СПОСОБ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ Российский патент 2001 года по МПК B01D5/00 

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для сепарации конденсируемой составляющей паров газового потока, в том числе и из промышленных выбросов различных технологических процессов, а также в области гидрометеорологии для искусственного воздействия на облака и туманы.

Известен способ конденсации пара, основанный на адиабатическом расширении газовой смеси (см. А.М. Амелин, "Теоретические основы образования тумана при конденсации пара", изд. "Химия", Москва, 1966 г., стр. 64). В этом способе для конденсации пара необходимо обеспечить достаточно высокое значение пересыщения (S>S_кр, где S - требуемое значение пересыщения пара, S_кр - критическое значение пересыщения, при котором скорость образования зародышей капель в единицу времени, способных к дальнейшему росту, равна единице), что ограничивает реализацию описываемого метода в производственной практике. Например, при организации истечения газовой смеси в среду с меньшим давлением (свободная струя) "...заметная конденсация внутри сопла струи вследствие расширения и охлаждения парогазовой смеси, содержащей ядра конденсации, возможна лишь в сопле диаметром 500-700 мм при наличии ядер конденсации радиусом 0,5-1 мкм." (см. А.М. Амелин, "Теоретические основы образования тумана при конденсации пара", изд. "Химия", Москва, 1966 г., стр. 83).

Известен способ конденсации паров серной кислоты, основанный на орошении их охлажденной серной кислотой в башне конденсаторе (см. А.М. Амелин, "Теоретические основы образования тумана при конденсации пара", изд. "Химия", Москва, 1966 г., стр. 202-203).

В известном способе конденсация паров осуществляется на охлажденных каплях серной кислоты, что требует проведения предварительной технологической операции по охлаждению серной кислоты, подъему охлажденной кислоты на высоту башни, разбрызгивание ее, что связано со значительными материальными затратами для строительства и эксплуатации специальных холодильников, насосных станций и трубопроводов для перекачки и разбрызгивания серной кислоты.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ конденсации паров газового потока, основанный на их пересыщении и одновременном смешивании с дополнительным потоком воздуха, насыщенным в процессе регулирования его температуры электрическими зарядами (ионами) (см. А.М. Амелин, "Теоретические основы образования тумана при конденсации пара", изд. "Химия", Москва, 1966 г., стр. 93-98).

В известном способе в процессе пересыщения паров создаются благоприятные условия для их конденсации. Добавление в поток газа с пересыщенными парами дополнительного потока воздуха с электрическими зарядами позволяет усилить процессы конденсации, увеличить скорость образования и роста капель конденсируемой фазы, так как фазовые превращения облегчаются присутствием ионов (см. "Химия нижней атмосферы" под ред. С.Расул, Мир, Москва, 1966, стр. 151).

Вместе с тем в известном способе ионы поступают в область пересыщенных паров газового потока либо связанные с аэрозольными частицами дополнительного потока, либо в виде очень мелких молекулярных комплексов, вследствие низкой концентрации конденсируемых паров в дополнительном потоке. Конденсационные процессы на мелких молекулярных комплексах при пересыщениях S<2 развиться не могут (см. А.М. Амелин. "Теоретические основы образования тумана при конденсации пара", изд. "Химия", Москва, 1966 г., стр. 18-19), а процессы конденсации на электрически заряженных аэрозольных частицах начнут развиваться только лишь после их контакта с пересыщенными парами, что увеличивает время конденсационного процесса. В результате чего, при конденсации паров известным способом образование видимых капель конденсата наблюдается в области струи газового потока лишь на некотором удалении от сопла, значение которого тем больше, чем больше скорость потока (см. А.М. Амелин, "Теоретические основы образования тумана при конденсации пара", изд. "Химия", Москва, 1966 г., стр. 94, рис. 3.4).

Учитывая, что сепарация капель из газового потока известными способами пропорциональна их размерам (см. там же, стр.264), отмеченная в известном способе конденсации низкая скорость конденсации затрудняет организацию технологического процесса сепарации конденсируемых паров газового потока.

Целью настоящего изобретения является повышение скорости конденсационных процессов в газовом потоке.

Для достижения указанной цели в известном способе конденсации паров газового потока, основанном на их пересыщении и ионизации, ионизацию газа осуществляют путем создания в газовом потоке коронного разряда, обеспечивающего концентрацию образуемых коронным разрядом ионов, равную или превышающую 10⁵/см³, и поддерживают на коронирующих электродах напряжение, обеспечивающее указанную концентрацию ионов в области выхода газового потока в зону пересыщения паров, в течение всего процесса конденсации. Такое техническое решение позволяет существенно повысить скорость конденсации паров при незначительном их пересыщении (S > 1,01) благодаря созданию предлагаемой совокупностью отличительных признаков условий, при которых процесс конденсации паров начинается в потоке еще до начала их пересыщения. Образуемые в процессе коронного разряда ионы заряжают аэрозольные частицы потока, которые, захватывая молекулы конденсируемых паров, образуют заряженные капли конденсата в ненасыщенной еще газовой смеси. Одновременно другая часть ионов, сталкиваясь с молекулами пара, образует крупные молекулярные комплексы. Электрически заряженные капли конденсата и молекулярные комплексы, находясь в электрическом поле, генерирующем коронный разряд, совершают упорядоченное движение в направлении его силовых линий. Сталкиваясь на своем пути с молекулами пара, они укрупняются до размеров, позволяющих даже при незначительных пересыщениях стать активными центрами конденсации и вырасти до размеров больших капель.

Механизм захвата заряженными аэрозольными частицами дипольных молекул и ионов основан на формировании неоднородного электрического поля за счет особой формы поверхности аэрозолей. Поверхностные электрические заряды имеют максимальную плотность на участках поверхности с максимальной кривизной. Вследствие чего, вблизи участков поверхности аэрозолей образуется неоднородное электрическое поле, значение градиента которого определяется кривизной поверхности аэрозоля.

В зоне максимального градиента, таким образом, образуется поток дипольных молекул и ионов, величина которого определяется значением градиента электрического поля, дипольным моментом молекул и зарядом иона. Таким образом, в известное уравнение конденсации добавляется новый механизм, учитывающий энергию взаимодействия дипольных молекул воды и ионов с неоднородным электрическим полем.

Теоретически обоснованной методики для определения требуемой концентрации ионов, достаточной для качественного изменения характера конденсационных процессов, пока не разработано. Однако лабораторные эксперименты, проведенные авторами предлагаемого технического решения, показали, что при достижении в газовом потоке концентрации ионов 10⁵/см³ и более, даже незначительное пересыщение паров (S > 1,01) приводит к практически мгновенной их конденсации. При меньшем значении концентрации ионов конденсационные процессы при указанном пересыщении не наблюдаются.

Представляется, что при достижении концентрации ионов заявляемого значения, в потоке происходят качественные изменения с образованием активных центров конденсации.

Таким образом, заявляемая совокупность существенных отличительных признаков позволяет получить качественные изменения характера конденсации паров в газовом потоке и добиться существенного повышения скорости их конденсации, что позволяет достичь цели предлагаемого изобретения.

Реализация предлагаемого способа предполагает прежде всего создание в газовом потоке коронного разряда.

Рекомендации по созданию в газовом потоке коронного разряда достаточно подробно освещены в литературе (см., например, Н.А.Капцов "Электроника", Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1956 г., стр. 365-378; О.Я.Кокурин "Установки кондиционирования воздуха". Машиностроение, Москва, 1978 г., стр. 159-160).

Обеспечение в потоке требуемой концентрации образуемых коронным разрядом ионов (10⁵/см³ и более) может достигаться как подбором конструктивных параметров устройства генерации коронного разряда (расстояние между коронирующими электродами, форма коронирующих электродов, мощность источника питания и т.д.), в зависимости от габаритных размеров воздуховода и от диапазона значений параметров газового потока, так и включением в схему устройства, реализующего заявляемый способ, регулятора напряжения, позволяющего изменять значение напряжения подаваемого на коронирующие электроды при различных флуктуациях скорости газового потока. Как известно (см. Н.А.Капцов "Электроника", Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1956 г., стр. 370-372), значение концентрации генерируемых коронным разрядом ионов в единицу времени (ток коронного разряда) определяется значением подаваемого на коронирующие электроды напряжения, т. е. чем выше напряжение, тем больше значение концентрация ионов. Таким образом, установив в потоке газа, в конце области коронного разряда устройство, регистрирующее концентрацию ионов, своим выходом соединенное (возможно через усилитель) со входом регулятора напряжения, и создав на основе известных принципов проектирования систем автоматического регулирования систему регулирования напряжения, можно обеспечить поддержание концентрации ионов в газовом потоке на задаваемом уровне. Кроме того, необходимость включения в схему устройства системы регулирования напряжения может быть продиктовано и тем, что значение концентрации ионов в газовом потоке, обеспечивающее в совокупности с заявляемыми признаками качественное изменение процесса конденсации входящих в газовый поток паров при их пересыщении, определяется термодинамическими параметрами и условиями движения газа в воздуховоде (давление, температура, характер движения газа и т. п.), которые могут зависеть в том числе и от параметров окружающей среды (атмосферного воздуха), флуктуация значений которых значительна.

Максимальное значение концентрации ионов в газовом потоке ограничивается как экономическими соображениями, так и необходимостью гарантированного исключения возможности перехода создаваемого коронного разряда в искровой или дуговой. Соответствующие рекомендации по этому вопросу широко освещены в литературе (см. Н. А. Капцов. "Электроника", Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1956 г., стр. 376-378).

Процесс создания условий для пересыщения предназначенных для конденсации паров газового потока может быть реализован на основе известных методов, описанных в литературе (см. А.М. Амелин, "Теоретические основы образования тумана при конденсации пара", изд. "Химия", Москва, 1966 г., стр. 56), в том числе и на основе конструктивной схемы устройства, реализующего известный способ, принятый в качестве прототипа предлагаемого технического решения.

На фиг. 1-2 представлены примеры схем конструктивной реализации устройств сепарации конденсируемых составляющих паров газового потока с использованием предлагаемого способа их конденсации.

Устройство включает в себя воздуховод 1, выполненный из электропроводного материала (либо стенки которого покрыты электропроводным материалом), соединенный с заземлительным контуром 2. Источник питания 3 с регулятором напряжения (на фиг. не показан) соединен с коронирующим проводом 4, установленным коаксиально цилиндрической поверхности воздуховода и изолирован от ее поверхности изоляторами 5.

Пересыщение предназначенных для конденсации паров в устройстве, схема которого изображена на фиг. 1, осуществляется за счет расширения потока в дополнительном воздуховоде 6, выполненном с проходным сечением, превышающим сечение воздуховода 1.

Сепарация сконденсированных паров осуществляется в электрофильтре 7, соединенном с дополнительным воздуховодом 6, включающим коронирующие провода 8 и заземленные конструкции 9, в основании которых закреплены сборники конденсированной фазы 10, соединенные с отводной трубой 11.

Устройство, изображенное на фиг. 2, предусматривает пересыщение предназначенных для конденсации паров путем смешения газового потока с атмосферным воздухом. Для чего, на воздуховоде 1 с помощью кронштейнов 6 установлен кожух 7, имеющий проходное сечение, превышающее сечение воздуховода, и сообщенный с атмосферным воздухом отверстиями 8. Сепарация сконденсированных паров осуществляется на электрофильтре, смонтированном на кожухе 7, включающем коронирующие провода 9 и заземленные конструкции 10 с закрепленными на них сборниками сконденсированной фазы 11, соединенными с отводной трубой 12.

Для оценки эффективности использования предлагаемого способа конденсации пара в устройстве сепарации влаги были проведены лабораторные эксперименты. Схема экспериментальной установки представлена на фиг. 3.

В качестве экспериментального образца использовалось два варианта конструкции сепаратора одинакового проходного сечения, в основу конструкции которых была положена схема, изображенная на фиг. 1.

Первый вариант - включающий устройство насыщения газового потока электрическими зарядами, с последовательно соединенным с ним электрофильтром (без дополнительного воздуховода, расширяющего газовый поток).

Второй вариант - основанный на конденсации паров влаги с использованием предлагаемого способа и предусматривающий включение в схему дополнительного воздуховода, расширяющего газовый поток после насыщения его электрическими зарядами, с последующей сепарацией сконденсированных паров в установленном за дополнительным воздуховодом электрофильтре.

Как показали результаты эксперимента, использование предлагаемого способа конденсации паров только в устройствах сепарации влаги из газового потока позволяет снизить энергозатраты примерно в три раза (см. табл. 1, графики на фиг. 4-5). Экономия энергозатрат обеспечивается за счет повышения скорости конденсации паров газового потока перед их входом в электрофильтр.

Таким образом, предлагаемой способ конденсации паров содержит новые отличительные признаки и в совокупности с известными признаками позволяет повысить скорость конденсации паров и достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к очистке газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для сепарации конденсируемой составляющей паров газового потока, в том числе и из промышленных выбросов различных технологических процессов, а также в области гидрометеорологии для искусственного воздействия на облака и туманы. Изобретение решает задачу повышения скорости конденсационных процессов в газовом потоке. Для этого ионизацию газа осуществляют путем создания в газовом потоке коронного разряда, обеспечивающего концентрацию образуемых коронным разрядом ионов, равную или превышающую 10⁵/см³, и поддерживают на коронирующих электродах напряжение, обеспечивающее указанную концентрацию ионов в области выхода газового потока в зону пересыщения паров, в течение всего процесса конденсации. При этом процесс конденсации паров начинается в потоке еще до начала их пересыщения. Электрически заряженные капли конденсата и молекулярные комплексы, находясь в электрическом поле, генерирующем коронный разряд, совершают упорядоченное движение в направлении его силовых линий. Сталкиваясь на своем пути с молекулами пара, они укрупняются до размеров, позволяющих даже при незначительных пересыщениях стать активными центрами конденсации и вырасти до размеров больших капель, отделяющихся от газового потока. 5 ил., 1 табл.

Способ конденсации паров газового потока, основанный на их пересыщении и ионизации, отличающийся тем, что ионизацию газа осуществляют путем создания в газовом потоке коронного разряда, обеспечивающего концентрацию образуемых коронным разрядом ионов, равную или превышающую 10⁵/см³, и поддерживают на коронообразующих электродах напряжение, обеспечивающее указанную концентрацию ионов в области выхода газового потока в зону пересыщения паров, в течение всего процесса конденсации.