6 najlepszych urządzeń do usuwania zanieczyszczeń gazowych
Ten artykuł rzuca światło na sześć najlepszych urządzeń do usuwania zanieczyszczeń gazowych. Urządzenia są następujące: 1. Osadnik grawitacyjny 2. Separator bezwładnościowy 3. Separator odśrodkowy 4. Filtry 5. Wyparka elektrostatyczna i 6. Płuczki.
Urządzenie nr 1. Gravity Settler:
Kiedy przepływający przez pył strumień gazu przepływa przez komorę, cząstki kurzu doświadczają następujących sił w kierunku pionowym:
(i) Siła grawitacyjna działająca w dół,
(ii) siła wyporu działająca w górę, oraz
(iii) Siła oporu w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu cząstek.
W rezultacie cząstki osiągają prędkość skierowaną w dół, która w stanie ustalonym określana jest jako prędkość końcowa Ur . Cząstki również doświadczają prędkości w kierunku poziomym, która byłaby taka sama jak gazu nośnego (zakładając brak poślizgu na granicy faz gaz-cząstka).
Cząstki pyłu, które są zatrzymywane w komorze, zostają oddzielone od strumienia gazu nośnego, a reszta zostaje odprowadzona. Taką komorę nazywa się osadnikiem grawitacyjnym.
Stopień usunięcia pyłu ze strumienia gazu w osadniku grawitacyjnym zależy od następujących czynników:
(i) Prędkość gazu w komorze,
(ii) rozkład wielkości cząstek,
(iii) Prędkości końcowe cząstek, które z kolei zależą od wielkości cząstek, gęstości cząstek, prędkości gazu (nośnika) i gęstości gazu.
(iv) Długość komory, oraz
(v) Wysokość komory.
Osadniki grawitacyjne są dwojakiego rodzaju:
(i) Pojedyncza komora (bez wewnętrznej tacy) i
(2) Komora z wieloma tacami (znana również jako osadnik Howarda).
Rysunek 4.2 pokazuje szkice osadników grawitacyjnych.
Zbudowanie jednej komory jest najtańsze. Zatrzymane cząstki kurzu zbiera się w zbiorniku / kosze samowyładowcze u podstawy, z których od czasu do czasu usuwa się cząstki. Komora z wieloma tacami byłaby droższa i miałaby kilka lekko nachylonych tac mających jednolitą szczelinę pomiędzy tacami. Tace są zaopatrzone w odpowiednie mechaniczne urządzenie tak, że nagromadzone warstwy pyłu na tacach mogą być usunięte bez jakiejkolwiek przerwy w przepływie.
Osadniki mogą być wykonane z dowolnego metalu, który byłby w stanie wytrzymać temperaturę gazu, środowisko korozyjne i ścieranie cząstek. Nie ma żadnych ograniczeń ciśnienia i temperatury w odniesieniu do gazu wlotowego. Konieczne może być zaizolowanie osadnika, aby nie dopuścić do schłodzenia gazu wpływającego poniżej punktu rosy, aw konsekwencji do kondensacji pary wodnej.
W jednokomorowym osadniku cząstki większe niż 40 (jestem w stanie skutecznie usunąć, podczas gdy odpowiednio zaprojektowana komora z wieloma tacami może usuwać cząstki o wielkości nawet 22: 00. Jedną z głównych zalet osadnika grawitacyjnego jest jego spadek pod niskim ciśnieniem.
Całkowity spadek ciśnienia można obliczyć, dodając spadki ciśnienia z powodu:
(i) Rozszerzenie wejścia,
(ii) Frakcja z tarcia w samej komorze i
(iii) Zakończenie skracania.
Gravity Settler Design Approach:
Do zaprojektowania osadnika grawitacyjnego wymagane są następujące spójne jednostki:
1. Objętościowe natężenie przepływu gazu,
2. Analiza wielkości cząstek pyłu i rozkładu masy (dpi vs. m dpi ),
3. Średnia gęstość cząstek, P p,
4. Gęstość gazu i lepkość, Pg, p g, i
5. Pożądana skuteczność usuwania (ᶯ dpi ) docelowej wielkości cząstek.
Wspomniano wcześniej, że cząstka o średnicy dpi osiąga prędkość końcową Ut , dpi w wyniku działania sił (już wymienionych) działających na nią. Wyrażenie dla U t. dpj okazuje się być
Cząstki, które normalnie byłyby zainteresowane usunięciem w osadniku grawitacyjnym, nie byłyby zbyt drobne, a zatem Ut, dpi takich cząstek można obliczyć za pomocą równania. (4.7), który uzyskuje się przyjmując
Należy tu wspomnieć, że dla celów projektowych przyjmuje się, że cząstki osiągnęłyby swoje odpowiednie prędkości końcowe natychmiast po wejściu do komory sedymentacyjnej.
Wielkość osadnika grawitacyjnego można uzyskać w następujący sposób:
Krok I:
Oblicz wartość u , dpi dla wszystkich rozmiarów cząstek za pomocą równania. (4.2) do (4.6) lub Eq. (4.7) w zależności od dp.
Krok II:
Wybierz odpowiednią liniową prędkość gazu U przez proponowany osadnik. Ogólna zasada U wynosi 0, 3-3 m / s. Zwykle przyjmuje się wartość od 0, 3 do 0, 6 m / s.
Krok III:
Zdecyduj długość osadnika L. Decyzja jest podejmowana na podstawie przestrzeni dostępnej do zainstalowania osadnika lub do spełnienia dopuszczalnego spadku ciśnienia na osadniku lub do spełnienia obu tych warunków.
Krok IV:
Ocenić czas przebywania w komorze, τ
gdzie τ = L / U
Krok V:
Oszacuj wysokość osadnika H. Równania / relacje, które należy zastosować do oszacowania H, zależą od tego, czy proponowany osadnik jest osadnikiem jednokomorowym, czy też wielostawowym osadnikiem i czy przepływ wewnątrz osadnika jest laminarny lub turbulentny.
Krok VI:
Szerokość W komory należy oszacować za pomocą zależności W = Q / HU, uzyskanej przez zrównoważenie objętościowego natężenia przepływu,
gdzie Q = objętościowe natężenie przepływu gazu nośnego.
(A) Osadnik jednokomorowy, stan przepływu laminarnego:
Wysokość osadnika, H, jest szacowana na podstawie pożądanej skuteczności usuwania docelowej wielkości cząstek, dpi, z wykorzystaniem zależności.
Dla cząstek o rozmiarach innych niż dpi wydajność usuwania jest obliczana przy użyciu zależności.
Korzystając z dotychczas uzyskanych informacji, ogólną sprawność osadnika szacuje się za pomocą relacji.
Należy zauważyć, że η dp może mieć wartość maksymalną równą 1, 0.
W przypadku, gdy obliczona wartość η ogólnie nie spełnia pożądanej wydajności osadnika, równania. (4.8) do (4.10) mają być przerobione na podstawie nowego (przyjętego) dpi lub nowego (przyjętego) η dpj lub nowego zestawu dpi i η dpi, dopóki nie zostanie spełnione pożądane kryterium działania.
(B) Osadnik jednokomorowy, stan turbulentnego przepływu:
Wysokość H osadnika jest szacowana na podstawie docelowego rozmiaru cząstek dpi i przy założeniu wydajności rozdzielania η dpi = 1 = 1 przy użyciu zależności
Dla każdej z pozostałych cząstek o średnicy dp ǂ dpi wysokość osiadania h dp jest obliczana za pomocą równ. (4. 12).
Następnie wydajność usuwania każdej z różnych wielkości cząstek o dp <dpi oblicza się stosując równanie. (4.13)
Wydajność separacji cząstek mających dp> dpi przyjmuje się jako 1, 0. Całkowitą skuteczność usuwania wszystkich cząstek ocenia się ostatecznie za pomocą równ. (4.10).
W przypadku obliczonej ogólnej wydajności w oparciu o równ. (4.10) nie pasuje do pożądanej wydajności EQ. (4.10), (4.11), (4, 12) i (4.13) są przerobione, wybierając inną docelową wielkość cząstek dpi aż do osiągnięcia pożądanej wydajności.
(C) Konstrukcja osadnika wielopłytkowego :
W przypadku osadnika z wieloma zasobnikami ważna jest odległość między dwiema kolejnymi tacami Hr . Generalnie jest rzędu 30 cm. Liczbę tacek w komorze, N, szacuje się za pomocą relacji,
N = (H / Ht ). (4.14)
Zmiana układu Eq. (4.14) wysokość komory może być wyrażona jako
Jest oczywiste, że do oszacowania H, H t i N mają być wstępnie wybrane.
Po ustaleniu Ht należy oszacować ogólną wydajność osadnika z wieloma tackami za pomocą odpowiednich Eq. (4.2) do (4.13) w zależności od tego, czy przepływ może być laminarny czy turbulentny. Stosunek do oszacowania W byłby
W = Q / NH, U
Jeżeli wydajność proponowanego osadnika okaże się niezadowalająca, problem powinien zostać zmieniony przy założeniu nowego N.
Minimalna wielkość cząstki, która byłaby usunięta w pożądanym stopniu w określonym osadniku, może być wyrażona jako
Gdzie g = przyspieszenie spowodowane grawitacją.
Należy tutaj podkreślić, że rzeczywista sprawność osadnika będzie mniejsza niż obliczona przy użyciu równania Eq. (4.10), z następujących powodów:
(i) Ponowne uwięzienie osiadłych cząstek,
(ii) cząstki nie osiągają swoich prędkości końcowych wkrótce po wejściu do osadnika, oraz
(iii) Niesferyczny kształt cząstek.
Przykład 4.1:
Proponuje się zainstalowanie osadnika grawitacyjnego do całkowitego usunięcia cząstek pyłu o średnicy 40 μm z gazu nośnego.
Inne istotne informacje to:
Natężenie przepływu gazu nośnego = 21, 600 m 3 / godz. przy 50 ° C i ciśnieniu nieco powyżej 1 atm,
Gęstość cząstek (p p ) = 2, 5 g / cm 3 .
Fizyczne właściwości gazu nośnego można przyjmować jako właściwości powietrza w stanie roboczym.
Odnaleźć:
(a) Odpowiednie wymiary osadnika jednokomorowego zakładającego przepływ laminarny w komorze,
(b) Wydajność usuwania tego samego osadnika, jeśli przepływ w komorze jest turbulentny,
(c) Jeśli ten sam osadnik jest wyposażony w tace o około 30 cm od siebie, to co można usunąć z cząstek o minimalnej wielkości ze 100% wydajnością?
Rozwiązanie:
(a) Założenia dotyczące osadników jednokomorowych:
(i) Przepływ wewnątrz osadnika byłby laminarny,
(ii) Ustalenie liczby Reynoldsa cząstek stałych (Re p ) będzie mniejsze niż 2,
(iii) prędkość gazu nośnego przez osadnik, U = 0, 4 m / s.
Gęstość gazu nośnego (p g ) w 50 ° C i 1 atm.
Wymiary osadnika można oszacować za pomocą następujących zależności, jeżeli przepływ w osadniku jest laminarny.
Ponieważ r nie jest określone, przyjmuje się kilka wartości xi odpowiadające im wartości L, H i W oblicza się w następujący sposób:
Wymiary odpowiedniego osadnika zależą od dostępnej przestrzeni dla jego instalacji. Niech proponowane wymiary osadnika będą
L = 8 m, H = 2, 29 mi W = 6, 55 m odpowiadające r = 20 s
Teraz należy sprawdzić, czy przepływ wewnątrz osadnika byłby laminarny lub turbulentny, obliczając liczbę Reynoldsa,
W związku z tym przepływ wewnątrz osadnika byłby turbulentny.
(b) Ponieważ przepływ wewnątrz osadnika byłby turbulentny, jego sprawność powinna być oszacowana za pomocą równania. (4.13)
(c) Jeżeli proponowany osadnik będzie wyposażony w tace w odległości około 30 cm od siebie, liczba tac wewnątrz osadnika będzie wynosić
Rezultatem jest odstęp między tacami, H t = 2, 29 / 8 = 0, 28 m
Prędkość liniowa gazu w osadniku byłaby
Dlatego przepływ byłby turbulentny.
Ponieważ przepływ wewnątrz wielostawkowego osadnika byłby turbulentny, minimalne wielkości cząstek, które zostałyby całkowicie usunięte, można obliczyć za pomocą równania. (4.16)
Całkowite usunięcie oznacza n dpi = 1, jednak zastąpienie n dpi = 1 w powyższym równaniu spowoduje nieokreśloną rozdzielczość. Stąd η dpi przyjmuje się jako 0, 999, a dpi - za pomocą równania Eq. (4.16).
Urządzenie nr 2. Separator bezwładnościowy:
Zawieszone cząstki stałe przenoszone przez strumień gazu osiągają prawie taką samą prędkość, jak sam strumień gazu. W rezultacie pęd, a tym samym bezwładność (ruchu) większych i gęstszych cząstek, są bardziej porównywane z tymi jaśniejszymi i drobniejszymi cząstkami. Kiedy taki strumień gazu zmienia kierunek przepływu wewnątrz urządzenia, kierunek przepływu cząstek o wyższej bezwładności nadal podąża za starym (poprzednim) kierunkiem i ostatecznie spoczywa po uderzeniu w jakąś powierzchnię.
Jaśniejsze i delikatniejsze cząstki zostają uniesione przez sam strumień gazu, ponieważ siła oporu pokonuje bezwładność. Takie urządzenie jest określane jako "separator bezwładnościowy". Skuteczność usuwania pyłu z separatora bezwładnościowego można poprawić tylko poprzez zmniejszenie siły oporu cząstek. Można to osiągnąć przez obniżenie prędkości gazu w strefie rozdzielania. Separatory bezwładnościowe są różnych typów. Rysunek 4.3 pokazuje szkice niektórych typów separatorów inercyjnych.
Prędkość wchodzącego gazu w separatorze bezwładnościowym może wynosić około 10 m / s, a w separatorze zwykle około 1 m / s. Wielkość separatora bezwładnościowego jest zwykle mniejsza niż separatora grawitacyjnego o podobnej wydajności i wydajności, ale spadek ciśnienia byłby większy. W przypadku separatora bezwładnościowego nie ma ograniczenia ciśnienia i temperatury.
Urządzenie nr 3. Separator odśrodkowy:
Odśrodkowy separator jest powszechnie znany jako separator cyklonowy. Jest to separator bezwładnościowy, jednak siła, która powoduje separację, jest odśrodkowa. Jego górna część jest cylindryczna, podczas gdy dolna część jest odwróconym ściętym stożkiem. Pyłowy gaz dostaje się do cylindra w pobliżu wierzchołka przez otwór boczny lub osiowo w górę z prędkością styczną. Czysty gaz wydobywa się na górze przez centralny okrągły wylot. Oddzielone cząstki stałe są odprowadzane przez centralny wylot na dnie.
W przypadku cyklonu z wejściem bocznym wlot do cyklonu jest umieszczony stycznie, a zatem wchodzący gaz uzyskuje prędkość styczną. Osiowe cyklony wejściowe są wyposażone w łopatki w celu nadania prędkości stycznej do wchodzącego gazu.
Obładowany pyłem pył po wejściu do cyklonu przesuwa się w dół, gdy zstępujący wir zewnętrzny ze względu na jego prędkość styczną dociera do prawie wierzchołka stożka, a następnie zmienia kierunek, poruszając się w górę jako wznoszący się wewnętrzny wir. W końcu gaz opuszcza cyklon przez centralnie umieszczony wylot u góry.
Większe i cięższe cząstki pyłu, poruszające się w dół wraz ze spiralnie poruszającym się strumieniem gazu, oddziałują na siłę odśrodkową, w wyniku czego migrują w kierunku ściany. W końcu zsuwają się one w dół do dolnego wylotu, który jest zwykle wyposażony w zawór obrotowy. Cienkie i lżejsze cząstki są odprowadzane przez wychodzący strumień gazu.
Siła odśrodkowa działająca na cząstkę o masie m może być wyrażona jako:
Od Eq. (4.18) jest oczywiste, że dla cząstki mającej średnicę Pp i gęstość p p działająca na nią siła odśrodkowa jest wprost proporcjonalna do u tan i odwrotnie proporcjonalna do R. W związku z tym jej skuteczność usuwania w cyklonie wzrastałaby wraz ze wzrostem w U tan zmniejsza się wraz ze wzrostem R.
Cyklony o średnicy 1 m lub większej mogą obsługiwać wyższe natężenia przepływu gazu, ale są mniej skuteczne w usuwaniu cząstek drobniejszych niż 30 μm. Spadek ciśnienia w takim cyklonie może wynosić około 2, 5-15 cm wody. Cyklony o średnicy 30 cm lub mniej są nazywane cyklonami o wysokiej wydajności.
Ich zdolność do odbierania gazu jest mniejsza, ale są one dość wydajne w usuwaniu cząstek nawet o 10 wieczorem. Spadek ciśnienia na małym cyklonie wynosi zwykle około 10 cm do 30 cm wody. Ze względu na ich niską zdolność do obsługi gazu kilka cyklonów często pracuje równolegle i jest umieszczonych w jednej obudowie. Taki zespół określany jest jako multicyklon.
Rysunek 4.4 pokazuje szkic standardowego cyklonu. Wymiary różnych części takiego cyklonu są wyrażone jako stosunek do jego średnicy. Te proporcje różnią się nieco w zależności od typu cyklonu. Cyklony są klasyfikowane jako o wysokiej wydajności, średniej wydajności i konwencjonalnym cyklonie. W tabeli 4.5 podano względne wymiary wyżej wymienionych typów cyklonów.
Zaletą separatora cyklonowego jest jego prostota konstrukcji i niższe koszty. Ponieważ nie ma ruchomych części w cyklonie, jego koszt utrzymania jest niski. Wymaga mniej miejsca na podłodze. Odpowiednio zaprojektowany cyklon może pracować przy ciśnieniu wynoszącym nawet 500 atm i temperaturze nawet 1000 ° C.
Podejście konstrukcyjne separatora cyklonowego:
Aby zaprojektować cyklon, powinna być dostępna analiza wielkości cząstek pyłu obecnych w strumieniu gazu wpływającego. Rozmiar cząstek d 50 również musi być znany. d 5Q oznacza średnicę cząstek, z których 50% (masa) musi zostać usunięta ze strumienia gazu obciążonego pyłem.
Gdy te informacje są znane, zakłada się średnicę cyklonu Dc, d50 odpowiadające Dc oblicza się zgodnie z procedurą podaną poniżej. Jeżeli obliczona wartość d 50 nie odpowiada wymaganemu d 50, przyjmuje się nową wartość D c, a obliczenia powtarza się.
Po ustaleniu Dc wydajność usuwania cząstek pyłu o średnicach innych niż d50 szacuje się za pomocą wykresu pokazanego na Fig. 4.5.
Ogólna wydajność projektowanego cyklonu jest następnie obliczana z wykorzystaniem zależności podanej w równaniu. (4.10)
Istnieją dwa podejścia do projektowania separatora cyklonowego:
(1) Podejście Lapple i
(2) Metoda balansu siłowego.
1. Podejście Lapple'a:
To podejście jest oparte na następującym wyrażeniu dla d 50
gdzie N e = efektywna liczba zwojów w zstępującym wirniku zewnętrznym, która na ogół mieści się w zakresie od 1 do 10 =
U I = wprowadzanie prędkości gazu w zakresie od 6 do 24 m / s
Zwykle przyjmuje się, że wynosi 16 m / s.
Odpowiednim wyrażeniem dla spadku ciśnienia na cyklonie jest
Spadek ciśnienia zależy od typu cyklonu. Niektóre typowe dane zestawiono w tabeli 4.6.
2. Metoda wyważenia siły:
Metoda bilansu sił opiera się na następujących przesłankach:
(i) Cząstki wewnątrz cyklonu w odległości R od osi doświadczają siły radialnej netto, która jest różnicą między siłą pola netto (siłą odśrodkową) a siłą oporu.
(ii) Cząstki o średnicy d50 zostaną poddane zerowej siatce przy
(v) Wyrażenie U tan uzyskuje się przez zrównoważenie momentów sił płynu na wlocie i wylocie oraz siły ścinającej ściany wokół osi cyklonu.
gdzie fs jest analogiczne do współczynnika tarcia = 1/200
A 1, powierzchnia przekroju kanału wlotowego = B C H C
S to powierzchnia cyklonu wystawiona na działanie
Wirujący gaz
Procedura projektowania polega na wybraniu ad 50 i przyjęciu średnicy cyklonu D c, Średnica cyklonu D c powinna być tak dobrana, aby U I = Q / B c H c znajdował się w zakresie roboczym prędkości wlotowej (6-24 m / s, zwykle 16 m / s).
Następne d 5Q oblicza się, stosując równania. (4.25), (4.24), (4.23) i (4.22). W przypadku, gdy obliczona wartość d 50 nie odpowiada wybranemu d 50, kroki powtarza się z inną założoną średnicą cyklonu. Proces ten powtarza się aż do znalezienia średnicy cyklonu, co powoduje powstanie ad 50 blisko wstępnie wybranego d50.
Spadek ciśnienia na takim cyklonie można obliczyć za pomocą zależności.
Należy tu podkreślić, że rzeczywista efektywność rozdzielania byłaby mniejsza niż obliczona przy użyciu równania. (4.10) ze względu na następujące efekty:
1. Odbijanie cząstek od ściany do wewnętrznego wiru,
2. Cząstki pobierane z wierzchołka stożka przez przepływ zbiornika, oraz
3. Ponowne porywanie cząstek z powodu zawirowań.
Przykład 4.2 :
Konwencjonalny separator cyklonowy powinien być zaprojektowany do usuwania 50 procent cząstek o średnicy 5 μm i gęstości 2, 5 g / cm3 ze strumienia gazu (powietrza) przepływającego z prędkością 7200 m3 / godzinę w temperaturze 30 ° C.
Rozwiązanie:
Z literatury wynika, że lepkość powietrza w 30 ° C wynosi 0, 018 centypuazów.
0, 018 centypuaru = 1, 8 x 10 -4 g / cms = 1, 8 x 10 -5 kg / m s.
Wstępne oszacowanie średnicy cyklonu (Dc) w celu spełnienia wyżej wspomnianego cła uzyskuje się za pomocą podejścia "Łuszcz", równ. (4.19) przy założeniu
Urządzenie nr 4. Filtry:
W przeciwieństwie do innych typów urządzeń do separacji omówionych wcześniej, operacja filtracji odbywa się w trybie półciągłym. Podczas pierwszej części działania cząsteczki kurzu ze strumienia powietrza z ładunkiem pyłu są zatrzymywane w samym urządzeniu i wypływa względnie czysty (wolny od kurzu) strumień gazu. Składnik filtra, który faktycznie zatrzymuje cząsteczki kurzu, jest określany jako czynnik filtrujący.
Wraz ze wzrostem ilości nagromadzonych cząstek pyłu na środku filtrującym rośnie opór przepływu gazu. Powoduje to wzrost różnicy ciśnień na filtrze w czasie. Ostatecznie etap osiąga się, gdy różnica ciśnień jest równa ustalonej wartości.
W tym momencie dopływ gazu zostaje zatrzymany i rozpoczyna się kolejny etap operacji, czyli usuwanie nagromadzonych cząstek pyłu (czyszczenie). Po usunięciu znacznej ilości nagromadzonego pyłu, wznowiona zostaje operacja filtracji (napływ gazu z ładunkiem pyłu). Filtry są klasyfikowane zgodnie z rodzajem zastosowanego materiału filtracyjnego.
Wykorzystane media to:
1. Pożywka zagęszczona (żwir) i
2. Podłoże włókniste (papier, mata włóknista, filc, tkaniny itp.).
Filtr żwiru:
Agregatowe medium filtracyjne stosuje się w wysokich temperaturach i innych specjalnych zastosowaniach. Typowa instalacja filtra składa się z kilku modułów filtra ustawionych równolegle. Moduł pokazano na Rys. 4.6. Jednym z najbardziej atrakcyjnych aspektów filtra żwirowego jest jego zdolność do wytrzymywania wysokiej temperatury.
Wykorzystuje się żwiry znajdujące się w naturalnej formacji. Wybór zależy od temperatury gazu wpływającego. Żwir kwarcowy może wytrzymać temperaturę roboczą zbliżoną do 800 ° C. Jednak rzeczywiste ograniczenie temperatury roboczej filtra żwirowego zależy od materiału konstrukcyjnego użytego do jego budowy. Ruchome części filtra żwirowego to zawór zwrotny i mechanizm zgarniający.
Ponieważ są one obsługiwane z przerwami, zużycie tych części jest niskie. Dolna część filtra działa jak separator cyklonowy. Podczas operacji czyszczenia powietrze lub inny gaz może przepływać w przeciwnym kierunku, a mechanizm zgarniający jest włączony. Wyparte cząstki kurzu zbierają się w leja poniżej. Nagromadzone cząstki pyłu są od czasu do czasu usuwane z leja zasypowego. Spadek ciśnienia na żwirze może wynosić od 120 cm wody.
Filtr tkaninowy:
Niektóre materiały włókniste, takie jak papier i włóknista mata są trudne do czyszczenia i ponownego użycia, a zatem te są zazwyczaj usuwane po użyciu. Nie nadają się one do czyszczenia gazów przemysłowych. Materiały włókniste, podobne do tkanin i filcu, są szeroko stosowane do odzyskiwania cennych materiałów z przemysłowych gazów odlotowych, a także do sprawdzania zanieczyszczenia powietrza.
Filtr tkaninowy znany również jako filtr workowy wykorzystuje rury (wykonane z tkaniny) otwarte na jednym końcu i zamknięte z drugiej jako medium filtrujące. Kilka rur jest zawieszonych pionowo w obudowie z ramy drucianej, a otwarte końce znajdują się u dołu. Pyłowy gaz dostaje się do obudowy w pobliżu jej dna i przesuwa się po rurach przez ich otwarte końce.
Czysty gaz wypływa przez cylindryczne powierzchnie rur, podczas gdy cząsteczki kurzu są zatrzymywane wewnątrz. Odpowiedni mechanizm jest wbudowany w obudowę w celu usuwania (odkuwania) nagromadzonych cząstek pyłu od czasu do czasu. Operację czyszczenia można przeprowadzić w trybie online lub offline.
Obróbka wstępna:
Zastosowane tkaniny nie wytrzymują wysokiej temperatury. W związku z tym konieczne jest schłodzenie wchodzącego gazu, aby obniżyć jego temperaturę poniżej zalecanej maksymalnej temperatury roboczej wybranej tkaniny. Należy pamiętać, że wchodzący gaz powinien znajdować się w granicach 30 ° - 60 ° C powyżej punktu rosy, ponieważ w przeciwnym razie może dojść do kondensacji pary wodnej na powierzchni worka. Kondensacja powodowałaby przywieranie wilgotnych stałych cząstek do ośrodka filtrującego, co utrudniałoby czyszczenie.
Aby zmniejszyć obciążenie filtru tkaninowego, lepiej jest wstępnie oczyścić wprowadzany gaz za pomocą separatora grawitacyjnego / cyklonowego, aby usunąć cząstki większe niż 20-30 μm, gdy obecne są znaczące ilości.
Mechanizm filtrowania tkaniny:
Pył zawieszony z gazu nośnego jest usuwany przez tkaniny przez przesiewanie, bezpośrednie uderzenie, przechwycenie dzięki sile Van der Waala, dyfuzji Browna i przyciągania elektrostatycznego. Generowanie ładunku elektrostatycznego może być spowodowane tarciem między gazem i tkaninami oraz między cząstkami i materiałami.
Tkane tkaniny są wytwarzane przez tkanie przędzy. Kiedy są nowe, szczeliny między przędzami są dość duże, a niektóre cząstki łatwo wnikają w pory. Niektóre cząstki są zatrzymywane na tkaninie. W trakcie filtracji coraz więcej cząstek kurzu gromadzi się na tkaninie i tym samym tworzy "placek filtracyjny". Ciasto działa teraz jako medium filtrujące i jest bardziej skuteczne niż sama tkanina.
Filcowa tkanina jest wytwarzana przez pchanie kolczastych igieł przez dwie lub więcej warstw tkanej tkaniny, a przez to łączenie ich, a następnie obróbkę zgrubną warstwy powierzchniowej. Wewnętrzna warstwa zapewnia wytrzymałość i stabilność wymiarową, natomiast losowo zorientowane delikatne tkaniny na powierzchni zapewniają wysoką skuteczność zbierania dla małych cząstek.
Materiały tkaninowe:
Worki filtracyjne wykonane są z bawełny, wełny, akrylu, nylonu, poliestru, poliestru, polipropylenu, teflonu i włókna szklanego. Z dziewięciu tkanin o nazwie pierwsze dwa są naturalne, a reszta jest syntetyczna. Przy wyborze tkaniny dla konkretnej sytuacji należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: temperaturę roboczą, kwasowość gazu nośnego / zasadowość, ścierność cząstek, stosunek powietrza do tkaniny i ostatecznie jego koszt. Właściwości wyżej wymienionych tkanin podano w tabeli 4.7.
Czyszczenie filtra:
Okresowe czyszczenie worków filtracyjnych jest niezbędne do utrzymania pożądanego natężenia przepływu gazu. Czyszczenie można osiągnąć przez wyginanie worka, a przez to rozbijanie i usuwanie warstw kurzu lub przez odwrotny przepływ powietrza przez worki lub przez kombinację obu. Mechaniczne wytrząsanie worków przez ich zginanie jest dość skuteczne w usuwaniu pyłu, chyba że cząstki są zbyt głęboko osadzone w tkaninach.
Jednak mechaniczne wytrząsanie powoduje większe zużycie materiału. Tkaniny mogą wytrzymać takie traktowanie. Delikatne tkaniny, takie jak włókno szklane i tkanina filcowa, nie powinny być poddawane mechanicznemu wytrząsaniu. Oczyszczanie powietrza może odbywać się na kilka sposobów, takich jak odwrotny przepływ powietrza, strumień pulsacyjny i pierścień nadmuchowy.
Czyszczenie z odwrotnym przepływem odbywa się poprzez wyjęcie modułu ze strumienia. Wysokociśnieniowe powietrze o niskim ciśnieniu może przepływać przeciwprądowo do normalnego kierunku przepływu. Z powodu odwróconego przepływu następuje zginanie worków, a warstwy pyłu są usuwane. Generatory Sonic są czasami używane do zwiększenia operacji czyszczenia. Ponieważ proces ten nie powoduje dużego obciążenia tkaniny, może być również wygodnie stosowany do delikatnych tkanin.
W czyszczeniu strumieniem impulsów strumień wysokiego ciśnienia (do około 9 kg / cm2) wprowadza się do worka na jego szczycie przez krótki czas (około 0, 1 sekundy lub mniej). Gdy strumień rozszerza się, torba doświadcza wstrząsu i drżenia. Wynikowe czyszczenie jest całkiem dobre. Do czyszczenia wszystkich rodzajów tkanin innych niż bawełna i włókno szklane można użyć czyszczenia strumieniowego. Proces może być używany online lub offline. Odkurzacz impulsowy nie ma ruchomych części.
Środek czyszczący typu "blow ring" wykorzystuje strumień powietrza wydobywający się przez szereg otworów wewnątrz wydrążonego metalowego pierścienia, który ściśle otacza torebkę. Pierścień przesuwa się w górę iw dół na zewnątrz torby za pomocą zmotoryzowanego łańcucha i układu koła łańcuchowego. Powietrze z dmuchawy jest kierowane na pierścień przez elastyczny wąż.
Strumień powietrza uderza w niewielką część torby i popycha tę część do wewnątrz. Placek filtracyjny jest zepsuty i usunięty. Ponieważ podczas tego rodzaju operacji czyszczenia pozostała część torby może nadal działać normalnie, może być przeprowadzana online.
Każdy rodzaj tkaniny, tkany, filcowany lub kruchy może być czyszczony przy użyciu tej techniki, ponieważ nie są one zbytnio napięte. Ten rodzaj czyszczenia nie jest stosowany w dużych instalacjach ze względu na wysokie koszty i skomplikowane maszyny.
System:
Dom workowy składa się zazwyczaj z kilku modułów, przy czym każdy moduł jest niezależną jednostką. W każdym module kilka worków jest odpowiednio podpartych. Średnica worka może wynosić od 7 do 30 cm. Ogólnie jest to około 15 cm. Wysokość torby może wynosić od 0, 75 m do 8 m.
Gaz z pyłem dostaje się do modułu przez kanał wlotowy. Kanały wlotowe różnych modułów są połączone ze wspólnym kolektorem. Bardzo często w kolektorze znajdują się przegrody i dyfuzory, które zapewniają właściwe rozprowadzenie gazu zawierającego pył. Podczas filtracji gaz może przepływać z wewnątrz na zewnątrz torby lub w inny sposób. Czysty gaz może być odprowadzany do atmosfery bezpośrednio z modułu lub kanału do innego wspólnego kolektora w celu dalszej obróbki.
Każdy moduł jest wyposażony w odpowiedni gadżet do czyszczenia worków, mechaniczny lub pneumatyczny, jak omówiono wcześniej. Każdy moduł miałby pojemnik do odbierania pyłu usuwanego podczas operacji czyszczenia. Każdy zasobnik z kolei jest wyposażony w urządzenie do rozładowywania pyłu, takie jak podwójny zawór odcinający lub obrotowy zamek powietrzny.
Nawet niepalne pyły mogą być wybuchowe, a zatem każdy moduł jest wyposażony w urządzenia / urządzenia ochronne, takie jak przeciwwybuchowe łączniki elektryczne, odpowietrznik wybuchowy (drzwi eksplozji / panel z zawiasami) i tryskacze, aby zająć się sytuacją awaryjną. Dostarczone są drzwi do wymiany uszkodzonych worków i innych prac konserwacyjnych. Rysunek 4.7 pokazuje schematyczny diagram modułu filtra workowego.
Dobór filtra workowego:
Aby oszacować łączną powierzchnię tkaniny (netto) wymagane są następujące podstawowe informacje:
Natężenie przepływu gazu wm 3 / min;
Zawartość wilgoci w gazie, w% R.H;
Temperatura gazu, w ° C;
Ładunek cząsteczkowy, wg / m 3 gazu nośnego,
Rozkład wielkości cząstek w μm;
Zawartość SO 2 (jeśli występuje), w ppm;
Cząsteczkowa (stała) gęstość, wg / cm3;
Kwasowość / alkaliczność gazu.
W oparciu o powyższe informacje należy wybrać odpowiednią tkaninę i jej rodzaj, tj. Tkany / filcowany. Zgodnie z wybraną tkaniną i jej typem należy również wybrać metodę czyszczenia. Następnie określa się szybkość filtrowania wyrażoną jako stosunek powietrze / szmatkę (A / C), wykorzystując dane podane w tabeli 4.8. Stosunek powietrza do tkaniny zależy od składu cząstek pyłu, metody czyszczenia, które należy zastosować, a także od tego, czy wybrano tkaninę / tkaninę filcową.
Stosunek powietrza do tkaniny powinien być wybrany zgodnie z wytycznymi producenta. Zwykle przyjmuje się niższą wartość tkaniny tkanej i większą wartość tkaniny filcowej.
Natężenie przepływu gazu Q, w m 3 gazu / min i współczynnik F w zakresie od 1, 04 do 2.
1.04 Za bardzo dużą wartość netto A i 2 za małą wartość netto .
Wydajność domu w worku i spadek ciśnienia :
Wydajność domu workowego zależy od wielkości cząstek pyłu, obciążenia cząstkami, stosowanej tkaniny i zastosowanej metody czyszczenia. Prawidłowo zaprojektowana jednostka może mieć wydajność 99% lub więcej w przypadku cząstek większych niż 1 μm. Spadek ciśnienia jest zwykle rzędu od 7, 5 do 15 cm wody.
Urządzenie nr 5. Wyparka elektrostatyczna (ESP):
Spośród różnych typów separatorów suchych cząstek elektrofiltry są najbardziej wydajne. Proces polega zasadniczo na przepuszczaniu gazu z pyłem przez przewód, w którym utrzymywane jest pole prądu stałego o wysokim napięciu. Cząsteczki kurzu zostają naładowane i osadzają się na uziemionej (elektrycznie) powierzchni kanału, podczas gdy czysty gaz wypływa z przewodu. Przewód może być poziomy (utworzony z dwóch równoległych płytek zwróconych do siebie i zamknięty od góry) lub pionowy (rura).
Typ poziomy ESP jest bardziej powszechny. Dokładnie w połowie drogi pomiędzy dwiema płytkami kilka metalowych kawałków (paski przewodów) są zawieszone. Służą one jako elektrody wyładowcze i płyty jako kolektory. W przypadku pionowej rury drut zawieszony pionowo wzdłuż linii środkowej służy jako elektroda wyładowcza, a wewnętrzna powierzchnia rury działa jako kolektor. Zebrane cząsteczki kurzu są okresowo usuwane przez uderzanie, wibrowanie lub mycie powierzchni kolektora.
W przypadku zbierania na sucho gromadzenie się pyłu na kolektorze może wynosić do około 6 mm lub więcej, a następnie silnie uderzać w pułapkę, tak aby kurz był usuwany jako duże grudki, które nie zostałyby ponownie uniesione. Słabsze i częste stukanie wytworzyłoby płatki zbutwiałego pyłu, które można łatwo ponownie przenieść. Mokry odbiór pyłu można osiągnąć przez natryskiwanie wody w sposób przerywany lub ciągły na kolektor lub za pomocą układu przelewowego. Elektrody wyładowcze muszą również być czyszczone przez stukanie ich w odstępach.
Siła pola i elektrody:
Wytrzymałość pola około 3 do 6 kV / cm (dc) jest zwykle wykorzystywana za pomocą transformatorów połączonych z prostownikami krzemowymi i automatycznymi regulatorami napięcia. Ze względu na wysoką siłę pola zachodzą wyładowania koronowe, które wytwarzają elektrony o wysokiej prędkości.
Negatywna wyładowania koronowe (korona na przewodzie ujemnym) jest bardziej skuteczna, ponieważ jest bardziej stabilna i wydajna. Dla efektywnego działania optymalna szybkość iskrzenia wynosi 50-100 iskier na minutę. Impulsowa stymulacja ESP w odstępach milionowych lub mikrosekundowych poprawia wydajność zbierania i zmniejsza zużycie energii.
W niektórych projektach średnica elektrody wyładowczej wynosi około 3 mm, w innych jest duża. Elektrody wyładowcze o nieregularnym kształcie, mające spiczaste występy, wytwarzają lokalne pole o wysokiej intensywności i inicjują wyładowania koronowe. Druty kwadratowe, trójkątne i kolczaste są czasami używane jako elektrody wyładowcze. Niektórzy producenci zamiast drutów używają metalowych pasków. Płytki kolektorów mogą mieć płetwy / przegrody, aby zapobiec ponownemu uwięzieniu usuniętych cząstek pyłu i nadać im wytrzymałość mechaniczną.
Oporność cząstkowa i obudowa ESP:
Cząstki o niskiej rezystywności elektrycznej (10 4 -10 7 om-cm) mają tendencję do łatwego tracenia ładunku, opuszczania płytki i ponownego wchłaniania. Cząstki o wysokiej rezystywności (10 11 -10 13 om-cm) mają tendencję do przywierania do płyty kolektora i izolowania go. Gaz zawierający pył zawierający pył wysokiej rezystywności może być kondycjonowany przez dodanie do strumienia gazu NH3, SO2, pary itd.
Ciśnienie robocze ESP może mieścić się w zakresie od niewielkiej próżni do ciśnienia około 10 atm i temperatury aż do 600 ° C. ESP jest umieszczony w gazoszczelnej obudowie wykonanej ze stali lub betonu. Jednakże, jeśli to konieczne, z punktu widzenia korozji obudowa może być wyłożona ołowiem lub tworzywem sztucznym. Po zakończeniu czyszczenia wodą kolektora, wraz z cząsteczkami pyłu usuwa się również mgłę i niektóre rozpuszczalne gazy.
W konkretnej sytuacji można wybrać kombinację wymienionych poniżej alternatyw dla budowy / działania ESP:
(i) Opady suche / mokre,
(ii) Poziomy / pionowy przepływ gazu,
(iii) typu płyty jedno / segmentowej i
(iv) działanie pod ciśnieniem / podciśnieniem,
Mechanizm ESP:
Ze względu na dużą różnicę napięcia między centralną elektrodą wyładowczą a kolektorem uziomowym następuje wyładowanie koronowe. Podczas wyładowań koronowych wydzielają się elektrony i przyspieszają do dużych prędkości. Takie elektrony po uderzeniu cząsteczkami gazu, takimi jak O2, jonizują je i uwalniają elektrony, które kontynuują proces jonizacji gazowej.
Jony gazowe następnie ładują zawieszone cząstki kurzu w ich sąsiedztwie albo przez kolizję (bombardowanie), albo przez dyfuzję. Cząstki większe niż 1 μm są na ogół ładowane przez kolizję, podczas gdy drobniejsze cząstki są ładowane przez dyfuzję. Naładowane cząstki migrują następnie do kolektora gruntowego i oddają ładunki. W przypadku suchych kolektorów może wystąpić pewne ponowne porywanie cząstek. W przypadku kolektorów mokrych, ponowne porywanie jest praktycznie nieobecne.
Natężenie pola jest utrzymywane tak, że częstotliwość iskrzenia jest ograniczona. Podczas iskrzenia dochodzi do chwilowego spadku napięcia, co powoduje zapadanie się pola elektrostatycznego i w konsekwencji zatrzymanie zbierania kurzu. Nadmierne iskrzenie oznacza utratę mocy wejściowej w prądzie iskrowym. W ESP cząstka jest poddawana działaniu siły grawitacji, siły oporu i siły pola elektrycznego. Siła pola przyciągnie cząsteczkę do kolektora, podczas gdy siła oporu przeciwstawi się jej ruchowi w kierunku kolektora.
Siła wypadkowa powodowałaby migrację cząstki w kierunku kolektora z pewną prędkością, która jest określana jako "prędkość dryfu". Wielkość prędkości dryfu cząstki zależy od czynników, takich jak tryb ładowania cząstek, wielkości cząstek, prędkości gazu, natężenia pola i rezystywności cząstek itp.
Prędkość dryfu cząstek naładowanych przez bombardowanie można obliczyć za pomocą zależności
U p, dp = 3, 694 10 -6 E 2 p dp / μ (4.29)
Jednakże, jeżeli ładowanie odbywa się przez dyfuzję, prędkość dryftu może być przybliżona jako
U p, dp = 3-097 x 10 -4 K m E / μ
gdzie, U p dp = prędkość dryftu cząstek o średnicy dp, wm / s.
Typowe dane prędkości dryftu niektórych konkretnych cząstek są wymienione w Tabeli 4.9.
Należy tutaj podkreślić, że dla celów projektowych producenci ESP wykorzystują swoje doświadczenie terenowe zamiast polegać na danych prędkości dryftu obliczonych na podstawie równania. (4.29) i (4.30).
Obróbka wstępna:
Aby zmniejszyć obciążenie pyłem na ESP, strumień gazu wpływającego może być wstępnie uzdatniony w osadniku grawitacyjnym lub separatorze odśrodkowym (cyklonie). W przypadku suchego ESP gaz wpływający powinien mieć temperaturę, powiedzmy 25 ° -50 ° C powyżej punktu rosy, a zatem, jeśli jest to wymagane, gaz powinien być wstępnie podgrzany.
Wydajność zbierania ESP:
Schemat równoległego ustawienia płyty pokazano na rys. 4.8.
Gaz nośny z pyłem przenoszącym zawieszone cząstki o różnych rozmiarach przepływa między dwiema równoległymi płytkami z liniową prędkością U w poziomie. Cząstki po wejściu do kanału zostają naładowane i przesuwają się w kierunku płytek kolektora przy ich odpowiednich prędkościach dryfu.
Przeanalizujmy progresywne zmiany stężenia cząstek (o średnicy dpi), gdy gaz nośny przesuwa się od końca wejściowego do końca wyjściowego. Bilans materiałowy na długości elementarnej dL daje równanie. (4.31)
gdzie H = wysokość tablicy,
L I = Długość płyty,
2 S = odstęp talerzykowy,
U p dpj = Prędkość dryfu cząstek o średnicy dpi
U = pozioma prędkość gazu dokładna ESP,
A = powierzchnia kolektora dwóch płyt = 2 L 1 H
q = objętościowe natężenie przepływu gazu przez kanał między dwiema płytami = Q / n,
n = liczba kanałów,
Q = Całkowite natężenie przepływu objętościowego gazu.
Wyrażenie wydajności zbierania (usuwania) takiej jednostki dla cząstek o średnicy dpi można uzyskać przez przestawienie równania Eq. (4.32).
Though Eq. (4.33) is derived for a pair of parallel plates it is also valid for a tubular collector.
It has been reported that the experimental collection efficiency data fits Eq. (4.34) better than the theoretically derived Eq. (4.33).
Where the numerical value of m ranges between 0.4 to 0.7. The value of m may be approximated as 0.5
If it is desired to remove all the particles of a specific size dpi from a dust laden gas stream, then minimum length of a parallel plate collector (L dpj ) should be equal to SU/U p dpj so that the particles which are at the mid-plane between the plates at the entrance would be able to reach the plates before the carrier gas sweeps them away out of the channel.
Under this condition those particles having drift velocities greater than U p dpj would also be completely removed but those having lower drift velocities would be partially removed.
It is to be noted here that the particles take some time to get charged and acquire their drift velocities after entering a channel. The charging time 't c ' is about 0.3 sec. Hence the required minimum collector length for 100% removal of particles having a diameter dpi is
L dpi, (100%) = SU/U p.dpi + U× t c .
ESP Design Approach:
For estimating the dimensions of an ESP (L, H, S, and the number of parallel channels, n) the basic information required are particle size and mass distribution data, total volumetric gas-flow rate and the desired overall removal efficiency.
Based on these an ESP may be sized through the following steps:
Krok I:
A specific particle size dpi is chosen whose complete removal is desired.
Krok II:
Influent gas velocity (U), plate spacing (25), plate height (H) and field strength (E) are assumed.
Krok III:
The drift velocities of the dust particles are estimated using Eqs. (4.29) and (4.30).
Krok IV:
L dpj is calculated using Eqs. (4.33) and (4.35), whichever is larger should be accepted.
Krok V:
The removal efficiencies of the dust particles having a diameter other than dpi are estimated using Eq. (4.34).
Krok VI:
The overall collection efficiency of the proposed ESP is estimated using Eq. (4.10).
