Процессы коагуляции аэрозолей
Явление слияния дисперсных частиц носит название коагуляции. В процессе коагуляции частиц можно выделить ряд основных этапов [22]:- сближение частиц;
- осаждение одних частиц на другие, или образование агрегатов;
- упрочнение образовавшихся агрегатов, или слипаемость частиц;
- осаждение агрегатов
гидродинамическое взаимодействие и т.д.). В соответствии с этими причинами, коагуляция носит различные названия: броуновская, градиентная, коагуляция в турбулентном потоке и пр. Эти факторы, определяющие начало коагуляции, влияют также на все последующие этапы процесса. Так, коэффициент инерционного осаждения частиц различен в случаях ламинарного и турбулентного потоков. Поляризующее действие электрического поля приведет к изменению эффективности соударения частиц. Одним из видов коагуляции является УЗ коагуляция. Существуют два подхода к рассмотрению вопроса об этом виде коагуляции аэрозолей.
Первый подход – рассмотрение различных воздействий УЗ поля на аэрозольные частицы и оценка этих воздействий с точки зрения ускорения процесса. Причем в зависимости от наиболее интенсифицирующего воздействия принимается та или иная гипотеза о механизме процесса. Второй подход заключается в выяснении роли УЗ поля в протекании всех названных стадий коагуляции. Этот подход позволяет определять, за счет чего происходит сближение частиц в звуковом поле, каков в этом случае коэффициент захвата частиц, влияет ли поле на прочность образующихся агрегатов и что способствует осаждению агрегатов.
В настоящее время не существует единой теории УЗ коагуляции аэрозолей. Наиболее известной является теория, разработанная под руководством Л.Д. Розенберга [3]. Смысл этой теории в том, что образование агрегатов в УЗ поле происходит в результате взаимодействия частиц, вызванного акустическими течениями, возникающими вокруг частиц в УЗ поле. Работы по исследованию закономерностей процесса коагуляции аэрозолей и выявлению оптимальных условий протекания процесса легли в основу создания промышленных установок для газоочистки. И хотя теория этого процесса еще полностью не разработана, акустическая коагуляция аэрозолей довольно широко применяется в промышленности. Так, в США основные работы по созданию таких установок проводилась фирмой Ultrasonic Corporation. Впервые акустический метод использовался для очистки газов доменных печей и осаждения других аэрозолей [22]. Установка коагуляции серной кислоты была построена в Нью-Джерси. Использовался звук частотой 2,25 кГц с интенсивностью 150 дБ. Время озвучивания аэрозоля с частицами радиусом от 0,25 до 2,5 мкм составляло 4 с, причем некоторая часть тумана оставалась на стенках башни, а часть осаждалась в циклоне. В настоящее время акустическая коагуляция находит все более широкое применение, ибо позволяет осаждать высокодисперсные аэрозоли, улавливание которых обычными аппаратами сопряжено со значительными трудностями, а иногда вообще невозможно. Развитие технологии сдерживается практически полным отсутствием оборудования для создания УЗ колебаний высокой интенсивности в газовых средах.
Как известно, многие химические процессы связаны с выбросом в атмосферу значительного количества ценных для производства и вредных для окружающей среды продуктов. Как правило, эти продукты находятся в отходящих газах в виде аэрозольных частиц (дым, туман), трудно улавливаемых в обычных аппаратах, использующих действие силы тяжести, инерции и центробежные силы. Очистке газов, содержащих частицы размером 1 - 3 мкм (сажа, сернокислый туман), уделяется особое внимание.
Проведенные исследования по воздействию на такие среды УЗ колебаний позволили установить, что они интенсифицируют процесс коагуляции и упрощают очистку газов. Механизм коагуляции до конца не ясен, но очевидно, что основное значение имеет радиационное давление, обеспечивающее интенсивное движение частиц в УЗ поле.
Рассмотрим процесс коагуляции (Рисунок 6.3).
Рисунок 6.3 – Схема процесса коагуляции
Механизмы коагуляции:
- Радиационное давление на твердые частицы в газовой среде заставляет их двигаться в точки УЗ стоячей волны, соответствующие пучностям. Для наглядности представьте, что туман был распределен равномерно в некотором объеме - трубе. После возбуждения УЗ колебаний твердые частицы скапливаются в точках с минимальным давлением и могут быть оттуда легко удалены.
- На процесс коагуляции влияет броуновское движение частиц. Если они совершают броуновское движение, то вероятность объединения повышается.
- На процесс объединения дополнительно влияют акустические течения и виброускорения.
- Требования к аппаратуре для коагуляции:
- Процесс идет эффективно при интенсивностях не ниже 140 - 150 дБ.
- Скорость потоков не должна создавать сил, достаточных для разрыва соединившихся частиц.
- При слишком низкой концентрации коагуляция слаба из-за малого числа соударений.
- Слишком высокая концентрация требует повышения интенсивности УЗ колебаний из-за сильного их затухания.
- Учитывая, что скорость коагуляции зависит от размера частиц (крупные - быстрее), необходимо проводить процесс в несколько стадий, повышая рабочую частоту.
- После предварительной очистки, когда число частиц значительно уменьшится, необходимо добавлять нейтральную аэрозоль для увеличения числа соударений.
Основные части установок (Рисунок 6.4): источник УЗ колебаний (сирена) и коагуляционная камера - колонна. Для примера рассмотрим установку для получения сажи из природного газа, сжигаемого с добавлением жидкого топлива.
Рисунок 6.4 – Схема установки промышленной коагуляцииЧерез башню, в верхней части которой установлена колонна, проходит 50 - 60 м3 газа в минуту.
f = 35 кГц; J = 10 Вт/м2 (160 дБ).
Коагулирует 90 % содержащихся в газе частиц сажи. Аналогичные установки используются для улавливания частиц тумана серной кислоты. Они имеют следующие характеристики:
Расход газа - 11,4 м3/сек при 52°С,
J=150 дБ, f=2,25 кГц. Размер частиц - от 0,5 до 5,0 мкм.
Газы вводятся тангенциально в нижнюю часть цилиндрической коагуляционной колонны диаметром 2,4 м и высотой 10,5 м. Улавливается 90% серной кислоты, половина на внутренних стенках колонны, вторая половина - на дополнительных циклонах. Разработанная и используемая в нашей стране в 60-е годы установка позволяла снизить до 0,07 г/м3 уход серной кислоты в атмосферу (при обычных условиях уходит более 10,7 г/м3).
Где используются в промышленности:
- очистка воздуха в забоях при бурении,
- для улавливания пыли окиси цинка при плавлении лома меди,
- для сепарации конденсата при добыче попутных и природных газов (высококипящие углеводороды),
- для коагуляции пылевидного катализатора.
