Опубликован: 30.01.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 3664 / 878 | Длительность: 15:35:00
Тема: Экология
Специальности: Эколог
Лекция 10:

Техника и технология защиты водной и воздушной среды от загрязнений

Аннотация: Принципы очистки от загрязнений, экозащитная техника и технология, экологическая политика предприятий.

Физические принципы очистки выбросов и сбросов от загрязнений

Работа любого устройства, удаляющего взвешенные частицы, основана на использовании одного или нескольких механизмов осаждения. Основными из них являются: гравитационное осаждение (седиментация); осаждение под действием центробежной силы; инерционное осаждение: зацепление (эффект касания); электрическое осаждение.

Гравитационное осаждение происходит в результате вертикального оседания частиц при прохождении их через обезвреживающее устройство. Сила сопротивления F, действующая на частицу диаметром d при ее движении в ламинарном режиме со скоростью V в среде газа или жидкости вязкостью т, описывается законом Стокса:


F=\frac{3\pi\mu dV}{C},
( 10.1)

где C - поправочный коэффициент на размер частиц: при диаметре частиц 0,1 мкм C = 2,9; при 1,0 мкм C = 1,16; при 10 мкм C = 1,0.

При гравитационном осаждении сила сопротивления равна весу частицы в среде ее нахождения с учетом архимедовой силы. Скорость осаждения сферических частиц в газоочистных аппаратах, использующих действие силы тяжести, пропорциональна квадрату диаметра частиц:


V=\frac{d^2\rho g}{18\mu},
( 10.2)

где \rho - плотность частицы; \mu - динамическая вязкость газа (жидкости).

Скорость восходящего потока, при которой частица неподвижна, называется скоростью витания ( рис. 10.1). Это понятие важно для систем пневмотранспорта, дымовых труб, аспирации и пылеуловителей, где происходит перемещение среды с взвешенными в ней частицами.

Номограмма для определения скорости витания пылевых частий

Рис. 10.1. Номограмма для определения скорости витания пылевых частий

Центробежное осаждение происходит при криволинейном движении дисперсного потока, когда развиваются центробежные силы. Скорость центробежного осаждения V_r частицы массой m, вращающейся в потоке по радиусу r со скоростью V_t можно рассчитать, приравнивая центробежную силу F_ц = mV^2_r и стоксову силу (10.1):


V_r=\frac{d^2\rho V_t^2}{18\mu r}.
( 10.3)

Величина скорости центробежного осаждения больше скорости гравитационного осаждения в (V_r^2/rg) раз.

В аппаратах, основанных на использовании центробежной сепарации, могут применяться два конструктивных решения: поток вращается в неподвижном корпусе аппарата; поток вращается вместе с ротором. Первое решение реализуется в циклонах, второе - в ротационных пулеуловителях.

Инерционное осаждение происходит в том случае, когда кинетическая энергия частицы настолько велика, что она не может следовать вдоль искривленной линии тока, а сталкивается с препятствием и осаждается на нем ( рис. 10.2).

Осаждение взвешенных в потоке частиц на обтекаемом шаре

Рис. 10.2. Осаждение взвешенных в потоке частиц на обтекаемом шаре

Критерием подобия инерционного осаждения является критерий Стокса


St=\frac{d^2\rho VC}{18\mu 2R}
( 10.4)

где V - скорость потока в некоторой точке; R - характерный размер обтекаемого тела.

Существует минимальное значение числа Стокса, при котором инерция частицы достаточна, чтобы она достигла поверхности тела и была им захвачена. Коэффициент осаждения з дисперсных частиц на шаре равен нулю при St_{кр} = 0,0417. Захват частицы возможен при условии St > St_{кр}. Инерционное осаждение эффективно для частиц размером более 1 мкм.

На рис. 10.3 приведены кривые зависимости коэффициента эффективности осаждения частиц на шаре при его потенциальном обтекании потоком. Эти кривые можно использовать при расчетах эффективности пылеулавливающих установок, в которых осаждение осуществляется на телах сферической формы (например, на капле).

Инерционное осаждение частиц на шаре при его потенциальном обтекании

Рис. 10.3. Инерционное осаждение частиц на шаре при его потенциальном обтекании

Зацепление частицы на поверхности наблюдается, когда расстояние частицы в потоке от обтекаемого тела равно или меньше ее радиуса. Эффект зацепления становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым диаметром. Эффект зацепления не зависит от скорости набегающего потока газа.

Осаждение взвешенных в воздухе частиц под действием электрического поля осуществляется после электрической зарядки частиц коронным разрядом. Коронный разряд - это особый вид разряда в газах между электродами высокого напряжения, имеющими разную кривизну ( рис. 10.4).

Механизм образованиея объемного заряда при коронном разряде

Рис. 10.4. Механизм образованиея объемного заряда при коронном разряде

Около провода напряженность поля E(В/м) имеет большую величину. В этой зоне (чехол короны) образуется коронный разряд, эта область начинает светиться и потрескивать. Образующиеся здесь электроны при движении в сторону плоского электрода выбивают из нейтральных молекул новые электроны. В этом заключается суть пробоя в газах. При выходе из чехла короны электроны прилипают к молекулам газа и взвешенным частицам, образуя отрицательно заряженные ионы.

Величина заряда (Кулон), приобретаемого проводимой сферической частицей с диэлектрической проницаемостью \varepsilon равна


q=3\pi d\varepsilon E(Кл)
( 10.5)

где диэлектрическая проницаемость \varepsilon=8,85\cdot 10^{-12} Ф/м.

В электрофильтре зарядка частиц происходит быстро - за доли секунды. Приравнивая кулоновскую силу силе Стокса, получаем скорость осаждения заряженных частиц


V=\frac{qEC}{3\pi\mu d}.
( 10.6)

Скорость движения частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле (м/с) определяется по формуле


V=0,5\cdot 10^{-11}\cdot E^2 d/\mu.
( 10.7)

Осаждение взвешенных частиц пыли при контакте газового потока с жидкостью может осуществляться на каплях, пузырьках и на поверхности жидкости.

Улавливание взвешенных частиц каплями может происходить в спокойном режиме, когда аэрозоль движется с малой скоростью - капли падают под действием силы тяжести, и когда поток сильно турбулизован - капли интенсивно диспергируются. Преобладающим эффектом является инерционный. Действие сил инерции реально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм. Решающими являются два фактора: скорость потока и удельное орошение.

При удельном орошении 1,5-2,0 л/м^3 и при значениях критерия Стокса 1,0-170 эффективность осаждения на каплях определяется по формуле


\eta=1-0.155St^{-1,24}.
( 10.8)

При движении пузырьков газа через слой жидкости (барботаж) их размер колеблется от 2,0 до 20 мм. При скорости газового потока до 4 м/с пузыри придают жидкости характер пены. Осаждение частиц происходит в основном за счет инерционного эффекта. Для увеличения степени очистки необходимо уменьшать размеры пузырьков.

При осаждении твердых частиц на поверхности жидкости преобладает инерционный эффект. При соударении с толстым слоем жидкости частица или остается на поверхности, или пробивает поверхность и погружается в слой. Путь, проходимый частицей в жидкости по инерции (до релаксации) составляет от нескольких микрон до 2 мм.

Фильтрация через пористые материалы заключается в пропуске аэрозоля через фильтровальные перегородки, которые пропускают воздух, но задерживают аэрозольные частицы. Частицы при соприкосновении с цилиндрическими волокнами задерживаются силами межмолекулярного взаимодействия ( рис. 10.5). Расстояние между волокнами в фильтре в 5-10 раз превышают размеры частиц.

Механизм осаждения частиц на волокне

Рис. 10.5. Механизм осаждения частиц на волокне

При движении потока через фильтровальный материал газ огибает волокна, более крупные частицы пыли сохраняют прямолинейное направление движения, сталкиваются с волокнами и прилипают к ним. Чем больше значение числа Стокса, тем больше происходит столкновений с поверхностью волокон фильтра. Мелкие частицы могут прилипнуть к волокнам, участвуя в броуновском движении или за счет эффекта зацепления, а также действия электрических сил.

Эффективность очистки обратно пропорциональна диаметру волокна. Фильтровальный материал должен изготавливаться из тонких (5-20 мкм) волокон. При отложении пыли возрастает гидравлическое сопротивление, уменьшается производительность фильтра. Пыль периодически удаляют - это процесс называется регенерацией фильтра.

Райхан Жуманова
Райхан Жуманова
Если я прошла курс где мой сертификат
Ольга Воробьева
Ольга Воробьева