Тема роботи: Оцінка ефективності очищення пилу пиловловлювачами мокрого типу

Мета:ознайомитися з методикою оцінювання ефективності очищення пилу пиловловлювачами мокрого типу, навчитися здійснювати розрахунки з ефективності роботи обладнання.

Теоретичні відомості

В інерційних пиловловлювачах сухого типу сепарований пил відводиться разом з частиною повітря із пиловловлювача у простір, де здійснюється його кінцеве осідання під дією власної ваги, тобто його вловлювання. На відміну від цього, в пиловловлювачах мокрого типу процес сепарації закінчується при контакті частинок пилу з рідиною, що зволожує їх, при чому цей контакт здійснюється на змочених стінках або перегородках, на краплях води. Ефективність такого вловлювання значно вища, ніж сухого, за умови, якщо поверхні сепарації безперервно омиваються водою. В пиловловлювачах даного виду дотримування цієї умови досягається нагнітанням води із ззовні, при чому вся вода, що бере участь у процесі, безперервно відводиться із пиловловлювача і знову в нього потрапляє. Питома витрата води досягає 2,5 л на 1 м³ повітря.

Характерними представниками пиловловлювачів мокрого типу є відцентрові скрубери (циклони з водяною плівкою), скрубери Вентурі та ін.

Ефективність уловлювання пилу відцентровим скрубером в основному залежить від величини радіальної швидкості частинок пилу, що визначається за формулою:

, м/с (1.1)

де k - постійний параметр, що визначають за формулою:

(1.2)

де Q_c - секундна витрата запиленого повітря, що подається у скрубер, м³/с;

R_ск - радіус скрубера, м;

R_п - радіус низхідного (спадаючого) потоку повітря, м.

Секундну витрату запиленого повітря, що подається у скрубер, визначають за формулою:

Q_c=F v_В, м³/с, (1.3)

де F - площа поперечного перетину вхідного патрубка скрубера, м²;

v_в - швидкість повітря, що подається у вхідний патрубок, м/с.

Час релаксації (змочування) τ визначають за табл. 1.

Для оцінки можливості вловлювання недостатньо змочених водою частинок пилу, визначають критерій Рейнольдса за формулою:

(1.4)

де v_p - радіальна швидкість частинок пилу, M/c;

d_eкв - еквівалентний діаметр вхідного патрубка скрубера, м, що визначається за формулою:

, м (1.5)

де S_nn - площа поперечного перетину вхідного патрубка, м²;

П - периметр поперечного перетину вхідного патрубка, м;

v - коефіцієнт кінематичної в’язкості води, м²/с (при температурі води 20°С v= 1,01 х 10 ^-6).

Таблиця 1

Значення тривалості релаксації (змочування) частинок пилу різних розмірів (ρ_п =2,5 г/м³)

Діаметр частинок пилу, d, мкм	Час релаксації, τ, с	Тривалість часу від моменту входу частинок на заокруг-лення, t, с	Діаметр частинок пилу, d, мкм	Час релаксації, τ, с	Тривалість часу від моменту входу частинок на заокруглення, t, с
	0,00000765	0,0000535		0,0361	0,2605
	0,00019	0,00133		0,0488	0,342
	0,000765	0,00535		0,0617	0,432
	0,00306	0,0214		0,0765	0,535
	0,0069	0,042		0,1715	1,20
	0,0122	0,0855		0,306	2,14
	0,0191	0,1335		0,476	3,34
	0,0275	0,1935		0,690	4,20

Встановлено, за умови, що значення Re < l х 10⁴ - змочувальна рідина (вода), що протікає у скрубер діаметром D=1 м, має перехідний характер. У випадку показника Re>l х 10⁴ - потік рідини є турбулентним. Це означає, що в скрубері заданого розміру найкраще змочуються і вловлюються крупні частинки пилу з діаметром d> 10 мкм і недостатньо вловлюються частинки пилу з d <10 мкм.

Оскільки, ефективність уловлювання пилу скрубером в основному залежить від радіальної швидкості, (швидкості входу) пилоповітряного потоку в скрубері, розрахункову швидкість вхідного повітряного потоку рекомендують приймати 20... 23 м/с, а середню швидкість - 4,5... .5,5 м/с.

Ефективність уловлювання Е₀ різних фракцій пилу скрубером діаметром 1 м при двох різних швидкостях входу пилоповітряного потоку показана на графіку (рис. 1), лінія 6 і 7.

Загальна ефективність скрубера іншого розміру може бути визначена за формулою:

(1.6)

де Е_о - ефективність скрубера діаметром 1 м, (обирають з графіка рис.1);

D - діаметр скрубера, для якого визначають ефективність очищення пилу, м.

