ФИЛЬТР ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 2007 года по МПК B01D53/32 B03C3/00 

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для фильтрации потока от содержащихся в нем аэрозольных частиц, в том числе и сепарации конденсируемой составляющей паров газового потока (конденсата).

Известно устройство для сепарации пара из газов, содержащее вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для входа и выхода охлаждающего агента и двумя решетками, на которых закреплены трубки. Для входа парогазовой смеси в корпусе смонтирована верхняя камера, а для выхода сепарированного конденсата и очищенного газа - нижняя камера (А.Г.Амелин. Теоретические основы образования тумана. М.: Химия, 1966 г., стр.164).

В известном устройстве парогазовая смесь через верхнюю камеру проходит по трубам, охлажденным движущимся в межтрубном пространстве хладагентом. При соприкосновении с холодной поверхностью труб происходит охлаждение газа и конденсация на этой поверхности содержащегося в газе пара. Конденсируемая в трубах жидкость собирается в нижней камере и вытекает их нее через патрубок выхода конденсата. Очищенный от конденсата газ выходит через патрубок нижней камеры.

В известном устройстве производится конденсация и сепарация лишь той части паров газовой смеси, которой удается соприкоснуться с поверхностью труб за время нахождения смеси в трубе. Остальная же часть паров остается в составе выходящей из устройства смеси. Таким образом, для повышения степени очистки смеси от паров требуется увеличение габаритных размеров известного устройства. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена очистка смеси от аэрозолей.

Известно устройство для сепарации паров серной кислоты, содержащее холодильник с входным и выходным патрубками и вертикальную башню с верхней и нижней камерами. Нижняя камера снабжена патрубком для входа газовой смеси и патрубком для выхода серной кислоты, соединенным с входным патрубком холодильника. Верхняя камера содержит выходной патрубок очищенного газа и входной патрубок серной кислоты, соединенный с выходным патрубком холодильника и магистралью приема готовой продукции (А.Г.Амелин. Теоретические основы образования тумана. М.: Химия, 1966 г., стр.202).

В известном устройстве газовая смесь через нижнюю камеру поступает в вертикальную башню. Поднимаясь вверх по башне, газовая смесь орошается серной кислотой, стекаемой с верхней части башни. Капельки серной кислоты охлаждают газовую смесь и конденсируют на своей поверхности содержащиеся в газовой смеси пары, увлекая их с собой в нижнюю камеру башни. Очищенный от паров газ поднимается вверх и через верхнюю камеру башни направляется в выходной патрубок очищенного газа. Капли кислоты опускаются вниз и через нижнюю камеру башни направляются в патрубок для выхода серной кислоты.

При охлаждении газовой смеси и конденсации содержащихся в ней паров происходит нагрев серной кислоты. Для замыкания рабочего цикла выходящую из башни кислоту перед подачей в верхнюю часть башни для орошения газовой смеси и для отгрузки в магистраль готовой продукции пропускают через холодильник.

В описываемом устройстве в отличие от ранее упомянутого конденсация содержащихся в газовой смеси паров происходит не только на поверхности конструкций (стенки труб, башни), но и на поверхности капелек, орошаемой серной кислоты. Так как площадь поверхности капель существенно больше площади конструкций, то в описываемом устройстве удается добиться повышения степени очистки смеси без существенных увеличений габаритных размеров устройства.

Вместе с тем в описываемом устройстве при конденсации серной кислоты возникает высокое пересыщение пара, отчего часть паров серной кислоты конденсируется в объеме с образованием тумана, который в составе очищенных газов выносится из башни.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является электрофильтр, представленный в патенте РФ на изобретение №2175880, МПК 7 B 01 D 5/00. Электрический фильтр содержит соединенный с источником высокого напряжения коронирующий электрод и установленный относительно него с зазором осадительный электрод. Принцип работы электрофильтра достаточно полно освящен в литературе (А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Госхимиздат, 1950 г., стр.138-150). В рассматриваемом электрофильтре электрические заряды, возникающие в зазоре между коронирующим и осадительным электродом, попадая на аэрозольные частицы газовой смеси, заряжают их. Электрическое поле в зазоре между коронирующим и осадительным электродом вынуждает заряженные аэрозольные частицы двигаться по направлению силовых линий к осадительному электроду, чем обеспечивается очищение газовой смеси от аэрозольных частиц. Как известно (см. описание к патенту №2175880), при плотности электрических зарядов более 10⁵ е/см³ (е - элементарный электрический заряд), электрически заряженные аэрозольные частицы начинают активно захватывать молекулы конденсируемых паров, превращаясь в крупные молекулярные комплексы. Молекулярная влага и аэрозольные частицы конденсата увлекаются из объема газового потока к осадительному электроду, где реализуется пристеночная конденсация. Таким образом, в описываемом электрофильтре в процессе конденсации задействованы не только случайно попавшие на стенки конденсируемой поверхности молекулы паров, но и молекулярные комплексы. Последние образуются в объеме движущегося газового потока с помощью электрически заряженных частиц и доставляются к поверхности заземленной конструкции электрическим полем. В результате действия механизма конденсации, совмещенного с механизмом электрофильтра, обеспечивается полнота сепарации паров из очищаемого газового потока без существенного увеличения габаритных размеров фильтра. Кроме того, в известном электрофильтре из газового потока улавливаются и аэрозольные частицы, захватившие молекулы конденсируемых паров, т.е. реализуется так называемый принцип мокрой очистки газов.

Вместе с тем пленка конденсата, образующаяся на стенках осадительного электрода, создает дополнительное тепловое сопротивление и затрудняет процесс передачи тепла конденсируемых капель заземленной конструкции, что снижает эффективность работы фильтра (А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Госхимиздат. 1950 г., стр.276).

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы фильтра и повышение степени сепарации конденсируемых паров.

Для достижения заявленной цели в известном фильтре очистки газового потока, содержащем осадительный электрод, установленный вдоль очищаемого газового потока, с зазором относительно которого со стороны очищаемого газового потока электрически изолированно смонтированы коронирующие электроды, соединенные с источником питания, осадительный электрод со стороны коронирующего электрода выполнен пористым с открытыми порами размером более 0,1 мкм, включающими вертикальные капиллярные каналы, размеры проходного сечения которых удовлетворяют соотношению:

а>2·σ/(ρ·g·h),

где а - эффективный радиус пор, h - высота осадительного электрода, σ - коэффициент поверхностного натяжения конденсата, ρ - плотность конденсата;

суммарный объем пор составляет не менее 50% от объема заземленной конструкции;

коронирующие электроды смонтированы на изоляторах, элементы крепления которых к осадительному электроду размещены на противоположной от газового потока стороне заземленной конструкции;

источником питания является источник переменного напряжения;

снабжен теплообменником, соединенным с заземленной конструкцией.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить отвод образуемых капель конденсата по открытым порам внутрь осадительного электрода и по капиллярным каналам пор за счет гравитационных сил вывести конденсат за пределы конструкции фильтра.

Таким образом, возможность образования пленки конденсата на поверхности заземленной конструкции исключается. Обеспечивается непосредственный контакт капелек и молекулярных комплексов конденсата непосредственно с конструкцией конструкции, что позволяет уменьшить сопротивление тепловому потоку при отводе тепла, выделяемого в процессе конденсации паров, к теплообменнику и создать тем самым более благоприятные условия для осуществления процесса конденсации, повысить эффективность работы фильтра и достичь цели предполагаемого изобретения.

На чертеже 1 представлена схема предлагаемого фильтра.

Электрический фильтр включает в себя источник высокого напряжения (на чертеже не показан), соединенный с коронирующим электродом 1 через токоподводящее устройство 2, смонтированное на изоляторах 3, элементы крепления которых 4 размещены на внешней стороне осадительного электрода. Конструктивные схемы выполнения коронирующего электрода и подвода к нему высокого напряжения могут быть самыми различными и широко освещены в литературе (патенты РФ №2002510, кл. В 03 С 3/38, №2008100, 2001687, В 03 С 3/41 и др.).

На чертеже коронирующий провод 1 представлен в виде провода с малым радиусом кривизны поверхности, с помощью грузов 6 натянутый с зазором относительно внутренней поверхности осадительного электрода 7.

Поверхность осадительного электрода 7 со стороны коронирующего электрода выполнена пористой, открытые поры которой содержат вертикальные капиллярные каналы, проходящие вдоль всей его конструкции с выходом наружу в нижней его части. Выполнение пор размером более 0,1 мкм позволяет потокам очищаемого газа беспрепятственно проходить во внутрь осадительного электрода, что позволяет избежать образования пристеночного слоя потока очищаемого газа и дополнительно обеспечивает устойчивый процесс теплообмена. Размеры капилляров вертикальных каналов выбраны исходя из условий истечения из них конденсируемой жидкости. Размеры каналов определенны исходя из известных физических соотношений (Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Том.2, Термодинамика и молекулярная физика. изд. 2. М.: Наука, 1975, стр.428-429). В качестве примера представляем расчет размеров проходного сечения вертикальных капиллярных каналов. Например, для осадительного электрода высотой равной 1 м для конденсируемых паров воды

h=100 см;

σ=73 дин/см;

ρ=1 г/см³;

g=980 см/сек²

размеры капиллярных каналов составляют значение а>14,9·10^-4 см ≈15 мкм

Материалы, размеры пор которых составляют порядка 15 мкм, известны из литературы, капиллярно-пористые материалы (см., например, http://itp.uran.ru/kpm.htm, http://www.pmi.basnet.by/structure/branch2-27.php), пористая металлокерамика (см., например http://resti.udmnet.ru/f_gazez.htm) и прочие материалы с открытыми порами, т.е. порами, выходящими на внутреннюю поверхность конструкции. Как отмечено в отмеченных источниках, известны различные методы изготовления пористых материалов с заранее заданной пористостью, что позволяет выполнить осадительный электрод предлагаемого устройства на основе известных методов.

В нижней части осадительного электрода под торцевой его поверхностью смонтирован сборник конденсата 8 с патрубком для выхода конденсата 9.

Корпус осадительного электрода может быть снабжен теплообменными поверхностями 10. Для более эффективного охлаждения в торцевой части фильтра могут быть выполнены отверстия 11, образуемые вследствие разницы в диаметре фильтра и диаметре трубы 12 выброса очищаемого газового потока.

Фильтр работает следующим образом.

Предназначенная для очистки в фильтре газовая система проходит в разрядной области коронирующего электрода. Возникающие в процессе коронного разряда электрические заряды попадают на содержащиеся в газовом потоке аэрозольные частицы и капельки конденсата и заряжают их.

Заряженные аэрозольные частицы вследствие малого радиуса кривизны их поверхности в прилегающей к ним области пространства создают мощные, сильно неоднородные электрические поля, притягивающие дипольные молекулы конденсируемых паров. Под действием электрического поля коронирующего электрода и объемного заряда электрически заряженные аэрозольные частицы и сконденсировавшиеся в объеме газового потока капельки конденсата движутся к осадительному электроду 7, захватывая на своем пути молекулы конденсируемых паров. Учитывая, что поверхность осадительного электрода выполнена пористой с размером пор не менее 0,1 мкм, сформировавшийся вследствие действия электродинамических сил дисперсный поток в сторону осадительного электрода не тормозится у ее стенок и не образует пристеночного слоя, а проникает внутрь ее поверхности, что позволяет вынести к осадительному электроду с электродинамическим потоком даже самые мелкие, субмикронные частицы и отделить их от очищаемого газового потока.

Как показали эксперименты, поток дисперсной массы более эффективно формируется при воздействии переменным напряжением на коронирующий электрод.

К поверхности осадительного электрода аэрозольные частицы подходят обводненными - либо в виде мелких капелек, либо в виде крупных молекулярных комплексов. В процессе движения внутри пор аэрозольные частицы и молекулярные комплексы осаждаются на поверхностях пор осадительного электрода, охлаждаются и по мере их накопления обводняются, превращаясь в капли конденсата. Капли жидкости попадают под действие капиллярных сил и увлекаются внутрь пор. Двигаясь внутри пор, капельки жидкого конденсата находятся также и под действием гравитационных сил, вынуждающих при наполнении капиллярных каналов выше равновесного уровня вытекать наружу в нижней части конструкции, высвобождая место для новых капелек, поступающих на поверхность из проходящего газового потока. Жидкость конденсата, содержащая выделенные из газового потока аэрозольные частицы, скапливается в нижней части осадительного электрода (сборник конденсата 8) и через дренажное отверстие 9 отводится из фильтра.

Таким образом, предлагаемая конструкция электрофильтра позволяет использовать капиллярные и гравитационные силы для принудительного перемещения по всему объему пористой части заземлосадительного электрода выделяемых из газового потока капелек конденсата. При этом решается две задачи. Первая - осушается поверхность электрода и обеспечивается контакт конденсируемых капелек непосредственно с конструкцией более холодного электрода. Вторая - за счет использования развитой поверхности пор значительно развивается площадь поверхности теплопередачи от конденсата к конструкции электрода без существенного увеличения габаритных размеров конструкции.

Процесс отвода тепла от конструкции электрода может быть организован путем использования скрепленного с электродом теплообменника. Конструктивная реализация упомянутого теплообменника может быть различной, и достаточно широко описана в литературе. На чертеже упомянутый теплообменник представлен в виде рубашки охлаждения, ребра которой обдуваются атмосферным воздухом. Кроме того, в подобного рода конструкции фильтра осадительный электрод может быть выполнен с порами, пронизывающими всю конструкцию от внутренней до внешней поверхности. Подобная конструкция обеспечит возможность прохождения наружного воздуха внутрь фильтра и соответственно более эффективное охлаждение очищаемых газов, более интенсивную конденсацию содержащихся в них паров. Более эффективное охлаждение очищаемого газового потока обеспечивается также путем вовлечения в поток наружного воздуха через торцевые отверстия в фильтре. Площадь торцевых отверстий примерно равна площади поперечного сечения очищаемого потока, конкретные же их параметры выбирают исходя из конкретного соотношения размеров поперечного сечения и скорости очищаемого газового потока. Высота фильтра составляет не менее трех диаметров выходного сечения трубы очищаемого газового потока. Конкретные размеры определяют исходя из требований по степени очистки, параметров газового потока (температура, степень пересыщения паров, скорость потока и пр.).

Как известно, повышение эффективности улавливания газообразных выбросов связано с созданием дополнительной поверхности контакта фаз (Е.В.Сугак, Н.А.Воинов, Р.А.Степень, Н.Ю.Житкова. Очистка промышленных газов от газообразных и дисперсных примесей. Химия растительного сырья. 2 (1998) №3, стр.21-34, http://www.asu.ru/science/joumal/chemwood/volume2/n3/stat3.html). В предложенном устройстве в отличие от известных обеспечивается отвод капель конденсата по капиллярным каналам внутрь конструкции. На поверхности осадительного электрода пленка конденсата не образуется, которая в известных устройствах является дополнительным сопротивлением для теплового потока, препятствующем отводу тепла от очищаемого газа к теплоносителю. Температура газов в объеме снижается. Вследствие понижения температуры повышается пересыщение содержащихся в очищаемом газе паров, увеличивается концентрация центров конденсации и увеличивается интенсивность процесса конденсации (А.Г.Амелин. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М.: Химия, 1972 г., стр.11). В объеме газового потока образуются дополнительные капли и увеличивается поверхность контакта фаз. Повышение интенсивности процесса конденсации влечет за собой вовлечение в процесс конденсации большего числа аэрозольных частиц и соответственно повышение эффективности процесса очистки.

Кроме того, в результате экспериментальных исследований, проведенных авторами, отмечено, что в известных конструкциях образуемая пленка конденсата в процессе коронного разряда периодически срывается электрическим полем к коронирующему электроду. Происходит замыкание цепи высокого напряжения, гаснет корона, что приводит к снижению эффективности процесса очистки. В предложенном же техническом решении процесс коронного разряда осуществляется практически в сухом пространстве, что позволяет повысить условия электроизоляции, осуществлять реализацию в пространстве проходящего газового потока коронный разряд более высокой интенсивности, что также способствует повышение эффективности процесса очистки.

Таким образом, предлагаемая конструкция электрофильтра благодаря предложенной неизвестной ранее новой совокупности отличительных признаков позволяет обеспечить непосредственный контакт конденсируемых паров с более холодной поверхностью осадительного электрода, чем повышается интенсивность процессов конденсации, что позволяет повысить эффективность работы фильтра и достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области очистки газов, в частности для фильтрации потока от содержащихся в нем аэрозольных частиц, и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики. Фильтр содержит установленный вдоль очищаемого газового потока осадительный электород. Коронирующие электроды, соединенные с источником питания, электрически изолированно смонтированы с зазором относительно осадительного электорода со стороны очищаемого газового потока. Осадительный электород со стороны коронирующего электрода выполнен пористым с открытыми порами размером более 0,1 мкм, включающими вертикальные капиллярные каналы, размеры проходного сечения которых удовлетворяют соотношению:

а>2·σ/(ρ·g·h),

где а - эффективный радиус пор, h - высота осадительного электорода, σ - коэффициент поверхностного натяжения конденсата, ρ - плотность конденсата, g - ускорение свободного падения. Технический результат - повышение эффективности работы фильтра и повышение степени сепарации конденсируемых паров. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фильтр очистки газового потока, содержащий осадительный электрод, установленный вдоль очищаемого газового потока, с зазором относительно которого, со стороны очищаемого газового потока, электрически изолированно смонтированы коронирующие электроды, соединенные с источником питания, отличающийся тем, что осадительный электрод со стороны коронирующих электродов выполнен пористым с открытыми порами, размером более 0,1 мкм, включающими вертикальные капиллярные каналы, размеры проходного сечения которых удовлетворяют соотношению

а>2·σ/(ρ·g·h),

где а - эффективный радиус пор, h - высота осадительного электрода, σ - коэффициент поверхностного натяжения конденсата, ρ - плотность конденсата, g - ускорение свободного падения.