РАЗРУШЕНИЕ АЭРО- И ГИДРОЗОЛЕЙ

В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ

Значительно количество установок очистки и обезвреживания аэро- и гидрозолей работают с использованием центробежной силы. Конечно, такие устройства (циклоны, гидроциклоны, центрифуги) конструктивно гораздо сложнее, чем установки, использующие гравитационное поле. Дело в том, что последнее сравнительно слабое, в силу чего под действием силы тяжести оседают только достаточно крупные частицы, не способные, как уже отмечалось, участвовать в броуновском движении.

Так, коллоидные частицы под действием земного тяготения не седиментируют или этот процесс протекает чрезвычайно медленно. Частицы кварца с радиусом порядка 10^-7 м (100 нм) путь в 1 см проходят за 86 ч, что практически несовместимо с реальной инженерной практикой. В поле центробежной силы этот процесс протекает со значительно большей скоростью. Другим его достоинством являются:

- возможность регулирования величины центробежной силы и, следовательно, кинетики процесса за счет скорости вращения центрифуг или поступления дисперсных систем в циклоны. Этой возможности лишены установки, функционирование которых основано на действии силы тяжести, незначительно изменяющейся лишь при переходе от полюсов Земли к ее экватору. Для резкого изменения величины mg необходимо процесс проводить на иной планете;

- существенное снижение габаритов устройств, что существенно повышает экономичность производства.

На частицу, находящуюся в поле центробежной силы (бегущей от центра), как и в случае ее седиментации под действием силы тяжести, действуют следующие основные силы: движущая и трения, направленные противоположно.

Частица, удаляясь от оси вращения, двигается с переменной все возрастающей скоростью dx/dt. Ускорение в поле центробежной силы равно w²х, где w - угловая скорость вращения, х – расстояние частицы от оси вращения. Следовательно, выражение для силы трения принимает вид

F_тр = 6phrdx/dt,

а величина движущей силы, действующей на частицу, определяется зависимостью

F_движ = pr³ (r - r₀)w²х.

В момент установления равномерного движения SF = 0 и действительно равенство

6phrdx/dt = pr³ (r - r₀)w²х.

Разделив переменные, получим

= .

Принимая r = const, r₀ = const, r = const и h = const, что справедливо при неизменной природе системы, в результате интегрирования в пределах от х₁ до х₂ и от 0 до t имеем:

ln = . (46)

Откуда

r = . (47)

При r >> r₀ (аэрозоли) уравнение (47) несколько упрощается

r = .

Если выражение

объединить в константу В, то имеем:

r = В . (48)

Используя уравнение (48), можно оценить радиус частиц монодисперсных систем. Однако скорость движения частиц в поле центробежной силы определить нельзя. Это и понятно, т. к. она является функцией расстояния частицы от оси вращения.

Для проведения инженерных расчетов задачу несколько упрощают, усредняя с этой целью скорость движения частицы. Это позволяет движущую силу выразить следующим образом:

F_движ = .

Здесь r без индекса – радиус частицы, r_ц – радиус вращения потока аэро- или гидрозоля. Выражение для силы трения имеет прежний вид (уравнение Стокса).

F_тр = 6phrv_осед.

v_ц – линейная скорость вращения потока (не путать с его угловой скоростью, которая постоянна), v_осед – скорость оседания (движения от центра) рассматриваемой частицы. В условиях SF = 0

= 6phrv_осед.

Из последнего равенства легко оценить v_осед.

v_осед = .

Окончательно имеем выражение

v_осед = ,

в котором все величины определены ранее.

Возможно осаждение частиц в результате их инерционной способности или под влиянием диффузии, движущей силой которой является разность концентраций по пути процесса.

Инерционное осаждение наблюдается, например, в пылеосадительных камерах, снабженных вертикальными перегородками (рис. 6 и 7) или в циклонах различного типа, в которых всегда имеет место резкое изменение направления движения потока системы.

Рис. 6. Инерционные пылеуловители: а – с перегородкой, б – с плавным поворотом газового потока, в – с расширяющимся конусом.

Инерционное осаждение наблюдается в том случае, когда масса частиц дисперсной фазы или скорость их движения столь велики, что они не могут следовать за газом – носителем (дисперсионной средой), огибающим препятствие, а продолжают двигаться по инерции.

Диффузионное осаждение определяется средней величиной смещения частиц D, которую можно оценить посредством уравнения Эйнштейна – Смолуховского

D = ,

где D – коэффициент диффузии, являющийся функцией ряда параметров, и продолжительности процесса t. Величина D может быть определена посредством уравнения Эйнштейна (уравнение (40)).

Рис. 7. Схема устройства циклона: 1 – корпус, 2 – входной патрубок, 3 – выхлопная труба, 4 – пылесборник.

Широко применяется разрушение дисперсных систем в электрическом поле (ЭП). В основе процесса лежит заряжение взвешенных частиц в ЭП с последующим их выделением из дисперсионной среды. Достоинства метода в следующем:

- возможность разрушения высокодисперсных систем;

- возможность оперативного наложения и снятия поля и регулирования его напряженности.

Недостатком установок (называемых электрофильтрами) является необходимость использования высокого постоянного напряжения (до 100 кV) и наличие дополнительных требований к технике безопасности.

Заряжение частиц дисперсной фазы возможно несколькими путями:

- при генерации аэрозоля;

- за счет диффузии свободных ионов;

- под действием коронного разряда.

В первых двух случаях суммы положительных и отрицательных зарядов (Z_i) равна (SZ₊ = SZ_-), в третьем – подобное равенство не соблюдается,
т. к. появляются преимущественно частицы одного знака.

Для создания электрического поля в этом случае используются электроды с резко различным радиусом кривизны. Анод источника высокого напряжения подключают к плоскому электроду, катод – к электроду в виде проволоки (малый радиус кривизны), около которого создается электрическое поле высокой напряженности (Е). При определенном значении Е - напряжении зажигания коронного разряда (КР) происходит КР, визуально наблюдаемый в виде свечения, и с катода выделяется огромное количество электронов. В области короны, прилегающей к катоду, они дополнительно выбивают электроны из молекул компонентов воздуха, ионизируя их (пробой газа). При этом поток положительно заряженных ионов движется к катоду, а электроны к аноду. При выходе из объема короны электроны, потерявшие часть энергии, соединяются с молекулами газа, образуя отрицательно заряженные ионы, которые адсорбируются частицами аэрозоля. Их достаточно высокий отрицательный заряд обусловливает движение частиц к аноду. На нем они нейтрализуются и осыпаются.

Схематическое устройство элемента батареи электрофильтра приведено на рис. 8.

Рис. 8. Схема фрагмента электрофильтра: 1 – катод, 2 – корпус (анод), 3,5 – патрубки, 4 – приемник пыли.

Если частицы аэрозоля жидкие, то после коалесценции (слияния) капелек жидкость непрерывно стекает в бункер по стенкам трубки сегмента и удаляется.

Движущая сила процесса электрофильтрации выражается зависимостью

F_движ = qЕ,

где q – заряд частицы. Величина q равна:

для электропроводящих частиц

q = 6pr²e₀E,

для непроводящих частиц

q = r²e₀E,

где e и e₀ – соответственно диэлектрическая проницаемость вещества частицы и дисперсионной среды.

Так как сила трения обусловлена уравнением Стокса, то можно записать

qE = 6phrv_осед.

Откуда скорость движения частиц в электрическом поле равна:

v_движ = .

Тогда для электропроводящих частиц

v_движ = ; v_движ = .

Для непроводящих подобную зависимость для v_осед заинтересованные читатели легко могут получить самостоятельно.

Степень эффективности очистки в электрофильтре определяется по формуле

h = 1 – exp(-v_gS_уд),

S_уд – удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м³/с объема очищаемого аэрозоля, оцениваемая обычно в м².

Для технологических целей осаждение частиц в электрическом поле большое значение имеет их время заряжения.

Контрольные вопросы

1. Каким образом создается поле центробежной силы? Как можно регулировать движущую силу в центробежном поле?

2. Запишите выражение для расчета радиуса частицы, движущейся в поле центробежной силы.

3. Запишите выражение для расчета скорости оседания монодисперсных частиц в поле центробежной силы.

4. Какова схема устройства циклона?

5. Нарисуйте схему электрофильтра.

6. Как рассчитать скорость движения частиц в электрическом поле?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: