Get Adobe Flash player

Промышленная очистка газов (страус)



Скачать книгу бесплатно!

0  

...подождите пожалуйста, добавляется отзыв...


--------------- page: ; remove-txt -----------

--------------- page: 1 -----------
В. СТРАУС
ПРОМЫШЛЕННАЯ
ОЧИСТКА
ГАЗОВ
--------------- page: 2 -----------
INDUSTRIAL

GAS CLEANING
SECOND EDITION
The principles and practice of the control of gtiSioUS

and particulate emissions
W. STRAUSS
Header in Industrial Science, University of Melbourne
PHRGAMON PRESS
OXFORD • NEW YORK • TORONTO

SYDNEY • PARIS • BRAUNSCHWEIG
--------------- page: 3 -----------
В. СТРАУС
ПРОМЫШЛЕННАЯ
ОЧИСТКА
ГАЗОВ
Перевод Ю. Я- Косого
Ш
МОСКВА -ХИМИЯ-1951
--------------- page: 4 -----------
6П7.2

С 83
УДК 66.074.1/.8
Страус В.
Промышленная очистка газов: Пер. с англ. — М.,

Химия, 1981. 616 с., ил.
Дан краткий обзор основных методов извлечения газообразных и твердых примесей из промышленных газов (абсорбция, адсорбция, фильтрация, ультразвуковые и электромагнитные). Специальные разделы посвящены экономике процессов очистки и вопросам охраны окружающей среды.
Для широкого круга инженерно-технических работников

химической, металлургической и других отраслей промышленности, а также преподавателей и студентов вузов, специализирующихся в области охраны окружающей среды.
616 с, 324 рис., 71 табл., 965 библиографических ссылок.
31403-117
050(01 )-8Т 46.80.2802010000
© 1976. by Pergamon Press
© Перевод 2-го издания иа русский язык.
Издательство «Химия». 1981.
--------------- page: 5 -----------
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ко второму изданию
Предисловие к первому изданию
Условные обозначения
Введение
1.
2.
3.
4.
ГЛАВА I. ТРЕБУЕМАЯ СТЕПЕНЬ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ....
1.
2.
3.
источников выбросов
4.
5.
ГЛАВА И. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ДАННЫХ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Методы анализа, основанные иа геометрии частиц . .
Анализ гранулометрического состава частиц, основанный на
их аэро- и гидродинамике
Средний размер частиц из данных по площади поверхности
Другие методы гранулометрического анализа частиц . .
11.
ГЛАВА III. МЕТОДЫ УДАЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО КОМПОНЕНТА: АБСОРБЦИЯ, АДСОРБЦИЯ И СЖИГАНИЕ . .
1.
Диффузия двух газов в стационарном режиме ....
2.
Теории абсорбции
12
14
19
19
20
23
24
5
--------------- page: 6 -----------
Ill
115
119
156
158
163
165
181
187
191
191
196
197
198
199
204
207
209
211
215
218
223
223
225
225
230
231
240.
241
242
245
251
255
256
258
258
262
272
277
280
281
284
285
Разработка абсорбционных систем
Проектирование абсорбционной установки
Абсорбция газов
3.
Неполярные адсорбенты. Уголь
Полярные адсорбенты
Адсорбция с химической реакцией (хемосорбция)
4.
5.
6.
Диоксид серы
Оксиды азота
Оксид углерода .
IV.
ДВИЖЕНИЮ ЧАСТИЦ
1.
щихся с постоянной скоростью .........
2.
3.
4.
ограниченной стенками
5.
частиц
6.
7.
8.
9.
V.
ТЕЛИ
1.
2.
3.
VI.
1.
Теория безвихревого движения
Вихревая теория
2.
Прямоточные циклоны с обратным потоком .
3.
4.
уловители)
5.
6.
7.
8.
9.
Прямоточные циклоны с неподвижными лопатками

Прямоточные цнклоиы с подвижными лопатками

Прямоточные циклоны с неподвижными лопатками и обратным потоком
--------------- page: 7 -----------
286
287
288
291
292
295
298
299
301
307
309
315
319
321
322
328
331
332
334
335
337
338
340
347
347
349
351
359
359
360
362
366
370
370
373
378
382
392
394
397
399
399
403
407
7
Спиральные пылеуловители
Циклоны с вытяжным вентилятором

Обычные (противоточные) циклоны ....
Мультициклоны
Циклоны для улавливания капель жидкости

Последовательно расположенные циклоны (серии)
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАХВАТ ЧАСТИЦ ....
Распределение скоростей потока, обтекающего цилиндр
Инерционное столкновение
Перехват
Диффузия
Сочетание инерционного захвата, перехвата и диффузии

Влияние температуры и давления на основные механизмы
захвата
Выделение частиц при гравитационном осаждении
Электростатические силы
Система улавливающих элементов . .
Удержание частиц на коллекторе .
Силы Ван-дер-Ваальса
Капиллярное притяжение
Экспериментальные исследования адгезии частиц
ФИЛЬТРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКНИСТЫХ

ФИЛЬТРОВ
Конструкция промышленной фильтровальной установки
Методы удаления пылевых напластований
Подвески и опоры фильтрующих рукавов
Кожух
Фильтровальные материалы
Свойства волокои и их применение
Работа фильтровальных установок
Расход газов (соотношение расходов газов и площади фильтровальной поверхности)
Периодическое удаление пылевых отложений ...

Перепад давления в среде . .
Электростатические заряды в процессе фильтрования через
волокна
Волокнистые фильтры специального назначения

Фильтры, предназначенные для работы при температурах
свыше 400 СС
Фильтры для улавливания аэрозолей
Фильтры, предназначенные для дезактивации газообразных
радиоактивных отходов
Фильтры, предназначенные для кондиционирования воздуха
УЛАВЛИВАНИЕ ЧАСТИЦ В МОКРЫХ СКРУББЕРАХ
Скрубберы с разбрызгиванием
Испарение капель
Конденсация на поверхности капель . .
Центробежные скрубберы с разбрызгиванием
Распылительные сопла
Скрубберы с разбрызгиванием под действием струи газов
--------------- page: 8 -----------
5.
фильтрующим слоем
6.
7.
Теоретические основы процесса в скрубберах Веитури . .
Практическое применение скрубберов с трубами Веитури
8.
9.
ГЛАВА X. ОЧИСТКА ГАЗОВ В ЭЛЕКТРОФИЛЬТРАХ ....
1.
2.
3.
Зарядка путем столкновения и диффузии иоиов . .
4.
5.
6.
Удельное сопротивление пыли
7.
8.
9.
10.
и давлениях
Характеристика короны при высоких температурах и давлениях .
Миграция частиц при экстремальных условиях ....
Проектирование электрофильтров для работы в экстремальных условиях
11.
12.
практике
13.
Электростатическое осаждение на переменном токе . .
Электростатическое осаждение пространственным зарядом
в турбулентном потоке
ГЛАВА XI. ДРУГИЕ МЕТОДЫ И МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЫЛИВАНИЯ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ГЛАВА XII. ЭКОНОМИКА ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ
1. Стоимость очистки газа
Капитальные затраты на установку для улавливания твердых частиц
Капитальные затраты иа очистку газов в скрубберах, абсорберах и в печах сжигания
Стоимость вспомогательного оборудования
Общие капиталозатраты
Эксплуатационные и ремонтные расходы
--------------- page: 9 -----------
Постоянные издержки
Общие эксплуатационные расходы
Относительная стоимость различных типов газоочистных
установок
Приложения
Примеры расчетов
Расчет скорости газа по расходу топлива и его составу
Расчет температуры по показаниям пирометра на всасе

Способы выражения и расчет к.п.д. золоулавливания

Расчет к. п. д. электрофильтров с учетом турбулентной диффузии
Конструкции вытяжных устройств и трубопроводов
Конструкции бункеров
Типичные экзаменационные вопросы
Плотность и вязкость газов .
Единицы СИ
558
559
565
571
571
572
573
574
575
578
580
584
585
Литература
587
--------------- page: 10 -----------
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Читатели первого издания догадываются, что в настоящей книге предпринята попытка рассмотреть критически научный и технологический аспекты, а также современное состояние дел в области

очистных установок в промышленности, причем особый упор сделан на контроль загрязнений воздушного бассейна.
За шесть лет, прошедших со дня завершения работы над первым изданием, в технологии очистки газов достигнуты значительные успехи; так же значительны, хотя и в меньшей степени, успехи

в развитии теории. Среди технологических достижений достаточно

перечислить лишь немногие: процессы удаления S02 из дымовых

газов, усовершенствование конструкции печей сжигания прямого

действия, улучшенные материалы для изготовления фильтров,

способных работать при 400 °С и выше, разработка конструкции

прямоточного циклона. Эти достижения и побудили автора пересмотреть предыдущее издание.
Новая книга позволит автору исправить ряд ошибок, обнаруженных в первом издании. Автор выражает благодарность всем

тем, кто в своих письмах указал ему на них.
По выходе первого издания оказалось, что книга может быть

использована в качестве учебника для студентов старших курсов

и для слушателей специальных курсов по технологии защиты воздушного бассейна от загрязнений. С этой целью в книгу включен

краткий раздел, в котором приведены экзаменационные вопросы,

использованные автором в своей преподавательской работе. Автор

был бы благодарен преподавателям и специалистам-практикам,

которые сочли возможным прислать новые вопросы, особенно

в виде примеров, для включения в последующие издания.
Первое издание подвергалось критике за то, что в него не была

включена экономическая информация. Однако на той стадии это

было сделано умышленно, ибо за исключением работы Стерман-

да [804] сведений было явно недостаточно. Позже в США, Англии

и Австралии предпринимались попытки определить сметные расходы, но эти результаты будут опубликованы отдельно [15].
Во второе издание включена новая глава XII, которая призвана помочь в оценке расходов на оборудование, хотя она и не

предназначена в качестве руководства при составлении рабочей

сметы.
10
--------------- page: 11 -----------
Автор выражает признательность за помощь, полученную им

при подготовке нового издания в виде обсуждения книги и дружеской критики со стороны своих коллег и студентов, занимающихся

исследованиями в Мельбурнском университете и в научно-исследовательских лабораториях Вестингауза, в частности, проф. С. Р. Симана и д-ра Я. В. Соммерса. Автор также выражает признательность за помощь, оказанную г-жей В. Картер и г-жей Д. Муир,

которые с большим вниманием отредактировали рукопись.
Мельбурнский университет
Вернер Страус
--------------- page: 12 -----------
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Контроль за загрязнением воздушного бассейна в. главном и

столь многообразном его источнике — промышленном процессе —

это задача, решением которой занимается все возрастающее число

инженеров и ученых в области прикладных наук. Несколько лет

назад, в самом начале своих занятий в аспирантуре, перед автором была поставлена задача найти новый метод для уменьшения

выбросов отходящих газов в сталелитейных процессах, сделав особый упор на мелкодисперсные оранжево-коричневые (выбросы,

имевшие место в тогда лишь недавно внедренном методе кислородной продувки в мартеновских и пневматических сталелитейных

печах. Новый процесс должен был стать дешевле существовавшего

золоулавливания в электрофильтрах и скрубберах Вентури, хотя

требования в отношении к.п.д. не были столь строгими.
В результате исследования был создам фильтр с галечным

фильтрующим слоем, который в некоторых случаях [832] имел

к.п.д. более 90%.
В начале своей программы исследовательских работ в опубликованной литературе невозможно было отыскать какие-либо сведения о выбросах отходящих газов на различных этапах мартеновского процесса. И хотя состав отходящих газов был известен,

однако сведения о возможном механизме улавливания или соответствующие уравнения, которые позволили бы проверить применимость того или иного метода очистки, не были сведены в виде

единого учебника или монографии. Более того, автор пришел к

заключению, что специалисты-практики рассматривали процесс

очистки газов как искусство, основанное на практическом опыте.

Если даже в разрозненных докладах и освещались основы теории

или механизмы очистки газов, то не существовало ни одного цельного .пособия, к которому могли бы обратиться инженеры, желавшие применить их в «натуральных» расчетах или запрограммировать влияние одной из переменных технологического процесса при

прохождении газа через систему газоочистки.
Даже сейчас лишь два метода очистки газа — абсорбция и улавливание в электрофильтрах — изучены достаточно хорошо. С другой стороны, методы очистки газов, основанные на механике частиц, как правило, всесторонне не изучены. Автор надеется, что
12
--------------- page: 13 -----------
эта книга в какой-то степени заполнит существующий пробел и

окажется полезной инженер ам-проектировщикам и специалистам,

выдающим задание на поставку оборудования для систем газоочистки, а также ученым в области прикладных наук, занимающимися разработкой новых методов очистки газов.
Автор выражает признательность за помощь и поддержку, которую он получил от проф. М. У. Тринга, первым обратившего

внимание и интерес автора к данной области, и от его коллег,

в частности, Р. С. йоста, автора приложения 1, С. X. Джонсона,

прочитавшего и сделавшего много полезных предложений по главам IV и VII, и Дж. Б. Агню, оказавшему такую же помощь по

главе III.
Автор выражает особую благодарность директору технической

библиотеки Дж. Крейгу и его сотрудникам за помощь при работе

со справочной литературой и схемами, а также Ф. М. Бейосель за

хорошую печать рукописи.
--------------- page: 14 -----------
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а—постоянная величина




А — площадь поверхности



Ае — наружная поверхность пористой твердой частицы

Ь — постоянная величина

циклон)
В —■ ширина отстойной камеры

С — постоянная величина


Со — количество частиц в начале отсчета


(VIlnRilRx)
CD— коэффициент сопротивления
Сел—коэффициент сопротивления для ускоряющихся частиц

Ср— удельная теплоемкость при постоянном давлении

Со— удельная теплоемкость при постоянном объеме
Су— обобщенный коэффициент турбулентной диффузии — поперечное дутье

(Саттон [843])
Сг—обобщенный коэффициент турбулентной диффузии — вертикальный Саттон [843])

d — диаметр сферической частицы

d' — диаметр сферы влияния
dA — диаметр площади (диаметр круга с такой же поверхностью, что и у

частицы)

dc — диаметр скопления частиц

de — диаметр сопротивления
ds — диаметр поверхности (диаметр сферы с такой же поверхностью, что

и у частицы)
d0 —'Диаметр объема (диаметр сферы с таким же объемом, что и у частицы)
dKP — диаметр мельчайшей частицы, улавливаемой на 100%
D — диаметр циклона



14
--------------- page: 15 -----------
Dc — диаметр электродного стержня

De — диаметр выходного штуцера циклона

е— заряд


£ — интенсивность источника тепла по отношению к окружающей атмосфере

Е' — интенсивность заряжающего поля
Е—энергетическая напряженность (звуковая)
Ес—критическая напряженность электрического поля при отрыве газов

/— скорость свободного падения частиц

F — сила сопротивления жидкости у частицы

Fh — гидродинамическая сила притяжения в звуковом поле

Fr — давление излучения в звуковом поле (Н)
Ft — тепловая сила
Fc — сопротивление жидкости скоплениям частиц

Fe — электростатическая сила

Ееi — электростатическая сила (отражение коллектора, наведенного на частицу)
Fem — электростатическая сила (отражение частицы, наведенной на коллектор)
Fec — кулоновская сила
Fee — сила пространственного заряда
Ftо—сопротивление жидкости, скорректированное с учетом влияния стенок

g— ускорение силы тяжести

gc—постоянная ускорения силы тяжести

С — градиент температурного напряжения в атмосфере


С —параметр разделения по плотности
h— высота цилиндрической части циклона
Н—общая высота столба пара (эффективная высота дымовой трубы)




Hs — высота дымовой трубы
Hi — высота установки переноса (газопоглощение)
Нт — высота подъема столба пара

Нг — момент подъема столба пара (скорость)
i
/— интенсивность света



к — коэффициент истечения

k — коэффициент Больцмана
kf — коэффициент массообмена от газа к твердой частице

kc — коэффициент массообмеиа от газа к плеике

кь—коэффициент массообмена от жидкости к пленке

К — поправочный коэффициент

Ко — коэффициент общего массообмена (в установках, работающих под давлением)
Kl — коэффициент общего массообмена (в обогатительных установках)
/—расстояние между двумя частицами


L — скорость потока жидкости
15
--------------- page: 16 -----------




L\ — отношение расхода жидкости к расходу газа в скруббере

т — расход массы


Af — относительная молекулярная масса


М' — масса 1 моля
п—число турбулентности (Саттон)

N — число молекул на единицу объема




Мл — скорость молекулярного обмена образца А

рл — парциальное давление компонента

Рам — среднее логарифмическое парциального давления компоненты А

Pi — парциальное давление на поверхности раздела

Р — общее давление газа


Рс—давление газа в циклоне (среднее)
Pi — давление газа на входе в циклон

Ре — число Пекле

Др — перепад давления

Apcf — перепад давления при постоянном расходе газа

а — заряд на частице (индекс I относится к частице I)
О
Q' — скорость выброса загрязняющего газа

г — радиус частицы


гСр — средний радиус поры
R— универсальная газовая постоянная



Ra — сопротивление ускоряющихся частиц
Re — число Рейнольдса (ы£>р/ц— трубы, «dp/ц — частицы)
Rec — число Рейнольдса для улавливающего тела (voDpfp.)
Rh — половина расстояния между центрами сферы при расположении частиц

в углах шестигранника

S — поперечное сечение абсорбционной колонны

(111.60)]



стицы к реальному диаметру частицы)


S*— безразмерное расстояние до перевала
Sc — число Шмидта (ц/рD)

t — время
Т — абсолютная температура
16
--------------- page: 17 -----------
Ts — температура газа на выходе из трубы
Т\ — абсолютная температура, при которой плотность дымовых газов равна

плотности атмосферы (К)

и —- скорость газа

U — средняя скорость

иг — амплитуда скорости газа
ын —осевая скорость

Ы( — скорость на входе

ич — амплитуда скорости частицы

uR — радиальная скорость

Us — поверхностная скорость

Ut — конечная скорость

Ur—тангенциальная скорость

U т—скорость сдвига

U — средняя скорость газа

U, — скорость звука

V — скорость

Vo — скорость ненарушенного потока жидкости вверху

До — относительная скорость двух частиц

V—скорость потока газа (поглощение)

Va — рабочий объем
Vf, — объем образцов А при точке кипения

U—напряжение, разность потенциалов

UI — напряжение улавливающего тела

Uc — пусковое напряжение коронарного электрода

Ui — потенциал на слое осажденной пыли

w — толщина облицовочного слоя

W — скорость выброса твердых частиц


х— расстояние в направлении ветра от трубы (дисперсия столба пара)

—• нисходящее расстояние в электрофильтре




хс — равновесное содержание пыли в фильтрующей ткани

X — функция в уравнении подъемной силы Босанке

Хг — амплитуда вибрации газа

Хч — амплитуда вибрации частицы

Y—расстояние, перпендикулярное к направлению ветра (дисперсия столба

пара)

Z — функция в управлении Босаике


г — число частиц на 1м2 ткани
а — постоянная



3 — постоянная


2—1144
17
--------------- page: 18 -----------
у — отношение Cp/Cv
е—пористость или пустоты упакованного тела или пористой твердой частицы


е — число потерь
£—безразмерный коэффициент потери давления

■П — к. п. д.
11с — к.п.д. улавливания перехватом

Т)0—к.п.д. диффузионного улавливания

t]j — к. п. д. инерционно-ударного улавливания

По — общий к. п. д.
1/со—комбинированный к.п.д.

i]z — к.п.д. улавливания частиц на ткани
0

х — коэффициент проницаемости


хг— теплопроводность газа

Хч— теплопроводность частицы
Я—средний свободный пробег молекул газа

ц — вязкость газа
Цй — вязкость капли

v — частота
| — постоянная в уравнении свободного завихрения

р — плотность газа

Pf—плотность слоя фильтрующей ткани

рж — плотность жидкости

рп — плотность паров

рч—плотность частицы

о— диаметр молекулы


Gab — сумма радиусов двух взаимодействующих молекул ионов (расстояние

между центрами)

т— безразмерный параметр времени



То—напряжение сдвига жидкости у стенки

<р—коэффициент трения для циклонов (формула Стерманда)
Ф — плотность тока (А/м2)

X — внутренняя пористость твердых гранул

tj? — параметр инерционной ударности

Ф — сферичность

<в — скорость дрейфа

о/ — эффективная скорость миграции
--------------- page: 19 -----------
ВВЕДЕНИИ
1.
Существуют две основные причины для очистки промышленных

газов: экономическая выгода и защита окружающей среды в широком смысле слова. Так, прибыль может быть получена при использовании отходящих доменных газов для получения тепла и

электрической энергии дри условии, что из газов будут удалены

пылевидные примеси для наиболее полного сгорания. С другой

стороны, из отходящих газов можно извлекать оксид серы (IV)

[951] и восстанавливать его до серы экономически выгодным путем

или, например, выделять германий из летучей золы некоторых

углей.
Защита рабочих, занятых в промышленности, и населения вообще от воздействия вредных примесей, а также сохранение чистоты окружающей среды является другой причиной очистки газов.

Например, отходящие газы, содержащие такие токсичные примеси,

как мышьяк или свинец, представляют серьезную опасность для

здоровья работников предприятия и окружающего населения [353].

Другие отходящие газы, содержащие, например, фтористые соединения или оксид серы (IV), хотя и не представляют непосредственной опасности для здоровья людей при данной концентрации,

но могут уничтожать растительность, постепенно разрушать окружающие нас сооружения, усложняя жизиь в промышленном городе [500].
Степень очистки газов в промышленности определяется главным образом экономическими факторами: так, в некоторых случаях газоочистная установка снижает экономичность работы завода

в целом или потребует его коренной реконструкции, в то время,

как другая установка, хотя и не столь эффективная, позволит продолжать производство. Если улавливаемый материал является

основным продуктом процесса, например, твердые частицы в процессе распылительной сушки, выбор оптимального типа коллектора будет зависеть от экономического соотношения между стоимостью теряемого продукта и стоимостью высокоэффективного

коллектора. Поскольку на практике глубокая очистка газов осуществляется с целью предотвращения загрязнения атмосферы,

здесь будет рассмотрена природа таких загрязнений.
2*
19
--------------- page: 20 -----------
2. ПРИРОДА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ АТМОСФЕРУ ВЕЩЕСТВ
Загрязнение воздуха может быть естественным илн возникать в результате

деятельности человека. Естественное загрязнение обусловлено морскими брызгами, эрозией почвы или нзвержеииями вулканов. Наиболее известное нз них —

извержение вулкана Каркатау в Индонезии в 1883 г. — вызвало искусственное

затемнение Солнца в округе на многие сотни миль. Брызги морской воды, содержащие в основном хлорид натрия, составляют значительную долю водорастворимой фракции наносных материалов, отобранных иа расстоянии около 30 км

от береговой линии, в то время как в более отдаленных местах содержатся другие природные соли, главным образом сульфат кальция [84-0].
Биологическое разложение, в частности жизнедеятельность почвенных бактерий, ведет к образованию больших количеств сероводорода, аммиака, углеводородов, оксидов азота (МгО, NO, N02) и углерода (СО, С02). Во всех этих

случаях результаты деятельности природных источников намного превышают

результаты «рукотвориой> деятельности. Исключением в этой области является

эмиссия СО (около 220-109 кг ежегодно), которая обусловлена практически

полностью выхлопными газами и намного превосходит количества, созданные

природными источниками, например, лесными пожарами [612, 688].
Загрязнение атмосферы вследствие деятельности человека возникает либо

при сжигании углеродсодержащих веществ — угля и продуктов его переработки,

нефти и древесины, либо как отход производства химических веществ и цемента,

металлургической и горнодобывающей промышленности, а также при сжигании

бытовых отходов. На рис. 1 представлены главные источники и основные компоненты загрязнений воздушного бассейна [603].
Наиболее важными компонентами с количественной точки зрения являются

как газообразные продукты сгорания СО, СОг и SO2 и S03, так и пылевидные:

летучая зола, состоящая в основном из неорганических веществ, н несгоревший

углерод. На рис. 2 представлено количественное распределение компонентов загрязнений для современной страны с высокоразвитым транспортом и промышленностью.
Улавливание твердых частиц в настоящее время осуществляется на всех

тепловых электростанциях, поддержание же минимальной концентрации оксида

углерода (II) в отходящих газах достигается в результате ряда эффективных

операций. Так, хотя пребывание в среде холодных неразбавленных дымовых газов, содержащих около 0,2% СО, очень опасно, концентрации, существующие

вблизи тепловых электростанций, не представляют опасности. В то же время

кумулятивный эффект выхлопных газов автомобилей при возникновении автомобильной пробки в дорожном тоннеле может привести к опасным концентрациям СО, поэтому длинные дорожные тоннели должны быть снабжены датчиками для предотвращения подобного риска. Улавливание SO2 из отходящих газов, где его концентрация может превышать 0,4% в зависимости от содержания

серы в топливе, остается одной из наиболее сложных проблем защиты воздушного бассейна.
Максимально допустимая концентрация (МлА.С.)*, представляющая собой

рекомендуемую предельную максимальную концентрацию при 8-часовой экспозиции, равна Б частям на 1 млн. частей (ррт, или млн-1) для оксида серы (IV),

однако даже при концентрации 0,2 млн-1 возможно поражение сосновых деревьев, клевера и люцерны (другие растения, например капуста, несколько более

стойки) [968]. Конхебель [803] указал, что потенциальная эмиссия S02—H2S04

от современной тепловой электростанции номинальной мощностью 1000 МВт

равна 5,5-105 кг/сут, поэтому необходимо принять особые меры для удаления

оксида серы (IV) перед ее выбросом в атмосферу либо удостовериться в том,

что концентрация газа в результате эмиссии не превысит 0,1 млн-1 даже в том

случае, когда атмосферные условия не способствуют его рассеиванию.
* Maximum allowable concentration. Вместо М.А.С. в настоящее время в

США, Соединенном Королевстве и повсюду широко используются предельные

пороговые значения (ППЗ, или TLV — Threshold Limit Values). Численно они

совпадают с М.А.С.
20
--------------- page: 21 -----------
1

Со

to о
egg
I"
ft)
CQ
13
I*
cu
1!
I
Рис. В-1. Источники загрязнения воздуха [609].
--------------- page: 22 -----------
Транспорт: 6k °1о',85'109щ
О со
NO

П, Л1
© сан2п+а

ф SOj
© Частицы
Промышленность: 16,5 °Io;Z2-W9ks
0гпшше:б%;8-106кг
Производство Сжигание omxodeti

электрогнергии: ? -У %; 3-tS3Ht
11,3%; 15-10вкг
Рис. В-2. Основные источники загрязнения воздуха в США (данные за 1965 г.)
[251].
Фториды поражают растения уже при концентрации 5 частей на миллиард

(7—9 сут. экспозиции). Они содержатся в значительных количествах в отходящих газах заводов по производству минеральных удобрений, выплавке алюминия и других, где фтористые соединения входят в состав сырья или флюсов.

ПДК Для фтористых газов равна 3 млн-1.
Наряду с газообразными загрязнениями большую проблему при очистке

промышленных газов и охране воздушного бассейна представляют собой мелкие частицы твердых веществ и капельки тумана. Дымы, образующиеся при производстве и рафинировании низкоплавких металлов, таких как свинец, мышьяк,

бериллий, кадмий и цинк, чрезвычайно ядовиты и их очистку необходимо проводить особенно тщательно. Содержание кислотных туманов, например, образующихся при производстве серной или фосфорной кислоты, очень часто ограничивается законодательством; обычно в таких цехах устанавливают эффективное

газоочистное оборудование.
Твердые частицы и жидкие капельки имеют различное название; зола (грит),

пыль, дым, копоть, туман, аэрозоль или смок. Ниже и на рис. 3 приведено распределение частиц по различным категориям в зависимости от их приблизительных размеров, основных методов определения размеров и от визуального

эффекта присутствующих частиц:
Зола (грит) .
проходящие через сито размером 200 меш.

Пыль
дящие через сито 200 меш.) и более 1 мкм

Дым . . .
Гуман .... Жидкие частицы, обычно меиее 10 мкм

Мгла (фог)
они достаточно густые и сильно ухудшают

видимость
22
--------------- page: 23 -----------
Копоть* (смок) . Летучая зола, продукты неполного сгорания,

либо оба этих вида загрязнений как жидкие, так и твердые

Смог .... Искусственное слово, составленное из слов

«смок» и фог» — используется для определения любого нежелательного загрязнения

атмосферы
Сажа .... Слипшиеся частицы несгоревшего угля, образующиеся при его неполном сгорании

Аэрозоли . . . Любые суспензии в воздухе (ранее так называли мелкодисперсные суспензии, относи-


*
рания.
Существуют два типа смогов — лос-анджелесский и лондонский; лос-анджелесский смог имеет фотохимическую природу и обусловлен выхлопными

газами автомобилей, лондонский — вызван неполным сгоранием угля и характеризуется относительно высоким содержанием SOa н твердых частиц.
3. СПОСОБЫ возможной очистки ГАЗОВ
Все промышленные газы — как отходящие, так и технологические — передаются по газоходам или трубопроводам, которые могут снабжаться соответствующими газоочистными устройствами.

Естественно, выбор подходящего метода очистки зависит от природы улавливаемого материала. Если удаляемое вещество газообраз-
Атмосферные •

загрязнения
Методы
измерения
кООО
1000-
400
100-
чо-
10-
ч
1-
0,4
47-iJ
0,01-
0,001
Грит
Пыль
Дым
изморозь
цымна
Фог
| &
I &.
11*

I S3

1 р *
S-
Туман
Си
5: «\Г
эс ta
О; Е-Э
I
суспендированные

* частицы
ез

*§&

11

С- t

«о <3
1§.

3-&

р

fit?

Сй а
Частицы > О, Шнм

практического .

значения
I I
ksjsSI
II?
5
.S>
It

1
Bmm-
-3mm-
-1,5mm-
-0,6mm
-Oftm
И)2М№
Большие
молекулы
Рис. В-3. Классификация атмосферных загрязнений по размерам и основные
методы определения размеров частиц [779].
23
--------------- page: 24 -----------
но, возможны два альтернативных варианта: адсорбция или абсорбция примесей из газовой смеси либо дальнейшие химические

превращения компонентов смеси.
Абсорбция газов широко применяется в тех случаях, когда

очистке подвергаются большие газовые потоки, например пары

НС1, аммиак, SO2 и С02. Адсорбция газов на твердых сорбентах

более применима для поглощения незначительных или следовых

количеств газов, например пары воды селикагелем, СОг известью

или пары органических соединений активированным углем.
Под химическими превращениями газов с целью очистки подразумевают сжигание или каталитический процесс, в частности

каталитическое окисление органических соединений. Однако к этому методу можно отнести и увеличение продолжительности процесса для окончания реакции вместо того, чтобы «.заморозить» газовую смесь перед непосредственным выбросом ее в атмосферу.
Следовательно, технология удаления газовых загрязнений из

газового потока основана на химических реакциях или па процессах адсорбции или абсорбции. В подавляющем большинстве одновременно применяют только один из методов, поэтому для конструкционной разработки газоочистных установок могут применяться типовые приемы химического машиностроения.
Удаление твердых частиц малого диаметра и капель жидкости

гораздо сложнее и строгая физическая классификация методов не

представляется возможной, поскольку в действие могут вступать,

а и зачастую вступают, различные комбинированные методы.

К основным физическим операциям, используемым для этой цели,

относятся гравитационное осаждение, центрифугирование, инерционный или прямой захват, броуновская или вихревая диффузия,

осаждение (термическое, электростатическое или магнитное), броуновская или акустическая агломерация и турбулентное разделение.
В большинстве пылеулавливающих устройств обычно несколько

упомянутых выше процессов одновременно участвуют в очистке

газового потока, хотя чаще всего только один из них является

основным при осаждении частиц определенного типа. Так, процесс

фильтрации основан на инерционном и прямом захвате и Броуновской диффузии. Однако Броуновская диффузия играет доминирующую роль в удалении частиц субмикронных размеров, тогда как

инерция и прямой захват являются основными механизмами улавливания частиц микронного размера. В этом процессе важную

роль могут играть также электростатические силы, поскольку заряженные частицы могут индуцировать заряд на незаряженной

фильтрующей среде.
4.
Прежде чем рекомендовать и сконструировать соответствующее

газоочистное оборудование, необходимо установить, какие вещества нужно удалить из газового потока, объем потока и его пара24
--------------- page: 25 -----------
метры. Таким образом необходимо провести анализ газового потока и его компонентов. К наиболее необходимой информации относятся скорость газового потока, температура и состав газа,

природа удаляемых компонентов, а также требуемая степень

очистки.
Вопросы требуемой степени очистки будут обсуждаться в главе I, тогда как методы получения остальной информации будут

рассмотрены в главе II. Иногда возможно, а в ряде исключительно

сложных проблем и экономически необходимо в принципе отказаться от очистки газов либо путем изменения самого технологического процесса, либо переместив производство на подходящую площадку, либо просто удлинив выхлопную трубу.
Если газоочистная установка предназначена для нового технологического процесса, необходимо получить и оценить информацию

о скорости газового потока, температуре и составе газа. При этом

информация о природе удаляемых веществ может быть почерпнута

из литературных источников, либо на основе результатов, полученных на другом аналогичном предприятии. Часто чрезмерное увлечение разработками новых типов оборудования для газоочистных

установок оказывается очень дорогим, поэтому более оправданными могут оказаться данные лабораторных исследований.
После адекватного анализа проблемы становится возможным

провести расчеты, относящиеся к удалению газообразных компонентов или частиц. С помощью расчетов можно получить сведения
о
сти необходимого оборудования. Такая экономическая оценка методов очистки газов позволит выбрать наиболее подходящий из

них и укажет его стоимость.
Цель детального анализа механизмов газоочистки, приводимого в книге, является стремление автора помочь исследователям в

расчетах найденных ими новых способов анализа этой проблемы.
--------------- page: 26 -----------
ГЛАВА I
ТРЕБУЕМАЯ СТЕПЕНЬ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
В тех случаях, когда газы предназначены для использования

в химических процессах, из них должны быть удалены любые

компоненты — газообразные или пылевидные, если они препятствуют проведению данного процесса. Так, например, оксид углерода (И) отравляет катализатор .синтеза аммиака, .поэтому его содержание должно быть уменьшено до допустимо низкого значения

.перед подачей водорода и азота в колонну синтеза. Степень требуемой очистки определяется верхним порогом концентрации, допустимой для данного процесса. Стоимость очистки газов в данном случае является частью экономики процесса в целом.
Другие газы, в основном природный газ, газы нефтеперегонки

и коксовый газ производят главным образом для получения промышленного и бытового тепла; они содержат значительные количества сероводорода, вызывающего коррозию трубопроводов при

охлаждении этих газов ниже точки росы. Кроме того, они выделяют неприятный запах при сгорании и могут повлиять на некоторые

.технологические процессы, такие как подогрев стальных поковок.

Поэтому содержание сероводорода необходимо снизить до концентрации, приемлемой для потребителя.
Отходящие газы, образующиеся при сгорании топлива, в химических и металлургических процессах, обычно выбрасываются

в атмосферу; они могут содержать опасные и вредные вещества,

такие как оксид мышьяка или радиоактивные примеси; они могут

быть неприятными — например, клубы дыма. Предельные величины выбросов определяются исходя из трех основных соображений:

■концентрация, угрожающая растительному или животному

миру;
законодательные ограничения, определяемые государственными республиканскими или местными властями;
уменьшение загрязнения воздушного бассейна для обеспечения

благополучия граждан.
Эти соображения взаимозависимы; так законодательными ограничениями установлены концентрации выбросов в атмосферу, наносящие ущерб животному или растительному миру.
В разделах этой главы обсуждаются вопросы ограничения концентрации выбросов в атмосферу и концентраций примесей на
26
--------------- page: 27 -----------
уровне почвы; коротко рассмотрены географические факторы,

влияющие на концентрацию газов, а также организация законодательного контроля за загрязнением воздушного бассейна в основных промышленных странах мира.
1.
Ряд промышленно развитых стран разработали или разрабатывают в настоящее время «стандарты на показатели состояния воздушного бассейна», которые должны определить, что может внести

в атмосферу источник загрязнения по отношению к составу газовой

среды в рассматриваемой зоне или регионе. На Межрегиональном

симпозиуме по критериям качества воздуха и методами измерений

(1963 г.) [953]. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ)

приняла и определила четыре уровня загрязнения, выраженные в

концентрациях загрязняющих веществ и времени экспозиции (пребывания человека в данной атмосфере), на основе которых возможна разработка аналогичных стандартов в различных странах.

Эти уровни, одобренные впоследствии Экспертной Комиссией ВОЗ

по состоянию воздушного бассейна, определяются следующим образом:
1-й
гласно современным данным, не наблюдается прямого или косвенного воздействия на организм (включая изменения рефлексов или

приспособительных защитных реакций). Это граничный уровень;
2-й
выше которых проявляются признаки раздражения органов

чувств, угнетающего действия на растительность, возникает ухудшение видимости и другие неблагоприятные явления в окружающей среде;
3-й
выше которых возникают нарушения жизненных физиологических

функций или изменения, ведущие к хроническим заболеваниям и

уменьшению продолжительности жизни;
4-й
и выше которых возникают острые заболевания или наступает

смерть значительной части населения.
Подробный перечень Стандартов на качество воздуха, соответствующий 1-у уровню, разработан в СССР. В сокращенном виде

он приводится в табл. 1-1 [88.1]. Однако Стандарты на качество

воздуха в СССР являются гигиеническими стандартами, к достижению которых нужно стремиться, и пока они не будут достигнуты, необходимо пользоваться временными «Санитарными нормами», зависящими от реальных условий [687 а].
Смеси. При наличии токсичных свойств максимальная допустимая концентрация (МДК) примеси определяется из следующего

Уравнения:
МДК - Л/М1 + В/М2 + CMS+...
27
--------------- page: 28 -----------
ТАБЛИЦА 1-1
Содержание примесей в воздухе

(нормы СССР) [8811
Стах* единовременно
Стах, средняя за 24 ч.
Принеси
мг/м3
МЛН-1
мг/мЗ
ЫЛН-1
Азотная кислота

HN03
0,4
0,14
Н+
0,006
0,002
0,006
0,002
Акролеин
0,3
0,12
0,1
0,04
Аммиак
0,2
0,265
0,2
0,265
Анилин
0,05
0,012
0,03
0,007
Беизол
1,5
0,43
0,8
0,23
Диметилсульфид
0,08
0,027


Диоксид азота
0,085
0,042
0,085
0,042
Диоксид серы
0,5
0,167
0,15
0,050
Инертная пыль
0,5

0,15

Метанол
1,0
0,7
0,5
0,35
Метил ацетат
0,07
0,02
0,07
0,02
Метилмеркаптаи
9-10-е
4,4-10-6


Монооксид углерода
3,0
2,4
1,0
0,8
Мышьяк


0,003

Окись этилена
0,3
0,15
0,03
0,015
Пиридин
0,08
0,023
0,08
0,023
Пятиоксид ванадия


0,002

Ртуть


0,0003

Сажа
0,15

0,05

Свинец (без ТЭС)


0,0007

Серная кислота

H2S04
0,3
0,07
0,1
0,023
Н+
0,006
0,0014
0,006
0,0014
Сероводород
0,008
0,0053
0,008
0,0053
Сероуглерод
0,03
0,0088
0,01
0,0029
Соединения фтора

HF газ, SiF«
0,02
0,022
0,005
0,0055
NaF растворимый
0,03
0,016
0,01
0,005
AIF3, Na3AlF6, CaF* нераств.
0,2
0,1
0,03
0,015
Уксусный ангидрид
0,1
0,022


Хлористый водород

НС1
0,2
0,12
Н+
0,006
0,0037
0,006
0,0037
Этилен
3,0
2,1
3,0
2,4
* Этот показатель специально оговорен как второй нижний предел максимально допустимой концентрации и очень близок к величине, принятой в США.
28
--------------- page: 29 -----------
ТАБЛИЦА 1-2
Предлагаемое содержание примесей

в воздушном бассейне — штат Нью-Йорк [29]
Концентрация
Объект распространения
Подзоны
Примеси
продолжительность действия
1
2
3
4
Для зон и подзон
Диоксид серы
Взвешенные
частицы
Крупные частицы
млн-1, менее
99% от часа
мг/м3
24 ч
мг/см2
30 сут.
Жилая «подзо0,1 или
0,1
0,1
0,15
на»
0,25
или
или
или
0,25
0,25
0,25
Промышлен0,1 или
»
»
»
ность подзо0,25
на «Д»
Подзона «А»
50% <40
45
55
65
84%<60
70
85
100
Подзоиа «Д»
50%<65
80
100
135
84% <100
120
150
200
Подзона «А»
50%<0,3
30
60
60
84%<0,35
35
80
80
Подзона «Д»
50%<0,60
0,90
1,20
1,50
84% <0,80
1,20
1.70
2,25
Для всех зон
Окислители,
млн-1, менее

0,05
0,05
0,10
включая озон
99% от времени

млн-1, менее
_
0,15
0,15
0,15
1 ч
млн-1, менее

0,10
0,10
Фториды (в виде HF в воздухе)

Растворимые

фториды в

фураже для

домашнего

скота (на F)
4 ч

млрд-1

1
1
3
млн-1
35
35
0,10
0,15
Здесь А, В, С — концентрации веществ Ми М2, Ms и т. д.— соответствующие им величины МДК. Для смесей известного состава

(S02 и фенол, SO2 и HF, SO2 и NO2 и т. д.) МДК 'не должна превышать 10 мг/м3. В других смесях (C0 + S02, H2S + CS2) фталевый

ангидрид, малеиновый ангидрид и а-нафтахинон величина МДК

не должна превышать значений МДК отдельных составляющих.
Акт о качестве воздуха, принятый в 1957 г. в США, [880] создает структуру для разработки подобных стандартов в Соединенных

Штатах. Первые критерии, рекомендованные на основе этого Акта
29
--------------- page: 30 -----------
в 1967 г., относятся к предельному содержанию оксида серы (IV)

(в млн-1):
Максимальное
Среднее время

экспозиции
24 ч
1 Ч
5 мин
0,05—0,03
0,12—0,20
0,10-0,50
Среднее за 100

измерений
0,04—0,06
0,05—0,11
0,05—0,14
В предложенных позже (февраль 1969 г.) измененных критериях констатируется, что было бы разумнее и с большей осторожностью считать, что концентрация оксидов серы в атмосфере выше

0,1 млн-1 может нанести ущерб здоровью определенной категории

населения. Предел содержания твердых частиц равен 80 мкг/м3,

или 0,08 мг/м3. Таким образом, стандарт на содержание S02 в

США выше, чем «Гигиенический Стандарт» в СССР, тогда как

норма на содержание твердых частиц близка к норме, принятой в

СССР для сажи.
До опубликования этих данных различные штаты (Нью-Йорк,

Калифорния, Колорадо, Орегон и Флорида) уже имел,и стандарты,

устанавливающие качество воздушного бассейна, либо ставили перед собой цель их создания. В штате Нью-Йорк предпринимаются

попытки определить как зональные нормы (являлась ли зона тор-
ТАБЛИЦА 1-3
Стандарты на содержание примесей

в воздушном бассейне — Калифорния [29]
Примеси
Неблагоприятный уровень,

конц. /время
Опасный уровень,

конц. /время
Критический уровень, конц. /время
Фотохимические (уг-

леводороды, N02,

окислители, озон,

аэрозоли)
Оксид углерода
Этилен
Серовсуюрод

Диоксид серы
Твердые частицы
0,15 млн-
1
ч (кг)
Не задается
0,5
млн-1
1 ч
0,1
млн-1
8 ч
0,1
млн-1
1 ч
1
млн-1
1 ч
0,3
млн-1
Не определяли
30 млн~*
2
120 млн-‘
■или
1
или
Не определяли
8 ч
Снижение видимости до

3 миль (— 4,8 км)

при 70% влажности

воздуха
Не задается
5 млн-1
1
10 млн-1

I ч
Не задается
30
--------------- page: 31 -----------
гово-промышленной или жилой), так и ограничения внутри этих

зон (субзональная классификация сельскохозяйственных, жилых,

торговых субрегионов и субрегионов с тяжелой промышленностью).

В табл. 1-2 приведены уровни концентрации SO2 твердых частиц

и других загрязнений.
Содержание некоторых примесей в воздухе всех регионов:
мг/м3
Туман HjjS04 . . . 0,10 H2S (1ч). . . 0,10

Бериллий . . . . 0,01 СО (8ч)... 15
В Административных Правилах штата Калифорния установлены три уровня качества воздушного бассейна: неблагоприятный,

вызывающий опасения и критический (аварийный), которые соответствуют 2, 3 и 4-у уровням ВОЗ. В табл. 1-3 приведены эти

уровни для ряда загрязнений. Стандарты, принятые для других

зон, учитывают меньшее число загрязнений.
2.
Поскольку стандартами на .качество воздушного бассейна установлена (в частности, в СССР) желаемая максимальная концентрация загрязняющих веществ, допустимая в определенный период
ТАБЛИЦА 1-4
Предельные (пороговые) значения загрязняющих

веществ в непожарных промышленных газах [236]
Примеси
ACGIH*.

млн—1
Концентрация
МЛН-1
мг/м3
Анилин
Бензин
Бром
Бромистый водород

Диоксид азота

Диоксид серы

Диоксид углерода

Муравьиная кислота

Озон
Оксид углерода
Перекись водорода
Пиридин
Сероводород
Тетрахлорметан
Толуол
Фтор
Фтористый водород

Хлор
Хлористый водород

Хлороформ

Цианистый водород

Этанол
5
5
19
25
25
18
0,1
0,1
0,7
3
3
10
5
9
5
5
13
5000
5000
9000
10
16
0,1
0,1
0,2
50
50
55
1
1
1,4
5
5
15
10
10
15
50
25
65
200
200
750
0,1
0,2
3
1,5
1
1
1
3
5
5
7
50
50
240
10
10
11
1000
1000
1600
д * ACGIH — American Conference of Governmental Industrial Hygienlsts (1966) — Рекомеи-

комитета no пороговый пределам Американского Объединения государственных и

ромышленных санитарных врачей.
31
--------------- page: 32 -----------
времени при наилучших методах очистки, очень важно дать относительно точное определение концентраций загрязняющих веществ,

соответствующих 3- и 4-му уровням по классификации ВОЗ.
Определение опасных уровней концентраций и времени экспозиции является очень сложной процедурой и существенно зависит

от вида экспонированных растений и животных. В общем случае

растения более чувствительны к загрязнениям, чем животные и

чем человек. В целях промышленной гигиены Американское объединение государственных и промышленных санитарных врачей

(АОГ ПСВ) рекомендовало предельные пороговые значения (ППЗ)

для значительного числа веществ; они представляют собой максимальные допустимые концентрации веществ, при которых здоровый

человек может работать ежедневно в течение 8 ч без ущерба для

здоровья. Эти значения (табл. 1-4) могут быть взяты за основу,

если нет дополнительной информации о данном веществе.
Ниже приведено допустимое содержание твердых частиц в воздухе:
ACGIH,

мг/м3
Пыли и дым
Аллюминий (дым)
Бериллий
Диоксид титана
Дифенил
Линдан
Мышьяк
Оксид железа (дым) ...
Оксид цинка
Пиретрум
Пятиоксид ванадия
Ртуть
Серная кислота
Сурьма
Тетраэтилсвинец
Минеральная пыль
Асбест
Диоксид кремиия .
>50% SiOj своб
5 % < SiOj[ своб. < 50 % ■
<5% SiOj своб
Карбид кремиия
Оксид алюминия
Портлаид-цемеит
Слюда
Изотопы
Период полураспада
Пороговая концентраГод
дин
ция, в воздухе

[98], мкм/мз
мс
5568

3,5
««Со
5,3

0,35
®н
12,4

22
131J

8,1
0,013
80Sr
19,9
0,00013
86$

87
0,27
e6Zn

250
0,11
Предложено,
мг/мз
15
0,002
2
2
0,5
0,25
15
15
1
0,1
0,1
1
0,5
0,1
32
--------------- page: 33 -----------
Следует отметить, например, что во время лондонского смога

1952 г. концентрация оксида серы (IV) в среднем составляла

0,7 млн-1 и достигла максимального значения (1,7 млн-1), причем

обе эти величины намного ниже ППЗ, равного 5 млн-1. Таким образом, величина ППЗ относится к здоровым людям, и при выработке «санитарных стандартов» для всего населения необходимо пользоваться значительно меньшими величинами.
Для установления опасной концентрации особенно тщательно

были исследованы такие газы, как S02, HF, оксиды азота и озон.

Уже давно установлено, что сернистый ангидрид, содержащийся

в отходящих газах медеплавильного производства, наносит значительный ущерб. Позже было признано, что представляют опасность также дымовые газы очень крупных тепловых электростанций, содержащие S02. Ниже приведены экспериментальные предельные допустимые концентрации S02 в растениях, подверженных

действию в течение 150 ч [958]:
МЛН-1
Люцерна и клевер
Яровая пшеница и шпинат
Бобовые, салат
Клубника, розы
Картофель, редис
Сахарная свекла, цветная капуста
Сернистый ангидрид особенно пагубно действует на некоторые

породы деревьев, в частности, на хвойные. Томас и Хим [859] установили влияние S02 на увядание листьев люцерны, эти данные

получены на основе их собственных экспериментов и работ О. Гара

(с, млн-1) [613]:
Увядание
Начало
50%-ное
100%-ное
Зан [959] нашел аналогичную зависимость для периодического

воздействия S02 для таких растений, как люцерна, сахарная свекла, шпинат, и красная смородина.
Вторым значительным загрязнителем являются фтористые соединения, в частности, фтористый водород и фторид кремния; они

не только пагубно действуют на растения, но и могут аккумулироваться в них. Эти вещества встречаются в отходящих газах производства фосфорных удобрений и образуются при выплавке некоторых металлов, например алюминия [346 а]. Использование растений, содержащих фториды, в качестве корма для скота может

привести к флюорозису животных (крупного рогатого скота и

овец).
Было найдено, что наиболее чувствительны к фтористому водороду гладиолусы, многие другие растения (например, абрикосо-

вые деревья, сладкий горошек) «сгорают» при обкуривании их незначительными дозами фтористого водорода. С другой стороны,
3—1144
--------------- page: 34 -----------
ТАБЛИЦА 1-5
Воздействие фтористых соединений на листву,

вызывающее начальную стадию болезни
Растения и деревья
Воздействие при дневном свете
Воздействие в темноте
1.5
5
10
1.5
5
tc
а
tc
а
tc
а
tc
а
tc
а
Гладиолусы
97
37
119
46
137
57
82
59
122
44
Люцерна*
356
149
506
203
506
182
200

ЬЬ2
132
Абрикосы
225
58
213
83
163
107
336
130
368
84
Сладкий горошек
313
327
307
148
374
141




Морковь
284
323
398
723
425
307




Белая лиственница
202
70
665
138
496
67
367
136


* По окончании воздействия видимого ожога не наблюдалось; здесь t — время воздей-

ствня; с—концентрация млн-1; tc— коэффициент воздействия; а — показатель аккумуляции — концентрация фтористых соединений в листьях, млн-1 (иа сухую массу).
при проведении опытов [2] с люцерной и канадской елью подобные

эффекты не наблюдались, однако по окончании опыта с помощью

химического анализа установлено' значительное накопление фторидов (в млн-1) в растениях (табл. 1-5).
Другие исследователи нашли, что воздействие HF (0,1 млн-1)

повредит наиболее чувствительным видам гладиолусов лишь за
5
Пока содержание фтора, аккумулированного корковыми растениями, не превышает 30 млн-1 (в пересчете на сухую массу), фураж не представляет опасности для крупного рогатого окота, однако при концентрации более 50 млн-1 он становится явно токсичным [646]. Как следует из табл. 1-5, эти концентрации (в пересчете

на сухую массу) легко достигаются в растениях, подвергающихся

воздействию газов, содержащих около 1,5 млн-1 фтористого водорода.
Хлор, как загрязнитель атмосферы, встречается не часто, хотя

хлористый водород, выделяющийся при производстве соды по методу Леблана, был одним из первых серьезных промышленных загрязнителей. Газообразный хлор менее токсичен, чем фтор или

фториды. Содержание 0,31 млн-1 хлора не действует на кусты помидоров (экспозиция—-3 ч), тогда как при концентрации 0,61 млн-1

наблюдается слабое повреждение растений, а 1,38 млн-1 хлора

вызывает серьезное поражение (при том же времени экспозиции)

[116]. Другие исследователи [369 а] нашли, что люцерна и редис

были поражены хлором при концентрации 0,10 млн-1 за 2 ч.
Данные о токсичности оксидов азота более ограничены, однако

считается, что они в пять раз менее токсичны, чем SO2. Принято

считать, что пороговый уровень для растений в этом случае равен

0,4 млн-1 [346 а].
34
--------------- page: 35 -----------
Пероксиацетилнитрат (ПАН), продукт фотохимической реакции

между оксидами азота и углеводородами, является очень сильным

фитотоксичным веществом и представляет собой угрозу в зонах,

загрязненных отходящими газами от сжигания жидкого топлива.

Даже при таких низких концентрациях, как 0,05 млн-1 растения

бывают поражены за 8 ч. Значительное повреждение гороха, томатов и петуньи обнаруживается уже при концентрации ПАН

0,5 млн-1 и времени экспозиции 1 ч и 0,1 млн-1 при времени экспозиции 5 ч.
Озон уже при очень малых концентрациях (средняя концентрация 0,033 млн-1 и максимальная 0,106 млн-1) оказывает влияние

на лиственные культуры, а при концентрации 0,8 млн-1 в течение
1
ние имеет также синергический эффект SO2 и озона [369, а; 505].

Воздействие отдельно озона (0,3 млн-1) и сернистого ангидрида

(0,24 млн-1) в течение 2 ч не приводит к повреждению листьев

табака, тогда как цри их совместном действии оказываются поврежденными 38% листвы.
Общая информация о влиянии пыли на растения довольно ограничена. В большинстве случаев пыли химически инертны и не наносят большого ущерба растениям, за исключением тех случаев,

когда ее концентрация велика и осевшая пыль прекращает доступ

солнечного света к листьям и цветам. Исключением является химически активная [97, 191] цементная пыль, и ее (воздействие на

растительность изучалось достаточно широко. Цементная пыль образует жесткую кристаллическую корку при оседании на листьях.

Под влиянием атмосферной влаги из этих кристаллов вымывается

раствор гидроксида кальция, который проникает через эпидерму

листьев и разрушает клетки.
Влияние радиоактивных изотопов можно установить, пользуясь

таблицей максимального времени экспозиции, рекомендованной в

докладе Комитета по допустимым дозам внутренней радиации

(пересмотренную в 1958 г.) и книгу Блатца [92]. Однако, несмотря

на то, что концентрации этих веществ, абсорбированных растениями, могут быть гораздо меньше рекомендованных, остается проблема накопления радиоактивных примесей в молоке, попадающих в

растения при скармливании их коровам. В общем случае содержание радиоактивных материалов должно быть на самом низком

уровне.
3.
ОТ ВЫСОКО РАСПОЛОЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ВЫБРОСОВ
Концентрации примесей, воздействию которых подвергаются

растения и животные, могут быть уменьшены путем отвода газов

с большой высоты через высокие дымовые трубы; цри этом газы

будут рассеиваться на очень большой площади. Часто это самое

Дешевое решение проблемы загрязнения атмосферы. В других
--------------- page: 36 -----------
случаях, когда по техническим или экономическим причинам нельзя уменьшить концентрацию некоторых газов до допустимого

уровня, этот метод позволяет поддерживать их низкую эффективную концентрацию на уровне почвы даже при неблагоприятных

метеорологических условиях, например, при .постоянных инверсиях

атмосферы.
Обычно температура воздуха снижается при увеличении высоты, поэтому тепловые газы, выброшенные из дымовой трубы, поднимутся на значительную высоту. При некоторых условиях может

случиться так, что слой теплого воздуха будет лежать на слое

более холодного воздуха, вблизи от уровня почвы. Это инверсионный слой, и потоку отходящего газа трудно проникнуть из дымовой трубы в него до тех пор, пока температура газа выше температуры слоя. В этом случае отходящие газы собираются в ограниченной зоне под инверсионным слоем, и их концентрация на уровне

почвы будет возрастать до тех пор, пока изменившиеся метеорологические условия не разрушат такие скопления.
Концентрации примесей на уровне почвы зависят от природы

выбрасываемого вещества, температуры и скорости выброса газов,

реальной высоты трубы, скорости ветра и температурных условий

в атмосфере. Установлено, что при малых скоростях ветра подъемная сила, обусловленная более высокой температурой газа, будет

способствовать выносу отходящих газов на значительную высоту,

а при больших скоростях ветра турбулентность обеспечит быстрое

рассеивание газов. При умеренных же скоростях ветра (6—9 м/с)

на уровне почвы отмечаются наибольшие концентрации газовых

выбросов.
Проблема определения концентраций на уровне почвы может

включать две задачи: расчет размеров дымового облака и его максимальной высоты (эффективная высота трубы Я), а также определение диффузии газов на этой точке.
В первом приближении эффективная высота трубы может быть

определена как сумма истинной высоты трубы Hs, высоты подъема

облака, обусловленного скоростью выбрасываемых газов, HVy и высоты подъема Нт, вследствие разницы температур отходящих газов

и окружающего воздуха:
H = HS + HV + HT
Для того, чтобы скорость отводимых газов была достаточна и

обеспечивала увеличение высоты облака, необходимо исключить

возможность «скольжения» дыма вдоль кромки дымовой трубы.

Для этого скорость выброса должна быть выше некоторой критической величины, являющейся, по экспериментальным данным,

функцией скорости ветра [766] (рис. 1-1). Рекомендации по выбору

подходящих скоростей выброса приведена в Британском меморандуме о высоте дымовых труб (1963 г., 1967 г.) [875], в котором для

небольших котельных (производительностью до 13600 кг/ч пара)

предлагается установить скорость выброса не менее 6 м/с при пол-
36
--------------- page: 37 -----------
Рис i-1- Зависимость скорости дымовых

газон на выходе из трубы от скорости
в,
«скольжения» дыма [766]:
/ зона нулевого скольжения и скольжения

на расстояние меиее одного диаметра трубы ^

чиже ее верхней кромки, II — зона максималь-

ного скольжения на расстояние, равное одно-
му диаметру трубы; III — то же, иа расстоя- ^

ние более одного диаметра.
to
кой загрузке (когда котельная |

оборудована дутьевым вентиля- $

тором) и не менее 7,6 м/с — для ^

котельных с вытяжным вентиля- §

тором. Эта скорость возрастает |.

по пару максимально до 15,2 м/с ^

для котельных производительностью 2,04 -105 кг/ч при полной нагрузке.
Для достижения такой «надкритической» скорости выброса

газов из дымовой трубы и устранения возможности скольжения

дыма может оказаться необходимым изменить конфигурацию выходного отверстия трубы; наиболее эффективной конфигурацией с

точки зрения достижения минимальных потерь напора оказались

сопла Вентури. Было предположено, что клубы дыма смогут легче

входить в инверсионный слой, чем обычный «хвост», поэтому влияние ветра на клубы будет не столь значительным [262].
Эффект подъемной силы Нт зависит от атмосферных условий,

и при выполнении расчетов, приведенных ниже, принимают, что

атмосферные условия стабильны вплоть до больших высот и на

больших расстояниях, хотя такое предположение редко находит

подтверждение на практике. Когда градиент снижения температуры по высоте больше, чем при адиабатическом понижении температуры (т. е. когда температура атмосферы снижается более чем

на 1 °С на каждые 100 м высоты), то горячее облако дыма, выброшенное из дымовой трубы, поднимется на большую высоту и

загрязнений у поверхности земли не будет отмечаться. Однако

при мягком понижении температуры (когда градиент атмосферной

температуры меньше, чем 1 °С на 100 м) или в случае температурной инверсии величина Нт стремится к минимальному значению.
Подъем дымового облака может быть рассчитан разнообразными методами с различной степенью точности. Эти методы были

Детально описаны Штромом [837] и Самерсом [784]. Ниже будут

приведены лишь некоторые из них. Известный метод Бозенивета,

Карея и Хэмитона [102] позволяет дать весьма осторожную оценку подъема дымового облака с помощью величин Нт и Н. Модификация метода Пристли [660] позволяет определить подъемную
37
--------------- page: 38 -----------
силу Нт, совпадающую с экспериментальными данными с точностью до 3%. Бозенивет, Карей и Хэлтон предложили следующие

уравнения:
1)
при х>2Hv max!
;(1--0'8^"'аХ ) (1.2)

4,77
ртах“= 1 +0,43 U/V
(1.3)
где Hv max — максимальный подъем облака, м; х— расстояние по ветру, м;

и — скорость ветра, фт/с, или м/с; v — скорость дымовых газов на выходе из

трубы, фт/с, или м/с; Q — газовый поток из дымовой трубы, измеренный при

температуре, при которой плотность дымовых газов равна плотности окружающей атмосферы, фт3/с, или м3/с.
2)
//г = (1.4)
где gc — гравитационное ускорение, равное 9,81 м/с2; Т\— абсолютная температура, при которой плотность дымовых газов равна плотности атмосферы, К;

Ts — температура дымовых газов на выходе из трубы, К;
<--£-(0.4зУ^-0.28£.т37--) + 1
где G — потенциальный градиент атмосферной температуры, равный 0,3°С/м.
Расчеты могут быть упрощены при замене выражения (1п/2+

+2/1—2) на Z в уравнении (1.4) и определении Z как функции от

х из рис. 1-2, т. е.
их
X =
3,57
Номографическое выражение уравнений (1.2) —(1.6), найденное Штраусом и Вудхаузом [835], дает решение со степенью точности, достаточной для практических целей.
Метод, предложенный Пристли [660], основан на предположении, что поднимающийся газ находится в турбулентном движении, вызванном самим облаком;

сделаны допущения о захвате

воздуха дымовым облаком, о распространении облака и о потери

количества движения и тепла из-
Рис. 1-2. Подъемная сила облака дыма,

как функция X и Z.
--------------- page: 39 -----------
за горизонтальной диффузии, а также о подъемной силе облака.

Эта самогенерируемая облаком турбулентность накладывается на

турбулентность атмосферы, обусловленную ветром, и чаще всего

является доминирующим фактором в начальном подъеме облака.
Показано также [660], что подъем, обусловленный подъемной

силой, и подъем за счет скорости выброса не строго аддитивны,

как это предполагалось ранее (стр. 36), и суммарный подъем (Меньше суммы отдельно взятых величин. Хотя теория Пристли не дает

одной формулы для всех условий, из >нее могут быть получены подробные, приблизительные формулы для разнообразных условий.

Так, для спокойной атмосферы подъем за счет подъемной силы

описывается следующим уравнением:
где Е—мощность источника тепла по отношению к окружающей атмосфере

(БТЕ/с, или 1,055- 103 Вт); Ср — удельная теплоемкость газа при постоянном

давлении (БТЕ/фунт, 2,326 кДж/кг); ,р — плотность газа на выходе из дымовой

трубы, равная 0,09 кг/м3.
Для сильной инверсии со слабым ветром (что приводит на

практике к самым суровым атмосферным условиям) можно использовать эту же формулу, заменив значение с на 0,265 т. е.

заменив (1,55~’^) на 0,414 u_1/« [661]. При скорости ветра свыше

3 м/с и понижении температуры, близком к адиабатическому, та

же зависимость от Е и от скорости ветра записывается в виде
Это соотношение было экспериментально проверено иа двух

площадках, для которых значение а составляло 4900 'и 6200 соответственно [532]. Для ровной поверхности и нейтральной атмосферы предлагается значение а=5700. Эти уравнения подчеркивают

важность роли тепла отходящих газов в подъеме облака за счет

подъемной силы.
Формула, принятая Американским обществом инженеров-меха-

ников (ASME) [780], основана на тех же предположениях, использующих зависимость высоты от корня четвертой степени мощности

источника тепла, но она учитывает реальную высоту дымовой трубы Hs:
Мозес и Карсон [583] опубликовали эмпирические уравнения,

основанные на исследованиях в Аргоннской национальной лаборатории и на других опубликованных экспериментальных данных;

форма этих уравнений основана на уравнении Холланда. Используются три состояния стабильности, основанные на изменении тем-
(1.7)
Яг= (6,81 +0,0677ЯХ) Еу*/и
(1.9)
39
--------------- page: 40 -----------
пературного потенциала с высотой (dQ/dz) —от верхней кромки

дымовой трубы до верхней кромки дымовой шапки:
Состояние
Нестабильное .

Нейтральное .

Стабильное ,
dB/dr, К на 100 м
Я7
. Менее—0,22
. От —0,22 до 0,85 (0,35i»D — 3,28 VE)ju

. >0,85
Примечание. D — диаметр дымовой трубы иа выходе. Hj и D —

в м; v н и в м/с.
Тщательное изучение дымовых шапок на крупных теплоэлектростанциях, работающих на твердом топливе, показало, что большинство уравнений дает завышенные значения для подъема дымовой шапки при низкой скорости ветра, тогда как при умеренно

больших скоростях ветра (свыше 3 м/с) по уравнениям Карсона

и Мозеса получают наиболее точные значения [151].
Оба метода расчета концентраций на уровне поверхности, возникающих при выбросе газов из точечного источника,— Бозанкве-

та и Пирсона [74, 103] и Сэттона [843]—дают примерно одинаковые решения, поэтому ниже приведено только чаще используемое

уравнение Сэттона.
Для расчета требуется выбор подходящих коэффициентов вихревой диффузии Су и Сг, которые являются функцией направления

ветров, степени турбулентности и других факторов. Они могут

быть выбраны для соответствующих атмосферных условий и высоты дымового облака из табл. 1-6.
ТАБЛИЦА 1-6
Обобщенные коэффициенты турбулентной

диффузии СуСг [311J и число турбулентности
Высота
Большой диапазон
Нулевой или

малый диапазон
Умеренная инверсия
Большая инверсия
источника

над землей, м
С.,
с
С
С
С„
С
С.
С
У
г
У
Z
У
г
У
г
0
0,128
0.073
.
0,073
0,043
0,046
0,027
0,036
0,021
9,75
0,128
0,073
0,073
0,043
0,046
0,027
0,036
0,021
25
0,073
0,043
0,027
0,021
30
0,070
0,040
0,026
0,020
46
0,061
0,036
0,023
0,019
61
0,058
0,033
0,021
0,017
76
0,055
0,030
0,020
0,016
•92
0,049
0,027
0,017
0,014
107
0,040
0,021
0,017
0,011
п
0,20
0,25
| 0,33
0,50
40
--------------- page: 41 -----------
Использование этих коэффициентов предполагает ровную поверхность местности, что редко встречается на практике, поэтому

результаты расчетов чаще дают завышенные значения концентраций на уровне земли.
Уравнение Сеттона для концентраций газообразного загрязняющего вещества на уровне поверхности, выраженных в млн-1

(в об. частях), на расстоянии х im .по ветру и у м против ветра от
источника:
2- 106Q' Г 1 / у3 На \1
с~ пСгСуих2~п ехР[~ х2-п \<?у+ С* )\
где Q’ — интенсивность выброса загрязняющего газа, фт^/с, или 0,0283 м5/с;

п — коэффициент турбулентности (безразмерный).
Это уравнение дает максимальное значение концентрации на расстоянии Хтгх по Ветру
Qnax = 2g35»10^ ufj2 ’~q
где
. г/(а-л)
-(—Y
-\cz )
(1.13)
На практике максимальная концентрация обнаруживается на

расстоянии, в 10—15 раз превышающем эффективную высоту дымового облака по ветру от источника, которая приблизительно в

20—25 раз больше реальной высоты дымовой трубы гири вьгбросе

горячих газов. Когда с газовой смесью выбрасываются настолько

мелкие твердые частицы, что они уносятся как молекулы газа

(т. е. частицы субмииронных размеров), то в результате расчетов

получают концентрацию их на поверхности в г/м3 вместо млн-1

(при замене интенсивности выброса газов, выраженной в м3/с, в

уравнении (1.11) на интенсивность пылевыделения в кг/с).
Средняя интенсивность выпадения твердых частиц может быть

найдена из следующего выражения [102]:
М = 2,956-10*-
Wb
“ ^ 20# j
2o//u+a
f 20 H
И2
Г
' 20/ j
{ «
(I.H)
где М — интенсивность выпадения, мг/(м2-сут); W — интенсивность пылевыделения, кг/с; Ь — время, в течение которого ветер дует в пределах 4-5° от заданного

направления, с; } — скорость свободного падения частиц, м/с.
Это уравнение можно записать в следующем виде:
Wb- Ю6 / / х \
М ~ Я2 F ( и ’ И )
Здесь F(f/u, х/Н) заменяет выражение в квадратных скобках в

Уравнении (1.14). Эта функция может быть представлена графически для различных отношений flu и х/Н (рис. 1-3).
41
--------------- page: 42 -----------
X///
Рис. 1-3. Зависимость скорости отложения твердых частиц из облака от расстояния от трубы при различной скорости выпадения и скорости ветра (х— расстояние в направлении ветра; Н—высота трубы).
В реальном случае в поднимающемся дымовом облаке выбрасываются частицы различных размеров при разной скорости ветра.

