Очищення газових викидів в апаратах з провальними тарілками великих отворів

Пляцук Л. Д., Гурець Л. Л., Сумський державний університет, Суми, Україна

Зростання промислового виробництва супроводжується збільшенням обсягів та видів газових викидів в атмосферу. Часто вони містять домішки пилу, смолисті речовини та речовини, які можуть утворювати осади, кристалізуватися, що призводить до забивання обладнання. Загальні вимоги до газоочисних апаратів можна сформулювати таким чином:

-       висока ефективність в широкому діапазоні навантажень по газу та рідині;
-       висока продуктивність;
-     стійка робота при оброблянні середовищ, схильних до інкрустації та утворення осадів з високими силами адгезії;
-       низький гідравлічний опір;
-       проста конструкція, яка забезпечує можливість модернізувати наявне обладнання.

Одним із перспективних шляхів інтенсифікування процесів очищання газових викидівє розроблення та впровадження нових конструкцій апаратів, які працюють у режимі розвинутої турбулентності. Підвищення швидкості газу дозволяє збільшити одиничну потужність апарата, що зменшує витрати матеріалу на його виготовлення, сприяє підвищенню ефективності очищення. Апарати з провальними тарілками великих отворів (AПTВO) працюють у вказаному режимі, і їх широко застосовують у процесах абсорбування та пиловловлювання.

В AПTВO ступінь очищення газу підвищується завдяки високим швидкостям газу в попереч­ному перерізі апарата та динамічним висотам газорідинного шару. AПTВO спроможні працювати при великих навантаженнях по рідині.

Ha відміну від провальних тарілок з дрібними отворами, на тарілках з великими отворами разом з пінним режимом та режимом інверсії фаз спостерігається вторинне піноутворення, за якого виникають високі газорідинні шари (до 1,5 м), що дозволяє працювати при швидкостях газу 3,0—4,0 м/с без факельних проривів та практично без бризковиносу.

Перехід до режиму вторинного піноутворення супроводжується різким підвищенням КУР та зниженням газовмісту, що свідчить про однорідність структури шару.

За швидкостей газу 2,0—4,5 м/с у режимі вторинного піноутворення відбувається розвинута вихрова взаємодія фаз. Газорідинна суміш являє собою піну, яка вирує. Oдночaсно спостерігаються помітне стабілізування шару, зниження інтенсивності пульсацій, рівномірне розподіляння газовмісту шару по всьому перерізу апарата.

Дослідження взаємодії газу та рідини в АПТВО показують, що вони проходять через отвори одночасно. Поверхня розділу фаз має вигляд бульбашки, причому рідина стікає через центральну частину отвору у вигляді тонкого пульсуючого струміня завдяки зниженому тиску (рис. 1).

Рис. 1. Утворення тороїдального вихру та бульбашки газу

Сферична поверхня бульбашки, яка виникає у великому отворі, швидко втрачає стійкість під впливом зовнішніх збурень, спричиняючи виникнення дрібних, стійких бульбашок. Бульбашка відривається від міжфазної поверхні і відбувається пульсуюче провалення рідини (рис. 2).

Рис. 2. Провалення рідини при відриванні бульбашки

Відмітною особливістю режиму вторинного піноутворення є виникнення тороїдального  вихру. Відірвавшись від кромки, такий вихор розпадається внаслідок нестійкої форми з утворенням дрібних вихрів (рис. 3).

Рис. 3. Утворення дрібних вихрів       

Рідина при цьому перестає провалюватися. Під час витікання газу через групу великих отворів вихри утворюються та відриваються одночасно, тобто в синфазному режимі. Сумарна робота отворів у цьому випадку значно більша,ніж при вісесиметричному проходженні газу та рідини, що має місце на тарілках з дрібними
отворами. Таким чином, газорідинний шар на провальних тарілках великих отворів рівномірно пронизується вихрами газу та рідини по всьому перерізу. Рідина в шарі представлена краплями, плівками, струмінями, які постійно піддаються впливу газових вихрів. При цьому структурні елементи рідкої фази то подрібнюються, то зливаються, що й пояснює утворення високого однорідного газорідинного шару, стабілізованого гідродинамічно та з інтенсивно розвинутою поверхнею контакту фаз.

Зривання вихрів з країв отворів тарілок, стікання рідини по центру отворів запобігає утворенню відкладів та заростанню отворів тарілок, сприяючи таким чином стійкій роботі АПТВО Зі  збільшенням  рідинної   навантаги   властивості  режиму  проявляються   виразніше. Тому АПТВО можуть працювати в широкому діапазоні змінювання щільності зрошування 5—70 м³/(м^2.год).

Вільний перетин провальних тарілок великих отворів складає 0,3—0,35 м²/м², що більше, ніж вільний перетин в провальних тарілках з дрібними отворами. Однак велика висота газорідинного шару спричиняє зростання гідравлічного опору апарата. У середньому гідравлічний опір АПТВО в 2 рази більший, ніж в апаратах із звичайними провальними тарілками. Однак енергетичні витрати компенсуються інтенсивним розвитком поверхні контакту фаз.
 

Розвинута поверхня контакту сприяє підвищенню ефективності масообмінних процесів як у газовій, так і в рідкій фазі та процесу пилоочищання. Максимальної ефективності уловлення пилу в АПТВО можна досягти за швидкості газу 3,0—3,5 м/с. Ступінь осадження дрібнодисперсного пилу з розміром часток менше ніж 2,0 мкм в AПTВO на 10—12 % вище, ніж у пінних апаратах.

Таким чином, переваги режиму вторинного піноутворення такі:
-     поверхня контакту фаз розвивається значно інтенсивніше, ніж зростає висота газорідин­ного шару та гідравлічного опору;
-     режим існує у широкому діапазоні навантаження по рідині та газу;
-     утворюються високі газорідинні шари, однорідні по структурі, при цьому немає значних коливань шару та факельних проривів газу, бризковиносу.

Усі ці фактори зумовлюють застосування AПTВO для комплексного очищення газів.