Козлова С.А. и др. Оборудование для очистки газов промышленных печей

Подождите немного. Документ загружается.

3600ρ

ρV

= .

Принимаем скорость газа в электрофильтре

W = 1 м/с.

Необходимая площадь поперечного сечения электрофильтра, м

F = .

Тип электрофильтра выбирается из справочников.

Уточняем скорость газа, м/с:

= ,

где F – площадь активного сечения выбранного электрофильтра, м

Относительная плотность газов при стандартных условиях (Р

бар

101,3 кПа; t = 20

С)

)101,3t(273

)Р(РТ

гбарст

Критическая напряженность электрического поля, В/м:

кр

0,0311β3,04Е

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+= ,

где R

– радиус коронирующего острия, принимаемый равным 0,001 м.

Критическое напряжение короны для пластинчатого электрофильтра,

В:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅−=

π2R

lg2,31

πH

RЕU

1кркр

где Н – расстояние между плоскостями коронирующих и осадительных элек-

тродов, м:

Н = 0,275/2 = 0,1375,

S – шаг коронирующих электродов, м, S = 0,18 м.

10. Линейная плотность тока короны, А/м:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅−⋅⋅

−

π2R

lg2,31

πH

S109

)UU(UK4π

кр

где К – коэффициент подвижности ионов, равный 2,1⋅10

; ϕ - коэффициент,

зависящий от отношения Н/S:

Н/S 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

0,08 0,068 0,046 0,035 0,027 0,022 0,018 0,015 0,013 0,012

11. Напряженность электрического поля, В/м:

S4ππK

H8i

= ,

где ε

– диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85⋅10

ф/м.

12. Вязкость компонентов, входящих в состав дымовых газов при рабо-

чих условиях, Н⋅с/м

273

t273

СТ

С273

μμ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= ,

где μ

– коэффициент динамической вязкости газа при нормальных условиях,

Н⋅с/м

; С – коэффициент, характерный для каждого вида газа:

Вид газа С

⋅10

, Н⋅с/м

114 17

O 961 10

254 13,7

131 20,3

13. Вязкость дымовых газов

∑

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+== ...

М%CO

0,01

СО

СО2

где М – относительная молекулярная масса газов, кг/кмоль:

∑

MаM .

14. Коэффициент очистки газа:

∑

100

где η

– эффективность очистки газового потока от конкретной фракции, рав-

ная:

е1η

−

−= ,

F – удельная поверхность осаждения, м

·с/м

F = F

– площадь осаждения осадительных электродов (из паспортных данных

выбранного электрофильтра); φ

– содержание данной фракции в составе пы-

ли.

Скорость дрейфа W

определяется для мелких частиц пыли (< 1 мкм) и

для крупных частиц (> 1 мкм). Принимаем следующие размеры средних ра-

диусов частиц:

Размер частицы d, мкм < 1 1-2 2-15 15-30 > 30

Средний радиус частиц r

, мкм 0,25 1,75 4,25 11,25 65

Скорость дрейфа мелких частиц:

ЕС

100,17W

−

⋅=

где С

- поправка Кенингема, равная:

= 1+λ(А/r),

А – численный коэффициент, равный 0,815-1,63; λ – длина свободного про-

бега молекул газа, м, равна 10

-7

Контрольные вопросы

1. Как происходит зарядка частиц пыли в электрическом поле?

2. Из каких элементов состоит электрофильтр, их характеристика

3. Из каких материалов изготавливают корпус электрофильтра?

4. По каким признакам классифицируют электрофильтры?

5. Какие факторы влияют на работу электрофильтра?

6. Типы сухих электрофильтров и области их применения

7. Особенности конструкции мокрых электрофильтров

1.5. Аппараты химической очистки газов.

Анализ эффективности ПГУ

Лекция 12

План лекции

1. Принцип работы абсорбера. Конструкции абсорберов. Области

применения

2. Основы расчета абсорбера

3. Адсорберы. Виды адсорбентов

4. Устройство и схемы адсорбционных установок

5. Основы расчета адсорберов

Для очистки газов от вредных газообразных компонентов используют

преимущественно сорбционные методы. Процессы сорбции являются про-

цессами массообмена, т.е. диффузного перехода газообразного компонента в

жидкую или твердую среду.

