Процессы и аппараты защиты атмосферы

1. Процессы и аппараты защиты атмосферы

СФУ
Политехнический институт
каф. Техносферной и экологической безопасности
Кулагина Татьяна Анатольевна

2. Материальные потоки предприятия

Сырье, материалы,
оборудование
Топливо,
электроэнергия
Вода,
осадки
Кислород
Промышленное предприятие
Продукция
Выбросы
в атмосферу
Сточные
воды
Твердые
отходы
Энергетическ
ие выбросы
Тепловые
газы, пар
аэрозоли
Шум, инфразвук,
ультразвук, вибрация
Электромагнитные поля
Световые,
ультрафиолетовые,
лазерные излучения
Ионизирующие

3. Относительная экологичность типового процесса

А
(М М ) М 100%
(М М )
С
В
С
Н
В
где Мс + Мв – масса отходов, поступающих в окружающую среду
со сточными водами и газовыми выбросами; ∑ МН – масса
нейтрализованных отходов; ∑ МР – масса рассеянных отходов
При этом общий баланс относительной токсичности
массы вредных веществ:
(М М ) М М 0
С
В
Н
Р
При А→ 0 процесс становится безотходным

4. Коэффициент безотходности

для химических производств:
kб kа , kм , k э ,
где kм и kэ – коэффициенты полноты использования
соответственно материальных и экологических ресурсов; kа –
коэффициент соответствия экологическим требованиям
для угольной промышленности:
kб 0,33 kп kв kпг ,
где kп – коэффициент использования породы, образующейся в
результате горных работ; kв - коэффициент использования
попутно забираемой воды, образующейся при добыче угля; kпг –
коэффициент использования пылегазовых отходов

5. Принципиальная схема безотходного промышленного производства

6. Индекс воздействия загрязняющих веществ

для водных источников оценивается:
1 J p ПД С j ФС jp
I в
1,0 ,
max
J j 1 p 1
ПД С j
I a 1,0 ,
где I – число j-загрязняющих веществ (ЗВ); ФCjp – величина фактического
сброса j-ЗВ в р-производстве (при производстве р-продукции);
ПДСj – предельно допустимый сброс j-ЗВ в водные объекты
для атмосферы:
1 J p ПДВ j ФВ jp
I а
1,0 ,
max
J j 1 p 1
ПДВ j
где ФВjp – величина фактического выброса j-ЗВ в р-производстве (при
производстве р-продукции); ПДВj – предельно допустимый выброс j-ЗВ
в атмосферу

7. Датский волшебный круг

В эту сеть входят электростанция Аснэс, производитель гипсо-картона компания
“Гипрос А/С”, фармацевтическая и биотехнологическая компания “Ново Нордиск
А/С”, компания “А/С Биотекниск Йордренс”, занятая в сфере обогащения почв, и
нефтеперегонный завод «Статойл»

8. Материальный баланс угольной ТЭЦ мощностью 2400 МВт

9. Выбросы в атмосферу при сжигании топлива, г/кВт·ч

Виды топлива
Загрязнители
каменный
бурый уголь
уголь
мазут
природный
газ
SO2
6
7,7
7,4
0,002
Твердые
частицы
1,4
2,4
0,7
0
NOX
21
3,45
2,45
1,9

10. Состав золы уноса, образующейся при сжигании мазута

Вещество
Содержание, %
Класс опасности
V2O5
30-36
I
NiO
8-10
I
МоО2
1
II
РbО3
0,5
I
Сr2О3
0,5-1
I
ZnO
0,5-2,5
II
Аl2О3
10
IV
Fe2O3
3-10
IV
MgO
1-3
III
SiO2
10
IV

11. Выход вредных соединений при сжигании топлива в топках котлов

Выход вредных соединений, кг/тут
нефть, мазут,
Q = 10000 ккал/кг
уголь,
Q = 7000 ккал/кг
природный или
промышленный газ
Q = 9000 ккал/кг
Диоксид серы
14
20
0,39
Триоксид серы
0,7
1
0,031
Сероводород
< 0,7
<1
0,08
Оксид азота
4,9
4
6,55
Синильная кислота
< 0,7
<1
0
Аммиак
0,7
1
0,28
Соляная кислота
< 0,7
1
0,28
Формальдегид
0,7
1
0,85
Органические вещества
3,5
10
1,37
Пыль
0,7
100
0,08
Фтористые соединения
0
0,2
0
Вредные соединения

12. Выделение металлов при сгорании углеродного топлива

Мировое
производство,
тыс. т/год
Поступления от
сжигания топлива,
тыс. т/год
Мышьяк
40
255
Уран
30
204
Никель
400
357
Кобальт
13
153
Свинец
2800
51
Кадмий
13
2,6
Серебро
8
1
Металл

13. Выбросы диоксида серы/серной кислоты при сжигании ископаемого топлива, млн. т.

Регионы /
Годы
1980
1990
1995
2000
2010
Европа
59/88
42/63
31/51
26/39
18/27
США
24/36
20/30
16/24
15/22
14/21
Азия
15/22
34/51
40/60
53/79
79/118

14. Снижение поступления ВВ в атмосферу

На энергоемких предприятиях в основном
решается двумя способами:
использованием технологических методов
подавления образования вредных веществ;
установкой пылегазоочистного
оборудования.

15. Основные задачи выбора схемы очистки потоков

при обосновании аппаратурно-технической схемы очистки
промышленных выбросов от содержащихся в них твердых и
газообразных компонентов необходимо решить следующие три
основные задачи:
выбрать из всего многообразия существующих аппаратов
пылегезоочистки наиболее рациональный или, лучше всего,
скомпоновать из нескольких аппаратов многоступенчатую
схему очистки газа;
подобрать оптимальные технологические режимы работы
каждого из аппаратов с учетом конкретных физикохимических свойств очищаемого газа (температуры, состава,
свойств пыли и др.);
разработать способ утилизации уловленных компонентов с
получением товарного продукта или, как минимум,
обезвредить их, чтобы предотвратить вредное воздействие
отходов производства на окружающую среду

16. Степень улавливания пыли в различных аппаратах

Аппарат
Циклон
Орошаемый циклон
Скруббер с орошающей насадкой
Скруббер с плавающей насадкой
Электрофильтр сухой
Электрофильтр мокрый
Скруббер Вентури среднеэнергоемкий
Высокоскоростной скруббер Вентури
Тканевый фильтр с обратной
продувкой
Степень улавливания фракций пыли, %
50 мкм
95
100
99
10
99
99
100
100
100
5 мкм
27
87
98
97
99
98
99
99
99
1 мкм
8
42
58
80
86
92
90
92
99

17. Принципиальная схема очистки дымовых газов от SO2 известняковым способом

1 – золоуловитель; 2 – дымосос; 3 – скруббер; 4 – брызгоуловитель;
5 – подогреватель; 6 – емкости; 7 – циркуляционный насос; 8 – установка
для приготовления суспензии; 9 – сгуститель; 10 – емкость для шлама;
11 – сброс шлама в золоотвал

18. Озонный способ очистки дымовых газов

Дымовые газы от энергоблока, пройдя очистку от золы в мокром
золоуловителе, направляются в абсорбер, куда одновременно
подаются орошающая жидкость и озон О3. Вследствие окисления
последним низшие оксиды NO и NO2 переходят в высший N2O5
Одновременно окисляется и SO2 до SO3. В контакте с водой
образуется смесь азотной и серной кислот, которую нейтрализуют
аммиачной водой. Полученные в результате реакции нитрат и
сульфат аммония выводят из цикла для последующего
использования в качестве удобрений:
NO + NO 2 O3 N 2 O5 H2O HNO3 NH3 + H2O NH 4 NO3 в сельское
хозяйство
SO 2
SO3
NH 4 2 SO 4
H 2SO 4

19. Очистка газов от оксидов азота

20. Аэрозольные загрязнители

Твердые (жидкие) частицы вещества, суспендированные в
воздухе, в виде аэрозолей, находятся в нестабильном состоянии
и с течением времени отделяются от него. Могут находиться во
взвешенном состоянии длительное время, тем самым ухудшая
качество атмосферного воздуха.
Для определения размера частиц принято пользоваться
аэродинамическим диаметром dра. Это диаметр сферической
частицы, имеющей такую же скорость оседания, что и
рассматриваемая частица, и плотность, равную 1 г/см³.

21. Аэрозольные загрязнители

Концентрация частиц определяется так же, как и
плотность газов, выражается числом или массой частиц
и рассчитывается как отношение числа частиц в данном
объеме к величине этого объема.
Концентрация по числу частиц - это концентрация частиц
размером больше 1 мкм обычно составляет менее десяти единиц на 1
см³) может быть определена, например, методом рассеяния света.
Концентрация по массе – отношение массы частиц в данном
объеме к величине этого объема. В загрязненном воздухе она
обычно менее 1 мг/м³, а в воздуховодах систем промышленной
вентиляции – более 1 г/м³, что определяется фильтрацией.

22. Аэрозольные загрязнители

Химический состав. Каждая твердая частица аэрозоля может
состоять из нескольких химических компонентов. В обычных
аналитических лабораториях идентификация отдельных частиц
невозможна. Поэтому используется информация об усредненном
химическом составе для всех размеров частиц и всего интервала
отбора проб.
Пробы отбираются двумя методами: методом полной фильтрации
и с помощью каскадного импактора. В последнем случае получают
данные о зависимости химического состава от размера частиц,
подвергая анализу каждую фракцию, получаемую при разделении.
Это может позволить выбирать методы для удаления из
отходящих газов наиболее опасных веществ.

23. Безразмерные параметры

Число Рейнольдса для потока Reg – это отношение величин
сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости. Если Reg < 2100,
то силы вязкости доминируют и течение является ламинарным.
Если Reg > 4000, то наблюдается турбулентное течение. Для
потока
g
Re g Du g
g
где D – характерный размер воздуховода, например диаметр, см;
ug – скорость потока газа, см/с; g – плотность газа, г/см3; g –
абсолютная вязкость газа, Па с.

24. Безразмерные параметры

Число Рейнольдса для частиц Rep – это величина
порядка от 10-4 до 102. Число Рейнольдса для частиц
зависит от скорости движения частиц относительно
газового потока и от свойств жидкости, если частица
является жидкой.
g
Re p d p (u p u g )
g
где dp – диаметр частицы, см; up – скорость частицы, см/с.

25. Безразмерные параметры

Число Кнудсена Kn является безразмерным параметром, характеризующим движение частиц, и представляет собой отношение средней длины свободного пробега молекул газа к диаметру частиц:
Kn
2 g
dp
где g – средняя длина свободного пробега молекул газа, см;
g k T
2
2 Pd м
где k – постоянная Больцмана, равная 1,38062·1023 Дж/К; Т – абсолютная
температура газа, °С; P – давление газа, кПа; dм – диаметр молекулы, см.
Например, для молекул воздуха при 20 °С и 760 мм рт. ст. g 6,53 10–2 мкм.

26. Режимы течения в воздухе

Для выявления влияния молекул газа на движение частиц
выделяют четыре режима, которые соответствуют изменению
размеров частиц от больших до малых.
Величина частиц для различных режимов течения в воздухе
при 20 °С и 760 мм рт. ст. приведены в таблице
Течение
Kn
dp, мм
Гидродинамическое (стоксовское)
<0,1
>1,3
Со скольжением (Каннингхема)
≤0,3
>0,4
Переходное
10–0,3
0,01–0,4
Свободномолекулярное
>10
<0,01

27. Поправочный коэффициент Каннингхема

Коэффициент С для течения со скольжением, полученный
экспериментально Милликеном в опытах с масляными капельками,
используется для учета скольжения частиц между молекулами газа,
когда Kn > 0,1 (дискретная среда). Упрощенно для воздуха при
нормальном давлении он может быть рассчитан по формуле
T
1
С 1 6,21 10
d
p
Поправочный коэффициент Каннингхема становится настолько малым, что им
можно пренебречь, когда размеры аэрозолей превышают 1 мкм (при нормальных
условиях).

28. Число Стокса

Число Стокса St (или параметр соударения Kp) – безразмерное
отношение расстояния, на которое сближаются частицы, к
характерному размеру системы, отражает относительное
воздействие на частицу силы тяги и сил вязкости:
xs
St K p 2
dc
где хs – путь торможения частицы, см;
dc – диаметр препятствия, см.

29. Аэродинамический диаметр

Как правило, дымовые газы от промышленных производств содержат аэрозоли, состоящие из частиц различной формы, плотности и
размера. От этого зависит эффективность их улавливания.
Аэродинамический диаметр является показателем реакции частицы
на действие инерционных сил, например в мокрых скрубберах и
циклонах. Его можно определить, используя каскадный импактор.
При одинаковом аэродинамическом диаметре частицы будут
улавливаться с одинаковой эффективностью, независимо от их
формы, размера и плотности.

30. Аэродинамический диаметр Существует несколько определений аэродинамического диаметра:

1. Диаметр Стокса (dр) – произведение диаметра сферы, имеющей такую
же скорость оседания и плотность, как и рассматриваемая частица, на
поправочный коэффициент Каннингхема.
2. Классический аэродинамический эквивалентный диаметр (dрас) –
диаметр сферы с единичной плотностью, обладающей такой же скоростью
оседания, как и рассматриваемая частица при малых значениях числа Re,
умноженный на поправочный коэффициент Каннингхема для
соответствующего диаметра (С(dрас) или С(dра)).
3. Импакторный аэродинамический диаметр (dра) – диаметр сферы, имеющей единичную плотность и обладающей такой же скоростью оседания,
как и рассматриваемая частица при малых числах Re. Значение диаметра
не умножается на коэффициент Каннингхема. Диаметр (dра) является
наиболее подходящим параметром при расчетах процессов инерционного
разделения частиц.

31. Уравнения, используемые для пересчета размеров частиц Диаметр Стокса используют как приближение к физическому диаметру частицы.

Импакторный аэродинамический диаметр применяют при проектировании
очистного оборудования.
Уравнение для пересчета
Искомый
диаметр
Диаметр Стокса dp
Диаметр Стокса dp
1,0
Классический
аэродинамический
эквивалентный
диаметр dpас
C ( d p )
d рас d p
C
(
d
)
рас
Импакторный
аэродинамический
диаметр dpа
1
d р d pa
C
(
d
)
р
Классический
Импакторный
аэродинамический аэродинамический
эквивалентный
диаметр dpа
диаметр dpас
C ( d p )
d рас d p
C
(
d
)
рас
1 2
1 2
1 2
d pa d pac C ( d pac )
12
1,0
1
d рac d pa
C
(
d
)
рac
d pa d р C ( d p )
12
1 2
1,0

32. Графическое изображение соотношения между различными диаметрами частиц с различной плотностью

33. Аэродинамический диаметр

Диаметр отсекания, dpс, при котором эффективность
улавливания составляет 50 %, характеризует
эффективность систем пылеулавливания при
специфическом распределении частиц по размерам.
Например, в скрубберах или циклонах, в которых
эффективность улавливания частиц является
непрерывной функцией размера частиц, диаметр
отсекания может быть использован для сопоставления
относительной эффективности мокрых скрубберов.

34. Движение частиц в потоке

На частицы аэрозоля действуют три типа сил: внешние (тяжести,
электрические, магнитные и др.); сопротивление среды;
взаимодействие между собой. Последние очень слабы, и ими
можно пренебречь. Сопротивление среды (газа) при отсутствии
эффектов инерции, связанных с вытеснением воздуха
движущейся сферической частицей (Rep < 0,05), выражается
законом Стокса:
u
2
p g gd p
t
18 g
где р, g – плотность частицы и газа соответственно, г/см3.

35. Движение частиц в потоке

Если размер частиц мал и близок к величине среднего
свободного пробега молекул газа (6,53·10–2 мкм при 20 С и
760 мм рт. ст.), то частицы проскакивают между молекулами,
сопротивление воздуха уменьшается и скорость падения
частицы возрастает. В этом случае используется поправочный
коэффициент Каннингхема и конечная скорость оседания
частицы
ut d 2p p g
g
18 C
g
d 2рас p g gC
18 g
d 2ра g
18 g

36. При высоких числах Рейнольдса (Rep > 0,05) для определения скорости используют графическую зависимость

При высоких числах Рейнольдса
(Rep > 0,05) для определения скорости
используют графическую зависимость

37. Движение частиц в потоке

Самые мелкие частицы, размер которых меньше среднего
свободного пробега молекул газа, имеют очень низкие скорости
оседания. При соударении друг с другом процесс их движения
становится хаотичным (броуновским). Удаление таких частиц из
потока возможно в основном за счет диффузии. Коэффициент
диффузии
RTC
Dp
3 g d p N
где N – число Авогадро.

