Конструкции и особенности расчетов мокрых пылеуловителей

Пылеуловители с промывкой газов

В зависимости от способа диспергирования жидкости пылеуловители этого типа делят на три группы:

1. форсуночные скрубберы, где диспергирование жидкости осуществляется с помощью форсунок за счет энергии орошающей жидкости;

2. скрубберы Вентури, в которых дробление жидкости происходит за счет энергии турбулентного потока;

3. динамические газопромыватели, где разбрызгивание жидкости происходит за счет механической энергии вращающегося ротора. Вследствие значительного расхода энергии и сложности эксплуатации применяются редко

Форсуночные скрубберы

Форсуночный скруббер представляет собой цилиндрический аппарат, в верхней части которого размещено несколько поясов орошения, как правило 3-4 пояса, с большим количеством форсунок, равномерно располагаемых по поперечному сечению аппарата, создающих равномерный поток капель. Нижняя часть скруббера, оканчивающаяся конусом, заполнена водой, уровень которой поддерживается постоянным. Подводимый в нижнюю часть корпуса, запыленный газ направляют на зеркало воды для осаждения наиболее крупных частиц пыли, после чего, распределяясь по всему сечению скруббера, газ движется вверх навстречу потоку капель и удаляется из аппарата через патрубок расположенный выше поясов орошения. В процессе промывки капли жидкости захватывают частицы пыли и коагулируют. Образовавшийся шлам собирается в нижней части скруббера, откуда непрерывно удаляется.

Форсуночные скрубберы нашли широкое применение в металлургии, преимущественно для охлаждения и увлажнения газов, необходимых для последующей тонкой очистки газов. Как самостоятельный аппарат форсуночный скруббер относится к аппаратам полутонкой очистки и может использоваться для очистки газов от пыли с размером частиц более 10-15 мкм с эффективностью 70-80 %. Частицы пыли размером менее 5 мкм в скрубберах практически не улавливаются.

При выборе и расчете форсуночных скрубберов следует ориентироваться на следующие характеристики:

- Оптимальная скорость газов в скруббере - w_скр = 0,8-1,5 м/с;

- Удельный расход орошающей жидкости на скруббер - m= 6 дм³/м³ газа;

- Гидравлическое сопротивление скруббера не превышает 250 Па;

- Возможное охлаждение газа до 40-50 °С.

В процессе проведения расчетов геометрических размеров скрубберов необходимо учитывать тепло- и массообменные процессы протекающие в аппарате.

Количество тепла Q, передаваемое в скруббере от газа воде, пренебрегая потерями тепла, может быть рассчитано из выражения:

, кВт, (4.11)

где V_ос - объемный расход сухих газов, м³/с; с_р - теплоемкость сухих газов при постоянном давлении, кДж/(м³×°С); Т₁ и Т₂ - соответственно начальная и конечная температуры газа, °С; d₁ - начальное влагосодержание газа, кг/кг; i₁ и i₂ - начальная и конечная энтальпии водяных паров, кДж/м³, которые находят из выражений:

i₁ = (2480+1,96 Т₁); i₂ = (2480+1,96 Т₂). (4.12)

Необходимый расход воды М_в на скруббер находят по формуле:

, (4.13)

где j - коэффициент испарения воды (обычно j» 0,5); i_п - энтальпия насыщенного пара при температуре Т₂, кДж/кг; i_н, i_к – начальная и конечная энтальпии воды, кДж/кг.

Объем скруббера V_скр определяют, исходя из уравнения теплопередачи, по формуле:

, м³, (4.14)

где DТ_ср - средняя разность температур обменивающихся теплом сред, К, определяется по формуле (4.2)); К_о - коэффициент теплопередачи, Вт/(м³×К).

Для определения коэффициента теплопередачи при приближенных расчетах можно использовать эмпирическое выражение:

К_о =(116,5+525× М_ж / М_г)×(1+0,001× Т_ср), Вт/(м³×К), (4.15)

где М_ж и М_г - массовые расходы жидкости и газа, кг/с; Т_ср - средняя температура газов в скруббере, °С.

