Мокрі скрубери

 

Розрахунок мокрих скруберів виконується в наступному порядку.

1. За витратами, складом і властивостями викидів, необхідним ступенем їх очищення вибирають тип апарату, який задовольняє вимогам.

2. Знаходимо необхідне число одиниць переносу.

3. Приймаємо значення В і к, використовуючи довідкові дані. При відсутності довідкових даних приймають значення В і к для схожого виду пилу, промислового обладнання, технологічних процесів, тощо.

4. Знаходять частку енергозатрат А, яка необхідна для забезпечення розрахованого числа одиниць переносу.

5. Розподіляють знайдену величину енергозатрат А між елемен­тами апарату, які створюють контакт газів з рідиною, враховуючи їх конструктивні особливості.

6. Розраховують опір вказаних елементів, приводячи витрати і інші характеристики потоків до умов обробки в апараті.

7. Оцінюють прийнятність отриманих значень опору апарату для існуючих в наявності чи плануємих до монтажу тягодуттєвих при­строїв. Рішення про використання апарату слід приймати з урахуванням величини матеріальних і енергетичних витрат, кількості стоків, що утворюються.

8. Далі за величиною опору визначають швидкості газового потоку і рідини в відповідний елемент, а за ними – необхідні розміри елементів.

9. Уточнюють розміри елементів, приймаючи типові чи стандартні вироби, виписуючи їх характеристики і підбираючи тягодуттєві пристрої, насоси, інше допоміжне обладнання; проводять розрахунок комунікацій.

Розрахунок параметрів пустотілих газопромивачів з визна­ченням ступеню очищення за імовірнісним методом виконується в наступному порядку:

1) Приймають швидкість газів V в скрубері близько 1 м/с, перепад тиску порядку 200-250 Па і вибирають величину питомого зрошування в межах (0,5-8)·10^-3 на 1 м газу.

2) Визначають середню площу скрубера в перетині, перпендикулярному напрямку потоку газів:

 

, м², (6.56)

 

де V_г – витрата газів, що очищаються за робочих умов на виході з апарату, м³/с.

Температуру газів на виході зі скрубера, що мали початкову температуру 150 – 200°С і вище, за відсутності спеціальних вимог можна прийняти на 100° нижче початкової, а температуру не нагрітих газів - рівною початковій.

Знаходять діаметр апарату з протиточним зрошуванням або еквівалентний діаметр для апарату з поперечним зрошуванням. Висоту апарату з круглим поперечним перетином приймають близько 2,5 діаметрів, а з прямокутним перетином – з конструк­тивних міркувань.

3) Визначають витрату рідини на зрошування:

 

, м³/с. (6.57)

 

4) Визначають інерційні параметри ψ_г для фракцій часток заданого складу

 

, (6.58)

 

де: d_i – діаметр часток i-ої фракції, м; ρ_ч – дійсна густина часток, кг/м³; C_i – поправка Кенінгема (табл. 6.11); μ – динамічна в'язкість газу, Па·с; l – визначальний розмір, м.

 

 

Таблиця 6.12 –Поправка Кенінгема

 

di 106, м	0,003	0,01	0,03	0,1	0,3	1,0	3,0
Ci		24,5	7,9	2,9	1,57	1,16	1,03

 

За визначальний розмір при розрахунку порожнистих скруберів приймають діаметр краплі зрошуючої рідини в межах
(0,6-1)·10^{-3 м.}

4) Визначають коефіцієнт захоплення часток певних фракцій η_i:

. (6.59)

 

При ψ_і- = 150 його величина перевищує 0,995; при значеннях ψ_г більше 170 можна приймати рівним 1.

5) Визначають значення парціальних (фракційних) коефі­цієнтів очищення для скруберів з протиточним зрошуванням за формулою:

, (6.60)

а для скруберів з поперечним зрошуванням за формулою:

 

,

 

де w_к – швидкість осадження краплі, м/с; dк – діаметр краплі, м.

 

У порожнистих газопромивачах встановлюються форсунки грубого розпилення, що створюють краплі діаметром (0,6-1)·10^{-3 м. Швидкість осадження таких крапель можна знайти за діаграмою рис. 6.3.}

Рисунок 6.3 – Швидкість осадження крапель в пустотілих промивачах

 

6) За знайденими парціальними (фракційними) коефіцієнтами очищення і заданим фракційним складом і дисперсністю забруднювачів визначають повний коефіцієнт очищення ε_заг, використовуючи формулу:

 

, (6.61)

де g_i – масова частка i-ої фракції пилу;

і обґрунтовують можливість застосування полого скрубера або відмову від нього.

Приклад 11. Визначити ефективність очищення пилогазового потоку (повітря) в порожнистому скрубері і кінцеву концентрацію пилу в очищеному повітрі за наступними початковими даними.

Витрата газу, що очищається V_г= 60 000 м³ /год; температура газу t = 75ºC; початкова концентрація пилу С_n = 20 г/м³; густина часток пилу ρ_ч = 2 800 кг/м³; забруднювач: пил суміші вапняку і шлаку; вміст SiO₂ – 28%; необхідний ступінь очищення: до ГДК
(2 мг/м³).

 

Дисперсний склад пилу:

 

d, мкм	1,6	2,5	4,0	6,3
q, %		82,5			0,5

 

1. Визначаємо необхідну ефективність очищення за формулою:

 

,

 

де С_к – концентрація пилу після очищення (Ск = 2·10 г/м³); С_n – початкова концентрація пилу.

2. Перерахуємо дисперсний склад з інтегрального вигляду в диференційний за фракціями:

 

d₁ = (1,6 + 0) / 2 = 0,8 мкм; g_l = 100 - 94 = 6 %;

d₂ = (1,6 + 2,5) / 2 = 2,05 мкм; g₂ = 94 - 82,2 = 11,5 %;

d₃ = (2,5 + 4) / 2 = 3,25 мкм; g₃ = 82,5 - 58 = 24,5 %;

d₄ = (4 + 6,3) / 2 = 5,15 мкм; g₄ = 58 - 20 = 38 %;

d₅ = (6,3 + 10) / 2 = 8,15 мкм. g₅ = 20 - 0,5 = 19,5 %.

 

3. Розраховуємо медіанний діаметр часток за формулою:

 

мкм.

 

4. Далі розраховуємо стандартне відхилення за формулою:

 

5. Визначаємо основні розміри пустотілого скрубера.

Приймаємо: швидкість газів в скрубері м = 1 м/с, перепад тиску ΔР = 200-250 Па, величина питомого зрошування m = 1·10^-3 м³/м³ газу, діаметр крапель d_к = 1·10^{-3 м, швидкість осадження краплі} w_к = 1,1 м/с (рис. 6.3).

Середня площа скрубера в перетині, перпендикулярному напрямку потоку газів:

 

м².

 

Радіус апарату визначається за формулою:

 

м.

 

Діаметр апарату: D = 2 R = 4,608 м. Висота апарату: Н_о = 2,5·D = 11,52 м.

 

6. Оскільки отримані розміри апарату дуже великі, приймаємо до установки 4 порожнистих скрубери, тоді:

- площа одного апарату буде рівна: F₁ = F/4 = 16,667/4 = 4,167 м

- радіус апарату:

 

м;

- діаметр апарату: D₁ = 2 R₁ = 2,32 м;

- висота апарату: h₁ = 2,5·D₁ = 2,5·2,32 = 5,8 м.

 

7. Визначаємо витрати рідини на зрошування:

 

м³/с.

8. Визначаємо інерційні параметри ψ_і для фракцій часток заданого складу:

 

(6.62)

10. Визначаємо коефіцієнти захоплення частинок певних фракцій для протиточного зрошування в скрубері:

 

(6.63)

 

11. Визначаємо значення парціальних коефіцієнтів очищення для скруберів з протиточним зрошуванням:

(6.64)

 

12. Визначаємо загальний коефіцієнт очищення пустотілого скрубера з протиточним зрошуванням за формулою:

 

(6.65)

 

13. Визначаємо концентрацію пилу в газовому потоці після очищення в порожнистому скрубері при загальній ефективності очищення η_заг = 76 %.

 

С_к = С_п(1 - η_заг) = 20·(1 - 0,76)= 4,8 г/м³.

 

Висновок. Ступінь очищення повітря від пилу в порожнистому скрубері явно недостатній, оскільки потрібно очистити повітря до кінцевої концентрації 2 мг/м³. Отже, необхідно використовувати ефективніший апарат або передбачити багатоступінчату схему очищення.

Приклад 12. Розрахувати пінний апарат для очищення технологічних газів, що видаляються після сушарки з киплячим шаром і що містять фосфоритовий пил. Загальна витрата газу 20 000 м³/год, температура газу 75°С, температура зрошуючої води 25°С, початкова концентрація пилу 2 г/м³, дисперсний склад пилу

 

dч мкм	0-5	5-10	10-15	15-20	20-30	>30
ΔR, %

 

Приймаємо за базову конструкцію апарат типу ПАС, а швид­кість газу в перетині апарату з умов стійкості шару піни = 3 м/с.