Тогда для получения точной картины необходимо рассчитать интенсивность выпадения твердых частиц определенной группы

(классы частиц с размерами в определенных пределах) при различных скоростях ветра и на разном расстоянии от источника. Для

приблизительных расчетов обычно принимают среднюю скорость

ветра, равной 6 м/с.
Для частиц размерами менее 20 мкм можно использовать более

простое уравнение, предложенное Хокинсом и Конхебелем [604]
М = 3,246-Ю10 -цф
(I.I6)
--------------- page: 43 -----------
В предварительных оценках, полученных на основании этих

расчетов, не учитываются некоторые важные практические явления, связанные с неравномерным распределением температуры в

атмосфере. К таким явлениям относится «лупинг» — петлеобразное

движение,— когда все облако целиком вихреобразно поднимается

и опускается на значительные расстояния по вертикали, а также

«фумигирование», при котором высококонцентрированная пыль, не

осевшая на поверхности земли ночью, резко выпадает ранним утром с началом конвекции. Тем не менее приведенные выше формулы дают основополагающие представления об ожидаемых концентрациях и интенсивности оседания.
Необходимо также сделать некоторые допущения о поведении

нескольких дымовых шапок, выбрасываемых из ряда или групп

дымовых труб. Если трубы находятся близко друг к другу, дымовые облака будут смешиваться; если же трубы удалены друг от

друга и направление ветра не совпадает с осью трубы, то взаимодействие дымовых облаков носит более сложный характер. Для

труб с одинаковой нагрузкой рекомендуется процедура А.О.И.М.

(A.S.M.E.) [39]. Простое правило для двух или более труб заключается в том, что вклад выброса от новой трубы добавляется к

выбросу от первой трубы по простой формуле [542]:
Q' (или W)-(l + tgG)
где Q', или W — интенсивность пылевыделения; 0 — противолежащий угол треугольника, катетами которого являются высота трубы и расстояние между трубами, т. е. 6=Яя/£>', a D' — расстояние между трубами.
Это выражение может быть распространено на случай трех и

более труб с использованием сомножителя (-J + tgOi-f tg02+ ...),

где 0i, 02, и т. д.— углы, образованные новьши трубами.
4.
ГАЗООЧИСТКИ
Ориентировочные данные о концентрации загрязняющих веществ на поверхности, полученные расчетным путем (см. выше),

основаны на предположении спокойной атмосферы и ровной открытой местности. Однако такого географического рельефа может не

быть в той местности, где расположен завод. Например, важными

экономическими факторами, влияющими на выбор месторасположения предприятий тяжелой промышленности, являются сырьевая

база, наличие поблизости угля или железнорудных месторождений

Для сталелитейного производства или речная долина, обеспечивающая дешевое транспортирование продуктов на баржах или

судах.
Другим фактором является доступность земельных участков и

близость города, снабжающего завод рабочей силой. Следовательно, завод может быть расположен в такой местности, где географический рельеф не способствует рассеянию загрязнений.
43
--------------- page: 44 -----------
Наиболее часто проблема охраны окружающей среды возникает

там, где наблюдается скопление промышленных и местных источников загрязнения.
Так, например, долина Мозелл между Льежем и Хау и Монокгахельская долина у Доноры, штат Пенсильвания, в 50 км от Питтсбурга, — обе являются

центрами металлургической промышленности и обе были местами основных катастроф, связанных с загрязнением атмосферы. Подробно исследованы также

загрязнения атмосферы предприятиями тяжелой промышленности в бассейне

реки Дон в Шеффилде (Англия).
Установление самих по себе высоких дымовых труб не является решением

проблемы. Плавильный завод в Перейле (Британская Колумбия) расположен

на террасе на уровне 56 м от долины р. Колумбия и высота его труб составляет 125 м. Иногда этого оказывалось недостаточно для требуемого рассеяния

дымовых газов из-за географических особенностей реки Колорадо, ширина которой составляет 0,3—0,5 мили и она окружена холмами высотой 450—900 м.

Контроль за операциями спекания вели путем определения концентрации S02

за несколько миль от завода, в Колорадо Гардене, недалеко от границы США.
Максимальной допустимой концентрацией оксида серы (IV) является

0,3 млн-1 в течение 40 мин летом и 0,5 млн-1 в течение 60 мин зимой. В Дак-

тауне (Теннеси) два медеплавильных цеха нанесли большой ущерб местности

из-за выбросов сернистого ангидрида. Высокие дымовые трубы расширили область ущерба на дистанцию до 50 км и в конечном счете, после расследования

Верховного Суда США, для переработки газовых выбросов был построен завод

по производству серной кислоты. Фирма Анаконда возвела 90-метровые дымовые трубы для плавильного цеха на отроге Скалистых гор — на 213 м выше

печей и на 3Q5 м выше ложа реки, однако наличие мышьяковистых соединений

(частицы As203, образовавшиеся при конденсации паров при температуре ниже

190 °С) отмечалось на расстоянии более 66 км в направлении господствующих

ветров.
Эти примеры показывают, насколько географические особенности местности—доминирующие ветры, туманообразование и топографические особенности—- важны для решения вопроса о степени

очистки газов до их выброса в атмосферу.
5.
ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА
Поддержание чистоты окружающего воздуха записано непосредственно в основные законодательные акты ряда государств.

В других странах контроль за чистотой воздуха осуществляется

через акты о здоровье граждан, через законодательства о нанесенном ущербе, а также с помощью обычных правовых норм. Такое

законодательство имеет силу по всей стране, например, в Англии,

Франции, ФРГ, Новой Зеландии, Польской Народной республике,

Бельгии, в отдельных штатах (как в Австралии), либо оно может

(меняться в пределах одного и того же штата (США). В связи с

большой протяженностью зон, которым может быть нанесен ущерб

из-за загрязнения воздуха, так, что этот ущерб может коснуться

даже двух стран (как в случае с плавильным производством в

Трейле), желателен как можно более широкий единый законодательный контроль. Здесь будут приведены некоторые законодатель-
44
--------------- page: 45 -----------
a
Рис. 1-4. Шкала Ригельмаина для классификации плотности дыма [4691 ■
а — эквивалентно содержанию (густоте) 20%: б — то же, 40%; в —то же, 60%; г — то же.
80%.
ства в области охраны воздушного бассейна, принятые в Англии,

США, СССР, ФРГ, Франции, Голландии, Бельгии, Скандинавских

странах, Италии, Канаде, Японии, Австралии и Новой Зеландии.
Великобритания. В Англии и Уэллсе охрана окружающей среды

основана на трех основополагающих актах, принятых парламентом:
акт о нормировании работ со щелочами и другими веществами

(1906 г.);
акт о здоровье населения (1936 г.);
акт о чистоте воздуха (1956 г.).
Другие законодательства, такие как Акт о вредном воздействии

дымов (Шотландия, 1857 г. и 1865 г.) и Акт о здоровье населения

(Шотландия, 1897—1939 гг.) действуют на территории Шотландии

и во многом подобны законам, принятым в Англии.
Акт о здоровье населения (1936 г.) содержал важные положения, позволяющие местным властям принимать решения о регулировании дымовых выбросов промышленных производств. Принятые постановления должны были утверждаться Министром жилищ

и местным управлением. Обычно в постановлениях запрещался

выброс дыма в течение более 2 мин в течение каждых 30 мин.
Это регулирование было, однако, более эффективно определено

Актом о чистоте воздуха (1956 г.) [294], который предоставил

местному управлению гораздо более широкие полномочия. Этим

законодательством ограничивался выброс дыма по его густоте; густой дым определялся как дым, дающий такое же затемнение или

больше, чем решетка 2 по шкале Ригельманна (рис. 1-4), за исключением момента зажигания печи или случая непредвиденной

аварийной ситуации.
Акт о чистоте воздуха (1956 г.) содержит требование о том,

чтобы устанавливаемые новые печи были бездымными в максимально возможной степени; печи, производительностью более

т/ч должны быть оборудованы золо- й дымоулавливающими

Установками. Контролируется также высота дымовых труб, и во
45
--------------- page: 46 -----------
всех случаях, во избежание нисходящих потоков, рекомендуемая

высота должна быть в 2,5 раза больше высоты прилегающих зданий или выше 37 м. Во всех случаях дымовые трубы на предприятиях должны быть приняты местными властями, при этом необходимо учитывать топографию окружающих зданий и местности.
Акт также дает право местным властям устанавливать площадки с контролем задымленности или «бездымные зоны» в жилых и

коммерческих кварталах, а также и другие зоны, например, для

новых промышленных предприятий. В этих зонах может быть запрещено размещение предприятий, работа которых сопровождаеся

выбросом пыли и дыма, даже если они снабжены пылеочистным

оборудованием. Другие положения этого Акта позволяют Министру жилищ и местному правительству исключить некоторые производства, создающие специфические проблемы загрязнения атмосферы, например, металлургические заводы; такие производства

подпадают под действие Акта о работе со щелочами, который тоже

находится в .ведении Министра.
Акт о работе со щелочами и другими веществами (1906 г.)

возник на основе более раннего законодательства (1863 г.), которое регулировало эмиссию газообразного хлористого водорода в

производстве соды по методу Леблана («содовой пушонки»), В настоящее время область применения Акта о работе со щелочами по

списку перечисленных в нем процессов покрывает практически все

существующие и потенциальные источники выброса вредных газов.
Администрация перечисленных в Акте предприятий обязана

зарегистрировать процесс; условие регистрации состоит в том, чтобы Главный инспектр по работе со щелочами, наблюдающий за

соблюдением Акта, удостоверился, что используются «наилучшие

осуществимые меры» для сокращения выброса вредных или

опасных газов. Перечисленные технологические процессы могут

подвергаться инспектированию: на таких производствах необходимо предусмотреть возможность отбора проб и замера параметров

потока инспекторами. Актом предписывается соблюдение некоторых узаконенных пределов, примеры которых приводятся ниже.
Предельные нормы выбросов, установленные на основании

Акта о нормировании работ со щелочами и другими веществами
(1906 г.):
^ V-VIl
Серная кислота (в пересчете S03)*

камерный процесс .

концентрирование .
Хлористый водород
(производство пушонки)
г/м3
0,46
9,2
3,5
А.
(в пересчете на S03, как эквивалент)
Фтористые соединения
Диоксид серы (в зависимости от высоты
0,23
трубы)
1,15 (до 30 м)

2,3 (выше 30 м)

0,23
Хлор
46
--------------- page: 47 -----------
Сероводород
Оксиды азота
(производство HN03 из NH3) ...
Прочие выбросы
Б. Твердые выбросы
Производство мышьяка (As203) . . .
0,05 (более 8500 м3Уч)
Производство сурьмы
(в пересчете на Sb203)
Производство кадмия (Cd)
Производство цемента
Сталелитейное производство
эмиссия дыма
кислородные процессы
агломерационные процессы ....
вагранки на горячем дутье ...
Электростанции
Пыль (частицы >10 мкм)
Дым (частицы < 10 мкм)
В.
Скорость т БОг/сут . . . 3,6 7,5 13 21 30 40

Основная высота, м
Г. Выплавка меди из руды и металлолома

(обрезки и стружки):
Скорость переплава, т в 24 ч 25 50 100 150 200 300

Основная высота**, м ... 22 31 43,5 53,5 61,6 75
Д. Производство свинца:
Объем газа, С , г/мЗ Потери РЬ,

мз/ч
5000
5000—17000
>17000
>240 000
*
зов в воздух не должны превышать 0,5% от сжигаемой серы; в выбросах не

должна присутствовать постоянная дымка.
** В действительности труба должна быть выше.
Пределы выбросов веществ, не определяемых непосредственно

законодательствам, также могут быть установлены главным .инспектором по работе со щелочами и называются «предположительными пределами». Преимуществом этих мер является то, что

такие пределы могут быть оперативно введены и изменены по

усмотрению Главного инспектора без потери времени на длитель-

ный процесс оформления парламентского Акта. Термин «предположительный» основан на том, что если предложены ограничения

на выброс какого-либо вещества, их сравнивают с указанным

«предположительным» пределом и берут за основу «предположительный» предел ввиду того, что при его установлении применялись «наилучшие осуществимые меры», требуемые Актом по работе со щелочами.
47
--------------- page: 48 -----------
ТАБЛИЦА I-\
Высота дымовых труб для различных химических

и металлургических производств (Англия)
А. Производство серной кислоты контактным способом
Произьодител ь-

ность, т/сут
Высота трубы (в ы) прн скорости газа на выход, м /с
6
9
12
15
100
31,5
30,4
30
29
300
53
50,6
49,3
48
600
75
73
71
69,5
1000
96,5
94
92
89
1500
119
116
113
112
2000
137
134
131
127
Примечания: I. Концентрация на уровне земли, рассчитанная прн 3-мннутной зкс

позиции 20 млн-1. 2. Минимальная высота трубы 36,4; Реальная высота может быт!

рассчитана по высоте А с учетом высоты близстоящих зданий (В):
Hs =0,625Л+0,935£
Б. Производство азотной кислоты
Производительность, т/сут
Объем года при

и. у., тыс. мЗ/ч
Эффективная

высота, м
Высота подъема

столба пара, м
Основная высота

трубы, м
175
24
62,1
8,2
54,6
350
28
87
11,8
76
530
71
107
142
90
700
95
125
16,5
106
1060
142
142
20,6
121
Примечание. Скорость истечения 24,3 м/с, концентрация на выходе 5,3 г/м3 N02,

скорость ветра 6 м/с.
Кроме указания предельных выбросов, Генеральный инспектор

предписывает высоту дымовых труб для сернокислотных, азотно-

кислотных цехов, медеплавильных производств и размер тепловых

выбросов S02 (табл. 1-7) [549].
Соединенные Штаты Америки. Законодательство о загрязнении

воздуха в Соединенных Штатах показывает, что Федеральное правительство через Департамент гигиенического образования и социального обеспечения, ДГОСО (Department of Health Education and

Welfare), в котором основано Отделение охраны воздушного бассейна, проникает в зону, которая ранее находилась в введении

отдельных штатов. Первоначально, в 1955 г. Конгресс принял Закон, позволяющий ДГОСО проводить исследования и оказывать

техническую помощь правительству штата и местным властям.

Следующий Акт о чистоте воздуха (декабрь 1963 г.) подтвердил

ответственность правительства штата и местных властей в области контроля, но разрешил ДГОСО оказывать им большую поддержку.
48
--------------- page: 49 -----------
Поправка 1965 г. установила общенациональные стандарты на

выхлопные газы автомобилей, а законодательство (Акт о качестве

воздуха), принятое в ноябре 1967 г., предусматривает дальнейшее

расширение участия федерального правительства США в контроле

за качеством воздуха. Этот Акт разрешает ДГОСО определять регионы, т. е. большие воздушные пространства, и районы, требующие специального контроля состояния воздушного бассейна, а также публиковать критерии качества воздуха, на которых отдельные

штаты должны основывать свои стандарты. Современное законодательство весьма могущественно, так как оно может пренебречь

законодательством штата, если последнее ему неадекватно.
По Акту 1967 г. создан Консультативный Совет по чистоте воздушного бассейна при Президенте США, а также консультативные

советы, работающие с ДГОСО. Акт требует также регистрации

добавок к автомобильному и другим топливам. Другие аспекты

деятельности Совета касаются исследований в различных областях, относящихся к методам контроля и обучения рабочего персонал а.
В 1962 г. шестнадцать штатов приняли специальное законодательство по охране воздушного бассейна, а к 1967 г. оно было

распространено на все штаты [31], за .исключением Алабамы, Мэка,

Небраски, Южной Дакоты, Вермонта, а также территории Гуама

и Пуэрто-Рика, где проблема до сих пор решается в рамках законов о здоровье граждан.
Наиболее всестороннее законодательство существует в Калифорнии, в частности, Отдел по контролю воздушного бассейна

графства Лос-Анджелес (ОКВБЛА) и зоны Залива (ОКВБЗЗ).

В этих законодательствах выбросы разделены на видимые, пылевые и газообразные и содержание их имеет пределы. В том случае,

когда они частично перекрываются, могут быть использованы все

методы регулирования. В Лос-Анджелесе и зоне Залива запрещен

выГфос дыма любого цвета, темнее чем решетка 2 по шкале Рин-

гельманна в течение более 3 мин/ч. В ряде районов требования

еще строже: например, в Аттике (штат Нью-Йорк, население около 100 ООО чел. в 1960 г.) допустим дым не темнее 1 по Ригель-

манну (20% снижение видимости), в то время как в Олбе-

ни (штат Нью-Йорк) и в Бостоне (Массачусетс) допустим

дым, соответствующий 3 по Ригельмаину (60% потери видимости) [747].
Выбросы твердых частиц, допустимые по нормам ОКВБЛА и

ОКВБЗЗ, ограничены величиной около 0,3 г/фут3, тогда как

Управление по контролю воздушного бассейна графства Оллгени

в Пенсильвании установило ограничения для выбросов мартеновских печей и других металлургических предприятий в пределах

^.2—0,5 кг/т (0,28—0,59 г/м3). Другие применяемые нормы связы-

Ва1°т мощность производства с количеством твердых частиц, которые могут быть выброшены в атмосферу. Допустимое количество

газообразных выбросов зависит от природы газа.
4 1144
--------------- page: 50 -----------
Предельная концентрация S02 в воздухе обычно равна 0,2%

(масс.) в большинстве графств, хотя ОКВБЛА в качестве контроля использует результирующую концентрацию оксида серы (IV) на

уровне почвы вместо концентрации газового выброса. Установлены

предельные концентрации выброса фторидов, оксида углорода (II),

углеводородов и ряда газов с неприятным запахом. Тенденции в

регулируюшем законодательстве таковы, что оно должно стать

скорее общим для многих графств и даже штата в целом, чем

быть делом местных властей. Кроме того, оно стремится к установлению более строгих ограничений.
СССР. Контроль за состоянием окружающей среды осуществляется Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии

и контролю природной среды. Контролируется соблюдение максимально-допустимых концентраций (предельно-допустимых концентраций, ПДК) на промышленных предприятиях, а также соблюдение и проведение в жизнь государственной политики по отношению

к охране окружающей среды.
Осуществление надзора за выбросами от промышленных предприятий производится представителями Государственной Санитарной Инспекции в случае предприятий республиканского или областного значения, или силами местных санитар но-эпидемиологи-

ческих станций в случае местной промышленности. Надзор за газоочистными сооружениями при строительстве новых предприятий

производится с того момента, как предприятие спроектировано и

выбрана строительная площадка; инспекция часто производится

местными властями. По Положению (1949 г.) ни одна тепловая

электростанция не может строиться без пылесборнош оборудования; подобные предписания, касающиеся газоочистных сооружений, распространяются на предприятия цветной металлургии, доменное производство стали и отделения рекуперации органических

растворителей.
Очень строгие законодательные значения ПДК предписываются

не только для 8-часовой экспозиции, но и для постоянного пребывания, причем значения ПДК ниже, чем принятые в Соединенных Штатах или Великобритании (см. табл. 1-1). Однако, как

было отмечено выше, Стандарты СССР представляют собой гигиенические нормы, соответствующие оптимальным условиям контроля.
Федеративная Республика Германии. Недавнее законодательство (1 июня 1960 г.), принятое в ФРГ [557], предполагает федеральный контроль и надзор за промышленностью, электростанциями и другими предприятиями, эксплуатация которых может привести к загрязнению воздуха (или к появлению шума). Это законодательство затрагивает статьи 16 и 25 Закона о профессиях и

статью 906 Гражданского Кодекса. Предыдущие законодательства

изменялись лишь в рамках администрации отдельных «земель»,

но в новой статье 16 Закона о профессиях установлена регистрация
50
--------------- page: 51 -----------
профессий и отраслей промышленности, могущих вызвать загрязнения воздушной среды, и учреждение комитета местных и федеральных властей, технических и экономических экспертов, рекомендующих соответствующим органам надзора технические и экономические ограничения загрязнений (в том числе уровня шума).

Статья 25 законодательства предписывает сроки регистрации и

гполномачивает власти осуществлять надзор за промышленными

выбросами за счет промышленности. Власти могут также потребовать от промышленного предприятия установить газоочистное сооружение в случае, когда это требование выполнимо с экономической точки зрения.
Изменение статьи 906 Гражданского Кодекса ФРГ, принятое в

это же время, всходит из следующей позиции: если промышленное

предприятие, выбрасывающее вредные газы, существовало до принятия законодательства, никакие иски по возмещению ущерба, нанесенного окружающему населению или его собственности, не принимались. В настоящее время, хотя может не быть постановления

о запрещении загрязняющего среду процесса, администрация предприятия может нести ответственность за причиненный этим предприятием ущерб.
Это законодательство заменяет предыдущие постановления,

вытекавшие из Закона об охране здоровья различных «земель» и

муниципалитетов. По новому закону правительство ФРГ («Вип-

desregierung») издало постановление, где перечислены пятьдесят

два вида оборудования, на установку которого необходимо разрешение. Оно охватывает практически все типы установок и оборудования, работа которых связана с выбросами загрязняющих веществ (4 августа 1960 г.).
Эффективные нормы выбросов были установлены Техническими инструкциями по защите воздушного бассейна (TAL). Они

представляли собой административные директивы, предназначенные для соответствующих компетентных администраций (8 сентября 1964 г.). В них содержатся предписания и специфические требования для различных цехов, которые основаны на директивах

Общества немецких инженеров (VDI), установленных комиссией

VDI по защите воздушной среды. Некоторые из этих стандартов

приведены в табл. 1-8.
Стандарты на выброс летучей золы из бойлеров производительностью свыше 10 т/ч даны в нормах VDI 2091—2093 (для битуминозных углей) и 2096—2098 (для бурых углей). Эти нормы установлены на основании серии графиков, фиксирующих максимальные выбросы, и описаны Шварцем [744].
^Более подробные стандарты определяют допустимые значения

выоросов от цементных заводов в зависимости от высоты трубы,

, производительности и месторасположения завода
Франция. Французское законодательство исходит из закона Мо-

ризе [44] (1932) и включает два принципа:
топографии
18141
--------------- page: 52 -----------
ТАБЛИЦА 1-8
Требования к содержанию промышленных выбросов

(разработаны Обществом немецких инженеров)
Источник выброса
Стандарт
Выброс, Г/мЗ
Агломерация руды
2095
0,7
Доменный газ
2099
0,05
Обработка кокса
2100
0,3
(просев, помол, размельчение)
Плавка меди
первичная
2101
0,5
вторичная
2102
0,5
Воздействие выбросов концентрации.
млн—1
Выброс
Стандарт
допустимое
длительное
периодическое
Диоксид азота
2105
0,5
1,0
Сероводород
2107
0,1
0,2
Диоксид серы
2103
0,2
0,3
Примечания: 1. Приведенные величины являются средними за 0,5-часовую экспозицию, превышение нх не допускается- 2. Выброс SO2 может повредить растительному миру. Если технология допускает, выбросы должны быть снижены.
если выброс из дымовой трубы токсичен или опасен, необходимо принять меры предосторожности для тош, чтобы свести их до

минимума перед тем, как будет выдано разрешение на проведение

технологического процесса;
для нетоксичных материалов максимальная концентрация выброшенных с дымом твердых веществ не должна превышать
1,5
300 кг/ч. Эта последняя цифра весьма консервативна и не может

быть принята современными ТЭЦ, где даже при использовании

эффективного оборудования выброс золы из труб станции мощностью по пару 360000 кг/ч превысит указанный предел в 10 раз.
В департаменте Сены предельная задымленность должна соответствовать плотности 1 и менее по шкале Рин гель манн а и не может превышать это значение больше, чем на 5% для нормального

рабочего времени печи. Для выхлопных газов установлена максимальная концентрация S02 — 2% и СО — 1%.
Позже был опубликован закон, который позволил провести в

жизнь более специфические положения [709]. В одном из них

(17 сентября 1963 г.) предусматривается создание специальных

защитных зон, а в другом (19 августа 1964 г.) —выдача разрешения на эксплуатацию промышленных предприятий, которые приводят к образованию «загрязняющих и дурно пахнущих веществ,

представляющих собой публичный вред и являющихся опасными
52
--------------- page: 53 -----------
для здоровья или безопасности .населения, губительными для сельского хозяйства, для исторических зданий, скульптур и красоты

природы» [955].
Голландия. В Голландии завод не может быть построен без

разрешения Инспектора работ. В случае возможного загрязнения

воздушной среды рекомендуются меры для очистки выбросав, которые могут быть проведены в жизнь местными властями. Для новых

бойлеров средней производительности рекомендации, основаны на

«коде положительной практики», который был предложен комитетом в 1950 г. Этот код предписывает следующее:
содержание пыли в газах (в г/м3), выходящих из дымовой трубы, должно быть меньше значения (Я/50)2, где Я— высота трубы

в м. Это означает, что для 50-метровой трубы максимальная концентрация пыли может быть 1 г/м3, тогда как для 100-метроаой

трубы концентрация может достичь 4 г/м3 (0 °С, 1 атм);
содержание крупных частиц (в т/м3) диаметром более 50 должно быть ограничено до значения 0,025 (Я/50)2, т. е. 1/40 величины

эмиссии;
высота дымовой трубы должна быть по крайней мере в 1,5 раза

больше высоты самого высокого соседнего здания.
Указанные правила распространяются только на открытую равнинную местность. Для пересеченной местности и для больших теплоцентралей должны применяться более строгие правила.
Бельгия. Установлена высота дымовых труб, через которые выбрасываются дым и газы, содержащие S02; .высота определяется

концентрацией оксида серы в газе. Принят также закон от 28 декабря 1964 г., который не разрешает некоторых видов загрязнений, регулирует использование аппаратов и ряда положений в области защиты воздушного бассейна. Существуют также местные

положения для Брюсселя и окружающих его коммун, в которых запрещен выброс дыма, сажи, пыли, токсичных и коррозианно-агрессивных газов, а также появление запахов, пара.
Швеция и Дания. В этих странах отсутствует специальное законодательство в области охраны воздушного бассейна, но контроль над производством может осуществляться центральными либо

местными органами здравоохранения.
Италия. Итальянское законодательство о чистоте воздушного

бассейна относится к 1930 г. и заключается в единых санитарных

законах 1934 г. Производства, выделяющие опасные для здоровья

нары, должны быть расположены вне городов. Вторая категория

законов относится к тем производствам, эксплуатация которых требует принятия определенных защитных мер по отношению к окружающему населению. Однако во многих случаях население активно растет вокруг предприятий первой группы, поэтому необходимо

принять специальные меры предосторожности, если предприятие

продолжает работать.
Существуют также специфические законодательства в Милане

(1952 г.) и Турине (1963 г.).
53
--------------- page: 54 -----------
Австралия. Законодательство о чистоте воздуха является делом

отдельных штатов. Так, Новый Южный Уэллс, Квисленд, Западная

Австралия и Виктория приняли специальные Акты о чистоте воздуха в то время как большинство других, в том числе Федеральная Территория, основываются на существующих положениях о

предотвращении ущерба и о контроле возможных источников загрязнения воздуха. В штате Австралия принят Акт о здоровье.
Законодательство австралийских штатов можно разделить на

две категории [492]: первая весьма сходна с многими положениями английского «Закона о работе со щелочами» с перечнем предприятий и оплатой лицензионного сбора (Новый Южный Уэллс

1961, Квиксленд 1965 г. и Зап. Австралия 1967 г.). Вторая категория похожа на «Закон о чистоте воздуха» (штат Виктория 1958 г.,

Южная Австралия 1963 г.). По законодательству всех штатов учреждены Комитеты по качеству воздуха или Консультативные комитеты (в Западной Австралии — оба, причем второй имеет технический характер), которые различаются числом членов (от 9 до

14). Акты, утвержденные Комитетами, дают право департаментам

здравоохранения создавать постановления, основанные на положениях Актов. Эта власть была использована для разработки подробного постановления, подобного «предписываемым пределам» Главного инспектора по работе со щелочами в Англии, что действительно привело к очень близким значениям предельного выброса для

различных штатов. Поскольку Акты, 'принятые в штатах Виктория

и Новый Южный Уэллс, являются типичными для других штатов,

ниже приводятся лишь некоторые детали.
Акт о чистоте воздушной сферы (1961 г.), принятый в Новом

Южном Уэллсе, дает полномочия департаменту здравоохранения,

в котором существует отдел защиты воздушного бассейна, разрешать деятельность перечисленных отраслей промышленности и назначать лицензионный налог. Его официальные представители могут посетить такое предприятие, провести замеры и потребовать

установления нового или замены существующего пылегазоочистного оборудования. Департамент может также запретить эксплуатацию перечисленных предприятий в определенных зонах; он обладает очень широкими консультативными полномочиями. Чтобы

содействовать этому, в Акте предписывается создание консультативного органа из двадцати членов из промышленности, профсоюз

зов, правительственных учреждений и Университетов.
В Акте перечислены отрасли промышленности, в которых бори

ба с загрязнением воздушной среды особенно затруднена: напри'

мер, производство чугуна и стали. Отсутствующие в списке пред*

приятия (например, небольшие котельные) контролируются мест

ными властями.
Закон о чистоте воздуха штата Виктория (1958 г.) основан н:

положениях Закона о чистоте воздуха Англии и Уэлльса (1956 г.

и специально запрещает выброс густого дыма из промышленные

труб. Другие аспекты законодательства включают вопросы надзорг
54
--------------- page: 55 -----------
над проектами новых промышленных предприятий для полнейшего

осуществления всех мер предосторожности с целью уменьшения

загрязнения, а также создание Комитета по охране воздушной

среды, который имеет право консультировать Министра по вопросам снижения загрязнения воздуха выбросами ТЗЦ, локомотивов,

судов, самолетов н автомобилей.
Соблюдение Акта контролируется отделением по борьбе с загрязнениями Департамента по охране окружающей среды (ЕРА);

его представители имеют право посетить предприятие и произвести

расследование загрязнения.
Важные положения, установленные Актом штата Виктория,

предписывают предпринимателям, строящим предприятия с газовым выбросом, представлять планы предприятия в Департамент

здравоохранения, где инженеры проверяют их и убеждаются в том,

что в проекте предусмотрены «наилучшие применимые средства»

для предотвращения загрязнения воздушного бассейна. В положениях предусмотрено также, что в процессе эксплуатации завода

должно быть предусмотрено наблюдение за выходным отверстием

дымовой трубы, т. е. видимый выброс мог быть обнаружен с территории завода. В позднейших законодательствах предложены индикаторы плотности дыма или установление телевизионных систем

в качестве альтернативы прямому .наблюдению.
В 1968 г. был утвержден Австралийский сенатский комитет по

охране чистоты воздушного бассейна (.в рамках Британского содружества наций), что, вероятно, приведет к принятию отдельными

штатами единого законодательства; возможен также отказ от законодательств Британского содружества.
Канада. Здесь, как и в Австралии, законодательство в области

очистки воздуха, является делом отдельных провинций. Так, в Онтарио в 1958 г. был принят Закон об очистке воздуха, который

позволяет муниципалитетам принимать постановления, управлять

и ужесточать политику в области борьбы с загрязнением воздуха.

В 1955 г. в Виндзоре (провинция Онтарио, который представляет

собой зону с высокоразвитой промышленностью, был .принят У1каз.

в котором не определялась запрещаемая .плотность дыма [747].

Подробная информация о борьбе с загрязнением атмосферы в определенном районе может быть получена у местных властей.
В Муниципальный Акт провинции Нова Скоша (1955 г.) была

введена поправка (1960 г.), устанавливающая право муниципальных советов ограничивать допустимые выбросы загрязняющих веществ (дым, газы, запахи). Положение дает возможность установить нормы и добиться их выполнения, потребовать установки газоочистного оборудования. Официальные представители имеют право

посетить предприятие.
Новое положение (22 апреля 1960 г.), принятое в Манитобе,

заменило более раннее Положение (№ 91, 1945 г.). В нем определено содержание загрязняющих веществ (токсичные пыль, летучая

0Ла- Дым и т. п.) и пределы выбросов, которые теперь проведены
55
--------------- page: 56 -----------
Законом. Выбросы дыма ограничены .пределами по шкале Ригель-

манна: затемнение больше 1 и меньше 2 допустимы не более чем

на 4 мин в течение 30 мин или 8 мин на любое другое время;

больше 2, но меньше 3 — не более 3 мин за 15 мин или не более
6
0,4 г/фут3 (0,92 г/м3), содержание S02 в газе не более 0,2%

(объемн.).
Положение для штата Альберты (30 августа 1961 г.) подобно

положению, утвержденному для штата Манитобы. Однако в нем

содержится требование предварительного представления чертежей

предприятия и трубопроводов в Провинциальный Совет по здравоохранению.
Новая Зеландия. Закон о здравоохранении в Новой Зеландии

(1956 г.) имеет много общего с «Законом о работе со щелочами»

(1906) Великобритании. Предприятия, на которых образуются

газы, определены как «нездоровые и раздражающие»; они должны

быть оборудованы эффективными средствами для предотвращения

их выброса, ограничен также выброс газов сернокислотных цехов.

Были назначены «химические» инспектора, имеющие право посетить предприятие, провести инспекцию и обследовать с целью надзора эти процессы.
В новозеландских положениях о борьбе с загрязнением воздуха

(1957 г.), которые были разработаны на основе закона 1956 г.,

перечисляются те же пределы, что и в постановлении Главного

инспектора (стр. 46), а также «предполагаемые пределы». Различие (и весьма существенное) заключается в более строгом контроле за выбросом газов сернокислотных цехов (1,5 г/фут3, или
3,5
Специфическими для Новой Зеландии является разработка

норм контроля работы предприятий мясной промышленности (Новозеландский регламент химической промышленности, 1960 г.)

для борьбы с запахом мясных и рыбных отбросов, что имеет гораздо большее значение для Новой Зеландии, чем для Англии.
Другой проблемой, специфической для Новой Зеландии, являет-j

ся выделение сероводорода из геотермальных источников в гористой местности, в частности, у города Роторуа. До сих пор не су

ществует никаких положений для этого источника загрязнения

однако проблема весьма серьезная, поскольку насыщенный серо-3

водородом пар используется для отопления дымов и в других

целях.
Ирландия. Ирландская республика приняла поправку к Закону^

местного правительства (Санитарная служба) в 1962 г., ©ведя

предложения, подобные предложениям, содержащимся в «Законе

работе со щелочами» (стр. 46). Этот Закон позволяет Министр

санитарной службы разрабатывать положения в следующих обла

стях:
контроль источников загрязнения атмосферы, включая выброс

сы дыма, пыли и грита;
56
--------------- page: 57 -----------
строительство и эксплуатация промышленных химических и

других предприятий, являющихся потенциальными источниками

загрязнения атмосферы;
определение максимальной концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, измерение выбросов загрязняющих веществ в

атмосферу;
исследование и получение информации о выбросе загрязняющих веществ в атмосферу (испытание, измерение и исследование

загрязнения атмосферы);
положение о потенциальных источниках загрязнения атмосферы радиоактивными материалами; определение особого контроля

за чистотой атмосферы для определенных районов;
лицензирование персонала, связанного с определенным производством или процессами, если эти производства или процессы

выбрасывают загрязняющие вещества в атмосферу, и запрещение

нанимать на такие производства кого-либо, кроме лицензированного персонала;
лицензирование предприятий, выбрасывающих загрязняющие

вещества, и запрещение выброса для всех других предприятий,

кроме лицензированных;
аннулирование или приостановление действия лицензий.
Закон также дает право официальным лицам посещать предприятия с целью проверки соблюдения постановлений. Закон распространяется также и на морские и речные суда, которые хотя и

не находятся на территории, подчиненной местным властям данного округа, рассматриваются как находящиеся в сфере влияния

ближайшего к ним округа. Это отличает его от большинства других законов, которые исключают распространение правил на судоходство в гавани.
Япония. Государственный Закон «О положениях, касающихся

выброса дыма» был принят в 1962 г. и проведен в жизнь в апреле

1963 г. До этого времени лишь несколько профектур, включая Токио и Осаку, руководствовались местными положениями о контроле за выбросами дыма. Термин «дым» относится к саже, пыли и

оксиду серы (IV), образующимся в процессах горения (в том числе на тепловых электростанциях). Закон определил также понятие «токсические вещества» (HF, H2S, Se02, НС1, N02, S02, Cl2,

SiF2, CoCl2, C02, HCN, NH3) [847].
--------------- page: 58 -----------
ГЛАВА II
ВЫБОР ОСНОВНЫХ ДАННЫХ
Для того, чтобы выбрать подходящий тип пылеулавливающей

установки, необходимо знать характеристику газов и объем очищаемого газа. Температура и химический состав газов, а также

тип улавливаемых частиц являются определяющими факторами

при выборе установки и конструкционных материалов. Необходимо

учитывать и точку росы газов, которая может быть чрезвычайно

высока в случае оксида серы(VI), а иногда определяют минимальную рабочую температуру, например в случае применения рукавных фильтров. Высокая точка росы может оказаться преимуществом, поскольку она очень часто определяет оптимальную рабочую

температуру для электростатических фильтров, улавливающих

дымы с высоким электрическим сопротивлением. В таком случае

в газовый поток иногда добавляют S03 для повышения точки

росы, и требуемое ее количество необходимо рассчитать.
Если какой-либо компонент газовой смеси поглощается раствором, необходимо знать его коэффициент массопереноса. Для удаления твердых частиц требуется их физическая характеристика: распределение по размерам, плотность и форму. Важно также знать,

являются ли частицы хорошим проводником или каковы их магнитные свойства.
В этой главе обсуждаются методы измерения температуры газа,

скорости газового потока и точки росы, размеров проб газов,

а также методы расчета некоторых параметров. Кроме того, будут!

рассмотрены основные методы определения размеров твердых частиц, так как детальное рассмотрение этого вопроса выходит за

рамки настоящей книги.
Объемы очищаемых газов могут быть найдены либо прямым

измерением газового потока в газоходе, трубопроводе или дымовой трубе или путем расчета, если известен состав газа, количество

и состав реагирующих веществ и химическая природа процесса

(обычно это процесс сгорания).
Измерение газовых потоков. Наиболее часто газовые потоки

измеряют с помощью дифференциальных манометров — устройств,
1.
58
--------------- page: 59 -----------
использующих перепад давлений,— измерительных диафрагм, трубок Вентури или трубок Пито; для работы при комнатных температурах и в нетоксичных средах (например, кондиционирование

воздуха) часто используют клапанные анемометры. При очень

Vi алых скоростях газовых потоков, когда чувствительность трубки

Пито недостаточна и с ее помощью нельзя получить стабильные

результаты, полезным может оказаться термоанемометр, принцип

действия которого основан на измерении сопротивления нагретой

проволоки, помещенной в газовый поток, в зависимости от потери

тепла. Однако этот прибор недостаточно точен и пока не нашел

широкого промышленного применения.
Иомерительные диафрагмы и трубки Вентури обычно жестко

монтируются на установке. Для нормальной работы измерительных

диафрагм необходимо устанавливать их на прямолинейном участке газохода, причем длина этого участка должна быть не менее

девяти диаметров газохода — шесть диаметров до и три диаметра

после диафрагмы; в случае очень турбулентных потоков «участок

успокоения» после диафрагмы должен быть длиннее.
Для трубок Вентури необходимы еще более длинные прямолинейные участки газохода в связи с большой длиной диффузора;

трубки Вентури сложнее в изготовлении, чем простые плоские-

диафрагмы, но их преимуществом является меньшее падение давления. Подробности о конструкциях и пределах применения этих

устройств можно найти в соответствующих каталогах.
Существует много типов трубок Пито. Для них не нужны

длинные «участки успокоения» потока в газоходе, поскольку они

служат для измерения локальных скоростей. Трубки невелики по

размерам, поэтому их можно ввести в газоход через небольшое отверстие в стенке без остановки газоочистительной установки; они

не вызывают заметной потери давления газового потока. Основной

недостаток трубок Пито состоит в том, что для определения полного газового потока необходимо провести целый ряд измерений

скоростей для установления профиля скоростей газового потока.

Затем проводится интегрирование профиля, обычно графическими

методами. Следовательно, в случае внезапных флуктуаций газового потока найденное значение расхода будет неточным.
В основном трубка Пито состоит из трубок динамического давления и трубки статического давления. В простейшей форме

(рис. II-1) в трубке типа «крюк» статическое давление может

измеряться у стенки газохода. Такая конструкция применима для

очень узких газоходов, для которых многостенные трубки Пито

м°гут оказаться слишком широкими и их введение в газоход вызо-

Вет^нарушение режима газового потока, либо когда отсутствуют

тРУбки стандартного размера. Предпочтительнее срезать переднюю

кромку трубки в виде конуса под углом 8°, но она может быть и

прямой.
Обычно трубки динамического и статического давления монти-
тся в один узел. Образцы, соответствующие британскому стан-
59
--------------- page: 60 -----------
Рис. II-1. Трубка Пито типа «Крюк» для измерения ударного давления с отдельными выпусками для статического давления в трубе или в стенке короба [185]:
1 — ударное отверстие; 2 — выпускные отверстия.
дарту (британский стандарт № 1042) [128], представлены на

рис. II-2. Для малых расходов газа рекомендуется эллипсоидальная головка, показанная на рис. II-2, в. Она более надежна, чем

цилиндрическая головка, предложенная Национальной физической '

лабораторией и представленная в ранних изданиях стандарта.

Кроме обычных трубок Пито существует обратная трубка,!
Рис. II-2. Трубки Пито с полусферической (о) и эллипсовидной (б) головкам*

для измерения статического давления:
J — уплотнители для выравнивания по центру внутренней трубки; 2 — варианты закруглеиия[

(до 3D); 3— отверстия в наружной трубе (7 отверстий диаметром D/8; наружная поверх*"]

иость гладкоотделенная без заусениц).
60
--------------- page: 61 -----------
(рис. II-3), преимуществом которой является простота ввода в газоход и большая разность давлений. В этих случаях скорость газа

(в м/с) может быть рассчитана из эмпирического соотношения
ы= 1,256 V(ДЛ/р)
где Дh — разница давлений, Па; р — плотность газа, кг/м3.
Для более низких скоростей газового потока используются

тепловые анемометры. Их работа сильно зависит от температуры,

и они нуждаются в относительно частой калибровке. В последнее

время для температур до 50 °С успешно применялись термометры;

была найдена зависимость между потоком воздуха, температурой,

влажностью и давлением [838]. Термометры особенно надежны при

непрерьшном измерении скорости газового потока в условиях комнатной температуры.
Если необходимо измерить не только скорость, но и направление движения газов, например, для сопел, центробежных форсунок

и т. п., может быть использована трубка Пито с угловым перемещением («рысканьем»). Такой прибор, снабженный сферической головкой и водяным охлаждением, был разработан в исследовательской лаборатории фирмы Юнайтед Стил [630].
При применении трубок Пито или другого прибора, измеряющего локальную скорость, эти измерения должны проводиться в

нескольких точках, желательно на прямолинейных участках газохода.
Газоходы круглого сечения обычно разделяют на ряд колец и

измеряют скорости по двум направлениям, пересекающимся под

прямым углом. При этом получают четыре значения скорости для каждого кольца. Если скорость потока у стенки трудно замерить, она может быть оценена на основании графика зависимости скорости от расстояния до стены (в логарифмических координатах) .
В случае прямоугольных газоходов или газоходов неправильной формы их сечение разбивают на ряд прямоугольников, и скорость потока

измеряют в центре каждого из них. Такое измерение обычно проводится через несколько входных отверстий, сделанных либо в одной стенке,

либо, что более желательно, в двух прилегающих

стенках газохода. В случае неустойчивых газовых потоков предпочтительнее измерять изменение потока в одной точке. Если газовый поток

находится в области обтекания, скорость в центре круглого газохода в два раза больше средней
Рис. II-3. Сдвоенная или реверсивная трубка Пито:

61
--------------- page: 62 -----------
скорости. В альтернативном варианте можно измерять скорость

на расстоянии 0,762 радиуса от оси трубы.
При относительно малых расходах газа применяются и другие

измерительные устройства, такие как переносные жидкостные газометры или сильфоны (обычно для измерения городского газа).

Клапанные вентиляционные приборы и приборы с меняющейся

апертурой (ротаметры) используются также для измерения средних газовых расходов, в частности, при технологическом контроле

процесса. Их действие основано на том, что весь газовый поток

проходит через прибор, и поэтому они используются обычно для

измерения объемов газов, отобранных в пробоотборник, а не для

измерения полного расхода газа в газоходе.
Подробное описание измерительного оборудования и приборов

можно найти в специальной литературе, например [185], и в соответствующих каталогах и справочниках.
Расчет расхода газового потока. Часто возникает необходимость

проектирования газоочистительного оборудования до пуска соответствующего основного производства, например использующего

сжигание угля или жидкого топлива (мазута), состав которых из-i

вестей. Состав выхлопных газов может быть либо рассчитан, исхо-,

дя из полного или частичного сгорания и характерного соотношения воздух — топливо, либо определен путем анализа газов на этом1

или аналогичном производстве. Тогда расчет процесса маосопере-;

носа газов сводится к расчету материального баланса. Если известна также температура газа или она может быть оценена из

теплового баланса, то можно рассчитать объем газов (типичный

пример приведен в Приложении).
2.
Определение фактической температуры газа с разумной сте-|

пенью точности является весьма существенным при выборе соот-1

ветсгвующего механизма очистки и очищающей среды.
Когда подвергающиеся очистке газы находятся в какой-либ

емкости или проходят по газоходу, температура стен которого о

личается от температуры газа, то метод измерения температуры

должен учитывать эффект теплового излучения, присущий системе

Так, если газы холоднее окружающей их стены, то стены буду

излучать тепло в направлении теплоизмерительного элемента, и

зарегистрированная температура будет выше фактической температуры газа. И наоборот, для газов, более горячих, чем газоход,

термоизмерительный элемент будет излучать тепло в направлении

окружающих стен и таким образом не достигнет реальной температуры газа. Перенос тепла излучением приводит к большой разнице температур и очень быстро растет при увеличении температуры; так, при температуре порядка 1500 °С разница достигает 200—

300 °С. В емкости или газопроводе с теплоизоляцией, где темпе-
62
--------------- page: 63 -----------
Рис. II-4. Зависимость температуры от термоэлектродвижущей силы (т. э. д. с.)

[241] для следующих термопар:
1 — иридий — вольфрам; 2 — вольфрам — рений — вольфрам; 3 — платина — 87% платины •—

13% родия; 4 — платина — 90% платины—10% родия; 5 — 99% платины—1% родия и

87% платины —13% родия; 6 — 95% платины — 5% родия и 80% платины —20% родия; 7 —

иридий —60% иридия — 40% родия; 5 — 80% платины — 20% родия и 60% платины — 40% родия; 9 — железо — коистантан; 10 — медь—константан; И — хромель — алюмель; 12—пла-
тинель.
ратура внутренней стенки близка к температуре газов, температура, измеренная термочувствительным элементом, практически равна температуре газа.
Термочувствительные элементы. К ним относятся термометры

и термопары. Обычные стеклянные ртутные термометры используются при температурах ниже 0 °С и до 350 °С. Стеклянный спиртовой термометр позволяет отодвинуть нижний предел измеряемых

температур до —80 °С. Платиновые термометры сопротивления

отличаются высокой точностью и могут применяться в пределах

от —200 до +600 °С, а иногда и выше.
Термопары медь — константан используются в пределах от

—200 до +400 °С, тогда как верхний предел для других основных

металлических термопар, из которых наиболее распространенной

является хромель — алюмелевая, достигает 1200 °С. Термопары из

благородных металлов в настоящее время могут использоваться

пРи непрерывном измерении до температуры 2400 °С или при периодическом— до 2800°С (например, термопара рений — вольфрам). Характеристика термопар приведена на рис. II-4.
Ниже приведены наиболее распространенные термопары, используемые при температуре до 2800 °С (в скобках — экстрем аль-
СЗ
--------------- page: 64 -----------
ная температура):
Медь — константан ....

Железо — константан

Хромель — алюмель ....

Платина — Pt 8,7%—13% Ph

Pt 20%—Ph —Pt 60%—40% Rh

Иридий—Ir 40% — 60% Rh •
минус 200—400 CC (£00 °C)
0—£00 °C(1100°C)
o—noo°c(i; oo CC)
0—1600 °C( 1700 °C)

0—1£00"C(1850°C)
Иридий — вольфрам

Вольфрам — W—Re
1400—2000 °C (2100 CC)*

1(00—2200 CC (2 00 °C)'*
до 2500 °C (2H00 °C)*
*
** В условиях вакуума, нейтральная и восстановительная атмосфера,
При применении термопары в агрессивных средах она должна

быть защищена чехлом. Для температур ниже 1000 °С достаточно

металлического чехла, тогда как при несколько более высоких

температурах можно использовать кварцевые чехлы; однако эти

чехлы сами являются коррозионноопасными для термопар из благородных металлов. Чехлы из .модифицированного (перекристаллизованного) оксида алюминия могут применяться вплоть до

1850 °С. При более высоких температурах можно использовать оксид бериллия.
Калибрование термочувствительного элемента. Основными

(первичными) реперными точками являются температура плавления льда (0°С), температура кипения воды (100,0 °С), температура кипения серы (444,60 °С) и температуры плавления серебра

(960,5 °С и золота (1063 °С). Вторичной реперной точкой служит

температура плавления палладия (1552°С), хотя ею может быть

и температура плавления никеля (1452°С).
Платина плавится при 1769 °С. Для дальнейшего расширения

шкалы можно использовать температуры плавления некоторых

других металлов (родий—1960°С, иридий — 2443°С и т. д.). Лох-

ман [471] использовал эталонный оптический микропирометр для

калибрования термопар из благородных металлов до 2200 °С в высокотемпературной лабораторной печи. Несколько позже Цик и

Тонсхоф [965] привели детальное описание конструкции печи

(до 2400 °С) с вольфрамовыми стенками (рис. II-5). Были приняты

специальные меры предосторожности для того, чтобы избежать

эмиссионных коррекций; для этого термопару помещали внутри

черного тела — молибденового цилиндра с покрытием из ВеО.
Радиационные потери от термочувствительного элемента могу

быть уменьшены различными путями.
Термопары различных размеров. Радиационные потери тепла

пропорциональны площади поверхности головки, образованной

спаем двух проволок. В этом случае, чем меньше термопара, те:

меньше потери тепла. Тогда, используя ряд термопар различных

размеров и нанося на график зависимость измеренной температуры от площади поверхности термопары, можно получить кривую

(которая обычно имеет вид практически прямой линии) и экстраполировать ее до температуры, соответствующей нулевой площади
64
--------------- page: 65 -----------
Рис. II-5. Высокотемпературная калибрационная печь для термопар [965]:
/ — термопара; 2 — сальник; 3— верхний электрод; 4— изоляция; 5 — нагревательный элемент; 6 — радиационные щиты; 7 — оболочка с водяным охлаждением; 8 — температурный

шов; 9 — черное тело; 10 — смотровой люк; 11 — электродный зажим; 12 — нижний электрод.
поверхности. Эта величина представляет собой измеренную фактическую температуру газа [861]. Метод особенно пригоден для замкнутых систем или для тех случаев, когда отбор больших объемов

газа, необходимых для отсасывающих и пневматических пирометров, в значительной степени влияет на температуру газа.
Отсасывающие пирометры. Другим способом определения фактической температуры газа является экранирование термочувствительного элемента от излучающих стен; для этого элемент окружают так называемыми радиационными экранами и, газы при высокой скорости просасывают через термочувствительный элемент

(обычно термопару), при этом увеличивается конвекционный перенос тепла к элементу. Число требуемых экранов зависит от

температуры газа, а выбор конструкционных материалов — как от

химических свойств газов, так и от температуры.
Так, например, инконель (75—80% Ni, 15—20% хрома, остальное -железо) может применяться при температурах до 1100—

°С при условии, что в газах присутствует лишь незначительное

количество оксида серы (IV). Для газов с высоким содержанием
5-1144
--------------- page: 66 -----------
Рис. I I-б. Устройство отсасывающего пирометра (а) с внутренним (б), оребре^

ным стальным (в) и радиационным (г) жаропрочными экранами:
1— экран термопары (тип 4т); 2 — термопара Pt—Pt—Pd; 3 — защелкивающаяся шпилЫЧ

для крепления экрана; 4 — фланец; 5 — металлический сильфон; 6 — отводы (6,35 мм) ДЛЯ

воды; 7 — трубка на всасе (31,7 мм); 8 — катушка с запасным приводом термопары; 9, 13

держатели; 10 — металлический экран термопары; // — жаропрочный экран; 12 — перехоДр
SO2 предпочтительнее использовать нержавеющую сталь с высоким]

содержанием хрома; она может применяться в этом же интервале'

температур. Для работы при более высоких температурах экрань

изготовляют из огнеупорной керамики (муллит, алунд).
Термопару обычно помещают в чехол для предотвращения ее

окисления газами. Все устройства — термопара, чехол и радиационные экраны — монтируется на конце пробоотборника из нержавеющей стали, который должен охлаждаться водой, если измеряв-*

мая температура более 900 °С. Типичный отсасывающий пирометр

представлен на рис. II-6, где показаны три типа радиационный

экранов.
Газовый поток просасывают через термопару с помощью эжек-|

тора, расход определяют с помощью измерительной диафрагмы.
а
483 ИМ
66
--------------- page: 67 -----------
ТАБЛИЦА ll-l
Эффективность термопар, экранированных

радиационными экранами из стали [479]
Температур»,
°С
Число радиационных экранов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
400
98
600
88
98
800
71
93
98
1000
54
81
93
97
99
1200
39
69
85
92
95
98
99
1400
28
55
74
83
91
95
97
99
99
1600
20
43
62
73
83
90
94
96
97
98
Примечание. Приняю, что экраны представляют собой абсолютно черное тело.
Поскольку огнеупорные многослойные экраны очень хрупки, их

конструкция видоизменена так, чтобы они могли быть смонтированы в кожухе отсасывающего пирометра (см. рис. II-6). Экспериментально было показано [54], что для отсасывающего пирометра

такого типа наилучшие результаты были получены тогда, когда

термопару помещали на расстоянии 35 мм от конца экранов. Если

термопару передвинуть ближе к входу, возможно влияние излучения стенок через входное отверстие; если ее отодвинуть вглубь,

оказывают влияние водоохлаждаемые стенки.
Точность измерения температуры с помощью отсасывающего

пирометра зависит от фактической температуры газа, температуры окружающей среды и скорости просасывания газа через термопару. Если газ не проходит через термопару, показания температуры содержат некоторую ошибку, при увеличении скорости газового потока ошибка снижается. Степень уменьшения ошибки

называется эффективностью пирометра. Эффективность отсасывающего пирометра, работавшего при скорости потока 150 м/с,

была найдена для температур до 1600 °С и числа экранов свыше

Ю (табл. II-1).
Эффективность пирометра при скоростях просасьгвания газа,

отличающихся от 150 м/с, можно получить путем умножения действительного числа радиационных экранов на коэффициент, приведенный ниже:
Скорость, м/с. . 3 6 15 30 60 90 120. 150 120 210

коэффициент . . 0,-1 0,28 0,40 0,52 0,69 0,82 0,83 1,00 1,07 1,04
Необходимо также учитывать эффект охлаждения, обусловленный отсосом газов к термопаре:
Скорость, м/с

At, °С . . .
30 60 90 120 150 180 210 240
0,5 1,5 3,5 6,5 10 14 19 25
--------------- page: 68 -----------
ТАБЛИЦА II-2
Массоперенос воздуха [в кгЦч-мм2J
Темпера-
Скорость, м/с
тура, С
30
60
80
120
150
180
210
240
270
200
0,141
0,163
0,2J5
0,362
0,408
0,489
0,571
0,652
0,733
400
0,059
0,118
0,177
0,2:56
0,295
0,354
0,413
0,471
0,531
600
0,044
0,089
0,132
0,176
0,221
0,265
0,309
0,353
0,397
800
0,036
0,072
0,108
0,143
0,179
0,215
0,251
0,287
0,323
1000
0,030
0,060
0,091
0,121
0,151
0,181
0,212
0,242
0,272 1
1200
0,026
0,052
0,079
0,105
0,131
0,157
0,183
0,209
0,236
1400
0,023
0,046
0,069
0,092
0,115
0,138
0,162
0,184
0,207
1600
0,020
0,041
0,002
0,082
0,103
0,124
0,144
0,165
0,186
Поскольку плотность газов при высоких температурах ниже,;

чем при температуре окружающей среды, а маосо,перенос измеря-]

ется после того, как газы охладились при проходе через пробоотборник с водяным охлаждением, то при измерении скорости газового потока с помощью измерительной диафрагмы необходимо [

ввести поправку на плотность. Значения массопереноса воздуха!

приведенные в табл. II-2, позволяют оценить скорость газа у термопары с использованием данных, полученных на измерительной

диафрагме.
Металлические радиационные экраны в процессе эксплуатации

быстро темнеют и ведут себя как абсолютно черное тело (коэффициент излучения равен 1), тогда как экраны из огнеупорной

керамики светятся при высокой температуре, и их коэффициент

эмиссии меньше единицы.
Эквивалентное число других экранов может быть вычислено с

помощью коэффициента f — функции отношения толщины отражающей трубки w и ее теплопроводности х (табл. II-3):
(II.2)
где w — толщина трубки, мм; х— теплопроводность трубки, кал/ (мм - с• °С) \

Т — температура, °С; а — константа.
ТАБЛИЦА II-3
Значения f для различных wjy. [479]
Температура. °С
Е'/Я-Ю—2
10
20
50
100
1000
0,1
0,2
0,6
1,1
1200
0,2
0,3
0,9
1,8
1400
0,3
0,5
1,3
2,6
1600
0,4
0,7
1,8
3,6
68
--------------- page: 69 -----------
ТАБЛИЦА II-4
Число простых металлических экранов, эквивалентных

жаропрочному экрану
Излучательиая способность
/
1
0,8
0.6
0,4
0,2
0
1,0
1,2
1,5
2 0
3,0
1
1,4
1,6
1,8
2,2
3,2
2
1,7
1,9
2,1
2,4
3,3
3
2,0
2,1
2,3
2,6
3,5
4
2,2
2,3
2,5
2,8
3,6
Для известного значения коэффициента излучения огнеупорного материала и значения f из табл. II-4 можно найти эффективное

число металлических экранов, эквивалентное одному экрану из

огнеупорного материала.
Для огнеупорных экранов следует сделать необходимый допуск

на шероховатость поверхности, равный }2, таким образом эквивалентное число экранов следует умножить на 1,41. Если огнеупорные экраны изготовлены из набитой трубы (тип Шака), то коэффициент допуска равен 2,5. Пример, иллюстрирующий это положение, приведен в Пр иложении.
Для расчета эффективности всасывающего пирометра можно

также использовать более быстрый метод, позволяющий получить

оценочное значение реальной температуры газа. Метод основан на

том, что эффективность прибора резко возрастает (от нуля) с начала ускорения газа и растет медленнее при дальнейшем увеличении скорости газа. Поэтому форма кривой скорость — температура

от нулевой до реальной скорости газового потока может быть использована для определения эффективности пирометра при любой скорости потока. Для определения формы кривой .необходим

еще один фактор, характеризующийся температурой Tyi, показанной прибором при скорости потока, равной одной четвертой максимальной скорости. Коэффициент формы k равен
k = :
1/4
(II.3)
гДе То и Тщах температура, показанная прибором соответственно при нулевой
и максимальной скорости потока.
Ниже приведена эффективность при максимальных скоростях

потока при различных коэффициентах формы:
Коэффициент формы
Эффективность, %
98
11
29
Инерционность отсасывающих пирометров относительно невелика и зависит от материала головки. Так, для металлических готовок равновесная температура достигается в течение 2 мин, тогда

к для циркониевых головок это время в два раза больше.
69
--------------- page: 70 -----------

Если плотность газов мала (т. е. ниже плотности атмосферного"

воздуха), коэффициент теплопереноса от газа к термопаре мал,и

и при 30 кПа ошибка для обычного отсасывающего пирометра со-1

ставит около 5%. Эта ошибка может быть устранена, если спай»

термопары поместить в поток газа, движущийся вдоль него со|

скоростью звука, непосредственно за горловиной суживающегося

сопла, смонтированного в конце внутреннего радиационного экрана [14].
Пневматический пирометр. В тех случаях, когда газ просасывается через сужение в трубе, падение давления в этом сужентця

является функцией его геометрии, расхода и плотности газа. Плот^

ность, в свою очередь, зависит от абсолютного давления газа, er\#

абсолютной температуры и состава.
В пневматическом пирометре постоянная проба горячего газа»

просасывается через сужение, охлаждается и затем просасывается

через второе сужение, где измеряется его температура. Температур

ру горячего газа рассчитывают, зная перепад давления при егсь

переходе через два сужения и температуру во втором (холодном)!

сужении. Расчет может быть проведен автоматически с помощью

простой аналоговой вычислительной машины.
В общем случае для несжимаемого газа падение давления Ар

в сужении трубки связано с массопереносом m уравнением
Ар = kma/p
'

где k — коэффициент сужения сопла; р — плотность газа.
Из газового закона
р = MP/RT
где М — масса 1 моль газа; Р — общее давление газа; R — универсальная газо-,
DOQ ПП^ТПОННЯС
вая постоянная.
В пневматическом пирометре сужения расположены последовательно, поэтому массоперенос одинаков для обоих сужений. Если

индекс 1 относится к горячему газу, а индекс 2 — к холодному, то
■PiApiAf]
k1RT1 ~ k2RT2
Если потеря давления между двумя сужениями настолько,

мала, что ею можно пренебречь, то Р\ = Р2. Далее, поскольку дне-*

социация молекул, например, в отходящих газах, пренебрежимо

мала при температурах до 2000 °С, то М\ = М2. Даже для температур около 2500 °С рассчитанный эффект диссоциации составляет

лишь 5% для отходящих газов типичного состава [392].
Необходимо также соблюдение условия, чтобы между сужениями не происходило конденсации паров и поток находился в турбулентном режиме. Тогда уравнение (II.5) может быть упрощено
^ = k-$rT*
где k=kilk\.
70

--------------- page: 71 -----------
Рис. II-7. Пневматический пирометр Вентури [392]:
/ — датчик температуры; 2— горловина Вентури (холодная); 3 — трубка для газа; 4 — линии

давления; 5 — горловина Вентури (горячая); 6 — уплотнительное кольцо; 7—верхняя точка

отбора давления; 8 — вставка Вентури.
В приборе, разработанном в лабораториях B.C.R.M.A [392], этот

принцип используется в пневматическом пирометре Вентури, показанном на рис. II-7.
Пробоотборник диаметром 57 мм с водяным охлаждением изготовлен из бронзы или нержавеющей стали. Его длина зависит от

конкретной области применения. Разработка горячего циклона

Вентури представляется весьма сложной. Он изготовлен из коррозионностойкой стали и герметично соединен со штуцером с помощью каучуковых О-образных колец.
Водоохлаждаемая трубка облицована бронзой, чтобы предотвратить конденсацию влаги, содержащейся в газах. Холодный

Циклон Вентури расположен за водоохлаждаемой секцией; темпе-

ратуру Газа определяют с помощью платинового термометра сопротивления, поскольку изменение сопротивления этих термометров

пропорционально абсолютной температуре в рассматриваемой области температур.
Контрольно-измерительная аппаратура [482] должна автоматически обеспечивать решение уравнения (II.6). Для этого разность

Давлений Ар, и Дрг преобразуется в электрические сигналы с помощью датчиков давления—преобразователей Бодуэна, рассчитанных на давления от 0 до 5 кПа и питаемых переменным током

кГц от транзисторного осциллографа. Каждый датчик включает

себя дифференциальный трансформатор, поэтому выходной сигал пропорционален приложенной разности давлений. Переменный

к сигнала выпрямляется с помощью кремниевого выпрямителя,

затем один сигнал проходит через термометр сопротивления,
71
--------------- page: 72 -----------
а другой — поступает на подвижный контакт потенциометра. Раз-

ность потенциалов на сопротивлении подается на вход потенцщ

метра, который показывает непосредственно абсолютную темпера-

туру горячего газа.
Это устройство гораздо проще, чем существовавшие ранее, где

вместо термометров сопротивления применялись термопары.
3.
о-
Точное определение точки росы очищаемых газов играет пера

степенную роль, так как проведение очистки при температурах

ниже точки росы приводит к осаждению капель воды, в которой

могут раствориться коррозионно-активные вещества, например оксид серы (IV). Это значительно сокращает срок службы установи

Так, для некоторых фильтров он снижается от нескольких лет н

прерывной работы до нескольких часов. Кроме того, это привод^

к коррозионному разрушению как самой газоочистительной уста-

новки, так и технологического оборудования — например экон

майзера в котле-утилизаторе.
В газах сгорания влага образуется как из используемого для

горения воздуха, так и из водорода топлива. Следовательно, в дни

с высокой влажностью воздуха отходящие газы после их охлаждения до температуры окружающей среды будут пересыщены, и влага выпадает на пылеулавливающих устройствах, если их температура будет ниже точки росы. Если в топливе присутствует сера,

отходящие (дымовые) газы содержат оксиды серы (IV) и (VI).

Даже при очень незначительном содержании SO3 (0,005%) и 10%

водяного пара точка росы газов повышается приблизительно До

150 °С [402].
Точка росы может быть найдена с помощью прибора, измеряю:

щего температуру однородной непроводящей поверхности, поме*

щенной между двумя электродами. Сопротивление сухого материа

ла практически бесконечно, но когда на его поверхности конденст

руется пленка влаги, сопротивление уменьшается, и меж,

электродами проходит ток. Одна, из лервых моделей такого прибора

была сделана Джонстоном [402], а более современная, усовершенствованная его модификация была описана Басса и Веером [62].
В другом варианте, точка росы может быть оценена, исходя из

известного содержания SO3 в газах. Определение концентрации оксида серы (VI) затруднено тем, что очень часто содержание SO2

в 10—100 раз превышает содержание SO3, причем происходит медленное окисление SO2 до SO3. Это затруднение можно преодолеть

добавлением к абсорбирующему раствору (0,2 н. раствору щелочи)

6% чистого бензилового спирта в качестве ингибитора. С такой

же целью может быть использован бензальдегид, маннитол, или

солянокислый я-аминофенол. Оксид серы (VI) определяют в виде

сульфата. Обзор стандартных методов определения был сделай

Корбетом и Краном [175].
72
--------------- page: 73 -----------
Рис. П 8. Зависимость парциального давления H2S04 и Н20 от давления ГБ8611

/ — при 10 кПа; 2 — при 100 кПа.
Изменение точки росы может быть легко установлено,

исходя из отношения парциального давления серной кислоты (которое может быть принято равным парциальному давлению SO3)

к парциальному давлению паров воды; для этой цели используется

диаграмма Мюллера [586] (рис. II-8).
Кривые построены для давления водяного пара 10 и 100 кПа.
Найдя из стандартных таблиц точку росы чистого воздуха и паров воды, определяют точку росы газовых смесей (сложением). Например, точка росы газового

потока, содержащего 10% (объемн.) паров воды и 0,01% (объеми.) SO3 находят кал
PH2so4 0,01
■100 = 0,1%
Рн2о
На рис. II-8 повышение точки росы для этого соотношения равно 105°С.

Точка росы для рн2о=ЮкПа равна 45 °С, таким образом, фактическая точка

росы смеси будет равна 150 °С. Диаграмма Мюллера [586] позволяет с точностью до 5 °С определить изменение точки росы газовой смеси.
4.
_Путем отбора проб газового потока, для которого необходимо

выбрать или разработать газоочистное оборудование, определяют

один или несколько из следующих параметров:
основные газовые компоненты и их концентрации;

примесные газовые компоненты, включая следовые количества;

состав и концентрации жидких капель и твердых частиц в газовом потоке.
В некоторых случаях желательно, с точки зрения контроля

процесса, проводить непрерывные измерения какого-либо компонента, например кислорода в отходящих топочных газах или следы

асных веществ, однако чаще всего отбор газов является подго-

вительной стадией, позволяющей выбрать соответствующие ме-

р„2^ 0Ч1!стки и предложить необходимые конструкционные мате-
6ooTf?H от®°Ре пробы часть газового потока отводится через про-

оорник, устройство которого показано на рис. II-9. Пробоот73
--------------- page: 74 -----------
Рис. II-9. Устройство пробоотборника;
-насадка; 2 — трубка; 3 — устройство для отбора пыли; 4— расходомер; 5 —
клапан.
борник состоит из насадки, помещенной в газовый поток (обычно

навстречу движению), сборника, расходомера (который може

быть регистрирующим или интегральным) и устройств (насос;

или эжектора) для прокачивания газов через пробоотборник. В за

висимости от того, какие параметры необходимо определить при

анализе, выбирают соответствующий метод.
5.
При введении пробоотборника в газоход необходимо принять

все меры к тому, чтобы проба была отобрана из основной части

газового потока, и не из «мертвой» зоны, где нет потока, или из

зоны с неперемешивающимися слоями газа. Необходимо также не

допускать подсоса внешнего воздуха в образец. Если проба отходящих топочных газов или технологических газов отбирается в м

мент, когда реакция еще не закончилась, необходимо принят!

меры к тому, чтобы реакция (не продолжалась в пробоотборнике;

иногда пробоотборная трубка может действовать как катализато

дальнейшего процесса. Чтобы исключить это явление, использую

пробоотборник с водяным охлаждением либо другое устройство;

позволяющее «заморозить» реакцию. Поскольку нежелательная

конденсация может привести к избирательной абсорбции конденсатом одного из газовых компонентов, целесообразно отбирать

пробу при температуре выше точки росы. Если в газе присутствует

пыль, она должна быть отфильтрована перед сборником.
Для газов пробоотборником является простая трубка. До температуры 300 °С можно использовать малоуглеродистую сталь, Д°

500 °С — эту же сталь с керамической футеровкой, и до 800 °С—■

нержавеющую сталь, содержащую 18% хрома и 8% никеля. Пробоотборники с водяным охлаждением могут применяться при гораздо более высоких температурах (медь — до 1250 °С, нержавеющая сталь — до 1600 °С), тогда как керамические трубы имеют
74
--------------- page: 75 -----------
очень долгий срок службы при самых высоких температурах,

встречающихся в промышленности (металлургические печи).
Очень часто наблюдаются случаи закупоривания пробоотбор-

ной линии пылыо при ее высокой концентрации в потоке или конденсация паров в ней, поэтому необходимо принять меры предосторожности, например, прогрев линии и частую или непрерывную

смену пылевого фильтра. Для предотвращения коррозии пробоотборной линии, обусловленной присутствием в отходящих топочных

газах серной кислоты, образующейся из SO3 и сконденсированной

влаги, необходимо использовать специальные материалы для изготовления пробоотборной линии, особенно если она жестко смонтирована па газоходе для осуществления непрерывного анализа.
Методы отбора проб для постоянного контроля за ходом реакции* применимы и для анализов, необходимых для разработки

газоочистительного оборудования. Основой анализа является определение плотности, теплопроводности, ИК-спектроскопия, дифференциальная абсорбция в растворителях, изменение электропроводности растворителей и специфических физических свойств, таких

как парамагнитные свойства кислорода или радиоактивность некоторых газов от радиоактивных источников.
Приборы для измерения плотности основаны на определении

компонента, масса 1 моль которого выше, чем масса 1 моль газовой смеси без этого компонента. Наиболее типичным примером является определение оксида углерода (IV) в отходящих газах.

Плотность СОг с массой 1 моль, равной 44, значительно выше

плотности других 'компонентов: кислорода (32), азота (28) и

СО (28).
Плотномер обычно представляет собой прибор сравнения, в котором две мешалки, помещенные соответственно в воздушную среду и в анализируемый газ напротив двух дисков быстро вращаются

в противоположных направлениях, диски связаны со стрелкой

шкалы прибора. Такой прибор, известный в промышленности как

Ренарекс или Пирорекс, может использоваться и для определения

плотности других тяжелых газов в воздушных смесях.
Теплопроводность измеряется с помощью компенсационных приборов, работающих на принципе мостика Уинстона. Теплопроводность С02 составляет 60% теплопроводности воздуха, в то время

как теплопроводность СО лишь не намного ниже теплопроводности воздуха. К сожалению, теплопроводность оксида серы (IV) составляет лишь треть от теплопроводности воздуха; таким образом,

если дымовые газы содержат несколько процентов SO2 (при сжигании сернистого топлива), то измеренное содержание С02 будет

значительно выше, чем оно было бы в отсутствие оксида серы.
ИК-абсорбция представляет собой изящный метод, разработан-

НЬ1н в последние годы для повседневного промышленного примене-
ав * Британский комитет по стандартам подготовил стандарт на непрерывный

тематический анализ отходящих газов.
75
--------------- page: 76 -----------
Рис. 11-10. Устройство прецизионного фотометра (модель Дюпон 400) [586аИ
/ — отделения источника света; II— отделения для отбора пробы; III — отделения для де-*

тектора; IV—контрольный пункт; V — записывающее устройство; / —линза; 2 — ячейка для

пробы; 3— разделитель луча; 4 — фототрубка; 5 — измерительный фильтр; 6 — зеркало; 7 —

контрольный v-фильтр; 8 — оптический фильтр; 9 — контрольная ячейка.
ния [553] для анализа разнородных газов, например, SO2, СО, СО&.

Н20, N2O, СН4 и паров органических соединений. Некоторые ия

этих газов могут находиться в смеси одновременно, если толька

их абсорбционные полосы не перекрывают полосу определяемого

газового компонента. Но даже и в этом случае могут быть найдены такие оптические траектории для фотоэмиссионных трубок и

фильтров, что в их спектр излучения будет входить излучение о

длиной волны абсорбированного определяемого газа, содержащего^

ся в пробе.
Такое устройство, в котором применяется либо расщепляющийся пучок, либо двойной пучок волн, показан на рис. II-10. Если

нужно измерить разницу (в абсорбции при двух различных длинах

волн, используется расщепитель светового потока, компенсирующий

влияние интерферирующих газов и твердых частиц. С другой стороны, прибор с двойным пучком измеряет поглощение при одной

длине волны в двух пучках (один измерительный, второй — сравнения), давая точную разницу в поглощении.
--------------- page: 77 -----------
ТАБЛИЦА II-5

Измерительная способность промышленного УФ-анализатора
Газ

(или пар)
Концентрация

на выходе,

млн-1
Чувствительность, млн—1
Газ (или пар)
Концентрация

на выходе,
МЛН—1
Чувствительная, мли—1
SO2
2000
8
NH3
1000
50
N02
От 50 до 500
2
с6н6
2000
5
С12
2000
10
Диметилформ-
2000
12
амид
Вг2
1000
4
Фурфурол
1000
0,04
f2
2000
100
Толуол
2000
5
H2s
1000
3
Циклогексанон
2000
50
Ацетон
1000
50
Фенол
от 0,1 до 10
0,002
Абсорбция в ультрафиолетовой области спектра с успехом была

использована для непрерывного анализа газов в технологических

потоках (включая отходящие газы). С помощью этого метода определялись такие газы, как оксиды серы (IV) и азота (IV), хлор,

бром, фтор, сероводород, ацетон, аммиак, бензол, диметилформ-

амид, фурфурол, .толуол, циклогеисанш и фенол. Типичные концентрации и пределы чувствительности одного из таких приборов приведены в табл. II-5.
Для типичного анализа дымовых газов с целью определения

SO2 и NO2 применяется прибор с расщепляющимся пучком: SO2

сильно поглощает при длине волны 302 нм, тогда как практически

Не поглощает при длине волны сравнения — 546 нм. Интерференция с NO2, присутствующим в газе, минимальна, поскольку оксид

азота (IV) поглощает практически одинаково при обеих этих длинах волн.
Для определения NO2 в качестве измеряющей выбрана длина

волны 436 нм, а волны сравнения — 546 нм, поскольку SO2 не

поглощает ни при одной из этих волн и, следовательно, не интерферирует. Для отсечения всех волн с длиной менее 436 нм между

лампой и кюветой с образцом устанавливают оптический фильтр,

что препятствует возникновению фотохимических реакций. Можно

■предусмотреть ручное или авто'матическое переключение фильтров,

и таким образом оба газа могут быть определены поочередно. Для

того, чтобы получить линейный сишал, на выходе фотометра используют логарифмический умножитель.
Избирательная абсорбция одного из компонентов газовой смеси

является, естественно, классическим методом газового анализа.

Оксид углерода (IV) быстро поглощается раствором едкого кали,

кислород — щелочным раствором пирогаллола, а оксид углерода (II) — одним из нескольких растворителей, например аммиачным раствором хлорида меди. Все эти растворы применяются последовательно при анализе отходящих газов либо в аппарате Орса,

либо в одной из многочисленных его модификаций; при этом про-

а газа постоянно уменьшается в объеме вследствие последовательного поглощения компонентов.
77
--------------- page: 78 -----------
TCtS
с использованием парамагнитного свойства 02

(метод «магнитного ветра») [566]:
< — магнитное поле; 2 — детектор; 3 — питание перемен-1

ным током.
Прибор был автоматизирован, напри-]

мер аппарат «Моно Дуплекс» (изготови-|

тель фирма Джеймс Гордон энд K°J

ЛТД), в котором вначале поглощаете*

СОг, определяется уменьшение объема^

затем проводят дожигание несгоревшш

газов (водорода и СО) и определяют повторное поглощение СОг, причем второе

уменьшение объема приходится на содер-1

жание несгоревших газов в образце. Бо-,

лее изящный метод, применяемый и при|

значительно меньшем содержании, со*;

стоит в измерении электропроводимост»

щелочно-карбонатного раствора до и после абсорбции оксида углерода (IV).

Кислород — парамагнетик, т. е. оЩ

втягивается внешним магнитным полем, тогда как большинстве^

известных газов — диамагнетики, т. е. они выталкиваются магнит-

ным полем. Этот принцип используется в приборе, разработанно

Лером (рис. II-11) [566].
Анализируемый газ отбирают в ячейку, он проходит кольцо

выходит с противоположной стороны. В ячейке расположена гори

зонтальная трубка, на которой имеются две идентичные плати»

вые обмотки, присоединенные к мостику Уинстона, обмотки нагре)

ваются при приложении напряжения к мостику.
К части трубки приложено магнитное поле, причем полюса рас-

положены таким образом, что магнитный поток сконцентрирован!

вокруг одной обмотки. Кислород из газового потока втягивается в

это поле, его восприимчивость уменьшается, что ведет к поступле

нию новых порций кислорода в трубку и к постоянному току кислорода вдоль трубки слева направо.
Левая платиновая обмотка, нагревающая газ, становится холоднее правой, и происходит разбалансировка мостика, по которой

можно определить содержание кислорода в газе. Промышленное

применение этого метода детально описано в обзоре Стерлинга

и Хо [813].
Газы, содержащие радиоактивные компоненты, пропускают чей

рез специальные ячейки со счетчиками Гейгера — Мюллера или со

специальными счетчиками с фотоумножителями, которые соединены с регистрирующими устройствами и самописцами.
Все описанные выше методы относятся к непрерывному отбору

и анализу газов. Однако, во многих случаях это оборудование не78
--------------- page: 79 -----------
доступно либо анализ невозможно проводить на месте отбора пробы. Тогда пробу газа переносят в газоотборную стеклянную или

металлическую емкость (склянку). Газоотборные емкости представляют собой баллоны объемом от 25 до 500 мл с запорными

кранами на обоих концах. Перед использованием емкость промывают и заполняют жидкостью, которая не поглощает ни один из

компонентов анализируемой газовой смеси. При анализе дымовых

газов с этой целью обычно используют воду, подкисленную сильной

кислотой для уменьшения поглощения СОг.
В других случаях удовлетворительные результаты получают

при применении ртути, хотя она тяжелая и доставляет затруднения

в работе. Во время отбора пробы жидкость вытесняется газом,

и если давление в газовой линии не слишком мало, то с поступающей из баллона жидкостью проба газа может втянуться в баллон.
Пробы могут быть также отобраны с помощью шприца; этот

метод наиболее удобен, если последующий анализ проводят методом газовой хроматографии. Если же этот метод недоступен или

неприменим для анализа газовой смеси, то можно использовать

метод абсорбции*, причем применяют либо аппараты постоянного

давления (типа Орса), либо постоянного объема (типа Боуна и

Вилера). Необходимо отметить, что оксиды серы (IV) и углерода (IV) обычно поглощаются вместе щелочными растворителями,

и для их раздельного определения требуются специальные меры

предосторожности и специальные методы.
6.
Большинство методов, применяемых для определения основных

газовых компонентов,— абсорбция, ИК-абсорбция и др., могут

быть использованы и для определения примесных компонентов с

внесением в методы некоторых изменений. Особое место среди методов анализа следовых концентраций (в частности, углеводородов) занимает газовая хроматография.
ИК-абсорбция позволяет получить абсолютное значение объемной концентрации табулированных веществ для конкретного серийного прибора, который может работать в непрерывном режиме.

Ниже приведены абсолютные значения отклонений прибора при

максимальной его чувствительности:
Газ (пар) . . , СО С02 N02 СН4 Н20 Органические
вещества
% (об.) . . . 0,05 0,01 0,01 0,1 0,25 От 0,1
до 1,0
При
использовании газовой хроматографии отбирают неболь-

шое количество газовой смеси, которое затем анализируется. Если

отбирать большое число проб через малые промежутки времени,
Vk * -"Истоды, которые необходимо применять при анализе дымовых газов,

азаны в Британской Спецификации Стандартов.
79
--------------- page: 80 -----------
становится возможным найти изменения следовых концентраций.

Применение газовой хроматографии к таким видам анализа является сложной проблемой и не может быть описано в упрощенном

виде; желающие изучить этот вопрос должны обратиться к книгам

и специальным монографиям, таким как книга Эттра о применении газовой хроматографии в исследованиях по загрязнениям

воздуха [246].
Наиболее широко распространенными являются методы поглощения, в которых газовый поток проходит через поглотительный

раствор (или, в ряде случаев, через слой твердого поглотителя),

и отбираемый для анализа объем газа проходит через расходомер,

и измеряется им до тех пор, пока масса поглощенного материала

не станет достаточной для анализа. Основным недостатком метода

является то, что с его помощью можно определить только среднюю

концентрацию за время отбора и анализа.
ИК-абеорбция лишена этого недостатка, а с помощью газовой

хроматографии ©го можно преодолеть — по крайней мере частично— в связи с быстротой отбора небольших количеств га&а.
Подробно методы анализа* рассмотрены в недавних обзорах ;

Кея [428], и книгах Джекобса [394], Штерна [815] и Лейта [503],
Наиболее часто встречающимся в топочных газах загрязнением является сернистый ангидрид, и здесь будут описаны некото-1

рые из наиболее распространенных методов его определения.
При низких концентрациях (около 0,05 млн-1) S02 может быть

поглощен йод-крахмальным раствором в противоточной колонне*

Поглощение света в первоначальном и частично обесцвеченном

реактиве сравнивается с помощью фотоэлектрической ячейки, соединенной с гальванометром [189]. Концентрация около 5 млн-1)

может быть определена калориметрически с использованием соля-,

нокислого /i-розанилина и формальдегида, которые при взаимодей-.

/ствии с SO2 дают соединение красно-фиолетового цвета [361].
Был предложен также более сложный метод, заключающийся в

восстановлении сернистого ангидрида, адсорбированного на сили-<

кагеле, водородом с последующим образованием молибденового

голубого Были предложены и другие методы, основанные на f

окислении S02 до SO3 и последующем определении образующейся,1

серной кислоты, но в настоящее время наиболее широко приме-

няемыми аналитическими методами являются методы EDTA.
Для непрерывного анализа содержания оксида серы (IV) были1

разработаны и широко используются кондуктометр ичеекие мето- •

ды. Аппаратуру для определения S02 изготовляют многие страны,

в том числе США, Япония, ФРГ, Франция, Англия и др. Основная

сложность заключается в том, что S02 — не единственный кислый

(или ионный) газ, присутствующий в атмосфере. Его определению

мешают оксид азота (IV) и аммиак, приводя к несколько завы*
цификации Стандартов.
80
--------------- page: 81 -----------
шенным результатам при кондуктометрическом методе по сравнению с колориметрическими (по Вест — Гаеке) или другими кон-

дуктометричеокими методами (£99, 498, 853]. Кроме того, расхождение между двумя методами зависит от времени года: летом оно

больше, чем зимой.
Зейдман [749] описал метод определения оксида серы (VI) в

присутствии S02; однако он представляет значительные затруднения из-за значительно большого содержания S02 и ее постоянного

медленного окисления.
Рекомендуемый метод одновременного определения S02 и S03

в дымовых газах состоит в том, что S03 взаимодействует с парами

воды и конденсируется в виде серной кислоты при пропускании

газовой смеси через охлаждающий змеевик при 60—90 °С, что намного ниже точки росы. Оксид серы (IV) затем поглощается

раствором перекиси водорода. Этот метод широко используется и

дает воспроизводимые результаты [306]. Постоянный метод определения S02 и S03 в потоке был разработан также Наковским [591],

который использовал тот же самый принцип. Непрерывное определение содержания этих примесей может быть основано на измерении электропроводимости.
Сероводород определяют пропусканием газов через влажную

полосу бумаги, пропитанной уксуснокислым свинцом. Потемнение

полосы может быть измерено и соотнесено с концентрацией сероводорода.
Если в газовом потоке присутствуют одновременно и сероводород, и S02, необходимо разделить их подходящим аналитическим

методом. Такое разделение возможно путем пропускания смеси

через колонку, наполненную силикагелем, пропитанным сульфатом

серебра (Ag2S04), или кварцевыми волокнами, смоченными раствором KHS04 и Ag2S04, после чего оставшийся сернистый ангидрид поглощается подкисленным разбавленным раствором перекиси

водорода [105, 139].
Сероводород, адсорбированный силикагелем, может быть десорбирован раствором хлорида олова (ZnCl2) и концентрированной

соляной кислотой с последующим определением серы в присутствии индикатора молибденового голубого [139], тогда как S02 в

растворе перекиси водорода лучше всего определять по методу

Перссона [634].
Следы С02 обычно поглощают щелочным раствором с последующим измерением изменившейся электропроводности. Оксид углерода (II) определяют также путем промывания газа щелочным

раствором с последующим окислением СО на катализаторе (нагретая окись меди) и определением полученного оксида(IV).
7.
И ЖИДКИХ ЧАСТИЦ
Метод отбора проб твердых частиц из газового потока в основном такой же, как и газов, но для получения требуемой пробы не-
€—1144
81
--------------- page: 82 -----------
d
Рис. II-12. Потоки газа на входе в

пробоотборники:
а — изокинетический отбор; б — при малой

скорости отбора; в — при очень большой

скорости отбора.
обходимо применять дополнительные специальные приемы.

При отборе частиц размером

10 мкм и более и при скорости отбора меньше скорости

потока ,в газоходе рис. II-12,6),

часть газового потока будет откланяться от .заборной трубки,

тогда как некоторые частицы по инерции будут залетать в заборную трубку, и таким образом в отобранном образце окажется

большее число крупных частиц.
И наоборот, если скорость отбора пробы выше скорости потока

в газоходе (рис. II-12,в), некоторые крупные частицы будут проскакивать мимо сопла заборной трубки. Только в том случае, когда скорости отбора пробы и потока в газоходе равны — т. е. скорость изокинетична — в пробоотборнике будет собран полноценный

образец крупных частиц (рис. П-12,а). Возникающая при этом

ошибка была оценена Бадзиохом [49] для постоянной скорости

отбора пробы 7,6 м/с и различных скоростей газового потока и для

частиц размером 5 и 10 мим и плотностью 2. Из рис. И-13 видно,

что'даже при скоростях потока, вдвое превышающих скорости отбора пробы, ошибка для частиц размером 5 мкм не превышает

3%, но приближается к 20% для частиц размером 10 мкм.
Дэви [208] предложил следующую формулу для определения

ошибки, вызываемой неизо,кинетическими условиями отбора пробы для прямоугольной заборной трубы, направленной против потока
ся и„ ua/us — 1


са
4ф+ 1
где cs и са — концентрация частиц соответственно в пробе и газе; иа и и* —

скорость газов соответственно в газоходе и в заборной трубке; rf — параметр

инерционного столкновения (см. стр. 303 и сл.):
ф = £Г2С(рР-р)иа/(18ц£>)
где рР н р —плотность частиц и газа; ц — вязкость газа; D — диаметр заборной

трубки.
Пока отношение скоростей us/ua находится между 0,5 ,и 2,

ошибка в определении концентрации меньше 20% для г|)<0,1. Аналогичное значение найдено из уравнения, предложенного Бадзиохом [49].
Позже Дэви [205] исследовал варианты отбора проб в спокойной

атмосфере и при встречном ветре, а также отборы с использованием широких насадок и узким входным отверстием. Последний
82
--------------- page: 83 -----------
вариант относится к тем случаям, когда предусмотрено водяное

охлаждение заборной трубки. Рассмотрение многочисленных альтернативных решений приводит к получению различных формул,

с помощью которых можно рассчитать минимальную и максимальную скорость отбора в зависимости от физических размеров, ориентации и направления потока.
Изокинетический отбор может быть осуществлен одним из двух

путей: либо с использованием трубки нулевого типа, либо измеряя

скорость газового потока с помощью трубки Пито как можно ближе к заборной трубке (не нарушая режима потока) и регулируя

скорость отбора. В трубке нулевого типа поддерживается статическое равновесие между напорами внутри канала трубки и на ее

внешней стенке (рис. II-14).
Отводы для измерения статического напора подсоединены к

обоим плечам U-образного манометра, во время анализа регулируют скорость отбора. Однако было показано [216], что в точке

статического равновесия, особенно при низких скоростях газового

потока (менее 6 м/с), скорость отбора не строго изокинетична, поэтому даже небольшое отклонение от статического равновесия приводит к большим ошибкам в отборе проб. При более высоких скоростях ошибка меньше (менее 5% при 15 м/с для показанного

типа трубки). Бели для отбора проб предполагают использовать

трубку нулевого типа, следует предусмотреть ее калибровку в заданной области.
Разработаны различные типы пробоотборников, в которых скорость газового потока замеряется отдельно, в частности, такие

приборы разработаны Британской Исследовательской Ассоциацией Черной Металлургии (БИАЧМ) [312] и Британской Исследовательской Ассоциацией Угля (БИАУ) [350, 351]. Пробоотборники

этих ассоциаций теперь производятся в промышленных масштабах.
Пробоотборное устройство БИАУ (рис. 1Ы5) интересно тем,

что проблема предотвращения конденсации в пробоотборнике и

фильтре решена путем установки пылеулавливающего циклона и фильтра на

конце пробоотборника внутри газохода. Предусмотрены сопла различных диаметров, закрываемые съемными болтами, так что можно установить приблизи-
Рис. II-13. Зависимость измеренной концентрации частиц от скорости газа при их отборе через

сопло диаметром 25 мм:
/ частицы 5 мкм; и=0,55 мм/с; 2 —

10 мкм; и=2,2 мм/с.
6*
83
--------------- page: 84 -----------
Рис. II-14. Конструкция пробоотборной трубки пулевого типа [920].
95мм
- Низмушш

давления
Ъ 1,2 мм
тельно постоянные объемные скорости отбора в широкой области

скоростей потока в газоходе. Такое устройство может выдерживать нагревание до 350°С, однако при более высоких температурах фильтр необходимо монтировать на другом конце пробоотборника, снаружи газохода.
Циклон может работать внутри газохода при температуре до

850 °С; его можно присоединить и к другому концу пробоотборника для работы при более высоких температурах. Если при таких

высоких температурах будут улавливаться непрореагировавшие

частицы (т. е. несгоревший уголь), они будут продолжать гореть

в циклоне, поэтому необходимо «замораживать» реакцию.
Этот метод осуществляется с помощью насадки (рис. II-16),

разработанной Международной Исследовательской Организацией

Горения (МИОГ) [378, 630]. Насадка имеет коллектор и патронный фильтр из спеченной бронзы или нержавеющей стали, смонтированный в головке водоохлаждаемой заборной трубки. Сопло,

также охлаждаемое водой, снабжено съемным покрытием из нержавеющей стали; материал, оседающий на покрытии и фильтре,

собирают и подвергают анализу.
Специальное исследование формы сопел заборных трубок [903]

показало, что на практике форма заборной трубки мало влияет на

точность отбора. Если конец трубки имеет скошенную форму, его

длина не играет роли. Основное требование к трубкам— отсутствие коррозии и следов окисления.
При изготовлении заборных трубок для анализа дымовых газов

при температурах до 400 °С с успехом применяется мягкая сталь,

при более высоких температурах может возникнуть проблема

окисления. Сварной пробоотборник из нержавеющей стали пригоден для работы до 850 °С без водяного охлаждения. В случае

водоохлаждаемых пробоотборников можно использовать медь

(для периодических кратковременных отборов) вплоть до 1200 °С;

для операций при более высоких температурах применяют нержавеющую сталь.
84
--------------- page: 85 -----------
Рис. II-15. Отбор проб в коробах с циклонным уловителем и фильтром [351]

(разработан Британской Исследовательской Ассоциацией угля — БИАУ):
а Циклон и фильтр размещены внутри короба в конце пробоотборника (до 300 °С); <5—*

Циклон и фильтр расположены вне короба (при *>ЗО0°С); / — бункер; 2 — циклон; 3 — корпус фильтра; 4 — муфтовое соединение; 5 — втулка пробоотборника; 6 — трубка пробоотборника; 7—шарнирный крепящий винт; 8 — стенка короба; 9 — съемное сопло; / — место крепления циклона 2 к пробоотборнику при работе установки без фильтра; // — место присоединения муфты на линии всаса при работе установки без фильтра.
--------------- page: 86 -----------

Рис. II-16. Пробоотборник с водяным охлаждением для работы при температуре более 1100 °С:
а — деталь пробоотборнои головки; 6 — общее устройство;

I — держатель; 2 — металлокерамнческий сосуд; 3 — водоподводящие линии; 4 — облицовка пробоотборной трубки.
Охлаждающую воду подают к наконечнику пробоотборника по

концентрическим трубкам: она входит в одно кольцо и выходит из

другого. При относительно низких температурах воду лучше подавать через внешнее кольцо, чтобы пробоотборник соприкасался

с теплой водой, что уменьшило бы конденсацию в нем. При более

высоких температурах наоборот, обеспечивают доступ холодной

воды к наконечнику. Если отбор пробы производится при самой

высокой температуре, холодная вода должна вводиться через несколько отдельных маленьких трубочек, подходящих вплотную к

самым горячим частям насадки пробоотборника, и выводиться через общее кольцо.
8.
О некоторых коллекторах кратко упоминалось в предыдущем

разделе. Циклонный коллектор, применяемый в пробоотборной системе БИАУ, является высокоэффективной моделью Стейрменд

(см. рис. VI-16) диаметром 38 мм; он улавливает все частицы

диаметром более 5 мкм. Аналогичная модель, разработанная Уолтером [901], дает удовлетворительные результаты для частиц диа86
--------------- page: 87 -----------
метром более 2 мкм. Для максимальной эффективности улавливания в циклонах необходимо поддерживать очень высокую скорость потока (около 8,5—17 м/с для модели Стейрменд БИАУ),

поэтому необходимо использовать систему взаимозаменяемых сопел, чтобы перекрыть широкую область скоростей газового потока

в газоходе. На практике скорость 8,5 м/с, измеренная реометром

при комнатной температуре, соответствует скорости в циклоне

12,3 м/с при 120 °С и 15,7 м/с при 230 °С. Если отбор проб осуществляется при более высоких температурах, измеряемая скорость должна быть снижена, чтобы оставаться в пределах, обеспечивающих эффективную работу циклона.
О патронных фильтрах из спеченной бронзы или нержавеющей

стали упоминалось выше (стр. 84). Гильзы патронных фильтров

могут изготовляться из алунда, который выдерживает значительные температуры. Они монтируются либо внутри газохода, либо в

подогреваемой секции снаружи газохода. Как алундовые, так и

фарфоровые фильтровальные гильзы отличаются большим сопротивлением газовому потоку и быстро забиваются. До 350 °С внутри

газохода с успехом применялись рукавные фильтры из стеклоткани. Для более холодных газов начинают применяться бумажные

фильтровальные гильзы; их достоинство состоит в однократном

использовании, и для сбора осажденных частиц можно воспользоваться стандартными лабораторными методами.
Гутман [328] описал очень хорошо продуманное устройство для

улавливания пыли с внутренним обогревом и с тканевыми фильтрами из стекловолокна или хлопка. Устройство может работать

при очень высоких концентрациях пыли и дыма. Оно же применяется и для очистки газов с низкой концентрацией примесей, поскольку в нем предусмотрена возможность замены фильтров на

бумажные фильтровальные гильзы.
Ранее в устройствах для улавливания пыли применяли лабораторную фильтровальную бумагу, однако она не эффективна при

улавливании тонкодисперсных аэрозолей с субмикронньши частицами. В последние годы было показано, что листы с асбестовой

подложкой обладают практически 100%-ной эффективностью.

Столь же эффективны глубокие стеклотканевые фильтры с неплотной набивкой.
Фильтр БАИУ (см. рис. II-15) обычно заполняется двумя слоями стекловолокна: один слой из сверхтонкого волокна (диаметр

нитки 1—4 мкм) толщиной около 6 мм, за которым следует подушка толщиной 38 мм из более грубого стекловолокна (диаметр

нитей 6 мкм).
Для работы при более высоких температурах применяют кварцевые или алюмосиликатные волокна; температурный предел их

использования определяется температурным пределом металлического стакана. Для улавливания частиц из мартеновских газов при

температурах до 350 °С с успехом применяли стеклянные стаканы

с фильтрами из кварцевых волокон. Кварцевые волокна химиче87
--------------- page: 88 -----------
ски стойки по отношению практически ко всем соединениям за

исключением плавиковой кислоты, и это облегчает вымывание из

фильтра уловленного материала.
Другим методом извлечения уловленных материалов является

применение растворимых фильтров. Поскольку почти все газы содержат воду, рекомендуется в случае отсутствия паров органических веществ использовать для фильтров материалы, растворимые

только в органических растворителях. Например [43J, подушка из

тетрахлорнафталина улавливает частицы размером 2 мкм, она

нерастворима в воде, но растворяется в бензоле и, кроме того, может возгоняться. Подушка может быть изготовлена путем конденсации слоя тетрахлорнафталина на бумагу либо его растворения в эфире с последующим осаждением этанолом и фильтрацией

осадка через медную сетку.
При отборе проб аэрозолей широко применяют мембранные

фильтры [147], изготавливаемые многими фирмами в США и европейских странах (например, Миллнпор Филтер Корп. [573], Джел-

мен Инструменте Ко. '[295], Саториус Мембранфильтер [722]).
Отверстия мембранных фильтров весьма однородны по размерам и лежат в пределах от 0,01 до 8 мкм. Наиболее распространенные фильтры, применяемые для фильтрования аэрозолей, имеют поры размером 0,8±0,05 mkim, .но широко используются и фильтры с порами 0,65±0,03 мкм и 0,45±0,02 мкм. Следовательно, при

пылеулавливании мембранные фильтры действуют скорее как

сита. К тому же, их эффективность составляет 100% при улавливании частиц, размеры которых больше диаметра пор.
Большинство мембранных фильтров изготовлено из целлюлозных материалов, и задержанные частицы остаются на поверхности

фильтра. Они могут быть подсчитаны с помощью микроскопа в

падающем свете. Если фильтр сделан прозрачным (путем пропитки оптическим маслом), можно воспользоваться и проходящим

светом. Материал, из которого изготовлен фильтр, растворяется в

подходящих органических растворителях (эфиры — например, в

этилацетате; жетоны— в ацетоне, метаноле, пиридине и др.), поэтому частицы легко и быстро извлекаются. Мембранные фильтры

изготавливают та:кже из термостойких материалов, кислотостойких эпоксидных смюл или поливинилхлорида, стойкого в среде некоторых огранических растворителей. Фильтры могут применяться

также для идентификации специфических материалов методом

цветного пятна. Обычно эти тесты проводят на аммиак, кальций,

галоиды, свинец, сульфат- и нитрат-ионы. Шпуни и Лодж [795]

исследовали фильтрацию аэрозолей с помощью электронной микроскопии; Баум и Рисс [63] и Фридрихе [282] описали многоступенчатый фильтр для последовательного отбора проб.
Электростатические фильтры обычно не применяются для отбора проб из газоходов, хотя существует ряд моделей для отбора

проб из атмосферы. Из-за малых скоростей потока, необходимых

для работы этих фильтров, потребовалась бы установка неосу-
88
--------------- page: 89 -----------
Рис. II-17. Головка термоосадителя для отбора сверхмелкой ныли 1153|.
ществимо крупных размеров для отбора относительно больших

объемов, отбираемых из газоходов. Более того, необходимое высоковольтное оборудование, работающее от источника постоянного

тока, достаточно громоздко и транспортирование ее затруднено.
При выборе улавливающего оборудования необходимо учитывать последующую обработку материала. Если требуется определить только его общее количество, можно применять практически

любой из приведенных выше методов, поскольку улавливающее

устройство можно взвесить до и после отбора пробы, и вычислить

чистую массу образца. Если образец должен далее подвергнуться

химическому анализу, его необходимо собрать с фильтра, либо

смывая, либо используя растворитель в качестве фильтрующей

среды. Возможно, требуется определить гранулометрический состав частиц, тогда решение проблемы связано с значительными

техническими затруднениями. Если для определения размеров частиц будет использован метод жидкостной седиментации, или декантации, тогда фильтр можно промывать седиментациоиной жидкостью. Однако как для воздушной, так и для жидкостной классификации и седиментации основным остается вопрос о сохранении размеров частиц и алромератов такими, какими они были в

газовом потоке.
Возможно, единственным решением проблемы гранулометрического распределения частиц, собираемых в пробоотборнике, является применение каскадного инерционного пылеуловителя (см.

раздел 10, 94 стр.) непосредственно вместе ,с пробоотборником. Это

особенно справедливо при отборе капель. При исследовании частиц с помощью обычного или электронного микроскопа, вероятно,
89-
--------------- page: 90 -----------
лучше исключить диспергирование навального образца путем отбора специального неагломерированного образца. Это может быть

сделано при осаждении частиц на полоску с клейким покрытием

путем прососа газа и частиц через термоосадитель (рис. И-17).

Если известно время осаждения частиц, можно сделать предположение об агломерации в этот период.
9.
Для определения объема отобранных газов улавливающая система должна быть снабжена средствами измерения скорости потока (диафрагменными либо с переменной площадью сечения) и

интегральным расходомером (обычно расходомер сильфонного

типа). Последний прибор можно не устанавливать в том случае,

если скорость потока замеряется постоянно, и затем интегрируется

во времени отбора пробы. Очень важно охладить остаточные газы,

включив в цепь ловушку (например коническую колбу) для удаления избыточных паров воды, которые в противном случае сконденсируются на расходомере. Необходимо также предусмотреть

чехол для термометра или термопары вблизи расходомерной системы с тем, чтобы объемы газов впоследствии привести к стандартным температурам. Необходимо также измерять давление в

точке отбора — это обычно делается с помощью U-образного ртутного манометра, а затем определить объем при ставдартном давлении.
Газы можно просасывать через пробоотборную систему с помощью эжектора или насоса с злектро- или пневмо-приводом.

Если анализируемые газы взрывоопасны или огнеопасны, следует

пользоваться электромоторами и другим оборудованием в соответствующем исполнении*.
10. МЕТОДЫ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Гранулометрические методы анализа можно разделить на три

группы, основанные на геометрии частиц, на аэро- и гидродинамике частиц и на измерении площади поверхности.
Ситовой анализ и визуальное изучение частиц под обычным

или электронным микроскопом относятся к первой группе методов.

Вторая группа включает декантацию (классификацию), седиментацию и инерционный захват, тогда как в третью группу входят определение проницаемости, прямое определение площади поверхности (метод БЭТ), обратное рассеяние у-лучей и др.
При конструировании газоочистной установки возникают вопросы, связанные главным образом с аэродинамическим поведением частиц, поэтому наиболее целесообразными методами являются
*
содержать токсичные компоненты (например, СО в доменных газах), необходимо

с большой осторожностью отводить остаточные газы из пробоотборника.
90
--------------- page: 91 -----------
такие, с помощью которых .можно предсказать аэродинамическое

поведение частиц. Для анализа крупных частиц свыше 75 мкм

(200 меш) с успехом применяют ситовой анализ и электроскопию;

электронная микрофотография часто является единственным способом, применимым для частиц субмикронных размеров, где аэродинамические методы исследования непригодны вследствие явно

выраженного броуновского движения. Использование методов измерения площади поверхности (в частности измерение проницаемости, отличающееся быстротой анализа) позволяет получить

лишь средние размеры частиц.
Методы анализа, основанные на геометрии частиц
Для гранулометрического анализа частиц размером свыше

200 мкм широко применяются сита, причем отверстия сит бывают

равны 74 мкм (шкала Тайлера, США), 63 мкм (Институт горного

дела и металлургии, Англия) или 76 мкм (Английский стандарт).

Существуют сита Тайлера с отверстием около 400 меш (38 мкм),

и эта величина (представляет собой нижний предел обычного ситового анализа. Специальные прецизионные микросита, изготовленные путем электропробоя [192], позволяют осуществлять ситовой

анализ частиц размером вплоть до 5 мкм.
Следует помнить, что сита могут пропускать частицы длиннее,

чем отверстие сита, если две короткие оси частицы лежат в пределах размеров отверстия. Маленькие частицы способны к агломерации, и просеивание их путем встряхивания может потребовать слишком много времени, поэтому для анализа мелких частиц

можно использовать струю воздуха для продувания их через сито.

Подобный принцип был использован в воздушно-сопловом сите

[497], в котором регулируемый воздушный поток продувает мелкие

частицы через сито, способствуя быстрому и точному разделению.
Наблюдение под микроскопом без определения распределения

частиц по размерам —метод быстрый и дает четкое представление

о виде частиц. Иногда можно при таких наблюдениях сделать,

выводы о химическом составе частиц, исходя из их цвета и

зная источник пыли. Если был отобран насыпной образец, его

повторное диспергирование для определения размеров частиц

практически всегда требует приготовления суспензии и последующего испарения нескольких ее капель иа пластинке.
Лучшим методом, позволяющим исключить повторное диспергирование, является отбор пробы на клейкую пластинку, помещаемую в газовый поток или пылеосадительную камеру. Необходимо

предусмотреть возможность коагуляции частиц во время осаждения. Для исследования под микроскопом можно использовать

также пластины сопловых инерционных пылеуловителей. Все, что

Далее обычно требуется — это подсчитать частицы, поскольку они

расклассифицированы на разных ступенях инерционного пылеуловителя (см. рис. II-20).

--------------- page: 92 -----------
ч г 1
ч z 1
О _
Рис. II-18. Сетки для определения размера частиц [846]:
а — № 41; сетки Паттерсона и Коувуда (по типу шара и круга); 6 — № 42, сетка Портона;

в—д — № 43—№ 45, сетка Фэрса № 1, № 2 и № 3; е — № 6, упрощенная конструкция (по

тнпу шара и круга, Национальное управление по углю).
О применении микроскопа для определения гранулометрического состава пыли см. работы [248, 317]. Существуют специальные

сетки для упрощения оценки размеров частиц и их подсчета

(рис. II-18). Сферы на сетках растут в прогрессии У2, как в стандартных ситах Тайлера. Несмотря на то, что даже частицы размером 0,14 м*км могут быть обнаружены визуально, практическим

пределом для нормальной классификации частиц по размерам с

помощью микроскопа являются частицы размером 1 мкм. Необходимо помнить, что при наблюдении под микроскопом частицы

обычно находятся в наиболее устойчивом положении, поэтому п,ри

измерении частиц в виде тонких пластинок определяют самый

большой размер.
Электронная микроскопия является высокоспециализированным

методом анализа. Образцы дыма и газа отбираются в термическом

пылеуловителе, где вещество осаждается на холодной пластине

вблизи горячей проволоки. Термический пылеуловитель не задерживает частицы диаметром более 20 мкм [919], но быстро осаждает все частицы субмикронных размеров. Для улавливания пыли

можно также использовать мембранные фильтры (Миллипор). Разрешающая способность обычного электронного микроскопа равиа

4-10~9, тогда как для моделей с высокой разрешающей способ-
25 го 15 12.5 10 8 в fi Z 1
Оорг~„
Z5 2015 12,5 10'8 64 Z1

а
12345 6 7 8 9
• ООО ОО ООО
4 S 11 12 i:
Г
4
§ ф
1ШЯР 18 0
5
1S 11 8 5,7

® • • •
О О О о
15 11 6 5,7

160
16 32
25
о О о
Г
V..
>
® Щ 9
16 32 Z5

г
32 ч
128Kf-jNr
У /
G5
т
о о
е
62
--------------- page: 93 -----------
ностью она на порядок выше. Однако это выходит за пределы размеров частиц, обычно встречающихся в промышленном обеспыливании.
Утомительная процедура определения размеров частиц и их

подсчет с помощью микроскопа либо электромикрографии была

упрощена с развитием двух методов автоматического определения

размеров и подсчета частиц. Первый из них основан на механическом сканировании образца с фотоэлектрическим определением и

со скоростными счетчиками частиц [578, 579]; второй включает

в себя сканирование пробы световым пятном от электронно-лучевой трубки, обнаружение импульса света, отраженного от каждой

отдельной частицы, с помощью фотоэлемента [287] и регистрация

импульса на счетчике.
Анализ гранулометрического состава частиц,

основанный на их аэро- и гидродинамике
Простейшим методом определения размеров частиц на основе

их аэро- и гидродинамического поведения является седиментация.

Одна из самых первых седиментационных пипеток, пипетка Анд-

реасена [22, 412], применяется до сих пор. Так, в видоизмененной

форме, разработанной Стейрмандом [799], она отличается надежностью и простотой использования. Осаждение обычно происходит

в воде, куда можно добавить пептизирующий агент. Частицы

встряхивают в жидкости и затем позволяют им свободно оседать,

причем через равные промежутки времени отбирают образцы смеси

вблизи дна прибора. Образцы выпаривают и взвешивают. Поскольку распределение частиц по размерам зависит от вязкости жидкости, важно сохранить постоянство температуры во время седиментации. Для анализа требуется адекватная проба (около 1 г).
С появлением седиментационных весов метод был автоматизирован [47, 65, 104, 281]. Действие весов основано на том, что нагрузка на чашку весов, подвешенную у дна мензурки и содержащую смесь, компенсируется каким-либо торсионным устройством,

изменение момента закручивания регистрируется во времени. Изящным методом определения скорости седиментации является измерение обратного рассеяния у-лучей от осевшего вещества, на которое был направлен источник 90Sr (1 мКи, или 3,7-107 с-1 в Международной системе единиц). Естественно, для ускорения седиментации можно использовать центрифугирование [223, 421].
Определение распределения частиц по размерам возможно с

помощью метода воздушной седиментации в приборе типа осадительного счетчика пыли [152]. В этом приборе в закрытый цилиндр

заключают определенный объем воздуха. На дне цилиндра размещено устройство для последовательного размещения нескольких

покрывных стекол. Измеряя время экспозиции и считая число частиц, осевших на каждом стекле, можно определить распределение

частиц по размерам.
93
--------------- page: 94 -----------
Аэрозоль
т~Мелкая
Г \__мастицО.
Крупная
частица

\ частица.
Рис. 11-19. Схема каскадного

пылеуловителя [575]:
/ — большой мундштук; 2 — ударный отбойник; .? — малый мундштук.
Н Шуум-нососу
Рис. II-20. Схема шестиступеичатого каскадного пылеуловителя (Институт
Баттеля [575]):
J — крышка; 2—0-образиые уплотнительные кольца; 3 — стенка стальная; 4 — соленоид;

5 — мундштук из моннель-металла; 6 — опоры отбойника; 7 — стеклянный отбойник (3,8 мм);

8— кренящие стержни (три штуки); 9 — фильтр (стекло Гурлбата); 10—измерительная диафрагма (критический расход); // — отводы для измерения давления.
Область применения седиментации — для частиц размерам от

42 (325 меш) до 0,2 мкм.
При декантации жидкость пропускают противотоком оседающим частицам. Необходимо тщательно отрегулировать поток для

того, чтобы он был установившимся. Жидкостные декантаторы»

основанные, как на гравитации, так и на центробежной силе (миниатюрные циклоны) [432] изготовляют серийно. Разделяемые в

них частицы гораздо крупнее, чем при обычной седиментации.
94
--------------- page: 95 -----------
Мелкие частицы могут быть разделены методом воздушной

классификации. Простая модель была описана Стейрмандом [802],

хотя еще ранее был известен многоступенчатый классификатор

«Инфрасайзер» Ольтена [11]. Центробежный классификатор, разработанный Гу став со ном [327] и известный под названием «Бахко

воздушный классификатор», оказался очень удобным для определения гранулометрического состава частиц, встречающихся в промышленности. За исключением «Бахко», методы декантации и

классификации обычно применяют для определения размера минерального сырья, частицы которого относительно велики, поэтому

могут быть отобраны большие пробы.
Многоступенчатое, или каскадное пылеулавливание как развитие принципа столкновений было впервые применено в инерционном пылеотбойнике Гринберга — Смита [320], где поток запыленного газа проходил через сопло, и вылетающая струя сталкивалась с пластиной перед ее отклонением. Многоступенчатый инерционный пылеуловитель был предложен Меем [565], принцип его

работы показан на рис. II-19. При проходе потока через широкое

сопло с малой скоростью на пластине осядут крупные частицы,

а при его проходе через узкое сопло с большой скоростью на следующей пластине осядут более мелкие частицы.
Конструкция шестиступенчатой модели с концевым фильтром,

разработанная в институте Баттель [575], представлена на

рис. II-20. Эффективность улавливания каждой ступени значительно отличается друг от друга. Как показано для четырехступенча-

той модели Мея (рис. II-21), «отсечка» на каждой стадии не очень

резкая, и для шестиступенчатой модели возможно значительное

перекрывание областей между ступенями. Однако каскадный

инерционный пылеуловитель является единственной конструкцией,

позволяющей отбирать пробы капель и определять распределения

по размерам с минимальной коагуляцией.
'й'7 00
% 90
% 80
I' 70
Ш 60
\э? 20

•§ 10


0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 2 3 4 5 67 911131620

Диаметр капель, мам
рис. II-21. График прохождения капель в четырехступенчатом пылеуловителе

[565] (диапазон капель в шестиступенчатом пылеуловителе аналогичен).
95
--------------- page: 96 -----------
Точно так же с помощью инерционного пылеуловителя можно

классифицировать частицы в процессе отбора пробы, поскольку

агломерация частиц при проходе их через пылеуловитель ничтожно мала. Однако «отсечка» в случае частиц менее резкая, чем в

случае капель, поскольку твердые частицы отскакивают от пластины и дробятся. Для преодоления этого затруднения применяют

пластины с клейким покрытием. Как для четырех- так и для шестиступенчатого инерционного пылеуловителя область применения

ограничена размерами от 0,5 до 15 мкм, что, вероятно, является

практическими пределами таких устройств.
Каскадные инерционные пылеуловители производятся серийно

многими фирмами. Два из них (Казелла и Юнико) являются

четырехступенчатыми, тогда как фирма Андерсон производит

шестиступенчатый уловитель. Фридрихсон [283] сравнил все три

типа; пылеуловитель Казелла был откалиброван независимо Бернером и Прайнингом [73]. Бернер и Зунделеф [842] изучали также

гранулометрическое распределение частиц на нестандартных инерционных уловителях.
Средний размер частиц из данных

по площади поверхности
Определение среднего размера частиц в порошках основано на

принципе проницаемости. Так, измеряют время прохода определенного объема воздуха через образец, набитый при стандартных условиях. Удельная площадь А, определяемая по проницаемости

[150, 499], может быть связана со средними размерами частиц через пористость е (доля свободного объема). Пористость определяют экспериментально из плотности материала и массы навески

определенного объема. Эквивалентная теория капиллярности [245]

позволяет в простой форме определить диаметр частицы d из выражения:
(»•»»
Удельную поверхность можно также определить на основе данных по абсорбции либо газов (метод БЭТ определения удельной

поверхности ;[138]), либо красителей (в частности,, метиленового

голубого), или по теплоте смачивания поверхности [321]. Некоторые из этих методов позволяют найти полную удельную поверхность частиц, включая и внутреннюю поверхность, даже если размеры пор частиц не превышают нескольких нанометров. Применение этих методов для частиц с сильно развитой поверхностью (например частиц угля в дыме) может привести к неточности в определении удельной поверхности.
96
--------------- page: 97 -----------
Другие методы гранулометрического

анализа частиц
К другим методам гранулометрического анализа, не входящим

в три типа классификации, относятся методы электрического стро-

бирования и экстинкции света.
На методе электрического стробирования основано действие

счетчика Култера, в котором суспензия частиц в электропроводящей жидкости проходит через маленький зазор между двумя электродами. Если между электродами проходит непроводящая частица, напряжение на них снижается пропорционально размерам частицы [563]. Зазор может изменяться от 10 до 1000 мкм, минимальный измеряемый размер частицы равен 0,3 мкм так же, как и при

седиментации [71].
Частицы, суспендированные в жидкости или газе, поглощают,

отражают или рассеивают свет в зависимости от их размеров,

формы, текстуры поверхности и длины волны падающего света.

Это явление может быть использовано для гранулометрического

анализа частиц, диспергированных в жидкой среде с применением

закона Ламберта — Бэра [776]
/i = /«exp(—kcl/d)
где /о — интенсивность света в отсутствие затемняющих частиц (т. е. интенсивность света, прошедшего через чистую жидкость); I, — интенсивность света после прохода через суспензию; k — коэффициент экстинкции (константа); с —

концентрация частиц в единице объема, г/см3; /■—длина абсорбционной кюветы; d — диаметр частиц, мкм.
. Практически коэффициент экстинкции различен для частиц разных размеров, поэтому Розе [702] и Розе и Сюлливан [709] предложили уравнение для определения кажущейся удельной поверхности А', в м2/г:
А' = 4т In V/i
В этом случае истинная удельная поверхность А может быть

найдена из эмпирических соотношений
А0 = 4,5/Г* 0,77/рУ4 для 600/p, < Л' < 60 000/рч
и
А = \20А'' 1,г/р]/г для 60 000/рч < И' < 1 £0 000/рч
где рч — плотность частицы.
Разработка приборов, действие которых основано на рассеянии

света, вначале проводилась Гаккером, О’Копски и Дойлем {322—

324, 614], которые продемонстрировали фотоэлектрическое устройство для анализа дыма, или «пенетрометр». Прибор весьма чувствителен к низким концентрациям — 0,001 мкг/л диоктилфталата,

Диаметр частиц около 0,3 мкм (рис. II-22). Более сложным теоретическим методом является использование спектров Тиндаля высшего порядка и зависимости их от размеров частиц.
?—1144
--------------- page: 98 -----------
Рис. II-22. Счетчик аэрозольных частиц [772]:
а — блок-схема электросистемы; б — схема оптической и пробоотборной систем; / — трубка

фотомножителя; II — рабочий усилитель; III — уменьшитель сопротивления; IV— 10-уровневые датчики; V— таймер; VI —управляющая ложка; VII — задвижки; VIII — счетчики;

IX — последовательность управления; X — печатающее устройство; XI — часы; 1 — лампа; 2 —

ахроматические конденсаторные линзы; 3 — непрозрачные диски; 4— диафрагма; 5 — линза

сбора рассеянного света; 6 — отверстие; 7 — расходомер чистого воздуха; 8— фильтр; 9—

пробоотборная трубка; 10 — общий расходомер.
Сенклер и Ля Мер [772, 773] разработали простой прибор,

применимый к монодисперсным аэрозолям. Световой поток проходит через цилиндрическую трубу, где цвета следуют в порядке:

фиолетовый — голубой — зеленый — желтый — оранжевый — красный, и в районе 90° последовательность цветов обратная.
Насыщенность и яркость цветов возрастает с увеличением однородности частиц по размерам, а кратность повторения спектральных серий растет с увеличением размеров частиц. Когда интенсив-,

ность рассеянного красного цвета больше, чем зеленого, рассеянный свет приобретает красный цвет. Только в случае очень однородных аэрозолей, когда число спектров может быть подсчитано,

легко определить порядок размеров частиц, подсчитав число красных линий.
Наблюдения проводились с помощью телескопа, смонтированного на подвижной тележке такого же типа, какой описан Ланкастером я Штраусом [477], и ,снабженного .плоским поляризатором,

пропускавшим свет перпендикулярно плоскости наблюдения. Цвета

спектра появляются при размерах частиц несколько меньше

0,4 мкм, .верхним .пределом является диаметр частиц около 1,5 м>кми
Альтернативой белому свету может быть источник монохроматического света, и отраженный свет может измеряться фотоэлект»

рическими средствами. Тогда размер частиц можно рассчитать иэг

выходного сигнала [683]. В данном случае проблема заключается В

том, что, если аэрозоль состоит из частиц с различными показателями рефракции, необходимо сравнить интенсивность рассеянного

света, поляризованного в двух плоскостях [559—561]. На практике
98
--------------- page: 99 -----------
существуют значительные затруднения при обоих подходах вследствие шума, существующего в контурах детекторной и усилительной систем. Это затруднение может быть преодолено использованием лазерных пучков высокой интенсивности, которые теперь стали доступными.
В институте Баттель (Франкфурт) [294] был разработан аэрозольный спектрометр, использующий малые углы (<7,5°) рассеяния лазерного (Не—Ne) пучка. Вследствие узкой полосы рассеяния

(от дифракционной части рассеянного света) результат не зависит

от формы и оптических свойств частиц. Метод применим при концентрации до 104 частиц в 1 см3, поскольку объем, используемый

для измерения, равен 0,01 мм3. Нижний предел определения размеров частиц этим методом равен 0,17 мкм, а верхний предел — около 1,5 мкм. Эти исследователи разработали также прибор, который

можно использовать для анализа высококонцентрированных частиц

(5- 10е частиц в 1 см3) в потоке.
К этой категории приборов относятся измерители плотности

дыма, в которых поток света, попадая на фотоэлемент через газоход, частично затемняется частицами, проходящими по газоходу.

Хотя их показания трудно интерпретировать с точки зрения концентрации и размеров частиц, измерители плотности дыма смогут

указать на флуктуацию количества частиц.
11. НАБЛЮДЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
В предыдущих разделах в основном обсуждались вопросы измерения загрязняющих и других вредных веществ в технологических и отходящих газах перед их выбросом в атмосферу. В последние годы были предприняты значительные усилия в области измерения и контроля загрязнения окружающей среды. Основной проблемой здесь является то, что концентрации загрязнений очень малы и сильно изменяются в зависимости от погоды и времени года.

Некоторые методы, описанные в предыдущих разделах, применимы

для измерения концентрации загрязняющих веществ в окружающей

среде путем увеличения либо времени отбора — если применяются

абсорбционные методы,— либо длины пробега света — если применяются оптические методы.
В США в настоящее время существует большое число станций

наблюдения и контроля, расположенных в стратегически важных

городских и сельских зонах.
В этих системах наблюдения измеряются следующие параметры: общее количество взвешенных веществ; содержание S02, СО,

N0, К02, общее содержание окислителей и общее содержание углеводородов.
Взвешенные частицы обычно улавливаются с помощью пробоотборника большого объема с использованием мембранных фильтров или фильтров из стекловолокна. Затем содержание примесей
7*
99
--------------- page: 100 -----------
в частицах определяют стандартными микрохимическими методами анализа либо с помощью масс-спектрометрии.
Взвешенные частицы анализируют на содержание ионов фтора,

нитратов, сульфатов и аммиака, а также мышьяка, бериллия, висмута, кадмия, хрома, кобальта, меди, железа, свинца, марганца,

молибдена, никеля, селена, олова, ванадия и цинка. Улавливаются

и анализируются также асбест, бор, силикаты.
Содержание оксида серы (IV) измеряют в течение 24 ч (или

за меньший период) путем пропускания газов через соответствующий растворитель (разбавленная и подкисленная перекись водорода для S02) с последующим анализом раствора обычными методами. В настоящее время существуют гораздо более изящные

приборы для быстрого непрерывного анализа. Они основаны на измерении электропроводности раствора подкисленной перекиси водорода (0,1 мл 30%-ной Н2О2, 1 мл 0,1 н. H2S04, 0,1 мл смачивающего агента, разбавленного до 1 л) или на определении степени

окрашивания реактива Вест — Гаеке (п-розаминформальдегид).
Метод Ван — Гаеке в меньшей степени зависит от интерферирующих веществ, поэтому кажется более надежным. Недавно был

разработан метод пламенной люминесценции для определения серы. Другим важным достижением в области анализа серы является метод получения постоянных концентраций этого газа в потоке

газа-разбавителя. Для этого маленькие запаянные тефлоновые

трубки заполняют оксидом серы (IV), который диффундирует через стенки с постоянной скоростью (при постоянной температуре).
Газообразные углеводороды обнаруживаются и анализируются

Либо с помощью модифицированного газового хроматографа, либо

методом пламенной ионизации. Оксид углерода (СО) определяют

нерассеивающими И1\-анализаторами с длинными кюветами. Оксид азота N0 (0—1,0 млн-1) и оксид азота N02 (0—1,0 млн-1) определяют автоматизированным методом мокрого химического анализа с использованием реакции диазосочетания. Пробу воздуха

разделяют на два потока; N0, проходя через раствор перманганата калия, окисляется до оксида (IV). Затем оба потока проходят

противоточные скрубберы, где они поглощаются растворами суль-

фаниловой кислоты, N- (1 -мафтил) —этилецдиаминдигидрохлорвда

и уксусной кислоты. Цвета растворов, измеряемые с помощью автоматических колориметров, указывают концентрацию оксида азота (IV) и смеси (N0-t-N02). Степень конверсии составляет от 70

до 90% в зависимости от конструкции барботера. Детали метода

описаны Катцем i[426]'.
Общее содержание окислителей (0—0,5 млн-1), в основном озо-

ра, определяют иодометрически, причем реакцию проводят в электролитической ячейке:
03 + Н20 + 2Г
N02 + 2I- + 2H+
100
--------------- page: 101 -----------
Под восстанавливается на катоде
12 + 2е
и соответствующая реакция окисления вновь протекает на аноде.

Результирующий ток поступает на усилитель; прибор откалиброван

на единицы, показывающие общее содержание окислителей.
В будущем азот будут определять отдельно на приборе, принцип которого основан на реакции азота с родамином В [373, 681].

Однако применявшийся ранее реактив Редженера, в котором краситель адсорбировался силикагелем, _был чувствительным к влаге.

В последнее время изготовлена хроматографическая бумага, которую покрывают родамином В на силиконовой смоле; такая бумага

может служить подходящим датчиком.
Следовые количества первичных аминов алифатического ряда

от С1 до С6 могут улавливаться разбавленной серной кислотой. Затем амины экстрагируют амилацетатом; с помощью нингидринной

реакции фотометрически определяют содержание аминов [334].
Сероводород в небольших концентрациях (до 0,05 млн-1) можно определить с флюоресцин-ацетатом ртути в 0,01 н. растворе едкого натра с последующим измерением флюоресценции на фото-

флюометре.
В настоящее время разрабатываются новые методы анализа и

контроля, которые вскоре найдут широкое применение. К ним относятся метод топливной ячейки для определения оксида углерода (И) и азота (II), оксида серы (IV); газовая хроматография (в

автоматизированной форме) для определения содержания СО, СН4

и других углеводородов, сероводорода и некоторых органических

сульфидов; атомно-адсорбционная спектроскопия для непрерывного определения свинца; селективные электроды для определения

фторидов, а также хемолюминисцентный метод определения оксидов азота в присутствии озона. Кроме того, разрабатываются приборы для определения концентрации твердых веществ — так называемые лидеры (light detection and ranging — световое обнаружение и определение).
В качестве индикаторов низкого уровня загрязнения могут быть

использованы растения. Так, оксид серы (IV), фториды, оксиды

азота, пероксиацетилнитраты и другие фотохимические примеси

(например, H2S, НС1, СЬ и т. д.) влияют на многие растения, поэтому наиболее чувствительные из них могут быть высажены в качестве индикаторов. Систематизация оценки вреда, наносимого растениям, сделана в атласе, изданном Джекобсоном и Хиллом [395].

В течение долгого времени лишайники тоже рассматривались как

индикаторы загрязнения. Например, Пьятт [666]1 подчеркивает, что

с изменением уровня загрязнения изменяется расположение лишайника Lichen thalli на деревьях; а загрязненных районах, «ак правило, этот вид лишайника растет исключительно у основания ствола

Дерева. Однако с изменением уровня загрязнения (например, с удалением от заводов) лишайники располагаются выше по стволу.
101
--------------- page: 102 -----------
J
ГЛАВА III
МЕТОДЫ УДАЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО

КОМПОНЕНТА: АБСОРБЦИЯ,

АДСОРБЦИЯ И СЖИГАНИЕ
Часто необходимо обрабатывать газовый поток для удаления

из него одного или нескольких газовых компонентов, которые могут быть вредными, неприятными или представлять интерес для

промышленности. Так, из газов синтеза аммиака необходимо удалить оксид углерода (II) перед подачей их в колонну синтеза, поскольку СО отравляет катализатор синтеза.
В районах с высокой плотностью населения и в жилых зонах из

отходящих газов необходимо удалять неприятно пахнущие компоненты, в основном органические соединения азота и серы.
Весьма желательно удалять из отходящих газов оксид серы

(IV), поскольку он, с одной стороны, загрязняет атмосферу, а с

другой является сырьем для получения ценных продуктов — серной

кислоты и серы.
Известны три метода удаления газовых компонентов: абсорбция газов жидкостью, адсорбция на поверхности твердого вещества или химическое превращение в другой, безвредный газ. Последний метод обычно включает сжигание органического вещества

непосредственно либо каталитически. Механизм этих методов основан на диффузии газа либо к поверхности поглощающей жидкости', либо твердого адсорбента или катализатора, либо в реакционную зону с лучшей химической реакцией. В этом отношении удаление газовых компонентов представляет собой не столь сложную

задачу по сравнению с удалением твердых частиц и .капель,'

где наряду с диффузией играют роль другие механизмы: инерЗ

ционный захват, осаждение, электростатические и термические

силы.
Детальное исследование процессов абсорбции, адсорбции и сжи^

гания выходит за пределы этой книги, которая посвящена применению этих методов в процессах газоочистки, и поэтому здесь

дет только коротко упомянуто об основах этих процессов. Полная

разработка этих вопросов дана в специальных книгах по абсорбции [582, 608, 768], адсорбции [138, 550, 887] и сжиганию '[862].

Ниже в книге несколько подробнее будут рассмотрены лишь некоторые аспекты, представляющие особенный интерес для контроля

загрязнения воздуха. К ним относятся удаление S02 из дымовых

газов, удаление сероводорода, фторидов и оксидов, азота из отхо-
102
--------------- page: 103 -----------
дяших промышленных газов и сжигание, непосредственное или каталитическое, органических газов и паров.
Абсорбция и адсорбция газов зависят от переноса молекул газа

лз общей массы к поверхности жидкости или твердого тела. В случае жидкости молекулы газа в дальнейшем диффундируют во всем

объеме жидкости, тогда как на поверхности твердого тела они

удерживаются физическими (Ван-дер-Ваальса) или химическими

(хемосорбция) силами. Когда поверхность жидкости или твердого

тела вступает в контакт с покоящимся газом, диффузия молекул

газа протекает по законам молекулярной диффузии, и скорость ее

зависит от температуры и давления газа и типа газовых молекул.

Скорость переноса молекул NA в мольных единицах на единицу

площади за единицу времени описывается законом Фика:
dCa
NA = ~D^dT
где dCA/dx — градиент концентрации в направлении диффузии; сА — концентрация; х — расстояние; D — коэффициент диффузии, имеющий размерность (дли-

на)2Х (время)-1.
1.
Коэффициент диффузии в газовой фазе может быть рассчитан

из уравнения, основанного на кинетической теории газов, и для молекул одного газа он записывается в виде;
Dc = 1/3Xu
где к — свободный пробег молекул газа; й — средняя скорость молекул.
Из кинетической теории, которая рассматривает газ как твердые сферы без межмолекулярных сил притяжения и отталкивания,

средний свободный пробег молекул определяют из уравнения:
X=l//2nNo*
где N — число молекул в единице объема; а — диаметр молекул.
Средняя скорость молекул дается в виде
и = у тт/ям
где Т — абсолютная температура; Я — универсальная газовая постоянная;

масса 1 моль.
Для взаимной диффузии молекул двух типов А и В с различной

массой МА и Мв и различного размера аА и ов коэффициент диффузии равен
гч 1 .N/{hAuA + Nb^-rUr ,т„ ,,

АВ = “з
гДе Na и Nb — число молекул типа Л и В в единице объема.
103
--------------- page: 104 -----------
Введя средний диаметр молекулы оАВ вместо индивидуальных

диаметров, можно упростить уравнение (III.4) и получить следующее выражение
°АВ~ Зл,N(oab)* \
2 У(2) /(Щ
S^Nc\B
|/"( “л + ив)
(III.5)
]/{«Л +
тйг) (Ш'6)
с учетом уравнения (111.3) для средних скоростей молекул разных)

типов. Так как эффективные диаметры столкновения найти трудно,'

то удобнее пользоваться объемами 1 моля при стандартных температурах кипения, которые пропорциональны кубу эффективного

диаметра аАв. Тогда коэффициент диффузии (в м2/с)
Здесь b — константа, которую можно рассчитать на основе кинети»]

ческой теории газов. Однако реальные значения коэффициентов

диффузии были получены для эмпирического значения Ь = 4,3-10_п

(единицы СИ, атм, К) [301JL Мольные объемы могут быть найдены'

из таблиц или путем сложения атомных объемов [609].
Уточненные значения коэффициентов диффузии, учитывающие

силы притяжения и отталкивания с помощью потенциала Леонарда— Джонса 6:12 (т. е. сила притяжения изменяется с расстоянием в минус шестой степени, а сила отталкивания изменяется в

минус двенадцатой степени), могут быть получены из уравнения

Хиршфельдера и др. [370]:
где 6=2,63-10-11 (в единицах СИ); W1 — интеграл столкновения — функция параметра молекулярной потенциальной энергии при взаимодействии, в К и

10-10 м.
Подробное описание этого метода расчета коэффициента диффузии можно найти в работе [370].
Коэффициент диффузии в жидкой фазе может быть рассчитан

исходя из предположения Эйнштейна, что на молекулы действует

осмотическая сила в направлении уменьшения концентрации растворенного вещества с:
где к — константа Больцмана.
(III.8}
104
--------------- page: 105 -----------
Сопротивление движению молекул, рассматриваемых как сферы, описывается приближенно законом Стокса (см. раздел IV-1)
F = Злцсш
где а — диаметр молекул; (я — вязкость раствора; и — скорость молекулы, равная
kT dc
"и== ~ Злцос ИГ
Скорость диффузии Na является произведением скорости молекул

на концентрацию
kT dc
Коэффициент диффузии теперь может быть рассчитан из закона

Фика, уравнение (III.1):
kT
<шлз>
Значения коэффициентов диффузии, полученные из уравнений

Эйнштейна — Стокса, имеют очень приближенный характер, и на

практике следует использовать экспериментальные значения, приведенные, натример, в International Critical Tables [387] или ib работе Лондольта — Бернштейна [486].
В ряде случаев удовлетворительные значения получают при использовании эмпирического уравнения Вильке и Чанга [608]:
1 AAQ-'ixMfHT

L ~
где V — объем 1 моля растворимого вещества, см3; |х — вязкость, П-с; х — степень ассоциации молекул растворителя «(вода — 2,6; метанол — 1,9; этанол-—1,5;

неполярные растворители, например бензол — 1,0).
Диффузия двух газов в стационарном режиме
При непрерывной абсорбции одного газа из газовой смеси, которая постоянно обновляется, устанавливается некое равновесие

с постоянным градиентом концентрации. Перенос молекул газа осуществляется уже не путем простой диффузии (как в случае покоящегося газа) для восстановления концентрации молекул, удаляемых с поверхности раздела фаз.
Если есть два типа молекул А и В с мольными концентрациями

са и св соответственно, то при постоянном давлении, когда система

находится в равновесии, действительно равенство:
сл + св = const
Дифференцируя по х (в направлении диффузии и переноса всего объема газа, перпендикулярно к границе раздела фаз), получаем
105
--------------- page: 106 -----------
соотношение между градиентами концентрации компонентов:
dCfi —Лев
dx
(III.15)
При переносе массы газа в направлении х компоненты А к В

поступают пропорционально их парциальным давлениям рл и рв.

Таким образом, для компонента А общий поток Na представляет

собой сумму доли компонента А в общей массе перенесенного газа

NaPaIP (где Р — общее давление) и молекулярной диффузии, описываемой уравнением (III.1)
Nа = N а Ц-—Во-^Г
Для идеального газа концентрация св связана с парциальным

давлением рв соотношением
св = Рв№Т)
Заменяя в (III.16) Ра на (Р—рв) и учитывая (111.15), получим:
Na = Na(i-^jt) + ^1(III.18)
После перегруппировки получим
Рв Dg dpB
NA P — RT ' dx
*
Na
pBl
что при интегрировании дает
(Ш19б>
о
DnP
N а ~ RTX (РВ2/РВ1)
Если логарифмическое среднее парциальное давление компонента

В на расстоянии х, вдоль которого происходит перенос, определять

в виде:
Уравнение (111.20) может быть записано следующим образом
{рв* - ПВ1>
(Ш 22б>
106
--------------- page: 107 -----------
2. АБСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ
Теории абсорбции
Когда газ движется турбулентным потоком через поверхность,

т. е. Re>2100), тогда турбулентное перемешивание поддерживает

гомогенность состава во всем объеме газа. Ближе к границе раздела фаз движение газа замедляется, и образуются ламинарные

слои; обычно предполагают, что на границе раздела газ неподвижен.
Наиболее широко известная теория, предполагающая равномерный переход молекул через стабильный пограничный слой, называется теорией двух пленок и была предложена Уайтменом и

Льюисом в 1924 г. [509, 937]. По этой теории абсорбируемый газ

диффундирует через ламинарный пограничный слой и неподвижный «подслой». Если в качестве абсорбента используется жидкость,

то существуют такие же пограничные слои со стороны жидкости.

Далее предполагают, что на границе раздела жидкость — газ существует равновесие. Тогда парциальное давление pi и концентрация на границе раздела с, взаимосвязаны. Когда достигается состояние установившегося режима переноса, скорость переноса NA

из газового потока к границе и от границы раздела в объем жидкости должны быть равны. Тогда
NA = kG(p — Pi) = kL(cl — c)
где р и pi — парциальное давление переходящего компонента соответственно в

объеме газа и на границе; с4 и с — концентрация соответственно на границе и в

объеме жидкости; kG и /fez, — коэффициент массопереноса соответственно в газовой и жидкой пленке.
При сравнении с уравнением (111.22) видно, что коэффициент

массопереноса в газовой пленке может быть записан в виде
<»'•»>
Из уравнения (III.24) следует, что коэффициент массопереноса является функцией коэффициента диффузии, логарифма среднего

парциального давления неабсорбирующего компонента и х — расстояния, на котором проходит абсорбция, т. е. толщины пленки. Со

стороны пленки жидкости коэффициент массопереноса может быть

записан как
kL = DL/xL
кrf ~ коэФФициент диффузии в жидкой фазе; xL — толщина пленки жид-
кости.
Было показано, что коэффициенты диффузии могут быть рассчитаны, однако толщина пленок не может быть найдена непосред-
107
--------------- page: 108 -----------
ственно. Можно определить эквивалентную толщину пленки с учетом механизма массопереноса через пограничный ламинарный слой

из экспериментально найденного коэффициента массопереноса и

рассчитанного или (вычисленного коэффициента диффузии. Тогда

для абсорбции (подобного типа можно использовать .найденное значение. Это было сделано Жильландом и Шервудом [302], которые

осуществили корреляцию многочисленных экспериментов на колонне пленочного типа
^cRTD_ _ Рщ_ = = 0,023Re0,83Sc°.«
Uv
где D — диаметр колонны; Re — число Рейнольдса (uDp/p); Sc — число Шмидта

(ц/р£>1,); Dv — коэффициент диффузии в газовой фазе; и — скорость газа относительно колонны; ри|1 — плотность и вязкость газа.
Эта корреляция вполне удовлетворительна в тех случаях, когда

скорость абсорбции регулируется скоростью переноса через пленку газа, но, к сожалению, из-за колебаний, возникающих в тонком

поверхностном слое жидкости, она не может применяться для нахождения эквивалентной толщины пленки в процессах абсорбции,

регулируемых скоростью переноса через пленку жидкости.
Если параметром, управляющим системой, является сопротивление пленки жидкости, коэффициент массопереноса может быть

измерен на дисковой колонне [812]. При этом получают лучшую

корреляцию, чем на пленочной колонне. Коэффициент массопереноса для пленки жидкости kL может быть рассчитан из уравнения: ■!
kL
Dv
М-т-ПМ'
где L — скорость потока жидкости через единицу ширины пленки, кг/(м2-ч).
Однако, даже не имея точных данных о равновесии и коэффициентах переноса для жидкой пленки, можно найти общие коэффициенты массопередачи по уравнению:
Na = Kg(p-p*) = Kl(c*-с)
.
где р* — равновесное парциальное давление растворимого вещества над раство-;

ром, имеющим ту же концентрацию, что и поток жидкости; с* — концентрация

раствора, который находился бы в равновесии с растворимым веществом, имеющим то же парциальное давление, что и основной газовый поток.
Эти точки показаны на диаграмме равновесия (рис. III-1).
Общие коэффициенты Kg (в единицах давления) и Кь (в единицах концентраций) могут быть определены экспериментально и

непосредственно применены в конструкторских расчетах.
Полная движущая сила выражается через (р—р*) в единицах

давления и (с*—с) в единицах концентраций. Точка В на равновесной кривой характеризует состав двух фаз на границе раздела,

а движущие силы р—pt и с,—с представлены вертикальным отрез-
108
--------------- page: 109 -----------
Рис. III-1. Движущие силы процесса

абсорбции газов.
ком AM и горизонтальным отрезком MB, соответственно.
Тогда из уравнения (II 1.23)
Р — Pi kr
(III .29)
и отношение kLlkc (Представляет наклон прямой АВ.
Если уравнение равновесия

имеет вид
p*=w (III.30)
(х — константа), то применим закон Генри. Из уравнений (111.23)

и (111.28) можно найти
T5-TS- + TT
TfT-lt+W
Если у, мало, то /Cg = &g и абсорбция регулируется скоростью переноса через пленку газа, и-наоборот, если х велико, то K,L=kL и

абсорбция регулируется переносом через пленку жидкости.
Уравнение (III.31) показывает также, что при нахождении промежуточных значений коэффициента у. необходимо учитывать влияние обеих пленок. Кроме того, если % не является постоянной

величиной, т. е. если кривая равновесия не представляет собой

прямую, то общие коэффициенты массопередачи будут изменяться

при изменении концентрации, так как величина у. зависит от концентрации.
Несмотря на то, что теория двух пленок, предложенная Уайтменом— Льюисом, полезна при разработке абсорбционных систем,

она заранее предполагает неподвижные пограничные слои и установившийся режим массопереноса, что крайне редко существует в

реальных условиях. Так, например, газ стремится разрушить неподвижный слой, и к поверхности жидкости подходит турбулентный поток, тогда как жидкость в поверхностной пленке постоянно

заменяется свежей жидкостью снизу. Чтобы исключить проблему

диффузии в неустойчивом режиме, в частности, когда взаимодействие газ — жидкость кратковременно, Хигби предложил воображаемую модель, используя уравнение Стефана для молекулярной

Диффузии в колонне бесконечной высоты.
Уравнение (III.1), записанное для массопереноса в неустойчивом режиме, было решено для ряда граничных условий. Было устаО
Концентрация Вещества, кмоль/п*
109
--------------- page: 110 -----------
новлено, что при данной концентрации в объеме жидкости в начальный период времени существует пограничный слой положительной толщины на границе раздела. В некоторый период времени t уже не существует пограничного слоя, в то время как в объеме

жидкости существует бесконечный слой (в соответствии с теорией

Стефана). При этом может быть рассчитана концентрация газа ниже поверхности и, кроме того, мгновенная скорость массопереноса

газа через единицу поверхности раздела фаз
NA = -~(Ci-c)YWr (III.32)

у п
Следовательно, мгновенная скорость переноса уменьшается со

временем в течение любого периода, пока жидкость остается неподвижной. Общее количество перенесенного вещества можно определить, проинтегрировав уравнение (111.32) по времени, тогда

как среднюю скорость переноса можно найти делением этого общего количества на время t. Так, средняя скорость описывается уравнением
Na = 2(Ci — с) УDfnt
Это уравнение применимо к абсорбции турбулентного газа в

предположении, что после некоторого времени t, в течение которого жидкость неподвижна, происходит легкое перемешивание и этот

процесс повторяется бесконечно. Средняя скорость абсорбции в

таких условиях описывается уравнением (111.31). Если среднее время t (выразить через скорость обновления, определяемую как г =

= l/t, то скорость массопереноса можно записать
Na = —р= (ct — с) Y"Dr
У л
а с учетом уравнения (111.23) получим
kL = -|= /Dr
У л
Необходимо отметить, что хотя это значение kL, по определению,

численно равно величине, найденной на основе двухпленочной теории, они имеют различный физический смысл.
Позже Данквертс [196] предложил существенную модификацию модели Хигби, которая заключается в том, что частоту, с которой смешиваются отдельные вертикальные элементы, определяют как г. Затем он предположил, что процесс смешивания, т. е. пребывание (газа у поверхности и частота смешивания, являются случайными процессами. Подобные математические соображения и со110
--------------- page: 111 -----------
ответствующие граничные условия могут быть применены для определения скорости массопереноса, которая выражается в виде
NA = (Ci — c)*/D?
kL = Y~D?
где г' — средняя скорость обмена, которая отличается от «скорости обновления»
на коэффициент 2/я1'2.
Модель проникновения Данквертса, примененная к слою жидкости глубиной Н, описывается уравнением
kL = /Dr■ tanh у/r'H2/D
Поскольку член Уг'Н2/Ь тем больше, чем глубже проникновение,

значение kL приближается к «бесконечной» глубине по элементарной теории Данквертса.
Разработка абсорбционных систем
Правильно сконструированная установка для абсорбции газов

должна работать с максимальной возможной эффективностью и

пропускной мощностью и с наименьшими капитальными и эксплуатационными расходами. Абсорбционные установки можно разделить на две группы. Первая группа установок работает по принципу диспергирования пузырьков газа в жидкости в поточной либо

в многоступенчатой системе, тогда как вторая группа — по принципу диспергирования капелек жидкости в газе. Почти все установки

за исключением одноступенчатого абсорбера действуют на основе противоточной

абсорбции, что показано в виде диаграммы на рис. III-2. Однако некоторые

скрубберы работают в режиме параллельных потоков. Ниже будет дан расчет работы поточной установки.
Чистый
газ Растворитель
Пусть V — мольная скорость потока в газовой фазе; L — мольная скорость потока в жидкой фазе; у— мольная доля абсорбируемого газового компонента; х — мольная доля абсорбированного компонента в жидкости; индекс 1 относится к кубу контактной башни, а индекс 2 — к

верху контактной башни. Тогда для работы в

установившемся режиме материальный баланс

Для элементарной секции башни
dV = dL
(III.39)
V+dV
L+dL
ис III-2. Схема процесса в противоточной абсорбционной башне, работающей в непрерывном

режиме.
Газ на
ачистну
Насыщенный
раствор
III
--------------- page: 112 -----------
0 *z
Л/ ‘ о /, Xz

НдЯ^стШсЦС#MyM&'fa-tfptfciriGujJi?, моЛ jjfjjjjL

& ff
Рис. III-3. Характеристика процесса в абсорбционной колонне при противотоке (а) и при параллельном истечении (б).
и баланс компонентов для той же секции
Интегрируя уравнение (111.40) и считая нижним пределом куб башни (индекс 1),

а верхним — любой уровень внутри башни, получим:
Это уравнение операционной линии справедливо для всех значений х между х,

и х2 и для всех значений у между уi и уг (рис. И1-3, а) .
В общем случае V и L изменяются в различных точках по высоте башни,

и операционная линия будет представлять собой кривую. Однако в большинстве

случаев газоочистки абсорбируемый компонент составляет только незначительную долю в абсорбирующей жидкости, поэтому операционная линия существенно прямая.
Для элементарной секции колонны высотой dZ площадь границы раздела

фаз равиа dA, а скорость абсорбции определяется из уравнений (111.23) и

(111.28)
Если а — площадь границы раздела фаз, приходящаяся на единицу объема колонны, а 5 — поперечное сечение колонны, то
На практике значение а обычно неизвестно ни для насадочных колонн, где

процесс абсорбции протекает лишь в части имеющейся площади, ни для оросительных колонн, где неизвестна площадь поверхности капель. Поэтому для расчетов принято комбинированное выражение коэффициента массопереноса и

площади поверхности — коэффициент kGa, kLa или Кьй.
d (Vy) = d (Lx)
(III.40)
(III.41)
NAdA = Ка (P — P*) dA = KL (c* - c) dA

= kG{p — pi) dA

— kL (Cj — c) dA
(III.42)
dA - aSdZ
(III.43)
112
--------------- page: 113 -----------
Подставляя (111.43) в уравнение (III.42), получим

d (Vi/) = NAdA = kGa (p — pt) SdZ

= kjja (Cj — f) SdZ

= KGa (p — p*) SdZ

= Kia (c* — c) SdZ
(III.42a)
Мольная фракция у растворимого компонента в газовой фазе равна р/Р, и

мольная фракция х в жидкой фазе равна с/рср, тогда уравнение (Ш.42а) может

быть преобразовано
d Ш = kcaP (у — yt) SdZ = kLapcp (xt —x) SdZ
= KGaP (y - y*) SdZ = KlWcp (** - x) SdZ (111.44)
где (у—у*) представлено на рис. III-3, а вертикальными отрезками BF при

xi, уi и ЛЕ при хъ у*
Для абсорбции газов, когда V и L не являются постоянными величинами,

можно показать, что d(Vy) = Vdy/(l—у). Сочетая это с уравнением (111.44),

получаем уравнение для расчета высоты башни Z с коэффициентом для пленки

газа
г
V
kGaPS ' (1 — у) (у — yi)
Vl
У2
'j KcaPS (I _»)*_»•)
M
Vl
илн для коэффициента пленки жидкости:
Z
"М 1
О
*2
I'
“J
*1
j A/.apcPS (1 —x) (Xi—x)

KLaPcpS '(1 — x) {x*— x)
(III.456)
Упрощая эти уравнения, умножим оба члена интеграла на логарифм средней

движущей силы
и„ ■*- и,
О— 1J)lm = ' 1
1 —У1 ,1 —-*i

1п
1 -у,
Предположив, что произведение этого выражения на коэффициент массоперено-

•са является постоянной величиной, получаем
г/2
_
z= kGa(\-y)LMPS J (1 —у) (y — yt) dy
Vl

У2

KGa (1 — y)LMPS J (1 — у) (у — У*) y
8—1144
г/i
113
--------------- page: 114 -----------
*2
У
~ kLaPep (1 — X)lm$ J (1 — X) (*; — X) dX
Lev
*)lmS J
*i

*2

КLaPcp (1 — X)LMS
f (*— x)lm
J (1-*)(*•_*) dx
*1
Необходимо отметить, что оба приведенных выше уравнения, в которых применяются полные коэффициенты Kg и К.ь, строго справедливы только тогда, когда

выполняется закон Генри, т. е. величина к постоянна.
Выражение, стоящее перед интегралом, обозначает высоту Ht единицы переноса, тогда как подынтегральное выражение характеризует число единиц переноса N. Тогда высота башни
Z — HtN
Высоту единицы переноса можно определить исходя из коэффициента массопереноса, характеристики системы и начальной и конечной концентраций абсорбируемого или растворимого газа. Число единиц переноса может быть оценено с помощью диаграммы равновесия системы либо одним из следующих методов:
а)
менными у и х (кроме экспериментальной кривой равновесия), необходимо вычислить число единиц переноса графически, построив график зависимости от у,

если известен Кса
О
или других зависимостей от подобных функций;
б)
быть выполнено, если заменить (1—у)ьм средним арифметическим (1—у) и

(1—у*) без введения значительной ошибки. Тогда сложный интеграл из уравнения (111.47) упрощается
Уз
N = Г
J У—У 2 1 — у\
У\
в)
кривая могут быть представлены в виде прямых линий с уравнением у—тх-\-С

для равновесной кривой, можно показать, что
N= 7 У2 —
(У — У )lm
где
(у —y*)i — (у — #*>2

у ~, Ty-sTh—
1п Ту-у%
Если скорость потока жидкости значительно больше скорости потока газа, наклон операционной линии LJV будет крутой, и движущие силы в этом случае

велики. При малых значениях L/V движущие силы будут уменьшаться до тех

пор, пока операционная и равновесная кривая не соприкоснутся при достижении равновесия, тогда можно найти минимальную скорость потока жидкости.

Такое минимальное значение может быть достигнуто только в бесконечно длинном абсорбере.
114
--------------- page: 115 -----------
Параллельные потоки обычно не применяются в насадочных

или простых орошаемых башнях. Однако они бывают в скрубберах Вентури или в циклонных скрубберах, которые используются

для очистки малозагрязненных газов. Расчет числа единиц переноса в случае параллельного потока подобен расчету для противотока

за исключением того, что операционная линия имеет наклон в сторону, противоположную показанному на рис. 111-3,6.
Джонстон и Силокс [406] вывели эмпирическое уравнение для

числа единиц переноса в циклонном скруббере (см. рис. IX-7), где

абсорбируется 'диоксид серы(1У):
1,09- 10~5лР
N = —vvs—
где п — число форсунок в скруббере; 5 — площадь на входе газа, м2; Р — общее давление газа, кПа; V — скорость газа на выходе, кмоль/'(м2-с).
Более общая коррелирующая функция, предложенная для скрубберов Лундом [536], основана на оценке потребления энергии установкой. Указывается, что число единиц переноса прямо пропорционально энергии, введенной с жидкостью DL, и обратно пропорционально' энергии, введенной с газом Dv
N~Dl/D°v'1
Однако константы, необходимые для решения уравнения, не определены.
Проектирование абсорбционной установки
Противоточный контакт газ — жидкость может быть осуществлен следующими способами:
1)
костью. Емкость обычно снабжена трубкой с отверстиями — так называемой пористый газораспределитель, через который проходит

газ. Степень дисперсии газа может быть увеличена перемешиванием жидкости. Этот метод обычно* не применяется для очистки промышленных газов;
2)
релки или через другие тарелки в тарельчатой колонне. Конструкция таких колонн детально описана в работах по проектированию

Дистилляционных колонн.
Тарельчатые колонны дороже, чем насадочные, но они позволяют работать с очень большими объемами жидкости, их можно

легко перевести в режим межкаскадного нагрева или охлаждения,

они несложны в эксплуатации и имеют меньшую общую массу.

Для абсорбции газа могут применяться также колонны Турбогрид

[70] с сетчатыми тарелками, которые дешевле в строительстве, чем

стандартные колпачковые тарельчатые колонны и могут быть более эффективными;
8*
115
--------------- page: 116 -----------
3)
Это наиболее распространенная установка, поэтому ниже она будет обсуждена подробнее;
4)
ния твердых частиц (проектирование таких башен описано в главе IX). Иногда оросительные башни применяются для абсорбции

газов там, где сопротивление жидкостной пленки значительно

[768], поскольку при циркуляции внутри капель их поверхность

обновляется и участвует в абсорбции. Однако в общем случае оросительные башни не могут использоваться для абсорбции высококонцентрированных газов, так как они характеризуются низким отношением жидкость — газ. Преимущество башен заключается в

том, что они практически не забиваются, отличаются низким перепадом давления и могут работать при очень больших расходах

газа, в частности при применении мокрого циклонного уловителя.
Конструкция насадочных колонн очень проста (рис. Ш-4); на-

садочные элементы загружаются в них либо беспорядочно, либо укладываются в определенном порядке. Насадка расположена выше

входного отверстия для газа, и жидкость стекает вдоль насадки.
В качестве насадки применяют обломки скальных пород или

камни, она может иметь форму колец (кольца Рашига, Лессинга,

Поля и Диксона), седел (седла Берля, Инталокс, седла Макмаго-

на), сетки (деревянные и графитовые сетки). Существует множество вариантов заполнения насадочных башен: деревянные дощечки

и Спрейпак [547], представляющий собой напряженную металли-
Нисгпый газ
I
ческую сетку. Кольца диаметром менее 50 мм и седла

обычно загружают в колонну навалом, тогда как кольца большего размера (особенно хрупкие) укладываются осторожно.
Газ на

очистку
Сбежйя

' живность
Насадочные кольца могут быть металлическими,

стеклянными, керамическими или пластмассовыми в

зависимости от коррозионной агрессивности среды в

башне. Необходимо тщательно распределять жидкость, чтобы она смачивала
Рис. III-4. Схема насадочной колонны:
Раствор
1 — двухступенчатый отбойный сепаратор; 2 — форсунки-распределители; 3 —*

опора насадкн; 4 — дренажный клапан;

5 — байпас; 6 — циркуляционный насоС
для жидкости.
116
--------------- page: 117 -----------
Рис. Ш-5. Соотношение между скоростью газового потока V, расходом

жидкости L и перепадом давления

ДР в иасадочной колонне:
1 — сухая насадка; 2 — L=5700 кг/(ч-м‘);

3 — L = 43 ООО кг/(ч м2); 4 — 81 100 кг/(ч-м2);

,4,4 — лнння захлебывания; ВВ — линия за

грузки.
всю насадку, особенно в верхней части. Для этой цели можно предусмотреть установку

брызгоуловителей. Опорная решетка должна быть механически прочной, чтобы выдержать

массу насадки и жидкости, если жидкость заполнит колонну в случае захлебывания. Чтобы избежать захлебывания и запора газа

или жидкости, структура решетки должна быть более «открытой»,

чем структура насадки.
Диаметр абсорбционной колонны определяется двумя факторами, первым из них является достижение удовлетворительного относительного расхода жидкости и газа, а вторым — наиболее экономичными размерами башни. При низких расходах жидкости и газа

образуются регулярные струйки жидкости, стекающей с насадки.

При увеличении газового потока возрастает перепад давления и

наступает момент, когда часть жидкости будет задерживаться в

насадке (жидкость подпирает). Это точка загрузки. При еще большем газовом потоке наступает захлебывание, и давление увеличивается очень быстро (рис. III-5). Точка, в которой это происходит,
ТАБЛИЦА 111-Г
Характеристика наиболее распространенных насадок
Насадка
Пористость,
%
Удельная

поверхность,

М2/м3
Число В 1 м3
Насыпная
плотность,
кг/мЗ
Кольца Рашига
(керамиче-
ские)
6,3
63
825
3 120 000
930
12,7
64
365
373 000
837
25,4
73
191
48 000
725
50,8
Седла Инталокс
(керамиче-
74
92
5 800
386
ские)
6,3
75
990
4 150 000
837
12,7
78
626
734 000
725
25,4
78
257
100 000
547
50,8

Кольца Палля
(металличе-
79
118
9 400
530
ские)
25,5
93
248
53 500
530
50,8
94
120
7 500
442
117
--------------- page: 118 -----------
называется точкой захлебывания. Было показано, что она зависит

как от вязкости жидкости, так и от плотности и скоростей потоков

жидкости и газа.
Точки захлебывания были скоррелированы для большого числа

текучих сред и насадочных материалов (рис. III-6) [524]| и в частном случае могут быть определены с помощью этой кривой. Соответствующие данные для наиболее распространенных насадок приведены в табл. Ill-1.
Обычно колонна работает при расходах газа, составляющих

50—60% от расхода, соответствующего точке захлебывания. Этот

расход и определяет минимальный диаметр колонны. Более быстрый графический метод определения минимального диаметра колонны основан на аналогичных принципах и опубликован Ченом

[157]. Здесь диаметр башни D (определен для скорости, равной

50% от скорости захлебывания) может быть найден из уравнения

(в м):
( V V-5 / рл \°.25
я = 16’28(^г) (■т-)
где V — скорость газового потока, кг/с; — коэффициент корреляции (рис. 1II-7).
После определения минимального диаметра диаметр конструкции должен быть найден исходя из экономических соображений

при условии, что наиболее экономичный диаметр не должен быть

меньше минимального.
При выборе насадки следует учитывать, что она должна быть

коррозионно-стойкой. Более сложные насадочные материалы с
Рис. III-6. Корреляция для расчета расходов оросительной жидкости, где

L — расход жидкости, кг/(с-м2); V — расход газа, кг/(с-м2); ц — вязкость жидкости, сП; р — плотность газа, кг/м3; рж — плотность жидкости, кг/м5; а — удельная поверхность насадки, м2/м3, £ — пористость насадки — безразмерная величина.
.1 ili.Ji
JO'3
(1/рж\г ар°>г/е? м/сг[ю~3Цс/м2]°‘г
Рис. III-7. Корреляция для расчета

диаметра башни при 50%-ном орошении [157] (обозначения см.

рис. II1-6).
118
--------------- page: 119 -----------
большей эффективной площадью поверхности стоят дороже, но требуют меньших размеров башни при тех же нагрузках. Найдено, что

приблизительно стоимость корпуса башни растет пропорционально квадрату диаметра. Однако для широких башен требуется меньшая высота насадки и, следовательно, в них меньше потеря давления газового потока, снижающая энергозатраты вентиляторов.

С учетом всех этих факторов выбирают наиболее экономичный диаметр башни, который должен обеспечивать скорость газового

потока, не превышающую 50% скорости захлебывания. Если наиболее экономичный диаметр меньше этого, следует принять минимальный расчетный диаметр.
Абсорбция газов
Оксид серы (IV) является наиболее распространенной примесью в отходящих газах. Проблема очистки этих газов имеет два

аспекта. При обработке серосодержащих минералов (свинцовая,

цинковая, медная, оловянная и другие руды) сера составляет основную часть руды, и она выделяется в процессе обжига и плавки

в виде оксида серы высокой концентрации, что наносит большой

ущерб даже на значительных расстояниях от места выброса. Такой случай произошел в штате Вашингтон (США), причем причиной ущерба явились газы плавильного завода в Трейле, Британская

Колумбия (Канада), расположенного вблизи границы. Фирма Кон-

солидейтед Майнинг энд Смелтинг ов Канада [439] была присуждена к выплате .более 42 000 долларов в .возмещение убытков.
В подобных случаях необходимость очистки обжиговых и

плавильных газов является обязательной. Ограничения, принятые

во многих частях Соединенных Штатов, устанавливают, что содержание S02 в дымовых газах плавильных цехов не должно превышать 0,75% (об.), а в графстве Лос-Анджелес — не более 0,2%

[427].
Гораздо более общей является проблема удаления оксида се-

pbi(IV) ив дымовых газов теплоэлектростанций. Содержание серы

в .них in а много1 ниже:
Содержание Содержание
S. % S02 в газах* %
Уголь .
Уголь . 4
Однако общее количество S02 очень велико. Современная ТЭЦ

Мощностью 1000 МВт, сжигающая в* день 9000 т угля с 2%-ным

содержанием серы, производит 360 т S02. Во многих случаях предпринимались попытки обработать такие огромные количества дымовых газов ТЭЦ; некоторые процессы переработки находятся на

грани промышленного применения.
Абсорбция двуокиси серы из отходящих газов цветной металлургии успешно осуществлялась различными методами. Оксид cell»
--------------- page: 120 -----------
Сумьдя/т+сульфат, г

свры на 1нг
Рис. III-8. Растворимость S02 в воде и в разбавленных щелочных растворах

(например, вода в р. Темзе) [687] (пунктирные линии—различная степень окисления растворов, температура 40 °С, объемы газа приведены к нормальным

условиям):
./ — степень окисления 25%; 2 — то же, 75%; 3— то же, 90%.
ры(1У) мало растворим в .воде -(рис. III-8), »о хорошо растворяется в щелочных растворах. В настоящее время для очистки применяются растворы аммиака, ксилидина или диметиланшшна,

предлагались и другие аминосоединен-ия [75]. В процессе Сульфидин фирмы Лурги абсорбентом является смесь воды с ксилидином

(1:1). Выделяемый затем десорбцией чистый оксид серы может

быть использован, например, для получения серной кислоты. Был

испытан также толуидин, но без особого успеха.
Кснлидин и вода обычно не смешиваются, но при взаимодействии S02 с ксилидином образуется некоторое количество ксилидин-

сульфата, растворимого в воде; когда концентрация S02 приблизится к 100 кг/м3, смесь становится гомогенной. На рис. III-9 представлена кривая равновесия системы S02— ксилидин — вода.
Для десорбции к смеси добавляют раствор карбоната натрия и

переводят образовавшийся ксилидинсульфат в сульфат натрия, а
SO2
ры (IV), содержащий небольшое .количество «силидина, отмывают

водой и получают чистый S02. Для рекуперации паров ксилидина.

из отходящих газов используют разбавленную серную кислоту.

Бели (первоначальное содержание S02 составляло 8%, после скруббера оно снижается до 0,05—0,10 %. При низких .концентрациях

процесс становится неэкономичным вследствие потерь ксилидина.

Технологическая схема приведена иа рис. IIMO.
120
--------------- page: 121 -----------
В процессе, разработанном Америкэн Смелтннг энд Рнфайнннг

Ко. (процесс АСАРК'О), SO2 адсорбируют диметиланилином; выделяющийся /при десорбции оксид серы также отличается высокой

чистотой [261]. Вначале газ пропускают через электрофильтры и

удаляют твердые примеси (глава X), а затем орошают чистым ди-

метиланилином. Из диаграммы равновесия (см. рис. III-9) видно,

что для концентраций S02 более 3,5% диметиланилин является более эффективным абсорбентом, чем смесь ксилидин — вода, при

низких концентрациях смесь ксилидин — вода экономически выгоднее.
Отходящие газы промывают далее раствором карбоната натрия

для удаления следов S02 и днметиланилнна, а затем разбавленной

серной кислотой, которая абсорбирует следы диметил анилина.

Обогащенный оксидом раствор поступает в стриппинг-колонну, где

отпаривается S02. Газы поступают в скруббер для рекуперации дн-

метиланнлина, затем в сушильную башню для удаления влаги и

поступают на склад для дальнейшего использования S02, например, в производстве кислоты.
Цех, построенный в Селби (Калифорния), мощностью 20 т/сут

(S02) рекуперирует 99% оксида серы (IV) из отходящих газов агломерационной 'машины фирмы Дуайт — Ллойд, содержащих 5%

S02. На 1 кг выделенного оксида расходуется 0,5 г диметиланили-

на, 16 г карбоната натрия и 18 г серной кислоты, а также 1,1 кг

пара, 0,52 МДж энергии и 8,2 кг/ч охлаждающей воды (18°С).

Технологическая схема процесса приведена на рис. 111-11. Как абсорбер, так и стриппинг-колонна были выполнены в виде колпачковых тарельчатых колонн, в каждой колонне производится несколько операций, например абсорбция содой и промывка кислотой, что

снижает общую стоимость установки.
Рис. III-9. Изотермы абсорбции S02 безводным диметиланилином (I) и смесью

1 : 1 вода — ксилидин (2) [261] — основа процесса Сульфидин.
121
--------------- page: 122 -----------
Рис. III-IO. Технологическая схема абсорбции S02 смесью ксилидин — вода (процесс Сульфидин) [455]:
1, 2—абсорберы; 3—бак раствора кальцинированной соды; 4 — бак разбавленной H2SO4.;
5 — холодильники; 6 — промывная колонна; 7 — колонна стрштиига; 8 — сепаратор.
Фирма Кшсолидейтед Майявнг зид Смелтинг Ко. в Трейле применяет для абсорбции S02 раствор аммиака (процесс КОМИНКО),

технологическая схема процесса приведена на рис. 111-12.
Газы проходят двухступенчатую колонну с насадкой из деревянных дощечек. Абсорбция производится смесью разбавленного

раствора сульфата аммония и аммиака. Оксид серы (IV) выделяется из раствора сульфата аммония добавлением концентрированной (93%) серной кислоты, при этом получают S02 и (NH4)2SO,4.

Оксид серы в дальнейшем используется для производства кислоты.
Процесс мокрой очистки газов, содержащих S02 в широком

диапазоне концентраций (0,1—1,5%), применяемый для очистки

топочных газов и разбавленных газов плавильных производств,

разработан фирмой Лурш и известен ,как «Сульфаюид процесс»

(рис. 111-13).
Отходящие газы охлаждаются и поступают на слои активированного угля, помещенные в цилиндрические реакторы, где проходит каталитическое окисление газа и абсорбция образующегося
S03
рируется до 65—70% с использованием тепла входящих газов. Эффективность рекуперации составляет около 95%, и концентрация

S02 в отходящих газах менее 750 млн-1 при начальной концентрации 1,5% и 150 млн-1 при начальной концентрации S02 в поступающих на очистку газах 0,3%.
Удаление оксида серы (IV) из топочных газов гораздо сложнее

вследствие огромных количеств низкоконцентрированного очищае-
122
--------------- page: 123 -----------
В атмосферу
Рис. 111-11. Технологическая схема процесса АСАРКО (абсорбция S02 растворами диметнланилина) [261]:
/ — холодильник газа; 2 — промежуточные холодильники; 3—абсорбер; 4— щелочной скруббер; 5 — кислотный скруббер; 6 — продувка ДМА; 7 — сепараторы; 8—холодильники; Р —

бак для воды стриппиига; 10 — отделитель; 11 — нагреватель; 12 — теплообменники; 13 — регенератор; 14 — стриппер; 15 — ректификатор; 16 — осушитель S02; 17, 19 — сборники SO»:

18 — конденсатор; 20 — компрессор.
Н?о
, В атмосферу
. (о.оз% S02)
ЭЗ°/о
В кислотный,

цех
L-r(NH4)2S04
j Щ MJ 17
Рис. Ill-12. Технологическая схема процесса КОМИНКО (абсороция S02 растворами аммиака) [455]:
1 — скруббер; 2 — стрнппинг-колоииа.
--------------- page: 124 -----------
мого газа, поэтому процессы мокрой очистки, описанные выше (за

исключением процесса «Сульфасид») не подходят для этой щели.

Обычная речная вода не может использоваться для мокрой очистки газов, однако вода реки Темзы, имеющая щелочную реакцию,

применялась для промывки топочных газов теплоэлектростанций в

Баттерси и Бэнсайде. Но этот процесс ограничен, поскольку сток

из скруббера увеличивает в реке концентрацию сульфата кальция.