Определив необходимый объем скруббера V_скр и зная скорость газов в скруббере w_скр, можно определить необходимый диаметр скруббера и его высоту. При определении размеров скруббера следует учитывать, что оптимальное соотношение высоты скруббера к его диаметру равно H/D» 2,5.

Скрубберы Вентури

Работа скруббера Вентури основана на дроблении воды турбулентным газовым потоком, захвате каплями частиц пыли, последующей их коагуляции и осаждении в каплеуловителе инерционного типа.

Простейший скруббер Вентури (рис. 4.1) включает трубу Вентури и прямоточный циклон-каплеуловитель.

Труба Вентури состоит из конфузора, в котором размещается оросительное устройство, горловины, где происходит осаждение частиц пыли на каплях воды, и диффузора, в котором протекают процессы коагуляции. В каплеуловителе вследствие тангенциального подвода газов и создаваемого при этом вращательного движения газового потока смоченные и укрупненные частицы отбрасываются на стенки и удаляются из каплеуловителя в виде шлама.

Скрубберы Вентури могут работать с эффективностью до 96-98% при улавливании пылей со средним размером частиц 1-2 мкм. При выборе и расчете скрубберов Вентури следует ориентироваться на следующие характеристики:

- Скорость газов в горловине - w₂ = 50-150 м/с;

- Удельный расход орошающей жидкости – m = 0,5-1,3 дм³/м³;

- Гидравлическое сопротивление аппарата – 6-15 кПа.

В скрубберах Вентури, как и других мокрых пылеулавливающих аппаратах, протекают тепло и массообменные процессы, описанные выше (уравнения 4.1-4.6). При проведении практических расчетов скрубберов Вентури важно знать изменение температуры очищаемых газов. Для определения температуры газов на выходе из трубы Вентури Т₂ можно использовать эмпирическое выражение:

Т₂ = (0,133-0,041 m) Т₁ +35, °С (4.16)

где Т₁ – начальная температура газов, °С; m – удельный расход орошающей жидкости, м³/м³.

Расчет скрубберов Вентури

В настоящее время для расчета эффективности пылеулавливания скрубберов Вентури пользуются энергетическим методом, приведенным выше.

Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури Dр_о находят как сумму гидравлических сопротивлений трубы Вентури Dр_Т и каплеуловителя Dр_к:

Dр_о = Dр_Т + Dр_к, Па. (4.17)

Потеря давления в трубе Вентури Dр_Т определяется как сумма гидравлического сопротивления сухой трубы Вентури Dр_с и увеличения гидравлического сопротивления трубы Вентури, обусловленного введением жидкости Dр_ж:

Dр_Т = Dр_с + Dр_ж, Па. (4.18)

Гидравлическое сопротивление сухой трубы Вентури Dр_с определяется из выражения:

, Па, (4.19)

где w_г – скорость газов в горловине трубы при рабочих условиях, м/с; r_г – плотность газов при рабочих условиях, кг/м³; x_с – коэффициент сопротивления сухой трубы Вентури.

Для нормализованных труб Вентури при длине горловины l₂ = 0,15 d₂ можно принимать x_с =0,12-0,15.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное введением жидкости Dр_ж, определяется из выражения:

, Па, (4.20)

где m – удельный расход орошающей жидкости, м³/м³; r_ж – плотность орошающей жидкости, кг/м³; x_ж – коэффициент сопротивления, обусловленный вводом жидкости.

Для определения коэффициента сопротивления, обусловленного вводом жидкости x_ж, для нормализованных труб с центральным вводом жидкости в конфузор, можно воспользоваться эмпирическим выражением:

x_ж = 0,63× x_с × m ^-0,3 . (4.21)

Значения x_ж для других способов подвода воды приведены в специальной литературе.

