СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ АЭРОЗОЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B01D47/06 

Изобретение предназначено для тонкой очистки газов от аэрозолей. Предлагаемый способ может найти применение в технологиях, связанных, в первую очередь, с улавливанием и нейтрализацией различных выбросов в атмосферу: радиоактивных аэрозолей, токсичных, агрессивных и взрывоопасных загрязнений с размерами ≤ 5 мкм.

Известно несколько групп газоочистительных аппаратов [1], которые делятся в соответствии с принципами, на которых основаны процессы очистки газов от взвешенных в нем частиц (инерционные, мокрые газоочистительные аппараты, фильтры).

На фиг.1 приведены зависимости степени очистки воздуха η [%] от размера частиц пыли и аэрозолей d [мкм] для предлагаемого способа (1); скруббера Вентури (2); циклона типа НИОГАЗ (3); бытового пылесоса (4); полого форсуночного скруббера с параметрами:
qж=10 л/м³; Рж=3-4 ата; W≤1,5 м/c (5) и скруббера типа МП-ВТИ (6).

Недостатком известных инерционных и мокрых газоочистительных аппаратов является резкое снижение эффективности улавливания аэрозолей с размерами менее 5 мкм. Недостатком фильтров является возрастание потребного перепада давлений при уменьшении размеров улавливаемых частиц и аэрозолей, сложности, возникающие при утилизации использованных фильтров, особенно в случае улавливания аэрозолей, содержащих радиоактивные составляющие, а также проблемы, связанные со стойкостью фильтровального материала к возможным агрессивным составляющим очищаемых газов.

Известен пылесос [2] , в котором для очистки газа от пыли организовано перемешивание запыленного газа с жидкостью, находящейся в специальной ванне.

Недостатком способа, использованного в пылесосе [2], является неполное перемешивание запыленного газа с жидкостью. Это приводит к проскакиванию загрязнений с размерами менее 5 мкм через ванну жидкости в атмосферу. Последнее обстоятельство резко снижает степень очистки газа (η [%]) для субмикронных аэрозолей.

Известен способ мокрой очистки газов в турбулентном промывателе (скруббер Вентури), выбранный в качестве прототипа [1], включающий смешение очищаемого газа, имеющего дозвуковую скорость 60-150 м/с с разбрызгиваемой водой при обеспечении одинаковых массовых расходов воды и газа, дробление капель воды турбулентным потоком воздуха и последующее отделение капель воды центробежным сепарированием.

Недостатком известного способа мокрой очистки является недостаточная эффективность при очистке газов от аэрозолей с размерами менее 5 мкм. Например, степень очистки воздуха (η [%]) от частиц с размерами δ=5 мкм близка к 100% и снижается до 50% при уменьшении размеров частиц до δ=5 мкм. К недостаткам известного способа следует отнести и унос очищенным газом загрязненных капель воды субмикронного размера.

Известно устройство турбулентного промывателя (скруббер Вентури [1]), включающее сопло Вентури, соединенное по входу с каналом подачи очищаемого газа, установленную в узком сечении сопла Вентури форсунку для впрыска воды, а по выходу пристыкованное своим выходным сечением к центробежному сепаратору.

Недостатком известного устройства турбулентного промывателя [1] является недостаточная эффективность степени очистки газов η [%] от частиц с размерами менее δ= 5 мкм. К недостаткам известного способа следует отнести и унос очищенным газом загрязненных капель воды субмикронного размера.

Известно устройство пылегазоочистителя [3], выбранное в качестве прототипа, включающее замкнутый контур гидроочистки, состоящий из последовательно установленных жидкостного эжектора, сепаратора, бака-отстойника и насоса с приводом.

