Использование процесса нуклеации в технологии очистки газов от пыли

Использование процесса нуклеации в технологии очистки газов от пыли

Бочкарёв

Настоящие тезисы не просто описывают новые варианты перспективных технологий. Здесь будет продемонстрирован метод научного поиска решений технологических задач. В сравнении с простым изобретательством, которое для решения технологической задачи требует острый изобретательный ум и удачу или везение, метод научного поиска требует только последовательного изучения препятствий для решения задачи и моделирования технологического процесса. Результаты моделирования, если оно выполнено адекватно реальности, неизбежно укажет очевидный путь решения этой технологической задачи.

Тезисы построены в виде расширенных ответов на пять крупных вопросов:

1.  Что лимитирует в процессах контактной очистки газов?

2.   Какое условие нужно соблюсти для получения возможности конденсационного укрупнения пыли в газе?

3.   Принцип действия центробежного уловителя пыли с предварительным укрупнением?

4. Принцип действия эжекторного уловителя пыли, укрупненной конденсацией?

5. Каковы возможности селективного укрупнения и улавливания пыли?

1. Что лимитирует в процессах контактной очистки газов.

Контактные методы очистки газов от пыли основаны на прилипании частиц пыли на поверхностях с хорошей адгезией. Часто это поверхности, смоченные жидкостью, имеющей малое поверхностное натяжение, например, масло. После образования контакта частицы пыли с намасленной поверхностью масло обволакивает поверхность частицы и поглощает ее внутрь. Улавливание пыли происходит до тех пор, пока не будет израсходовано все масло на обволакивание частиц пыли. В другом случае технологии улавливания пыли улавливающей поверхностью является поверхность капель аэрозоля какой-нибудь жидкости. Эффективность улавливания здесь достигается развитостью удельной поверхности капель аэрозоля. Затем капли аэрозоля улавливаются вместе поглощенной пылью. В третьем случае технологии улавливания пыли используется ворсистый материал. Захват частиц пыли и их удержание происходит шероховатостью, создаваемой ворсистым материалом.

Общим для всех контактных методов улавливания пыли является то, что для схватывания частицы пыли активной поверхностью требуется приблизить частицу пыли к активной поверхности. В различных методах для приближения частиц пыли к активной поверхности используются силы различной физической природы. Чаще всего это инерционные силы, возникающие в потоке запыленного газа при обтекании элементов активной улавливающей поверхности. Относительному движению частиц пыли в газе под действием инерционных сил препятствуют силы сопротивления. Соотношение между инерционными силами и силами сопротивления показывает способность частицы пыли достигнуть активной улавливающей поверхности. Чем выше инерционные силы в сравнении с силами сопротивления, тем выше вероятность, что частица придет в контакт с поверхностью и будет уловлена.

Проведем некоторые численные оценки. Поскольку величина инерционных сил зависит от конкретной конфигурации и режимов течения и в общем случае неопределенна, то вместо инерционных сил используем силы тяжести. Пусть частица пыли будет иметь сферическую форму. Тогда ее вес определяется формулой

,                                 (1. 1)

где: g - ускорение свободного падения,  - плотность материала частицы, имеющей радиус R. Инерционные силы также имеют кубическую зависимость от радиуса частицы.

Сила сопротивления движению частицы пыли в газе определяется формулой Стокса                          ,                                        (1.2) где:  - коэффициент вязкости газа,  - скорость частицы пыли относительно газа. При равномерном движении частицы должно быть равенство сил Р и F. Из этого равенства следует

                                 (1.3).

Изформулы (1.3) видно, что скорость движения частицы пыли к активной улавливающей поверхности падает по квадратичному закону с уменьшением размера частицы. Оценка для конкретного случая R = 1 мкм,  = 1 кг/м³, = 0,0182 мПа (для воздуха при 20 ⁰С) с дает = 122 мкм/с.

Разумеется, это очень маленькая скорость для того, чтобы создавать очистительные устройства в макро масштабе, т.е. с характерным размером 1 м и характерной скоростью очищаемого газа 1 м/с. Этим параметрам соответствует характерное время процесса очистки газа 1 секунда. Отсюда получается, что улавливаемые пылинки в процессе очистки изначально не должны быть дальше от улавливающей поверхности, чем на 122 микрона. Понятно, что таким условиям могут удовлетворять только сухие фильтры из ворсистых материалов. Другие контактные методы очистки газов непригодны для эффективного улавливания частиц пыли, имеющих размер порядка 1 микрона. Это обстоятельство является существенным ограничением для создания простых и эффективных методов очистки. Если преодолеть это принципиальное препятствие, то любые известные приемы улавливания пыли приобретут новые перспективы.

2. Какое условие нужно соблюсти для получения возможности конденсационного укрупнения пыли в газе.