Очистка воздуха от мелкодисперсных капельных аэрозолей

В настоящее время наблюдается прогрессирующее развитие нанотехнологий и наноматериалов, и, соответственно, увеличивается выделение в окружающую среду микронных частиц [1]. Большинство существующих методов очистки или достигли предела по какому-либо параметру, или имеют недостаточную эффективность улавливания микрочастиц [2–6]. Таким образом, одной из основных задач при проектировании аппаратов очистки вентиляционных выбросов от капельного аэрозоля микронных размеров является повышение эффективности очистки. Проектирование предлагаемых аппаратов очистки базируется на использовании теории турбулентной миграции частиц [7–10]. Основным показателем интенсивности осаждения частиц является массовая доля частиц, выпадающих на стенку из потока в единицу времени на единицу поверхности. На участке d_x [м] трубы за одну секунду будет осаждаться по периметру Р [м] количество частиц:

Pj_wdx = PV_iC_xd_x, (1)

где j_w — удельный поток частиц к стенке, г/(м²⋅с); V_i — скорость осаждения частиц, м/с; С_х — средняя концентрация частиц в данном сечении F [м²] трубы, г/м³. В связи с выпадением из потока, движущегося со средней скоростью U_m [м/с], частиц, его средняя концентрация в секундном объеме FU_m уменьшится в конце участка dx на величину dC_x, а общее количество частиц станет меньше на величину FU_mdC_x. На основании (1):

Интегрирование этого уравнения в пределах от х = 0 до х = l при условии, что при х = 0, С_х = С_н (С_н — начальная концентрация частиц при входе в трубу), приводит к следующему уравнению:

На стабилизированном участке труб и каналов скорость оседания частиц V_i не зависит от продольной координаты, в силу чего уравнение (4) сводится к экспоненциальной зависимости:

Для плоскощелевых каналов Р = 2Н и F = Hh (Н — ширина плоскостей; h — расстояние между ними), соответственно, P/F = 2/h, и для них:

Поскольку h/2 является гидравлическим радиусом R_э (R_э = F/P), уравнение принимает вид:

Эффективность осаждения h будет равна:

Поскольку отношение l/U_m есть время пребывания частицы в трубе — t_пр, то очевидно:

Увеличение U_m уменьшает t_пр, но происходит усиление эффекта осаждения частиц, так как V_i растет пропорционально U_m, что компенсирует снижение t_пр. В процесс осаждения частиц, описанный формулами (1)–(9), входят турбулентнодиффузионные и турбулентно-гравитационные составляющие. Экспоненциальный закон падения концентрации частиц по ходу потока хорошо согласуется со многими опытными данными, в том числе и полученные авторами при осаждении высокодисперсных частиц диоктилфталата. Расчет общего количества частиц G [г], осаждающихся за время t на стенках трубы турбулентным путем:

По всей длине трубы количество оседающих в единицу времени частиц:

G_l = (C_м – C_к)L, г/с, (11)

где L — расход газа, м³/с; D_э — эквивалентный диаметр, м; С_м — средняя концентрация аэрозоля, г/м³:

Удельный поток частиц к стенке по всей длине трубы будет равен:

j = G/P_l , г/(м²⋅с). (13)

Проведенные теоретические и опытные исследования позволили сконструировать новый пластинчатый сепаратор аэрозоля [11] и сепаратор туманов с изогнутыми пластинчатыми осадительными элементами [12]. Прототипом предложенных сепараторов является устройство для очистки воздуха от жидких аэрозольных частиц, выполненное в виде трубы Вентури, содержащей осадительные элементы в виде прямоточных, вертикально установленных металлических трубок [13].

Это устройство имеет ряд существенных недостатков конструктивного и аэродинамического характера. В частности, при очистке значительных объемов газа количество трубок в осадительном пакете может достигать многих тысяч штук, что делает очистное устройство сложным в изготовлении, тяжелым и дорогим. В опытах авторского коллектива при осаждении субмикронных частиц пластификатора (диоктилфталат) в качестве осадительных элементов используют тонкие металлические листы — прямые или с изгибами.

