Физико-химические основы очистки газообразных промышленных выбросов на предприятиях

Вязкость газовой дисперсионной  среды на несколько порядков ниже вязкости жидкости, поэтому броуновское движение аэрозольных частиц более интенсивно. Экспериментальные исследования подтверждают применимость теории броуновского движения Эйнштейна-Смолуховского. Однако и в этом случае необходимо учитывать отношение длины свободного пробега молекулы к размерам частиц дисперсной фазы. При r>>λ формула Эйнштейна-Смолуховскго имеет вид

                                          .                                                          (8)

 

Явления термофореза, фотофореза и термопреципитации, связанные с молекулярно-кинетическими свойствами, характерны для дисперсных систем с газовой дисперсионной средой.

Явление термофореза заключается в движении частиц аэрозоля в направлении снижения температуры. При соблюдении условия λ/ r >>1 (т.е. когда частицы малы) термофорез возникает вследствие того, что на более нагретую сторону частицы молекулы газа налетают с большей скоростью, чем на менее нагретую, и, следовательно, сообщают частице импульс в направлении понижения температуры. Если λ/ r <<1, причина возникновения термофореза несколько более  сложная. Однако  можно   показать, что и при λ/r<<1 движение частицы в поле температурного градиента должно также происходить в сторону понижения температуры.

Фотофорез, заключающийся в передвижении частиц аэрозоля при одностороннем их освещении, является частным случаем термофореза. Объяснение фотофореза более сложно, чем термофореза, поскольку распределение температуры внутри освещенной частицы зависит от ее размера, формы, прозрачности и коэффициента преломления и, следовательно, может быть весьма различным. Для непрозрачных частиц обычно наблюдается  положительный фотофорез, т.е. частицы движутся в направлении светового луча. Для прозрачных частиц может наблюдаться и отрицательный фотофорез в связи с тем, что задняя сторона частицы может быть нагрета преломившимися в частице лучами сильнее, чем передняя, обращенная к источнику света. Известны случаи, когда малые частицы некоторых веществ обнаруживают отрицательный фотофорез, а большие – положительный. Такое явление можно объяснить тем, что по мере увеличения частиц интенсивность света, прошедшего через частицу, ослабляется в большей степени, а значит, задняя часть частицы нагревается меньше.

Термофорез и фотофорез  имеют большое значение в движении атмосферных аэрозолей, например, при образовании облаков. Термофорез водяных капелек, взвешенных в воздухе, возникает при соприкосновении холодных и теплых воздушных масс, а фотофорез происходит в результате освещения облаков солнечными лучами. Следует отметить, что кинетическая устойчивость атмосферных аэрозолей весьма своеобразна. Благодаря небольшому размеру капелек и малой скорости оседания (5×10^-4-7×10^-3м/с) они как бы взвешены в атмосфере, и поднимающихся от земли сравнительно слабых токов теплого воздуха достаточно для того, чтобы облака продолжали свой путь над землей, двигаясь при этом как единое целое. И только когда в результате коалесценции или конденсации капельки облаков или туманов становятся больше критического размера, они выпадают в виде дождя.

Под термопреципитацией подразумевают осаждение частиц аэрозоля на холодных поверхностях, поскольку при соприкосновении с такими поверхностями частицы теряют кинетическую энергию. Именно преципитацией объясняется осаждение пыли на стенах и потолке возле печей, радиаторов, ламп, а также в трубах.

Электрические свойства аэрозолей

Явления, связанные с  электрическими свойствами аэрозолей, имеют очень большое практическое значение. Так, движение и оседание частиц аэрозолей является причиной грозовых явлений, а также причиной серьезных помех в работе управляющих и следящих устройств. Изменение условий образования зародышей жидкой фазы весьма важно для метеорологии, для искусственного дождевания, во всех технологических процессах, связанных с конденсацией паров.

Аэрозольные частицы приобретают заряд либо в процессе своего образования, либо находясь во взвешенном состоянии. Образование заряженных частиц наблюдается при разбрызгивании полярных жидкостей. Причина появления заряда у частиц, находящихся во взвешенном состоянии, - столкновение их друг с другом, а также захват газовых ионов. В атмосфере всегда присутствуют ионы, появление которых вызвано, в частности, действием естественной радиации. В отличие от золей, находящихся в растворе электролита, величина заряда на частицах аэрозоля является случайной величиной, определяемой, главным образом, столкновениями с ионами газов. Таким образом, частицы одинаковых размеров и одного состава могут иметь различные по величине (и даже по знаку) заряды, изменяющиеся во времени совершенно случайно. В обычных условиях газовых ионов очень мало и частицы аэрозоля сталкиваются с ними редко (одно столкновение за период от нескольких секунд до нескольких минут). При столкновении нейтральная частица может получить заряд, а у заряженной частицы он может увеличиться, уменьшиться или нейтрализоваться. Таким образом, заряд частицы в аэрозолях постоянно меняется. Однако, в общем, все же можно полагать, что заряд частицы аэрозоля тем больше, чем больше ее размеры. На практике также установлено, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов несут отрицательный заряд, например, Fe₂O₃, MgO, Zn, ZnO, и. наоборот, частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов заряжены, как правило, положительно – SiO₂, P₂O₅ и т.д. Положительно заряжены также частицы NaCl, угля, крахмала; частицы муки несут отрицательный заряд.

Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный  заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe₂0₃), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO₂, P₂O₅) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.

Важным отличием аэрозолей  от жидких дисперсных систем является отсутствие электронейтральности системы  в целом. Суспензии, эмульсии, лиозоли  в макроколичествах не имеют заряда, в  них соблюдается закон электронейтральности. Аэрозоли же даже в больших количествах могут обладать значительным статическим зарядом, а седиментация приводит к его неравномерному распределению в системе, что создает серьезные трудности при рассмотрении закономерностей изменения свойств аэрозолей.  Однако оценочные расчеты, например, напряженности электрического поля в облаках, можно провести с помощью простых соотношений.

В облаках постоянно  изменяется дисперсность капель воды, вследствие чего происходит седиментационное разделение частиц по размеру и соответственно по электрическому заряду. В результате нижний слой облака приобретает отрицательный заряд, а верхний слой остается положительно заряженным. При значительной полидисперсности капель облака, а также при конвекционных токах, обусловленных ветром, в облаке могут возникать и большие напряженности (Е>30 кВ/м), приводящие к грозовым явлениям.

1.3 Размер и  форма частиц

 

Аэрозоли классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы, по дисперсности и методам получения. Исходя из этого принципа, аэрозоли делят на туманы (Ж/Г) – дисперсная фаза состоит из капелек жидкости, дымы (Т/Г) - системы с твердыми частицами и пыли (Т/Г) - системы с твердыми, но более крупными частицами.

Аэрозоли охватывают большой диапазон дисперсности, однако высоко - и грубодисперсные аэрозоли неустойчивы. Первые - вследствие частого столкновения частиц между собой и в замкнутой системе со стенками, вторые – в связи с большой скоростью седиментации. Поэтому практически аэрозоли занимают область 10^-4 – 10^-7 м, как видно из приведенных ниже данных (табл.1).

 

 

Таблица 2: Размеры частиц некоторых типичных аэрозолей

Название системы	Размер частиц, м
Туман (Н2О)	5·10-7
Пыль природная	1·10-6 - 1·10-4
Споры и пыльца растений	1·10-6 -1·10-5
Слоистые облака	1·10-6 -1·10-5
Дождевые облака	1·10-5 - 1·10-4
Туман (Н2SО4)	1·10-6 - 1·10-5
Табачный дым	1·10-7 - 1·10-6
Дым (Р2О5)	5·10-6 - 1·10-6

 

Кривая распределения  частиц в аэрозоле, т.е. содержание в  нем частиц различных радиусов, зависит от происхождения аэрозоля и процессов, происходящих в аэрозоле после его получения (агрегация, коалесценция, изотермическая перегонка).

Форма частиц аэрозолей  зависит от агрегатного  состояния  вещества дисперсной фазы. В туманах  капельки жидкости шарообразны. В дымах частицы могут иметь самую разнообразную форму, например, игольчатую, пластинчатую, звездообразную. В дымах частицы могут представлять собой и сложные агрегаты, тогда как в туманах столкновение капелек обычно приводит к коалесценции и образованию капелек большего размера.

В результате рыхлости (пористости) частиц аэрозоля кажущаяся плотность  этих частиц, определенная обычно принятыми  способами, часто значительно меньше плотности вещества, из которого они  состоят. Это можно видеть по значениям плотностей частиц некоторых дымов, полученных различными методами.

Размер и форму частиц определяют с помощью обычной  микроскопии, ультра- или электронной микроскопии.

 

1.3  Агрегативная  устойчивость аэрозолей

 

Аэрозоли, обладая при  высокой дисперсности достаточно высокой седиментационной устойчивостью, обычно являются весьма агрегативно неустойчивыми системами, и в них всегда идет процесс коагуляции. Этим объясняется сравнительно небольшой срок жизни любого аэрозоля. Существенно, что максимальную неустойчивость проявляют аэрозоли с наиболее крупными и с наиболее мелкими частицами. Первые системы неустойчивы из-за большой скорости оседания их частиц, вторые не могут долго существовать вследствие интенсивного броуновского движения, приводящего к столкновению частиц и образованию агрегатов.

Коагуляция аэрозолей, являющаяся, как правило, процессом  быстрой коагуляции, обычно протекает  значительно быстрее, чем коагуляция лиозолей.

На скорость разрушения систем с газовой дисперсионной  средой, помимо частоты столкновений, влияют и другие факторы. Так, коагуляции аэрозолей способствует полидисперсность и анизодиаметрическая форма частиц. Разрушение аэрозолей ускоряется при наличии в них противоположно заряженных частиц. Наоборот, если частицы аэрозоля обладают одинаковым по знаку и достаточно большим по величине зарядом, то наблюдается рассеяние частиц. На скорость коагуляции аэрозоля, конечно, влияют конвекционные потоки, механическое перемешивание, ультразвуковые колебания, поскольку все эти воздействия увеличивают вероятность столкновения частиц друг с другом.

Необходимо отметить, что в аэрозолях, как и в  лиозолях, могут изменяться размеры  частиц не только за счет явлений коалесценции и агрегации, но и вследствие изотермической перегонки дисперсной фазы, что приводит к укрупнению больших частиц за счет испарения более мелких. В атмосфере больших промышленных городов при влажности, близкой к 100%, происходит конденсация паров воды на частицах дыма и пыли. Поэтому количество осадков над городами намного превышает средние для данной местности значения.

 Испарение капелек тумана  может приводить в соответствующих  условиях к переходу аэрозоля  в гомогенную систему подобно  тому, как растворение дисперсной  фазы лиозоля приводит к образованию  истинного раствора. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Очистка газов  от аэрозолей.

 

 

 Методы очистки по их основному  принципу можно разделить на механическую очистку, электростатическую очистку и очистку с помощью звуковой и ультразвуковой коагуляции. 

2.1 Механическая  очистка газов.

 

Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы.

 К сухим методам относятся:  
 
1)    гравитационное осаждение;  
 
2)    инерционное и центробежное пылеулавливание;  
 
3)    фильтрация.  
 
В большинстве промышленных газоочистительных установок комбинируется несколько приемов очистки от аэрозолей, причем конструкции очистных аппаратов весьма многочисленны. 
Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40–100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Производительность осадительных камер 

П = Sw_о , (9)

где S — площадь горизонтального сечения камеры, или общая площадь полок, м²; w_о — скорость осаждения частиц, м/с. Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц диаметром более 50-100 мкм, причем степень очистки составляет не .выше 40-50%. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки газов. 
Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи).

 
Рис.1 . Жалюзийный пылеуловитель 
с частичным отводом запыленного газового потока: 
1 – жалюзийная решетка; 2 – очищенные газы 
(около 90 об. %); 3 – запыленные газы (около 10 об. %)

Чтобы достигнуть эффекта  инерционного отделения пыли, скорость газа перед жалюзийной решеткой должна быть достаточно высокой (до 15 м/с). На степень очистки влияет также скорость движения газов, отсасываемых в циклон. Гидравлическое сопротивление решетки составляет 100–500 Па. 
Обычно жалюзийные пылеуловители применяют для улавливания пыли с размерами частиц более 20 мкм. Основной их недостаток – износ пластин при высокой концентрации крупной пыли. Эти аппараты широко применяются для предварительной очистки газов перед циклонами или рукавными фильтрами. 
Эффективность улавливания пыли в жалюзийном аппарате зависит от эффективности самой решетки и эффективности циклона, а также от доли отсасываемого в него газа. Если j – относительная доля газа, отводимого с пылевым концентратом, то степень очистки газов в жалюзийном пылеуловителе