Промышленная очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц проводится для уменьшения загрязненности воздуха, улавливания из газа ценных продуктов или удаления из него вредных примесей, отрицательно влияющих на последующую обработку газа, а также разрушающих аппаратуру. Очистка отходящих промышленных газов является одной из важных технологических задач большинства химических производств. Поэтому разделение газовых неоднородных систем относится к числу широко распространенных основных процессов химической технологии.В промышленности условиях пыль может образовываться в результате механического измельчения твердых тел (при дроблении, истирании, размалывании, транспортировке и т.д.), при горении топлива (зольный остаток), при конденсации паров, а также при химическом взаимодействии газов, сопровождающемся образованием твердого продукта. Получаемая в таких процессах пыль состоит из твердых частиц размерами 3-70 мкм (ориентировочно). Взвеси, образующиеся в результате конденсации паров (нефтяные дымы, туманы смол, серной кислоты и др.), чаще всего состоят из очень мелких частиц размерами от 0,001 до 1 мкм.Различают следующие способы очистки газов:

1) осаждение под действием сил тяжести (гравитационная очистка);

2) осаждения под действием инерционных, в частности центробежных сил;

3) фильтрование;

4) мокрая очистка;

5) осаждения под действием электростатических сил (электрическая очистка.

Гравитационная очистка газов

Принцип действия простейшего противоточного циклона таков: поток запылённого газа вводится в аппарат через входной патрубок тангенциально в верхней части. В аппарате формируется вращающийся поток газа, направленный вниз, к конической части аппарата. Вследствие силы инерции (центробежной силы) частицы пыли выносятся из потока и оседают на стенках аппарата, затем захватываются вторичным потоком и попадают в нижнюю часть, через выпускное отверстие в бункер для сбора пыли (на рисунке не показан). Очищенный от пыли газовый поток затем двигается снизу вверх и выводится из циклона через соосную выхлопную трубу.

Конструкция

Существует огромное разнообразие типов циклонов. Кроме описанного выше противоточного циклона существуют и менее распространённые прямоточные. Противоточные циклоны различаются размерами, соотношением цилиндрической и конической частей, а также относительной высотой (т.е. отношением высоты к диаметру) цилиндрической части. Чем больше относительная высота, тем меньше коэффициент гидравлического сопротивления и разрежение в бункере (меньше вероятность подсоса пыли в аппарат), но меньше степень очистки. Наиболее оптимальна относительная высота 1,6, что соответствует принципу "золотое сечение".

Эффективность

Степень очистки в циклоне сильно зависит от дисперсного состава частиц пыли в поступающем на очистку газе (чем больше размер частиц, тем эффективнее очистка). Для распространённых циклонов типа ЦН степень очистки может достигать:

C уменьшением диаметра степень очистки возрастает, но увеличивается металлоёмкость и затраты на очистку. При больших объёмах газа и высоких требованиях к очистке газовый поток пропускают параллельно через несколько циклонов малого диаметра (100-300 мм.). Такую конструкцию называют мультициклоном или батарейным циклоном. Возможно также применить Электростатический фильтр, который, напротив, эффективен именно для малых частиц.

Достоинства и недостатки

Циклоны просты в разработке и изготовлении, надёжны, высокопроизводительны, могут использоваться для очистки агрессивных и высокотемпературных газов и газовых смесей. Недостатками являются высокое гидравлическое сопротивление, невозможность улавливания пылей с малыми размерами частиц и малая долговечность (особенно при очистке газов от пылей с высокими абразивными свойствами)

Циклоны - наиболее распространенные аппараты пылеочистки. Применяются на предприятиях металлургии, химической и нефтяной промышленности, в энергетике, деревообработке и других отраслях. При небольших капитальных затратах и минимальных эксплуатационных расходах, циклоны обеспечивают стабильную очистку воздуха от частиц и пыли размером более 10 мкм с эффективностью 80% - 95%. Основными элементами циклонов являются цилиндрический корпус, выхлопная труба и бункер. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении запыленного воздуха между и выхлопной трубой.В зависимости от пропускной способности по воздуху циклоны могут устанавливаться по одному или объединяться в группы из двух, четырех, шести или восьми циклонов. Циклон конструкции Научно - исследовательского института по санитарной и промышленной очистке газов (НИИОгаз) состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3. Запыленный газ поступает тангенциально со значительной скоростью (20-30м/сек) через патрубок 4 прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона. В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона. При таком вращательным движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении действия центробежной силы быстрее, чем частицы газа, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенкам аппарата, и переносятся потоком в пылесборник 5. Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается к верху и удаляется через выхлопную трубку 6. Движение частиц пыли в циклоне обусловлено в основном вращительным движением потока газа по направлению к пылесборнику (влияние сил тяжести частиц имеет в данном случае значительно меньшее значение). Поэтому циклоны можно устанавливать не только вертикально, но также наклонно или горизонтально.

ЦИКЛОН ЦН-15

Циклоны ЦН-15 предназначены для сухой очистки газов. Указанные циклоны рекомендуется применять для улавливания золы из дымовых газов; пыли, уносимой из сушилок; пыли, уносимой газом из аппаратов, в которых протекают процессы со взвешенными в газе частицами; пыли, образующейся при пневматической транспортировке материалов; для очистки загрязненного воздуха с начальной запыленностью до 400 г/м3. Для очистки воздуха от взрывоопасной, сильнослипающейся и волокнистой пыли циклоны ЦН-15 применять не следует. В зависимости от расхода очищаемого воздуха циклоны могут применяться как в одиночном исполнении, так и в групповом, состоящем из 2-х, 4-х, 6-и и 8-ми циклонов. При подборе типоразмера циклона надо учитывать, что с увеличением диаметра циклона степень очистки воздуха уменьшается. В связи с этим не рекомендуется применять циклоны с диаметром более 800-1000мм. Конструкция циклона рассчитана на температуру до 400°С и разряжение (давление) 5 (500) кПа (кгс/м2). Циклоны изготавливаются как левого, так и правого исполнения. Они могут устанавливаться как на всасывающей линии вентилятора, так и на нагнетании. В зависимости от этого одиночный циклон комплектуется с улиткой на выходе очищенного воздуха или зонтом. При очистки воздуха от абразивной пыли, вызывающей износ крыльчаток вентилятора, циклоны рекомендуется устанавливать перед вентилятором. В группе циклонов патрубки с выходом очищенного воздуха могут объединяться сборным коллектором с выходом воздуха вертикально и системой улиток каждого циклона, объединенных общим фланцем. В первом случае группа циклонов носит название ЦН-15-СП, во втором случае ЦН-15-УП, где П - форма бункера циклона - пирамидальная; числа 200,300,400 и т.д. соответствуют диаметру циклона Dмм.

При работе циклонов должна быть обеспечена выгрузка пыли. При этом уровень пыли в бункерах должен быть не выше плоскости, расположенной от крышки бункера на 0,5 диаметра циклона.

В технической характеристике приведены значения производительности, отнесенные к скорости в цилиндрической части циклона V=2,5 и 4,0 м/с. В обычных условиях оптимальной считается скорость 4,0 м/с. Скорость 2,5 м/с рекомендуется принимать при работе с абразивной пылью.

Циклон ЦН15-2СП

Рис.3. Циклон ЦН15-2СП

Циклон ЦН15-УП

В центробежных пылеосадителях (циклонах) осаждение взвешенных в газовом потоке частиц происходит в поле центробежных сил. Поступающий на очистку газ подводится к центробежному пылеосадителю по трубопроводу, направленному по касательной к цилиндрической части аппарата. В результате газ вращается внутри циклона вокруг выхлопной трубы. Под действием центробежной силы, возникающей при вращательном движении газа, твердые частицы большей массой отбрасываются от центра переферии, осаждаются на стенке, а затем через коническую часть удаляются из аппарата. Очищенный газ через выхлопную трубу поступает в производство или выбрасывается в атмосферу. С уменьшением радиуса циклона значительно увеличиваются центробежная сила и скорость осаждения частиц. На основе этой зависимости созданы конструкции батарейных циклонов, более эффективных, чем обычные циклоны. Батарейные циклоны состоят из параллельно включенных элементов малого диаметра (150 - 250 мм). Их применяют в широком диапазоне изменения температур очищаемого газа (до 400° С) при относительно небольшой концентрации взвешенных в нем твердых частиц. Батарейные циклоны имеют прямоугольный корпус и состоят из одной или нескольких секций. Общие недостатки центробежных пылеосадителей - недостаточная очистка газа от тонкодисперсной пыли, высокое гидравлическое сопротивление, а следовательно, и большой расход энергии на очистку газа, быстрое истирание стенок пылью, а также чувствительность аппаратов к колебаниям нагрузки.