1.5.1. Абсорберы

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения газообраз-

ного компонента (сорбтива) из газообразной смеси жидким поглотителем

(абсорбентом). Этот процесс ведут в аппаратах, называемых абсорберами. В

случае, когда процесс абсорбции идет за счет физического поглощения аб-

сорбентом того или иного газообразного компонента, он называется физиче-

ской абсорбцией. При наличии химической реакции между поглощаемым

компонентом и абсорбентом с образованием нового химического соединения

процесс называется хемосорбцией. Возможно сочетание обоих процессов.

Физическая абсорбция является обратимым процессом. Это значит, что

при определенных условиях поглощенный газ можно выделить из абсорбента

и, следовательно

, восстановить последний в его первоначальном состоянии.

Такой процесс, называемый десорбцией, широко применяют в технике с це-

лью многократного использования абсорбента.

Расчет абсорберов строится на основе решения уравнения материаль-

ного баланса, который выражает закон постоянства массы в процессе аб-

сорбции и при противотоке газа и жидкости имеет вид

- y

) = М

(х

- х

где М

, М

– массовые расходы газовой смеси и жидкого абсорбента, кг/с; y

и y

– концентрации поглощаемого компонента (сорбтива) в газовой смеси,

внизу и вверху абсорбера, кг/кг; х

и х

– концентрации поглощаемого ком-

понента в поглощающей жидкости (абсорбенте), внизу и вверху абсорбера,

кг/кг.

Удельный расход абсорбента определяется из уравнения материально-

го баланса абсорбера:

m = М

/М

= (y

- y

)/(х

- х

Вторым основным уравнением, необходимым для расчета процесса аб-

сорбции, является уравнение массопередачи:

М = βFΔy

ср

где М – масса поглощенного компонента, кг/с; F – поверхность, через кото-

рую идет абсорбция, м

; β – коэффициент массопередачи, кг/м

; Δy

ср

– сред-

няя движущая сила процесса абсорбции:

Δy

ср

= (Δy

– Δy

)/2,3 lg(Δy

/Δy

);

здесь Δy

= y

–y

* – движущая сила внизу абсорбера, кг/кг; Δy

= y

–y

* –

движущая сила вверху абсорбера, кг/кг; y

* – концентрация улавливаемого

компонента в газе при равновесном состоянии внизу абсорбера, кг/кг; y

* –

то же, вверху абсорбера, кг/кг.

Все абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения

между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсор-

беры условно делят на поверхностные, распыливающие и барботажные.

Поверхностные абсорберы поглощают газ пленкой жидкости, обра-

зующейся на поверхностях, смачиваемых жидкостью и омываемых газом.

Примером такого пленочного абсорбера может служить трубчатый абсорбер

(рис. 1.35, а), в котором жидкость стекает сверху вниз по внутренней поверх-

ности труб, омываемых поднимающимся снизу вверх газом. Насадочный

скруббер, наиболее распространенный из поверхностных абсорберов, пред-

ставляет

собой вертикальный цилиндр, заполненный орошаемой сверху на-

садкой, сквозь которую снизу вверх проходит газ (рис. 1.35, б). Сильно раз-

витая межфазная поверхность интенсифицирует работу абсорбера.

а б

Рис. 1.35. Схемы поверхностных абсорберов: а – трубчатый; б - наса-

дочный: 1 – корпус; 2 – гидрозатвор; 3 – трубная решетка; 4 – орошаемые

трубы; 5 – оросительное устройство; 6 – насадка; 7 – опорная решетка

В качестве насадки часто применяют тонкостенные керамические или

стальные кольца высотой, равной диаметру, изменяющемуся в пределах 15-

150 мм. Мелкие кольца засыпают навалом, а крупные укладывают рядами,

сдвинутыми относительно друг друга. Иногда в качестве насадок применяют

кокс или дробленый кварц с размерами кусков 25-100 мм.

Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверх-

ность f

и свободный объем V

– отношение объема пустот к объему, зани-

маемому насадкой.

Подвод орошающей жидкости осуществляют с помощью оросителя,

обеспечивающего равномерное орошение насадки. Количество жидкости,

подаваемой на 1м

поверхности насадки в единицу времени, называется

плотностью орошения L; она зависит от типа насадки и находится обычно в

пределах 5-20 м

/(м

ч).

Преимуществом насадочных абсорберов является простота устройства,

что особенно важно при работе с агрессивными средами. Насадочные скруб-

беры мало пригодны для работы с загрязненными газами и жидкостями

вследствие забивания насадки и трудности ее регенерации, а также затруд-

ненным отводом тепла, выделяющего при поглощении газа.

Распыливающий полый абсорбер (рис. 1.36,

а) представляет собой вер-

тикальный цилиндр, в верхней части которого расположена система форсу-

нок, равномерно распыливающих подаваемую в абсорбер жидкость. Газ,

подводимый в абсорбер снизу, поднимается вверх и орошается мелкораспы-

ленной жидкостью. Отвод газа осуществляют через верхнюю часть абсорбе-

ра, а жидкости – через нижнюю коническую часть его.

а б

Рис. 1.36. Схемы распыливающих абсорберов: а – полый абсорбер; б –

абсорбер Вентури: 1 – корпус; 2 – форсунки; 3 – гидрозатвор; 4 – труба Вен-

тури; 5 – каплеуловитель

Размер капель жидкости в полом абсорбере не должен быть меньше

0,8-1,0 мм. Хотя при тонком распылении увеличивается межфазная поверх-

ность и интенсифицируется массообмен, одновременно резко возрастает кап-

леунос, что вызывает значительные трудности вследствие образования отло-

жений как в верхней части абсорбера, так и на последующих участках газо-

отводящего тракта.

К преимуществам

полых распыливающих абсорберов относится про-

стота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность рабо-

ты с загрязненными газами, легкость осмотра, чистки и ремонта. Недостатки

этих аппаратов – невысокая эффективность, значительный расход энергии на

распыливание жидкости, трудность работы с загрязненными жидкостями из-

за засорения форсунок, повышенный расход абсорбента, низкие допустимые

скорости газа, ограниченные уносом

капель жидкости.

Распыливающие полые абсорберы применяют главным образом для

поглощения хорошо растворимых газов. В последнее время получают рас-

пространение абсорберы с распылением жидкости в потоке движущегося га-

за со скоростью до 100 м/с (рис. 1.36,

б). Такие абсорберы по устройству ана-

логичны скрубберам Вентури; они характеризуются большой интенсивно-

стью и высокой эффективностью. Их основным недостатком являются высо-

кие энергозатраты вследствие большого гидравлического сопротивления.

В химической технологии применяют также барботажные тарельчатые

абсорберы, однако в металлургии для целей очистки газов они не получили

распространения.

Основы расчета абсорберов

Диаметр аппарата D выбирают исходя из уравнения расхода, согласно

которому

D =

/4 wV

где V

– расход газа через аппарат, м

/с; w

– скорость, отнесенная к полному

сечению аппарата, м/с.

Скорость газа в абсорбере лимитируется ростом каплеуноса и гидрав-

лического сопротивления. В полых аппаратах без каплеуловителей скорость

обычно не превышает 1-1,5 м/с, в насадочных абсорберах и полых абсорбе-

рах с каплеуловителями 5-5,5 м/с.

Необходимый объем абсорбера или поверхность насадки определяют

из уравнения

массопередачи. Для полых распыливающих аппаратов уравне-

ние массопередачи применяют в следующем виде:

М = β

Δy

ср

где М – масса поглощенного компонента, кг/с; V

– рабочий объем абсорбе-

ра, м

; β

– объемный коэффициент массопередачи, кг/(м

⋅Па⋅ч); Δy

ср

– сред-

няя движущая сила процесса абсорбции, Па.

Для насадочных аппаратов необходимую поверхность насадки опреде-

ляют по уравнению

= М/β Δy

ср

Необходимый объем насадки рассчитывают по величине удельной по-

верхности насадки f

(табл. 1.7):

= F

Таблица 1.7 – Характеристики некоторых насадок

Вид насадки

Удельная

поверхность

, м

/м

Свободный

объем V

/м

Удельная

масса,

кг/м

Средний ко-

эффициент

сопротивления

Эквивалентный

диаметр d

экв

мм

Кольца кера-

мические,

правильно

уложенные,

размером, мм:

50х50х5

100х100х100

110

0,73

0,72

650

10-12

Кольца кера-

мические,

беспорядочно

лежащие,

размером, мм:

25х25х3

50х50х5

260

0,75

0,78

530

500-600

130-140

Кварц разме-

ром, мм:

120

0,32

0,46

1600

1380

10,5

Рабочую высоту абсорберов

Н определяют на основании принятого

диаметра и необходимого рабочего объема абсорбера или насадки:

Н = 4V

/πD

Для полого абсорбера величина

Н представляет собой высоту располо-

жения нижнего пояса форсунок, для насадочного абсорбера – толщину слоя

насадки.

Гидравлическое сопротивление полых абсорберов невелико и в зави-

симости от плотности орошения составляет 0,2-0,4 кПа. В насадочных абсор-

берах основным является гидравлическое сопротивление насадки, которое

может быть подсчитано по формуле

Δр = ξw

Н/2,

где Н – толщина слоя насадки, м; ξ - коэффициент сопротивления, который

принимают в соответствии с данными табл. 1.7.

1.5.2. Адсорберы

Адсорбцией называют процесс избирательного поглощения одного или

нескольких компонентов (сорбтивов) из газовой смеси поверхностью твердо-

го поглотителя-адсорбента. Этот процесс ведут в аппаратах, называемых ад-

сорберами.

В качестве адсорбентов применяют пористые твердые вещества с

большой удельной поверхностью, относимой к единице массы. Поры, т.е. ка-

пиллярные каналы, условно можно разделить

на макро- и микропоры. Мак-

ропоры имеют диаметр более 2 мкм, в то время как размеры микропор соиз-

меримы с размерами адсорбируемых молекул.

Адсорбенты характеризуются поглотительной способностью, опреде-

ляемой концентрацией сорбтива в единице массы или объема вещества. Наи-

более часто применяемыми адсорбентами являются активированные угли,

силикагели и цеолиты.

Активированные угли – продукты сухой

перегонки углеродсодержа-

щих материалов – имеют удельную поверхность 600-1700 м

/г с размером

гранул 1-5 мм и насыпной плотностью 400-600 кг/м

. Разновидностью их яв-

ляются угли из полимерных материалов, которые имеют мелкопористую, но

более упорядоченную структуру и потому обладают большой механической

прочностью. Отличительной их особенностью является повышенная адсорб-

ционная активность в области малых концентраций поглощаемого компонен-

та. В последнее время появился новый тип углеродных адсорбентов - активи-

рованные углеродные волокна, применяемые в

виде тканей, лент, нетканого

материала, войлока и т.п., обладающие следующими преимуществами: хо-

рошим сочетанием адсорбционных и фильтрующих свойств; высокой ад-

сорбционной активностью; удобством аппаратурного оформления, высокой

химической, термической и радиационной стойкостью.

Силикагели – синтетические минеральные адсорбенты, являющиеся ге-

лями кремниевой кислоты, выпускаются в разных модификациях. Удельная

поверхность силикагелей изменяется в пределах

400-700 м

/г, размер гранул

0,2-7 мм, насыпная плотность 400-800 кг/м

. Преимуществом силикагелей

являются их негорючесть, высокая механическая прочность, а также низкая

температура регенерации.

Цеолиты – синтетические или природные алюмосиликаты, отличаю-

щиеся мелкой и строго регулярной системой пор. Цеолиты проявляют моле-

кулярно-ситовое действие, которое заключается в их способности не пропус-

кать молекулы, размеры которых больше размера пор. В связи с этим цеоли-

ты, называемые

также молекулярными ситами, обладают высокой селектив-

ностью поглощения. Размер гранул цеолитов 2-5 мм, насыпная плотность

600-900 кг/м

. Цеолиты применяют для разделения газов, имеющих различ-

ные размеры молекул, а также для целей осушки, так как они имеют высокую

поглотительную способность по отношению к водяным парам.

Устройство адсорберов

По конструкции адсорберы могут быть вертикальные, горизонтальные

и кольцевые (рис. 1.37).

Рис. 1.37. Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем

поглотителя: а – вертикальный; б – горизонтальный; в – кольцевой: 1 - кор-

пус; 2 – опорная решетка; 3 – слой поглотителя; 4 – люки для загрузки погло-

тителя; 5 – сборник конденсата; 6 – люки для выгрузки поглотителя

При неподвижном слое адсорбента процесс адсорбции носит периоди-

ческий характер и протекает в четыре стадии. Первая стадия – собственно

адсорбция, т.е. насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом, τ

ад

Газовую смесь подают в адсорбер, пропускают через слой адсорбента и вы-

водят из аппарата. Вторая стадия – десорбция поглощаемого компонента из

слоя адсорбента τ

дес

. Подачу газовой смеси прекращают. Через барботер в

аппарат подают водяной пар, при этом смесь паров десорбированного ком-