N overall = Σm dpi × n dpi /Σm dpi
If the estimated overall efficiency does not match the desired efficiency, then some of the parameters listed in step II are changed and the steps III, IV, V and VI are reworked till the estimated overall removal efficiency matches the desired one.
The ratio of the effective length to the effective height of an ESP is referred to as the Aspect Ratio (AR). It generally ranges between 0.5 to 2. For 99.5 + % removal efficiency the AR should be greater than 2.
The number of parallel channels in a module is estimated using the relation,
n = Q/q, (4.36)
where Q is the total volumetric gas-flow rate.
ESP Performance:
An ESP is used to remove particles ranging in size from 300 (am to 1pm and the overall removal efficiency may be as high as 99.9%. Since the efficiency is a logarithmic function of the collector area, the area required for 99 % collection is about twice that required for 90% collection. The efficiency may be more than 99% for particles larger than 2 pm. The pressure loss is less than 2.5 cm of water. Power consumption is about 75-750 kW per 10, 000 Nm 3 /min gas-flow rate.
The actual performance of an ESP may be poorer than the calculated one because of re-entrainment, improper electrical setting, badly adjusted rapper, excessive dust build-up, channeling of gas, high electrical resistivity, low SO 2 content of the carrier gas. Sectionalized units have higher efficiency.
Normally an ESP operates in the particle resistivity range of 10 4 -10 12 ohm-cm. For resistivity less than 10 4 the particles lose their charge easily and hence are not collected. For resistivity more than 5 x 10 10 particles are held rigidly to the collector. Strong rapping required for dislodging such particles results in re-entrainment.
Advantages and Disadvantages of an ESP :
Zalety:
1. Low pressure drop (draft loss),
2. Can handle gas at high temperature and pressure,
3. High collection efficiency even for small particles < 0.1 µm,
4. Variation of gas-flow rate and dust loading do not affect the efficiency much,
5. Can be operated both in dry and wet conditions,
6. Can handle corrosive gases,
7. Maintenance cost is low as there are fewer moving parts,
8. Low operating cost compared to other high efficiency dust removal systems.
Niedogodności:
1. Initial cost is high,
2. More space is required,
3. It is not suitable for combustible dust and or gases,
4. Actual removal efficiency may be low if not operated properly,
5. Conditioning agents may be required for resistive particles.
In Table 4.10 the normal range of variation of the parameters of plate type commercial ESPs are listed.
Table 4.10 : Normal Range of Variation of Parameter Values of Plate Type Commercial ESPs
Example 4.3:
Design a suitable parallel plate electrostatic precipitator (ESP) for 99.5 percent removal of particles having a diameter 20 µm from a carrier gas (air) flowing at the rate of 30, 000 m 3 /hour at 30 °C.
Following data may be used for design purpose:
Rozwiązanie:
Since U p dpi is given it is not necessary to calculate the same using either Eq. (4.29) or Eq. (4.30). From Eq (4. 33).
Device # 6. Scrubbers:
Scrubbers are widely used in industries for removal of dust particles, suspended liquid droplets and also for absorption of gaseous pollutants from effluent gas streams. In a scrubber a gas stream is brought in contact with a liquid stream (generally water) either in the form of a spray or a pool as a result of which the suspended particles are collected in the liquid stream and thereby form a slurry.
The treated gas saturated with water vapour and containing some water droplets comes out of the scrubber. The slurry often needs further treatment before its final disposal. In dry cleaners discussed earlier one does not encounter this problem.
In a scrubber the mechanism of collection of larger particles (dp > 0.3 pm) is predominantly interception and impingement, leading to agglomeration of particles. The finer particles (dp < 0.3pm) are mainly collected due to diffusion. If a gas stream cools down below its dew point coming in contact with the scrubbing liquid then the process of dust collection gets boosted.
One finds such a wide variety of industrial scrubbers that it becomes very difficult to classify them properly. All conceivable means of contacting gas and liquid streams have been and are being employed. A classification based on scrubber internals and scrubber liquid flow pattern is given in Table 4.11.
Scrubbers are also classified as 'low Energy' and 'high energy' type as listed below:
Some of the scrubbers listed in Table 4.11 are described hereunder. Their performance and other relevant data are tabulated in Table 4.12.
1. Plate Columns:
Sieve Plate:
In sieve plate columns the flow is countercurrent. The scrubbing liquid enters at the top and flows down. The gas enters near the bottom and flows up. Water flows over plates forming a pool about 2.5 cm deep on each plate. The dust-laden gas enters a plate through its perforations and bubbles through the liquid pool on it.
The mechanism of dust collection is interception and impingement. The pressure drop across such a column depends on the number of plates employed and the depth of liquid on each plate. The collection efficiency depends on the number of plates in a column, perforation diameter and gas velocity. It may be 90% or more for particle size 5 µm and larger.
Bubble Cap and Baffle Plate Column:
These scrubbers are vertical towers with one or more perforated plates mounted horizontally inside like the sieve plate columns. The difference lies in the fact that at a short distance above each perforation on a plate a cap or a baffle is placed submerged in the liquid pool on the plate. Because of impingement on the obstruction and subsequent change in direction of the flowing gas the collection efficiency is higher than that of a sieve plate column.
The efficiency increases as the holes diameter decreases. Decrease of gas velocity also increases the efficiency. The efficiency decreases with the decrease in the particle size. Because of improper removal of the collected particles from plates scaling and plugging of the perforations may take place.
2. Packed Scrubbers:
A packed bed scrubber is also a vertical tower in which the dirty gas generally enters at the bottom and flows up through a bed of pickings resting on a packing support. The scrubbing liquid is introduced at the top and is distributed throughout the cross section of the tower. As the gas flows up through the tortuous channels in between the pickings it comes in contact with wet packing surfaces where the particles are arrested due to inertial interception and impingement.
Packed scrubbers are of two types: fixed bed type and floating bed type.
A fixed bed may be either countercurrent or concurrent type. In a concurrent type both gas and liquid enter at the top. In a fixed bed the pickings are heavy and they rest on a packing support. Fixed beds are susceptible to choking at high dust load and low void age.
In floating type packed beds plastic balls made of polyethylene, polypropylene or other thermo plastic materials are generally used as they are resistant to corrosion and lighter than water. The packing's are confined between two perforated horizontal plates. The distance between the plates is normally about 0.5 m. A floating type bed is countercurrent type.
The gas enters at the bottom at a velocity of about 2 to 4 m/s. At low velocities the packing's form a fixed bed on the lower support plate, while at high gas velocities the packing's form a fixed bed below the restraining upper plate. At an intermediate velocity the packing would be floating and in turbulent motion.
For treatment of gases containing corrosive constituents FRP (glass fiber reinforced plastic) may be used for construction of such columns instead of rubber or plastic lined steel or such other materials. Collection efficiency increases as smaller packing's are used since they provide more surface area per unit packed volume. Use of smaller size packing would result in higher-pressure drop.
3. Fiber Bed:
A bed made of knitted plastic, fiber glass, metal wire or meshed fiber is used as a filter. Such a bed has a void percentage around 97-99%. The bed is kept wet and it is flushed with the scrubbing liquid. This helps in collecting particles and removing the collected particles in the form of a slurry.
Collection of particles due to impaction improves as fiber diameter decrease and gas velocity increases, whereas collection by diffusion increases as gas velocity decreases. The wire/fiber diameter should be small for efficient operation but must be able to provide sufficient mechanical strength so as to support its weight along with those of the collected particles and retained liquid.
4. Spray Contactors:
In these scrubbers a dust-laden gas is brought into contact with atomized liquid droplets. Atomization may be achieved by forcing the scrubbing liquid through nozzles or it may be induced by allowing the gas to flow at a high velocity (60-120 m/s) through a venturi or an orifice type device.
The liquid droplets collect the solid particles by inertial impaction and impingement. The removal efficiency is dependent on the particle size, liquid drop size, gas velocity and liquid to gas ratio. The dust laden droplets are separated from the gas by using gravity settlers or packed beds or cyclone type devices.
In spray scrubbers, where liquid droplets are removed by gravity settling the cut size is around 2 pm and the optimum droplet diameters for fine particle collection is 100 to 500 pm. For cut size around 0.7 pm high velocity sprays are more efficient. The liquid to gas ratio in spray scrubbers is in the range of 4000-14000 lit/1000 Nm 3 . Centrifugal Scrubber can recover particles smaller than those recovered by spray scrubbers. The cut diameter is between 2 to 3 pm. The collection efficiency is 97% or more for particles > 1 µm.
Venturi Scrubber :
Venturi Scrubbers are high efficiency wet scrubbers where particles even finer than 2 pm are effectively removed. These are as efficient as ESPs and fabric filters. Initial cost of a venturi scrubber is less than that of an ESP or a bag house, however the operating cost is high. If the particles to be removed are sticky/flammable/corrosive, a venturi scrubber is a better choice over an ESP or a bag house.
A venturi scrubber is basically a convergent-divergent duct with a throat where the cross section is the minimum. It may have a cylindrical or rectangular cross section. The gas enters the convergent section and the scrubbing liquid may be introduced either at the entrance of the convergent section or at the throat in the form of a spray.
When the gas and liquid droplets pass through the throat at a high velocity the particles are collected in the liquid droplets due to interception, impingement and diffusion. The collection efficiency increases as the throat length is increased with consequent increase in pressure drop. The optimum ratio of throat length to diameter is 3: 1.
The particle laden liquid droplets as they come out of the divergent sections are separated from the gas in a cyclone or a mist eliminator. When the influent gas is hot, the scrubbing liquid is introduced at the section where the convergent section starts, but when the gas temperature is not high or it is almost saturated with moisture the liquid is introduced at the throat.
The gas velocity at the throat ranges between 50-180 m/s at which it is most efficient. When the gas flow rate is high a rectangular venturi is used. The liquid to gas ratio normally ranges between 900-1400 lit/1000m 3 . A liquid flow rate of 400 lit/1000 m 3 is insufficient to cover the throat. The collection efficiency does not improve much beyond a liquid flow rate of 1400 lit/1000 m 3 . The converging angle is generally 25°- 28° and the diverging angle is 6°- 7°.
The pressure drop AP, across a venturi scrubber may be calculated using the relation,
∆P=1x 10 -5 V 2 L (4.37)
where, ∆P is in cm of water gauge, V= gas velocity at the throat, in m/s, and L = liquid flow rate in lit/1000 m 3 . At a liquid rate of 650 lit/1000 m 3 the ∆P calculated using Eq. (4.37) is quite accurate, but at a liquid rate of 1600 lit/1000 m 3 the calculated ∆P is higher than the actual.
Impingement and Entrainment Scrubbers :
In such scrubbers the gas to be scrubbed is passed through a trap partly or completely filled with water. The suspended particles are arrested by inertial impaction. The treated gas entrains some water droplets, which also help in removing some of the suspended particles.
Mechanically Aided Scrubbers:
This type of scrubbers use a motor driven device to bring about intimate contact between a dirty gas and liquid droplets. The motor driven device is often a fan, which moves the gas. The scrubbing liquid is introduced as a spray at the hub of the fan. The finer droplets move with the gas. The larger droplets hit the fan blades and wash the deposited particles. While leaving the blades at their tips the liquid gets atomized.
The dust-laden droplets are separated from the gas with the help of a suitable device. For producing liquid droplets (spray) the rotor may be partially submerged or Water may be injected between the rotor and stator. Such devices may experience high erosion, abrasion and Corrosion
In Table 4.12 the performance and other related information about some types of scrubbers are listed.
It is to be noted here that a scrubbed gas stream would invariably contain liquid droplets and its temperature would not be much higher than that of the influent scrubbing liquid. Hence the treated gas stream has to be freed from liquid droplets and mists and then reheated before purging the same to the atmosphere through a stack.
Additional Information:
Removal of Liquid Droplets and Mists:
The mechanisms by which suspended liquid droplets and mists may be removed are similar to those for solid particle removal. Removal of suspended liquid droplets is somewhat easier than that of solid particles. Liquid droplets coalesces easily on interception and drain off. Unlike solid particles, liquid droplets once separated are not re-entrained easily. Some of the devices, which are used, for removal of solid particles may also be used for removal of suspended liquid droplets.
The following types of devices are commonly employed for removal of gas-borne liquid droplets:
(a) Packed beds,
(b) Cyclones,
(c) Baffle system,
(d) ESP,
(e) Filter.
Packed beds and cyclones do not need any scrubbing liquid for arresting liquid droplets. Draining of collected liquid from an ESP collector surface occurs due to gravity and does not require any hammering. A special type of filter media is a pad made of knitted wire or fibrous mesh occupying the entire cross section of a vertical tower. It is very often used for filtering liquid droplets and mists. Such pads made of 0.3 to 1.5 mm diameter wire or fibre has high void volume and causes low pressure drop even at high gas velocities.
These devices are termed as 'mist eliminators' or 'demisters'. Very fine wires or fibres are not used for fabricating the pads and the pads are not densely packed as that would cause retention of more liquid and thereby finally block the flow channels.
The optimum gas velocity for such filters may be calculated using the relation
The numerical value of K in a given situation depends on factors like liquid density, liquid viscosity, surface tension, droplet size, etc.
Cooling and Condensation:
After removal of suspended solid particles from a gas stream using any device other than a scrubber it becomes necessary to cool the stream when any one of the following methods is to be employed for removal of the gaseous pollutants:
(i) Condensation of a vapour,
(ii) Absorption of gaseous pollutant (s),
(iii) Adsorption of gaseous pollutant (s),
(iv) Chemical reactions other than incineration.
Cooling of a gas stream may be carried out using either a direct contact heat exchanger or a surface (indirect contact) exchanger. In a direct contact exchanger a gas stream is brought into intimate contact with a large quantity of a liquid (generally water) at a temperature lower than the dew point of the gas..
The contacting equipment may be similar to any one of the wet scrubbers described earlier. As a result of heat exchange between the gas and the liquid, the gas stream may be cooled to the desired temperature and condensable vapour present, if any, may get condensed. This type of exchanger may be used when the condensable vapour is not having any economic value. The coolant temperature would rise during the process. Its rate may be calculated using Eq. (4.39) obtained by heat balancing.
If the gas is not cooled below its dew point then the gas would pick up some vapour (of the coolant) during the process. In such a situation the coolant rate may be calculated using Eq. (4.39a).
Indirect contact (surface) exchangers are generally shell and tube type. The tubes may be with or without fins. Of the two fluids (hot gas and coolant) one would flow through the tubes and the other would flow outside the tubes. The coolant may be either air or some other fluid depending upon whether the exchanger will act as a cooler or a cooler-cum-condenser. In Table 4.13 some guidelines for coolant selection and its inlet temperature are given.
Indirect Contact Exchanger Design Approach:
The basic design equation for a shell and tube heat exchanger is
Eq. [4.40] is applicable when cooling is accompanied by condensation of vapour. When there is no condensation the term Σʎ(y 1i – y 2i ) will be equal to zero. The symbols L, C pl, T L1 and T L2 refer to the coolant stream flow rate, specific heat of liquid, inlet and outlet temperatures.
Where q = rate of heat transfer,
U h = overall heat transfer coefficient,
A h = Heat transfer area, and
∆tm = mean temperature difference, a function of T L1, T L2, T g1 and T g2 .
The actual expression for evaluation of ∆tm depends on the flow arrangement of the fluids in an exchanger.
Figure 4.10 shows a sketch of a shell and tube type cooler-condenser.
The overall heat transfer co-efficient, U h, can be evaluated by combining the individual co-efficient using Eq. (4.41).
Typical values of the above named parameters are listed in Table 4.14.
For evaluation of U h in a specific situation the individual coefficient should be estimated using information and correlations available in standard books on Heat Transfer.