Рис.8. батарейный циклон

1 - корпус; 2,3 - решетки; 4-патрубок для ввода запыленного газа; 5 - элементы; 6 - патрубок для вывода очищенного газа; 7 - конусное днище

Теоретическая скорость осаждения:

w = d² (r1 - r2) wг^2/9 v r2 D

где: d - диаметр частицы; r1 - плотность улавливаемых частиц; r2 - плотность газовой среды; wг - окружная скорость газа в циклон; D - диаметр циклона.

Высота цилиндрической части циклона:

h = 2Vсек / (D - D1) wг

где: Vcек - объем газа, постуающего в циклон в секунду; D1 - наружный диаметр выхлопной трубы.

Очистка газов фильтрованием

Для тонкой очистки газов от высокодисперсной пыли применяют струйные турбулентные газопромыватели - скрубберы Вентури. Скруббер Вентури является наиболее распространенным типом мокрого пылеуловителя, обеспечивающим эффективную очистку газов от частиц пыли практически любого дисперсного состава. Помимо пылеулавливания, скруббер Вентури может осуществляться абсорбционные и тепловые процессы.

Скруббер Вентури применяется в различных отраслях промышленности: в черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, энергетике и др.

Конструктивно скруббер Вентури представляет собой сочетание орошаемой трубы Вентури и сепаратора. Труба Вентури имеет плавное сужение на входе - конфузор и плавное расширение на выходе - диффузор. Пережим сечения трубы Вентури получил название "горловина". Такая конфигурация трубы Вентури, выполненная с оптимальными с аэродинамической точки зрения соотношениями размеров, положена в основу типо-размерного ряда аппаратов ГВПВ.

В качестве сепаратора наиболее часто используют укороченные циклоны - каплеуловители, положенные в основу типоразмерного ряда КЦТ.

Принцип действия скрубберов Вентури основан на улавливании частиц пыли, абсорбции или охлаждении газов каплями орошающей жидкости, диспергируемой самим газовым потоком в трубе Вентури.

В зависимости от физико-химических свойств улавливаемых пылей, химического состава и температуры газа выбирают режим работы скруббера Вентури. Обычно скорость газа в горловине трубы скруббера - 30-200 м/с, а удельное орошение - 0,1-6,0 л/м³. Эффективность очистки газов зависит от гидравлического сопротивления скруббера Вентури и величины удельного орошения.

Рассчитав режим работы скруббера Вентури (скорость газа в горловине трубы и удельное орошение), можно обеспечить любую требуемую концентрацию пыли в очищенном газе.

Электрическая очистка газов

6. Технологическая установка

Твердые частицы из бункера 1 с помощью дозатора 2 поступают в трубопровод 3 и образуют с движущимся в этом трубопроводе воздухом запыленный воздушный поток. Уловленные в циклоне твердые частицы собираются в сборнике 8.

Циклон ЦН-15 является основным аппаратом в представленной схеме; внутренний диаметр его цилиндрической части 170 мм (входной патрубок имеет размеры (115х35 мм); изготовлен из стали (для визуального наблюдения за процессом циклон может быть выполнен из стекла или из органического стекла при обеспечении условий отвода статистического электричества). Циклон соединен с вытяжным вентилятором 11 (с электродвигателем 12) системой трубопроводов - входным всасывающим 3 к выходным нагнетательным 4 (относительно циклона). Расход воздуха регулируется задвижкой 10.

В качестве измерителных приборов использованы: для определения расхода воздуха - дифференциальный манометр 7, подключенный к диафрагме 9, для определения гидравлического сопротивления циклона - дифференциальный манометр 6, подсоединенный на входе в циклон и выходе из него. В целях предотвращения запыленностипомещения, где размещена установка, на трубопроводе после вентилятора установлен рукавный фильтр 13.

В качестве фильтровального материала могут быть использованы, например, ткани из волокон растительного (лен. хлопок) и животного (шерсть, шелк) происхождения, а также из синтетических волокон (полипропилен, капрон, нейлон, нитрон, лавсан, тефлон, стекловолокно и др.). Из фильтровальных тканей, изготавливаемых на основе волокон естественного происхождения, можно рекомендовать фильтровальное сукно №2, арт 20, выпускаемое отечественной промышленностью в соответствии с ГОСТ 6986-69; из искусственных тканей - нитрон, изготавливаемый из полиакрилонитрильных волокон.

При улавливании пылей, способных накапливать статическое электричество, разработан специальный антистатический фильтровальный материал на основе лавсана с добавлением металлических волокон. Циклоны типа ЦН-15 промышленного назначения изготавливают диаметром от 300 до 1400 мм (300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400 мм).

Исследование работы циклона проводят в два этапа. Сначала определяют гидравлическое сопротивление циклона в зависимости от скорости газового потока, затем - степень очистки в зависимости от скорости газового потока при постоянной концентрации в нем твердых частиц.

В первой части работы исследование проводят на незапыленном воздухе. Включают вентилятор 11и устанавливают с помощью задвижки 10 необходимый расход воздуха в пределах, заданных преподавателем (6-8 значений расходов). Показания дифманометров 6 и 7 снимают при установленном расходе воздуха одновременно по команде "отсчет" и заносят в отчетную таблицу.

Во второй части работы исследование проводят на запыленном воздухе при тех же значениях расходов воздуха, что и в первом этапе исследований. С целью сохранения постоянной концентрации твердых частиц в газовом потоке в каждом опыте расход твердой фазы регулируют дозатором путем изменения частоты вращения тарелки дозатора 2. Твердой фазой служит сыпучий материал со средним размером частиц 40 / 100мкм, например можно рекомендовать силикатный катализатор, кварцевый песок, а также другие материалы, отличающиеся по плотности от первых двух. Заданную фракцию твердого материала студенты готовят сами, используя ситовой анализ с применением набора различных стандартных сит.

Перед началом работы проверяют наличие твердого сыпучего материала в бункере 1, настраивают на необходимый расход твердой фазы дозатор 2, предварительно продувают систему, включив на некоторое время вентилятор, затем освобождают от твердого материала сборник 8. После этого можно считать установку подготовленной к проведению исследований.

Включают вентилятор и с помощью регулирующей задвижки 10 устанавливают нужный расход воздуха. Затем включают в работу одновременно дозатор твердой фазы и секундомер. По мере накопления определенного объема материала в сборнике 8 останавливают дозатор с одновременной отсечкой секундомера. Вентилятор продолжает работать в заданном режиме еще некоторое время (3 - 5 мин), а затем его останавливают. Твердый материал, уловленный из газового потока за время опыта в сборнике 8, взвешивают на технических весах. После этого приступают к подготовке установки для проведения очередного опыта (исследования проводят при 6-8 значениях расхода воздуха). Полученные в каждом опыте данные заносят в отчетную таблицу.

Технологический расчет пенного газопромывателя

f== 3,6

Газоромыватель может быть круглого или прямоугльного сечения. В коуглом аппарате обеспечивается более равномерный поток газа, в прямоугольном - лучшее распределение жидкости.

Примем аппарат прямоугольного сечения размером 3х2 м с подачей воды посередине (рис.10). Для лучшего распределения газа по площади аппарата ввод газа осуществляется через диффузор. Расчет количества подаваемой воды проводится различно, в зависимости от температуры поступающего газа. Для холодного газа наибольшее влияние на расход оказывают гидродинамические факторы, для горячего газа расход воды определяется тепловым балансом. При очистке от пыли газов, имеющих температуру ниже С, расчет количества подаваемой воды проводят, исходя из гидродинамики процесса и материального баланса газоочистки. В обычных условиях для сохранения достаточной равномерности пенообразования по всей решетке необходимо, чтобы через отверстия протекало не больше 50% подаваемой воды, так как слишком сильная утечка создает неравномерность высоты слоя воды на решетке. Расход воды в газопромывателе складывается из расхода воды, идущей в утечку, и расхода воды, идущей на слив с решетки. Испарением воды при заданной температуре газа можно пренебречь.

Количества воды, протекающей через отверстия решетки, определяется массой уловленной пыли и заданным составом суспензии, а затем подбирается решетка с таким свободным сечением, диаметром отверстий и прочими данными, чтобы обеспечивать установленную утечку.

При заданной степени очистки концентрация пыли в газе после газопромывателя определяется по формуле:

= (1-) = 0,03 (1 - 0,99) = 0,0003кг/

Количество улавливаемой пыли:

= ( - ) = 30000 (0,03 - 0,0003) = 730,5 кг/ч

Если известна концентрация суспензии с = Т: Ж (в кг/кг), то утечка , т.е. объем воды, необходимый для образования суспензии (в /ч), определяется по уравнению:

=

Концентрация пыли отнесена к объему газа перед аппаратом приведенному к нормальным условиям. Она незначительно отличается от запыленности газа (в кг/) после аппарата, так как количество газа после апарата увеличивается на 1 - 2 % за счет испарения воды в газопромывателе.

Где К - коэффицент распределения пыли между утечкой и сливной водой, выраженный отношением количества пыли, попадающей в утечку, к общему количеству уловленной пыли; обычно К = 0,6: 0,8

Концентрация суспензии, как правило, находится в пределах отношения Т: Ж = (1: 5): (1: 10). Получение суспензии с Т: Ж >1: 5 может вызвать забивание отверстий решетки (особенно мелких). Получение суспензии с Т: Ж<1: 10 нерационально ввиду ее слишком больших объемов.

с = 1: 8= 0,125кг/кг и К = 0,7.

Тогда

==4,1/ч

На всю решетку или

4,1/3,6 = 1,14/ (/ч) на 1 решетки.

Коэффицент запаса ~1,5

= 1,5 2,14 3,3 /ч, или

0,55/ (/ч)

Количество сливной воды определяется по формуле: = ib

Слив на обе стороны:

= 12 2 =4/ч

Общий расход воды:

L = 3,3 + 4 = 7,3 /ч

Удельный расход воды:

= =0,24 / газа

Утечка составляет от общего расхода воды L:

= 100 = 45 %

Скорость газа = 12м/с

Отношение площади свободного сечения решетки к площади сечения аппарата f составит:

= = = 0,2

z = 0,95 - коэффицент, учитывающий, что 5% площади свободного сечения занимают опоры решетки, переливные стенки и т.д.

При разбивке отверстий решетки по шестиугольнику с шагом t заштрихованная площадь:

S = tx = t 2 = 1,73

На эту площадь приходится два отверстия диаметром . Площадь отверстий:

= 2 0,785

Отношение / S должно составлять 0,2:

= 0,2

Откуда

t =

При диаметре отверстий = 5мм

t = = 10,7 11мм

Коэффицент скорости пылеулавливания

= = = 4,5м/с

Связь между коэффицентом и высотой слоя пены Н при улавливании гидрофильной пыли со средним размером частиц 15 - 20 мкм выражается эмпирической формулой:

Н = - 1,95w + 0,09 = 4,5 - 1,95 2,3 + 0,09 = 0.1м

С другой стороны, для пылеуловлителей

Н = 0,806

где - высота исходного слоя воды на решетке, м.

= + h

Высоту порога (в мм) можно рассчитать по формуле:

= 2,5 - 7,5

В нашем случае: w = 2,3 м/с, i= 1/ (мч)

Тогда высота порога:

= 2,5 13 - 7,5= 25 мм

Для обеспечения работы аппарата при колебаниях его режима примем высоту порога 30 мм.

Общая высота газопромывателя складывается из высот отдельных частей его: надрешеточной , подрешеточной и бункера . Эти высоты определяются конструктивно: - в зависимости от брызгообразования и размеров брызгоуловителя, - в зависимости от конструкции подвода газа, - в зависимости от свойств суспензии.

Заключение