Электрическая коагуляция

Во многих слу­чаях взвешенные в газах частицы в зависимости от происхожде­ния и химического состава несут на себе положительный или отри­цательный электрический заряд.

Этот естественный электрический заряд взвешенных частиц ус­ловно носит название трибозаряда.

Электрические заряды можно сообщать взвешенным частицам и искусственно, путем, например, воздействия на газы различных ионизаторов, использования коронного разряда (электрофильт­ров), создания контакта с заряженными телами. В большинстве случаев неметаллические взвешенные частицы в естественных ус­ловиях заряжаются положительно, а металлические частицы - от­рицательно; соли заряжаются в зависимости от их химического состава. В промышленных газах число положительно заряженных частиц, получивших естественные электрические заряды, может быть равно числу отрицательно заряженных, что, как правило, на­блюдается для весьма мелких частиц при их однородном химиче­ском составе. В ряде случаев преобладают частицы, несущие заряд одного знака.

При коагуляции монодисперсных частиц, с зарядами q1и q2(одинакового или противоположного знака) си­лы электрического взаимодействия накладываются на броуновское движение, увеличивая или замедляя коагуляцию в зависимости от знака заряда частиц. Отношение скорости коагуляции частиц при наличии на них электрических зарядов NE к скорости броуновской (тепловой) коагуляции Nбp можно представить в виде

β= NE/Nбp (3.22)

Отбрасывая индукционные силы, как не оказывающие большо­го влияния, Н. А. Фукс получил достаточно простые формулы для расчета величины β в случае биполярной зарядки частиц при одноименных зарядах (отталкивание):

электрическая коагуляция - student2.ru

и при разноименных (притяжение):

электрическая коагуляция - student2.ru

Здесь величина электрическая коагуляция - student2.ru находится из выражения

электрическая коагуляция - student2.ru

Так как на практике в большинстве случаев происходит сим­метричная биполярная зарядка, примем величину электрическая коагуляция - student2.ru = 0,5. Тогда для разноименных зарядов β=1,271 и для одноименных -0,770, т. е. частицы с разноименными зарядами будут коагулировать не­сколько быстрее, а с одноименными - медленнее, чем нейтраль­ные частицы. Поскольку среднеарифметическое значение, состав­ляет 1,02, суммарный эффект зарядки на коагуляцию весьма не­значителен.

Обычно естественный заряд взвешенных частиц составляет от 1 до 10% искусственного заряда, который частица может полу­чить, например, в зоне коронного разряда.

В табл. 3.1 приведены результаты расчета предельного числа зарядов частиц разных размеров, находящихся в электрическом поле, заполненном ионами одного знака.

Таблица 3.1 - Предельное число элементарных зарядов, получаемых частицей в электрическом поле, заполненном ионами одного знака

Диаметр частицы, мкм Относительные диэлектри­ческие свойства частицы Число зарядов, получаемое частицей
ε электрическая коагуляция - student2.ru Воздействием поля Е, В/м За счет ионной диффузии
1,5·105 3,0·105
0,4
1,0
2,0
10,0
20,0

Когда частицы попадают в электрическое поле, на них инду­цируется заряд и скорость коагуляции значительно возрастает. Электрическое поле напряженностью Е возбуждает в находящих­ся в нем шаровых частицах с диаметром dч электрические диполи с моментом Р (Н/м), равным

электрическая коагуляция - student2.ru

Сила взаимодействия между двумя такими диполями, центры которых находятся на расстоянии электрическая коагуляция - student2.ru друг от друга, определя­ется:

электрическая коагуляция - student2.ru

где электрическая коагуляция - student2.ru - угол между направлением поля и линией центров частиц.

Частицы притягиваются в том случае, когда они расположены вдоль направления поля, и отталкиваются при расположении пер­пендикулярно к нему.

Строгое решение задачи коагуляции частиц в электрическом поле представляет значительные трудности. В случае упрощения, задачи (при отсутствии учета теплового движения частиц) ско­рость движения двух частиц навстречу друг другу, соответствую­щая максимальному притяжению ( электрическая коагуляция - student2.ru =0), равняется

электрическая коагуляция - student2.ru

а время τ (в с), необходимое для соприкосновения частиц, находящихся в начальный момент τ’=0 на расстоянии электрическая коагуляция - student2.ru , составит

электрическая коагуляция - student2.ru

Оценим продолжительность соприкосновения частиц по форму­ле (1.127) при следующих условиях: μг=18·10-6 Па·с (воздух при 20°С), Е=3·105 В/м, массовая концентрация пыли z= 5 г/м3; ρч=103 кг/м3. Тогда, счетная концентрация частиц размером dч=10-7 м составит n=1016 1/м3, а расстояние между ними (при рав­номерном распределении частиц в газовом потоке) электрическая коагуляция - student2.ru = 5·10-6 м. Для частиц размером электрическая коагуляция - student2.ru =10-6м соответственно получим n=1013 1/м3 и электрическая коагуляция - student2.ru = 5·10-5м. Продолжительность соприкосновения для час­тиц обеих диаметров τ составит ≈5,6·103 с.

Для того, чтобы частицы соприкоснулись уже через 1 с, необ­ходимо частицы размером электрическая коагуляция - student2.ru =10-7 м сблизить на расстояние электрическая коагуляция - student2.ru ≈1,4·10-7 м, а частицы размером электрическая коагуляция - student2.ru =10-6 м - на расстояние электрическая коагуляция - student2.ru ≈1,4·10-6м.

Отсюда следует, что механизм коагуляции частиц в электриче­ском поле заключается в предварительном сближении их под дей­ствием диффузии на расстояние, достаточное для активного воз­действия на них электрических сил.

Что величина β в случае поляризации частиц в электрическом поле является функцией величины α1, оп­ределяемой по формуле

электрическая коагуляция - student2.ru

Ниже приводятся данные, характеризующие влияние электри­ческого поля на скорость коагуляции туманов (в виде зависимости среднего значения электрическая коагуляция - student2.ru от электрическая коагуляция - student2.ru :

электрическая коагуляция - student2.ru ……  
электрическая коагуляция - student2.ru ……. 1,0 0,95 1,07 1,7 3,4 6,8 Далее электрическая коагуляция - student2.ru

Оценим величину электрическая коагуляция - student2.ru при нормальной температуре (Тг=293 К). В этом случае

электрическая коагуляция - student2.ru

При достаточно сильном электрическом поле Е = 3·105 В/м для частиц размером dч=10-6м величина электрическая коагуляция - student2.ru ≈90, а для частиц разме­ром dч=10-7м электрическая коагуляция - student2.ru ≈0,09. Таким образом, для частиц порядка 1 мкм величина электрическая коагуляция - student2.ru 30, а для частиц порядка 0,1 мкм она меньше 1.

1 - броуновский; 2 - турбулентный; 3 - электриче­ский (Е=3·105 В/м); 4 - градиентный (градиент ско­рости у стенки 104 1/с"); 5 - ускорения; 6 - кинема­тический (относительная скорость газов и частиц υог =0,7м/с; dK=2·10-4 м); 7 - кинематический (υог =100 м/с; dK=2·10-4 м).

Условия: скорость газов в газоходе 10 м/с; диаметр газохода 1м; ρч=1000 кг/м3.

Рисунок 3.2 - Сопоставление механизмов коагуля­ции (в воздухе при нормальных условиях).

Из приведенных выше расчетов следует, что заметное ускоре­ние электрической коагуляции достигается лишь при сильных электрических полях. Скорость электрической коагуляции резко падает с уменьшением размера частиц, и у частиц порядка 10-7 м преобладает коагуляция за счет броуновской диффузии.

При коагуляции в электрическом поле твердых частиц образующийся «двойник» ориентируется своей длин­ной осью параллельно полю, и его дипольный момент в этом положении значительно больше, чем у первичных частиц. Коагуляция «двойника» с дру­гими частицами происходит преиму­щественно у его концов, благодаря чему он растет в длину. Ско­рость коагуляции при этом достаточно быстро возрастает, а полу­чаемые в результате коагуляции агрегаты приобретают форму ни­тей или цепочек.

Сравнительную оценку рассмотренных выше механизмов коа­гуляции можно сделать на основании рис. 3.2, где приводятся за­висимости N/(n')2от dч.

Помимо приведенных на рис. 3.2 можно перечислить и другие механизмы коагуляции частиц: акустический, магнитный, за счет вибрации частиц в вибрирующем газовом потоке и др. Из них наи­более изучена коагуляция частиц в ультразвуковом поле.

Наши рекомендации