Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Процессы взаимодействия твердых частиц с каплями жидкости
|
|
Процессы улавливания золовых частиц каплями в потоке газа осуществляются в силу различных физических причин. Сюда относятся как, собственно, коагуляция (объединение), происходящая под воздействием ряда факторов, так и возможная, при определенных условиях, конденсация влаги на поверхности частиц, приводящая, в конечном счете, к такому же эффекту объединения частиц с каплями жидкости, как и прямая коагуляция. Поскольку в скруббере происходят процессы улавливания грубодисперсионной пыли - золы энергетических углей, то процесс конденсации влаги на пылинках из-за хорошей смачиваемости далее рассматриваться не будет.
В случае грубодисперсных аэрозолей можно ожидать, что основным фактором, определяющим коагуляцию аэрозольных частиц, является их столкновение из-за возникновения относительных скоростей противоположно движущихся капель и золовых частиц. Такую коагуляцию называют кинематической /4/.
На рис. 2.1.1 представлена схема движения водяных капель орошающей воды и пылевых частиц.
рисунок
Следует отметить, что возникающая кинематическая коагуляция при встречном движении частиц и капель и является основой процесса пылеулавливания в противоточном скруббере.
Рассматриваемая нами физическая модель коагуляции определяется вероятностью столкновения аэрозольных частиц при движении вдоль аппарата и сводится, по существу, к установлению эффективности столкновений частиц. Однако, в общем случае, не всякое столкновение может привести к коагуляции. В данной многофазной, многокомпонентной среде, состоящей из распыленной воды на капли, газовой фазы, несущей твердые золовые частицы можно выделить три типа соударений:
а) твердых частиц между собой;
б) жидких частиц между собой;
в) твердых и жидких частиц.
Из анализа, выполненного в /4/, следует, что соударения между твердыми частицами не приводят к их коагуляции. Два других типа, напротив, эффективны, и каждое столкновение приводит к их полной коагуляции. Относительно взаимодействия по типу (б) можно сказать следующее. Согласно оценкам /14/, влиянием коагуляции капель друг с другом на процессы взаимодействия, при параметрах, характерных для течений в скоростных аппаратах мокрой очистки - в скрубберах с трубами Вентури, можно пренебречь.
Очевидно, что в полых противоточных скрубберах, где уровень относительных скоростей в 4-5 раз ниже, чем в скрубберах с трубой Вентури, при одинаковых концентрациях жидкой фазы влияние коагуляции по типу (б) на остальные процессы будет еще слабее. Поэтому, в дальнейшем при расчете противоточного аппарата коагуляция капель с каплями не учитывалась.
От частоты и эффективности столкновений по типу (в) в значительной мере зависит степень очистки газа в скруббере. Строго говоря, наряду с полной коагуляцией могут присутствовать случаи частичной коагуляции и дробления капель при столкновении с твердыми частицами /15/. Однако, в силу незначительности этих процессов для условий данной задачи они не учитывались.
В процессе относительного движения капли, возможно, ее дробление газовым потоком. Оценим роль этого процесса на изменение размеров капель при их движении в аппарате. Из литературы /4, 14, 16/ известно, что основной характеристикой устойчивости капли является число Вебера:
(2.1.1)
где 
– плотность газа; 
, 
- скорости капли и газа соответственно; 
- размер капли; 
– коэффициент поверхностного натяжения капли.
При распыле жидкости наибольшие относительные скорости 
будут наблюдаться на начальном участке вылета капли из форсунки. В дальнейшем будет происходить ее торможение встречным потоком газа. Определим минимальный размер капли устойчивой в условиях течения в аппарате. Запишем уравнение (2.1.1) относительно размера капли и помня, что критическое число Вебера 
=15, 5 /14, 16/, а скорость вылета капли из форсунки при перепаде давления ∆ Р=5 атм. равна U20=12м/с. Таким образом при =- 3м/с; = 0, 072н/м (при t=20°С); =1, 1 кг/м3(при 50°С).
Если дополнительно учитывать внезапность ввода капли в поток, то, очевидно, следует ожидать, что дробление будет происходить при более низких значениях числа Вебера. Согласно /14/, критическое число Вебера примерно на 30% ниже, чем в условиях плавного разгона капли.
Таким образом, учитывая данное обстоятельство минимальный размер капли устойчивый в данных условиях будет равен:
м
Реально измеренный максимальный размер капли при распыле воды центробежной механической форсункой, согласно /17/, не превышает ~2 мм. Таким образом, приведенная оценка позволяет утверждать, что в данных условиях дробление капли в потоке газа отсутствует.
По этой причине, а также из-за отсутствия коагуляции капель спектр капель по высоте аппарата будет неизменным и тогда счетную функцию распределения капель по размерам можно определить в виде:
(2.1.2)
где 
и 
- функция плотности счетного распределения капель по размерам на расстоянии x и в начале течения соответственно. Запись 
- означает распределение частиц по какому-либо закону. Относительно можно сделать следующее замечание. Как следует из результатов расчетного исследования /14/, при течении жидких капель в трубе Вентури вследствие процессов тепло- и массообмена происходит полное испарение капель размером до 80-90 мкм. Для условий течения капель в противоточном скруббере, несмотря на более низкий уровень относительных скоростей (10-12 м/с против 40-50 м/с в трубе Вентури), можно ожидать, к концу движения испарение мелких капель размером до 60-70 мкм. Очевидно, что это обстоятельство приведет к частичной деформации функции распределения с сохранением общего закона распределения, описываемого зависимостью (2.1.2) (см. рис. 2.1.2).
В соответствии с вышеизложенным, коагуляция твердых частиц с каплями жидкости, определяющая, собственно, процесс пылеулавливания, может быть представлена уравнением /4, 14/;
; (2.1.3)
где интеграл столкновений J равен
(2.1.4)
РИСУНОК
При условии, что S=const, т.е. для скруббера постоянного сечения, новое значение функции 
можно записать в виде:
(2.1.5)
В выражении (2.1.4) 
- коэффициент коагуляции, зависящий от механизма столкновения пылевых частиц и капель.
Остановимся подробнее на определении коэффициента коагуляции . В условиях течения аэрозольных систем, в общем случае, к столкновению приводят различные причины: молекулярно-кинетическое движение, турбулентные пульсации, гравитационные и электрические силы, градиенты скорости, возникновение макроскопических относительных скоростей и т.п.
Интенсивность коагуляционных процессов зависит также и от количества и размеров сталкивающихся частиц иих динамических и термических параметров. При концентрациях частиц до 50-60 г/м3 и капель до 0, 5-0, 8 кг/м3 /4, 14/ наиболее вероятны парные соударения. Вместе с тем, оценки показывают /4, 14/, что при наличии заметных относительных скоростей движения между коагулирующими частицами порядка десятка метров в секунду основным, определяющим механизмом коагуляции, процессом является их соударение под действием указанных относительных скоростей /4, 14/. В условиях течения в противоточном скруббере, когда уровень относительных скоростей составляет единицы метров в секунду можно ожидать достаточно заметное влияние турбулентной и броуновской диффузии. Однако, согласно оценкам, приведенным в /18, 19/, даже в этом случае можно считать влияние турбулентной диффузии и броуновского движения несущественным, без заметной для практических расчетов погрешности.
Таким образом, окончательно, величина коэффициента 
равна объему, очищаемому коагулирующими частицами в их взаимном относительном движении, с учетом коэффициента захвата
(2.1.6)
Физический смысл коэффициентазахвата Е состоит в следующем. При обтекании газовым потоком препятствия(например, капли жидкости), коэффициент захвата Е в случае, когда пылевые частицы равномерно распределены в потоке, может быть определен как отношение площади, из которой все частицы данного размера осаждаются на препятствии по инерции, по всей площади миделевого сечения препятствия.
Как следует из рис. 2.1.3 коэффициент захвата можно представить как:
, (2.1.7)
где h – «прицельное» расстояние, т.е. расстояние от оси капли до крайней линии тока, двигаясь по которой частицы еще захватываются каплей диаметром .
Как показано в /4, 14/ коэффициент захвата зависит от критерия Стокса, равного
(2.1.8)
где - диаметр препятствия (капли); 
- размер набегающей частицы; 
- относительная скорость; 
- плотность частицы; 
- динамическая вязкость газа.
РИСУНОК
Из этого выражения видно, что эффективность инерционного осаждения тем выше, чем больше ее диаметр и относительная скорость, и меньше диаметр препятствия.
Из целого ряда зависимостей для коэффициента захвата, наибольшее распространение получили формулы, предложенные Дж. Ленгмюром /20/. Значения коэффициента захвата для трех режимов обтекания - вязкостного, потенциального и переходного приведены ниже в главе III.
Следует подчеркнуть, что при улавливании грубодисперсного аэрозоля, как показано в работе /4/, величина коэффициента захвата Е во многих случаях близка к единице, и основную роль играют количество частиц, их размеры, уровень относительных скоростей и другие факторы.
Процесс взаимодействия пылевых частиц с каплями жидкости сопровождается тепло и массообменом капель с газовой фазой. Что касается теплообмена между газом и стенками скруббера, то он незначителен и, как правило, в расчетах им пренебрегают, считая систему адиабатной.
В главе III будет представлена основная система уравнений, позволяющая описать пылеулавливание, тепло- и массообмен капель с газом. На основе расчета тепло- массообмена будут определены необходимые термические и динамические параметры, которые послужат основой расчета абсорбции сернистого ангидрида каплями жидкости.
|
|