38. Теория улавливания частиц

Материальный баланс (по частицам) в элементарном объеме может быть представлен следующим образом:
u g H f Wdn ud nd H f dL
или
Qdn ud nd dAd ,
ug – скорость потока газа, см/с; Hf – высота
потока, см; W – ширина потока, см; ud – cкорость осаждения, см/c; nd – концентрация
частиц в плоскости осаждения; L – длина
коллектора, см; Q – объемная скорость потока, см³/с; Q = ugHfW; n – средняя концентрация частиц в плоскости, перпендикулярной к
направлению потока, см–3; А – площадь
осаждения, см²; Ad = WL

39. Теория улавливания частиц

Если отсутствует перемешивание, то величина nd имеет
постоянное значение, равное n (так называемая входная
концентрация) до тех пор, пока не станет равной нулю.
Тогда
ud nd dAd
dn
Q
или
ud Ad
n1 n2 n1 n2
nd
n1
Q

40. Теория улавливания частиц

Для случая полного перемешивания
dn ud dAd
n
Q
nd n и
n2
exp ud Ad / Q Pt
n1
где Pt – проскок частиц, в долях, равная Pt = 1– ,
где – эффективность улавливания частиц

41. Теория улавливания частиц

В двух последних уравнениях содержится общий параметр
осаждения udAd / Q, отличающийся только знаком.
Следовательно, уравнение, определяющее проскок при
отсутствии перемешивания, легко может быть преобразовано
для случая полного перемешивания.
Фактическая скорость осаждения для рассчитываемого
устройства зависит от размера частиц, геометрии коллектора,
свойств газа и характеристик потока. Это важно знать при
создании механизмов улавливания отдельных частиц из
загрязненных отходящих газов для предотвращения
негативного воздействия на окружающую среду.

42. Инерционное осаждение

Если в потоке воздуха, содержащего
аэрозоли, имеются препятствия, то крупные
частицы по инерции сталкиваются с ними, а
мелкие вместе с потоком газа могут их
обогнуть. Улавливание частиц за счет
инерции называют импакцией (например
захват снежных хлопьев ветровым стеклом
автомобиля). Эффективность инерционного
улавливания определяется тремя факторами:

43. Факторы определяющие эффективность инерционного улавливания

1. Число Рейнольдса для воздуха относительно препятствия
Re c uo g d c / g
uo – скорость воздуха относительно препятствия в отсутствие
помех, см/с; dc – диаметр коллектора, см;
2. Траектория частицы, которая зависит от ее массы,
аэродинамического сопротивления, от размера и формы
препятствия, а также от скорости газового потока;
3. Способность препятствия удерживать частицы; обычно ее
принимают равной 100 %.
Эффективность улавливания увеличивается с увеличением чисел Rec

44. Инерционное осаждение

Если считать, что частицы подчиняюся закону Стокса (т.е. не учитывать
действие всех силовых полей), то,
приравнивая силы инерции частицы
и сопротивление воздуха движению
частицы, получим уравнение
движения частиц
К p du p / dt u g u p
или
K p dv p / dt v g v p
где
Kp
C p d 2p u0
9 g d c
Кр – безразмерный параметр
инерции – отношение длины
пробега частицы к радиусу препятствия; up, vp – составляющие
скорости частицы по осям х и у;
ug, vg – составляющие скорости
газового потока относительно
препятствия по осям х и у; u0 –
начальная скорость частицы,
см/с; dc – характерный размер
препятствия, см

45. Теоретические и экспериментальные значения эффективности улавливания для препятствия при потенциальном и вязком течениях

Экспериментальные и расчетные значения эффективности улавливания для
сферических и цилиндрических коллекторов: 1 – сфера (теория, потенциальное
течение); 2 – сфера (эксперимент); 3 – цилиндр (эксперимент); 4 – сфера (теория,
вязкое течение)
Теоретическое решение уравнений движения позволяет определить критическое
значение Кp, ниже которого не происходит инерционного улавливания.

46. Касание

Если поверхность частицы соприкасается с препятствием,
то частица улавливается за счет касания.
При рассмотрении инерционного улавливания
предполагалось, что частица представляет собой точечную
массу. Однако в действительности улавливание
происходит при соударении препятствия с поверхностью
частицы, а не центра. Поэтому не существует единой
кривой, описывающей зависимость эффективности
улавливания от параметра инерции Кр.

47. Эффективность улавливания частиц при Кр = 0

Т.е. частица движется по линии тока в потенциальном течении, то
1
1 К
1
К
2
где К = dp/dc.
Если частицы улавливаются в цилиндре при ламинарном течении,
то
С D Re c 1,5
0,0518
2
K
Если частица улавливается за счет касания в турбулентном потоке,
тогда
1
1 К
1
К

48. Гравитационное осаждение

Когда частицы улавливаются свободно падающими
каплями, предполагается, что:
скорость оседания частиц много меньше скорости
улавливающих капель, т. е. размеры капель гораздо
больше, чем частиц;
воздух насыщен парами и не происходит испарения или
увеличения размера капель;
касанием и диффузией пренебрегаем.

49. Гравитационное осаждение

Скорость оседания
определяется по
графикам как для
потенциального ( пот),
так и для вязкого ( вяз)
течений в
зависимости от
величины числа
Рейнольдса и
диаметра капли при
20 С и 760 мм рт. ст.

50. Гравитационное осаждение

Фактическую g находим по формуле Ленгмюра
Rec
пот
вяз
60
g
Rec
1 60
Если загрязненный газ имеет малую скорость и крупные частицы,
то g с помощью изолированного волокна посредством
гравитационного осаждения может быть достаточно велика:
G K G
C d 2p p g
18 g uo
,
где KG – безразмерный гравитационный параметр, равный отношению скорости
осаждения частицы к скорости газового потока после обтекания волокна.

51. Гравитационное осаждение

Зависимость
эффективности
улавливания частиц
( р = 2 г/см3)от их
диаметра свободнопадающими каплями
воды. Максимальная
эффективность
улавливания
наблюдается при
диаметре капли воды
0,1–0,2 см.

52. Диффузия

Когда частицы очень малы, то они редко
улавливаются за счет инерционного
соударения или касания, т. к. могут легко
обтекать препятствия по линиям потока, и
величина отношения dp/dc для них мала.
Если среда является неподвижной, то частицы,
сталкиваясь с молекулами газа, могут
пересекать линии газового потока, соударяться
с препятствием и удаляться.

53. Диффузия

.
Концентрация аэрозоля вблизи поверхности препятствия
rc
C Ci 1
где Сi – концентрация частиц в основной части газового потока, см-3;
rc – радиус препятствия, см; – расстояние от центра препятствия, см.
При этом градиент концентрации С у поверхности препятствия:
С Ci
rc
Скорость осаждения на сферическом препятствии для неподвижного газа (г/с, если значение С в г/см3)
4 D p rcCi

54. Диффузия

Если аэрозоль движется вблизи сферы, то скорость диффузии
возрастает, а ее величина будет зависеть от значения чисел
Рейнольдса Re и Шмидта Sc, которое представляет собой безразмерную величину, характеризующую относительные скорости
диффузионного и конвективного переноса при постоянном Rec:
Sс g / p D p
При малых числах Рейнольдса (Rec < 3) и больших числах Шмидта
(Sc = 106) коэффициент диффузии будет низким и тогда
1/ 2
2 D p rd Ci Re c Sc
1/ 3
.

55. Диффузия

Для тех же значений чисел Шмидта при Rec = 600÷2600
1/ 2
1,6 D p rd Ci Re c Sc
1/ 3
При числе Шмидта, равном 103, и Rec = 100 700
1/ 2
1,9 D p rd Ci Re c Sc
1/ 3
.
В случае диффузионного осаждения на изолированном волокне вводится
число Пекле Ре, равное отношению общей скорости переноса в объеме к
скорости диффузии:
Pe
uo d f
Dp
где df – диаметр препятствия, см.
3 uo d f g d p
,
C kT

56. Электростатическое осаждение

Частицы аэрозоля приобретают электрический заряд:
в процессе образования,
в результате диффузии свободных ионов,
под действием коронного заряда,
в результате трения или дезагрегации, при этом
образуются две группы частиц с противоположными
зарядами.
Дисперсионная среда при этом не приобретает значительного заряда. Суммарный заряд положительных и
отрицательных частиц, взвешенных в воздухе, равен 0.

57. Электростатическое осаждение

Наличие электростатического заряда оказывает влияние на улавливание частичек в электрическом поле. Если в системе, состоящей из
загрязненного частицами воздушного потока и препятствия, нужно
определить параметр улавливания, представляющий собой отношение электростатической силы к силе сопротивления Стокса – Каннингхема, то необходимо точно представлять механизм взаимодействия. Если заряд распределен по препятствию равномерно, а частицы имеют противоположный знак заряда, то для кулоновской
силы безразмерный электростатический параметр
KE
C q p qc
3 2 g d p u0 0 d c2
где u0 – скорость частицы относительно газового потока.

58. Электростатическое осаждение

Если заряжен только аэрозоль, то
1
2 2
2 2C d p qc
KE
2
4
3 g u0 d c 0 d c
где – диэлектрическая постоянная; qp – заряд частицы, Кл;
qc – заряд на коллекторе (на единицу площади), Кл/см2;
0 – диэлектрическая проницаемость в вакууме, равная
8,85 10–21 Ф/м.

59. Очистка потока газа от аэрозольных частиц

Устройства, в которых частицы осаждаются под
действием сил тяжести, инерции либо и тех и других,
принято называть механическими осадителями.
В гравитационных осадителях частицы осаждаются из
потока газа под действием собственного веса.
В инерционных – поток внезапно подвергается
изменению направления движения, при этом
возникают инерционные силы, которые стремятся
выбросить частицы из потока.

60. К механическим обеспыливающим устройствам относятся:

осадительные камеры – устройства предназначены для
улавливания грубодисперсных частиц движущихся с потоком в
горизонтальном направлении размерами 50 - 500 мкм и более;
инерционные пылеуловители - очистка производится
за счет резкого изменения направления потока. Частицы пыли
размером 30–40 мкм по инерции ударяются о поверхность, выпадают и удаляются из аппарата через разгрузочные устройства;
циклоны - запыленный газ по спирали движется внутри
аппарата. Взвешенные частицы под действием центробежной
силы отбрасываются к стенкам циклона и, теряя скорость,
опускаются по его конической части.

61. Осадительные камеры

газ медленно пропускают через большую камеру. Расстояние, требуемое
для осаждения частиц, можно уменьшить путем разделения пространства
камеры несколькими горизонтальными параллельными плоскостями.
обычная пылеосадительная камера;
камера Гаварда

62. Осадительные камеры

Размеры камер подбирают на основе подсчета сил, действующих
на частицу, и скорости вертикального движения вниз под
действием результирующей силы. По закону Ньютона ускорение
вертикального движения частиц определяется результирующим
действием силы тяжести, плавучести и сопротивления среды. В
данном случае эффектом плавучести можно пренебречь, тогда
силу сопротивления определяют как
2
2
u
dus
f
s
rp
m
gm C D
2
dt
где СD – коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса
для движущейся частицы;

63. Осадительные камеры

f us d p
С D С D Re С D
При Re < 0,5 CD
24
Re
(закон Стокса),
а при больших числах Рейнольдса
24
4
CD
1/ 3
Re Re
(уравнение Клячко).
0,5 < Re < 800

64. Осадительные камеры

В области применения закона Стокса скорость находят просто:
us
g p f d 2p
18
Скорость осаждения для более крупных частиц (dp > 70 мкм)
us
4d p р f g
3 f C D

65. Осадительные камеры

Частица, поступающая
в камеру на уровне hc,
должна двигаться
прямолинейно. Осядет
она или нет,
определяется условием
uc hc u0 l.
Разрез осадительной камеры:
1 – очищенная зона;
2 – предельная траектория

66. Осадительная камера

Осажденная фракция частиц с одной и той же скоростью
седиментации us определяется соотношением
hс u0 l
.
H us
Размеры камеры определяются размером наименьших частиц,
которые должны быть осаждены полностью. Поэтому вначале
рассчитывают us, затем находят l = us/u0, принимая hc / H = 1.
Значение u0 должно быть меньше скорости, при которой
начинается унос частиц, но не более 3,05 м/с и, наконец,
определяют произведение и выбирают высоту и ширину
осадительной камеры.
Q
ВH
u0

67. Инерционные осадители из-за резкого изменения направления потока, частицы пыли по инерции ударяются о поверхность, выпадают и

удаляются из
аппарата через разгрузочные устройства
а–б – пылевые мешки; в – жалюзийный пылеуловитель

68. Инерционные осадители

Достоинства: благодаря низкому гидравлическому сопротивлению устройства могут быть
встроены непосредственно в воздуховоды или
газоходы, выполняя функции предварительной
ступени очистки.
Недостатки: сложность очистки и абразивный
износ. Их эффективность не более 70–75 % при
размерах пылевых частиц 30–40 мкм.

69. Циклонные осадители Схемы циклона и батарейного циклона

Циклон состоит из
двух частей –
цилиндрической
трубы и
суживающегося
книзу конуса.
Запыленный газ по
спирали движется
внутри аппарата.
Взвешенные
частицы под
действием
центробежной силы
отбрасываются к
стенкам циклона и,
теряя скорость,
опускаются по его
конической части.

70. Циклонные осадители

Циклоны широко используются в цементной, химической,
деревообрабатывающей промышленности, металлургии и др.
Эффективность работы циклона резко изменяется вместе с
колебаниями расхода газа. Этот недостаток устраняется в
мультициклонах. В этом случае в зависимости от расхода газа
включается в работу то или иное число циклонов.
Средняя эффективность обеспыливания газа составляет
- 98 % при размерах частиц пыли 30–40 мкм,
- 80 % – при dр = 10 мкм,
- 60 % – при размерах частиц 4–5 мкм.
Основной недостаток циклонов – большой абразивный износ
проточных частей аппарата пылью.

71. Циклонные осадители

Зависимость
степени
улавливания в
батарейном
циклоне
от размера
частиц пыли

72. Циклонные осадители

Циклоны бывают двух типов – с тангенциальным входом
и с осевым.
Циклон первого типа, в котором газ в вихреобразном
движении, очищаясь, меняет свое направление и
покидает циклон через канал Dе.
В циклонах с осевым входом газ поступает через
центральный штуцер вблизи одного из оснований
цилиндра. Он обтекает лопасти, сообщающие потоку
вращательное движение. Уловленные частицы выносятся
периферическим потоком, а очищенный газ выходит в
центре противоположного основания.

73. Циклонные осадители

Циклоны изготавливают из обычной углеродистой стали,
при необходимости можно использовать другой металл
или керамический материал. Устройство не содержит
движущихся частей, поэтому эксплуатация его проста.
При проектировании циклона вначале выбирают его тип,
затем определяют размеры, фракционную эффективность,
перепад давления и потребную для каждого циклона
мощность. Для этого необходимо иметь данные о скорости
потока газа, составе, температуре, давлении, концентрации
и дисперсном составе пыли.

74. Циклонные осадители

Траектория движения частицы в циклоне определяется
действием на нее центробежной силы. Тангенциальная
скорость газа на линии тока зависит от радиуса вращения
n
u т R const, где показатель степени n ≤ 1 и может быть
определен по экспериментально полученной формуле
n 1 1 0,67 D
0,14
Т
283
0, 3
где D – диаметр циклона, м; Т – температура газа, K.

75. Циклонные осадители

Траектория движения частиц описывается с учетом уравнения
Ньютона при замене gm на центробежную силу из предположения,
что радиальная составляющая силы сопротивления подчиняется
du s
закону Стокса и
т. е. радиальная скорость смещения
0
dt
постоянна, тогда
t
2n 2
2
R
9 R1
1
2 2
n 1 d p u т1 R1
где t – время, которое требуется частице, вначале находящейся на
расстоянии R1 от оси, для того чтобы достичь координаты R, с.
Полученное уравнение описывает горизонтальное движение, а
вертикальное определяется стационарной скоростью оседания.

76. Циклонные осадители

Для определения общей эффективности работающего циклона
необходимо произвести измерения:
1) запыленности входящего потока, кг/м3;
2) общего количества уловленной пыли за определенный интервал
времени, кг/с;
3) скорости потока, м/с.
Тогда общая эффективность улавливания
C1 C 2
E
Vт
C1
где С1 и С2 – концентрация пыли в газе соответственно до и после
циклона; Vт – объемная скорость.

77. Циклонные осадители

Запыленность потока определяют с помощью фильтра,
объемную скорость – с помощью трубки Пито.
Для нахождения точки отбора пробы необходимо
соблюдать следующее условие:
поток не должен иметь возмущений поля течения, т. е.
плоскость с точками отбора следует располагать в
прямой части канала на расстоянии 8–10 диаметров
канала от любого изгиба.

78. Циклонные осадители

Общая эффективность улавливания определяется как масса
осажденных частиц, отнесенная к массе частиц, поступающих в
осадитель. Обе величины отнесены к единице времени.
Общую эффективность улавливания можно найти
интегрированием фракционной эффективности по распределению
частиц по размерам:
1
E E g d f E g f ,
0
где Eg – фракционная эффективность улавливания частиц
диаметром dp; f – массовая доля частиц в потоке, имеющих размер
меньше dp.

79. Циклонные осадители

На основе вероятностного подхода к процессу
пылеулавливания расчетную степень очистки в
механических осадителях можно определить по формуле
х
1
t 2
ηрасч
е dx Φ( x ),
2
где Ф(х) – интеграл вероятности (функция Крампа).

80. Циклонные осадители

Значения Ф(х) выбирают по таблице справочных данных в
зависимости от величины х, рассчитываемой по формуле
dm
lg
d 50
х
,
lg 2 r lg 2
где d50 – размер частиц, осаждаемых в аппарате при данном
режиме его работы c эффективностью 50 %; lg2 –
стандартное отклонение в функции распределения
фракционных степеней очистки.

81. Циклонные осадители

Например, для циклонов размер частиц d50 можно
рассчитывать по формуле
т
d 50 d 50
( Dц р gVт ) ( Dц g gV )
где Dц – диаметр циклона, м; р – плотность частиц, кг/м3; Vт –
условная скорость газов. Величины d50, lg2 , определенные
экспериментально при разработке аппаратов, рассматриваются как
справочные.
Фракционная эффективность определяется прямым отбором потока
на каскадный импактор, имеющий не менее шести ступеней до и
после циклона. Фракционная эффективность улавливания циклона
может быть более 80 % даже для частиц диаметром 10 мкм.

82. Мокрые скрубберы

Это устройства, в которых для улавливания
частиц используется жидкость.
В одних скрубберах первичный захват
происходит на водной поверхности, в других
– водой смывают частицы, осажденные на
твердой поверхности. В последнем случае в
качестве первой ступени очистки
используется циклон или фильтр.

83. Мокрые скрубберы

В мокрых скрубберах реализуется тесный контакт газа
и жидкости, сопровождающийся генерацией капель.
Отдельно следует отметить возможность уноса
жидкости из скруббера в теплообменник и далее через
газоходы в дымосос, дымовую трубу, а затем и в
атмосферу, вследствие чего возможны коррозия,
повреждения вентиляторов и выбросы загрязнителя.
Особое внимание нужно уделять очистке жидкости
после орошения и возможности использования
полученных отходов.

84. Скрубберная система

1 – всасывающий
зонт;
2 – газоходы;
3 – система предварительной обработки;
4 – скруббер;
5 – сепаратор уноса;
6 – теплообменник;
7 – дымосос;
8 – дымовая труба;
9 – насос;
10 – устройство для
подготовки жидкости

85. Скрубберная система Твердые частицы в скрубберах улавливаются с помощью нескольких основных механизмов:

1. Инерционное осаждение обусловлено изменениями направления течения масс в малом масштабе (например при наличии малого препятствия).
2. Броуновская диффузия хорошо работает, когда частицы имеют
диаметр менее 0,1 мкм и смещаются под ударами газовых молекул
(Инерционное осаждение и броуновская диффузия являются главными
механизмами улавливания частиц скрубберами. Когда диаметр частиц
свыше 0,3 мкм, более важно инерционное осаждение, причем его
эффективность растет с увеличением размера частиц. Если диаметр частиц
меньше 0,3 мкм, начинает преобладать диффузия, эффективность ее растет
с уменьшением размера частиц).
3. Диффузиофорез. Массоперенос в скруббере, который может заключаться в конденсации водяного пара на холодной поверхности воды,
приводит к появлению силы, под действием которой частицы осаждаются
на поверхности. Такое осаждение может быть значительным, а доля
захваченных частиц – примерно равной доле конденсата.

86. Осаждение частиц под действием диффузиофореза описывается следующим уравнением

М1
1/ 2
DG
dy
uD
1/ 2
[ yM 1 1 y M 2 ] 1 y dr
или
1
dy
u D F1DG
1 y dr
где uD – скорость диффузиофоретического осаждения, м/с; M1 –
молярная масса воды, кг/моль; DG – коэффициент диффузии воды
через газ-носитель, м2/с; у – мольная доля водяного пара; M2 –
молярная масса газа-носителя, кг/моль; r – расстояние в направлении
диффузии, м; F1 – функция состава (для ориентировочных расчетов
можно использовать среднее значение 0,85).

87. Скрубберная система Твердые частицы в скрубберах улавливаются с помощью нескольких основных механизмов:

4. Электростатическое осаждение. Частицы, несущие электростатический заряд, могут быть осаждены под действием градиента заряда. Этот механизм высокоэффективен для частиц любого
размера. Электростатические заряды (если они есть на частицах)
оказывают влияние на эффективность инерционного осаждения:
* через кулоновское взаимодействие между заряженной частицей и
заряженным коллектором:
Кс
Qd Q p C
3 2 EG g u0 d d2 d p
где Кс – безразмерный параметр кулоновского взаимодействия; Qd – заряд капликоллектора, Кл; Qp – заряд частицы, Кл; EG – диэлектрическая постоянная газа,
Ф/см; dd – диаметр капли, м; u0 – скорость газа по отношению к телу
(коллектору), м/с;

88. Электростатические заряды (если они есть на частицах) оказывают влияние на эффективность инерционного осаждения:

* благодаря зеркальным силам между заряженной частицей и
нейтральным коллектором:
E d EG
Q 2p C
К ic 2
3
3 0 d p d d g u0 E p 2 EG
где Кic – безразмерный параметр зеркальной силы для частицы; Ed – диэлектрическая постоянная капли, Ф/см; Ep – диэлектрическая постоянная частицы, Ф/см;
* благодаря зеркальной силе между нейтральной частицей и
заряженным коллектором:
2Qd2 d 2p C E d EG
K ip 2
3 EG d d5 g u0 E p 2 EG
где Кiр – безразмерный параметр зеркальной силы для коллектора;

89. Электростатические заряды (если они есть на частицах) оказывают влияние на эффективность инерционного осаждения:

* путем воздействия внешнего однородного электрического поля,
параллельного направлению движения потока, на заряженную частицу при наличии нейтрального коллектора:
Q p E0C
K ex
3 g u0 d p
где Кех – безразмерный параметр воздействия внешнего электрического поля; E0 –
напряженность однородного внешнего электрического поля, В/см;
* через дипольное взаимодействие между нейтральной частицей и
нейтральным коллектором, поляризованными внешним электрическим
полем, направленным параллельно потоку:
E p EG Ed EG EG d p2 E02C
,
Kicp
E 2E E 2E
d d g u0
p
G
d
G
где Kicp– безразмерный параметр взаимодействия между электрическими диполями.

90. Скрубберная система Твердые частицы в скрубберах улавливаются с помощью нескольких основных механизмов:

5. Конденсация на частицах наблюдается, когда происходит
увеличение массы частиц из-за пленочной конденсации
водяного пара на их поверхности, вследствие чего повышается
эффективность инерционного осаждения. Это явление может
происходить одновременно с диффузиофорезом и называется
градиентно-силовым конденсационным улавливанием (ГСК).
Так как ГСК-улавливание связано с одновременным действием
нескольких механизмов, математическая модель этого
процесса сложна и громоздка. Поэтому чаще всего пользуются
упрощенными методами, основанными на раздельном влиянии
сил.

91. Скрубберная система

Например, если конденсация на частицах происходит до скруббера, то
последовательность расчета может быть следующей:
определяют начальное распределение частиц по размерам на входе;
рассчитывают долю конденсата для условий работы скруббера;
находят диффузиофоретический проскок, пренебрегая осаждением за
счет других механизмов:
1 0,85q
Pt D 1 0,85 fV
H 1 18 / 29
где fV – объемная доля конденсирующего компонента; q – отношение конденсации [кг
конденсата / кг сухого газа] H1 – начальная относительная влажность, %;
определяют распределение по размерам после обводнения на выходе из
конденсатора, считая, что на каждой частице конденсируется одинаковое
количество пара;
рассчитывают фракционный и общий проскок через скруббер.

92. Скрубберная система Твердые частицы в скрубберах улавливаются с помощью нескольких основных механизмов:

6. Коагуляция повышает эффективность осаждения из-за увеличения размера частиц, которое происходит при их слипании
вследствие броуновского движения или турбулентности.
Для повышения эффективности работы скрубберов иногда используют
поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Эффективность работы аппаратов определяется следующими процессами:
улавливание каплями жидкости, двигающимися через газ; улавливание
цилиндрами (типа проволок); улавливание пленками жидкости (обычно
текущими по твердым поверхностям); улавливание пузырьками газа
(обычно поднимающихся в жидкости); улавливание при ударе газовых
струй о жидкие или твердые поверхности.
В любом из этих случаев твердые частицы отделяются от газа благодаря
одному или нескольким механизмам улавливания. Скорость осаждения
может быть увеличена благодаря укрупнению частиц.

93. Скруберная система

Рассчитать скорость осаждения можно, если известны все силы,
действующие на частицу. Тогда можно определить скорость
осаждения для данной концентрации Ср, площадь, на которой
происходит осаждение Аd, и объемный расход газа QG.
Предполагая, что upd постоянна по всей плоскости осаждения и
перемешивание отсутствует, эффективность улавливания
E 1
С pe
C pi
u pd Ad
QG
где upd – скорость осаждения частицы, см/с.

94. Скрубберная система

Для случая идеального перемешивания, как в
высокотурбулентном потоке, проскок
u pd Ad
Pt
exp
C pi
QG
C pe
Используя последнее уравнение, можно получить
значение эффективности, превышающее единицу, т. е.
устройство будет иметь эффективность, равную 100 %,
и концентрация будет снижена до нуля.

95. Скрубберная система Зная механизм улавливания, можно рассчитать скорость осаждения частицы:

при гравитационном осаждении
C d 2p p G g
us
18 g
при броуновской диффузии
при диффузиофорезе
Dp
u ВD 1,13
0,5
PD G
0,5
u D
P
0,5
0,5
p М pG M G pG
при миграции в электрическом поле
E p C E 0 E c E p d p
ue
E 2
4 g
p

96. Скрубберная система

Математическое выражение для общего проскока пыли с
любым распределением по размерам через любое устройство
имеет вид
w
Pt d
Pt
dw,
w
0
где Рt – доля проскакивающих частиц; Рtd – доля
проскакивающих частиц фракции размером dpa; w - общее
количество пыли, кг. Правая часть этого уравнения есть
интеграл от произведения массовой доли фракции на величину
проскока для фракции.

97. Скрубберная система

Если улавливание в аппарате происходит по инерционному
механизму, то (где Ае и Ве – константы)
Be
Ptd exp Ae d pa
1 E,
Если улавливаемые частицы крупнее 1 мкм, то удобным может
быть выражение, связывающее проскок с физическим (d), а не
с аэродинамическим (dpa) диаметром (где Ар – константа):
Ptd exp Ap d pBe ,
Для случая колонн с насадками и ситовыми тарелками
Ве = 2, для центробежных скрубберов Ве = 0,67.

98. Скрубберная система

Аппараты «мокрого» типа классифицируются в
основном по главным конструктивным
механизмам улавливания частиц. Они бывают:
тарелочные,
насадочные,
центробежные,
экранные,
брызгальные и другие скрубберы, а также
газопромыватели.

99.

Схема мокрых пылеуловителей: а – промывная башня, заполненная
кольцами Рашига, стекловолокном или другими материалами: 1 –
распределитель воды; 2 – корпус; 3 – насадка; 4 – опорная пластина;
б – труба Вентури с циклоном: 1 – генератор аэрозоля; 2 – циклон; 3 –
сборник шлама

100. Схема полого форсуночного скруббера

1 – входной
патрубок;
2 – корпус;
3 – система
орошения

101. Скрубберные системы

К недостаткам мокрого пылеуловителя относят:
сложность выделения уловленной пыли из воды;
возможность кислотной или щелочной коррозии
при переработке некоторых газов;
значительное ухудшение условий рассеивания
через заводские трубы отходящих газов,
увлажненных при охлаждении в аппаратах этого
типа.

102. Фильтрация - один из старейших и широко распространенных методов удаления частиц из запыленных газовых потоков

Фильтрация один из старейших и широко распространенных методов
удаления частиц из запыленных газовых потоков
Она может обеспечить улавливание разных частиц любого дисперсного
состава, а при правильном выборе фильтра может задерживать и жидкие
капельки.
Исторически первыми материалами для таких фильтров были натуральные
волокна – шерсть и хлопок. Синтетические волокна расширили диапазон
по температуре и в отношении химически агрессивных аэрозолей.
Область применения тканевых фильтров ограничивается параметрами
очищаемого потока. Например, температурами, превышающими 500–600
K, при которых разрушается ткань или укорачивается срок ее службы до
экономически невыгодного, а также составом газа или частиц, которые
могут разрушать ткань или не поддаются удалению из фильтра (клейкие
частицы). Некоторые технологические трудности могут быть решены
изменением условий работы фильтра, например охлаждением потока. Для
первичной фильтрации высокотемпературного потока используют
гравийные фильтры.

103. Фильтрация

Прохождение газа через фильтр требует расхода энергии, который
определяется по перепаду давления на фильтре и зависит от скорости
газа. Сочетание этих двух величин образует параметр, называемый
сопротивлением:
P
S
V
где Р – перепад давления на фильтре, кН/м2 (кПа); V – скорость на поверхности
фильтра (линейная скорость на лобовой поверхности, м/с, или в модифицированной форме
P S EV K 2 Ci V t
2
где SE – эффективное остаточное сопротивление ткани, (кН с)/м3; К2 –
коэффициент удельного сопротивления пыли, Н с/(г м); C i – концентрация
пыли в потоке газа, г/м3; t – время фильтрации, с.

104. Фильтрация

Величина SE является мерой сопротивления чистого тканевого
фильтра, в котором имеется глубоко проникшая остаточная
пыль. На рис. показана зависимость SE от массы пыли,
удерживаемой фильтром.
Сопротивление
фильтрующего
материала
в функции
количества
осажденной
пыли

105. Фильтрация

В момент приближения частицы пыли к волокну действуют
следующие механизмы, которые могут привести к ее улавливанию:
касание, когда частица, двигаясь мимо препятствия на расстоянии
меньше своего радиуса, касается препятствия и захватывается;
инерционный захват, когда под действием инерции частица сходит с первоначальной траектории, сталкивается с препятствием и
захватывается;
диффузия, когда частица настолько мала, что ее траектория становится хаотичной вследствие броуновского движения. Захват
происходит, если случайное отклонение приводит частицу к волокну. Этот механизм становится наиболее важным при размере
частиц менее 0,1 мкм;

106. Фильтрация

электростатическое осаждение, наблюдаемое при
противоположных знаках заряда частицы и препятствия;
термофорез, когда частица смещается к препятствию под
действием градиента температуры;
гравитационное осаждение, когда частица смещается с линии
тока под действием земного тяготения;
ситовый эффект, при котором частица задерживается из-за
того, что слишком велика, чтобы пройти через данную пору
или канал.

107. Действие наиболее важных механизмов фильтрации В каждом случае предполагается, что частица захватывается, если касается

волокна, нити или ранее осажденной частицы
Механизмы захвата частиц (касание и
инерция): 1 – частицы;
2 – инерционный захват;
3 – нить или волокно; 4 – касание;
5 – линии тока
Механизмы захвата частиц (диффузия и
электрическая сила):
1 – частицы;
2 – диффузия; 3 – нить или волокно; 4 –
электрическая сила;
5 – линия тока
Механизмы захвата частиц (ситовый
эффект): 1 – частица; 2 – линии тока; 3 –
нить или волокно;
4 – ранее захваченные частицы;
5 – частица, размер которой больше
проходного сечения

108. Фильтрация

Основой тканевого фильтра является гибкая пористая паутина
текстильного материала, в результате твердые частицы отделяются от газового потока. Материалы фильтров могут быть разнообразными и выбираются по стоимости, рабочей температуре, химическим и физическим условиям, методу очистки и эффективности.
Для выбора фильтра необходим подробный анализ очищаемых
газов: сведения о потоке (будет он постоянным или переменным
и в каких пределах), температуре и характере применения
фильтра.
Колебания величины потока определяют выбор линейной
скорости фильтрации, а колебания температуры влияют на выбор
материала и на конструкцию.

109. Фильтрация

Кроме того, нужны сведения о запыленности потока, о
химических и физических характеристиках пыли, составе газа,
о перепаде давления и параметрах технологического цикла.
Размер частиц и их плотность влияют на выбор линейной
скорости. Например, относительно большие частицы малой
плотности могут стать причиной высокого сопротивления,
если неправильно выбрана линейная скорость или характер
поля течения газа неудовлетворителен. В результате –
вторичный унос или образование мостиков между пылевыми
отложениями на разных рукавах, что приведет к избыточному
выбросу пыли.

110. Фильтрация

Химические и физические свойства пыли определяют успешную
работу фильтра. Если пыль абразивная, снижается срок службы
рукавов, если пыль липкая или гигроскопическая, то наблюдается залипание рукавов и недостаточная очистка.
Состав газа определяет выбор материала, при этом должны быть
известны рабочая температура и условия использования. В настоящее время верхний температурный предел промышленного
применения фильтров составляет около 550 K (стекловолокнистые материалы, которые теперь используются не только в тканевой форме, но и в валяном виде). Другая новая высокотемпературная разработка – нанесение микропористой политрифторэфирной пленки на тканевые и валяные набивные материалы.

111. Фильтрация

К вспомогательным элементам системы очистки относят вентилятор и двигатель, побуждающие к движению газовый поток.
Предпочтительнее помещать вентилятор после фильтра, чтобы
уменьшить абразивное воздействие пыли. Экономически целесообразно выбирать вентилятор с запасом по номинальным характеристикам, потому что в отдельные моменты времени он может
работать с перегрузкой. Потребляемая вентилятором энергия:
P 0,00184Q P t
где P – мощность вентилятора, кВт; Q – объемная скорость потока,
м3/с; P - перепад давления, Па; t – время эксплуатации, ч/год.

112. Фильтрация

Потеря давления в системе состоит из потерь:
на фильтре,
в воздуховодах,
в коллекторе.
Потери давления в воздуховодах вычисляют посредством
аэродинамического расчета. Перепад давления в фильтре
зависит от конструкции и габаритов последнего и обычно лежит
в пределах 100–400 Па.
В системе в целом падение давления может составлять
0,4–0,5 кПа, однако типичным являются значения 1,0–2,0 кПа.

113. Фильтрация Кроме сопротивления важной характеристикой фильтра является проскок. Деннис и Клемм получили ряд уравнений для

расчета
концентрации на выходе из фильтра и проскока через него:
С0 Pn s 0,1 Pn s exp aW Ci C R
где С0 – концентрация на выходе, г/м3; Pns – безразмерная постоянная;
Pns 1,5 10 7 exp[12,7(1 e 60,18V )]
а – поправочный коэффициент;
a 4,66 10 V
4
4
0,094
где V – локальная лобовая скорость, м/с; W – количество пыли на
фильтре, г/м2; Сi – концентрация пыли на выходе, г/ м3; СR –
концентрация уносимых с фильтра частиц (постоянная), г/м3.

114. Фильтрация Из уравнений видно, что проскок растет с увеличением линейной скорости

Зависимость проскока от
линейной скорости для
опытного фильтра
промышленной котельной
Зависимость проскока от
линейной скорости для
фильтра небольшой
коммунальной котельной

115. Фильтрация

Деннис и Клемм предложили использовать следующее уравнение
для определения коэффициента удельного сопротивления пыли:
S 0 10 2 3 2 5 / 3
K2
60 p C c 3 4,5 1 / 3 4,5 5 / 3 3 2
где – вязкость газа, Па·с; S0 – безразмерный параметр удельной
поверхности
1,15 lg 2 g / ММD
S0 60 10
где ММD – массовый медианный диаметр частиц, мм; g – стандартное
геометрическое отклонение размера частиц (безразмерное); - насыпная плотность слоя пыли, кг/м³; p – плотность частиц, кг/м3; β ρ/ρ p
Сс – поправка Каннингхема (~1 при ММD > 5).

116. Способы регенерации тканевых фильтров

Возможность регенерации – одна из важнейших отличительных
особенностей тканевого фильтра.
Структура фильтровального материала определяет:
- гидравлическое сопротивление аппарата,
- его нагрузку по газу,
- необходимую площадь фильтрации,
- а следовательно, размеры фильтра,
-энергозатраты, т. е. экономичность и конкурентоспособность
фильтра.

117. Регенерация фильтрованных элементов

сводится к приложению тех или иных нагрузок к запыленному
фильтрованному материалу, обеспечивающих в конечном итоге
разрушение и отделение пылевого слоя от материала.
Для приложения нагрузок могут использоваться механические
(обычное встряхивание, иногда кручение) или пневматические
(различные виды обратной продувки: непрерывная,
пульсирующая, импульсная, струйная) способы.
Механическое приложение нагрузки сочетается, как правило,
с непрерывной обратной продувкой. Возможны также другие
способы регенерации с применением, например, акустических
колебаний, однако они не получили распространения в
промышленности

118. Способы регенерации рукавных фильтров: а – обратная посекционная продувка; б – струйная продувка; в – импульсная продувка; г –

акустическая регенерация; д – механическое встряхивание;
е – кручение рукавов; ж – качание рукавов; з – вибрация

119. К рисунку - Способы регенерации рукавных фильтров:

1 – направления движения запыленного газа;
2 – движущееся кольцо;
3 – продувочный воздух;
4 – пузырек сжатого воздуха;
5 – эжектор;
6 – импульс давления;
7 – реверсивное вращательное устройство;
8 – вибратор

120. Способы регенерации рукавных фильтров

Механизм разрушения пылевого слоя при регенерации
различными способами имеет общие черты. Практически во
всех способах разрушение пылевого слоя происходит по
ослабленным аутогезионным связям, обычно без нарушений
адгезионного взаимодействия частиц с волокнами, т. к.
последние велики.
Поэтому важное значение для удаления пыли имеют
- структурные неоднородности пылевого слоя, обусловленные
наличием крупных частиц,
- подвижность нити в тканях,
- интенсивность колебаний фильтровального материала.

121. В зависимости от способа регенерации различают следующие пять типов фильтров:

1. Фильтр с механическим встряхиванием (только
механическая регенерация).
Применяется редко, причем для очистки газов небольшого объема, содержащих грубую, легко отряхиваемую
пыль.
Скорости фильтрации находятся в диапазоне 0,4–1,2
м/мин.
Фильтровальным материалом служат ткани из природных и синтетических волокон. Конструкция получается
простой (аппараты ФР-6П, ФТ-2М, ФТНС-М и др.);

122. В зависимости от способа регенерации различают следующие пять типов фильтров:

2. Фильтр со встряхиванием и одновременной
обратной продувкой воздухом низкого давления
(менее 10 кПа).
Расход воздуха при регенерации в этом случае такой
же, как и при фильтрации.
В отдельных случаях при рыхлой структуре слоя у
фильтров с такой регенерацией скорость фильтрации
может достигать 2 м/мин благодаря глубокой очистке
ткани (аппараты ФРУ, ФРВ-20, ФРН-30, РФ 1 и д.р.);

123. В зависимости от способа регенерации различают следующие пять типов фильтров:

3. Фильтр с одной обратной продувкой воздухом
низкого давления (менее 10 кПа), который может
подаваться непрерывно или в виде пульсирующего потока.
Способ находит преимущественное применение при
длине рукавов до 10 м и диаметре порядка 300 мм.
Фильтры оснащаются рукавами из синтетической ткани,
стеклоткани или иглопробивного войлока.
В зависимости от вида пыли (грубой или средней
дисперсности) нагрузки могут составлять 0,6–2,5 м/мин
(аппараты ФР, ФРДО и др.);

124. В зависимости от способа регенерации различают следующие пять типов фильтров:

4. Фильтр с импульсной регенерацией воздуха высокого
давления (0,5 105 до 7 105 Па).
Рукава надеваются на каркасы. В ходе регенерации рукава
раздуваются, что обеспечивает дополнительное механическое
воздействие.
Скорости фильтрации лежат между 1,5 и 2,5 м/мин в
зависимости от адгезионных свойств слоя пыли.
Хотя применение сжатого воздуха не является дешевым
способом регенерации, тем не менее фильтры с импульсной
продувкой, благодаря повышенной нагрузке по газу, получили
широкое распространение (аппараты ФРКИ, ФРКДИ, ФРКН);

125. В зависимости от способа регенерации различают следующие пять типов фильтров:

5. Фильтры со струйной продувкой, характеризующиеся тем,
что воздух обратной продувки проходит не через всю поверхность
ру-кава, а лишь через узкий участок, расположенный напротив
коль-цевого сопла с щелью шириной от 0,8 до 6 мм.
Сопло непрерывно перемещается по высоте рукава, обеспечивая
очистку всей его поверхности. При этом пыль удаляется полностью,
так что эффективность пылеулавливания определяется способностью чистого фильтровального материала (плотный войлок)
захватывать частицы пыли.
Преимуществом таких фильтров является повышенная скорость
фильтрации (до 6 м/мин) (однако они применяются лишь при пониженной
концентрации пыли на входе – не более 50 мг/м³ (аппарат РФОСП).

126.

127.

128.

129.

130. Каталитические методы

Связаны с химическими превращениями
токсичных компонентов в нетоксичные
на поверхности катализаторов.
Очистке подвергают только те газы,
которые не содержат пыль и
катализаторные яды.

131. Каталитическое разложение оксидов азота

Сущность способа заключается в том, что
оксиды азота восстанавливаются газомвосстановителем (водородом, метаном,
оксидом углерода и др.) в присутствии
катализаторов.
Восстановление метаном:
СH 4 O 2 CO 2 2H 2 O
CH 4 4 NO CO 2 2H 2 O 2 N 2
CH 4 2 NO 2 CO 2 2H 2 O N 2

132. Каталитическое разложение оксидов азота

Восстановление водородом:
2H 2 2 NO N 2 2H 2 O
4H 2 2 NO 2 N 2 4H 2 O
Восстановление оксидом углерода:
2СO 2 NO N 2 2CO 2
4CO 2 NO 2 N 2 4CO 2

133. Катализаторы

В качестве катализаторов используют
различные металлы, которыми
покрывают огнеупорные материалы
(носители). Чаще применяют
палладиевый катализатор, нанесенный
на окись алюминия. Температура начала
контактирования при восстановлении
400–470 °C.

134. Очистка от СО

Гидрированием оксида углерода на
катализаторах можно практически полностью
удалить СО из газов. Процесс проводят при
высоких давлениях и повышенных температурах
с использованием никелевых и железных
катализаторов:
СО 3H 2 CH 4 H 2 O
1
2
СО 2 4 H 2 CH 4 2 H 2O
О 2 H 2 H 2O

135. Очистка газов от SO2

Существует метод очистки газа от SO2 с
получением сульфата аммония, который можно
использовать как удобрение. В этом процессе
SO2 окисляют до SO3 в присутствии V2O5 при
450–480 °C.
Затем при температуре 220–260 °C вводят
газообразный аммиак, в результате чего
образуются тонкие кристаллы сульфата аммония,
которые отделяют в циклонах и
электрофильтрах.

136. Схема радиального реактора

1 – камера
сгорания;
2 – теплообменник;
3 – вентилятор для
подачи ПГС;
4 – катализатор;
5 – газоход;
6 – шибер

137. Схема реактора без использования тепла

1 – вентилятор;
2 – катализатор;
3 – горелка

138. Схема реактора с частичным использованием тепла

1 – катализатор;
2 – люк для
загрузки
катализатора;
3 – теплообменники;
4 – камера
сгорания

139. Интенсивность работы катализатора

Активность (интенсивность работы)
катализатора характеризуется изменением
скорости химической реакции при вводе в
систему катализатора:
K кат
A
К
где Ккат, К – константы скоростей соответственно
каталитической и гомогенной некаталитической
реакций.

140. Общая активность каталитического процесса

зависит от многих параметров и может быть
представлена функцией:
A f Скат , Са , Си , Сп , T , P, S уд , d , r, , M и , M п
где Скат, Са, Си, Сп – соответственно концентрации катализатора,
активатора, исходных веществ и продуктов, кг/м3; Т – температура, С; Р – давление, Па; Sуд – удельная поверхность
катализа-тора, м2; d – средний размер зерна, мм; r –
эквивалентный радиус пор, мм; – линейная скорость газового
потока, м/с; Ми и Мп – молекулярные массы соответственно
исходных веществ и продуктов, моль.

141. Стадии каталитического процесса:

внешняя диффузия исходных веществ из газового потока к
поверхности катализатора;
внутренняя диффузия в порах катализатора;
активированная адсорбция реагирующих веществ на
поверхности катализатора с образованием поверхностного
химического соединения;
химическая реакция между адсорбированными веществами
с образованием продуктов;
десорбция продуктов катализа;
диффузия продукта в порах катализатора и от его
поверхности в газовый поток.

142. Достоинства термокаталитической газоочистки

непрерывность процесса,
отсутствие шлама и сточных вод,
высокая степень очистки при значительных объемных
скоростях,
стабильная работа катализатора в течении длительного
времени.
Метод термокаталитической очистки вредных примесей в
отходящих газах находят все более широкое распространение благодаря универсальности, экономичности и
относительной простоте аппаратурного оформления.

143. Значения температуры влияния различных веществ на катализаторы

.
Окисляемое
вещество
Температура начала
реакции, °С
Окисляемое
вещество
Температура начала
реакции, °С
Альдегиды
173 – 234
СО
316 – 343
Амины
250 – 346
Пропан
293 – 332
Ацетилен
207 – 241
Растворитель
260 – 400
Бензин
201 – 298
Смолы
260 – 400
215 - 250
Ксилол
200 – 240
Тринитротолуо
л
Толуол
Лаки
316 – 371
Фенол
216 – 497
Нитротолуол
265 - 297
Этанол
261 - 293
Бензол
200 – 250

144. Катализаторы глубокого окисления органических веществ

Металлы платиновой группы проявляют высокую
активность в реакциях глубокого окисления органических
соединений и по своей активности они значительно
превосходят другие катализаторы.
Широкому применению платины, как и других благородных металлов, в качестве катализаторов препятствует их
высокая стоимость. Поэтому во всех случаях стараются
использовать нанесенные катализаторы.
В качестве носителей применяют оксиды алюминия и
кремния. Метод приготовления катализатора основан на
взаимодействии соединений палладия с органическими
восстановителями на поверхности носителя.

145. Свойства платиновых катализаторов

Катализаторы
Показатель
НИИОГАЗ-9Д
НИИОГАЗ-11Д
Химический состав
Кольцевидный
носитель с нанесенной
платиной
Кольцевидный
носитель с нанесенной
платиной
Насыпная плотность, г/см3
0,87
0,82
Удельная поверхность, м2/г
22
26

146. Свойства палладиевых катализаторов

Катализаторы
Показатель
НИИОГАЗ-17Д
НИИОГАЗ-14Д
Химический состав
Палладий на
нихромовом носителе
Палладий на
нихромовом носителе
Насыпная плотность, г/см3
0,7-0,9
0,5-0,7
Удельная поверхность, м2/г
0,03-0,06
0,05-0,08

147. Свойства на металлических носителях платинопалладиевых катализаторов

Показатель
Катализаторы
НИИОГАЗ-3Д
НИИОГАЗ-10Д
Химический состав
Нихромовый носитель с
Нихромовый носитель с
нанесенной на его
нанесенной на его поверповерхность пленкой,
хность пленкой, состоя-щей
состоящей из смеси
из оксидов алюми-ния,
оксидов алюминия, хрома и
бериллия и малых добавок
малых добавок платины и
платины и палладия
палладия
Насыпная плотность, г/см3
0,7-0,9
0,7-0,9
Удельная поверхность, м2/г
0,2-0,5
0,2-0,5
Механическая прочность на
раздавливание, х10, Мпа
90
-
Механическая прочность на
истирание, %
80
80

148. Характеристики меднохромовых и алюмомеднохромовых катализаторов НИИОГАЗ

Показатель
Катализаторы
НИИОГАЗ-4Д
НИИОГАЗ-5Д
НИИОГАЗ-7Д
НИИОГАЗ-8Д
CuO,
Cr2O3,
Al2O3
CuO,
Cr2O3
CuO,
Cr2O3
CuO,
Cr2O3,
Al2O3
Размеры гранул, таблеток,
мм
– диаметр
– высота
9±0,5
9±1
8±0,5
4,7±0,3
8±0,5
4,7±0,3
5-8
10-12
Насыпная плотность, г/см3
20-50
14-20
15-20
150-200
Удельная поверхность, г/м2
0,2-0,5
Общий объем пор, г/см3
0,3-0,4
-
-
0,5-0,6
Механическая прочность на
раздавливание по торцу, х101, МПа
90
400
400
--
Температура устойчивой
работы, °С
450
500
400
700
Химический состав
0,2-0,5

149. Температуры окисления спиртов и кислот на алюмомеднохромоксидном катализаторе