Скруббер Вентури типа ГВПВ

Принцип действия скрубберов Вентури основан на столкновении частиц пыли с диспергированной жидкой фазой вследствие разности их скоростей под влиянием интенсивной турбулентной диффузии в газовом потоке.

В скруббере Вентури (рис. 1) реализуется капельная абсорбция, который состоит из т.н. " сопла Вентури" (1 – конфузор, 2 – диффузор) и каплеуловителя 4. В конфузорную часть сопла 1 подводится запыленный поток газа, а через форсунки 2 под давлением впрыскивается жидкость для орошения этого потока. В конфузоре происходит разгон газа от начальной скорости газа (w_г = 15..20 м/с) до скорости w_г = 30..200 м/с в узкой части сопла. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен большой разностью между массами (плотностью) жидкости и газа, развитой поверхностью капель и высокой разностью (до 100 м/с) скоростей частиц пыли и жидкости в конфузоре. Заметим, что эффективность очистки в значительной степени от равномерности распределения жидкости по сечению конфузора. В диффузорной части сопла 3 резко падает давление с конденсацией пара. Поток с конденсированными парами постепенно тормозится до скорости w_г = 15..20 м/с и попадает в каплеуловитель 4, который обычно выполняется в виде прямоточного циклона.

Рис. 1. Скруббер Вентури: 1 – конфузор; 2 – форсунка; 3 – диффузор;

4 – циклон-каплеуловитель.

Существуют различные конструкции и разновидности скрубберов Вентури многообразны (например, прямоточные высоконапорные аппараты типа ГВПВ и скрубберы Вентури СВ, разработанные НИИОГАЗом; газопромыватели типа КМП, КЦМП и др.). Рассмотрим один из разновидностей скрубберов Вентури, а, именно: прямоточный высоконапорный аппарат типа ГВПВ (рис. 2, таблица 1), состоящий трубы Вентури оптимальной конфигурации и прямоточного циклона типа КЦТ (рис. 3, таблица 2).

Таблица 1.

Таблица 2.

Подача орошающей воды производится в конфузор трубы Вентури с помощью одной или нескольких форсунок. Удельный расход воды изменяется от 0, 5 до 2, 5 дм/м³ (л/м³), гидравлическое сопротивление аппарата – от 6 до 12 кПа. Скорость газа в каплеуловителе 4-6 м/с, его гидравлическое сопротивление составляет 300-500 Па, а конечная концентрация капельной влаги находится в пределах 20-40 мг/м³. Труба Вентури может устанавливаться в любом положении (вертикально, горизонтально, наклонно).

Расчет эффективности работы (степень очистки газа от пыли) скруббера Вентури можно оценить с помощью энергетического метода, основанного на прямой зависимости эффективности работы пылеуловителя от энергии, затраченной на процесс очистки (пылеулавливания). В соответствии с данным методом степень очистки в аппарате может быть определена по формуле:

, (1)

где К _ч – удельная суммарная энергия, взаимодействия газовой и жидкой фаз, в трубе Вентури, кДж/1000м³ (Па):

, (2)

где Δ p _апп – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; p _ж – давление распыляемой орошаемой жидкости (воды) при входе в аппарат, Па; Q _ж и Q _г – объемные расходы орошающей жидкости и очищаемого газа, соответственно, м³/с.

Константы B и γ определяются эмпирически для конкретной очищаемой пыли и при расчетах пользуются их справочными значениями. В скрубберах Вентури давление орошающей жидкости (воды) перед форсункой принимаются не менее 150 кПа, а её расход определяют из выражения:

, (3)

где n – число форсунок; m = 0, 5-2, 5 л/м³ – удельный расход орошающей жидкости (воды). Расход очищаемого газа Q _г (м³/с) зависит от температуры газа на выходе из аппарата t _г^вых и может отличаться от первоначального расхода Q _0г при нормальных условиях, который можно оценить по формуле:

. (4)

Полученную величину объемного расхода очищаемого газа Q _г из м³/с пересчитывают в м³/час и по таблице 1, в зависимости от необходимой производительности, выбирают марку ГВПВ.

Для труб Вентури, при расчетах конечных температур t _г^вых применима формула (при скорости газа в трубе v _г = 50-150 м/с; m = 0, 6-1, 3 л/м³ и начальной температуре газа t _г^вх не менее 100⁰С:

(5)

где t _г^вх – температура газа на входе в трубу, ⁰С.

Необходимый диаметр прямоточного каплеуловителя КЦТ D _ц выбирают исходя из условной скорости газа в циклоне v _ц, которая лежит в диапазоне 2, 5-4, 5 м/с, и объемного расхода газа Q _г:

. (6)

Полученную величину диаметра D _ц (м) ппрямоточного каплеуловителя КЦТ округляют до ближайшего значения внутреннего диаметра D (мм) циклона, приведенной в таблице 2, по которому выбирают марку каплеуловителя КЦТ.

Гидравлическое сопротивление скруббера Вентури равно сумме гидравлических сопротивлений трубы Вентури Δ p _тр и каплеуловителя Δ p _ц:

. (7)

Гидравлические сопротивление трубы Вентури Δ p _тр складывается из двух составляющих – сопротивления сухой трубы Δ p _{тр сух} и гидравлического сопротивления, обусловленного наличием в ней жидкости Δ p _{тр ж}:

. (8)

Потери напора в сухой трубе без орошения жидкостью определяются по формуле:

, (9)

где v _г – скорость газа в горловине трубы при рабочих условиях, м/с; ρ _г – плотность газа в рабочих условиях, кг/м³; ξ _{тр с} – коэффициент гидравлического сопротивления сухой трубы. Для трубы Вентури оптимальных размеров, используемые в аппаратах типа ГВПВ, при l _г = 0, 15 d _э (l _г – длина горловины; d _э ≈ d ₃, рис. 1), коэффициент гидравлического сопротивления ξ _{тр с} = 0, 12-0, 15.

Потери напора в трубе, обусловленные введением орошающей жидкости, определяются по формуле:

, (10)

где ρ _ж – плотность орошающей жидкости (воды) в рабочих условиях, кг/м³; ξ _{тр ж} – коэффициент сопротивления (для аппаратов типа ГВПВ, ξ _{тр ж} ≈ 1, 0); m – удельный расход орошающей жидкости, л/м³.

Гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя:

. (11)

Коэффициент сопротивления для прямоточночного циклона КЦТ принимается ξ _ц = 30-33, для циклона центробежного типа ЦН-24 – ξ _ц = 70. Плотность газа ρ _г в циклоне принимается равной плотности газа на выходе из трубы Вентури:

, (12)

где ρ _0г – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³.

Эффективность скрубберов Вентури (степень очистки от пыли) можно также рассчитать фракционным методом, в частности, для тарировочной пыли с параметрами: ρ _ч^т = 1000 кг/м³; = 0, 556; μ _г^т = 1, 83 ^. 10^-5 Па ^. с, получена следующая эмпирическая формула определения медианного размера тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате η =50%:

. (13)

Пересчет динамической вязкости очищаемого газа μ _г с параметров очистки тарировочной пыли μ _г^т на рабочие условия производится по формуле:

, (14)

где С – константа Сюзерленда (для воздуха – С = 124).

Зная величину , условия очистки для тарировочной пыли пересчитывают на условия очистки от пыли с параметрами: d ₅₀, lgσ _ч, ρ _ч. Для этого сначала определяют размер частиц пыли со степенью очистки в аппарате η = 50%:

, (15)

затем, определяют параметр x:

(16)

Степень очистки от пыли в аппарате определяют по таблице нормального функции распределения Гаусса F ₀ (x) (таблица 3):

(17)

Пример расчета. Выбрать скруббер Вентури типа ГВПВ, рассчитать его гидравлическое сопротивление и эффективность очистки от пыли фракционным методом, если заданы следующие условия: расход очищаемого газа при нормальных условиях Q _0г = 1, 5 м³/с; температура газа при входе в аппарат t _г^вх = 200⁰С; плотность газа (воздух) ρ _0г = 1, 59 кг/м³; коэффициент динамической вязкости при рабочих условиях μ _г = 2, 49 ^. 10^-5 Па ^. с; удельный расход орошающей жидкости (воды) m = 1, 23 л/м³; давление жидкости перед форсункой p _ж = 0, 5 МПа; параметры очищаемой пыли: d ₅₀ = 18, 5 мкм; lgσ _ч = 0, 706, ρ _ч = 2650 кг/м³.

Плотность очищаемого газа (воздух) при нормальных условиях: ρ _0г = 1, 21 кг/м³. Параметры и условия очистки тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате η =5 0%: ρ _ч^т = 1000 кг/м³; = 0, 556; μ _г^т = 1, 83 ^. 10^-5 Па ^. с.

1. Температура газа на выходе из трубы Вентури по формуле (5):

.

2. Расход газа при рабочих условиях на выходе из трубы по формуле (4):

.

По таблице 1 выбираем аппарат типа ГВПВ–0, 014, с производительностью 4140-8400 м³/час.

3. Определяем диаметр циклона-каплеуловителя определяем по формуле (6) (скорость газа в циклоне задаем v _ц = 4, 5 м/с):

.

В качестве каплеуловителя выбираем прямоточный циклон типа КЦТ-700 (таблица 2) с внутренним диаметром циклона D = 700 мм и производительностью 5600-7625 м³/час.

4. Скорость газа в горловине (по условиям выхода из трубы) при площади сечения горловины для аппарата ГВПВ–0, 014 – F _г = 0, 014 м² (см. таблицу 1):

.

5. Плотность газа при рабочих условиях на выходе из аппарата по формуле (12):

6. Гидравлическое сопротивление для сухой трубы ξ _{тр с} = 0, 14 при оптимальных её размерах l _г / d _э = 0, 15 вычисляем по формуле (9):

7. Гидравлическое сопротивление трубы, обусловленное наличием орошающей жидкости, определяем по формуле (10) (при ξ _{тр ж} ≈ 1, 0 – для аппаратов типа ГВПВ, и плотности орошающей жидкости (воды) ρ _ж = 1000 кг/м³):

8. Суммарное гидравлическое сопротивление трубы Вентури по формуле (8):

9. Определение гидравлического сопротивления циклона-каплеуловителя КЦТ.

9.1. Уточняем скорость газа в каплеуловителе при выбранном диаметре циклона D _ц = 700 мм = 0, 7 м:

9.2. Гидравлическое сопротивления циклона-каплеуловителя КЦТ по формуле (11) при ξ _ц = 32:

10. Общее гидравлическое сопротивление аппарата по формуле (7):

11. Определим необходимый расход воды на орошение через одну форсунку (n = 1) по формуле (3):

12. Удельная суммарная энергия, взаимодействия газовой и жидкой фаз, в скруббере Вентури по формуле (2):

13. Определим диаметр частиц тарировочной пыли со степенью очистки в аппарате η =50% при ρ _ч^т = 1000 кг/м³; = 0, 556; μ _г^т = 1, 83 ^. 10^-5 Па ^. с по формуле (13):

14. Пересчитываем с условий очистки тарировочной пыли на условия очистки от пыли с параметрами: d ₅₀, lgσ _ч, ρ _ч.

14.1. Найдем динамическую вязкость очищаемого газа в рабочих условиях по формуле (14):

,

14.2. Определяют размер частиц пыли со степенью очистки в аппарате η =50% по формуле (15):

15. Определяем параметр x по формуле (16):

16. Определяем степень очистки от пыли в аппарате определяют по таблице нормального функции распределения Гаусса F ₀ (x) (таблица 3):

Таблица 3.

Значения нормальной функции распределения Гаусса:

Варианты температуры воздуха на входе в скруббер Вентури типа ГВПВ

Варианты удельного расхода орошающей жидкости

Варианты давления орошающей жидкости перед форсункой

Плотность очищаемого газа (воздух) при нормальных условиях: ρ _0г = 1, 21 кг/м³.

Задаваемая скорость в циклоне-каплеуловителе: v _ц = 4, 0 м/с.

Число форсунок в аппарате: n =1.

Параметры и условия очистки тарировочной пыли со степенью очистки η =50% в скруббере Вентури типа ГВПВ: ρ _ч^т = 1000 кг/м³; = 0, 556; μ _г^т = 1, 83 ^.10^-5 Па^.с.