Площа перетину корпусу апарату:

 

м/с.

 

Діаметр корпусу апарату:

 

м.

 

Приймемо дійсний діаметр корпусу рівним 1500 мм, тоді дійсна швидкість газу в перетині апарату:

 

м/с.

 

Витрату рідини приймаємо з урахуванням оптимальної роботи апарату при щільності зрошування L₀ = 1 м³ /(м²·год):

 

м³/год,

 

де м².

 

Живий перетин дірчастих ґрат S_p обчислюємо при висоті шару піни 100 мм, діаметрі отворів 5 мм і густині рідини 1000 кг/м³:

 

.

 

Перевіряємо дійсну висоту шару піни:

 

мм,

де

 

дм³/м³.

 

 

Крок між отворами у разі ромбічного розбиття:

 

мм.

Повний гідравлічний опір апарату:

 

,

 

де величини ΔР_р, ΔР_п, ΔР_σ,ΔР_а визначають за формулами:

 

 

Фосфофоритовий пил гідрофобний, тому ступінь фракційного очищення визначаємо за формулою для погано змочуваного пилу:

 

. (6.66)

 

В результаті обчислень отримуємо наступні фракційні ступені очищення при Н _п = 101 мм і d_ср = (d_т1 + d_т2)/2:

 

dч мкм	0-5	5-10	10-15	15-20	20-30	>30
ηa, %	79,34	89,32	93,96	97,46

 

Загальний ступінь очищення:

 

%

 

 

Залишкова концентрація пилу в газі на виході з апарату:

 

г/м³.

 

Виходячи з отриманого результату, ступінь очищення технологічних газів в пінному апараті не дуже високий і практично такий як ступінь їх очищення у високоефективному циклоні. Зважаючи на загальний недолік всіх мокрих способів очищення - утворення забруднених стоків, застосування циклону в даному випадку доцільніше.

 

 

6.6 Швидкісні пиловловлювачі (скрубери Вентурі)

 

Розрахунок ступеня очищення повітря від пилу в низько­напорному скрубері Вентурі заснований на експериментально встановленій залежності діаметру частинок, уловлених на 50%, від питомої потужності контакту Е_ж, тобто потужності, яка витрачається тільки на контакт газу з рідиною при витраті газу V= 1 м³/с.

Питома потужність контакту E_ж залежить від витрат газу і зрошуючої рідини, гідравлічного опору і типорозміру апарату КМП. Номограма для визначення величини Е_ж, наведена на рис. 6.4.

 

Рисунок 6.4 – Номограма для визначення питомої потуж­ності контактування в низьконапорному скрубері Вентурі

 

Потім за величиною E_ж визначають значення медіанного діаметру частинок, що уловлюються на 50%, тобто . При необхідності знаходять =50. Після цього на осі абсцис відкладають відрізок ОА від початку координат до значення (рис. 6.5).

Побудувавши в логарифмічно вірогідних координатах криву розподілу D (d), за формулою:

 

знаходять значення параметра а і наносять цю лінію на номограму (рис. 6.5). Потім відкладають на осі абсцис номограми середні величини діаметрів часток кожної фракції , з координат яких віднімають відрізки ОА, а з отриманих точок абсцис відновлюють ординати до лінії σ, яка вказує ступінь очищення кожної фракції. Загальну ефективність очищення розраховуємо за рівнянням:

. (6.67)

Рисунок 6.5 – Номограма для визначення ступеню очищення (густина часток коксу 1590 кг/м³, кварцу – 2650 кг/м³, вапняку – 2750 кг/м³, агломерату – 3850 кг/м³)

Гідравлічний опір скруберів Вентурі, необхідний для кори­стування номограмою, розраховують таким чином. Зазвичай він підсумовується з втрат напору в трубі Вентурі і краплевловлювачі, причому основна частина втрат доводиться на трубу Вентурі.

Гідравлічний опір труби Вентурі при подачі в неї зрошуючої рідини описується рівнянням:

 

, (6.68)

 

де ΔР_г – гідравлічний опір труби Вентурі без зрошування, Па; ΔР_р – гідравлічний опір труби Вентурі, обумовлений введенням зрошуючої рідини. Па.

Втрату натиску сухої труби визначають за залежністю:

 

, (6.69)

 

де ζ_с – коефіцієнт гідравлічного опору сухої труби Вентурі;
v_c – швидкість газу в горловині (зазвичай приймається за температурою і тиском на виході з труби Вентурі), м/с; ρ_c – густина газу (при тих же умовах), кг/м³.

Коефіцієнт гідравлічного опору ζ_с для труб Вентурі з круглою і прямокутною горловиною завдовжки 0,15·D_е (D_е – еквівалентний діаметр горловини) приймають в межах 0,12...0,15. При довжині горловини в межах 0,15 D_е < 1_г < D_е цей коефіцієнт розраховується за залежністю:

, (6.70)

 

де М= – число Маха; v_р – швидкість звуку в газі, м/с.

Цей вираз справедливий при швидкості газу в горловині до
150 м/с, причому обидві швидкості беруться за температури і тиску газів на виході з труби Вентурі.

Гідравлічний опір труб Вентурі. обумовлений зрошуючою рідиною, розраховують за формулою:

 

, (6.71)

 

де ζ_р – коефіцієнт гідравлічного опору, обумовлений введенням рідини; m – питома витрата зрошуючої рідини, м³/м³. Величину коефіцієнта ζ_р слід визначати з виразу:

 

, (6.72)

 

де v_р – швидкість крапель рідини на виході з горловини труби Вентурі (зазвичай в 1,5-3 рази менше v_с; менші значення беруть для високих швидкостей газу), м/с.

Значення коефіцієнта А і показника ступеню (1+В) наведені в табл. 6.13.

Визначивши значення питомої потужності контакту Е_ж за номограмою (див. рис. 6.5), визначають ступінь або ефективність очищення частинок різного розміру. Метод розрахунку ступеню очищення за номограмою на рис. 6.5 аналогічний розрахунку за номограмою на рис. 6.1 для визначення ступеня очищення в циклонах ЦВП. Значення розміру частинки, що уловлюється на 50% (d_η=50), знаходиться на нижній частині номограми залежно від знайденого значення Е_ж і щільності часток (l_г/D_е)^{0, 045}.

Ступінь очищення газів в скрубері Вентурі можна розрахувати за формулою:

 

, (6.73)

 

де Stk – критерій Стокса.

 

, (6.74)

 

m – питома витрата зрошуючої рідини, дм³/м³; с – коефіцієнт, що враховує геометричні співвідношення частин труби Вентурі; залежить від довжини l_еф:

 

lеф,м	0,1	0,2	0,3	0,4
с	1,25	1,45	1,52	1,56

 

 

Таблиця 6.13 – Значення коефіцієнта В і показника ступеню

Спосіб підведення зрошуючої рідини в трубу Вентурі	Швидкість газу в горловині, м/с	Довжина горловини 1г, м	В	1+В
Центральне плівкове підведення	>80 <80	(2,15-12,0) Dе	1,68(1г/ Dе)0,045 3,49(1г/Dе)0,266	1-1,12(1г/г/ Dе)0,045 1-0,98(1г/гDе)0,266
Центральне під­ведення перед конфузором або зрошування площини над батареєю труб	40-150	0,150	0,215	-0,54
Периферійне підведення Підведення в конфузор	>80   <80	0,150	13,4   1,4	0,24   -0,316
Центральне під­ведення в кон­фузор труби з кіль­цевим пере­тином горло­вини	30-150		0,08	-0.502
Центральне підведення в конфузор труби	40-150	0,15	0,63	-0,3

 

Ефективна довжина горловини l_еф дорівнює сумі довжин горловини l_г і початкової ділянки дифузора l. При куті розкриття дифузора α = 6° величина l' = 0,476d_гe (d_гe— еквівалентний діаметр горловини).

Величину d_к (у мкм), яка характеризує середній діаметр крапель рідини, можна визначити за емпіричною формулою:

 

. (6.75)

 

Гідравлічний опір ΔР_ап класичного сруберу Вентурі віизначається як сума (в Па):

 

, (6.76)

 

де ΔР – гідравлічний опір зрошуваної труби Вентурі, Па; ΔР_ку – гідравлічний опір краплевловлювача, Па.

Величина ΔР дорівнює

 

,

де ζ_тр^с, ζ – коефіцієнти гідравлічного опору сухої труби Вентурі і викликаного введенням рідини.

Розроблено 10 типорозміри скруберів Вентурі з кільцевими регулюємими перетинами (рис. 6.6), що дозволяють очищати запилені гази при витраті 2–500 тис. м³ /год і гідравлічному опорі від 4 до 12 кПа.

Рисунок 6.6 – Скрубер Вентурі з кільцевою горловиною і конічним обтікачем: