Скрубберы (газопромыватели)

При объемно-жидкостном способе поток запыленного газа пропускают через определенный объем жидкости. Для этой цели используют пенные пылеуловители с провальными тарелками или тарельчатые скрубберы, эффективность которых может достигать 90–95%. На рис. 10 представлен тарельчатый скруббер.

Рис. 10. Тарельчатый скруббер: 1 – каплеуловитель; 2 – тарелка.

Рис. 11. Пылеуловитель ПВМ: 1 – корпус; 2,4 – перегородки; 3 – водоотбойник; 5 – каплеуловитель; б – вентиляционный агрегат; 7 – устройство для регулирования уровня воды

Улавливание пыли пленками жидкости характеризуется тем, что контакт газа и жидкости происходит на границе двух сред без перемешивания. Захват (собственно улавливание) твердых частиц тонкими пленками жидкости происходит на поверхностях конструктивных элементов. К этой группе устройств относятся скрубберы с насадкой, мокрые циклоны, ротоклоны и т.п. На рис. 11 показана схема пылеуловителя вентиляционного мокрого (ПВМ).

Улавливание пыли распыленной жидкостью заключается в том, что орошающая жидкость вводится в запыленный объем (поток) газа в распыленном или дисперсном виде. Распыление орошающей жидкости производится с помощью форсунок под давлением или за счет энергии самого потока газа. Первый способ распыления используется в полых скрубберах (рис. 12), второй – в турбулентных промывателях и скрубберах Вентури (рис. 13).

Рис. 12. Полый форсуночный скруббер

Рис. 13. Скруббер Вентури 1 – каплеуловитель; 2 – диффузор; 3 – горловина; 4 – конфузор; 5 – устройство для подачи воды

пылеуловитель очистка газ комбинированный

Скрубберы Вентури (сочетание трубы с каплеуловителем центробежного типа) обеспечивают очистку газов от частиц пыли практически любого дисперсного состава. В зависимости от физико-химических свойств улавливаемой пыли, состава и температуры газа выбирают режим работы скруббера Вентури. Скорость газа в горловине может быть 30–200 м/с, а удельное орошение 0,1–6 м³/м³. Эффективность очистки от пыли зависит от гидравлического сопротивления. Скрубберы Вентури эффективно работают при допустимой запыленности очищаемых газов 30 г./м³, предельной температуре очищаемого газа 400°С, удельном орошении 0,5–2,5 м³/м³ и гидравлическом сопротивлении 6–12 кПа.

Характеристика труб типа ГВПВ (газопромыватель Вентури прямоточный высоконапорный) приведена в табл. 3. Конструкция часто дополняется каплеуловителем циклонного типа (КЦ7), который обеспечивает улавливание капель при содержании жидкости не более 1 м³/м³, температуре не выше 80°С, концентрации капельной влаги после сепарации 70 мг/м³. Гидравлическое сопротивление 350 Па и производительность КЦТ 1700–82500 м³/ч.

Таблица 3. Технические характеристики скруббера Вентури

Типоразмер	Объем газов на выходе, m'/m	Диаметр горловины, MM	Расход орошаемой жидкости, м3/ч	Давление жидкости перед форсункой, кПа
ГВПВ – 0,006	1700–3500	85	1,18–3,2	180–370
ГВПВ – 0,03	9320–18900	200	6,5–13	60–250
ГВПВ – 0,08	23460–47600	320	16,8–45	80–570
ГВПВ – 0,140	41400–84000	420	28,8–46	130–320

Скрубберы Вентури типа СВ-Кк (комплект скруббер-сепаратор, один или два) имеют следующие характеристики:

Объем очищаемых газов, м3/ч Расход орошаемой жидкости, м3/ч Температура очищаемых газов,°С Концентрация взвешенных частиц, мг/м3 Удельное орошение, м3/м3 Гидравлическое сопротивление, кПа

50000–500000 65–400 до 120 до 10000 0,5–3,5 4–12

Созданы скрубберы центробежные, вертикальные, батарейные СЦВБ-20, обеспечивающие производительность по газу 9000–20000 м³/ч при температуре не выше 60°С, запыленности не более 10 г./м³ и гидравлическом сопротивлении скрубберов 1,7 кПа.

Мокрую очистку газов с частицами 2–3 мкм можно проводить в скрубберах центробежного типа СЦВП, в которых жидкость дробится непосредственно запыленным газом. Шлам, оседающий в нижней части скруббера, выводится эрлифтом в контейнер, а осветленная жидкость вновь возвращается в скруббер. Производительность таких аппаратов 5000–20000 м /ч, допустимая запыленность 2 г/м³, температура газов 80 «С, гидравлическое сопротивление 2,4 кПа, расход воды на очистку 0,05 м³/м³.

Разработаны скрубберы ударно-инерционного типа с пылеуловителями вентиляционными мокрыми. Производительность таких скрубберов 3000–40000 м³/ч. Запыленность газов 10 г./м, гидравлическое сопротивление аппарата 0,8–2 кПа, расход воды 10–40 г. на 1 м³ очищаемого воздуха.

Для химической очистки газов от соединений фтора с содержанием до 1 г/м³ можно рекомендовать скрубберы с шаровой подвижной насадкой и полые. Очистку производят растворами гидроксида или карбоната натрия.

Эффективность очистки газов от пыли зависит от дисперсности, плотности, склонности к слипанию, сыпучести, абразивности, смачиваемости, гигроскопичности, растворимости и др. Однако основным параметром при выборе пылеуловителя является размер частиц. Необходимо знать дисперсный состав пыли, задаваемый в виде таблиц или интегральных кривых. Гранулометрический состав большинства видов пыли подчиняется нормально логарифмическому закону распределения частиц по размерам. Степень очистки газов определяют по формуле:

где х – диаметр частиц пыли, мкм; dso – диаметр частиц пыли, улавливаемых в аппарате на 50%; lg s_r – стандартное отклонение в функции распределения частиц по размерам; lg s_т – стандартное отклонение в функции распределения фракционных коэффициентов очистки.

Интеграл Ф(х) табулирован. В.Н. Ужовым и др. составлена таблица для определения значений Ф(х), соответствующих разным значениям х [10].

С достаточной точностью дисперсию (геометрическое стандартное отклонение) можно рассчитать по формуле:

где d₁₆, d₆₄ – диаметры частиц с содержанием фракций меньше 16 и 84%.

Для нахождения значений lg sh необходимо иметь опытные данные по очистке в пылеуловителях определенной конструкции двух видов различной пыли.

Рис. 14. Номограмма для определения эффективности улавливания пыли в аппаратах мокрой очистки газов

По номограмме (рис. 14) определяют эффективность улавливания пыли в аппаратах мокрой очистки.

Номограмма построена для значений d_m и d₅₀ пыли стандартной плотности r_г = 1000 кг/м³. Пересчет значений d_m и d₅₀ от реальной плотности r_г к стандартной производят по формуле:

Установлена зависимость степени пылегазоочистки от энергозатрат [10]:

где Кг – удельная энергия соприкосновения, кДж/1000 м³ газов; b и к – константы, определяемые из дисперсного состава пыли, позволяет рассчитать эффективность улавливания пыли. Вероятностно-энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей основан на обобщенной зависимости:

полученной для стандартной плотности пыли рг = 1000 кг/м³ и вязкости газов m_r=18*10^-6Пас.

Эта зависимость может быть использована для выбора способов очистки и принципиальной конструкции скрубберов.

Для очистки или обезвреживания газообразных отходов или технологических газов с целью извлечения из них сопутствующих (полезных) газообразных компонентов широко используют метод абсорбции. Абсорбция основана на непосредственном взаимодействии газов с жидкостями. Различают физическую абсорбцию, основанную на растворении газа в жидкости, и хемосорбцию, в основе которой лежит химическая реакция между газом и жидким поглотителем.

Абсорбционной очистке подвергают газообразные отходы, содержащие один или несколько извлекаемых компонентов. В зависимости от используемого абсорбента (табл. 4) и его селективности можно выделить либо один компонент, либо последовательно несколько. В результате абсорбции получают очищенный газ и насыщенный раствор, который должен быть легко регенерируемым с целью извлечения из него полезных газов и возвращения его на стадию абсорбции [2].

Таблица 4. Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов

Поглощаемые компоненты	Абсорбенты
Оксиды азота N2Оз, NO5	Вода, водные растворы и суспензии: NaOH, Na2C03, NaHCO3, КОН, К2СОз, КНСОз, Са(ОН)2, СаСОз, Мg(ОН)2, МgСОз, Ва(ОН)2, ВаСОз, NН4HСОз
Оксид азота NO	Растворы FeCl2, FeSO4, Na2S203, NaHCO3, Na2S0з, NaHS03
Диоксид серы SO2	Вода, водные растворы: Na2SO3 (18–25%-ные), NH40H (5–15%-ные), Са(ОН)2 Na2C03 (15–20%-ные), NaOH (15–25%-ные), КОН, (NH4)2SO3 (20–25%-ные), ZnS03, К2СОз: суспензии СаО, МgО, СаСО3, ZnO, золы; ксилидин – вода в соотношении 1:1, диметиланилинС6Нз(СНз)2NН2
Сероводород H2S	Водный растворNa2СОз+Nа3АsО4 (Nа2НАsОз); водный раствор Аs2О3 (8–10 г./л)+NНз (1,2–1,5 г/л)+(NН4) 3АsОз (3,5–6 г./л); моноэтаноламин (10–15%-ный раствор); растворы К3РО4 (40–50%-ный раствор); растворы К3Р04 (40–50%-ные), NH4OH, К2СОз, CaCN2, натриевая соль антрахинондисульфокислоты
Оксид углерода СО	Жидкий азот; медно-аммиачные растворы [Сu(NНз)] nх хСОСН
Диоксид углерода С02	Водные растворы Na2C03, К2СОз, NaOH, КОН, Ca(OH)2, NH4OH, этаноламины RNH2, R2NH4
Хлор Cl2	Растворы NaOH, КОН, Са(ОН)2, Na2C03, К2СОз, МgСОз, СаСОз, Na2S203; тетрахлоридметан CCI4
Хлористый водород НСl	Вода, растворы NaOH, КОН, Ca(OH)2, Na2C03, К2СОз
Соединения фтора HF, SiF4	Na2C03, NaOH, Са(ОН)2

Требования, которым должна удовлетворять абсорбционная аппаратура, вытекают из физического представления явлений массопереноса в системах газ – жидкость. Так как процесс массопереноса протекает на поверхности раздела фаз, то в конструкциях аппаратов необходимо ее максимально развивать.

Для поверхностных абсорберов характерным является конструктивно образованная поверхность, по которой в пленочном режиме стекает абсорбент (жидкость). Наиболее распространенной конструкцией таких противоточных абсорберов являются хорошо известные насадочные. В качестве насадки применяют кольца Рашига, кольца Палля, седла Берля и другую насадку. Насадочные аппараты сложны, так как необходимо создать опорную решетку, оросители, обеспечить эффективное улавливание капель абсорбента.

В распиливающих абсорберах межфазная поверхность образуется мелкими каплями путем дробления, распыления жидкости. В объеме аппарата с помощью форсунок создаются капли, контактирующие с газовым потоком.

В механических абсорберах жидкость распыляется в результате подвода извне механической энергии, например, вращения валков или специальных распылителей. Эти конструкции достаточно сложны.

В поверхностных и распыливающих абсорберах сплошной фазой является газ, а распределенной – жидкость. В барботажных абсорберах в сплошном потоке жидкости распределяется газ, что достигается на так называемых тарелках. Режим, в котором работают такие абсорберы, называют барботажным.

При создании промышленных систем очистки газов абсорбционными методами необходимо различать схемы с одно- и многократным использованием абсорбента. В последней схеме абсорбция сочетается с десорбционными процессами. Однократное использование абсорбента характерно для процессов с низкой стоимостью поглотителя или когда после поглощения образуется готовый (целевой) продукт. Так как в очищаемом газе содержится незначительное количество улавливаемого компонента, то осуществляется циркуляция абсорбента, но без его регенерации.

Расчет процессов абсорбции основывается на материальном балансе, из которого определяют расходные параметры по абсорбенту и размеры аппаратов. Объем очищаемого газа Gi известен, известна также и начальная концентрация поглощаемого компонента в газовом потоке yi и в абсорбенте, подаваемом на очистку, x₁. Необходимо знать конечную концентрацию x₂ абсорбента, то есть степень насыщения потока абсорбента L поглощаемым компонентом. Тогда количество поглощаемого компонента G_k определяют по формуле:

где у2 – концентрация компонента в отходящем газовом потоке. Общее уравнение материального баланса имеет вид:

Конечное содержание поглощаемого компонента у2 в газовом потоке должно быть согласовано с равновесной концентрацией его в жидкости, которую определяют по формуле:

где Хг* – равновесная концентрация компонента в жидкости, отвечающая его содержанию в газовой фазе у2; т – константа фазового равновесия (константа Генри).

Определение эффективности реальных аппаратов должно быть основано на кинетических закономерностях процессов массопередачи, что можно записать через скорость растворения газа в жидкости за время через поверхность контакта фаз F, м²:

Каждая из независимых переменных (К – коэффициент массопередачи и А – движущая сила процесса) зависит от многих параметров (технологических режимов, конструкций аппаратов) и может измеряться в различных единицах. Широко применяют выражение для коэффициента массопередачи Ks как отношение его к площади поверхности контакта фаз или к площади насадки, тарелки. Если при этом движущая сила выражена через дельта, кг/м³, то единица измерения Ks – м/с.

Коэффициент массопередачи относят также к объему аппарата, получая объемный коэффициент массопередачи Кv, с-¹ или ч-¹:

где а – удельная поверхность контакта фаз.

Так как интенсивность переноса массы в газовой фазе (частный коэффициент массоотдачи вг) и в жидкой (частный коэффициент массоотдачи рж) различна, то значение b_г и b_ж определяют по разным зависимостям, и их соотношение для различных процессов также различно. Тогда выражение общего коэффициента массопередачи через частные имеет вид:

Соотношение между 1/b_г и 1/mb_ж позволяет определить долю сопротивления в газовой и жидкой фазе в зависимости от т, зависящей от абсорбента, степени его насыщения, температуры и др.

Значения b_г и b_ж находят по экспериментальным зависимостям, рекомендуемым для определенных конструкций массообменных аппаратов.

В случае прямолинейной равновесной зависимости и постоянства р_г и p_ж по высоте абсорбера количество переданной массы

или

Последнее выражение называют числом единиц переноса. По аналогии с записью коэффициентов массопередачи можно записать

где N_г и N_ж – число единиц переноса в газовой и жидкой фазах соответственно.

Число единиц переноса через объемные коэффициенты массопередачи:

где V_an – объем аппарата; S – площадь поперечного сечения; Н – высота аппарата.