Физико-химические основы технологии очистки

Работа любого устройства, удаляющего взвешенные частицы, основана на использовании одного или нескольких механизмов осаждения. Основными механизмами осаждения являются:

1. Гравитационное осаждение (седиментация).

2. Осаждение под действием центробежной силы.

3. Инерционное осаждение.

4. Зацепление (эффект касания).

5. Диффузионное осаждение.

6. Электрическое осаждение.

7. Термофорез.

8. Диффузиофорез.

9. Воздействие электромагнитного поля.

10. Осаждение частиц в турбулентном потоке.

В настоящее время, наибольшее применение находят первые шесть. Остальные можно отнести к разряду перспективных.

Влияние того или иного механизма на осаждение частиц определяется целым рядом факторов, и в первую очередь их размером.

Гравитационное осаждение. Гравитационное осаждение происходит в результате вертикального оседания частиц под действием силы тяжести при прохождении их через обезвреживающее устройство. При падении частица пыли испытывает сопротивление среды. Наиболее просто это сопротивление описывается при прямолинейном и равномерном движении шаровой частицы, т. е. случае, когда можно пренебречь турбулентностью потока и конвективными токами.

Силу сопротивления, действующую на частицу при ее движении, F _cможно описать законом Стокса (при d _ч >> l_i, где l_i — средняя длина свободного пробега молекул газов, м):

, (4.1)

где v _ч — скорость движения частицы, м/с; d _ч — диаметр частицы, м; m — динамическая вязкость газов, Па×с.

Закон Стокса применим при ламинарном движении частиц, когда Re _ч £ 2. Область применения закона Стокса практически определяется размерами частиц и требуемой точностью:

при 16 < d _ч < 30 мкм, точность составляет 1 %,

при 1,6 < d _ч < 70 мкм, точность составляет 10 %.

Если допустима большая неточность, можно распространить формулу 4.1 на область 0,1 < d_ч < 100 мкм, т. е. практически на все размеры пылевых частиц, подвергающихся улавливанию.

Для частиц размером 0,2–2 мкм в уравнение (4.1) вводится поправка Кенингема-Милликена С_k, учитывающая повышение подвижности частиц, размер которых сравним со средней длиной свободного пробега молекул:

, (4.2)

Ниже приведены значения поправок С_k при нормальных условиях:

d _ч, мкм 0,003 0,01 0,03 0,1 0,3 1,0 3,0 10,0

С_k 90,0 24,5 7,9 2,9 1,57 1,16 1,03 1,0

В области действия закона Стокса конечная скорость частицы v_ч, достигаемая при установлении равенства между силой сопротивления среды и внешней силой F _в (F _в = F _с ), действующей на частицу, определяется по формуле

(4.3)

При гравитационном осаждении шаровой частицы:

, (4.4)

где r_ч — плотность частицы, кг/м³; r_г — плотность газа, кг/м³

Подставляя (4.4) в выражение (4.3) получим скорость осаждения:

(4.5)

Пренебрегая плотностью среды, окончательно получим

(4.6)

Представленные здесь формулы вида (4.3)–(4.6) верны лишь для ламинарных условий.

Из формулы (4.6) следует, что скорость осаждения взвешенных частиц в газоочистных аппаратах, использующих действие силы тяжести, прямо пропорциональна квадрату диаметра частиц.

Ниже приводится скорость падения частиц плотностью 1000 кг/м³ в неподвижном воздухе под действием силы тяжести: