Диаметр частицы, мкм 100 10 1

Скорость падения, м/с 0,3 0,003 0,00003

 

Если скорость воздуха равна скорости осаждения и направлена против нее, то скорость осаждения частицы пыли в воздухе равна нулю.

Скорость воздуха в восходящем потоке, при которой частица неподвижна, называется скоростью витания. Таким образом, постоянная скорость осаждения частиц пыли в неподвижном воздухе равна скорости ее витания. Понятие «скорость витания» важно для систем и устройств, в которых происходит перемещение газообразной среды с взвешен­ными в ней частицами (пневмотранспорт, аспирация, пылеулови­тели, работающие в основном на принципе гравитации). Для определения скорости витания используют специальные номограммы (рис. 4.1).

Так как частица может иметь несферическую форму, то в технике обезвреживания выбросов используют понятия стоксовского размера и эквивалентного диаметра. Стоксовский размер — диаметр сферической частицы, имеющий такую же скорость осаждения, как и данная несферическая частица. Эквивалентный диаметр d _{ч э} — диаметр объема шара, объем которой равен объему данной частицы. Между стоксовским диаметром и эквивалентным диаметром существует зависимость:

,

c — динамический коэффициент формы.

Ниже приводятся значения динамического коэффициента формы для частиц

Динамический

Форма частиц коэффициент формы

Шаровая......................................................................................................................................................................................... 1

Округленная с неровной поверхностью................................................................................................................................ 2,4

Продолговатая............................................................................................................................................................................. 3

Пластинчатая............................................................................................................................................................................... 5

Для смешанных тел..................................................................................................................................................................... 2,9

 

Рис. 4.1. Номограмма для определения скорости витания пылевых частиц

Параметр гравитационного осаждения, определяющий эффективность обезвреживания в пылеулавливающих устройствах, равен отношению силы тяжести F _т к силе сопротивления среды F _c

. (4.7)

Тогда с учетом формулы (4.6)

. (4.8)

Таким образом, параметр гравитационного осаждения равен отношению скорости осаждения частицы к скорости газового потока.

Кроме того, уравнение (4.8) может быть представлено в виде отношения двух критериев

, (4.9)

где — критерий Стокса; — критерий Фруда; 1 — определяющий параметр, м.

Центробежное осаждение. Осаждение под действием центробежной силы отмечается при криволинейном движении аэродисперсного потока, когда развиваются центробежные силы, под действием которых частицы отбрасываются на поверхность осаждения.

В области существования закона Стокса скорость центробежного осаждения шаровой частицы можно рассчитать, приравнивая центробежную силу F _ц, развивающуюся при вращении потока, к Стоксовой силе сопротивления среды:

, (4.10)

где v _w — скорость вращения газового потока вокруг неподвижной оси, м/с; r — радиус вращения газового потока, м; m _ч — масса частицы, кг.

. (4.11)

Из выражения (4.11) следует, что скорость осаждения взвешенных частиц в центробежных обезвреживающих устройствах прямо пропорциональна квадрату диаметра частицы. Величина же скорости осаждения при центробежном осаждении больше, чем при гравитационном в v _w / rg раз.

Если по аналогии с вышерассмотренным гравитационным осаждением, выразить параметр центробежного осаждения, как отношение центробежной силы, действующую на частицу, к силе сопротивления среды, то получим

(4.12)

Правая часть есть не что иное, как критерий Стокса St _w, в котором линейный параметр r представляет собой радиус вращения потока. Это позволяет выразить коэффициент осаждения частиц под действием центробежной силы в виде .

В аппаратах, основанных на использовании центробежной сепарации, могут применяться два при­нципиальных конструктивных ре­шения: пылегазовый поток вращается в неподвижном корпусе аппарата; поток движется во вращаю­щемся роторе. Первое решение при­менено в циклонах, второе — в ротационных пылеуловителях.

Инерционное осаждение. Инерционное осаждение происходит в том случае, когда масса частицы или скорость ее движения настолько значительны, что она не может следовать вместе с газом по линии тока, огибающей препятствие (рис. 4.2), а, стремясь по инерции продолжить свое движение, сталкивается с препятствием и осаждается на нем. Коэффициент эффективности инерционного осаждения h_Stk определяется долей частиц, извлеченных из потока, при обтекании им тела.

Траектория движения частицы в газовом потоке может быть описана уравнением

, (4.13)

где — критерий Стокса, или «инерционный параметр», характеризующий отношение инерционной силы, действующей на частицу к силе гидравлического сопротивления среды; R — характерный размер обтекаемого тела (например, радиус шара), м; — безразмерная координата частицы; — радиус-вектор частицы, м; — безразмерная скорость газа; — скорость газа вдали от обтекаемого тела, м/с; — безразмерное время; t — время движения, с.

Единственным критерием подобия инерционного осаждения является критерий St. Из уравнения (4.13) следует, что при St = 0 (частицы с бесконечно малой массой) , т. е. частица точно следует линии тока, не соприкасаясь с поверхностью обтекаемого тела. Очевидно, что такое же явление будет наблюдаться и при достаточно малых значениях критерия Стокса. Существует минимальное, так называемое критическое значение числа Стокса St_кр, при котором инерция частицы оказывается достаточной, чтобы преодолеть увлечение ее газовым потоком, и она достигает поверхности тела. Таким образом, захват частицы возможен при условии: St > St_кр.

Теория инерционного осаждения рассматривает осаждение частиц на фронтальной части обтекаемого тела и не учитывает их осаждение на задней поверхности тела, которое может происходить за счет турбулентных пульсаций газового потока. Это явление становится существенным при малых значениях критерия St, т. е. при улавливании субмикронных частиц пыли. Таким образом, захват частицы даже при St < St_кр эффективность осаждения не равна нулю.

По рис. 4.2 легко проследить и влияние критерия Re на инерционное осаждение.

—————— движение газа - — - — - — - движение частиц   Рис. 4.2. Осаждение частиц на шаре

При ламинарном течении потока (Re <2) эффективность осаждения не будет зависеть от этого критерия, пока можно будет пренебречь существование пограничного слоя вокруг обтекаемого тела (вязкое обтекание). С увеличение значения критерия Re при переходе к турбулентному движению потока на поверхности обтекаемого тела образуется пограничный слой, толщина которого уменьшается по мере роста критерия Re. При значениях Re больше критического (Re > 500) линии тока сильнее изгибаются (потенциальное изгибание) и обтекают тело на близком расстоянии, вследствие чего, при том же значении критерия Стокса, эффективность осаждения будет выше. Этот рост эффективности будет продолжаться с уменьшением толщины пограничного слоя вокруг тела, т. е. с увеличением критерия Re. Таким образом, при потенциальном обтекании эффективность осаждения зависит как от критерия Стокса, так и от критерия Re.

В области St > 0,1 при потенциальном обтекании коэффициент осаждения на шаре может быть по эмпирической формуле

. (4.14)

Величина St_кр, соответствующая h_St = 0 составляет 0,0417. (4.14)

Инерционное осаждение эффективно для частиц размером более 1 мкм.

На рис. 4.3 приведены теоретические и экспериментальные зависимости эффективности осаждения частиц на шаре при потенциальном его обтекании. Данные, приведенные на рис. 4.3 могут быть использованы и при практических расчетах эффективности пылеулавливающих установок, в которых осаждение осуществляется на телах шарообразной формы (например, на капле). При этом, если тела будут расположены не очень тесно, заметного искажения потока не будет. При тесном расположении обтекаемых тел эффективность может увеличиваться по сравнению с теоретической величиной h_St для одиночного тела, что объясняется более близким прохождением линий токов.

Зацепление. Зацепление наблюдается, когда расстояние частицы, движущейся с газовым потоком, от обтекаемого тела равно или меньше ее радиуса. Размер частиц играет важное значение при захвате частиц за счет касания частицей поверхности обтекаемого тела. Если пренебречь инерционными эффектами и считать, что частица точно следует в соответствии с линиями тока, то частица осаждается не только в том случае, когда ее траектория пересечется с поверхностью тела, но и в случае пересечения линии тока на расстоянии от поверхности тела, равном ее радиусу (рис. 4.2). Таким образом, эффективность зацепления выше нуля и тогда, когда инерционное осаждение отсутствует. Эффект зацепления характеризуется параметром R, который представляет собой отношение диаметров частицы d_ч и обтекаемого тела d_{т .}

При потенциальном обтекании шара, когда величина R столь мала, что можно пренебречь инерционными эффектами, эффективность зацепления составляет

. (4.15)

В этом случае для цилиндра верно соотношение

. (4.16)

В другом предельном случае, когда за счет большого значения инерционных эффектов траектории оседающих частиц прямолинейны, имеем следующие соотношения

для шара ,

для цилиндра .

Таким образом, при потенциальном обтекании шара эффективность механизма зацепления находится в пределах 2 R –3 R,а при потенциальном обтекании цилиндра R –2 R.

Для определения эффективности осаждения частиц за счет касания при вязком обтекании цилиндра предложены следующие уравнения

Рис. 4.3. Инерционное осаждение частиц на шаре при его потенциальном обтекании: 1 — по теоретическим данным; 2 — по экспериментальным данным

(4.17)

(4.18)

Из приведенных выше уравнений следует, что эффект зацепления становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым диаметром. Кроме того, они показывают, что осаждение частиц за счет эффекта зацепления не зависит от скорости газов, но в значительной степени определяется режимом течения газового потока.

Диффузионное осаждение. Частицы малых размеров подвержены воздействию броуновского (теплового) движения молекул, в результате они имеют повышенную вероятность контакта с обтекаемым телом. Перемещение частиц в этом случае описывается уравнением Эйнштейна, согласно которому средний квадрат смещения частицы D _х составляет

, (4.19)

где D _ч — коэффициент диффузии частицы, характеризующий интенсивность броуновского движения, м²/с; Т _г — абсолютная температура газов, К.

При справедливости закона Стокса коэффициент диффузии можно выразить по формуле

, (4.20)

где k _Б — постоянная Больцмана, равная 1,38^.10^–23 Дж/К.

Критерием, используемым в практике диффузионных расчетов, является критерий Пекле Pe, представляющий собой отношение конвективных сил к диффузионным силам

(4.21)

где l — определяющий линейный параметр обтекаемого тела; Sc — критерий Шмидта, характеризующий отношение сил внутреннего трения к диффузионным силам.

Величина, обратная критерию Pe, является параметром диффузионного осаждения и обозначается через D. Таким образом, чем больше коэффициент диффузии и чем меньше определяющий размер и скорость газа, тем выше эффективность осаждения частицы за счет диффузии.

Ниже приведены значения коэффициента диффузии частиц для воздуха при нормальных условиях рассчитанные по формуле (4.20):

 

Размер частиц, мкм 10 1,0 0,1

Коэффициент диффузии, м²/c 2,4×10^–12 2,7×10^–11 6,1×10^–10

 

Как видно из приведенных данных, коэффициент диффузии резко увеличивается с уменьшением размера частиц. Однако, скорость диффузии даже субмикронных частиц весьма мала по сравнению со скоростью диффузии молекул газов, поскольку коэффициент диффузии частиц на несколько порядков меньше.

Для расчета величины осаждения частиц за счет диффузии можно использовать формулы, полученные при рассмотрении процессов молекулярной диффузии. Уравнение для расчета эффективности диффузионного осаждения на цилиндре при вязком его обтекании имеет вид

(4.22)

а при потенциальном обтекании

(4.23)

Согласно вышеприведенным уравнениям, эффективность диффузионного осаждения обратно пропорциональна размерам частиц и скорости газового потока.

Осаждение под действием электрического поля. Принцип очистки воздуха (газов) от взвешенных частиц за­ключается в зарядке частиц с последующим их выделением из взве­шивающей среды под воздействием электрического поля. При обычных условиях большая часть молекул газа нейтраль­на, т. е. не несет электрического заряда того или иного знака.

Электрическая зарядка частиц может быть осуществлена тремя путями: при генерации а э розоля, за счет диффузии свободных ионов и при коронном разряде. При применении первых двух способов число частиц, получивших положительный и отрицательный заряды, приблизительно одинаково. Коронный разряд, наоборот, приводит к зарядке частиц одним знаком.

Коронный разряд — это особый вид разряда в газах, для образования которого разные полярности источника напряжения (положительная и отрицательная) подключаются к двум электродам, имеющим резко различную кривизну поверхности.

Рис. 4.4. Механизм образования униполярного объемного заряда при коронном разряде: 1 — источник высокого напряжения; 2 — плоский электрод; 3 — провод; 4 — чехол короны; 5 — электроны; 6 — положительные ионы; 7 — отрицательные ионы

Рассмотрим механизм коронного разряда на примере провода цилиндрического сечения и плоскости (рис. 4.4). От высоковольтного источника напряжения 1 на электроды подается постоянное высокое напряжение (до нескольких десятков тысяч вольт). При этом предпочтительно подключить положительную полярность источника к плоскому электроду 2, а отрицательному к проводу 3. В пространстве между электродами образуется электрическое поле. Так как электроды имеют сильно отличающуюся кривизну, напряженность этого поля будет неравномерной. Она имеет очень большую величину около поверхности провода, обращенной к плоскому электроду, и по мере удаления от провода по направлению к плоскости быстро уменьшается. При определенном значении напряжения (напряжении зажигания коронного разряда) в промежутке между проводом и плоскостью образуется коронный разряд.

В области, прилегающей к проводу, значение напряженности поля становится настолько большим, что в этой зоне (чехол короны) резко возрастает количество носителей заряда обоих знаков: электронов 5 и положительных ионов 6 (происходит пробой газа). Этот слой называют чехлом короны (несколько миллиметров).

При дальнейшем возрастании напряжения ширина чехла увеличивается, возрастает количество носителей заряда обоих знаков; эта область начинает светиться (голубовато-фиолетовое свечение) и потрескивать.

Рис. 4.5. Зарядка частиц в поле коронного разряда: 1 — отрицательные ионы; 2 — частицы, взвешенные в газе; 3 — заряженная частица

Так как к проводу приложена отрицательная полярность, то положительные ионы в чехле будут двигаться в сторону провода, а электроны в противоположном направлении. При движении электронов внутри чехла их кинетическая энергия достаточна, чтобы при столкновении с нейтральными молекулами газа выбивать из них новые электроны. Это приводит к тому, что из нейтральной молекулы образуется новая пара зарядов. Образовавшиеся электроны выбивают при своем движении из других нейтральных молекул новые электроны и т. д. В этом заключается суть электрического пробоя в газе.

Это происходит лишь внутри чехла короны. По выходе из этой зоны энергии уже недостаточно для выбивания электронов. Электрон может лишь прилипнуть к молекуле газа, образуя отрицательный ион 7. Таким образом, в промежутке между границей чехла короны и плоским электродом имеются лишь отрицательные ионы, которые движутся к плоскому электроду. В этой зоне нет пробоя, она называется темной или униполярной зоной. Униполярная зона охватывает значительную часть межэлектродного пространства. При перемене полярности приложенного напряжения процессы в основном аналогичны; при этом образуется униполярная зона уже с положительным зарядом.

Рассмотрим процесс зарядки частиц (рис. 4.5). Под действием сил электрического поля (напряженности Е) электроны имеют направленное движение от провода к плоскости. При этом они могут сталкиваться с частицами 2 и осаждаться на частице и частицы получают отрицательный заряд (ударная зарядка). Кроме того, ионы находятся и в тепловом (диффузионном) движении и при таком движении они так же могут сталкиваться с частицами, заряжая их (диффузионная зарядка). Первый механизм доминирует при размерах частиц более 0,5 мкм, второй — при размерах частиц менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2–0,5 мкм эффективны оба механизма, причем минимальная скорость зарядки наблюдается для частиц размером около 0,3 мкм.

Величина заряда q (Кл), приобретаемого под воздействием электрического поля, проводимой частицей сферической формы, может быть рассчитана по формуле:

, (4.24)

где e₀ — диэлектрическая проницаемость (e₀= 8,85×10^–12 Ф/м); E — напряженность электрического поля коронного разряда, В/м.

Величина заряда, приобретаемого непроводящей частицей, рассчитывается по формуле

, (4.25)

где e — относительная диэлектрическая проницаемость частицы.

При диффузионном механизме зарядки величина заряда можно описать уравнением

, (4.26)

где е — величина зарядки электрона, Кл (е = 1,6^.10^–19), k — коэффициент, зависящий от числа ионов, температуры и времени, в течение которого происходит процесс зарядки (10⁸).

Таким образом, максимальная величина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм — диаметру частицы. При ударной зарядке главную роль играют общая поверхность частиц, ее диэлектрические свойства, а также напряженность электрического поля. При диффузионной зарядке преобладающее значение имеют число ионов, температура и время, в течение которого происходит процесс зарядки.

В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро: за время менее секунды заряд частиц приближается к своему предельному значению:

 

время зарядки, с 10^–3 10^–2 10^–1 1,0

заряд, % от предельного 13,8 61,0 94,0 99,5

 

Электростатическая сила F_E (H), действующая на заряженную частицу в электрическом поле напряженностью E, равняется

. (4.27)

В области применимости закона Стокса можно рассчитать, приравнивая кулоновскую силу стоксовой силе, скорость осаждения заряженных частиц

. (4.28)

Значение q находится из формул приведенных выше в зависимости от свойств и размера частиц.

Скорости движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле, м/с, может быть определена по формуле

(4.29)

где r — радиус частицы, м.

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром ме­нее 1 мкм в электростатическом поле, м/с, может быть определена по формуле

. (4.30)

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть определена по формуле полученной теоретическим путем

h = 1 – ехр(–v _c× f), (4.31)

где f — удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м³ /с очищаемого газа (воздуха), м².

Степень эффективности очистки, определенная теоретически, несколько отличается от действительной эффективности, т. к. ис­ходит из идеализированных условий и не учитывает всех факто­ров, влияющих на эффективность. Обычно пользуются практичес­кими данными об эффективности.

Термофорез. Термофорез представляет собой отталкивание частиц нагретыми телами, вызванное силами, действующими со стороны газообразной фазы на находящиеся в ней неравномерно нагретые частицы аэрозоля. При термофорезе концентрация частиц в областях с повышенной и пониженной температурой становится различной. Термофоретическая сила возникает вследствие того, что от более нагретой стороны частицы молекулы газа отлетают с большей скоростью, чем от менее нагретой стороны, и таким образом, сообщают частице импульс в направлении понижения температуры.

Термофорез не имеет применения в промышленных целях. Иногда используется в исследованиях. Однако действие термофореза мы наблюдаем. Так, происходит осаждение пыли на наруж­ных стенах против приборов центрального отопления. Нежелатель­ным является осаждение частиц, взвешенных в горячих газах, на холодных стенках котлов и теплообменников. Образовавшийся слой обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению теплотехнических характеристик аппаратов.

Термофоретическая сила F _т, действующая на частицу может быть представлена в виде

, (4.32)

где r_г — абсолютное давление газов. Па; D T _г — градиент температуры в газах, К/м.

При названных выше условиях скорость частиц при термофорезе равна:

, (4.33)

где a — доля рассеянных частицей молекул газа; для частиц неправильной формы и с очень гладкой поверхностью (аморфные и жидкие) a ≈ 0,9; для частиц, образован­ных механическим путем и с острыми углами, a ≈ 1,0.

Как видно из формулы (4.33), скорость частиц при термофорезе не зависит от размера частиц.

Если выразить параметр осаждения за счет термофоретической силы Т как отношение этой силы к стоксовской силе сопротивления среды, то

. (4.34)

Практическое применение явления термофореза до настоящего времени в основном ограничивалось исследованием аэрозолей. Было установлено, что термофорез может играть существенную роль при улавливании частиц из горячих газов в случае прохождения последних через холодные насадки. В узких каналах при разнице температур 50°С можно получить температурный градиент 1000 К/см. Расчеты показывают, что это должно привести к осаждению на 98,8% частиц 0,1 мкм в слое насадки глубиной 230 мм при 500°С.

Частным случаем термофореза является фотофорез, который возникает вследствие неравномерного освещения сторон тел, а, следовательно, их нагрева.

Диффузиофорез. Диффузиофорез — движение частиц, вызванное градиентом концентрации компонентов газовой смеси. Явление диффузиофореза отчетливо проявляется в процессах испарения и конденсации.

При испарении с поверхности капли (или пленки жидкости) возникает градиент концентрации пара, но поскольку общее давление пара должно оставаться постоянным, происходит гидродинамическое течение парогазовой смеси, направленное перпендикулярно к поверхности испаряющейся капли и компенсирующее диффузию газов к этой поверхности. Это гидродинамическое течение, называемое стефановским, может оказывать существенное влияние на осаждение частиц. По существу происходит захват частиц пыли потоком пара, диффундирующем к центрам конденсации или охлаждающим поверхностям. Так при улавливании частиц распыленной водой при недосыщении газов водяным паром стефановское течение препятствует, а при пересыщении — способствует захвату частиц каплями.

Для малых частиц эффективность захвата с уменьшением их размера (при прочих равных условиях) остается почти постоянной и что желательно присутствие в потоке капель возможно меньшего размера. Однако, с другой стороны, капли должны быть и достаточно большими, чтобы не расходовалась значительная энергия на их распыление и для их осаждения можно было использовать простейшие каплеуловители.

Диффузиофорез исключительно полезен при очистке газов от гигроскопичных частиц, т. е. частиц, интенсивно адсорбирующих водяные пары и хорошо растворяющихся в воде.

Использование электромагнитного поля для осаждения частиц. Если твердая частица, не имеющая природных магнитных свойств, но получившая электрический заряд q при движении в газах со скоростью v_ч, будет введена в магнитное поле с напряженностью H, она будет подвержена действию силы F_м, направленной под прямым углом и в направлении поля, и в направлении ее движения. В результате такого воздействия частица будет вращаться вокруг оси, проходящей через частицу и параллельно магнитному полю. Благодаря вращению направление результирующей силы непрерывно меняется, и частица описывает спираль.

Уравнение, характеризующее поведение частицы в магнитном поле (в вакууме), имеет следующий вид

, (4.35)

где m₀ — абсолютная магнитная проницаемость вакуума (m₀ = 1,257×10^–6Г/м); R — радиус вращения частицы, м.

В случае применимости закона Стокса конечная скорость частицы в магнитном поле может быть рассчитана по формуле

, (4.36)

где m — относительная магнитная проницаемость.

В соответствии с вышеприведенной формулой, скорость дрейфа частицы в магнитном поле пропорциональна скорости газов, т. е. при большей скорости газов частица скорее может быть выведена из газового потока.

При вводе в магнитное поле частиц, имеющих магнитные свойства, они будут перестраиваться в соответствии с направлением силовых линий магнитного поля. Расчет движения в этом случае достаточно сложен, т. к. необходимо учитывать геометрию магнитного поля и газового потока, а также положение частицы относительно магнитных полюсов. Во всех случаях частица будет перемещаться в сторону ближайшего к ней полюса и, в конечном итоге, может столкнуться с другими взвешенными частицами, образуя укрупненные агломераты. Этот способ нашел применение при улавливании ферромагнитных частиц.

Суммарная эффективность под воздействием различных механизмов осаждения. Обычно улавливание частиц аэрозоля осуществляется в пылеуловителе под воздействием нескольких механизмов осаждения одновременно. Общая эффективность улавливания частиц в аппарате h является функцией безразмерных параметров и критерия Рейнольдса (Re), определяющего характер движения среды

h = f (Re; G; w; St; R; D; K _E), (4.37)

где G — параметр гравитационного осаждения; w; St; R; D; K _E — безразмерные параметры осаждения частиц соответственно за счет эффектов седиментации, центробежной силы, инерции, касания, диффузии и электрических сил.

Предложен ряд эмпирических формул для расчета эффективности при совместном действии двух и более механизмов осаждения. Например, для расчета суммарного воздействия трех механизмов осаждения: инерции, зацепления и диффузии было предложено следующее уравнение:

(4.38)

Поскольку отдельные механизмы осаждения взаимосвязаны, общую эффективность нельзя представить в виде суммы

Лучшее приближение достигается при допущении, что частицы, не уловленные в результате действия одного из механизмов, будут улавливаться за счет действия других. Общая эффективность осаждения в этом случае может быть описана уравнением вида

(4.39)

Если один или два механизма играют решающую роль при улавливании частиц, то в этом конкретном случае следует рассчитывать величину h по наиболее вероятным механизмам осаждения. Остальные механизмы, в этом случае, будут играть второстепенную роль и ими можно пренебречь.

Эффективность осаждения в результате действия любого механизма незначительна, если соответствующий параметр осаждения меньше, чем 10^–2, и составляет величины порядка 1, когда параметр равен около единицы.

Особенности осаждения частиц пыли при контакте газового потока с жидкостью. Осаждение взвешенных частиц при контакте газового потока с жидкостью может осуществляться на каплях, пузырьках, в газовой струе и на поверхности жидкости.

Улавливание взвешенных частиц каплями основано на кинематической коагуляции, обусловленной разностью скоростей частиц и капель. Можно выделить три основных режима захвата:

1) спокойный режим: аэрозоль движется с малой скоростью, капли падают под действием силы тяжести;

2) средний режим: аэрозоль движется со скоростью, соответствующей ламинарному или слабо турбулизированному режиму, капли имеют скорость, значительно превышающему скорость седиментации;

3) динамический режим: скорость потока аэрозоля намного выше критической, т. е. он сильно турбулизирован; капли (или просто жидкость, не раздробленная на капли) поступают в поток и интенсивно диспергируются под влиянием мощных турбулентных пульсаций, которые одновременно способствуют контакту между жидкостью и аэрозольными частицами.

Во всех случаях улавливание может происходить за счет действия практически всех механизмов, однако влияние их на эффективность пылеулавливания далеко не одинаково. При этом капли чаще всего рассматриваются как жесткие шары. Преобладающим эффектом практически всегда является инерционный. Эффективность инерционного осаждения пылевых частиц на капле жидкости зависит от критерия Стокса. Действие сил инер­ции реально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм.

Для шаровых взвешенных частиц размером d _ч в спокойном режиме эффективность инерционно­го осаждения на каплях может быть выражена зависимостью

, (4.40)

где d _к — диаметр капель, м.

При динамическом режиме, способ подачи жидкости выбирают исходя из конструктивных соображений, поскольку из любого первоначального состояния жидкость очень быстро дробится на капли за счет энергии потока. Решающими являются два фактора: скорость потока и удельное орошение. При относительно небольшом удельном орошении (0,1–1,0 л/м³) и при значениях 0,1 ≥ St ≥ 1,0 эффективность осаждения на каплях можно определить по эмпирической формуле Ленгмюра и Блоджетта

. (4.41)

При удельном орошении 1,5–2,0 л/м³ и St = 1,0¸170 можно использовать формулу

. (4.42)

Кроме инерционного осаждения, на каплях имеет место осаж­дение диффузионное, под действием электростатических сил. Од­нако роль их по сравнению с инерционным осаждением очень незначительна, а для частиц более 0,2 мкм может не учитываться.

При движении пузырьков через слой жидкости (барботаж) внутри их возникает пульсация газов. Для упрощения обычно принимается, и что пузырьки имеют шарообразную форму. Размер пузырей газа d_п при барботаже колеблется в пределах от 2,0 до 20 мм. Он является функцией скорости газового потока, которая принимается от 1,0 до 4,0 м/с. Большое количество пузырей придает слою жидкости характер пены. Важнейшим условием работоспособности пенного слоя является его стабильность. Разрушение пенного слоя может произойти в трех случаях:

1) при падении скорости газа ниже некоторого критического (для разных типов аппаратов она различна);

2) при возрастании скорости газа до значений, когда начинается захват газом и вынос из аппарата большого количества жидкости; структура пенного слоя при этом нарушается;

3) при «сваливании» пены к одной стороне сечения аппарата (последнее имеет место из-за неравномерности поля скоростей газового потока, негоризонтальности пенообразующей решетки и по другим причинам.

В обычных условиях в пузырьках осаждение частиц происходит под действием четырех механизмов: центробежного, инерции, гравитации и диффузии. Естественно, что с ростом размера частицы возрастает роль первых трех, и уменьшается роль диффузии. Однако и даже при очень малых частиц (менее 1 мкм), величина коэффициента диффузионного осаждения очень мала (максимальное значение 10^–2).

Степень улавливания за счет инерционного осаждения теоретически оценивается по формуле

(4.43)

где v_п — скорость подъема газового пузыря, м/с; t_р — время релаксации частицы, представляющей данную фракцию, с.

Степень улавливания за счет гравитации

(4.44)

Как видно из формул (4.43)–(4.44) при уменьшении диаметра пузырька увеличиваются параметры инерционного и гравитационного механизмов, т. е. необходимо, чтобы пузырек был как можно меньше. Таким образом, если контакт жидкости с газом осуществляется в пузырьке, то степень улавливание мелкодисперсной пыли крайне низкая, а для увеличения степени очистки за счет других механизмов необходимо уменьшение размеров пузырьков.

При осаждении твердых частиц на поверхности жидкости, последняя может располагаться в виде тонкой пленки на твердой поверхности либо занимать определенный объем и иметь глубину, достаточную для полного поглощения частиц. В обоих случаях естественно преобладает инерционный эффект.

Поведение частиц после соударения с толстым слоем жидкости можно выделить три варианта поведения частицы:

1) частица рикоширует от поверхности, после чего, либо снова ударяется о поверхность, либо уносится потоком газа;

2) частица не рикоширует, но и не погружается