Вопрос 3. Физические основы пылеулавливания и подготовки газов.

Неоднородные системы «газ-твердое тело», подлежащие разделению в пищевой промышленности, чрезвычайно разработаны по своим физико-химическим параметрам. Существенно различаются и производственные задачи — от выделения грубодисперсных фракции (переработка семян подсол­нечника, растаривание, измельчение и переработка зерна, обеспыливание техносферы в известковых отделениях сахарных заводов) до улавливания высокодисперсных твердых частиц (мучная и сахарная пыль). Весьма раз­личны массовые концентрации дисперсной фазы в пылегазовых потоках и их объемные расходы. Эти обстоятельства определяют разнообразный характер процессов пылеулавливания, в основе которых лежат различные механизмы выделения твердых частиц из неоднородных систем «газ — твердое тело».

Основные механизмы выделения частиц из потока. На рис.2 приведе­ны схемы физических механизмов выделения взвешенных частиц из газо­вых потоков. Часть этих схем характеризует основные механизмы пылевы-деления, а часть — вспомогательные, лишь увеличивающие эффективность действия основных. Следует отметить, что такое деление условно, и в неко­торых устройствах вспомогательные механизмы пылевыделения могут иг­рать роль основных.

Рис. 2. Схемы физических механизмов выделения частиц пыли из газовых по­токов (R — радиус циклона; F — силы):

а — под действием силы тяжести; б — под действием центробежной силы; в — столкновение частицы с телом осаждения (инерционный удар); г — прямое осаждение; д — диффузионное осаждение; е —электростатическое осаждение; ж — термопреципитация; 1 — частицы пыли; 2 — направление газового потока; 3 — тело осаждения; 4 — силы диффузии; 5 — коронирующий электрод отрицательной полярности; 6 — осадительный электрод; 7 — земля; 8 — нагретое тело; 9 — холодная поверхность.

Гравитационный механизм. Наиболее простой, но наименее эффектив­ный механизм выделения частиц из потока основан на естественном осажде­нии пыли. Поскольку в гравитационных пылеуловителях газовая среда тур­булентна, то нельзя рассчитывать на эффективное выделение в них тонких фракций пыли даже при значительном времени пребывания частиц в аппа­рате. Значительно лучше улавливаются крупные фракции пыли, однако они не вполне подчиняются элементарному расчету, основанному на опреде­лении скорости их витания в неподвижной среде.

Гравитационный механизм пылевыделения используют в основном для частиц диаметром более 50 мкм.

Центробежный механизм. При быстром вращении пылегазового потока достигаются большие радиальные скорости перемещения взвешенных в газе частиц, и, следовательно, эффективное их выделение из потока. Центробеж­ный способ пылеулавливания реализуют в циклонах. Однако продолжи­тельность пребывания в них частиц невелика. Соответственно диаметр этих аппаратов обычно сравнительно мал, иначе за короткий срок пребывания в циклоне многие частицы не достигнут его стенки.

В циклонах диаметром до 1,2 м можно достаточно эффективно улавли­вать частицы пыли размером более 10 мкм.

Увеличение времени пребывания частиц можно достичь ростом числа витков газового потока в корпусе циклона, но это связано с увеличением по­терь напора очищаемого газа.

Увеличение скорости на входе пылегазового потока в циклон свыше 18…20 м/с обычно не повышает существенно эффективность аппаратов. Это объясняется как увеличением турбулизации потока, так и торможением частиц в результате действия сил Кориолиса. Кроме того, увеличение скоро­сти нежелательно в связи с ростом потерь напора и возрастанием абразивно­го износа циклонных устройств. Возможный путь обеспечения высокой эф­фективности этих аппаратов при достаточно высоких расходах газа — параллельная установка большого числа небольших циклонов. Однако при этом трудно обеспечить равномерное распределение пылегазового потока по циклонным элементам.

Очевидное преимущество циклонов — их работоспособность при высоких температурах газа и сравнительная дешевизна, однако эффективность их при больших размерах и умеренных потерях напора недостаточна для тон­кой очистки газов.

Инерционный механизм. Этот механизм основан на выделении частиц из газового потока при обтекании препятствия. Существенное отклонение линий тока от прямолинейного направления при обтекании потоком пре­пятствия начинается тем раньше, чем больше поперечный размер препятс­твия. Соответственно раньше начинается и отклонение взвешенных в пото­ке частиц. Наоборот, если препятствие мало по размерам, то отклонение направления движения частиц (вызванного искривлением линий тока не сущего их потока) начинается значительно ближе к препятствию. При одинаковой скорости газа силы инерции при этом окажутся больше. Поэтому чем меньше поперечный размер препятствия, тем больше вероятность то го, что движущиеся в направлении этого препятствия частицы достигнут его поверхности, а не обойдут его вместе с огибающими его струями газа. Следовательно, эффективное инерционное пылевыделение возможно при использовании осаждающих тел, имеющих малый размер в поперечном к потоку направлении.

Использование инерционного механизма пылевыделения связано со значительными потерями напора пылегазового потока. Тем не менее, до­стигаемая высокая эффективность улавливания оправдывает указанный недостаток.

Электрический механизм. Электрическое выделение пыли основано на использовании взаимодействия между электрическим полем и заряженной частицей.

Механизм электрического пылевыделения предусматривает зарядку частиц.

Зарядка частиц достигается путем направления запыленного потока че­рез поток одноименно заряженных ионов (источником этих ионов является разновидность газового разряда — коронный разряд).

Электрическое поле, необходимое для возникновения сил, выделяющих заряженные частицы из потока, образуется в результате создания разности потенциалов на разноименных электродах, установленных по пути движе­ния запыленного потока. В полной мере действие этих сил проявляется в об­ластях, примыкающих непосредственно к электродам, служащим для осаж­дения пыли, что определяется наличием интенсивных турбулентных пульсаций в остальном объеме газового потока.

Электрические силы, действующие на заряженные частицы, невелики; поэтому высокая эффективность при использовании данного механизма пылевыделения достигается при длительном пребывании частиц в элект­рическом поле. Этим определяется главный недостаток электрофильтров: их размеры из-за необходимости обеспечения длительного пребывания в электрофильтре запыленного потока весьма велики, и стоимость этих ап­паратов значительна.

Однако по сравнению с тканевыми фильтрами, устройства электрической очистки не создают высоких потерь напора и сравнительно мало энергоемки.