Гидравлическое сопротивление каплеуловителя Dр_к определяется из выражения:

, Па, (4.22)

где w_ц – скорость газов в циклоне (должна находиться в пределах 2,5-4,5 м/с); x – коэффициент сопротивления циклона (принимается x=30-33 – для прямоточных циклонов, x=70 - для циклонов типа ЦН-24).

Необходимый диаметр каплеуловителя d_ц определяется по формуле:

, м. (4.23)

Активная высота каплеуловителя Н_ц в зависимости от скорости газа принимается по данным таблицы 4.1:

Таблица 4.1.

wц, м/с	2,5-3	3-3,5	3,5-4,5	4,5-5,5
Нц (в долях от dц)	2,5	2,8	3,8	4,5

Для определения основных размеров нормализованных труб Вентури пользуются следующими соотношениями:

- длина горловины l₂ =0,15× d₂, (d₂ - диаметр горловины);

- угол сужения конфузора a₁ = 25-28°;

- длина конфузора l₁ =(d₁- d₂)/2tg(a₁ /2), (d₁ -диаметр входного сечения конфузора);

- угол расширения диффузора a₂ = 6-8°;

- длина диффузора l₃ =(d₃- d₂)/2tg(a₂ /2), (d₁ -диаметр выходного сечения диффузора).

Пылеуловители с осаждением пыли на пленку жидкости

В зависимости от того, как решается вопрос образования пленки жидкости и подвода к ней частиц, пылеуловители этого типа делят на три группы:

1. мокрые аппараты центробежного действия;

2. мокрые аппараты ударно-инерционного действия;

3. тарельчатые газоочистные аппараты;

Мокрые аппараты центробежного действия

В аппаратах центробежного типа частицы пыли отбрасываются на стенку центробежными силами, возникающими при вращательном движении газового потока в аппарате за счет тангенциального подвода газов. Непрерывно стекающая по стенкам аппарата пленка создается за счет подачи жидкости в верхней части аппарата.

Расход воды в аппаратах данного типа рассчитывают, исходя из необходимости создания непрерывной пленки жидкости толщиной не менее 0,3 мм.

К мокрым аппаратам центробежного действия относятся центробежные скрубберы типа ЦС-ВТИ, мокропрутковые скрубберы типа МП-ВТИ, циклоны-промыватели конструкции СИОТ и ряд других. Вследствие низкой степени очистки от пыли скрубберы ЦС-ВТИ и МП-ВТИ как самостоятельные аппараты применяются редко.

Циклоны-промыватели СИОТ можно отнести к аппаратам полутонкой очистки, которые могут работать с эффективностью 70-85 % при улавливании пыли с размером частиц более 10-15 мкм. При выборе и расчете циклонов-промывателей СИОТ следует ориентироваться на следующие характеристики:

- скорость газов во входном патрубке - 14-20 м/с;

- толщина пленки орошающей жидкости – не менее 0,3 мм;

- рекомендуемая начальная концентрация пыли – до 5 г/м³;

- Гидравлическое сопротивление аппарата – 1-2 кПа.

Мокрые аппараты ударно-инерционного действия

Аппараты ударно-инерционного действия работают по принципу захвата частиц зеркалом жидкости, на которое очищаемый газ направляется с большой скоростью (до 20-50 м/с).

Из большого разнообразия конструкций аппаратов данного типа можно выделить: ударно-инерционные пылеуловители, скрубберы Дойля, ротоклоны типа N, пылеуловители типа ПВМ, в которых можно улавливать частицы размером 10-20 мкм. Гидравлическое сопротивление этих аппаратов составляет 1,5 кПа и более.

Тарельчатые газоочистные аппараты

Тарельчатые пылеуловители представляют собой аппараты, перегороженные горизонтальной тарелкой с равномерно распределенными отверстиями, на которую равномерно подается жидкость. Запыленный газ движется снизу вверх, проходя через тарелку. Отработанная жидкость может отводиться двумя способами: полным провалом через тарелку в бункер или частичным переливом через порог, установленный в конце решетки.

