Некоторые свойства и физические основы переноса аэрозольных частиц

Большое многообразие промышленных выбросов в атмосферу в виде пыли, дыма и тумана можно определить как аэрозольные выбросы, образующие с газообразной средой дисперсную систе­му с твердой или жидкой дисперсной фазой. Таким образом, аэро золями являются дисперсные системы, лежащие в огромном интервале размеров частиц — от 10^-3до 10³ мкм [12].

По способу получения аэрозоли могут быть дисперсионными, образующимися при диспергировании (измельчении, распылении) твердых тел и при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние под действием воздушных потоков, например, в системах аспирации. Такие аэрозоли обычно называют пылями. Другой тип аэрозолей — конденсационный, образующийся при объемной конденсации перенасыщенных паров, ведущих к образованию аэрозольных частиц. Их обычно называют дымами (например, дымы металлургических печей).

Различие между дисперсионными и конденсационными аэрозолями состоит в том, что дисперсионные аэрозоли значительно крупнее конденсационных. Аэрозольные частицы конденсационных аэрозолей — рыхлые агрегаты, состоящие из большого числа первичных частиц. Дисперсионные аэрозоли обычно состоят из индивидуальных или слабо агрегированных частиц неправильной формы.

В процессах газоочистки могут участвовать аэрозоли дисперсионные и конденсационные, а также содержащие одновременно частицы конденсационного и дисперсионного происхождения. Как правило, в этих процессах имеет место обеспыливание аэродисперсных систем с большим содержанием аэрозольных частиц в единице объема или с большой запыленностью (> 0,1 г/м³).

В аэродисперсных системах происходит интенсивная, коагуляция аэрозольных частиц, обусловливающая образование агрегатов с увеличенными размерами. Агрегаты в аэрозолях могут образовываться при коагуляции индивидуальных частиц, а также в результате неполной дезагрегации порошкообразных тел при их переходе в аэрозольное состояние. Число первичных частиц, образующих агрегат, может достигать многих тысяч. Так, при производстве высокодисперсного технического углерода с удельной поверхностью 95 — 75 м²/г в реакторе в результате газовых реакций образуются первичные сферические частицы углерода размером 33 — 39 нм. Однако в улавливающие фильтры поступают aгpeгaты технического углерода размером более 1,0 мкм.

Скорость коагуляции аэрозолей возрастает с уменьшением размера первичных частиц, а также с увеличением их концентрации. Это подтверждается экспериментами [11] по коагуляции в турбулентном потоке.

Эффективность турбулентной коагуляции

Число частиц, 10⁵/см³…0,3 1,0 3,0 10 30 100 300 1000

Скорость увеличения средней

массы частицы, 10^-2/мин..0,2 0,62 1,8 6 18 60 180 600

Таким образом, в результате интенсивной коагуляции промыш­ленные аэрозоли обычно состоят из агрегатов.

Скоагулированные аэрозоли, как правило, являются полидисперсными, характеризующимися статистическим рядом размеров частиц или фракционным составом, определяемым распределе­нием размеров аэрозольных частиц от минимального до макси­мального.

В механике аэрозолей для высокодисперсных аэрозолей, когда размер частицы соизмерим или меньше длины пути газовых мо­лекул, вводится поправка Кенингема [12]:

Радиус частиц, мкм..................... 0,15 0,5 1,5 5,0

Поправка Кенингема................... 1,57 1,16 1,03 1,0

Однако в большинстве случаев размер частиц промышленных аэрозолей более 1 мкм. Как следует из приведенных данных, для таких аэрозолей поправку Кенингема можно не учитывать; в даль­нейшем изложении эта поправка исключена.

Аэрозольные частицы при газоочистке переносятся в результа­те действия на них сил гидродинамического, центробежного или электрического поля. Во всех случаях осаждение происходит на осадительную поверхность или с накоплением осадка (нестацио­нарный процесс), или с его одновременным в процессе осажде­ния удалением (стационарный процесс).

Задача заключается в том, чтобы найти обобщенную аналитическую зависимость для скорости, определяющей осаждение аэро­зольных частиц в разных силовых полях. Будем исходить из общего определения скорости аэрозольного потока в градиентном сило­вом поле:

где μ — вязкий режим переноса аэрозольных частиц; знак «-» ука­зывает противоположные направления w и grad(F).

Воспользуемся формулой (4.6) для описания переноса аэрозольных частиц в конкретном силовом поле. Так, движение аэро­зольных частиц в ряде случаев может быть описано на основа­нии закона Стокса, определяющего сопротивление среды дви­жущимся аэрозольным частицам [12]. В соответствии с этим за­коном движение аэрозольных частиц в газообразной среде может быть определено их подвижностью, характеризующей соотноше­ние между скоростью частицы w и действующей на нее стоксовой силой F_S:

w=BF_S, (4.7)

где В = 1/6πμr — подвижность аэрозольных частиц; F_S = mg — сила тяжести.

Частным случаем такого движения является осаждение аэрозольных частиц под действием силы тяжести. Такое осаждение, называемое седиментацией, описывается уравнением (4.7). Тогда

w_s =Bmg. (4.8)

Движение аэрозольных частиц в электрическом поле принципиально ничем не отличается от движения в поле гидродинамических сил. Униполярная зарядка аэрозольных частиц в электрическом поле обусловливает их перемещение по направлению силовых линий этого поля. Движущей силой процесса в этом случае является grad((p), тогда скорость переноса аэрозольных частиц записывается по аналогии с уравнением (4.6) в виде

где к= Bq — электрическая подвижность аэрозольных частиц; q -заряд аэрозольной частицы; grad(φ) = - . Следовательно,

Это уравнение аналогично уравнению (4.7), в котором F_s= дЕ.

В поле коронного разряда (в электрофильтрах) аэрозольные частицы приобретают максимальный заряд, с учетом которого скорость (4.10) может быть преобразована в скорость дрейфа, характеризующую перенос аэрозольных частиц в межэлектродном пространстве электрофильтра.

Широкий круг задач в газоочистке при фильтрации аэрозолей через волокнистые, слоевые (зернистые) и рукавные фильтры связан с переносом аэрозольных частиц в пористых средах.

Скорость такого переноса определяется известным уравнением Дарси — частным случаем уравнения (4.6), в котором движущей силой истечения газа в пористой среде является градиент давления:

Однако при переносе аэрозольных частиц в пористой среде происходит их инерционное торможение перед препятствиями на которых они осаждаются.

Таким образом, фильтрация аэрозолей через пористую перегородку отличается от чистовязкого режима истечения, когда сопротивление строго пропорционально скорости газа. При воздействии на аэрозольные частицы внешних сил движение будет определиться силовым полем grad(A.F). Скорость переноса аэрозольных частиц в этом случае

где ∆F = F/(πr²) — удельная сила, действующая на аэрозольную частицу по направлению нормали к осадительной поверхности; πr² — мидельное сечение аэрозольной частицы;

K_F=(w/∆F)μl_st0 (4.13)

определим как аэрозольную проницаемость силового поля grad(∆F); здесь l_st = wτ — путь инерционного торможения аэрозольной ча­стицы.

Скорость переноса аэрозольных частиц в результате действия таких сил, как стоксовы (например, сила тяжести) и электрические, определяется только физическими свойствами аэрозольных частиц — их подвижностью и не зависит от координат силового поля. Перенос же аэрозольных частиц в силовом поле grad (p) или grad(∆F) зависит как от их физических свойств, так и от коорди­нат силового поля. Так, например, осаждение аэрозольных частиц в циклоне будет определяться как их физическими свойствами, так и размерами циклона [5].