Способ ультразвуковой газоочистки Российский патент 2023 года по МПК B01D51/08 

Изобретение относится к области технологий очистки газов от инородных твердых частиц за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями, а именно к способам ультразвуковой коагуляции частиц размером менее 2,5 мкм.

В настоящее время все большее внимание уделяется повышению эффективности газоочистки, особенно от частиц размером менее 2,5 мкм. Это связано с огромной опасностью таких частиц, способных длительное время удерживаться в воздухе и легко проникать в альвеолы легких человека, вызывая необратимые изменения организма. Обусловлено это их огромной суммарной поверхностью (более 55% от суммарной поверхности частиц, выбрасываемых в атмосферу). Количество таких частиц в отходящих газах загрязняющих производств составляет более 95% от суммарной счетной концентрация даже при незначительной массовой доле, составляющей менее 1% от суммарной доли частиц.

Для того чтобы провести очистку газа, который содержит определенное количество твердых частиц, используют специальные способы газоочистки. Известны способы газоочистки, основанные на реализации процессов объединения (коагуляции) мелких частиц для их последующего удаление из газовых потоков, за счет использовании различных физических явлений, при которых осуществляются механические воздействия на загрязняющие газ частицы, например, на использовании инерции и центробежных воздействий [1]. Используемые в настоящее время способы газоочистки хорошо показали себя при улавливании загрязняющих частиц с размерами более 2,5 мкм. В частности, эффективность известных способов газоочистки от частиц размером 10 мкм и более может достигать 99%.

Однако, все известные в настоящее время способы газоочистки не способны обеспечить коагуляцию субмикронных частиц (частиц размером менее 2,5 мкм). Обусловлено это отсутствием эффективных физических механизмов воздействия на субмикронные частицы. По этой причине эффективность известных способов газоочистки от частиц размером менее 2,5 мкм не превышает 5…10%.

Наиболее эффективные способы очистки газов от таких частиц основаны на применении ультразвуковых (УЗ) колебаний, которые способны осуществлять дополнительное воздействие на частицы в газовой среде, обеспечивая их эффективное объединение (коагуляцию) для последующего удаления известными способами.

Применение способа ультразвуковой газоочистки является не только эффективным, но и практически возможным, поскольку УЗ воздействие с частотой более 20 кГц абсолютно безопасно для окружающих даже при высоком уровне звукового давления (J>130…150 дБ).

Общеизвестно, что воздействие упругими колебаниями на газовые среды основано на реализации нелинейных эффектов [2, 3] в газах, содержащих дисперсные частицы:

- эффекта, возникающего за счет явлений переноса импульса газовой фазы между частицами;

- эффекта, возникающего за счет колебательных движений твердых частиц друг относительно друга.

Таким образом, благодаря применению УЗ колебаний отдельные частицы подвергаются дополнительному воздействию механических колебаний и потоков окружающего газа, начинают двигаться быстрее, вероятность их столкновений с другими частицами возрастает, они чаще соударяются и объединяются [4]. Происходит увеличение их размеров и образование агломератов. После этого становится возможным удаление укрупненных частиц при помощи известных способов газоочистки без УЗ вздействия.

Объединение частиц возможно благодаря гидродинамическому взаимодействию, величина которого пропорциональна квадрату амплитуды колебательной скорости газа и определяется согласно следующему выражению [4]:

где U₀ - амплитуда колебательной скорости газовой среды в отсутствие аэрозольных частиц, м/с; ρ₀ - плотность газовой фазы, кг/м³; а₁, a₂ - радиусы частиц, участвующих в агломерации, м; l - расстояние между частицами, м.

Таким образом, эффективность объединения частиц пропорциональна силе взаимодействия частиц (величине УЗ воздействия) и концентрации частиц.

Поскольку основным фактором обеспечения высокой эффективности ультразвуковой газоочистки является величина ультразвукового воздействия, при реализации известных способов ультразвуковой газоочистки стремятся осуществлять воздействие ультразвуковыми колебаниями с максимальным уровнем звукового давления.

Для реализации воздействие ультразвуковыми колебаниями с максимальным уровнем звукового давления создают колебания при помощи изгибно колеблющихся излучателей (дисков), обеспечивающих выход энергии УЗ колебаний из твердого тела в газ до 60% и формируют режим ультразвукового воздействия в виде стоячей волны, позволяющей увеличить уровень звукового давления (амплитуду колебаний) в волне до трех раз.

Реализация таких условий воздействия осуществлена в наиболее близком по технической сущности к предлагаемому техническому решению способе ультразвуковой газоочистки, по патенту [8], принятому за прототип.

Способ ультразвуковой газоочистки, принятый за прототип, заключается в воздействии ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами, при его пропускании между двумя плоскими поверхностями, одна из которых, выполненная в виде изгибно-колеблющегося диска, излучающего ультразвуковые колебания, формирующего максимумы и минимумы колебаний, чередующиеся концентрически через расстояния друг от друга, соответствующие половине длины волны изгибных колебаний в материале диска, а вторая отражает прошедшие через поток колебания.

Известный способ ультразвуковой газоочистки основан на осуществлении воздействия ультразвуковыми колебаниями на газовый поток при его движении между излучающей и отражающей поверхностями в течение времени, необходимого и достаточного для коагуляции частиц для их последующего удаления.

Повышенная эффективность способа ультразвуковой газоочистки, принятого за прототип, в сравнении с другими известными способами обеспечивается за счет формирования и распространения ультразвуковых колебаний в резонансном режиме, когда формируемый и отраженные колебания складываются в фазе, усиливая амплитуду распространяемых колебаний до трех раз и обеспечивая тем самым повышение эффективности коагуляции за счет формирования режима стоячей волны, существенно увеличив воздействие на частицы.

Однако, даже такой способ ультразвуковой газоочистки обеспечивает объединение частиц размером 1…2,5 мкм и менее с эффективностью не более 40…75%.

Обусловлено это тем, что способ ультразвуковой газоочистки, принятый за прототип, имеет следующие существенные недостатки.

1. При очистке газов от частиц размером менее 2,5 мкм сила взаимодействие частиц за счет ультразвуковых колебаний даже с очень высоким уровнем звукового давления (более 160 дБ) оказывается незначительной, поскольку она фактически пропорциональна 6-й степени диаметра частиц. Поэтому, например, для частиц размером 1 мкм эта сила в 250 раз меньше, чем для частиц размером 2,5 мкм.

2. При малых размерах частиц существенно уменьшается сила взаимодействия, поскольку расстояние между частицами начинает значительно превосходить размер частиц. В таком случае все частицы малых размеров колеблются практически одинаково и, соответственно, взаимодействие между ними не реализуется. При этом, количество крупных частиц, с которыми они могли бы объединяться очень ограничено.

3. Малая концентрация частиц (являющаяся независимым параметром, характеризующим число взаимодействий частиц для их укрупнения) существенно снижает вклад в итоговую вероятность агломерации и эффективность газоочистки.

4. Значительное затухание ультразвуковых колебаний в газовой среде с загрязняющими частицами приводит к необходимости использования зазоров между излучающей и отражающей поверхностями, не превышающими 2 полуволн УЗ колебаний. Это снижает производительность очистки

5. Снижение эффективности обусловлено неравномерностью воздействия в различных зонах (потоки газа с инородными частицами приводят к существенному затуханию колебаний и нарушению резонансных режимов воздействия) и малым временем нахождения частиц в зоне воздействия при движении от центра диска радиально к его периферии.

6. Попытки повышения эффективности ультразвуковой газоочистки за счет увеличения уровня звукового давления в УЗ волне более 160 дБ приводит к тому, что объединенные за счет УЗ коагуляции агломераты из мелких частиц начинают разрушаться за счет механического воздействия и, вследствие слабой связи между объединившимися частицами.

Наличие не устраненных недостатков прототипа не позволяет реализовать принципиальные возможности ультразвуковой коагуляции субмикронных частиц, размер которых менее 2,5 мкм.

Предлагаемый способ ультразвуковой коагуляции направлен на устранение недостатков прототипа и создание способа, способного обеспечить возможность коагуляции субмикронных частиц, размер которых менее 2,5 мкм для оснащения современной материально-технической базы газоочистки от субмикронных частиц.

Способ ультразвуковой газоочистки заключается в воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами при его пропускании между двумя плоскими поверхностями, одна из которых, выполнена в виде изгибно-колеблющегося диска, излучающего ультразвуковые колебания, формирующего максимумы и минимумы колебаний, чередующиеся концентрически через расстояния друг от друга, соответствующие половине длины волны изгибных колебаний в материале диска, а вторая отражает прошедшие через поток колебания.

При этом на излучающую поверхность изгибно-колеблющегося диска, через выполненные в нем сквозные отверстия подают воду на кольцевые чередующие участки, соответствующие минимальным по амплитуде изгибным колебаниям излучающей поверхности пластины, обеспечивают за счет колебаний диспергирование при растекании воды на участки, соответствующие максимумам колебаний, воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами, при его движении между излучающей и отражающей поверхностями осуществляют через облако диспергированной воды в течение времени, необходимого и достаточного для поглощения твердых частиц жидкими, ультразвуковое воздействие осуществляют на частоте не менее 22 кГц при амплитуде колебаний зон максимальных колебаний излучающей пластины не менее 12 мкм, газовый поток формируют путем тангенциального введения для распространения к центральным областям поверхностей, воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами осуществляют при его движении по спиральной траектории между излучающей и отражающей поверхностями, находящимися на расстоянии, кратном, но не превосходящем 3-5 полуволн ультразвуковых колебаний в формируемой среде на частоте изгибных колебаний, выведение потока с частицами воды, поглотившими инородные частицы осуществляют через центральное отверстие в отражающей поверхности.

В предлагаемом способе задача повышения эффективности решается путем создания нового способа ультразвуковой газоочистки, способного повысить эффективность взаимодействия субмикронных частиц за счет увеличения концентрации взаимодействующих частиц, создаваемых путем мелкодисперсного распыления воды в зонах взаимодействия, повышения эффективности ультразвукового воздействия (амплитуды и равномерности распределения колебаний в водно-дисперсной среде), времени воздействия при создании вихревых потоков между излучающей и отражающей поверхностями.

Основной эффект при реализации предлагаемого способа ультразвуковой газоочистки достигается за счет использования ультразвуковых колебаний, использовавшихся в известном способе, для создания частиц распыляемой жидкости (воды) [9]. Поскольку размер частиц распыленной воды порядка 10-100 мкм, они не только эффективно поглощают загрязняющие газ частиц, увеличивают вероятности взаимодействия, но и исключают разрушение агломератов, объединенных частиц при увеличении уровня УЗ.

Поскольку все частицы малых размеров колеблются практически одинаково и расстояние между ними значительно превосходит их размер, появление частиц воды, существенно увеличивает вероятность взаимодействие. В таком случае твердые частицы малых размеров поглощаются частицами воды, и увеличение уровня УЗ воздействия уже не сможет их отделить. Поэтому процесс газоочистки можно осуществлять при технически достижимых уровнях звукового давления, в частности до 175…200 дБ, еще более повышая эффективность коагуляции.

Потоки газа с инородными частицами при тангенциальном вводе и спиральном движении между излучающей и отражающей поверхностями перемешиваются с диспергированной водой. Распыление воды УЗ колебаниями начинается в зонах поверхности диска, амплитуда колебаний которых начинает превышать 12 мкм (на 22 кГц). Распыление происходит в разных направлениях и формируется равномерное распределение частиц воды между излучающей и отражающей поверхностями. При этом создается новая среда, в которой происходит распространение УЗ колебаний. Поскольку эта среда характеризуется большей скоростью распространения колебаний и меньшим затуханием колебаний резонансные условия усиления колебаний (формирование стоячей волны) выполняются при распространении колебаний на расстояния не менее 3-5 полуволн (реальный размер, соответствующий длине полуволны в такой среде также увеличивается) ультразвуковых колебаний в формируемой среде на частоте изгибных колебаний.

Распространение потока очищаемого газа по спиральной траектории и выведение потока с частицами воды, поглотившими инородные частицы, через центральное отверстие в отражающей поверхности позволяет увеличить время воздействия, повышая тем самым эффективность газоочистки.

Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой схематично поясняется предложенный способ ультразвуковой газоочистки.

В предложенном способе ультразвуковой газоочистки, воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток 1 с инородными частицами, при его пропускании между двумя плоскими поверхностями, одна из которых, выполнена в виде изгибно-колеблющегося диска 2, излучающего ультразвуковые колебания, формирующего максимумы 3 и минимумы 4 колебаний, чередующиеся концентрически через расстояния друг от друга, соответствующие половине длины волны изгибных колебаний в материале диска, а вторая 5 отражает прошедшие через поток колебания, на излучающую поверхность изгибно-колеблющегося диска, через выполненные в нем сквозные отверстия 6 подают воду 7 на кольцевые чередующие участки, соответствующие минимальным по амплитуде изгибным колебаниям излучающей поверхности пластины, обеспечивают за счет колебаний диспергирование при растекании воды на участки, соответствующие максимумам колебаний, воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами, при его движении между излучающей и отражающей поверхностями осуществляют через облако диспергированной воды 8 в течение времени, необходимого и достаточного для поглощения твердых частиц жидкими, ультразвуковое воздействие осуществляют на частоте не менее 22 кГц при амплитуде колебаний зон максимальных колебаний излучающей пластины не менее 12 мкм, газовый поток формируют путем тангенциального введения 9 для распространения к центральным областям поверхностей, воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами осуществляют при его движении по спиральной траектории 10 между излучающей и отражающей поверхностями, находящимися на расстоянии, кратном, но не превосходящем 3-5 полуволн ультразвуковых колебаний в формируемой среде на частоте изгибных колебаний, выведение потока с частицами воды, поглотившими инородные частицы осуществляют через центральное отверстие 11 в отражающей поверхности.

Способ ультразвуковой газоочистки реализуется следующим образом. Поток газа 1 с загрязняющими его частицами подаются через входной патрубок тангенциально 9 для формирования спирального движения в направлении к выходному отверстию 11. На поверхность изгибно -колеблющегося диска 2 через отверстия 6, выполненные на участках в минимуме колебаний подается вода 7. Под действием колебаний она растекается по поверхности, достигает участков с увеличивающейся до 12 мкм амплитудой колебаний и диспергируется, создавая облако диспергированной воды 8. Поток газа 1 с твердыми частицами перемешивается с облаком 8 диспергированной воды. УЗ воздействие на загрязняющие частицы осуществляется через облако диспергированной воды. Процесс ультразвуковой газоочистки осуществляется колебаниями, создаваемыми плоской рабочей поверхностью дискового излучателя 2 на частоте не менее 22 кГц (для исключения негативного воздействия на человека и используя разрешенный диапазон применяемых УЗ воздействий). Толщина водно-дисперсного промежутка межу излучателем и отражателем ультразвуковых колебаний не превосходит 3-5 полуволн ультразвуковых колебаний в формируемой среде на частоте изгибных колебаний для того, что бы создать условия, обеспечивающие максимальное резонансное усиление колебаний (за счет синфазного сложения первичной и отраженной волны) и сформировать максимальные по скорости потоки движения частичек для их объединении\. После реализации УЗ воздействия выведение потока с частицами воды, поглотившими инородные частицы осуществляют через центральное отверстие 11 в отражающей поверхности.

Таким образом, спирально движение потока, создание вихревых потоков за счет формирования УЗ колебаний в резонансном промежутке и наличие распыляемой влаги значительно увеличивают время и эффективность УЗ воздействия на загрязняющие частицы газа, а, следовательно, и саму эффективность процесса коагуляции частиц, т.е. очистки газа.

Практическая реализация предлагаемого способа ультразвуковой газоочистки могут быть осуществлена при помощи имеющихся ультразвуковых аппаратов серии «Соловей» различных мощностей [10].

Для подтверждения эффективности предложенного способа ультразвуковой коагуляции были проведены экспериментальные исследования, которые позволили выявить, что эффективность коагуляции частиц размером от 1 до 2,5 мкм предложенным способом в 10 раз превосходит эффективность известного способа.

Разработанный способ ультразвуковой коагуляции прошел лабораторные и технические испытания, и был реализован в действующей установке для практического подтверждения результатов исследований по гранту РНФ №19-19-121. Мелкосерийное производство планируется начать в 2023 году.

Список литературы, использованной при составлении заявки

1. Циклонный пылеотделяющий аппарат [Текст]: патент US 7422615 В2: МПК B01D 45/12 (2006.01) / Tak-Soo Kim; правообладатель - Samsung Gwangju Electronics Co., Ltd. (US), заявка: 11/1286262 от 13.05.2005. Опубликовано: 09.09.2008.

2. Sheng, С.Simulation of acoustic agglomeration processes of poly-disperse solid particles [Текст] / С.Sheng, X. Shen // Aerosol Science and Technology. - 2007. - Vol.41. - Iss. 1. - P. 1-13.

3. Khmelev V.N. Efficiency Increase of Wet Gas Cleaning from Dispersed Admixtures by the Application of Ultrasonic Fields [Текст] V.N. Khmelev, A.V. Shalunov, R.N. Golykh, R.S. Dorovskikh, V.A. Nesterov, S.S. Khmelev, K.V. Shalunova // Archives of Acoustics. - Institute of Fundamental Technological Research PAN, Warszawa, 2016. - Vol. 40, No. 4. - P. 757-771.

4. W. Konig. Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen. Uber die Krafte zwischen zwei Kugeln in einer schwingenden Fltissigkeit und iiber die Entstehung der Kundtschen Staubfiguren. - Ann. Phys. und Chem., 42, 4, 549, 1891.

5. O. Brandt, H. Freund, E. Hiedemann. Zur Theorie der akustischen Koagulation. Kolloid.-Z., 77, 193, 1936.

6. E. Riera, I. Gonzalez-Gomez, G. Rodriguez, J.A. Gallego-Juarez. Ultrasonic agglomeration and preconditioning of aerosol particles for environmental and other applications // Power Ultrasonics: Application of High-intensity Ultrasound. Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. -2015. - Number 66. - P. 1023-1058.

7. Bing Feng Ng, Jin Wen Xiong, Man Pun Wan. Application of acoustic agglomeration to enhance air filtration efficiency in airconditioning and mechanical ventilation (ACMV) systems // PLoS One. - 2017. - June 8. - 26p.

8. Способ ультразвуковой коагуляции [Текст]: патент ИЗ 2759506 РФ: МПК B01D 51/08 (2006.01), B01J 19/10 (2006.01) / Боченков А.С., Голых Р.Н., Нестеров В.А., Тертишников П.П., Хмелев В.Н., Хмелев М.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В.; правообладатель - Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», заявка: 2021103620 от 12.02.2021. Опубликовано: 15.11.2021.

9. Хмелев В.Н. Ультразвуковая коагуляция в скрубберах вентури: особенности реализации и эффективность применения [Текст] / В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, В.А. Нестеров, С.Н. Цыганок // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2020. - Т. 331. - №5. - С. 128-139.

10. Каталог ультразвуковых аппаратов для газовых сред [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http.//u-sonic.com/catalog/apparaty_dlva_uskoreniya_protsessov_v_Razovykh_sredakh/, свободный - (28.04.2023).

Изобретение относится к области технологий очистки газов от инородных твердых частиц за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями, а именно к способам ультразвуковой коагуляции частиц размером менее 2,5 мкм. Способ ультразвуковой газоочистки заключается в воздействии ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами, при его пропускании между двумя плоскими поверхностями, одна из которых выполнена в виде изгибно-колеблющегося диска, а вторая отражает прошедшие через поток колебания. На излучающую поверхность изгибно-колеблющегося диска через выполненные в нем сквозные отверстия подают воду, обеспечивают за счет колебаний диспергирование, а воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами при его движении между излучающей и отражающей поверхностями осуществляют через облако диспергированной воды. Ультразвуковое воздействие осуществляют на частоте не менее 22 кГц при амплитуде колебаний зон максимальных колебаний излучающей пластины не менее 12 мкм. Газовый поток формируют путем тангенциального введения для его движении по спиральной траектории между излучающей и отражающей поверхностями, находящимися на расстоянии, кратном, но не превосходящем 3-5 полуволн ультразвуковых колебаний в формируемой среде. Выведение потока с частицами воды, поглотившими инородные частицы, осуществляют через центральное отверстие в отражающей поверхности. Изобретение обеспечивает эффективность коагуляции частиц размером от 1 до 2,5 мкм предложенным способом, в 10 раз превосходит эффективность известного способа. 1 ил.

Способ ультразвуковой газоочистки, заключающийся в воздействии ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами, при его пропускании между двумя плоскими поверхностями, одна из которых выполнена в виде изгибно-колеблющегося диска, излучающего ультразвуковые колебания, формирующего максимумы и минимумы колебаний, чередующиеся концентрически через расстояния друг от друга, соответствующие половине длины волны изгибных колебаний в материале диска, а вторая отражает прошедшие через поток колебания, отличающийся тем, что на излучающую поверхность изгибно-колеблющегося диска через выполненные в нем сквозные отверстия подают воду на кольцевые чередующие участки, соответствующие минимальным по амплитуде изгибным колебаниям излучающей поверхности диска, обеспечивают за счет колебаний диспергирование при растекании воды на участки, соответствующие максимумам колебаний, воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами при его движении между излучающей и отражающей поверхностями осуществляют через облако диспергированной воды в течение времени, необходимого и достаточного для поглощения твердых частиц жидкими, ультразвуковое воздействие осуществляют на частоте не менее 22 кГц при амплитуде колебаний зон максимальных колебаний излучающей пластины не менее 12 мкм, газовый поток формируют путем тангенциального введения для распространения к центральным областям поверхностей, воздействие ультразвуковыми колебаниями на газовый поток с инородными частицами осуществляют при его движении по спиральной траектории между излучающей и отражающей поверхностями, находящимися на расстоянии, кратном, но не превосходящем 3-5 полуволн ультразвуковых колебаний в формируемой среде на частоте изгибных колебаний, выведение потока с частицами воды, поглотившими инородные частицы, осуществляют через центральное отверстие в отражающей поверхности.