При движении газа через тарелки в зависимости от скорости их движения может наблюдаться один из трех режимов работы:

- барботажный режим, при котором газ движется отдельными пузырями через слой жидкости (наблюдается при скоростях газов в аппарате до 1 м/с);

- пенный режим, при котором жидкость, находящаяся на тарелке, переходит в состояние турбулизированной пены (наблюдается при скоростях газов в аппарате 1-1,2 м/с);

- волновой режим, при котором наблюдается колебание слоя жидкости вследствие прорыва газовых струй на различных участках решетки, увеличивается гидравлическое сопротивление и снижается эффективность (наблюдается при скоростях газов w_г ³ w_кр.).

Критическую скорость w_кр, при которой происходит переход к волновому режиму, можно определить из эмпирического выражения:

, (4.24)

где f_o - относительная величина живого сечения тарелки с круглыми отверстиями; d_o - диаметр отверстия тарелки, м; A - параметр, зависящий от режима взаимодействия газов и жидкости на тарелке, определяемый по формуле:

, (4.25)

где m - удельное орошение, м³/м³; L_ж, L_ст - плотность орошения сечений, фактическая и стандартная, кг/(м³×с) (L_ст = 1 кг/(м³×с)); r_г, r_ж - плотность жидкости и газа, кг/м³.

При удельном орошении, равном m = 0,4-0,6 дм³/м³, критическая скорость составляет w_кр =2-2,3 м/с.

Для решения задач пылеулавливания наиболее подходящим является пенный режим, при котором с момента возникновения пены резко увеличивается межфазная поверхность, что способствует более эффективному осаждению пыли на пленке, а постоянное разрушение и обновление пленки способствует отводу уловленной пыли. Пылеулавливающие аппараты, в которых реализуется пенный режим, получили название – пенные пылеуловители.

При проектировании пенных аппаратов следует пользоваться следующими рекомендациями:

- диаметр аппарата не должен превышать 2-2,5 м;

- живое сечение тарелки должно находиться в пределах – 0,2-0,25 м²/м²;

- размеры отверстий в решетке: диаметр отверстий - 4-8 мм, ширина щели – 4-5 мм;

- скорость газов при прохождении через решетку - w_o = 6-10 м/с.

При расчетах пенных аппаратов рассчитывают полное гидравлическое сопротивление аппарата Dр и эффективность пылеулавливания h.

Полное гидравлическое сопротивление пенного аппарата находят как сумму гидравлических сопротивлений тарелки Dр _т и брызгоуловителя Dр _б, а так же сопротивлений входа в аппарат Dр _вх и выхода из него Dр_вых:

Dр=Dр _т +Dр _б +Dр _вх +Dр_вых, (4.26)

Гидравлическое сопротивление тарелки Dр _т определяют, используя эмпирические выражения (4.27) и (4.28):

, (4.27)

где Dр _s - доля гидравлического сопротивления слоя, определяющаяся поверхностным натяжением жидкости (s, Н/м):

, (4.28)

Гидравлическое сопротивление брызгоуловителя Dр _б, а так же сопротивление входа в аппарат Dр _вх и выхода из него Dр_вых определяются по известной формуле гидравлики:

, (4.29)

где x - коэффициент сопротивления отнесенный к скорости газа w_г ; r_г – плотность газа, кг/м³.

Степень очистки можно определить по нормальной функции распределения h_о = Ф(x) (см. табл. 2.6), принимая d₅₀ = 0,85 мкм и lg s_h =0,769, полученным при следующих характеристиках: скорость газа в аппарате w_г =2 м/с и высота слоя пены Н_п = 0,09 м. При других параметрах работы аппарата можно воспользоваться уточняющей формулой:

, (4.30)

Дата добавления: 2015-07-11