В случае использования в качестве осадительных элементов вертикально расположенных тонких металлических пластин их компонуют в плоскопараллельный пакет с щелевыми зазорами h = 4 мм между плаcтинами [11]. Размер h принят исходя из масштаба турбулентности, при котором наиболее эффективно осаждаются частицы субмикронных размеров (рис. 1).

Согласно теоретическим исследованиям в области турбулентного переноса и осаждения частиц аэрозоля, известно, что эффективность осаждения зависит от скорости движения аэрозоля V и отношения протяженности осадительного канала L к его эквивалентому (гидравлическому) диаметру D_э. Опыты показали, что при L/D_э = 250 эффективность осаждения частиц составляет более 97 %. Кроме того, увеличение значения числа Re позволит достичь еще более высокой эффективности очистки.

Известно, что для высокоэффективного осаждения частиц аэрозоля движение газа должно быть развитым турбулентным, то есть при эквивалентом диаметре канала Dэ число Рейнольдса составляет в трубках Re_D ≥ 10–12 тыс., а в плоских каналах — Re_Dэ ≥ 4800. Следовательно, в плоских каналах возможно сократить длину осадительного канала и габаритный размер очистного устройства. Принцип работы пластинчатого сепаратора аэрозоля таков.

Очищаемый газ поступает в корпус сепаратора 1 через воздуховод равномерной раздачи 2, проходит в щелевые каналы между осадительными пластинами 3. На стенках пластин выпадает коагулянт, который стекает вниз через сетки-укрупнители капель 5 в бункер 7, а очищенный газ через сетку 6 и стабилизирующие конфузорные патрубки 4 отводится из сепаратора.

Сепаратор туманов с изогнутыми элементами состоит из корпуса 1, в верхней части которого располагается канал равномерной раздачи 2, осадительных элементов 3 с крепежными рейками 4, стабилизирующих конфузоров для отвода отсепарированного тумана 5, сеток-укрупнителей мелких капель 6 и бункера сбора и удаления коагулянта 7 (рис. 2). В случае использования изогнутых пластинчатых элементов металлические листы с углом раскрытия β = 60° компонуются в пакет с щелевыми зазорами между листами δ = 6 мм, расположенный вертикально и обеспечивающий развитый турбулентный режим течения [12].

Принятые размеры бункера сбора осажденного коагулята b/a = 1,5 обеспечивают отсутствие каплеуноса. Живое сечение сеток-укрупнителей мелких капель f_жс = 80 %. Угол раскрытия конфузоров 2α = 15° обеспечивает снижение гидравлического сопротивления и увеличение скорости течения газа. Важным фактором, влияющим на эффективность сепарации аэрозоля, являются изгибы каналов, которые оцениваются отношением радиуса изгиба Rиз к эквивалентному диаметру D_э.

Опыты показали, что при R_из > 8 Dэ влияние изгибов на формирование пограничного слоя незначительно, и при одинаковой длине прямого и изогнутого канала эффективность осаждения частиц η будет практически одинаковой. Однако с уменьшением R_из/D_э картина меняется. При сравнении двух одинаковых по начальной длине каналов (L₁ = L₂, D_э1 = D_э2), один из которых снабжен изгибами при R_из/D_э < 1,5, показало, что при одинаковом полном гидравлическом сопротивлении ΔР_п канал с изгибами обладает более эффективной степенью осаждения частиц.

Так, например, при R_из/D_э = 0,75 коэффициент эффективности очистки η > 99 %, тогда как в прямом канале при аналогичных условиях величина η не превышает 95 %. Таким образом, предложенные конструктивные новшества позволяют оптимизировать процесс очистки газов от субмикронных частиц аэрозолей. Использование в качестве осадительных элементов металлических пластин позволяет добиться уменьшения размеров аппаратов, а использование изогнутых металлических пластин еще и способствует повышению эффективности очистки.