Осаждение частиц в электрическом поле

Осаждение взвешенных в газе твердых и жидких частиц под действием электрического поля имеет преимущества по сравнению с другими способами осаждения. Действие электрического поля на заряженную частицу определяется величиной ее электрического заряда. При электроосаждении частицам небольших размеров удается сообщить значительный электрический заряд и, благодаря этому, осуществить процесс осаждения очень малых частиц, который невозможно провести под действием силы тяжести или центробежной силы.

Принцип электрической очистки воздуха (газов) от взвешенных частиц заключается в зарядке частиц с последующим их выделением из взвешивающей среды под воздействием электрического поля.

Физическая сущность электроосаждения состоит в том, что газовый поток, содержащий взвешенные частицы, предварительно ионизируют, при этом содержащиеся в газе частицы приобретают электрический заряд. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит под воздействием электрического поля и вследствие диффузии ионов. Максимальная величина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм - диаметру частиц.

При обычных условиях большая часть молекул газа нейтральна, т. е. не

несет электрического заряда того или иного знака; вследствие действия различных физических факторов в газе всегда имеется некоторое количество носителей электрических зарядов. К таким факторам относится сильный нагрев, радиоактивное излучение, трение, бомбардировка газа быстродвижущимися электронами или ионами и др.

Ионизация газа осуществляется двумя способами:

1) самостоятельно, при достаточно высокой разности потенциалов на электродах;

2) несамостоятельно - в результате воздействия излучения радиоактивных веществ, рентгеновских лучей.

В промышленности электроосаждение взвешенных частиц из газа проводится таким образом, что газовый поток направляется внутрь трубчатых (или между пластинчатыми) положительных электродов, которые заземляются (рис. 2.11). Внутри трубчатых электродов натягиваются тонкие проволочные или стержневые электроды, являющиеся катодами.

Если в электрическом поле между электродами создать определенное напряжение, то носители зарядов, т. е. ионы и электроны, получают значительное ускорение, и при их столкновении с молекулами происходит ионизация последних. Ионизация заключается в том, что с орбиты нейтральной молекулы выбивается один или несколько внешних электронов. В результате происходит превращение нейтральной молекулы в положительный ион и свободные электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией.

Рис. 2.11. Схемы электродов газоочистки

При прохождении ионизированного потока газа в электрическом поле между двумя электродами заряженные частицы под действием электрического поля перемещаются к противоположно заряженным электродам и оседают на них.

Часть межэлектродного пространства, прилегающая к коронирующему электроду, в которой происходит ударная ионизация, называется коронирующей областью. Остальная часть межэлектродного пространства, т. е. между коронирующим и осадительным электродами - называется внешней областью.

Вокруг коронирующего электрода наблюдается голубовато-фиолетовое свечение (корона). Коронный разряд сопровождается также тихим потрескиванием. При коронном разряде происходит выделение озона и оксидов азота.

Образовавшиеся в результате ударной ионизации ионы и свободные электроны под действием поля также получают ускорение и ионизируют новые молекулы. Таким образом, процесс носит лавинообразный характер. Однако по мере удаления от коронирующего электрода напряженность электрического поля уже недостаточна для поддержания высоких скоростей, и процесс ударной ионизации постепенно затухает.

Носители электрических зарядов, перемещаясь под действием электрического поля, а также в результате броуновского движения, сталкиваются с пылевыми частицами, взвешенными в газовом потоке, проходящем через электрофильтр, и передают им электрический заряд.

При ионизации образуются как положительные, так и отрицательные ионы: положительные ионы остаются вблизи «короны» у катода, а отрицательные направляются с большой скоростью к аноду, встречая и заряжая на своем пути взвешенные в газе частицы.

Большая часть взвешенных частиц, проходящих в межэлектродном пространстве, получает заряд, противоположный знаку осадительных электродов, перемещается к этим электродам и осаждается на них. Некоторая часть пылевых частиц, находящихся в сфере действия короны, получает заряд, противоположный знаку коронирующего электрода, и осаждается на этом электроде.

Если создать на электродах разность потенциалов (4…6) кВ/см, и обеспечить плотность тока (0,05…0,5) мА/м длины катода, то запыленный газ при пропускании его между электродами почти полностью освобождается от взвешенных частиц.

Рассмотрим основные зависимости, характеризующие электрическую очистку газов (воздуха) от пылевых частиц.

Основной закон взаимодействия электрических зарядов - закон Кулона

выражается формулой

F = k₁ (q₁ q₂/r²), (2.50)

где q₁, q₂ - величины взаимодействующих точечных зарядов; r – расстояние между ними; k₁ - коэффициент пропорциональности (k₁ > 0).

Под точечными зарядами понимают заряды, находящиеся на телах любой формы, причем размеры тел малы по сравнению с расстоянием, на котором сказывается их действие.

Коэффициент пропорциональности k1 зависит от свойств среды. Этот коэффициент может быть представлен в виде отношения двух коэффициентов

k₁ = k/ε (2.51)

где k - коэффициент; ε - безразмерная величина, называемая относительной диэлектрической проницаемостью среды. Для вакуума ε = 1.

Закон Кулона может быть выражен также

(2.52)

Коэффициент k в системе СИ принимают k = 1/4 π.ε₀; здесь ε₀ - электрическая постоянная.

Подставим эту величину в формулу (2.52.)

F = q₁∙q₂/(4 π∙ε₀∙ε∙r²), (2.53)

где ε₀ = 8,85∙10^-12 Кл²/(Н.м²).

Для характеристики электрического поля применяют физическую величину - напряженность поля Е. Напряженностью в какой-либо точке электрического поля называют силу, с которой это поле действует на одиночный положительный заряд, помещенный в эту точку.

Коронный разряд возникает при определенной напряженности поля. Эта величина называется критической напряженностью и для отрицательной полярности электрода может быть определена по эмпирической формуле

Екр = 3,04(β + 0,0311 √β / r )10⁶ , (2.54)

где r - радиус коронирующего электрода, м; β - отношение плотности газа в

рабочих условиях к плотности газа в стандартных условиях (t = 20⁰С; р = 1,013∙10⁵ Па):

(2.55)

Здесь В - барометрическое давление, Па; рr - величина разрежения или абсолютного давления газов, Па; t - температура газов, °С.

Формула (2.54) предназначена для воздуха, но с некоторым приближением может применяться и для дымовых газов.

Напряжение поля на расстоянии x от оси коронирующего электрода:

, (2.56)

где U - напряжение, приложенное к электродам; R1 и R2 - радиусы коронирующего и осадительного электродов.

Величина заряда q (кА), приобретаемого проводимой частицей сферической формы под воздействием электрического поля, рассчитывают по формуле:

q = 3∙π ∙ d_ч² ∙ε ∙ E, (2.57)

где ε - диэлектрическая проницаемость среды; dч - диаметр частицы; Е - напряженность электрического поля коронного разряда.

Величина заряда, приобретаемого электронепроводящей частицей:

, (2.58)

где εч - относительная диэлектрическая проницаемость частицы.

Предельный заряд частиц диаметром более 1 мкм определяют по формуле

q_пред=n e=0.19∙10^-9 r² E, (2.59)

где n - число элементарных зарядов; e - величина элементарного заряда, равная 1,6∙10^-19 Кл; r - радиус частицы, м; E - напряженность электрического поля, В/м.

Формула (2.59.) непосредственно применима, если диэлектрическая проницаемость вещества пыли е равна 2,5. Для многих веществ значение е значительно отличается: для газов е = 1; для гипса е = 4; для окислов металлов e =12. ..18; для металлов e = ∞.

Если е ≠2,5, то значение qпред, полученное по формуле (2.59.), умножают на поправку, представляющую собой отношение

D_e=m/D_e=2.5, (2.60)

где De=m - значение D = 1 + 2(ε - 1)/(ε + 2) при e = m; при ε = 2,5, D = 1,66; при ε = 1, D = 1.

