RU194876U1 - Устройство для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц - Google Patents

Abstract

Полезная модель предназначена для укрупнения и последующего улавливания твердых мелкодисперсных частиц при очистке вентиляционных и технологических выбросов от различных пылевидных частиц, с дисперсностью от 0,1 мкм до 10 мкм, и более и может применяться в пищевой, легкой, химической, текстильной промышленности.Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы пылеулавливающего устройства, повышение качества очищаемого воздуха и снижение энергозатрат при очистке запыленного воздуха.Технический результат достигается тем, что в устройстве для очистки воздуха, содержащем сепаратор мелкодисперсных частиц с двумя перфорированными пластинами, перфорации пластин выполнены в виде продольных вертикальных щелей, причем оси щелевых отверстий первой и второй пластин смещены относительно друг друга. Уменьшение габаритов устройства обеспечивается установкой сепаратора мелкодисперсных частиц наклонно от вертикали, а коагуляция мелкодисперсных пылевых частиц обеспечивается за счет мелкодисперсного водного орошения запыленного воздушного потока с помощью форсунок.Использование сепаратора из двух пластин, расположенных под углом от вертикали, позволяет снизить энергозатраты при очистке запыленного воздуха.

Description

Полезная модель относится к устройствам мокрой очистки газов и может быть использовано в химической, текстильной, пищевой, легкой и других отраслях промышленности для очистки вентиляционных и технологических выбросов от различных пылевидных частиц, которые образуются в результате конденсации, других реакций и технологических процессов, с дисперсностью от 0,1 мкм до 10 мкм и более. Принцип работы устройства основан на укрупнении и последующем улавливании твердых мелкодисперсных частиц.

Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому, является устройство для очистки воздуха, включающее патрубки входа загрязненного и выхода очищенного воздуха и каплеобразователь с двумя перфорированными пластинами, установленными перпендикулярно направлению движения воздуха, в котором диаметр перфорации второй пластины равен двум диаметрам перфорации первой пластины, а центры перфорации первой пластины размещены в середине межцентровых расстояний второй пластины. Расстояние между пластинами составляет 1,5 диаметра перфорации первой пластины, при этом первая перфорированная пластина выполнена с живым сечением, обеспечивающим струйное движение потока и набегание его на вторую пластину под углом 90°./см. Авторское свидетельство №980780 СССР МКИ В01, Д45/08, 1982 г./ Принят за прототип.

Недостатками этого устройства является невозможность получения высокой степени очистки от сухой мелкодисперсной пыли, из-за отскока ее частичек от поверхности первой и второй перфорированных пластин и уноса их воздушными потоками, высокие энергозатраты, из-за значительного возрастания аэродинамического сопротивления, в результате накопления пыли на поверхности второй, по ходу воздушного потока, пластины, а также громоздкость устройства, из-за незначительного живого сечения для прохода очищаемого воздуха через перфорированные пластины.

Техническим результатом полезной модели является повышение качества очищаемого воздуха и эффективности работы устройства для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для очистки воздуха, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого установлен сепаратор с двумя параллельными перфорированными пластинами, оси отверстий которых смещены друг относительно друга, и жалюзийный каплеуловитель, расположенный за сепаратором у выходного патрубка, при этом первая пластина выполнена с живым сечением, обеспечивающим струйное движение потока запыленного воздуха и набегание его на вторую пластину под углом 90°, особенность заключается в том, что оно дополнительно снабжено, форсункой, установленной во входном патрубке с возможностью орошения водой потока запыленного воздуха по ходу его движения, при этом перфорированные пластины расположены под углом 30-60° и имеют отверстия в виде продольных щелей с расположением осей щелевых отверстий первой пластины по межосевому центру щелевых отверстий второй пластины. Щелевые отверстия второй пластины имеют ширину равную 2,0÷2,5 относительно ширины щелевых отверстий первой пластины. Расстояние между пластинами равно 1,5÷2,0 ширины щелевого отверстия первой пластины b1. Дисперсный состав, орошаемой форсункой воды, составляет 2÷10 мкм.

Эффективность работы устройства по очистке воздуха зависит в определенной степени от конкретных механизмов, приводящих к коагуляции и осаждению в нем аэрозолей, обусловленных конструктивными особенностями улавливающего элемента./см. RanzW.E., WongJ.B., Ind. Eng. Chem., 44, 137 (1952)/. Эффективность осаждения аэрозольных частиц из струй (прямоугольных и круглых), набегающих на пластины (импакторы струй, сепараторы удара), на цилиндрических и сферических коллекторах, расположенных в аэрозольных потоках (волокнистые фильтры, газоочистители), за счет инерционных механизмов определяют как функцию числа Стокса:

Значение

при осаждении частиц на пластины для круглых струй, соответствующее полному их извлечению из двухфазного потока, составляет по данным исследований, около 0,58; для прямоугольных струй - 0,82. Осаждение частиц не, наблюдается при

меньшем 0,2 для круглых струй (как в выбранном прототипе) и

меньшем 0,3 для прямоугольных (как в заявленном устройстве).

Исследованиями по определению эффективности улавливания аэрозолей при скорости воздуха в отверстиях (щелях) 10÷180 м/с установлено также, что изменение расстояния от отверстия в первой пластине до поверхности второй пластины, в пределах от 1 до 3 эквивалентных диаметров отверстий, не влияет на полученные результаты.

Коагуляция аэрозолей в заявленном устройстве для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц с последующим их улавливанием опирается на многочисленные исследования авторов предложенного технического решения в области очистки воздуха. Результатом этих исследований явились теоретические основы процессов коагуляции, и улавливания частиц пыли /Тюрин Н.П. Высокоэффективные устройства очистки вентиляционных выбросов от мелкодисперсных частиц: монография /Н.П.Тюрин.- Самара: СГАСУ, 2015. - 124 с./.

При прохождении трехфазного потока через щели первой пластины сепаратора, заявленного устройства, вследствие турбулизации потока в струйках с малым масштабом турбулентности, возникает турбулентная коагуляция (взаимная) частиц пыли и разбрызганной форсункой (форсунками) воды, что приводит к укрупнению частиц и увеличению их инерционного осаждения в сепараторе устройства, т.к. теоретически η (коэффициент полезного действия) возрастает пропорционально диаметру частиц d².

Минимальные диаметры частиц d_min, которые будут удалены из потока, будут меньше по причине их коагуляции (укрупнения и последующего инерционного осаждения) и определяются с использованием рассчитываемых критериев St_кр:

где ν_в - скорость потока, набегающего на препятствие, м/с;

- характерный размер препятствия, м.

Критерий подобия инерционного осаждения частиц, критерий Стокса определяется по известной формуле:

где ν_в - скорость потока, набегающего на препятствие, м/с;

ρ_ч - плотность материала частиц, кг/м³;

d_ч - диаметр частиц, м;

С_к - поправка Кенингема-Милликена;

μ_в - динамическая вязкость, Па⋅с;

- характерный размер препятствия, м.

Для всех рассматриваемых случаев инерционного осаждения частиц эффективность улавливания пропорциональна квадрату диаметра частиц

, для ее повышения необходимо создать условия, способствующие увеличению турбулентности воздушного потока, которая окажет большее влияние на коагуляцию частиц.

Скорость турбулентной коагуляции - величина, способствующая числу встреч частиц в единице объема в единицу времени, 1/м³⋅с - происходящей за счет, так называемого, «механизма ускорения», определяется по формуле Левича В.Г.:

где n₀ - начальная концентрация частиц, 1/м³;

- величина, характеризующая турбулентный поток, м²/с³;

- линейный параметр (для трубы

равен ее диаметру), м;

ν_в - кинематическая вязкость воздуха, м²/с;

β - коэффициент, характеризующий распределение частиц по размерам;

dч_ср - средний размер частиц, м.

Известно, что функционирование аппаратов очистки воздуха характеризуется двумя основными параметрами: эффективностью улавливания ЗВ и энергоэкономическими показателями /п. 2.4 «Экологические требования к установкам очистки газов» Методическое пособие. СПб, ЦОЭК при Госкомприроды России, 1996 г, 58 с./.

Эффективность улавливания рассчитывается по формуле:

где Z' - концентрация загрязняющего вещества (ЗВ) на входе в аппарат, г/ м³,

Z - концентрация ЗВ после очистки, г/м³;

Условие оптимального функционирования очистного аппарата определяется по формуле:

где V - объемный расход очищаемого газа (воздуха), м³/с;

ПДВ - предельно-допустимый выброс, г/с.

Энергоэкономический показатель Кэн определяется затратами энергии (кДж) на осуществление процесса улавливания ЗВ из очищаемого воздуха (1000 м³) в аппарате /п. 2.5 «Экологические требования к установкам очистки газов» Методическое пособие. СПб, ЦОЭК при Госкомприроды России, 1996 г, с. 58/, которые должны стремиться к минимально возможному значению.

Затраты энергии Кэн зависят от гидравлического сопротивления аппарата (ΔP_ап ПА): К_эн=ƒ(ΔP_ап) и влияют на относительную стоимость очистки.

Потери давления в аппарате очистки определяются по формуле:

где ξ₁, ξ₂ - коэффициент местного сопротивления первой и второй пластин соответственно;

V₁, V₂ - скорость воздушного потока в щелях первой и второй пластин соответственно;

ρ - плотность воздуха, кг/м³.

При повышении эффективности очистки увеличивается стоимость очистки. Уменьшение стоимости очистки можно добиться, увеличивая производительность аппарата очистки с сохранением или уменьшением его аэродинамического сопротивления и степенью очистки воздуха от пыли. /Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. - М: Химия, 1981, 389 с./.

Таким образом, на уменьшение стоимости очистки, и, следовательно, на эффективность аппарата (при одинаковой степени очистки) влияет уменьшение гидравлического сопротивления и повышение производительности аппарата. С другой стороны, при постоянной производительности (при условии конструктивных изменений), мы можем увеличить степень очистки воздуха без увеличения стоимости.

Таким образом, все проведенные модернизации должны вести к изменению одного из этих факторов.

На фигуре 1 представлен продольный разрез устройства для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц, где приняты следующие обозначения: входной патрубок 1, выходной патрубок 2, корпус 3, сепаратор 4, жалюзийный каплеуловитель 5, форсунка 6, поддон для шлама 7.

На фигуре 2 изображено расположение пластин в сепараторе, где: первая пластина 8, вторая пластина 9.

На фигуре 3 изображена компоновка пластин в сепараторе, где: первая пластина 8, вторая пластина 9, шпилька 10.

На фигуре 4 изображен поперечный разрез пластин сепаратора со схемой движения потока запыленного воздуха, где показаны: первая пластина 8, вторая пластина 9. W∞ - скорость движения потока запыленного воздуха в корпусе устройства перед первой пластиной, V₁ - скорость движения потока запыленного воздуха в перфорации первой пластины, V₂ - скорость движения потока очищенного воздуха в перфорации второй пластины.

Устройство состоит из корпуса 3 с входным патрубком 1 и выходным патрубком 2, внутри которого расположен сепаратор 4 и жалюзийный каплеуловитель 5, расположенный за сепаратором 4 у выходного патрубка 2. Во входном патрубке 1 установлена форсунка 6, предназначенная для орошения входящего запыленного потока воздуха по ходу его движения. Корпус 3 снабжен поддоном для шлама 7, который присоединен к нижней части корпуса и имеет сливное приспособление для удаления уловленного шлама. Сепаратор 4 мелкодисперсных частиц состоит из двух параллельных друг другу перфорированных пластин, расположенных под углом 30-60°: первой пластины 8 и второй пластины 9, соединенных между собой шпилькой 10. Пластины имеют перфорации в виде продольных щелей. В первой пластине 8 ширина b1 щелей равна 4 мм, расстояние между центрами щелевых отверстий

