДК-ЦН-33; 6 - СК-ЦН-34.

Циклоны СИОТ (Свердловский институт охраны труда) полностью лишены цилиндрической части. Выхлопная труба опущена в верхнюю часть конуса. Входной патрубок имеет треугольное сечение (рис. 4.8, табл. 4.4).

Циклоны СИОТ применяют для очистки газов (воздуха) от сухой неволокнистой, неслипающейся пыли.

1 - корпус: 2 - раскручиватель; 3, 4 - входной и выходной патрубки;

5 - крышка корпуса; 6 - пылеотводящий патрубок; 7 - раскручиватель;

При установке циклона на всасывающей линии вентилятора очищенный газ (воздух) выходит из аппарата через раскручиватель с винтовой крышкой, а при установке на нагнетательной линии - через шахту с колпаком или раскручивателем в виде плоского щита.

ци- ность, тыс.

клона Циклоны ВЦНИИОТ. Циклоны с обратным конусом разработаны ВЦНИИОТ (г. Москва) (рис. 4.9, табл. 4.5).

Применяют для улавливания сухой не слипающейся, не волокнистой и абразивной; а также слабослипающейся (сажа, тальк) пыли. Пылегазовый поток проходит в бункер через кольцевую щель между двумя соосными конусными поверхностями. Обеспыленный газ (воздух) возвращается в корпус циклона через отверстие в вершине внутреннего конуса.

Соотношение размеров (в долях диаметра D) для циклонов Внутренний диаметр цилиндрической части, D До 1000 мм Для унификации циклонов (их в нашей стране применяется несколько десятков типов) в институте охраны труда (Санкт-Петербург) были проведены сравнительные испытания по единой методике. По результатом испытаний циклон ЦН-11, как обладающий наибольшей эффективностью и хорошо приспособленный для групповой установки, был рекомендован для преимущественного применения. Циклоны ЦН-15, СИОТ и ВЦНИИОТ несколько уступают по эффективности циклону ЦН-11, но имеют определенные преимущества в отношении габаритов: циклон СИОТ по высоте на 30 % меньше, чем ЦН-11, но больше его по диаметру на 17%; диаметр циклона ЦН-15 на 10% меньше, чем ЦН-11.

Циклоны больших размеров имеют худшие показатели по очистке, и поэтому часто для достижения необходимой пропускной способности компонуют группы циклонов меньшего диаметра. Компоновка может выполняться прямоугольной или круговой. Группы циклонов обычно имеют общие подводящие и отводящие коллекторы, объединенный пылесборник. Бункеры групп до 4 циклонов могут выполняться круглой и прямоугольной формы, выше 4 - только прямоугольной.

Группы рекомендуется компоновать из четного числа циклонов. Общее количество циклонов в группе может быть доведено до 16, однако более 8 циклонов компоновать вместе нежелательно. При большом числе циклонов практически невозможно организовать равномерное распределение газов ко всем аппаратам, что приводит к нерасчетным режимам их работы и существенному снижению степени очистки газа. Ухудшают очистку и перетоки пыли в общем бункере, из-за которых она интенсивнее, чем в одиночных циклонах, захватывается очищенным газом.

Батарейные циклоны. При необходимости обеспечения большой пропускной способности используют батарейные циклоны (мультициклоны). Они состоят из циклонных элементов, объединенных в одном корпусе и имеющих общий бункер. Подключение циклонов параллельное от общего коллектора загрязненных газов, отвод очищенного газа также объединен. Циклонные элементы могут быть с возвратным потоком или прямоточные. Прямоточные элементы обладают всеми недостатками аналогичных одиночных циклонов и используются реже возвратно-поточных. В отечественных циклонных элементах подвод загрязненных газов производится коаксиально через завихрители типа "винт" и "розетка" (рис. 4.10, а и б) или тангенциально через укороченные улитки (рис. 4.10, в); четырехзаходный улиточный (рис. 4.10, г).

Розеточные завихрители по сравнению с винтовыми обеспечивают более высокую очистку газа, но в большей степени подвержены забиванию пылью. Для пылей третьей группы слипаемости направляющие типа "розетка" не рекомендуются, а пыли четвертой группы (сильнослипающиеся) вообще нежелательно очищать в батарейных циклонах.

Рис. 4.10. Циклонные элементы батарейного циклона:

а - с направляющий аппаратом типа «винт»; б - с направляющим аппаратом типа «розетка»; в – вход через укороченные улитки; г – четырехзаходный Элементы с полуулиточным подводом имеют лучшие показатели очистки за счет герметичности узла ввода газов. В то же время степень очистки газов в батарейных циклонах любых типов ниже, чем в одиночных циклонах. Недостатки, присущие групповой установке циклонов, в батарейных циклонах усугубляются большим числом объединяемых элементов. Технические характеристики некоторых типов батарейных циклонов с возвратно-поточными элементами приведены в таблице 4.6, а с прямоточными - в таблице 4.7.

Технические характеристики батарейных циклонов с возвратно-поточными Технические характеристики батарейных циклонов с прямоточными При проектировании циклона выбирают его геометрию, затем определяют размер, фракционную эффективность, перепад давления и потребную для каждого циклона мощность. Эти расчеты основываются на заданных скорости потока газа, составе, температуре, давлении, концентрации пыли, а также на данных о дисперсном составе пыли. Эти данные необходимы, чтобы сформулировать требования к устройству для вторичного улавливания пыли, если таковое предполагается использовать.

Циклоны обычно выбирают из числа серийных, исходя из производительности по газовому потоку. В дальнейшем проводят расчет критического (минимального) диаметра частиц d кр, полностью улавливаемых аппаратом, эффективности улавливания пыли и гидравлического сопротивления циклона Pц.

Критический размер частиц может быть найден, к примеру, по следующей зависимости:

где Vг - объемный расход газа, м3/с; вх - скорость газа на входе в циклон, м/с; Dц, b - характерные размеры циклона, показанные на рис. 4.11.

1 – входной патрубок; 2 – выходная труба; 3 – цилиндрическая камера; 4 – коническая камера; 5 – пылеосадительная камера.

Объем циклона Vц рассчитывают по зависимости на основе геометрических параметров, приведенных на рис. 4.11:

Эффективность улавливания можно рассчитывать по зависимости:

Величину с в зависимости (4.24) рассчитывают по уравнению:

где Величина в уравнении (4.24) есть не что иное, как модифицированный инерционный параметр, характеризующий состояние пылегазовой смеси:

Значение п может быть найдено по формуле где Tг - абсолютная температура газов, К.

