Системы пылеочистки

(физические основы движения пылевых слоев)

С целью определения общих закономерностей осаждения аэрозольных частиц при газоочистке рассмотрим процесс запыления осадительной поверхности, на которой накапливается масса этих частиц в виде слоя. Представим пылевой слой как некую сплошную среду, свойства которой не выражаются непосредственно че­рез свойства составляющих элементов (пылевых частиц), а являются осредненными характеристиками достаточно больших объемов среды.

Тогда можно рассматривать только такие объемы слоя, в которых заключено большое число первичных пылевых частиц. В этом смысле для пылевых слоев может быть использован общий прин­цип описания движения сплошных сред, когда приращение массы можно характеризовать скоростью приращения v_n, нормальная составляющая которой к поверхности осаждения будет всегда направлена в сторону возрастания скалярной функции, характери­зующей процесс запыления. Такой функцией в газоочистке явля­ется эффективность η, определяющая степень очистки газов от аэрозольных частиц.

Исходя из общей теории потенциального поля, запишем вектор v_n через градиент скалярной функции в виде [5]

v_n = -a²gmd(η). (4.35)

Знак «минус» определяет противоположные направления v_n и grad(η). Численный множитель а² будет иметь в разных точках про­странства разные значения.

Уравнение (4.35) определяет движение поверхности запыления как квазистационарное, при котором скорость приращения слоя относительно аэрозольного потока будет весьма малой.

Таким образом, вектор скорости приращения определен через градиент функции η, что соответствует его направлению по нормали к соответствующей поверхности запыления, определяемой как поверхность уровня скалярного поля эффективности η. По величине вектор равен производной от функции η по направле­нию нормали. При этом поле v_n будет отличаться от потенциаль­ного численным множителем а². Такое поле является квазипотен­циальным и, следовательно, скалярное поле эффективности в про­цессе образования осадка не будет иметь эквипотенциальных по­верхностей, что адекватно условию η ≠ const, определяющему нестационарный режим осаждения.

Условию

div(v_n) = 0 (4.36)

должен удовлетворять потенциал скорости невихревого течения и, следовательно, в этом случае v_n сохраняет одно и то же значение на некоторой плоскости, определяемой как эквипотенциальная.

Такое определение процесса запыления соответствует η = const, т. е. стационарному режиму осаждения аэрозольных частиц, когда не происходит образование пылевого слоя. Этот режим будет ха­рактеризоваться также потенциальным течением газа, когда линии тока изгибаются и обтекают тело на близком от него расстоянии (не более l_sl), вследствие чего эффективность захвата аэрозольных частиц телом будет зависеть от двух критериев — St*¹ *и Re, значе­ния которых должны превышать их критические величины.

Анализ переноса аэрозольных частиц в разных силовых полях характеризует гидродинамику этого процесса отлично от классиче­ской гидродинамики, описываемой уравнением Навье — Стокса.

В связи с тем, что аналитическое решение полных уравнений Навье - Стокса до настоящего времени не получено, применяется метод макроскопического описания процессов переноса аэрозольных частиц. Скорости переноса формулируются при использовании полученных выше уравнений, которые определяют опыт­ный макроскопический эквивалент уравнения Навье — Стокса и имеют статистический характер, поскольку все входящие в них величины усреднены для макроскопического силового поля [5].

Системы газоочистки (массообменные характеристики технологических газов в процессах хемосорбции)

В большинстве технологических процессов извлечение целевых компонентов из газовых смесей реализуется на производственный стадиях их переработки и при этом достигается экономически целесообразная степень их извлечения. Поэтому выбросные газы содержат незначительное количество примесей, вредно воздействующих на окружающую среду, а объемы газов в ряде производств крайне велики. Не случайно с целью увеличения движущейся силы процесса очистка выбросных газов многих химических производств основана на использовании процессов химической абсорбции (хемосорбции), когда извлекаемый компонент газовой смеси вступает в химическую реакцию с жидким поглотителем (рис. 4.10).

При абсорбции, сопровождаемой химической реакцией, процесс можно проводить при низком парциальном давлении извлекаемого газа вследствие более высокой поглотительной способности раствора, а также становится возможным достижение заданного уровня очистки.

При реакции в жидкой фазе абсорбируемый компонент полностью или частично связывается в химическое соединение. Скорость поглощения компонента возрастает по сравнению со скоростью поглощения его при физической абсорбции. Обычно увеличение скорости поглощения в хемосорбционном процессе учитывают, вводя в уравнение массоотдачи фактор ускорении χ, показывающий, во сколько раз при химической абсорбции возрастает интенсивность массообмена по сравнению с физической абсорбцией [13, 14]. Так как хемосорбционные процессы связаны с протеканием реакции в жидкой фазе, то рассмотрим общее уравнение массоотдачи для этой фазы:

W=χβ_LF(C _гр -C_L), (4.37)

где W — количество поглощенного компонента, кг/с; β_L — коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при физической абсорбции, м/с; F — поверхность контакта фаз, м²; С_гр, C_L — концентрации поглощаемого компонента на границе раздела фаз и в основной массе жидкости, г/л³.

Рис. 4.10. Классификация колонных аппаратов по организации движения потока легкой фазы

Фактор ускорения χ зависит от концентрации поглощаемого вещества, хемосорбента и продуктов реакции, а также от кон­стант скоростей протекающих реакций и ряда других факторов. В литературе приводятся выражения для расчета χ при реакциях разных типов.

Таким образом, для расчета кинетики массообмена по форму­ле (4.37) необходимо знать коэффициент массоотдачи в жидкой

фазе β_L, фактор ускорения χ, поверхность раздела фазы F, движущую силу процесса.

Основой процесса в данном случае является элемент многотарельчатого аппарата пленочного типа — тарелка с орошаемой стенкой, в которой жидкость в виде тонкой пленки отекает по внутренним стенкам колонны и контактирует с движущимся противотоком по трубке газом. Поверхность раздела фаз достаточно строго фиксирована: F = πdl, где d — внутренний диаметр колонны; l -высота (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схемы организации движения газового потока (Г) в тарельчатыхмассообменных аппаратах:

а — традиционная перекрестноточная; б — с делением потока газа на равные части и раздельным контактированием каждой части на отдельной тарелке; в - с выделением части газового потока на каждой ступени и направлением байпасом с последующим перемешиванием между тарелками (Ж — жидкость)

Учитывая эту методическую особенность, пленочные аппараты могут быть рекомендованы в качестве аппаратов, отвечающих ряду специфических требований промышленной экологии.

Они могут быть использованы для работы в условиях повышенных нагрузок по жидкости, что характерно, например, для процессов отдувки. Кроме того, аппараты такой конструкции обладают малым гидравлическим сопротивлением, в них может быть реализован подвод или отвод тепла и др.

На основе элемента пленочной массообменной колонны предусматривается ознакомление с методикой лабораторных исследований хемосорбционных процессов и изучение массоотдачи при физической абсорбции β_L.

При проведении исследований на лабораторных, полупромыв ленных аппаратах и обследовании работы промышленных колонн можно опытным путем определить лишь коэффициент массопередачи К _ж, который при условии равновесия фаз у поверхности их соприкосновения связан с коэффициентом массоотдачи в га­зовой β_G, в жидкой β_L. фазах соотношением

где т — константа Генри фазового равновесия.

Как показано во многих исследованиях, при абсорбции (де­сорбции) плохо растворимого газа (например, диоксида углерода в воде)

Поэтому для определения по экспериментальным данным коэф­фициента массоотдачи в пленке жидкости β_L часто при десорбции СО₂ из воды в воздух пренебрегают сопротивлением газовой фазы и принимают β_L = К _ж

При определении коэффициента массопередачи движущая сила в случае десорбции принимается равной для каждого сечения ко­лонны разности (C_L - С_L*), где С_L* — концентрация жидкости, равновесная с концентрацией газа, C_L — средняя концентрация жидкости в данном сечении.

Концентрации газовой и жидкой фаз изменяются при движе­нии фаз вдоль поверхности их соприкосновения, поэтому обычно изменяется и движущая сила массопередачи. При расчетах пользу­ются средним значением движущей силы.