Влияние на людей и изделия. 2 страница

Циклоны. Выделение пыли в циклонах происходит под действием центробежных сил, возникающих в результате вращения газового потока в корпусе аппарата. Сушествует огромное многообразие конструкций циклонов [1].

В промышленной практике принято разделять циклоны на высокоэф­фективные и высокопроизводительные. Аппараты первого типа отлича­ются более высокой эффективностью очистки, но требуют больших зат­рат на осуществление процесса. Циклоны второго типа имеют небольшое гидравлическое сопротивление, отличаются большой производительнос­тью, но хуже улавливают мелкие частицы.

Применяют циклоны правые (вращение потока запыленного воздуха по часовой стрелке, если смотреть сверху) и левые (вращение против часо­вой стрелки).

По форме циклоны подразделяют на цилиндрические (высота цилинд­рической части больше высоты конической части) и конические (высота цилиндрической части меньше высоты конической части).

Циклоны различаются по способу подвода газов в аппарат, кото­рый может быть спиральным тангенциальным обычным и винтообразным, а также осевым [1].

Преимущества циклонов перед другими аппаратами:

- отсутствие движущихся частей;

- надежная работа при температуре до 500 °С без конструктивных из­-
менений;

- пыль улавливается в сухом виде;

- возможность работы при высоких давлениях;

- стабильная величина гидравлического сопротивления;

- простота изготовления и возможность ремонта;

- повышение концентрации не приводит к снижению фракционной
эффективности аппарата.

Недостатки:

- относительно высокое гидравлическое сопротивление (1200-1500 Па) высокоэффективных циклонов;

- низкая эффективность при улавливании пыли размером меньше 5 мкм.

Вихревые пылеуловители. Основным отличием вихревых пылеулови­телей от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока. Существует две основные разновидности вихревых пылеуловителей: соплового типа и лопаточного типа [1].

По сравнению с противоточными циклонами вихревые пылеуловите­ли имеют следующие преимущества: более высокую степень очистки от высокодисперсной пыли; отсутствие абразивного износа активных частей аппарата; возможность обеспыливания газов с более высокой температу­рой за счет использования вторичного воздуха; возможность регулирова­ния процесса сепарации пыли за счет регулирования расхода вторичного воздуха.

К недостаткам вихревых пылеуловителей можно отнести: необходимость дополнительного вентилятора; увеличение за счет вторичного газа общего объема газов, проходящих через аппарат; сложную эксплуатацию аппарата.

Вихревые пылеуловители могут применяться для очистки вентиля­ционных и технологических выбросов от мелкодисперсной пыли в хи­мической, нефтехимической, пищевой, горнорудной и других отраслях промышленности. За рубежом вихревые пылеуловители выпускаются производительностью от 330 до 30 000 м³/ч. В отечественных конструк­циях обеспечивается более низкое гидравлическое сопротивление и бо­лее низкая доля вторичного воздуха по сравнению с зарубежными аппа­ратами.

Для ориентировочной оценки эффективности улавливания частиц раз­личного диаметра можно воспользоваться приведенными ниже данными:

Размер частиц, мкм 2,5 5,0 10,0

Степень очистки, % 92 95 98

Данные об использовании вихревых пылеуловителей в химической промышленности представлены ниже (Таблица 3).

Таблица 3 – Использование вихревых пылеуловителей в химической промышленности

Пыль или пылевидный материал	Медианный диаметр частиц, мкм	Эффективность пылеулавливания
Целлюлоза Синтетический порошок Стиральный порошок Эпоксидная смола Карбонат кальция Полиакрилнитрин		96,5 98,0 98,0 98,0 98,0 98,0

Динамические пылеуловители. Вдинамических (ротационных) пыле­уловителях, кроме центробежных сил, на пылевые частицы оказывает воз­действие сила Кориолиса. Основная особенность динамических пылеуло­вителей - совмещение функций побудителя движения воздуха и пылеуловителя. Благодаря этому аппарат более компактен и потребляет меньше энергии, чем вентилятор и пылеулавливающее устройство.

Простейшие пылеуловители ротационного действия представляют со­бой механизм, состоящий из рабочего колеса и кожуха (пылеприемника). Пылегазовый поток приводится во вращательное движение рабочим ко­лесом, при этом под действием развивающихся сил (центробежной и Ко­риолиса) из очищаемого газа выделяется пыль.

Эксплуатационный опыт показывает, что динамические пылеулови­тели обеспечивают высокую степень очистки при улавливании частиц раз­мером более 10 мкм.

Существующие конструкции ротационных пылеуловителей подразде­ляют на две группы. В аппаратах первой группы (наиболее многочисленной) отделяемые час­тицы имеют направление движения, совпадающее с направлением газа. В аппаратах второй группы улавливаемые частицы выделяются из потока в направлении, противоположном движению газа.

Фильтры. Фильтрующие аппараты относятся к наиболее эффективным пыле­улавливающим устройствам.

Преимущества фильтров:

- более высокая степень очистки газов от взвешенных частиц, чем в газоочистных аппаратах других типов (фильтры обеспечивают прак­тически полное улавливание частиц всех размеров, включая субмик­ронные);

- возможность улавливания частиц при любом давлении газов;

- высокая степень очистки при любых концентрациях взвешенныхчастиц в газах;

- возможность очистки газов, нагретых до высокой температуры;

- использование химически стойких материалов;

- возможность полной автоматизации процесса очистки газов;

- стабильность процесса очистки и меньшая зависимость от измене­ния физико-химических свойств улавливаемых частиц и расходагазов, чем при использовании других способов;

- простота эксплуатации.

Недостатки:

- необходимость периодической замены некоторых фильтрующих пе­-
регородок;

- сравнительно высокий расход энергии при использовании отдель­-
ных видов пористых фильтров;

- громоздкость установок с фильтрами (особенно при большом объем­
ном расходе очищаемых газов);

- относительная сложность эксплуатации.

Применяемые в современных аппаратах фильтрующие пористые пе­регородки по своей структуре весьма разнообразны, но в большинстве сво­ем они состоят из волокнистых или зернистых элементов, которые услов­но могут быть разделены на следующие типы.

Гибкие пористые перегородки: тканевые материалы из природных, син­тетических и минеральных волокон; нетканевые волокнистые материалы (войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волок­нистые маты); ячеистые (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры).

Полужесткие пористые перегородки: слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними.

Жесткие пористые перегородки: пористая керамика и пластмасса, спе­ченные или спрессованные порошки металлов (металлокерамика), пори­стые стекла, углеграфитовые материалы и другие; волокнистые материалы -сформированные слои из стеклянных и металлических волокон; металли­ческие сетки и перфорированные листы.

Зернистые слои: неподвижные, свободно насыпанные материалы; пе­риодически или непрерывно перемещающиеся материалы.

В зависимости от назначения и допустимой пылевой нагрузки совре­менные фильтры условно разделяются на три класса.

Воздушные фильтры предназначены для обеспыливания атмосферно­го воздуха в системах приточной вентиляции; кондиционирования и воз­душного отопления производственных, служебных и общественных зда­ний; подачи воздуха на технологические нужды; подстанций агрегатов питания электрофильтров. Разработано много конструкций и фильтрую­щих элементов, классификация которых приведена в таблице 4.

Таблица 4 - Классификация воздушных фильтров

Класс фильтра	Размер улавливаемых частиц, мкм	Эффективность очистки, %, не менее
III
II
I

Абсолютные фильтры предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (обычно выше 99 %) в основном субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее 1 мг/м³). Такие фильтры применяют для улавливания особо токсичных ве­ществ, а также для ультратонкой очистки при проведении некоторых тех­нологических процессов или в особо чистых помещениях, где воздух слу­жит рабочей средой.

Промышленные фильтры применяются для очистки промышленных га­зов в основном с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м³), Для периодического или непрерывного удаления накапливающейся в фильтрующей перегородке пыли, фильтры этого класса имеют устройство для регенерации, позволяющие поддерживать производительность на за­данном уровне и возвращать ценные продукты в производство; фильтры этого класса нередко являются составной частью технологического обо­рудования.

Мокрые пылеуловители. Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного I газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и I уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки от пыли считается достаточно простым и в то же время эффективным способом обеспыливания.

При современном уровне развития техники пылеулавливания наметилась тенденция применения сухих пылеуловителей, однако в ряде случаев мокрые пылеуловители конкурируют с такими высокоэффективными аппаратами, как рукавные фильтры и электрофильтры.

Преимущества мокрых пылеуловителей перед аппаратами других типов:

- сравнительно небольшая стоимость (без учета шламового хозяйства) и более высокая эффективность улавливания частиц по сравнению с сухими механическими пылеуловителями;

- применение для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм;

- охлаждение и увлажнение (кондиционирование) газов;

- возможность применения для очистки высокотемпературных газовых потоков;

- возможность одновременной очистки от пыли и от газообразных вред­ных веществ, то есть использование в качестве абсорберов.

К недостаткам пылеуловителей относятся:

- улавливаемый мокрыми пылеуловителями продукт выделяется в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод;

- потери жидкости вследствие брызгоуноса;

- необходимость антикоррозионной защиты оборудования при фильтрации агрессивных газов и смесей.

В мокрых пылеуловителях в качестве орошающей жидкости чаще всего применяется вода. При решении вопросов пылеулавливания и химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) обусловливается процессом абсорбции.

Общепринятой классификации мокрых пылеуловителей в настоящее время не существует. Обычно они классифицируются на группы в зависимости от поверхности контакта или по способу действия:

- полые газопромыватели;

- насадочные скрубберы;

- тарельчатые газопромыватели;

- газопромыватели с подвижной насадкой;

- мокрые аппараты ударно-инерционного действия;

- мокрые аппараты центробежного действия;

- механические газопромыватели;

- скоростные газопромыватели.

Помимо перечисленных групп к мокрым пылеуловителям в какой-то степени могут быть отнесены мокрые электрофильтры, орошаемые волок­нистые фильтры и аппараты конденсационного действия.

Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным ап­паратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых не превышает 1500 Па. В эту группу входят полые скрубберы, барботеры, мок­рые центробежные аппараты и другие. К средненапорным мокрым пылеуловите­лям с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па относятся некото­рые динамические скрубберы - газопромыватели ударно-инерционного действия. Группа высоконапорных газопромывателей с гидравлическим со­противлением больше 3000 Па включает в основном скрубберы Вентури [1].

Электрофильтры. Электрофильтр представляет собой аппарат с вертикальным и гори­зонтальным движением газового потока, в котором размещены осадительные и коронирующие электроды. Осадительные электроды заземлены, а к коронирующим подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения от преобразовательной подстанции.

Меж­ду двумя осадительными плоскостями натянут ряд проводов. В простран­ство между плоскостями поступает запыленный газ. В поле коронного раз­ряда частицы заряжаются и движутся к осадительным плоскостям, с которых они периодически удаляются.

Процесс очистки газов в электрофильтре можно разделить на стадии: зарядка взвешенных частиц в поле коронного разряда, движения заряженных частиц к электродам, осаждение частиц на электродах, удаление осажденных частиц с поверхности электродов.

Преимущества электрических фильтров:

- низкие энергозатраты (0,1-0,5 кВ-ч) на 1000 м³ газов;

- высокая степень очистки газов - до 99 % и выше при улавливании
частиц любых размеров;

- низкое газодинамическое сопротивление (100-150 Па);

- возможность работы в агрессивных средах;

- возможность очистки высокотемпературных газов;

- возможность полной автоматизации; процессы регулирования напряжения, удаление с электродов уловленных частиц и выгрузкипыли в электрофильтрах могут быть полностью механизированы и автоматизированы;

- широкий диапазон применения;

- возможность очистки как от твердых, так и от жидких частиц.

Однако удельные капитальные затраты для установок электрической очистки газов возрастают с уменьшением их единичной производитель­ности. По этим соображениям сухие электрофильтры применяют, если ко­личество очищаемых газов более 80-100 тыс. м³/ч.

Мокрые электрофильтры применяют и для очистки меньших количеств газов, особенно при очистке вентиляционного воздуха от жидких частиц, когда напряжение, подаваемое на электроды, не превышает 10-15 кВ.

Недостатки электрических фильтров:

- высокая чувствительность процесса фильтрации к отклонениям от
заданных параметров технологического режима и к механическим
дефектам в активной зоне аппаратов;

- высокая требовательность к уровню обслуживания;

- невозможность очистки от взрывоопасной пыли.

Конструкция электрофильтра в основном определяется технологичес­кими условиями его работы: составом и свойствами очищаемых газов и ча­стиц пыли, температурой, давлением и влажностью газов, требуемой степе­нью очистки и другими факторами.

Электрофильтры разделяют­ся на однозонные и двухзонные аппараты. В однозонных электрофильтрах зарядка и осаждение частиц пыли производится в одной конструктивной зоне электродов, а в двухзонных аппаратах зарядка и осаждение пыли про­исходит в двух последовательных зонах - ионизаторе и осадителе. Двух­зонные электрофильтры применяются в основном для очистки вентиля­ционного воздуха, а однозонные аппараты получили широкое применение для улавливания пыли почти во всех отраслях промышленности.

В зависимости от количества последовательно расположенных элект­рических полей электрофильтры подразделяются на однопольные и много­польные, а в зависимости от числа параллельных аппаратов - на одно- и многосекционные. В зависимости от направления газового потока в актив­ной зоне аппарата электрофильтры подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

По конструкции осадительных электродов электрофильтры подразде­ляются на пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых электрофильтрах осадительные электроды выполняются в виде параллельных поверхнос­тей, набираемых из пластин определенного сечения, а в трубчатых элект­рофильтрах осадительные электроды выполнены в виде труб круглого, овального или шестигранного сечения. Более полную информацию можно получить из [1].

Для удаления газовых компонентов из атмосферного воздуха используют четыре метода:

- абсорбция газов жидкостью;

- адсорбция на поверхности твердого вещества;

- каталитическая очистка;

- термическое обезвреживание.

Абсорбционная очистка основана на способности жидкостей растворять газы или химически взаи­модействовать с ними. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую, при десорбции, наоборот, из жидкой в газовую фазу. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции пе­реходит в жидкую фазу, называют абсорбционным компонентом, или аб-сорбтивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорб­ции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называ­ют абсорбентом. В отличие от абсорбируемых компонентов остальную часть газового потока обычно называют инертным газом.

Различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию).

При физической абсорбции происходит физическое растворение аб­сорбируемого компонента в растворителе, которое не сопровождается хи­мической реакцией. Абсорбция происходит в том случае, если парциаль­ное давление абсорбируемого компонента в газовой фазе больше равновесного парциального давления над данным раствором. Для много­кратного использования поглотитель подвергают регенерации, при этом извлекают из него абсорбированный компонент.

При химической абсорбции абсор­бируемый компонент вступает в хими­ческую реакцию с поглотителем, обра­зуя новые химические соединения в жидкой фазе. Здесь возможны два ва­рианта - протекание обратимой и нео­братимой реакций. Хемосорбционные процессы обеспечивают более полное извлечение компонентов из газовых смесей. Регенерацию поглотительных растворов, получаемых при протекание обратимых хемосорбционных процес­сов, проводят теми же методами, что и при физической абсорбции. Регенера­цию поглотительных растворов, получаемых в необратимых хемосорбцион­ных процессах, осуществляют химическими методами.

Количество газов, которое может раствориться в жидкости, зависит от свойств газов и жидкости, а также от условий растворения: температуры жидкости и парциального давления газа над жидкостью. При абсорбции происходит передача массы абсорбируемого компо­нента (массопередача) от газа к жидкости.

Адсорбционная очистка газов. Поглощаемое из газовой фазы вещество в процессе адсорбции называется адсорбтивом, а твердое вещество, на поверхности которого или в порах которого происходит ад­сорбция поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Газовая фаза, в которой находится извлекаемый компонент, называется газом-носите­лем, а после того как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.

Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между мо­лекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся фаз. Процесс перехода молекул адсорбтива из газа-носителя на поверхнос­тный слой адсорбента происходит в том случае, если силы притяжения ад­сорбента превосходят силы притяжения, действующие на адсорбтив со сто­роны газа-носителя.

Молекулы адсорбированного вещества, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают его энер­гию, в результате чего происходит выделение теплоты. Теплота физи­ческой адсорбции сравнительно невелика и составляет до 60 кДж/моль.

Силы притяжения адсорбента могут иметь различную природу - фи­зическую или химическую. В соответствии с этим различают физическую и химическую адсорбцию.

При физической адсорбции взаимодействие молекул с поверхностью адсорбента определяется сравнительно слабыми дисперсными, индукци­онными и ориентационными силами. При этом адсорбированные моле­кулы не вступают с молекулами адсорбента в химическое взаимодействие и сохраняют свою индивидуальность. Для физической адсорбции харак­терна высокая скорость, малая прочность связи между поверхностью ад­сорбента и адсорбтивом и малая теплота адсорбции. С повышением тем­пературы количество физически адсорбированного вещества уменьшается, а увеличение давления приводит к возрастанию величины адсорбции.

Преимуществом физической адсорбции является легкая обратимость процесса. При уменьшении давления адсорбента в газовой смеси либо при увеличении температуры адсорбируемые молекулы легко десорбируются без изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может ис­пользоваться многократно.

Высокая скорость физической адсорбции и способность адсорбентов к регенерации позволяют вести процесс циклично в условиях обратимос­ти, то есть с чередованием стадий поглощения и выделения извлекаемых ком­понентов.

В основе химической адсорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, чем при физической адсорбции, а высвобож­дающееся при этом тепло совпадает с теплом химической реакции. Как правило, оно колеблется от 20 до 400 кДж/моль. Из-за такой большой теплоты адсорбции энергия связи хемосорбируемых молекул сильно от­личается от энергии связи этих же молекул в потоке газа. Соответственно и энергия, необходимая для того, чтобы хемосорбированная молекула прореагировала с молекулой другого сорта, может быть существенно мень­ше, чем энергия, необходимая для реакции этих же молекул в газовой фазе. Этим объясняется тот факт, что адсорбированная на поверхности твердого тела молекула легче вступает в химическую реакцию с другими молекулами. Существует и другое важное отличие химической адсорб­ции: молекулы адсорбтива, вступив в химическое взаимодействие, проч­но удерживаются на поверхности и в порах адсорбента. Характерной осо­бенностью химической адсорбции является и то, что скорость ее при низких температурах мала и возрастает с ростом температуры.

Адсорбция газов происходит в несколько стадий. Первой стадией явля­ется перенос молекул газа к внешней поверхности твердого вещества, и эта стадия аналогична диффузии молекул газа через стационарный слой к гра­нице раздела фаз газ - жидкость при адсорбции. Вторая стадия адсорбции заключается в том, что молекулы газа проникают в поры твердого вещества, третьей стадией является собственно адсорбция молекулы в определенной области поры. Собственно адсорбция в порах протекает очень быстро по сравнению с двумя первыми стадиями.

Каталитическая очист­ка газов основана на гетерогенном катализе и служит для превращения при­месей в безвредные соединения. Процесс протекает на поверхности твер­дых тел - катализаторов. В настоящее время вопрос о том, какие реакции и в присутствии каких веществ могут возбуждаться, остается решенным не­полностью и поэтому подбор катализаторов и проведение катализа в основ­ном решается эмпирическим путем.

Для того чтобы произошла химическая реакция между атомами, моле­кулами и ионами, необходимо их непосредственное взаимодействие. При температуре 500 °С в 1 см³ реакционной смеси происходит 1028 столкнове­ний частиц в секунду. Но не каждое столкновение приводит к химической реакции. Химическая реакция происходит лишь в том случае, когда сис­тема обладает необходимым запасом внутренней энергии (активации), если частицы сближаются на расстояние, при котором происходит перекрытие их электронных облаков, а следовательно, и перераспределение электрон­ных плотностей. Только в этом случае может произойти разрушение ста­рых и образование новых химических связей.

Энергия активации является основным фактором, определяющим ско­рость реакции. Чем больше энергия активации, тем меньше частиц обла­дают в системе такой энергией и тем медленнее протекает реакция. В то же время величина энергии активации значительно меньше энергии, тре­буемой для разрыва старых связей; она часто компенсируется энергией, освобождаемой при образовании новых. Задача преодоления энергетичес­ких барьеров решается путем использования катализаторов, которые сни­жают энергию активации и тем самым увеличивают скорость химической реакции. Таким образом, роль катализаторов с энергетической точки зре­ния сводится к понижению энергетического барьера, который должна пре­одолеть система при переходе из начального состояния в конечное.

Катализ на твердых телах складывается из следующих стадий:

- внешняя диффузия реагирующих веществ к поверхности катализа­
тора;

- внутренняя диффузия в порах зерна катализатора;

- химическая адсорбция одного или нескольких реагирующих ком­понентов на поверхности катализатора;

- перегруппировка атомов (химическая реакция);

- обратная диффузия продукта в порах зерна катализатора;

- диффузия продуктов от поверхности зерна.

Термическим называется окисление компонентов выбросов при высо­кой (800-1000 °С) температуре. Оно применяется как в отношении газов (паров), так и горючих компонентов дисперсной фазы аэрозолей (смол, масел, летучих растворителей). Основными факторами термического окисления являются температура, интенсивность перемешивания (турбу­лентность газовых потоков) и время пребывания газов в реакционной зоне. Решающее значение в организации процесса имеет подготовка газов к ре­акции, то есть нагрев смеси до необходимой температуры и обеспечение сме­шения горючих газов с окислителями. Если обезвреживаемый газ содер­жит в своем составе достаточное для окисления токсичных примесей количество кислорода, либо этот кислород добавляется к обезвреживаемо­му газу заблаговременно, то процесс смешивания газов упрощается.

Процесс термического окисления некоторых газов описывается урав­нением:

где φ - степень обезвреживания газа; τ - время протекания процесса; А - эмпирический коэффициент, отражающий аэродинамические условия про­текания процесса; Т_к - температура в реакционной камере; T_в - темпера­тура воспламенения обезвреживаемого компонента.

С увеличением времени протекания процесса и интенсивности турбу­лентной диффузии степень окисления при неизменной температуре су­щественно увеличивается. Если же параметры А и τ постоянны, то увели­чения степени обезвреживания можно достигнуть только за счет повышения температуры в камере.

Индивидуальные свойства окисляемого компонента учитываются вве­дением температуры воспламенения обезвреживаемого компонента. При использовании уравнения следует учитывать, что реакции окисле­ния многих веществ (например, углеводородных соединений) проходят с образованием промежуточных, менее активных соединений. В этих слу­чаях в уравнение вводят температуру воспламенения именно этого соеди­нения.

Дата добавления: 2015-06-28