Использование процесса нуклеации в технологии очистки газов от пыли, страница 2

Одним из путей преодолеть описанное выше ограничение для создания простых технологий улавливания малых частиц пыли является очевидная возможность предварительно укрупнить улавливаемые частицы до размеров, когда снимается трудность уловить их контактным путем. Здесь обсуждается возможность конденсационного укрупнения частиц пыли путем конденсации паров какой- либо жидкости на частицах малого размера. Для описания, как это можно сделать, требуется пояснить элементы классической капиллярной теории нуклеации,

Основой классической теории нуклеации является гипотеза о наличии в паровой среде непрерывного процесса образования агрегатов из молекул пара, часто называемых кластерами. Образование этих агрегатов происходит чисто случайно вследствие столкновения одновременно нескольких молекул. Если пар ненасыщен, то все образующиеся агрегаты неустойчивы, и они распадаются под действием тепловых колебаний молекул пара в агрегате. Конденсация пара не происходит. Но если пар находится в пересыщенном состоянии, то часть спонтанно образующихся агрегатов оказывается в устойчивом состоянии. Граница устойчивости агрегатов молекул пара определяется формулой Кельвина-Томсона

,                           (2.1)

где: р - локальное давление пара,  - его давление насыщения над плоской поверхностью жидкости при локальной температуре, - поверхностное натяжение конденсированной фазы в паровой среде,  - радиус критического зародыша конденсированной фазы. k - постоянная Больцмана,  - объем молекула пара  в конденсированной фазе. Все агрегаты молекул пара, радиус которых при спонтанном образовании оказался больше критического, устойчивы и они являются зародышами конденсированной фазы, ядрами или центрами конденсации. Все спонтанно возникающие агрегаты, радиус которых меньше критического, неустойчивы и они испаряются. Расчет по формуле (2.1) показывает, что при пересыщениях около 10 радиус критического зародыша составляет 2-3 радиуса молекул пара.

Другим важным моментом классической теории нуклеации является частота образования зародышей конденсированной фазы. Для реализации нуклеации и последующей конденсации необходимо, чтобы в рассматриваемом объеме пара частота образования должна быть достаточна, чтобы образовалось реальное количество зародышей за реальное время. Для вычисления частоты зародышеобразования в классической теории нуклеации используется формула Гиббса для частоты случайных событий, связанных с преодолением энергетического барьера:

.У = Ар ехр(-EpT)(2.2). Здесь EД - энергетический барьер нуклеации, связанный с образованием свободной поверхности конденсированной фазы, k~ - динамический коэффициент, учитывающий специфику случайных событий. После определения k> получается фундаментальная формула для частоты образования зародышей конденсированной фазы

.У = (plkT) в (2~/лт,)' ехр(-4щг» /ЗМТ) (2.3). ~l ~~Р~~р ~~~ Здесыи, — масса молекулы пара. +g0. Ьтло Р'ем. фо/. С 1йе/~а Частота нуклеации .У по формуле (2.3) очень сильно зависит от пересыщения пара. Если величина .У заведомо больше единицы, произойдет нуклеация и затем конденсация пара на образовавшихся центрах конденсации.

Теперь видно, что теория нуклеации подсказывает очевидный путь для реализации процесса укрупнения частиц пыли. Если в смеси газа и пара какой-либо жидкости имеются частицы пыли, то они сами могут служить центрами конденсации. Ведь эти частицы, будучи покрыты адсорбатом из молекул пара, ничем не отличаются от зародышей конденсированной фазы, Из формулы (2.1) легко может быть получено условие, когда на частицах пыли с радиусом rq будет происходить конденсация пара

rq >2уайТЪ(р/р ) (2.4), т. е. если в смеси газа и пара достигнуто пересыщение р/р„, то на всех частицах пыли с радиусом г,у и более начнется конденсация пара. Если это перенасыщение поддерживается достаточно надежно, то все эти частицы пыли будут превращены в капли жидкости с частицами пыли внутри.

Таким образом, мы разработали путь обойти неприятное ограничение возможности улавливать сверхтонкую пыль, поскольку с использованием конденсации мы можем укрупнять частицы пыли, размер которых соизмерим с размером молекул пара.