Устройство для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц
DEVICE FOR AIR CLEANING FROM FINE SOLID PARTICLES

Изобретение 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 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 последнюю 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 изобретения является повышение качества очищенного воздуха и эффективности работы устройства для очистки воздуха от мелкодисперсных твердых частиц, упрощение конструкции сепаратора мелкодисперсных частиц, уменьшение габаритов устройства для очистки воздуха, повышение надежности его работы, снижение аэродинамического сопротивления и энергозатрат при очистке воздуха, а также утилизация продуктов очистки вентиляционных и технологических выбросов.
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°, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено, по меньшей мере, одной форсункой, установленной во входном патрубке с возможностью орошения водой потока запыленного воздуха по ходу его движения, и поддоном для шлама, который присоединен к нижней части корпуса и имеет сливное приспособление; 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. Ranz W.E., Wong J.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./.
2
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 d.
min
кр
Минимальные диаметры частиц d, которые будут удалены из потока, будут меньше по причине их коагуляции (укрупнения и последующего инерционного осаждения) и определяются с использованием рассчитываемых критериев St:
в
где ν - скорость потока, набегающего на препятствие, м/с;
- характерный размер препятствия, м.
Критерий подобия инерционного осаждения частиц, критерий Стокса определяется по известной формуле:
в
где ν - скорость потока, набегающего на препятствие, м/с;
ч
3
ρ - плотность материала частиц, кг/м;
ч
d - диаметр частиц, м;
к
С - поправка Кенингема-Милликена;
в
μ - 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.
3
Скорость турбулентной коагуляции - величина, способствующая числу встреч частиц в единице объема в единицу времени, 1/м⋅с - происходящей за счет, так называемого, «механизма ускорения», определяется по формуле Левича В.Г.:
0
3
где n - начальная концентрация частиц, 1/м;
2
3
- величина, характеризующая турбулентный поток, м/с;
- линейный параметр (для трубы  равен ее диаметру), м;
в
2
ν - кинематическая вязкость воздуха, м/с;
β - коэффициент, характеризующий распределение частиц по размерам;
ср
dч - средний размер частиц, м.
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.
1
2
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, V - скорость движения потока запыленного воздуха в перфорации первой пластины, V - 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 (или несколько форсунок), 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 живыми сечением, обеспечивающим плоскопараллельное струйное движение потока и набегание его на вторую пластину 9 под углом 90°. Количество форсунок 6 зависит от объема очищаемого воздуха. Элементы предложенного устройства могут быть соединены между собой, например, сваркой.
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. При набегании трехфазной струи, состоящей из воздуха, частичек пыли и частичек воды, и скоагулированных агломератов, на вторую пластину 9, формируется пограничный слой, обладающий повышенной вязкостью к компонентам струи. Вязкость образуется за счет оседания частиц воды на поверхности второй пластины, «перемешивания» частиц воды с частицами пыли и соударения запыленного трехфазного потока о поверхность второй пластины, на которой осаждаются частицы пыли, укрупненных агломератов и воды. Это приводит к взаимной коагуляции твердых частиц пыли и капелек разбрызгиваемой форсунками воды. Далее укрупненные агломераты, в основном за счет сил инерции, выпадают на второй пластине 9 сепаратора 4.
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 каплеунос.
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 надежности работы заявленного устройства и эффективности очистки воздуха им достигается за счет перфорации пластин сепаратора в виде продольных вертикальных щелей и орошения загрязненного воздуха водой через форсунку (форсунки) 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, и их установка под углом 30-60° снижает аэродинамическое сопротивление, а, следовательно, снижает энергозатраты устройства в процессе его работы.