Страус В. - Промышленная очистка газов (1044946), страница 108
Текст из файла (страница 108)
В свою очередь частица будет испытывать воздействие силы, отталкивающей ее в направлении холодной области. Прн разработке теории Эпштейн [244) ввел следующие предположения: размер частицы сравним с длиной свободного пробега молекул газа; на больших расстояниях от частицы градиент температуры газа однороден; для расчета теплопроводности без конвекцпн можно испольэовать уравнение Фурье, хотя такое состояние невозможно вследствие термической ползучести.
Эпштейн получил уравнение для термической силы, исследовал. тсплоперснос, нашел уравнение для термической ползучести и уравнение движения частицы (где он пренебрегал инерционнымн силами), но использовал скорость ползучести в качестве граннч11ых условий. Тогда термическую силу определяют как поверхностный интеграл компоненты напряжения, параллельной направлениуо теплового потока. Это дает Вгв(112 лТ (Х!.41) 2рТ (2+ нч/нг) г!х где н, н к, -- тсплопроводность соответственно газа н частицы. Сопротивление газа движению частицы подчиняется закону Стокса с поправкой Каанигхема [уравнение (1т7.34)).
Тогда скорость частицы в условиях градиента температур может быть найдена нз формулы (Х1. 42) 2рТ(2+ ич)нг) ' г!х Эипштеип [233! тох<е вьевел уравнение для крупных частиц, заменив выражение для площади маленькой частицы произведением длины окружности частицы на среднюю длину свободного пробега. 5ЗТ Однако было показано, что значение термической силы, полученное из этого видоизмененного уравнения, составляет только одну треть величины, полученной расчетом по уравнению (Х1.42), где х„намного меньше, чем х, для получения эквивалентного уравнения [705). Достигнуто хорошее совпадение между скоростями частицы в тепловом поле, рассчитанными по уравнению Эпштейна (Х1.42), и экспериментальными значениями, установленными различными исследователями для трикрезнлфосфата [705[, парафинового и касторового масел [723[ и капель стеариновой кислоты (727[.
Ширина беспылевого пространства была тщательно измерена Уотсоном [908) для дыма оксида мал!ия, окружающего медную проволоку; она была также рассчитана с достаточной точностью [964[ при одновременном применении скорости воздуха, связанной с конвекционными токами, и скорости, обусловленной термической силой (из уравнения Эпштейна). Все частицы, для которых было найдено хорошее соответствие между экспериментом и теорией, отличаются низкой теплопроводностью [порядка 10 ' Вт/(и. К)[, которая не слишком отличается от теплопроводности воздуха.
Для частиц хлорида натрия и особенно железа [727) соответствие намного меньше; эти частицы притягиваются к холодной поверхности с силой в 30 и 48 раз большей, чем значение, предсказываемое уравнением Эпштейна. Принимая во внимание это явное расхождение между теорией и экспериментом, Брак [133[ вновь рассмотрел проблему термоосаждения, но с полным набором классических граничных условий Максвелла, учитывая температурный скачок и проскальзывание, а также термическую ползучесть. В этом случае термофоретическая сила может быть определена по уравнению 0 И'~ (х,/х„+ С!2Х/4 ЗТ ! ~рЧ' ()+ЗСт2Чсб()+2хс/х,+4СсХ/Л) ' Зх Постоянные С! и С„являются функциями константы термической и инерционной аккомодации, они имеют значения 1,875~С!( (2,48 и 1,00(С (1,27 [133[.
Обычно пользуются значениями С!=2,0 и С =1,25, хотя Брок принимал значения С!=2,5 и С =1 [133[. При нахождении скорости и! очень маленькой частицы в тепловом поле сопротивление трения газа определяют из уравнения Кнудсена — Вебера [450[ с использованием числовых констант, найденных Милликеном [572[ )с = зхий~ 1! + 2 (х(л) + 0,8 (хЯ) схр ( — (,74ЦЯ-~ Комбинируя уравнения (Х1.43) и (Х1.44), получаем 1! ).2,8(Х(а) +0,84(ХЯ) схР( — ),74Х(И)! (! + 2С!Ххх/хс) Зп ЫТ и! = ((+0С Х!И) ()+2(х„!х„+ 4С~ХЩ ЗрТ ах (х!.40) Брок показал, что эти уравнения учитывают ие только скорость тсрмнческого дрейфа частиц с низкой теплопроводностью, но н скорость частиц с хорошей теплопроводностью, причем точность составляет не менее 25'/о [!ЗЗ].
Дерягин и Баканов [2181 предложили новый подход к решению задачи. Оии отметили, что при учете газового распределения вблизи стенки значения коэффициента термического проскальзывания ('/;,!) намного меньше первоначального значения, найденного Максвеллом ('/х), поэтому они ввели понятие термического потока в газе, являющегося функцией локального давления. Авторы решили эту задачу с помощью преобразований, основанных иа принципе взаимности Окзагера, и получили для термической скорости слсдующее выражение ! Х!.48) Это уравнение проще, чем уравнение Брока; кроме того, здесь скорость частицы не стремится к нулю цри больших н„как это происходит в случае применения уравнения Эпштейна для частиц с большой теплопроводностью. Позже Дерягин и Яламов [220[ расширили граничные условия и стали учитывать температурный скачок. Прн этом было получе>ю выражение ! И !)+8(н„7н„) — 4С~Х7Л1 Зт 2 ' рТ ' !! + 2(н,./н„) + 4С!Цд) ' нх (Х!.
!7) Для очень маленьких частиц (Н вЂ” ь0) уравнение упрощается ! и яз' 2 2' И (Х! Лз) 882 Скорость частицы под действием термической силы, найденная пз уравнемпя (Х1.47), пр!!мер~по в а~па раза больше, чем рассчита|нпая из уравнения Брока (Х1.45), но находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными, полученными Дерягиным и Рабиновичем [219) для частиц парафина и хлорида натрия. С другой стороны, Шмидт [733[, измеряя скорость капель масла с низкой тсплопроводностью (н,/н„=1,2) при числе Кнудсена, равном О,1, и принимая С!=2,16, нашел значение и! в 1,9 раза большее, чем нз уравнений Эпштейна.
В то же время значение скорости, получаемое по уравнению Дерягина, в 2,7 раза больше, чем по уравнению Эпштейна. Таким образом, при соответствуюшем выборе основных !пщгопочных параметров можно получить очень хорошие оцеиочпыс значения скоростей частиц при действии термической силы для широкого диапазона теплоцроводностей.
Однако практического применения в промышленных газоочистительных установках процесс термоосаждения не нашел. Блактин проводил эксперименты, пропуская запыленные газы через нагрет)зо топкую металлическую сетку, которая отталкивала частицы, Рнс.
Х!-12. Расчстиаи зависимость терлгнчсской силы от тсмперзтуры !333! дли часттщ различного размера. г 1,0 а,а ич т " Ц2 Г й10 0,0 0,04 402 присутствовавшие в газе. При температуре сетки 85'С эффективность, основанная на подсчете частиц, составляла в среднем около 94% (максимально — 98Яз) нри скорости прохода газа через поверхность сетки примерно 0,23 мз/(мг .с) [86, 87). В другом патенте [767] предлагаетси очистка газа путем про- 000 000 а00 2000 т '0 пускания его но узким каналам между горячими и холоди!лми ребрами, встроенными в газоход, причем ребра присоединены к раздельным нагревательным н охлаждающим элементам. Пыль подвергалась воздействию резкого температурного градиента и осаждалась на холодных ребрах.
Предполагали также, что процесс термоосаждения может быть использован дли удаления частиц из горячих газов при пропускании их через холоднь!й слой фильтрующего материала. Проходы в слое очень узкие, поэтому даже прн разности температур 50'С градиент температуры может достичь 10'С на 1 мм внутри прохода. Расчеты показывают, что при 500'С в слое толщиной 0,2 м будет осаждаться 98,8о!о частиц диаметром 0,1 мкм [823). В такой системе важную роль играет температурная зависимость термических сил, которая еще до сих пор экспериментально не изучена. Однако этот эффект можно рассчитать, если определить изменение отношения иг7(Й77г1х) при изменении температуры, используя уравнение Эпштейна (Х1.42) [833). Из этого отношения видно (рнс.
Х1-12), что для частиц размером более 1 мкм скорость термоосаждения увеличивается при увеличении температуры, тогда как для частиц размером менее 1 мкм она уменьшается при повышении температуры независимо от градиента температуры. 1000 еь 100 е, 00 Рис. Х1-13. Влиинис температуры иа скорость дрейфа оа частиц ВсО радиусом 0,1 мкм в Оуз прн различных плот. постах газа и температурном градиенте 40'С на ! мм: г — «поиметь газа 2 «~гон 2- то же, зв «г/мч 3 — то же, Зс «г/нч 000 Ед ! 000 ор 340 5. Ослжде!1ие В слОе сО стлци011лр!1Ои нлвиВкОи Страус и Тринг [83Ц показали в экспериментах на пилотной установке диаметром 0,3 м, что слой из крупного гранулированного материала с размерами гранул около 5 мм (например, дробленый огнеупорный кирпич) обеспечивает эффективность при очистке отходящих газов мартеновских печей при 455'С, равную 90ов, причем перепад давления не превышает 1 кПа (результаты экспериментов приведены в табл.
Х1-1). В более поздней работе [834) показано, что термоосаждение играет важную роль при очистке горячих дымов!ах газов на холодных слоях насадки. Промышленный фильтр с насадкой из гравия (фильтр М-В) фирмы Лурги [240) оказался эффективным пылеулавливающим устройством при температуре около 350'С. Слой гравия помеща!от в сетчатую рамку, расположенную на пружинах. Газы поступают снизу; через определенные интервалы времени раму встряхивают с помощью вибратора, и пыль собирается в пылесборнике (рис. Х1-14) . Типичные эксплуатационные характеристики такой установки подробно описаны в работе [3071: эффективность установки для улавливания коксовой пыли 95о/р, концентрация пыли в очищенных газах от 0,035 до 0,025 г(ма, по- ТЛБД747(Л Х1'1 Эффективность улавливания а фильтре со стандартным слоем гранул [8311 ТелсЗинз слО» ии Показатели 76 270 та 87-96 230-290 055 !'0 Эффективность, $, Т< мнература, 'С Иоттрн напора, кПа 74 — 90,2 303 — 352 0,55 — 1,2 65.2 — 85.3 255 †4 0,18 — 0,59 59,3 — 88 2 360 — 455 0,13 — 0,21 Следует учитывать и влияние давления на термоосаждеиие.
Так, в проектируемом ядерном реакторе с газов!ям охлаждением, работающем нри давлениях около 50 МПа, могут возникнуть значительные градиенты температур, что приведет к осаждению частиц на поверхности тенлообменников. Выло рассчитано влияние давлении на скорость дрейфа сферических частиц оксида бериллня (ВеО) диаметром 2 мкм в дноксиде углерода в широком диапазоне давлений, соответствующих плотностям газа от 2 до 50 кг~ма. Расчеты были основаны на уравнении Злштейиа (рис.
Х1-13) [83Ц и показали, что если при атмосферном давлении термоосажление составляет 85%, то при 5 МПа эффективность осаждения спижаетсн до 10оВ. Рис. Х!П4. Промыгилекпый четырехсекциоппый фильтр М-В с насадкой из крупного песка и параллельным проходом газов 1240): à — слой крупиого песка или гравия; 2 — сетчатая рама; 3 — вибратор. теря напора достигала 2 кПа, поскольку эффективное улавливание устанавливалось лишь после осаждения некоторого колнчествй пыли; установка производительностью 4000 мзуч была испытана для улавливания пыли фосфатов; концентрация пыли снижалась с 1 — 3 до 0,01 — 0,02 г!мз; потеря напора составила от 1,1 до 1,3 кпа; фильтр использовали для очистки газов карбидной печи; расход газа 70000 мз!ч, концентрация пыли снижалась от 0,5 — 1,3 до 0,120 г!мз. Вероятно, фильтры с насадкой из крупного песка или гравия найдут применение в крупнотоннажном производстве неорганических химических продуктов.
6. ПЫЛЕУЛЛВЛИВЛНИЕ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОГ Казалось очевидным, что применение псевдоожиженного (кипящего) слоя может широко применяться для осаждения пыли и тумана, поскольку турбулентное движение частиц в слое способствуст агломерации и столкновению капель с частицами слоя. Однако уже в результате проведения незначительного числа экспериментов (568, 745] было показано, что невозможно достичь эффективности более 90Ъ, н такое оборудование нельзя использовать в промышленных масштабах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