Гидравлическое сопротивление циклонов можно рассчитать по общепринятой для однофазных потоков формуле:

где г - скорость газа в свободном сечении циклона; ц - коэффициент сопротивления циклона, рассчитанный по скорости г и зависящий от состояния поверхности аппарата, концентрации и свойств частиц, поэтому определяется для каждой конструкции по справочникам.

В циклонных аппаратах формируются сложные потоки, аэродинамические параметры которых (скорости, давления, концентрации частиц загрязнителей и их фракционный состав) непрерывно меняются. Методы теоретического определения коэффициентов очистки из-за значительного расхождения результатов с опытом неприменимы для практического использования. Из эмпирических методов наиболее надежны расчеты по парциальным коэффициентам очистки, найденным экспериментально.

Как показывает опыт, величины парциальных коэффициентов осаждения для многих типов циклонов вполне удовлетворительно аппроксимируются прямой линией в вероятностно-логарифмической системе координат. Это позволяет использовать функции нормального распределения при подсчете полного коэффициента осаждения.

Циклоны выбирают по расчетной производительности аппарата и расчетной скорости газа (воздуха) при входе в циклон с обеспечением необходимой эффективности очистки при минимальных энергетических затратах (т.е. при минимальном гидравлическом сопротивлении).

Общее гидравлическое сопротивление циклона равно где вх – коэффициент гидравлического сопротивления циклона; vвх – скорость потока во входном патрубке, м/с.

Общее гидравлическое сопротивление циклона определяют также по условной скорости газа (воздуха) в циклоне v0, отнесенной к площади свободного сечения цилиндрической части циклона где 0 - коэффициент гидравлического сопротивления циклона, отнесенный к скорости в полном сечении циклона; v0 – находится обычно в пределах 3…3,5 м/с.

Для большинства циклонных аппаратов коэффициент постоянен и не зависит от числа Re.

Значения коэффициентов гидравлического сопротивления ряда циклонов приведены в табл. 4.8.

Коэффициенты гидравлического сопротивления циклонов.

Тип цикло- Диаметр, Без улитки С улиткой на выхлопной В значение коэффициента гидравлического сопротивления циклонов НИИОГаза вносят поправки, учитывающие диаметр циклона и запыленность воздуха (газа) при входе в циклон: = K1.K2.табл,. где K1 - поправочный коэффициент на диаметр циклона (табл. 4.9); K2 - поправочный коэффициент на запыленность потока (табл.4.10); табл. - коэффициент местного сопротивления циклона по табл. 4.8.

Поправочный коэффициент K1 на диаметр циклона Поправочный коэффициент K2 на запыленность (D = 500 мм) Поправочный коэффициент K2, при запыленности г/м - расход газа (воздуха), подлежащего очистке при рабочих условиях, Vр, м /с;

- плотность газа при рабочих условиях г, кг/м3;

- динамическая вязкость газа при рабочей температуре г, Па.с;

- дисперсный состав пыли, который задается двумя параметрами: dm и lgч,: dm - такой размер пыли, при котором количество частиц крупнее dm равно количеству частиц мельче dm; lgч - среднее квадратическое отклонение в функции распределения частиц по размерам;

- запыленность газа Свх, г/м3;

- плотность частиц пыли ч, кг/м3;

- требуемая эффективность очистки газа, %.

Расчет циклонов выполняют в такой последовательности:

1. Задаются типом циклона. По табл. 4.11. определяют оптимальную скорость газа в аппарате vопт.

Параметры, определяющие эффективность циклонов Примечания:1. Значения d50т в таблице, соответствуют следующим условиям работы циклонов: средняя скорость газа в циклоне v = 3,5 м/с;

диаметр циклона D = 0,6 м; плотность частиц ч = 1930 кг/м3; динамическая вязкость газа г = 22,2.10-6 Па.с.

2. Определяют необходимую площадь сечения циклона, м2:

3. Определяют диаметр циклона, м, задаваясь количеством циклонов N:

Диаметр циклона округляют до стандартной величины.

4. Вычисляют действительную скорость газа в циклоне Скорость газа в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15 %.

5. Принимают по табл. 4.8. коэффициент гидравлического сопротивления для данного циклона. Для циклонов НИИОГаз вносят поправки по табл. 4.8-4.10.

6. Определяют потери давления в циклоне, Па, по формуле Если потери P приемлемы, переходят к определению эффективности очистки газа в циклоне.

7. Приняв по табл. 4.11. значения d50т и lg чт для табличных условий, определяют значения d50 при рабочих условиях (диаметре циклона, скорости потока, плотности пыли, динамической вязкости газа) по уравнению 8. Определяют параметр x по формуле 9. По табл. 4.1. определяют значение Ф(х), которое представляет собой эффективность очистки газа, выраженную в долях единицы. Полученное значение сравнивают с требуемым. Если оно меньше требуемого, принимают другой циклон и рассчитывают его.

Приближенное определение эффективности улавливания пыли в циклоне может быть выполнено с помощью номограммы, рис. 4.12., с учетом типа циклона, его диаметра, гидравлического сопротивления, среднего медианного размера пыли, ее плотности, температуры среды.

Пользование номограммой (рис. 4.12.) показано на примерах:

Рис. 4.12. Номограмма для определения эффективности циклона.

Пример 4.3. Определить гидравлическое сопротивление циклона СДКЦН-33 при следующих условиях: требуемая эффективность аппарата 75 %;

средний медианный размер пыли 8 мкм; плотность пыли 3000 кг/м3; диаметр циклона 1000 мм; температура очищаемого газа 400°С.

Точку на шкале в верхнем правом углу, выражающую сопротивление циклона, 1000 Па, соединяем с точкой 11, соответствующей циклону, и проводим прямую до пересечения с горизонтальной шкалой в правой средней части номограммы. Из точки пересечения проводим вертикальную линию до пересечения с линией, характеризующей температуру газа. Из точки пересечения - горизонтальную линию до пересечения с линией, выражающей диаметр циклона. Затем - вертикальную линию до пересечения с линией, характеризующей плотность пыли. После этого - горизонтальную линию до пересечения с линией, выражающей средний медианный размер частиц пыли. Вертикальная линия, проведенная из точки пересечения до шкалы эффективности, пересекается с ней в точке, характеризующей эффективность 85 %.

Пример 4.4. Определить, каким будет гидравлическое сопротивление циклона ВЦНИИОТ при следующих условиях: требуемая эффективность улавливания = 75 %; средний медианный размер пыли d50т = 8 мкм; плотность пыли = 3000 кг/м3; диаметр циклона 1000 мм, температура газа 400°С.

На горизонтальной шкале в левой части номограммы находим точку, соответствующую эффективности 75 %. Из этой точки проводим линию до пересечения с линией 50 = 8 мкм, затем до пересечения с линией = кг/м3; до линии Dц = 1000 мм; до линии t = 400°С. Из найденной точки поднимаемся до горизонтальной шкалы в правой части номограммы. Найденную точку соединяем с точкой 8, характеризующей циклон ВЦНИИОТ.

Продолжая линию до пересечения со шкалой сопротивлений циклона в верхнем правом углу, находим P 1500 Па.

Пример 4.5. Подобрать циклон для следующих условий: расход очищаемого воздуха V = 10000 м3/ч, температура воздуха t = 40oC, пыль с начальной концентрацией C1 = 10000 мг/м3, плотность пыли п = 2900 кг/м3, медианный диаметр частиц d50 = 15 мкм.

При t = 40oC плотность воздуха = 1,128 кг/м3, динамическая вязкость воздуха = 19,3.10-6 Па.с.

Решение.

1. Примем циклон ЦН-24, скорость воздуха в циклоне v0 = 4,5 м/с.

2. Площадь сечения циклона 3. Принимаем к установке один циклон, его диаметр согласно расчету:

Принимаем циклон с диаметром D = 0,9 м.

4. Действительная скорость воздуха в циклоне:

v0 = 1,27. V/(3600. D2) = 1,27.10000/(3600.0,92) = 4,36 м/с.

5. Действительная скорость воздуха отклоняется от оптимальной:

Принимаем, что выброс очищенного воздуха от одиночного циклона производится в атмосферу.

6. Определяем гидравлическое сопротивление циклона.

Коэффициент местного сопротивления циклона равен где K1 – коэффициент, зависящий от диаметра циклона (табл. 4.9); K2 – поправочный коэффициент на запыленность воздуха (табл. 4.10); 0табл – коэффициент местного сопротивления циклона, отнесенный к скорости в сечении циклона (табл. 4.8); K3 - коэффициент на способ компоновки для группы циклонов ЦН (табл. 4.12).

Гидравлическое сопротивление циклона равно:

Расчет последовательно установленных циклонов. В практике эксплуатации очистных устройств иногда применяют последовательную установку циклонов, различающихся по конструкции. Расчеты таких групп циклонов проще всего выполнять по величине парциального проскока через каждый аппарат.

Можно принять следующий порядок расчета:

1. Определяют значения d50 для каждого из установленных циклонов как для самостоятельно работающих по изложенной выше методике.

2. Для каждого из циклонов находят диаметры частиц, улавливаемых на 15,9%, по формуле:

3. В вероятностно-логарифмической системе координат наносят точки d15,9 и d50 и проводят через них прямые, получая тем самым линии парциальных проскоков через каждый циклон.

4. Определяют величины парциальных проскоков j через все циклоны перемножением парциальных проскоков i через каждый циклон:

где N - количество последовательных циклонов.

5. Полученные значения j наносят на график, аппроксимируют точки прямой линией, находят по ней значения D50 и lg.

6. По уравнению (4.38) находят значение х, а из таблицы 4.1 - Ф(х), которое считают равным полному коэффициенту очистки газов, последовательно прошедших через все циклоны.

Последовательная установка однотипных циклонов не практикуется, хотя имеются сведения об успешном опыте применения и такого способа сепарации.

Расчет групповых и батарейных циклонов. Расчеты циклонов, работающих параллельно в групповой установке, выполняют так же, как и индивидуальных. Ухудшение степени очистки из-за неравномерности распределения потоков и перетоков пыли из одного циклона в другой через общий бункер во внимание не принимается.

Расчеты батарейных циклонов выполняют в следующем порядке.

1. Задаются оптимальной скоростью потока wопт в пределах 3,5...5 м/с. Нижний предел лимитируется опасностью забивания направляющего аппарата, верхний интенсификацией абразивного износа элементов и уноса пыли.

2. Рассчитывают расход газа через один элемент V1:

Диаметр циклонного элемента D обычно принимают в пределах 250 мм.

Дальнейшее уменьшение диаметра не приводит к увеличению степени очистки.

3. Определяют количество элементов:

4. Принимают типовую конструкцию батарейного циклона с близкой пропускной способностью и числом элементов таким образом, чтобы скорость в отдельном элементе не выходила за пределы оптимальных значений.

5. По уточненной скорости потока в элементе определяют аэродинамическое сопротивление циклона P :

Коэффициент гидравлического сопротивления принимают по опытным данным.

6. Коэффициент очистки газа в элементе циклона 1 определяют по методике расчета индивидуального циклона, используя опытные значения d50 и lg принятого типа элемента. Коэффициент очистки газа в батарейном циклоне при большом количестве элементов может быть ниже на 20...25%, чем в одиночном элементе, что обязательно следует учитывать при выборе средств очистки.

Пример 4.6. Рассчитать степень очистки в циклонном сепараторе продуктов сгорания угля. Характеристика золы: dm = 20 мкм; =3,0; ч = 2240 кг/м3; плотность дымовых газов в нормальных условиях 0 = 1,31 кг/м3, динамическая вязкость в рабочих условиях для газовой смеси = 6,55.10-6 Па.с. Расход газаносителя 10000 м3/ч (2,78 м3/с), зольность 42 г/м3, температура 140°С.

Расчеты характеристик осаждения золы в индивидуальном циклоне выполняем в следующем порядке.

1. Задаемся типом циклона. Принимаем к расчету возвратно-поточный циклон типа ЦН-11. По таблице 4.11 принимаем величину оптимальной скорости потока в циклоне wопт = 3,5 м/с.

Подсчитываем скорость потока в циклоне с диаметром 1000 мм (формула 4.35):

2. Подбираем значения 500, K1, K2, K3 для циклона ЦН-11, работающего на выхлоп в атмосферу, по таблицам 4.9, 4.10 и 4.12 и определяем коэффициент гидравлического сопротивления циклона (формула 4.39):

Примечание. Значения отнесены к средней скорости газового потока в аппарате и определены для циклонов ЦН, СДК-ЦН, СК-ЦН при D = 500 мм, v = 3 м/с.

Поправочный коэффициент K3 на способ компоновки группы к каждому циклону щей камеры циклона 3. Вычисляем диаметр циклона (формула 4.34):

Принимаем стандартный диаметр циклона D = 1000 мм.

4. Вычисляем плотность дымовых газов в рабочих условиях г:

Определяем потери давления в циклоне (формула 4.36):

Величина потерь давления достаточно высока, однако может быть обеспечена дымососами обычных марок, устанавливаемых в котельных.

5. Из таблицы 4.11. находим значение d50 = 3,65 мкм для циклона ЦН- диаметром Dт = 600 мм при табличной плотности частиц 1930 кг/м3 и вязкости газа-носителя 22,2.10-6 Па.с, а также величину lg = 0,352.

Пересчитаем значение d50 при рабочих условиях пo формуле (4.37):

Определяем параметр осаждения:

6. Находим по таблице 4.1 значение интеграла вероятности Ф(х) = 0,941 и приравниваем к нему величину коэффициента очистки = 94,1 %.

Такой результат позволяет использовать циклон только для предварительной очистки дымовых газов заданного состава, поскольку в этом случае достигается низкое качество очистки, что подтверждается расчетом валового выброса загрязнителя в атмосферу после циклона. При заданных условиях (содержание золы 42 г/м3, количество дымовых газов 10000 м3/ч) суточный выброс золы после циклона составит:

7. Попытаемся увеличить коэффициент очистки, выбрав циклон с более высоким сопротивлением. Чтобы суточный выброс золы от одного парогенератора не превосходил 100 кг, коэффициент очистки должен быть не ниже 99%. Вычислим требуемую для этого величину коэффициента сопротивления:

Отечественной промышленностью такие циклоны серийно не выпускаются. Их сопротивление на порядок превысило бы возможности тягодутьевых установок типовых котельных. Следовательно, для заданных условий циклон неприемлем как индивидуальное средство очистки и может служить лишь в качестве первой ступени перед аппаратами тонкой очистки.

Пример 4.7. Рассчитать степень очистки в батарейном циклоне дымовых газов котлоагрегата из трех котлов при температуре 170оС, динамической вязкости газа в рабочих условиях = 5,63.10-6 Па.с расходе газа V = 130000м3/ч и остальных условиях примера 4.6.

Расчеты выполняем в следующем порядке.

1. Принимаем значение оптимальной скорости 2. Определяем расход газа через один циклонный элемент, принимая 3. Определяем количество элементов:

4. Выбираем два батарейных циклона типа ЦБ-254Р, составленных из возвратно-поточных элементов с направляющими типа "розетка". При выборе типа циклона, кроме его соответствия по количеству элементов, принималась во внимание и возможность работы при температуре среды выше 1500С. Зола, образующаяся при сгорании бурых углей, не слипающаяся, что допускает использование направляющих типа "розетка".

Проверяем скорость потока через 1 элемент:

что близко к оптимальной скорости (4,5 м/с) для выбранного типа батарейного циклона.

5. Принимаем по таблице 4.6 коэффициент гидравлического сопротивления элемента = 90 и вычисляем плотность дымовых газов в рабочих условиях (при 170°С) г:

Определяем потери давления в циклоне:

Величина потери давления в циклоне приемлема для тягодутьевых устройств типовых котельных.

6. Принимаем по таблице 4.13 значения d50 = 3,85 мкм и lg = 0,46 для элемента типа "розетка" с углом наклона завихрителей 25°.

Примечание: значения d50 получены для элементов типа "розетка" и "Энергоуголь" при скорости потока 4,5 м/с, динамической вязкости газов 23,7.10-6 Па.с, плотности частиц 2200 кг/м3, а для прямоточных элементов при скорости потока 12 м/с, динамической вязкости газа 18,8.10-6 Па.с плотности частиц 2200 кг/м3 и рециркуляции из бункера до 10% от расхода подаваемого газа.

Пересчитываем значение d50 при рабочих условиях:

Подсчитываем параметр осаждения х и находим соответствующее ему значение интеграла вероятности Ф(х):

Следовательно, расчетная степень очистки = 97,05%.

Учитывая, что результат получен при условии равенства степени очистки газов в батарейном циклоне коэффициенту осаждения одиночного элемента, а реальный проскок выше в 5...6 раз, следует сделать вывод, что батарейные циклоны могут применяться лишь для предварительной очистки дымовых газов заданного состава.

Вихревые пылеуловители появились в промышленности в 50-х годах, но тем не менее они успели получить значительное распространение. В вихревом пылеуловителе, как и в циклоне, сепарация пыли основана на использовании центробежных сил. Основным их отличием от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока.

Применяют два вида вихревых пылеуловителей: сопловые (рис. 4.13, а) и лопаточные (рис. 4.13, б).

В аппарате того и другого типа запыленный газ поступает в камеру через входной патрубок с завихрителем типа «розетка» и обтекателем. В кольцевом пространстве между корпусом аппарата и входным патрубком расположена подпорная шайба, которая обеспечивает безвозвратный спуск пыли в бункер.

Рис. 4.13. Вихревые пылеуловители соплового (а) и лопаточного (б) типов:

1 - камера; 2 - лопаточный завихритель; 3 - подпорная шайба; 4 - сопла;

В вихревом аппарате соплового типа (рис. 4.13, а) запыленный поток закручивается лопаточным завихрителем и двигается вверх, подвергаясь при этом воздействию вытекающих из тангенциально расположенных сопел струй вторичного газового потока. Под действием центробежных сил взвешенные в потоке частицы отбрасываются к периферии, а оттуда - в возбуждаемый струями вихревой поток вторичного газа, направляющий их вниз в кольцевое межтрубное пространство. Вторичный обтекания потока очищаемого газа постепенно полностью проникает газовый поток в ходе в него. Обтекатель направляет поток газа к периферии. Пылевые частицы за счет воздействия центробежных сил перемещаются из центральной части потока к периферии.

Далее процесс в аппаратах двух видов несколько отличается. В сопловом аппарате на запыленный поток воздействуют струи вторичного воздуха (газа), выходящие из сопел, расположенных тангенциально. Поток переходит во вращательное движение.

Отброшенные под действием центробежных сил к стенкам аппарата пылевые частицы захватываются спиральным потоком вторичного воздуха (газа) и вместе с ним движутся вниз в бункер. Здесь частицы пыли выделяются из потока, а очищенный воздух (газ) снова поступает на очистку, Сопла для подачи вторичного воздуха нужно расположить по нисходящей спирали. Оптимальной явилась установка 8 сопел диаметром 11 мм двумя спиральными рядами под углом наклона 30°. В качестве оптимальной рекомендуется установка лопаток завихрителя под углом 30°…40° при отношении диаметра завихрителя к диаметру аппарата, равном 0,8…0,9.

Вихревой пылеуловитель лопаточного типа (рис. 3.13, б) отличается тем, что вторичный поток вводится в верхней части аппарата через завихритель. В аппарате лопаточного типа вторичный воздух, отобранный с периферии очищенного потока, подается кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопатками. По основным показателям аппараты лопаточного типа оказались более эффективными: при одинаковом диаметре камеры - 200 мм и производительности 330 м3/ч гидравлическое сопротивление соплового аппарата составило 3,7.103 Па, эффективность 96,5 %, а лопаточного - соответственно 2,8.103 Па и 98% (при улавливании особо мелкодисперсной пыли).

Применяют следующие способы подведения к вихревому пылеуловителю воздуха, необходимого для закручивания обеспыливаемого потока:

из окружающей среды, из очищенного потока, из запыленного потока.

Первый вариант целесообразен, если очистке подвергается горячий газ, который необходимо охладить. Применяя второй вариант, можно несколько повысить эффективность очистки, так как для использования в качестве вторичного воздуха отбирают периферийную часть потока очищенного воздуха с наибольшим содержанием остаточной пыли. Третий вариант наиболее экономичен: производительность установки повышается на 40…65 % с сохранением эффективности очистки.

Производительность вихревого пылеуловителя по газам можно менять в пределах от 0,5 до 1,15 по отношению к номинальной. Это объясняется решающим влиянием на эффективность очистки параметров вторичного потока, при сохранении которых остается неизменной окружная скорость закручивания потока запыленных газов и соответственно центробежная сила, действующая на частицы пыли.

Вихревой пылеуловитель может применяться для очистки вентиляционных и технологических выбросов от мелкодисперсной пыли в химической, нефтехимической, пищевой, горнорудной и других отраслях промышленности. В вихревых пылеуловителях достигается весьма высокая для аппаратов, основанных на использовании центробежных сил, эффективность очистки – 98…99 % и выше. На эффективность очистки оказывает незначительное влияние изменение нагрузки (в пределах от 50 до %) и содержания пыли в очищаемом воздухе (газе) - от 1 до 500 г/м3. Аппарат может применяться для очистки газов с температурой до 700°С. В вихревом пылеуловителе не наблюдается износа внутренних стенок аппарата, что связано с особенностями его воздушного режима. Аппарат более компактен, чем другие пылеуловители, предназначенные для сухой очистки выбросов.

Степень очистки в вихревых пылеуловителях значительно выше, чем в сухих циклонах, и может достигать значений, характерных для мокрых циклонов. Эффективность вихревых пылеуловителей при очистке воздуха (газа) от ряда пылей и пылевидных материалов, имеющих различный медианный диаметр частиц, характеризуют следующие данные (табл. 4.14).

Пыль или пылевидный ма- Медианный Эффективтериал диаметр час- ность пылетиц, мкм улавливания, За рубежом вихревые пылеуловители изготовляются на производительность от 330 до 30000 м3/ч очищаемого газа (воздуха). Одиночные аппараты при необходимости можно сгруппировать на требуемую производительность. Известны установки с производительностью более м3/ч. Имея высокую эффективность очистки, установки вихревых пылеуловителей успешно конкурируют с электрическими и тканевыми пылеуловителями.

Пылеуловитель выбирают, исходя из расхода запыленного газа, по которому можно рассчитать диаметр аппарата:

где Vг - объемный расход запыленного газа, м /с; г - скорость газа в рабочей зоне пылеуловителя, м/с (рекомендуется принимать в пределах 5… м/с).

Критический диаметр частиц, полностью улавливаемых в пылеуловителе, может быть рассчитан по одной из зависимостей:

где Н — высота пылеулавливающей камеры, м; Dтр - диаметр патрубка для подвода запыленного газа, м; - угловая скорость газового потока в аппас-1;

рате, s - число оборотов потока газа в пылеуловителе, = 1 2 R H (V1 + V2 ) - время пребывания газа в ядре потока, с; R1 - радиус ядра потока, принимаемый равным радиусу ввода первичного потока, м;

V1,V2 - объемный расход первичного и вторичного потоков газа, м /c.

Эффективность пылеулавливания (в %) является основным критерием, по которому оценивается работа вихревого пылеуловителя, и определяется как отношение количества уловленной пыли к общему количеству пыли, поступающему в аппарат:

Так как запыленный газ в пылеуловитель может подаваться двумя потоками - через верхний и нижний подводящие патрубки, то общая эффективность очистки будет определяться в зависимости от распределения потоков по вводам:

где 1, 2 - эффективность пылеулавливания в первичном и вторичном потоках газа.

Величины 1 и 2 (в %) могут быть рассчитаны по зависимостям:

где D1п - диаметр ввода первичного потока; Dвт - диаметр втулки аксиального завихрителя; r1i r2i - радиус, на котором частица входит в аппарат с потоками газа; Da - диаметр аппарата; D2п - внутренний диаметр вторичного потока.

Гидравлическое сопротивление вихревых пылеуловителей рассчитывают по зависимости, аналогичной применяемой для расчета циклонов:

где г - скорость газа в рабочей зоне аппарата, м/с; пу - коэффициент гидравлического сопротивления, рассчитываемый по скорости г.

Пример 4.9. Определить конструктивные размеры, гидравлическое сопротивление и эффективность очистки пыли в вихревом пылеуловителе при следующих исходных данных:

Производительность по запыленному воздуху, м3/ч Температура воздуха, поступающего на очистку, °С Дисперсный состав пыли:

Определяем геометрические размеры аппарата. Диаметр вихревого пылеуловителя Принимаем диаметр аппарата D = 0,3 м.

Действительная скорость газа в аппарате:

Определяем значения коэффициентов 1 и 2, задаваясь коэффициентом = F2 F1 = 2 и коэффициентом = v v1 = 0,5 (где F1, F2 - проходные сечения патрубков верхнего и нижнего потоков, v1 - скорость газа в верхнем патрубке):

Диаметр ввода нижнего потока:

Диаметр патрубка вывода очищенного воздуха:

Высота рабочей зоны аппарата:

Примем высоту H р. з. = 1 м.

Диаметр отбойной шайбы Площадь ввода верхнего и нижнего потоков:

Фактическое соотношение величины :

Так как для промышленных аппаратов значение должно быть в пределах 2…4, то коррекцию геометрических размеров аппарата проводить не следует.

Диаметр вытеснителя:

Лопатки завихрителей нижнего и верхнего потоков рекомендуют установить под углом = 30° к горизонту.

Рассчитаем потери давления в аппарате.

Конструктивный параметр интенсивности крутки потока:

(8.0,123 / 3.3,14)[(0,123 0,033 ) /(0,122 0,032 )]tg 300 = 0,545.

Коэффициент гидравлического сопротивления нижнего потока:

Коэффициент гидравлического сопротивления верхнего потока Общий коэффициент гидравлического сопротивления:

Гидравлическое сопротивление аппарата Рассчитаем эффективность пылеулавливания.

Площадь ввода нижнего потока разбиваем на кольцевые участки с радиусами r1i = 0,02; 0,035; 0,055.

Значения эмпирических коэффициентов а и b, характеризующих аэродинамику аппарата.

Радиус разделения потоков:

Рассчитаем поправочный коэффициент для определения минимального диаметра улавливаемых частиц для r11 = 0,015 м:

Рассчитаем минимальный диаметр улавливаемых частиц, вылетающих с радиуса r11 = 0,015 м:

Аналогично рассчитываем K1i и d1i для радиусов: r1i = 0,02 м;

r1i = 0,035 м; r1i = 0,055 м.

Рассчитываем фракционную эффективность улавливания частиц, поступающих в пылеуловитель с нижним потоком и вылетающих с радиуса r11 = 0,015 м:

Аналогично проводим расчет для радиусов r12 = 0,02 м; r13 = 0,035 м;

r14 = 0,055 м.

Результаты расчетов представлены ниже:

Определяем поправочный коэффициент для расчета минимального диаметра улавливаемых частиц. Ввод верхнего потока разбиваем на кольцевые участки с радиусами r2i = 0,11; 0,12, 0,13, 0,14.

Рассчитываем минимальный диаметр улавливаемых частиц, вылетающих с радиуса r2i = 0,11 м:

Аналогично рассчитываем значения K 2i и d 2i для радиусов r2i = 0,12;

0,13; 0,14.

Определяем фракционную эффективность пылеулавливания частиц, поступающих в пылеуловитель с верхним потоком для r2i =0,11 м:

Аналогично рассчитываем эффективность пылеулавливания частиц, вылетающих с радиусов r2i = 0,12; 0,13; 0,14 м. Результаты расчетов представлены ниже:

Анализ полученных данных показывает, что частицы размером более 3,210-6 м полностью улавливаются в пылеуловителе. С целью определения общей эффективности пылеулавливания приведем дополнительный анализ фракции 0…5 мкм Распределение выглядит следующим образом: 0…2 мкм - 3 %, 2…4 мкм - 3 %, 4…5 мкм - 7 %.

Общая эффективность пылеулавливания аппарата:

- для нижнего потока - для верхнего потока - общая эффективность В фильтрационных сепараторах очистка воздуха (газа) от аэрозольных загрязнений (пыли, сажи, капельной влаги) происходит при прохождении загрязненного потока через слой пористого материала. В качестве фильтрующего слоя используют ткани, кокс, гравий и др.

Фильтрация диспергационных и конденсационных аэрозолей в пористой среде обеспечивает высокую степень осаждения взвешенных частиц с любыми размерами, вплоть до близких к молекулярным. Дисперсная примесь улавливается при огибании потоком аэрозоля препятствий, образованных на его пути структурными элементами пористого слоя.

Процесс фильтрации основан на многих физических явлениях (эффект зацепления, в том числе ситовый эффект, - аэрозольные частицы задерживаются в порах и каналах, имеющих сечение меньше, чем размеры частиц;

действие сил инерции - при изменении направления движения запыленного потока частицы отклоняются от этого направления и осаждаются; броуновское движение - в значительной мере определяет перемещение высокодисперсных субмикронных частиц; действие гравитационных сил, электростатических сил - аэрозольные частицы и материал фильтра могут иметь электрические заряды или быть нейтральными).

Существенными для фильтрации считаются следующие механизмы осаждения частиц на препятствиях: касание (зацепление), отсеивание (отсев, ситовой эффект), инерционный захват, гравитационное и диффузионное осаждение, электростатическое взаимодействие. Доля вклада каждого из них может изменяться от 0 до 1 в зависимости от условий, в которых происходит осаждение.

Перечисленные факторы указывают причину приближения частиц к препятствию на расстояние, при котором становится возможным их осаждение, то есть отделение от газовой фазы. Само же отделение происходит в случае удержания частиц на структурном элементе пористой среды силами межмолекулярных (вандерваальсовых, квантовых электрических) или химических связей.

Общим способом взаимодействия частиц с препятствием для всех разновидностей пористых сред является касание, т.е. когда препятствием будут уловлены (захвачены) и удержаны все частицы, которые могут его задеть (коснуться, зацепить). Поэтому частицы, проходящие от препятствия на расстоянии меньше своего радиуса, считаются осажденными за счет касания.

В процессе фильтрации практически всегда происходят отсеивание и инерционный захват частиц. Ситовой эффект определяет степень осаждения частиц, которые по размерам не проходят сквозь поры. Он приобретает одно из определяющих значений после осаждения на структурных элементах фильтра первичного слоя улавливаемых частиц (автослоя), который уменьшает размеры пор и выполняет в дальнейшем функции фильтрующей среды.

Массивные частицы вследствие инерции не могут огибать препятствие вместе с газовым потоком. Сойдя с линии тока, частицы могут столкнуться с препятствием или зацепить его. При фильтрации за счет инерционного захвата осаждаются частицы размером более 1 мкм.

Гравитация, диффузия и электростатические силы оказывают влияние на осаждение частиц только в определенных условиях. Гравитационное осаждение может быть заметно, если в фильтрующей среде возможно образование застойных зон, например, в круглых порах и полостях.

Частицы размером менее 0,1 мкм могут приблизиться к препятствию, совершая хаотичные перемещения (диффундируя) под воздействием броуновского движения молекул. Доля диффузионного осаждения в улавливании более крупных частиц незначительна.

Электростатические силы проявляются при взаимодействии носителей зарядов. Частицы загрязнителей и элементы пористой среды обычно имеют небольшое число зарядов, приобретенных естественным путем (при диспергации компактных объектов, трении движущихся частиц, адсорбции газовых ионов), но сила их взаимодействия невелика. Необходимость учета электростатического взаимодействия возникает только при искусственной зарядке фильтрующего материала и частиц.

Большинство фильтров обладает высокой эффективностью очистки.

Фильтры применяют как при высокой, так и при низкой температуре очищаемой среды, при различной концентрации в воздухе взвешенных частиц.

Соответствующим подбором фильтровальных материалов и режима очистки можно достичь требуемой эффективности очистки в фильтре практически во всех необходимых случаях.

Обладая многими положительными качествами, фильтрующие устройства в то же время не лишены недостатков: стоимость очистки в фильтрах выше, чем в большинстве других пылеуловителей, в частности, в циклонах. Это объясняется большей конструктивной сложностью фильтров по сравнению с другими аппаратами, большим расходом электроэнергии. Многие конструкции фильтрационных пылеуловителей более сложны в эксплуатации и требуют квалифицированного обслуживания.

По типу структурных элементов пористого слоя различают волокнистые, тканевые и зернистые фильтры. В волокнистых фильтрах осаждение взвешенных частиц происходит на слоях волокон, удерживаемых конструкциями в виде прямоугольных рам, колец и др.

В волокнистых фильтрах фильтрующий слой образован относительно равномерно распределенными тонкими волокнами фильтрующих материалов. Эти фильтры предназначены для улавливания частиц мелкодисперсной и особо мелкодисперсной пыли при ее концентрации в очищаемом воздухе (газе) в пределах 0,5…5 мг/м3.

Волокнистые фильтры могут быть подразделены на тонковолокнистые, глубокие и грубоволокнистые фильтры.

Тонковолокнистые фильтры имеют диаметры волокон менее 5 мкм и используются для улавливания высокодисперсной пыли и других аэрозольных частиц размером 0,05… 0,1 мкм с эффективностью по субмикронным частицам не менее 99 %. В качестве фильтровального материала используется ФП (фильтр Петрянова).

Фильтры с материалом ФП часто используются для улавливания опасных (высокотоксичных, радиоактивных, бактериологически зараженных и др.) аэрозолей с последующим уничтожением или захоронением.

Удельный расход обрабатываемых газов на один квадратный метр поверхности фильтра имеет размерность скорости. Эта величина является характеристикой удельной нагрузки, а не скорости.

Удельная нагрузка Wsf * на фильтры подобного типа находится в пределах 0,01...0,1 м3/(м2с), сопротивление чистых фильтров - в пределах 200... Па, отработавших- 700...1500 Па. Фильтры предназначены для длительной работы (от нескольких месяцев до нескольких лет) при невысоком содержании дисперсной примеси (до 0,5 мг/м3) с последующей заменой, поскольку регенерация отработанных фильтров невозможна.

Характеристики фильтров тонкой очистки, используемых для обработки технологических газов, приведены в таблице 5.1.

Для тонкой очистки газовых выбросов, когда температура очищаемой среды выше 60 оС и в ней находятся вещества, разрушающие материалы ФП (при наличии в обрабатываемых газах веществ, агрессивных по отношению к перхлорвинилу, ацетилцеллюлозе, полиакрилонитрилу) применяют фильтры ПФТС, снаряженные стекловолокном (рис. 5.1). Производительность фильтров 200…1500 м3/ч, сопротивление 200…1000 Па.

Рис. 5.1. Фильтр ПФТС-500: 1 — каркас; 2 — фильтрующий пакет.

Основного недостатка тонковолокнистых фильтров (короткий срок службы фильтрующего слоя из-за неприменимости регенерации) лишены глубокие фильтры (фильтры долговременного пользования). Первый слой фильтра на пути движения очищаемой среды состоит из грубых волокон, последний слой - из тонких. Диаметр грубых волокон 8…19 мкм. Фильтры имеют высоту фильтрующего слоя от 0,3 до 2 м и рассчитаны на работу при давлении до 0,3 МПа. Фильтр применяется в системах стерилизации воздуха в производстве антибиотиков, витаминов и других био- и медицинских препаратов. Они могут применяться и для тонкой очистки некоторых видов технологических газовых выбросов. Фильтр периодически стерилизуют острым паром, затем просушивают сухим воздухом. Они рассчитаны на срок службы 10…20 лет.

Грубоволокнистые фильтры. Эти фильтры называют также предфильтрами, так как их устанавливают перед тонковолокнистыми фильтрами для предварительной очистки воздуха (газов). Благодаря этому снижается стоимость очистки, поскольку стоимость грубоволокнистых фильтров почти в 10 раз ниже тонковолокнистых, их легче заменять или регенерировать. Фильтровальный материал предфильтра состоит из смеси волокон диаметром от 1 до 20 мкм. Фильтр марки ФГ показан на рис. 5.2. Грубоволокнистые фильтры отличаются низким начальным сопротивлением (порядка 100 Па) и высокой пылеемкостью. При удельной нагрузке 0,05...1 м3/(м2с) фильтры должны полностью улавливать частицы крупнее 1 мкм.

1 - форкамера; 2 - входное отверстие; 3 - корпус; 4 - выходное отверстие;

5 - уплотнительное кольцо; 6 - фильтрующий элемент.

Широко распространены тканевые фильтры. Рукавные тканевые фильтры применяются для очистки больших объемов воздуха (газов) со значительной концентрацией пыли. Фильтрующими элементами в этих аппаратах являются рукава из специальной фильтровальной ткани.