Пыль с малой электрической проводимостью вызывает явление обратной «короны», которое сопровождается образованием положительно заряженных ионов, частично нейтрализирующих отрицательный заряд частиц, вследствие чего они теряют способность перемещаться к осадительному электроду и осаждаться. На проводимость пыли оказывает влияние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное электрическое сопротивление пыли снижается. При высоких температурах газа понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухудшению улавливания пыли.

В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро: за время менее секунды заряд частиц приближается к своему предельному значению (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Соотношение заряда частиц от времени зарядки

Время зарядки, с	10-3	10-2	10-1	1,0
Заряд, в % от предельного	13,8	61,0	94,0	99,5

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле, м/с, можно определить по формуле

w_ч = 10^-11E² r/μ₀ (2.61)

где Е - напряженность электрического поля, В/м; r - радиус частицы, м; μ₀ - динамическая вязкость газа (воздуха), Па.с.

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром менее 1 мкм в электростатическом поле, м/с, может быть определена по формуле

w_ч = 0,17.10^-11E/μ₀ (2.62)

Скорость движения взвешенных частиц, получивших заряд, зависит от размера частиц и гидравлического сопротивления газовой среды.

Скорость осаждения частицы в электрическом поле при ламинарном режиме движения:

w_ч = n∙ e₀ ∙ E_x /(3π d_ч ∙ μ₀ ) , (2.63)

где n - число зарядов, полученных частицей; e₀ - величина элементарного заряда; μ₀ - коэффициент динамической вязкости газового потока.

Время осаждения может быть найдено из уравнения:

; (2.64)

где R - расстояние от оси коронирующего электрода до поверхности осадительного электрода; R1 – радиус коронирующего электрода.

Величина wч изменяется с изменением величины x.

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть определена по формуле полученной теоретическим путем

η = 1 – exp(- w_Д f), (2.65)

где wд - скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному электроду, м/с; f - удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м³/с очищаемого газа (воздуха), м².

Пыль с малой электрической проводимостью вызывает явление обратной «короны», которое сопровождается образованием положительно заряженных ионов, частично нейтрализирующих отрицательный заряд частиц, вследствие чего они теряют способность перемещаться к осадительному электроду и осаждаться. На проводимость пыли оказывает влияние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное электрическое сопротивление пыли снижается. При высоких температурах газа понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухудшению улавливания пыли.

Термофорез частиц аэрозолей

Термофорезом называют явление отталкивания частиц нагретыми телами. Происходит под действием сил со стороны газообразной фазы на взвешенные в ней неравномерно нагретые частицы. Действие сил в значительной мере зависит от отношения размера частиц dч к средней длине свободного пробега молекул газа, lt.

Термофоретическая сила возникает вследствие того, что от более нагретой стороны частицы молекулы газа отлетают с большей скоростью, чем от менее нагретой стороны, и таким образом сообщают частице импульс в направлении понижения температуры.

Если dч < lt, термофоретическая сила Fт (Н), действующая на частицу, может быть определена по формуле:

F_Т = - d_ч p_r l_t ΔT_r/T_r, (2.66)

где рг - абсолютное давление газов, Па; ΔTг - градиент температуры в газах, К/м; Tг – абсолютная температура газа, К.

При названных выше условиях скорость частиц при термофорезе равна:

w_ч = 6 μ₀ ΔT_r/[(8 + π α)T_r ρ₀], (2.67)

где α - доля рассеянных частицей молекул газа; для частиц неправильной формы и с очень гладкой поверхностью (аморфные и жидкие) α ≈ 0,9; для частиц, образованных механическим путем и с острыми углами, α ≈ 1,0.

Как видно из формулы (2.67.), скорость частиц при термофорезе не зависит от размера частиц.

Термофорез не имеет применения в промышленных целях. Однако действие термофореза мы наблюдаем на практике. Так, происходит осаждение пыли на наружных стенах против приборов центрального отопления. Нежелательным является осаждение частиц, взвешенных в горячих газах, на холодных стенках котлов и теплообменников. Образовавшийся слой обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению теплотехнических характеристик аппаратов.

Частным случаем термофореза является фотофорез, который возникает вследствие неравномерного освещения сторон тел, а, следовательно, их нагрева.