Е_о,%

Рис. 1. Фракційна ефективність вловлювача
типу ПВМ і відцентрового скрубера

1 - осадження пилу на пластинці імпактора (струменевого осаджувана) при швидкості повітря в соплі 34 м/с; 2, 3, 4 і 5 - уловлювання пилу в пиловловлювачі типу ПВМ відповідно при величині 5, рівній 300, 200, 80 і 40 мм; 6 і 7 - уловлювання пилу у відцентровому скрубері діаметром 1 м при швидкості повітря у вхідному патрубку відповідно 23 і 15 м/с

Витрата водного ресурсу на зрошування відцентрових скруберів визначається товщиною водяної плівки, що утворюється на їх стінках. Встановлено, що в середньому вона рівна приблизно 300 мкм. Під впливом обертового руху повітряного потоку плівка змочує стінки скрубера нерівномірно.

Витрату води для змивання наліпленого пилу визначають за формулою:

, л/с, (1.7)

де D - діаметр скрубера, м.

Порядок розрахунку ефективності очищення пилу
відцентровими скруберами

1.Визначають за формулою (1.3) витрату пилоповітряної суміші, що подається у скрубер.

2.За формулою (1.2) визначається постійний параметр k.

3.Залежно від діаметра частинок визначається за табл. 1 значення тривалості їх релаксації.

4.За формулою (1.1) визначають величину радіальної швидкості частинок пилу.

5.За формулою (1.5) визначають еквівалентний діаметр вхідного патрубка скрубера.

6.Для оцінки можливості вловлювання недостатньо змочених водою частинок пилу визначають за формулою (1.4) критерій Рейнольдса.

7.При зданому діаметрі частинок пилу та швидкості у вхідному патрубку за графіком (рис. 1) визначають ефективність (Е₀ ) скрубера діаметром 1,0 м;

8.Для скрубера з будь-яким діаметром (менший або більший 1 м) визначають за формулою (1.6) фактичну його ефективність;

9.За формулою (1.7) визначають секундну витрату води для змивання шарів пилу, що налипають у вхідному патрубку скрубера.

Приклад 1

Оцінити можливість уловлювання недостатньо змочених водою частинок пилу розміром d=10 мкм у верхній частині відцентрового скрубера та розрахувати його ефективність роботи. Вихідні дані для розрахунку: густина частинок пилу ρ_п=2,5 г/см³, діаметр скрубера D=1,0 м, розмір поперечного перетину вхідного патрубка: а х в =0,35x0,62 м, швидкість входу повітря v=23 м/с, коефіцієнт кінематичної в’язкості води υ = 1,01 х 10^-6 м²/с (при t° води 20°С).

Розв'язок

1.Визначаємо секундну витрату пилоповітряної суміші за формулою (1.3):

Q=0,217 х 23=4,99 м³/с,

де площа поперечного перетину вхідного парубка: 0,35x0,62=0,217 м²;

2.Визначаємо за формулою (1.2) постійний параметр:

м² /с,

де радіус низхідного потоку повітря приймаємо R_H=0,15 м

3.За табл. 1 залежно від заданого діаметра частинок d =10 мкм пилу визначаємо тривалість їх релаксації х:

τ=7,65 х 10 ^-4 с;

4.За формулою (1.1) визначаємо радіальну швидкість частинок пилу:

м/с,

5.За формулою (1.5) визначаємо еквівалентний діаметр вхідного патрубка скрубера:

м,

де П - периметр; П=2 (0,35+0,62)= 1,94 м.

6.За формулою (1.4) визначаємо критерій Рейнольдса Re, за величиною якого оцінюємо можливість уловлювання недостатньо змочених водою частинок пилу:

За величиною Re = 12252,4 оцінюємо характер руху рідини. Відомо, якщо Re<l х10⁴, то рідина, що протікає в скрубері, має перехідний характер (добре вловлюються дрібні частинки), а при Re>1 х10⁴ - потік рідини турбулентний.

Порівнюючи значення розрахованої величини Re, видно, що потік рідини є турбулентний. Це означає, що в скрубері найкраще уловлюється достатньо змочені крупні частинки пилу діаметром d >10 мкм.

7.При заданому діаметрі частинок пилу (d=10мкм) і швидкості повітря v=23м/с за графіком (рис. 1) визначаємо ефективність скрубера з D=1 - Е₀ = 86%.

8.Визначаємо за формулою (1.6) фактичну ефективність скрубера:

Отже, Еф = Е₀.

Завдання

Оцінити можливість уловлювання недостатньо змочених водою частинок пилу розміром d=10 мкм у верхній частині відцентрового скрубера та розрахувати його ефективність роботи. Вихідні дані для розрахунку: густина частинок пилу ρ_п=2,5 г/см³, діаметр скрубера D=1,0 м, розмір поперечного перетину вхідного патрубка: а х в =0,4x0,62 м, швидкість входу повітря v=23 м/с, коефіцієнт кінематичної в’язкості води υ = 1,01 х 10^-6 м²/с (при t° води 20°С).

Практична робота № 10

Розрахунок абсорбційних установок для очищення атмосфери від шкідливих газів

Мета: ознайомитися з методикою розрахунку абсорбційних установок для очищення атмосфери від шкідливих газів.

Теоретичні відомості

Очищення атмосферного повітря від газових викидів методом абсорбції в практиці зазвичай називають скруберним процесом. Абсорбційний метод очищення повітря від газових забруднень полягає в розділенні газоповітряної суміші на складові частини шляхом поглинання одного або декількох газових компонентів (абсорбатів) цієї суміші рідким поглиначем (абсорбентом) з утворенням розчину.

Рушійною силою тут виступає градієнтний паритет концентрації на межі фаз «газ-рідина». Розчинений у рідині абсорбат, завдяки дифузії, проникає у внутрішні шари абсорбента. Процес прискорюється, коли збільшуються поверхня розділення фаз, турбулентність потоків і дифузія.

Для вилучення із технологічних викидів таких газів як аміак, хлористий чи фтористий водень, в якості поглинальної рідини (поглинача) доцільно застосовувати воду, оскільки розчинність цих газів у воді складає сотні грамів на 1 кг Н₂О. В окремих випадках, замість води застосовують водні розчини сірчистої кислоти, в’язкі масла та ін.

Контакт газового потоку з рідким розчинником (поглиначем) може створюватися трьома способами:

- пропусканням газу через насадкову колонку (башту);

- розпиленням рідини;

- барботажем газу через шар абсорбуючої рідини.

Залежно від прийнятого способу контакту фаз «газ-рідина» розглядають: насадкові абсорбери; форсункові, відцентрові, барботажно- пінні та тарільчасті скрубери, а також скрубери Вентурі.

Розрахунок абсорбційної установки зводиться до визначення: об’ємної витрати поглинальної рідини (поглинача); необхідної поверхні контакту газоповітряної суміші з поглинальною рідиною; параметрів допоміжної апаратури (потужності насосів, розміри баків).

Об’ємну витрату поглинальної рідини (поглинача) Q_n визначають із рівняння матеріального балансу процесу абсорбції - маса поглинального газу т, який вилучений із газоповітряної суміші, повинна бути рівною масі усього компонента, що перейшла в поглинальну рідину:

(1)

звідки (2)

де Q_ГПС - об’ємна витрата газоповітряної суміші, що підлягає очищенню, м³/с;

С₂, С₁ - початкова й кінцева концентрації газу в очищуваній газоповітряній суміші, г/м³;

С₁^/, С₂^/ - початкова й кінцева концентрації газу й поглинальної рідини (поглинача), г/м³.

Необхідну площу поверхні контакту газоповітряної суміші з поглинальною рідиною (поглиначем) визначають за формулою:

(3)

де k_аб- коефіцієнт абсорбції, кг/(м² год Па);

ΔР_сер - середня рушійна сила абсорбції, Па.

Коефіцієнт абсорбції характеризує швидкість розчинення газового компонента в поглинальній рідині, й визначається загальним опором дифузії цього компонента в поглинальній рідині через газово-рідинну плівку. Для добре розчинних газів коефіцієнт абсорбції визначають за формулою:

(4)

де М -молярна маса поглинаючого газу, кг;

ω_гп - швидкість газоповітряного потоку у вільному перетину скрубера, м/с;

Т - абсолютна температура газоповтряної суміші, °К;

d_eкв - еквівалентний діаметр насадки, що визначається з виразу:

(5)

S_ж.н^/ - площа живого перетину насадки, м²;

S_п' - питома поверхня, м².

Середню рушійну силу абсорбції визначають за формулою :

(6)

де Р_r' і Р"_г - відповідно парціальні тиски поглинального компонента (поглинача) в газовій фазі на вході та виході з апарата;

Р'_р і P_p^''' - відповідно парціальні зрівноважені тиски поглинального компонента над рідиною на вході та виході з апарата.

Принагідно при цьому cлід зауважити, що під час протитічного процесу абсорбції значення ΔР_сер значно зростає порівняно з прямотічним. Це говорить про те, що протитічний процес є більш вигідний, оскільки для абсорбції можуть застосовуватися апарати менших розмірів.

Розрахунок потужності електродвигуна насосу, що подає газоповітряну суміш в абсорбер, зводиться до визначення потужності електродвигуна за формулою:

кВт (7)

де К' - коефіцієнт запасу потужності електродвигуна (приймають К' = 1,1);

п - показник політропи (для поршневих насосів приймають 1,2.. 1,25).

V - об’єм повітря, що нагнітається насосом, м³/с;

Р₁ та Р₂ - початковий і кінцевий тиск у насосі, Па;

η_m - коефіцієнт використання електродвигуна насоса (приймають 0,85...0,92).