Рукавные фильтры обеспечивают тонкую очистку воздуха от пылевых частиц, имеющих размер менее 1 мкм. Наряду с циклонами рукавные фильтры являются одним из основных видов пылеулавливающего оборудования и широко применяются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической промышленности, промышленности строительных материалов, пищевой промышленности, в энергетических установках и др.

Известны всасывающие и нагнетательные рукавные фильтры.

Всасывающие фильтры устанавливаются до вентилятора, т. е. на его всасывающей линии. Нагнетательные рукавные фильтры устанавливаются на нагнетательной линии. Воздух, очищенный в рукавах нагнетательных фильтров, поступает непосредственно в помещение, где установлены фильтры. Недостатком нагнетательных фильтров, из-за которого не может быть рекомендовано их применение, является поступление воздуха после фильтров в помещение. При наличии неплотностей в рукавах происходит выбивание пыли в помещение. Запыленный воздух проходит через вентилятор, что вызывает более быстрый износ вентилятора, а при перемещении воздуха, содержащего пожаро- и взрывоопасную пыль, это недопустимо.

Недостатком всасывающих фильтров является наличие значительных подсосов воздуха.

В эксплуатации находятся многие конструкции рукавных фильтров, отличающиеся формой корпуса, диаметром и длиной рукавов, видом применяемой фильтровальной ткани, способом регенерации и др.

В настоящее время выпускается и эксплуатируется множество разнообразных конструкций тканевых фильтров. По форме фильтровальных элементов и тканей они могут быть рукавные и плоские (полотняные), по виду опорных устройств - каркасные, рамные и т.д., по наличию корпуса и его форме цилиндрические, прямоугольные, открытые (бескамерные), по числу секций одно- и многосекционные. Фильтры могут также различаться по способу регенерации и ряду других признаков.

В тканевых фильтрах применяются тканые или валяные материалы, выполняющие роль подложки для фильтрующей среды, которой является первичный слой уловленной пыли. Ткани для фильтров изготавливают из натуральных, или синтетических волокон диаметром 10...30 мкм, скручиваемых в нити диаметром около 0,5 мм. Размеры пор между нитями обычно составляют 100... мкм.

Эффективность очистки воздуха (газов) в рукавных пылеуловителях в основном зависит от свойств фильтровальной ткани, из которой изготовлены рукава аппарата, а также от того, в какой мере эти свойства соответствуют свойствам очищаемой среды и взвешенных в ней частиц.

При прохождении запыленного воздуха (газа) через ткань пылевые частицы задерживаются между нитями и ворсом. Сетка образуется нитями основы и утка и дополнительно переплетается ворсинками. Наличие ворса повышает эффективность фильтрации.

Ворс должен быть обращен навстречу запыленному потоку. При движении запыленного потока воздух прижимает ворсинки к ткани. При обратной продувке происходит выпучивание ворсинок, и накопившиеся пылевые частицы удаляются (рис. 5.3). Если же ворс будет направлен в противоположную сторону, то количество задержанной пыли уменьшается, поскольку происходит выпучивание ворсинок. Затрудняется и регенерация, так как ворсинки прижимаются к нитям и препятствуют отделению пыли от ткани.

Чистая ткань не обеспечивает необходимую эффективность очистки.

После регенерации на ткани остается некоторый слой пыли. После нескольких циклов (запыление - регенерация и т. д.) ткань приобретает рабочее состояние.

Рис. 5.3. Положение ворса фильтрованной ткани при различных режимах работы: а - рабочее положение ворса: 1 - нить ткани; 2 - нить ворса;

3 - частицы пыли; б - пылевой пробой ткани; в - обратная продувка.

В ней создается остаточный слой пыли, который вместе с тканью образует фильтрующий слой. В процессе фильтрации этот слой увеличивается. После очередной регенерации он уменьшается до остаточной величины. Обычно после нескольких циклов запыления и регенерации сопротивление ткани стабилизируется. Однако в некоторых случаях сопротивление ткани непрерывно растет. Это происходит при застревании в волокнах ткани пылевых частиц, а также при конденсации влаги на поверхности, замасливании ткани и т. д., в результате чего уменьшается сечение пор.

Фильтровальные ткани должны обладать рядом положительных свойств: обеспечивать эффективную очистку, допускать достаточную воздушную нагрузку, обладать необходимой пылеемкостью, способностью к регенерации, высокой долговечностью, стойкостью к истиранию и другим механическим воздействиям, низкой гигроскопичностью, невысокой стоимостью. К ткани могут быть предъявлены дополнительные требования, обусловленные свойствами очищаемой среды: стойкость к определенным химическим веществам и высокой температуре.

Наибольшее распространение получили фильтры с гибкими фильтрующими перегородками.

В фильтровальных тканях применяются следующие виды волокон: естественные волокна животного и растительного происхождения (шерстяные, льняные, хлопчатобумажные, шелковые); искусственные органические (лавсан, нитрон, капрон, хлорин и др.); естественные минеральные (асбест); искусственные неорганические (стеклоткань, металлоткань).

Данные о свойствах волокон приведены в табл. 5.2.

Основные свойства текстильных волокон, применяемых лонитрил хлорид хлорин, рафторэ- пласт, тилен полифен силикат- волокно ное стекло Условные обозначения: ОХ – очень хорошая; X – хорошая;

Стойкость в Горю- Прочность Разрыв- Стойкость Влагоемкость, %, средах честь на разрыв, ное уд- к истира- при 20°С щие ри- агенты тели У - удовлетворительная; П - плохая; ОП - очень плохая.

В основе выбора материала фильтрующей перегородки лежат следующие показатели: термостойкость, химическая стойкость, воздухопроницаемость, разрывная нагрузка, изгибоустойчивость, а также возможная степень очистки.

Хлопковое волокно на 94…95 % состоит из целлюлозы, оно гигроскопично. При относительной влажности воздуха 65 % это волокно поглощает до 8 % влаги, при влажности 93…94 % - 25 % влаги. При нагревании до 120…130°С заметных последствий не наблюдается, при более высокой температуре происходит разрушение волокна. Слабые растворы едкой щелочи (0,5…5%-ные) не оказывают существенного влияния на хлопковое волокно, при более сильных растворах происходит его разрушение. Многие кислоты действуют на хлопковое волокно разрушающе. Так, 1,5%-ная соляная кислота при температуре 90…100°С разрушает волокно в течение 1 ч. Так же действуют азотная и серная кислоты.