Недостатком известного устройства является недостаточная эффективность степени очистки газов η [%] от частиц с размерами менее δ=5 мкм и унос очищенным газом загрязненных капель воды субмикронного размера.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа и повышение степени очистки газов (η [%]). Наибольший интерес с точки зрения улавливания аэрозолей субмикронных размеров представляют аппараты с поверхностью контакта, образующейся в процессе движения потоков. Известно, что поверхность фазового контакта в диффузионных аппаратах многократно возрастает при вихреобразовании. При этом жидкость дробится и растягивается в пленки и т. д. Происходит сильное увеличение интенсивности процессов массо- и теплообмена по сравнению с другими способами. Однако в большинстве известных аппаратов эта задача решается за счет увеличения скорости газа или жидкости, что ведет к неоправданным затратам энергии и, самое главное, не обеспечивает гарантированного захвата жидкостью аэрозолей субмикронных размеров, взвешенных в газе.

Предлагаемое техническое решение заключается в том, что создают условия для образования сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси воды, выделившегося из нее пара и очищаемого газа, а затем осуществляют процесс очистки газа от аэрозолей в скачках уплотнений, переводящих этот сверхзвуковой поток в дозвуковой при торможении потока, которое может осуществляться за счет трения, или в расширяющемся канале. Дело в том, что при прохождении запыленного газа через систему скачков уплотнений происходит не только изменение его скорости по величине и направлению, но и очень резкое изменение давления. В результате происходит дробление воды до капель и пленок субмикронного размера и реализуется перекрестное движение водной составляющей потока и запыленной газовой, приводящее к смачиванию и захвату аэрозолей используемой водой. Только образования субмикронного размера ведут себя как газ и способны резко менять направление своего движения в зоне скачков уплотнений. При этом интенсивность скачков уплотнений является определяющей для степени очистки газов η [%]. Чем интенсивнее скачки уплотнений, тем выше степень очистки газа. Кроме того, скачки уплотнений эффективно препятствуют процессу коагуляции. После прохождения зоны скачков уплотнений равновесный двухфазный поток становится дозвуковым и начинается интенсивный процесс коагуляции. Таким образом, вода является, по сути, объемным фильтром, в котором задерживаются аэрозоли, содержавшиеся ранее в очищаемом газе.

На фиг.2 приведены кривые зависимости двухфазной скорости звука a_с в равновесной смеси воздуха и воды [4]. Здесь k=m_в/m_ж, где m_в и m_ж - массовые расходы воздуха и воды соответственно. Аналогичные кривые могут быть построены для любых других равновесных смесей жидкости и газа. На фиг.2 видны четко выраженные минимумы, которым соответствуют значения местной скорости звука a_с= 20-50 м/с. Эти значения намного меньше скорости звука в исходных средах (воздух, вода). Таким образом, на практике становится возможным реализация течения равновесной двухфазной смеси со скоростью, большей, чем скорость звука в этой смеси, при соотношении суммарного массового расхода газа к массовому расходу воды в диапазоне от 0,00001 до 0,05. В отличие от прототипа, где смешение очищаемого газа и воды происходит при существенно дозвуковой скорости (60-150 м/с), предлагаемый процесс тонкой очистки газов проводят в скачках уплотнений, возникающих при торможении сверхзвукового равновесного двухфазного потока, полученного при смешении двух дозвуковых потоков. При этом сам равновесный двухфазный поток движется с меньшей, чем в прототипе, абсолютной скоростью (20-50 м/с).

Следует отметить, что после торможения двухфазной равновесной смеси ее направляют на отделение загрязненной воды. При этом в очищенном газе может остаться некоторое количество субмикронных капель воды, содержащих захваченные при прохождении зоны скачков уплотнений аэрозоли. Эти капли следует отделять от газового потока за счет увеличения их размеров в результате искусственной конденсации на них избыточного количества пара, создаваемого специально. По закону Дальтона давление в равновесной газопароводяной смеси равно сумме парциальных давлений газа и водяного пара. Следовательно, можно искусственно получить любое необходимое содержание пара в равновесной газопаровой смеси за счет поддержания соответствующей температуры очищаемого газа. Температура газа зависит только от температуры используемой для очистки воды (процесс смешения воды и очищаемого газа изотермический). Поэтому содержание пара в очищенном газе можно регулировать температурой используемой для его очистки воды. Для конденсации избыточного количества пара необходимо охладить очищенный газ.

Таким образом, основные приемы, используемые для реализации предлагаемого способа, заключаются в следующем:
- обеспечивают смешение струй воды, имеющих скорость от 20 до 50 м/с с очищаемым газом при отношении массового расхода газа к массовому расходу воды в диапазоне от 0,00001 до 0,05 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси;
- обеспечивают перекрестное движение водяных капель с аэрозолями с помощью скачков уплотнений, для создания которых тормозят сверхзвуковую двухфазную равновесную смесь;
- обеспечивают избыточное содержание пара в очищенном газе за счет поддержания температуры воды в диапазоне от 303 до 343 К;
- конденсируют избыток пара, содержащийся в газе, за счет охлаждения до температуры на 15-55 градусов ниже температуры воды и отделяют сконденсировавшуюся воду.

Устройство для реализации предлагаемого способа очистки газов приведено на фиг.3. Оно состоит из теплоизолированного бака-отстойника 1 с установленной в нем сеткой 2, разделяющей бак-отстойник на две половины: приемную, в которую поступает двухфазная смесь из эжектора, и выпускную, соединенную с холодильником-конденсатором 10, охлаждаемым проточной водой, или окружающим воздухом и заборником воды с сетчатым фильтром 3. Сетка установлена под углом от 10 до 60^o к выходящей из эжектора двухвазной смеси. Этот заборник соединен трубкой 4 с электронасосом 6. В баке-отстойнике 1 установлен сливной штуцер 5. Электронасос 6 соединен трубкой 7 с эжектором 8, в который по трубке 9 поступает на очистку газ.

Последовательно установленные жидкостной эжектор, сепаратор-сетка, бак-отстойник и насос с приводом образуют замкнутый контур гидроочистки.

Процесс очистки газа по предлагаемому способу можно продемонстрировать на примере тонкой очистки 3 л/с воздуха от бытовой пыли. В теплоизолированный бак-отстойник 1 объемом 30 л заливается 10 л воды. Включается электронасос, за счет гидравлических потерь в скачках уплотнений практически вся подводимая к электронасосу мощность преобразуется в тепло, нагревающее воду (при длительной работе температура воды устанавливается на уровне 333 К). При очистке вода через сетку, установленную на заборнике 3, по трубке 4 поступает в электронасос 6 с атмосферным давлением. От электронасоса 6 вода с давлением 0,25 МПа и расходом 1 л/с по трубке 7 поступает в эжектор 8. В трубку 9 поступает газ с атмосферным давлением и расходом 3 л/с, предназначенный для очистки. Образовавшаяся в эжекторе двухфазная смесь очищаемого газа, пара и воды после торможения в цилиндрической камере смешения и расширяющемся диффузоре эжектора поступает на сетку 2. Динамический напор смеси, выходящей из эжектора, обеспечивает очищение сетки от загрязнений и гашение скоростного напора смеси, что приводит к отделению воды от газового потока. Очищаемый газ с избыточным количеством пара поступает в холодильник-конденсатор, где происходит конденсация пара на содержащихся в смеси субмикронных загрязненных каплях воды. Эта сконденсировавшаяся вода возвращается в бак-отстойник 1. После этого очищенный от избытка пара и загрязненных капель воды газ выходит из холодильника-конденсатора.

Полученный технический результат позволяет обеззараживать газы от микроорганизмов и вирусов, обеспечивать нейтрализацию токсичных и агрессивных загрязнений, содержащихся в воздухе. Вместо воды возможно использование ее растворов, органических и неорганических жидкостей.

Источники информации
1. И.Е. Идельчик. СПРАВОЧНИК ПО ГИДРАВЛИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЯМ. Изд. 2-е, М.: Машиностроение, 1975 г., 559 стр.

2. Авторское свидетельство 1648201.

3. Авторское свидетельство 1749639.

4. Ю. Н. Васильев. Теория двухфазного газожидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения". Лопаточные машины и струйные аппараты. Сб. вып. 5. М.: Машиностроение, 1971 г.

Изобретение предназначено для тонкой очистки газов от аэрозолей и может найти применение в технологиях, связанных, в первую очередь, с улавливанием и нейтрализацией различных выбросов в атмосферу радиоактивных аэрозолей, токсичных, агрессивных и взрывоопасных загрязнений с размерами меньше 5 мкм. Основные приемы, используемые для реализации предлагаемого способа, заключаются в следующем: обеспечивают смешение струй воды, имеющих скорость от 20 до 50 м/с, с очищаемым газом при отношении массового расхода газа к массовому расходу воды в диапазоне от 0,00001 до 0,05 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, обеспечивают перекрестное движение водяных капель с субмикронными загрязнениями с помощью скачков уплотнений, для создания которых тормозят сверхзвуковую двухфазную равновесную смесь, обеспечивают избыточное содержание пара в очищенном газе за счет поддержания температуры воды в диапазоне от 303 до 343К, конденсируют избыток пара, содержащийся в газе, за счет охлаждения до температуры на 15-55^oС ниже температуры воды и отделяют сконденсировавшуюся воду. Устройство для очистки газов включает замкнутый контур гидроочистки, состоящий из последовательно установленных жидкостного эжектора, сепаратора, бака-отстойника и насоса с приводом. В качестве аппарата используют установленную в баке-отстойнике сетку, разделяющую его на две половины: приемную, в которую поступает двухфазная смесь из эжектора, и выпускную, соединенную с холодильником-конденсатором, охлаждаемым проточной водой или окружающим воздухом, и с заборником воды с сетчатым фильтром, соединенным трубкой с электронасосом. Сетка установлена под углом 10-60^o к выходящей из эжектора двухфазной смеси. Изобретение обеспечивает высокую степень очистки газов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ очистки газов, включающий смешение очищаемого газа с разбрызгиваемой водой, дробление капель воды турбулентным потоком и последующее отделение капель воды сепарированием, отличающийся тем, что для очистки газа от загрязнений с размерами менее 5 мкм, очищаемый газ смешивают со струями воды, имеющими скорость от 20 до 50 м/с при обеспечении соотношения массового расхода газа к массовому расходу воды в диапазоне от 0,00001 до 0,05 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, в которой обеспечивают перекрестное движение водяных капель с аэрозолями с помощью скачков уплотнений, для создания которых тормозят сверхзвуковую двухфазную равновесную смесь, после чего отделяют от очищенного газа загрязненную воду. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают температуру воды, поступающей на смешение с газом, на уровне от 303 до 343К, а очищенный от загрязненной воды парогаз направляют на конденсацию избытка пара, для чего его охлаждают до температуры на 15-55^o ниже температуры воды, поступающей на смешение с газом, после чего повторно отделяют от очищенного газа сконденсировавшуюся загрязненную воду. 3. Устройство для очистки газов, включающее замкнутый контур гидроочистки, состоящий из последовательно установленных жидкостного эжектора, сепаратора, бака-отстойника и насоса с приводом, отличающееся тем, что в качестве сепаратора используют установленную в баке-отстойнике сетку, разделяющую его на две половины: приемную, в которую поступает двухфазная смесь из эжектора, и выпускную, соединенную с холодильником-конденсатором, охлаждаемым проточной водой или окружающим воздухом, и с заборником воды с сетчатым фильтром, соединенным трубкой с электронасосом, причем сетка установлена под углом от 10 до 60^o к выходящей из эжектора двухфазной смеси, а бак-отстойник теплоизолирован от окружающей среды.