равно (6÷8)⋅b1. Ширина щелей второй пластине 9 b2 составляет (2,0÷2,5)⋅b1. Оси щелевых отверстий первой пластины 8 и второй пластины 9 смещены относительно друг друга и оси щелей первой пластины 8 проходит между осями щелей второй пластины 9. Расстояние между пластинами равно 1,5÷2,0 ширины отверстий первой пластины 8 b1.

Ширина щели равная 4 мм в первой пластине 8 принята для формирования струек запыленного воздуха, набегающих на вторую пластину 9, а также для создания эффекта взаимной коагуляции мелкодисперсных твердых частиц (d2 от 0,1 мкм до 10 мкм), содержащихся в потоке запыленного воздуха, и частичек воды (d2 от 2,0 мкм до 10 мкм) распыленной через форсунку 6. Первая пластина 8 выполнена с живым сечением, обеспечивающим плоскопараллельное струйное движение потока и набегание его на вторую пластину 9 под углом 90°. Элементы предложенного устройства могут быть соединены между собой, например, сваркой.

Дисперсный состав, орошаемой воды, принят 2÷10 мкм, т.к. данный размер капель соизмерим с размером улавливаемых частиц пыли, и способствует увеличению площади контакта частиц воды и пыли и коагуляции.

Расположение пластин под углом 30-60° обосновывается тем, что, при постоянной скорости воздушного потока (V) и заданной ширине корпуса устройства (А) увеличивается расход очищаемого воздуха (L=V⋅A⋅B) за счет увеличения площади поверхности контакта сепаратора с загрязненным воздухом:

, где В - длина пластины, Н - высота корпуса устройства. Поэтому увеличивается эффективность работы устройства (за счет повышения его производительности при неизменных габаритах) или уменьшаются габариты (за счет уменьшения высоты при неизменном расходе). Например, при ширине щели 4 мм и высоте и пластины и устройства 100 мм, площадь живого сечения щели 0,0004 м², расход воздуха через щель при скорости движения, воздуха в щели 40 м/с будет равен 57,6 м³/час. Если пластину со щелью шириной 4 мм расположить под углом 30° при высоте устройства 100 мм, то в этом случае площадь сечения щели будет равна 0,0004619 м², расход воздуха через щель при скорости движения воздуха в щели 40 м/с будет равен 66,51 м³/час. Если пластину со щелью шириной 4 мм расположить под углом 60° при высоте устройства 100 мм, то в этом случае площадь сечения щели будет равна 0,0008 м², расход воздуха через щель при скорости движения воздуха в щели 40 м/с будет равен 115,2 м³/час. Таким образом, увеличение производительности аппарата составляет от 15% до 100%, что способствует повышению эффективности работы устройства.

Экспериментальным путем доказано, что при отношении dэ₂/dэ₁ равным 2÷2,5 (dэ - гидравлический эквивалентный диаметр) достигается максимальная степень очистки, поэтому ширина щелей второй пластины b2 принята равной (2,0÷2,5)⋅b1.

Смещение осей осевых отверстий относительно друг друга обеспечивает площадку для осаждения скоагулированных частиц на второй пластине.

Расстояние между пластинами равное 1,5÷2,0 ширины отверстий первой пластины b1 принято т.к. согласно результатам опытов при данном соотношении наблюдается максимальный эффект очистки. /Тюрин Н.П. Очистка вентиляционного воздуха от аэрозолей пластификаторов: Дис … канд. Техн. наук. Ленинград, 1982. 159 с./.

Устройство работает следующим образом.

Загрязненный воздух поступает в устройство через входной патрубок 1, где форсунками 6, по ходу движения воздуха, происходит орошение загрязненного потока воздуха водой. Трехфазный поток, состоящий из воздуха, частиц пыли и орошающей воды, поступает в корпус 3 и проходит через сепаратор 4 мелкодисперсных частиц. В сепараторе 4 поток воздуха срывается с острых кромок щелевых отверстий первой пластины 8, поджимается и с большой скоростью, с малым масштабом турбулентности, соизмеримым с размером ширины струи, набегает на межщелевые площадки второй пластины 9. В процессе движения трехфазной струи происходит частичная коагуляция частиц пыли (из-за соударения частиц пыли и частиц воды), и при соприкосновении частиц пыли и воды со второй пластиной 9 образуется вязкий пограничный слой, который способствует усилению взаимной коагуляции твердых частиц пыли и капелек воды, что ведет к выпадению укрупненных агломератов на второй пластине 9, сепаратора 4 в основном, за счет сил инерции.

Коагуляция аэрозолей осуществляется в основном на второй пластине 9 вследствие удара отдельных струек о площадку между щелевыми отверстиями второй пластины 9. Выбранная ширина щелевых отверстий второй пластины 9 исключает вторичное образование аэрозолей и капель в нос.

Срываемые воздушным потоком крупные капли со второй пластины 9 улавливаются жалюзийным каплеуловителем 5 и стекают в поддон для шлама 7, снабженный сливным приспособлением, посредством которого удаляется, образовавшийся, в процессе очистки воздуха, шлам. Очищенный воздух удаляется через выходной патрубок 2.

Предложенное устройство позволяет удалить из потока запыленного воздуха частицы мелкодисперсной пыли с дисперсным составом 0,1-10 мкм и более. При этом осаждения частиц на первой пластине сепаратора практически не происходит. Первая пластина лишь способствует формированию отдельных плоскопараллельных струек с малым масштабом турбулентности, что способствует взаимной коагуляции частичек пыли и разбрызгиваемой форсунками водой, а также обеспечивает набегание со скоростью скоагулированных аэрозолей на вторую пластину.

Повышение эффективности очистки воздуха заявленным устройством достигается за счет перфорации пластин сепаратора в виде продольных вертикальных щелей и орошения загрязненного воздуха водой через форсунку с дисперсным составом частичек воды от 2,0 мкм до 10 мкм, что позволяет улавливать пылевые частицы, осаждать их и утилизировать, повышая качество очищенного воздуха. Уловленные скоагулированные частицы, смоченные частицами воды, под действием силы тяжести стекают в поддон для шлама и удаляются через сливное приспособление. Благодаря стеканию скоагулированных частиц происходит самоочищение пластин сепаратора, которые не засоряются и не требуют частой остановки работы устройства для их очистки.

Перфорация пластин сепаратора, выполненная в виде продольных вертикальных щелей, а их установка под углом 30-60° повышает производительность устройства, а также его эффективность.

Claims (4)

1. Устройство для очистки воздуха, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого установлен сепаратор с двумя параллельными перфорированными. пластинами, оси отверстий которых смещены друг относительно друга, и жалюзийный каплеуловитель, расположенный за сепаратором у выходного патрубка, при этом первая пластина выполнена с живым сечением, обеспечивающим струйное движение потока запыленного воздуха и набегание его на вторую пластину под углом 90°, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено форсункой, установленной во входном патрубке с возможностью орошения водой потока запыленного воздуха по ходу его движения, при этом перфорированные пластины расположены под углом 30-60° и имеют отверстия в виде продольных щелей с расположением осей щелевых отверстий первой пластины по межосевому центру щелевых отверстий второй пластины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что щелевые отверстия второй пластины имеют ширину, равную 2,0÷2,5, относительно ширины щелевых отверстий первой пластины.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что расстояние между пластинами равно 1,5÷2,0 ширины щелевого отверстия первой пластины b1.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дисперсный состав орошаемой форсункой воды составляет 2÷10 мкм.

Images