Последний способствует образованию накипи в теплообменниках,

а также влияет на речную флору и фауну. Кроме того, поскольку

топочные газы после скруббера имеют низкую температуру, они не

поднимаются вверх, а оставшийся оксид серы(IV) не рассеивается

на большой площади, а создает сильное локальное загрязнение.
В Бэнксайде газы от электростанции, работающей на жидком

топливе, содержащем 3,8% серы, проходят через скруббер, где извлекается около 95% двуокиси серы. Технологическая схема про-'

цесса приведена на рис. III-14, и данные по равновесию двуокись

серы — вода (р. Темза) приведены на рис. III-8. На практике в воду добавляют меловой шлам для увеличения ее щелочности и эффективности промывки, а к отработанной воде — некоторое количество сульфата магния и воздух в качестве окислителя, поэтому

в воде, сливаемой в реку, содержится сульфат, а не сульфит натрия.
Абсорбционная башня изготовлена из чугуна с футеровкой из

дерева, в ней имеются решетки из кедра и тика. Аэротенки и другие части оборудования футерованы кислотоупорными материалами. Тем не менее эксплуатация установки представляет значительные трудности [678].
Морскую воду из эстуария реки Дервент с успехом применяли

для очистки отходящих газов цеха обжига цинковой обманки фир-
ЬАтмосферу
Рис. 111-13. Технологическая схема процесса Сульфасид фирмы Лурги [293]:
1 — реактор; 2 — слои активированного угля; 3 — скруббер Вентури; 4 — брызгоуловитель;

5 — питатель; 6 — отделение обработки кислоты.
124
--------------- page: 125 -----------
Рис. Ш-14. Процесс Баттерси (абсорбция S02 водой р. Темза с добавлением щелочного шлама, 120 МВт,
1,5% S в угле, количества даны

в час) [677]:
} — абсорбер; 2 — бак окисления; 3 — отстойник; I — газ на очистку: 56 500 м3/ч

(при н. у.), содержание S 0,675 т, или

1,2 г/м3 при 115,6 °С; II— мел: .1 т СаСОз;

/// — вода: 1750 т; IV — вода: 20 000 т; V —

MnSO«: 0,024 т; VI — воздух: 2500 м3/ч

(при н. у.); VII — шлам: 0,4 т; VIII — газ

после очистки: 0,12 г/м3 S, или 0,068 т/ч при

29,4—43,3 °С.
мы Электролитик Зинк Ко.
(Рисдон, Австралия). Четыре

круглых башни с деревянной

насадкой площадью 12,1 м2

каждая, диаметром 5 м и высотой 5 м (аналогично установке в Баттерси) обрабатывали 85000 м3/ч газа при температуре 180—200 °С, содержащего 5%

S02. На экспериментальном скруббере с удельным расходом воды

53 кг/м3 была достигнута эффективность более 95%. В окончательном варианте установка очищает 80 000 м3/ч газа, расход воды

составляет 3,25-106 кг/ч.
Скрубберы снабжены электрофильтрами для улавливания тумана, что (позволяет уменьшить концентрацию S02 ic 2,2% до 2 ,млн.-1

при перепаде давления 0,1 кПа. При уменьшении удельного расхода воды эффективность очистки снижается и концентрация S02 в

отходящих газах превышает 30 млн-1.
Бромли и Рид [135] проводили исследования на опытной установке мокрой очистки газов, содержащих 900 млн-1 S02, морской

водой. Отношение жидкость —газ составляло около 25 кг морской

воды и более на 1 кг газа, эффективность очистки на одноступенчатом оросительном абсорбере 90%. Эффективность очистки на на-

садочном абсорбере (высота слоя насадки 1,52 м) составила 99%

и выше. Образующийся в результате окисления растворенного

оксида серы (IV) сульфат натрия может быть использован на установке по обессоливанию и таким образом заменить серную кислоту, добавляемую для предотвращения образования накипи.
Объем морской воды может быть уменьшен в пять раз при применении более сложного абсорбционного оборудования, например,

каскадных тарельчатых абсорберов или абсорберов с кипящим

слоем; pH получающегося раствора лежит между 2 и 3. Если этот

раствор сбрасывают в море, его вначале необходимо нейтрализовать известью.
Процесс, подобный используемому в Баттерси, но основанный

на^ промывке нещелочной речной водой, разработан фирмой Айси-

и «Хоуден Сайклик Лайм Просесс» [628]. В абсорбциониiой
125
итходщие\

газы
VII/
Шлам ме/ict
Мел
п
Газ на
сь/рои
УП
л
--------------- page: 126 -----------
Рис. Ill-15. Циклический процесс How-

den — 1С1 с использованием извести:

(абсорбция S02 известковой пульпой)

[628, 678]:
1
отстойник; 4 — эксгаустер; 5 — рН-метр; 5 —

барабанный фильтр; / — газ на очистку:

5,6*106 м3 (при н. у.), содержащий 1,2 г/м3 8*

или 0,675 т при |15,6°С; // — газ после очистки: 0,07 г/м3 (при и. у.), содержащий 0,039 т S

при 54,4 — 60 °С; /// — мел: 2 т СаСОз; IV—

CaS04: 8,9 т.
башне с деревянными решетками

циркулирует меловой, или известковый раствор (5—10% масс.),

при этом образуется сульфит

кальция, который затем окисляется до сульфата кислородом, содержащимся в топочных газах.

Технологическая схема представлена на рис. III-15.

jy
пи при работе с пересыщенными

растворами сульфата кальция была решена путем пропускания

раствора через декантатор, куда добавляли известковый шлам с

целью создания необходимого pH. Перед тем как раствор снова подавали в абсорбционную башню, избыток сульфата кальция кристаллизовался на затравочных кристаллах. Часть кристаллического шлама поступала в отстойник, где кристаллы удалялись. Поскольку образующийся CaS04 загрязнен летучей золой, он не находит дальнейшего применения. Было предложено обрабатывать

его карбонатом аммония с получением сульфата аммония [270].
Фирмы Джапан Инджиниринг Ко. и Мицубиси Хэви Индастриз

запатентовали процесс, основанный на том же принципе, что и процесс АйСиАй, но при этом получили кристаллы гипса (CaSCU) высокой чистоты [40, 825]. В Советском Союзе также применяют

суспензию минеральной извести (известковое молоко) для удаления оксида серы (IV) из агломерационных газов (концентрация серы в руде незначительная) [649]. Остаточная концентрация SO2 в

хвостовых газах ниже 0,15 млн-1. Шлам, содержащий смесь сульфата и сульфита кальция, не использовался.
Другой процесс, освоенный в промышленном масштабе (расход

газа 95000 м3/ч),— это процесс Фулхэм — Симон — Карвез [435,

900, 951 ]] (рис. III-16). Топочные газы промывают аммиачным раствором, поступающим с газового завода. В выходящий из скруббера раствор добавляют немного 77%-ной серной кислоты, и смесь

выдерживают в автоклаве при 1,4 МПа и 170°С в течение 3 ч. При.

этом получают серу и сульфат аммония:
2NH4HSO3 + (NH4)2S203 = 2(NH,)2S04 + 2S + Н20
126
--------------- page: 127 -----------
Первая установка была введена на теплоэлектростанции в Фулхэме в 1939 г.,

вторая крупная установка — на теплоэлектростанции в Норс Внлфорде (Ноттингем), где были произведены пробные пускн в 1957 г.
Сравнение относительной экономичности трех освоенных в промышленном масштабе процессов мокрой очистки топочных газов

показывает, что процесс Хоуден—АйСиАй является самым дешевым, если нет удовлетворительной речной воды или источника аммиака. Если аммиак легко доступен (например, с газового завода),

то наиболее экономичным является процесс Фулхэм — Симон —

Карвез.
Петелина [649] сообщает о модификации процесса Фулхэм —

Симон — Карвез, разработанной в СССР. Насыщенный раствор бисульфита натрия обрабатывают серной кислотой и подвергают разложению в автоклаве при 600 кПа и 147 °С. Эффективность очистки, по словам автора, составляет 93—97%. При этом возрастает

выход серы и уменьшается время обработки в автоклаве по сравнению с исходным процессом Фулхэм. Опытная установка производительностью 50 000 м3/ч построена в 1968 г.
Мицубиси Хэви Индастриз [40] тоже разработала процесс мокрой очистки газов с использованием аммиака, но в отличие от процесса Фулхэм — Симон — Карвез в результате получают кристаллический сульфат аммония. Эффективность удаления оксида
Вида.
NH3 II
|H»SQi Раствор

4 ецпьерата.
(NH4)2S04
Рис. III-I6. Процесс Фулхем — Симон—карвез (абсорбция S02 аммиачными

растворами после промывки газа коксовых печей) с получением серы и сульфата аммоиня [435, 678]:
СкРуббер; 2 — автоклав; 3 — фильтр-пресс; 4 — вакуум-испаритель; 5 — эжектор; 6 — центра-//?1 7fT~ сУШШ1ка' бак с отфильтрованным раствором; Р—бак для слива из скруббе-

К * 10 ~ бак с циркулирующей промывной жидкостью; / — газ на очистку: 5,6-105 м3 (при

г' l’** содержащий 12.5 на 5 м3, или 0.675 г при 115.6 °С; II — аммиак: 3,88 т в виде 15%-но-

Раствора; /// — сера: 0,175 т; IV- (NH4)sS04: 2.26 т кристалл.; V — H2S04: 0,16 т в виде
77%-иого раствора.
127
--------------- page: 128 -----------
cepu'(IV) составляет 95% при исходной .концентрации 0,1—0,2%

S'02; потери аммиака незначительны. Раствор .сульфата аммония

поступает в кристаллизатор в виде 45%-ного раствора, отходящее

тепло используется.
Другим процессом, при котором также получают сульфат аммония, является Мицубиси Манганез Оксихайдроксайд Процесс

[40]. В качестве абсорбента используют 3%-ный раствор гидроксида марганца. К образовавшемуся сульфидному комплексу добавляют аммиак и кислород, при этом образуется сульфат аммония, и

шлам поступает в рецикл. Этот процесс можно рассматривать как

улучшенный аммиачный процесс, поскольку эффективность удаления S02 из газов с исходной концентрацией 0,1—0,2% составляет

97%, содержание S02 в хвостовых газах составляет 30—60 млн.-1,

потери аммиака практически отсутствуют. В другом процессе Мицубиси 45%-ный раствор сульфата аммония может поступать в

кристаллизатор без предварительного выпаривания в испарителе.
Петелина [649]| сообщает также о процессе «Магнетитный

цикл», используемом в СССР для удаления S02 из топочных газов

теплоэлектростанций или из газов агломерационных машин при высоком содержании серы в руде. Газы промывают суспензией сульфита магния и кристаллов оксида магния в растворе сульфита и

бисульфита магния. Слаборастворимые кристаллы бисульфита

игольчатой формы удаляют из раствора, сушат и подвергают обжигу при 850—900 °С. При этом бисульфит разлагается на оксид магния и оксид .серы(IV). Оксид магния возвращают в абсорбционный шлам, а оксид серы(IV), .содержание которого теперь составляет 10—15%, поступает в цех серной кислоты.
Были проведены опытные испытания на теплоэлектростанции

(14 000 м3/ч) и на агломерационной фабрике (8000 м3/ч). Найдено, что эффективность удаления S02 составляет 95—97%- Четыре

промышленные установки, очищающие 4 млн. м3/ч были введены в

1969 г. на Магнитогорском металлургическом заводе, причем одновременно производится 150 тыс. т/год серной кислоты.
Другой процесс, в котором в качестве абсорбента применяют

аммиак, был разработан Шейлем, Симпсоном и Льюисом [763] в

Горном Департаменте США. В этом процессе, где одновременно

частично удаляется оксид азота (II), обеспыленный топочный газ

взаимодействует в реакционной камере с аммиаком и водой в газовой фазе. Газы охлаждают, а продукты реакции выводят с конденсатом. Очищенный газ проходит через водяной эксгаустер и перед выбросом в атмосферу имеет температуру около 35 °С.
К продуктам, содержащимся в конденсате, добавляют оксид

цинка, при этом образуется сульфид цинка. Его разлагают и получают жидкий S02 и оксид цннка.
Другой возможный процесс состоит в том, что топочные газы

вступают в реакцию с сульфитом и бисульфитом натрия, что ведет

к увеличению содержания бисульфита
S02 + NaHSOg + NaSOg + Н20 = 3NaHSOs
128
--------------- page: 129 -----------
Рис. III-17. Характеристика процесса ICI: абсорбция S02 раствором основного
сульфата алюминия:
о — изотермы абсорбции (1—3 — при 20 СС; 2а — при 25 °С; 26 — при 30 °С); б — точки кипения растворов основного сульфата алюминия, содержащего растворенный диоксид серы (для

парового стриппинга); состав растворов:
Х° кривых
Содержание AI, кг в 0,1 м3
Основность, %
своб.
СВЯЗ.
всего
1
3,44
6,61
10,05
34,2
2.2а,2б,
4,0
5,82
9,82
40,8
3
4,55
5,32
9,87
46,1
Образующийся раствор затем взаимодействует с оксидом цинка

NaHS03 + ZnO = ZnS03 + NaOH
Сульфит цинка обжигают, при этом получают оксид цинка и оксид

серы, который можно в дальнейшем использовать [407]
ZnSOg = ZnO ~1~ SO2
В качестве абсорбента использовали также основной сульфат

алюминия; рекуперация S02 проводилась путем стриппинга в колонне, обогреваемой паром (рис. 111-17,6) [33]. Диаграмма равновесия системы S02 — основной сульфат алюминия дана на рис.

Ш-17, а. Этот процесс разработан фирмой АйСиАй (рис. 111-18) и

внедрен на медеплавильном заводе в Иматре фирмы Оутокумпу

Коппер Ко.
Газы вначале промывают водой для удаления твердых примесей, а^затем пропускают через четыре абсорбционные башни с насадкой из деревянных решеток площадью 10,6 м2. Жидкость движется противотоком, как показано на рис. III-18 (показаны толь-

° три башни). Насыщенный раствор, содержащий 60 кг/м3 S02,
--------------- page: 130 -----------
Рис. 111-18. Технологическая схема установки ICI (см. рис. 111-17):
Б[—Б3 — абсорбционные башни (показаны три из четырех смонтированных); X,—Х<— холЬ-

дильники; Н — насосы; А — регулятор разбрызгивания; Е — эксгаустер; Oi—0< — отстойники; Т — теплообменник; Р — регенерационная башня; РБ — регенерационный бойлер; Л —

ловушка-коллектор; С — смесители; Ф — фильтр-пресс.
затем поступает в подогреватель и из него — к регенератору окси-

да серы (IV). Для защиты от коррозии все оборудование футеровано свинцом, кислотоупорным кирпичом с облицовкой из листового свинца или изготовлено из дерева (решетки абсорбционной башни).
Мицубиси Хэви Индастриз недавно разработала процесс «Ред

Мад», или красный шлам [40] (рис. 111 -19). Красный шлам представляет собой отработанный боксит или «Люксмасс» и используется как шламовый абсорбент. «Люксмасс» — отход производства

глинозема из бокситов (технология фирмы Байер), его состав:

А120з—18,9%; Si02—17,4%; Na20 —8,3%; Fe203 —39,3%; ТЮ2—

2,8%; потеря веса при прокаливании— 10,5%.
Активным компонентом при абсорбции оксида серы (IV) является натрий-алюминий силикат. После абсорбции шлам, содержащий S02 в виде сульфата натрия, может быть переработан с получением товарного продукта. Переработка заключается в извлечении всей каустической соды и сульфата натрия и обработке оставшегося материала оксидом серы (IV). Из осадка получаются три

типа продуктов, которые можно легко разделить, следующего состава (в %):
"I п ш
А120з .... 99,2 8,1 7,4 Fe203
Si02 .... 0,8 91,9 10,5 Ti02
Глиноземная I и кремнеземная II фракции представляют собой

чистые белые порошки без примеси оксида железа и могут быть

использованы как промышленное сырье.
130
--------------- page: 131 -----------
В процессе высокотемпературной мокрой очистки газов, разработанной в Атомной лаборатории фирмы Норс Америкэн Рокуэлл

Корп., используется эвтектическая смесь карбонатов щелочных металлов [615, 616], в состав которой входят 32% (масс.) Li2C03,

33% (масс.) Na2C03 и 35% (масс.) К2СОэ. Точка плавления смеси

397 °С. Это прозрачная подвижная жидкость, при 425 °С подобна

смеси вода — этиленгликоль; ее вязкость 0,012 Па-с, плотность

2 г/см3, удельная теплоемкость 0,4 и теплопроводность 1,4 Вт/(м2-

• °С). Смесь абсорбирует более 99% S02 из газов, содержащих 0,3—

3% S02, содержание оксида серы в хвостовых газах составляет

20 млн-1.
Процесс состоит из стадий абсорбции, восстановления и регенерации абсорбента. В процессе абсорбции оксиды серы в газовом

потоке реагируют с карбонатом с образованием сульфита и сульфата металла (М)
so2 + м2со3
SOg + MgCOg
Константы равновесия реакций равны соответственно 320 и 1011 при

425СС. Таким образом, 40% карбоната вступает в реакцию до того, как парциальное давление S02 в равновесии с расплавом достигает 200 млн-1. Скорости реакций очень велики, поэтому абсорбция
9*
131
--------------- page: 132 -----------
определяется скоростью массопереноса оксида серы. В оросительном скруббере при скорости газа 7,5 м/с эффективность удаления

составляет 95%. Реакции, проходящие в скруббере, экзотермич-

лы, и это частично компенсирует потерю тепла в скруббере.
На стадии восстановления используют газогенераторный газ после риформинга (75% Н2, 21% С02) при температуре 600 °С. В этих

условиях реакции восстановления предшествует реакция диспро-

порционирования сульфита, т. е.
диспропорционирование:
4M2S03 —3M2S04 + M2S
восстановление:
M2S04 + 4Н2
M2S04 + 4C0
Реакции восстановления протекают медленно, периодический

процесс длится от 40 до 60 мин. В настоящее время исследуется

более быстрый противоточный процесс.
На стадии регенерации сульфиды реагируют со смесью С02 и

воды при 425 °С:
M2S -f со2 + н2о —> м2со3 + H2S
Эта реакция протекает быстро. Полученный расплав возвращают в скруббер. Газ, выходящий из реактора регенерации, содержит 30%) H2S и по 35% оксида углерода (II) и воды и может направляться на установку Клауса для получения серы. Из очищаемого газа необходимо удалить летучую золу, поскольку она растворяется в расплаве и превращает его в пастообразную массу,

которую невозможно перекачивать. В качестве конструкционных

материалов для частей установки, работающих при температурах

ниже 485°С, можно использовать нержавеющую сталь; сплавы на

основе никеля или кобальта предпочтительнее для тех частей, где

рабочие температуры выше (до 670 °С).
Процесс мокрой очистки газов, детали которого еще недостаточно ясны, испытывался фирмой Велман — Лорд на тепловой

электростанции в Гэнноке фирмы Тампа Электрик Ко. [32]. Сообщается, что при очистке удаляется 90% S02 и S03 и летучая зола, оставшаяся после электрофильтров. После дальнейшей переработки чистый оксид серы (IV) отгоняется в стриппинг-колонне и

может быть использован для производства серной кислоты или рекуперации серы.
При осуществлении абсорбционной очистки S02 возникают две

проблемы. Первая из них заключается в том, что объем очищаемых

газов очень велик. Так, теплоэлектростанция мощностью 800 МВт

производит 2,5 млн. м3/ч газов, которые необходимо очищать. Вторая заключается в том, что газы и жидкости отличаются высокой

коррозионной активностью.
Первые абсорбционные башни, построенные в Баттерси и других

местах, были очень большими, их футеровали свинцом и загружа132
--------------- page: 133 -----------
ли деревянной насадкой. В последнее время много работ посвящено разработке типов насадок и абсорбционных колонн. Климичек,

Скриванек и Беттельхейм [448] испытали специальную проволочную насадку для абсорбции газов растворами аммонийных солей.

Новая насадка обладала лучшими характеристиками, чем обычная

насадка из колец Рашига. Высота единицы переноса для этой насадки составляла две трети высоты для колец Рашига, кроме того,

поверхностная скорость для этой насадки в пять раз больше скорости для обычных насадок. Ее стоимость составляет 30% стоимости обычных насадок.
Каскадная абсорбционная колонна турбулентного контакта была использована для работы с растворами карбонатов натрия и

кальция [653],. В абсорбере применяется насадка, не допускающая захлебывания; она представляет собой сферы низкой насыпной плотности, размещенные между ограничивающими решетками

достаточно далеко друг от друга, что позволяет им двигаться турбулентно и беспорядочно. На такой насадке достигается высокая

степень абсорбции при больших скоростях жидкости и газа и небольшом перепаде давления. Применяемое оборудование не забивается и поэтому может быть использовано для очистки запыленных газов или даже в тех случаях, когда в процессе реакции образуются твердые продукты. Исследования, проведенные на опытном

четырехступенчатом абсорбере, показали, что эффективность удаления оксида серы (IV) составила 88—96% для карбоната натрия

и 78—87% для карбоната кальция.
Мицубиси Хэви Индастриз разработала противоточный скруббер [562], представляющий собой набор горизонтальных V-образ-

рых желобов, плотно соединенных в вертикальные ряды, так что

газ вынужден проходить через слой жидкости. Эффективность абсорбции S02 (содержание в газе 0,11—0,24%) раствором сульфита

натрия составляла 90—95% при перепаде давления около 0,7—
1,4
изводительности, но больше, чем для обычной решетчатой насадки.
Было найдено, что формиат калия тоже может применяться как

абсорбент в виде расплава при 177 °С или в виде водного раствора

при 93 °С [956]; средняя эффективность абсорбции оксида серы

(IV) при его первоначальном содержании 0,39% составляет 88%.

Последовательность реакций, протекающих в процессе очистки:

абсорбция (в водном растворе)
2КСООН + 2SOa
регенерация
4КСООН + K2S203
2KHS + С02
К2С03 + 2СО + Н20
gg бы пРименяли расплав соли, в уравнениях (б) и (в) вместо

образовался бы K2S. Образование K.HS объясняется .высокой
133
--------------- page: 134 -----------
константой ионизации. Общая реакция, из которой исключены

возвращаемые в цикл карбонат и формиат, может быть написана

в виде
S02 + ЗСО + Н20
Сероводород поступает в установку Клауса и рекуперируется в

виде серы. К скрубберу не предъявляются никакие необычные или

специальные требования; предполагают, что для серийного оборудования перепад давления составит 1,8 кПа.
Отработанный раствор, содержащий 20—25% K2S2O3 15—20%

воды и 55—65% КСООН, из скруббера передают в отделение регенерации. Регенерация протекает в три стадии: реакция восстановления [уравнение (б)], которая протекает быстро (и экзотер-

мично) при 280 °С и давлении 3,5 МПа; стадия стриппинга, где

отпариваются H2S и С02, и стадия синтеза муравьинокислого калия. Восстановление протекает быстро и через 15 мин достигается,

конверсия 96%.
В настоящее время технология всех стадий разработана в лабораторном масштабе и для периодического процесса; предполагается построить опытную установку в исследовательской лаборатории фирмы Консолидейтед Коул Ко. около Питсбурта (шт. Пенсильвания). Преимуществом предложенной системы является тот,

факт, что нет необходимости в повторном нагревании отходящих,

газов и организации склада для образующихся веществ, кроме летучей золы. Кроме того, на всех стадиях процесса можно использовать стандартное оборудование.
Фтор и фтористые соединения (HF, SiF4). Газообразный фтористый водород (HF), четырехфтористый кремний (SiF4), а также

кр ем! I ефго р ист ов од ор одн а я 'кислота (H2SiF6) выбрасываются,

с отходящими газами производства суперфосфатов (после обработки фосфатной руды серной кислотой в камерах-экстракторах),

при выплавке алюминия (где в качестве флюса используется

плавиковый шпат CaF2); в электролитическом производстве алюминия (где окись алюминия, или глинозем А1203 расплавляется в

криолите NasAlF6 при 900—1000 °С и затем подвергается электролизу) и в печах обжига метафосфата кальция. Подробный

обзор, посвященный выбросам фторидов, был опубликован Сем-

ром [751].
Как было показано в главе I, присутствие в воздухе фторидов

даже в малых концентрациях (около 10_6 млн.-1) может представлять опасность для растений, а при несколько более высоких концентрациях они могут привести к хроническому отравлению крупного рогатого скота и овец, поэтому выброс фтористых соединений'

должен строго контролироваться. Однако благодаря хорошей растворимости фторидов в воде (рис. 111-20) промывка газов водой

практически всегда достаточна для снижения концентрации фторидов до допустимого предела. Противоточные оросительные башни»
134
--------------- page: 135 -----------
Рис. III-20. Диаграммы равновесия водных растворов фтористоводородной и

кремнефтористоводородной кислот [938]:
•а — парциальное давление HF над растворами фтористоводородной кислоты 1938]; б — парциальное давление S1F* над растворами кремне фтор истово дородной кислоты: 1 — при 25 °С;
2
оросительные башни со спутным течением, скрубберы Вентури,

мокрые фильтры и насадочные башни нашли применение на промышленных и опытных установках для удаления фторсодержащих

примесей.
Соотношение Лунде для потребления энергии в зависимости от

числа единиц переноса N для оросительных скрубберов и скрубберов Вентури показаны на рис. 111-21. Они могут быть пересчитаны на эффективности (см. Приложение). Было найдено, что эффективность одноступенчатого противоточного скруббера для очистки газов агломерационной печи достигает 97% f548]. Другие

Данные, касающиеся работы этой конкретной установки, приведе-

-Иы ниже:
Высота башни, м
Диаметр башни, мм
Число точек впрыска
Расход воды, м3/ч
Температура газа, °С
на входе
и а выходе
135
--------------- page: 136 -----------
Объемная скорость газа, м3/ч
на входе .
на выходе
фтористого водорода на входе, кг F в час ...
Эффективность улавливания, %
фтористого водорода
фторида натрия
Объемная скорость пыли фторида натрия, кг/ч
на входе
на выходе
Расход гашеной извести (агент нейтрализации), кг/ч
Мокрые фильтры, ячейки которых состоят из грубых и тонких

волокон, были испытаны Ферстом с сотр. [260]. Одна из установок,

показанная на рис. III-22, состоит из трех секций:
I
255 мим волокон «Саран» н потребляющая 2,05 м3/ч воды;
II
10 мкм) площадью 500X685 мм и толщиной 50 мм со степенью набивки 7,35 кг/м3 (в расчете на сухую массу);
III
ложенные последовательно.
Скорость газового потока 1020 м3/ч, сопротивление прокладки-

600—690 Па.
При содержании фтористого водорода 50—200 мг/м3 кумулятивная эффективность ступеней составила 94, 97 и 99,5%- Установка с двумя одинаковыми мокрыми ячейками, но с объемной скоростью газа 184 м3/ч и с меньшим расходом воды 2,1 м3/ч (на одну

ячейку) позволила достичь эффективности более 99%.
По сообщению Теллера [852], фирма Веллман — Лорд Инджи-

ниринг Ко. разработала орошаемый противоточный скруббер, в котором секции орошения чередовались с насадочными секциями.

Особенно важной является разработка схемы орошения, посколь-
Рис. 111-21. Зависимость эффективности скруббера при поглощении HF от мощности (эффективность N дана в единицах переноса) [536]:
1 — оросительные скрубберы для HF; 2 —скрубберы Вентури для HF; 3 — оросительны#

скрубберы для S1F4 (пунктирная линия — оросительные скрубберы; сплошная линия
скрубберы Вентури).
136
--------------- page: 138 -----------
ку возможность обхода не допускается. После каждого набора орошающих форсунок газы проходят сквозь орошаемые перегородки,

где удаляются грубые частицы, уменьшая тем самым забивание

насадочных секций. Это особенно важно, так как вследствие абсорбции SiF4 образуются твердые пробки. Вследствие этого предпочтение отдают противоточным скрубберам, а не прямоточным.

Расход на орошение составляет 50 000 кг/(м2-ч) при расходе газа

100 000 кг/(м2-ч) для насадочной колонны с насадкой типа Телле-

ретт. Теллер сообщает также о комбинированных установках типа

скруббер Вентури — циклон (см. рис. IX-23).
Скруббер с плавающей насадкой (с. 411), представляющей собой легкие литые пластмассовые шарики, был успешно применен

для очистки загрязненных фтором отходящих газов электролиза

глинозема [437]'. Было найдено, что эффективность удаления фтора

составила 95% при условии, что слой насадки, состоящий из полых

полиэтиленовых шариков, имел высоту 0,3 м, поверхностная скорость составила 2,52 м/с и перепад давления 870—1000 Па.
Если в отходящих газах присутствует газообразный фтор, использовать воду не следует, поскольку фтор не всегда реагирует

с водой, а также в связи с образованием на некоторых установках

взрывоопасных смесей. В этом случае подходящим абсорбентом

является 5—10%-ный раствор едкого натра. Технологическая схема

промышленной установки для удаления фтора и фтористого водорода приведена на рис. 111-23 [485].
Янертный
Рис. II1-23. Технологическая схема очистки отходящих газов, содержащих фтор
и фтористый водород:
/ — абсорбционная башия; 2 — сопло; 3— газоход; 4—регенерационный танк; 5 — гаситель

извести; 6 — танк-отстойник; 7 — переливное устройство; 8 — теплообменники; 9 — бункер извести; 10 — ленточный транспортер; U — холодильник; 12 — хранилище; 13 — танк декантации.
133
--------------- page: 139 -----------
-ЗСЕ4+jBJJF
Пропан
Воздух
Ь
п
В атмосферу
Рис. 111-24 Сжигание фтора и фтористого углерода и абсорбция образующихся
газов [871]:
а —кольцевая горелка; б — схема абсорбции; /-горелка; 2 - водяной скруббер; 3 — щелочной скруббер.
Загрязненные фтором газы поступают в насадочную абсорбционную башню
1
который подается в башню через сопло 2. Через газовод 3 продувается инертный

газ. Отработанная жидкость, содержащая фторид натрия, постоянно удаляется

из башни и поступает в регенерационный танк 4, куда из гасителя 5 подается

известковое молоко. В регенерационном тайке 4 образовавшийся фторид натрия

превращается во фторид кальция при взаимодействии с Са(ОН)2 в условиях

тщательного перемешивания. Смесь проходит к танку-отстойнику 6, где осаждается фторид кальция и избыток извести. Прозрачный регенерированный раствор протекает через переливное устройство 7 и вновь поступает в башню 1.

Чтобы поддерживать определенный температурный режим в башие, эта жидкость

проходит через систему теплообменников 8, регулируемую автоматически. При

этом температура жидкости поддерживается в пределах 37,8—65,6 °С.
Известковое молоко приготовляют путем добавления извести (гашеиой или

негашеной) из буикера 9 в бак 5 с помощью ленточного транспортера 10. Для

гашения извести и образования суспензии используют часть свежего питательного раствора. Исходный 50%-ный раствор едкого натра откачивается из цистерны по трубопроводу в хранилище 12; сюда же добавляют воду для получения 25%-ного раствора. Раствор щелочи по мере необходимости может отбираться из бака 12 и прокачиваться к отстойнику 6.
Когда в отстойнике набирается достаточное количество шлама, прозрачная

жидкость декантируется через отводную трубу и перекачивается к танку декантации 13. К твердым отходам в отстойнике добавляют достаточное количество

воды и в виде пульпы перекачивают в отвал.
Раствор щелочи пропускают через насадочную башню при 38—

65 СС. Следует избегать применения растворов концентрацией менее 2%, поскольку при этом образуется чрезвычайно ядовитый оксид фтора (F20). Это соединение образуется и в том случае, если

время контакта газа со щелочью составляет около 1 с, поэтому рекомендуется продолжительность контакта около 1 мин, в течение

которого фтор и фтористый водород реагируют со щелочью с образованием фторида натрия:
F2 + 2№ОН = VjA + 2NaF + Н20

HF + NaOH = NaF + Н20
139
--------------- page: 140 -----------
Затем фторид натрия взаимодействует с известью с регенерацией

щелочи:
2NaF + СаО + Н20 = CaF2 (ppte) + 2NaOH

Необходимость этой стадии регенерации обусловлена тем, что NaF

обладает ограниченной растворимостью в щелочных растворах.

Его присутствие приводит к образованию пробок и эрозии оборудования, кроме того, он токсичен и не может быть выведен ,'из системы со сточными водами без дальнейшей обработки. Предлагаемый процесс очистки может применяться тогда, когда фтор и фтористый водород .присутствуют в отходящих газах •,производства

фтор углеводородов перед их дальнейшей обработкой.
Другим методом удаления фтора, присутствующего в отходящих технологических газах, является его сжигание с углеводородами либо с водородом для получения фтористого водорода, который

затем может абсорбироваться водой. Схема очистки, включающая

специальную горелку для сжигания фтора и систему скрубберов,

представлена на рис. II1-24 [871].
Значительную проблему представляет выбор конструкционных

материалов в случае очистки газов от фтора, фтористого водорода

и других фторсодержащих соединений. Абсорбционные башни изготавливают либо из дерева с деревянной обрешеткой, либо из листовых пластмасс. Удовлетворительным облицовочным материалом

являются графитовые кирпичи при очистке газов, содержащих элементарный фтор. Можно использовать никель и его сплавы, так

как образующаяся пленка фторида никеля защищает металл от

дальнейшей коррозии. При взаимодействии со сталью образующийся фторид железа представляет собой порошок с плохой адгезией,

поэтому стали не применяют тогда, когда возможен контакт с этими газами, особенно при повышенных температурах.
Хлор и хлориды. Абсорбция газообразного хлористого водорода

водой, в которой он очень хорошо растворяется, является обычной

стадией производства соляной кислоты. Хлориды присутствуют &

отходящих газах выплавки алюминия из лома, где соль (NaCl)

входит в состав флюса. Абсорбция элементарного хлора является

одной из основных стадий очистки этого газа перед его дальнейшим использованием.
Абсорбция паров соляной кислоты происходит с выделением

большого Количества тепла, поэтому необходимо предусматривать

охлаждение. Процесс обычно проводят в две стадии [184]: на

первой стадии газы проходят графитовый абсорбер-теплообменник,

а затем насадочную башню с керамической насадкой для удаления

последних следов кислых газов. Данные по равновесию системы

приведены в табл. III-2.
Кемпнер, Зайлер и Боуман [434]' провели испытание ряда промышленных скрубберов, в которых подвергали обработке

4250 м3/ч газов, содержащих 20 мг/м3 газообразного НС1. Многие

из этих установок показали высокую эффективность, близкую к

100%, при расходе воды около 0,26 кг/м3.
1-10
--------------- page: 141 -----------
ТАБЛИЦА HI-2
Парциальное давление хлористого водорода над водой
Концентрация

HCI, части

на 100 част.

Н2 О
РНС1, кПа при температуре
10 °С
30 °с
и
о
ю
80 °С
110°С
78,6
114
66,7
31,0
83,4



56,3
7,67
25,0
71,2


47,0
1,57
5,92
18,7
82,9

38,9
0,30
1,32
4,75
25,0
101
31,6
0,057
0,289
1,18
7,25
33,6
25,0
0,011
0,064
0,294
2,07
11,0
19,05
0,0021
0,014
0,073
0,620
3,72
13,64
0,00041
0,0031
0,018
0,178
1,24
8,70
0,000078
0,00068
0,0046
0,052
0,41
4,17
0,0000091
0,00010
0,00085
0,013
0,12
2,04
0,0000015
0,00002
0,00019
0,0033
0,037
Одной из таких установок был скруббер с увеличенной поверхностью— модифицированная двухступенчатая тарельчатая колонна. Вертикальная основа скруббера из стеклопластика сечением

510X790 мм состояла из двух секций; каждая из них включала

распределительную тарелку, реакционную прокладку из нейлоно-»

вого волокна толщиной 50 мм с облицовкой из каучука и наклонный туманоуловитель из такого же волокна толщиной 50 мм, расположенный над реакционной прокладкой в форме перевернутой V.
В условиях испытания эффективность такой двухсекционной установки достигла 99,25% при полном расходе воды 0,07 кг/м3. Эффективность одной секции составила 95%. Другой установкой, отличающейся высокой эффективностью, оказалась вертикальная

башня из стеклопластика (внутренний диаметр 760 мм) с 50-мил-

лиметровой седлообразной насадкой из полипропилена марки Ин-

талокс; высота насадки—1170 mim. Питатель елочного типа с 40

мелкими отверстиями обеспечивал равномерное распределение под

поверхностью насадки, что позволило верхним секциям работать в

режиме брызгоуловителя. По спецификации изготовителя расход

воды около 2 кг/м3 обеспечивает практически 100%-ную эффективность, тогда как при расходе 0,3 кг/м3 воды эффективность составляет порядка 98,8% при перепаде давления 1,04 Па.
Эффективность горизонтального скруббера, состоящего из оросительной и насадочной секций, при расходе 1—2 кг/м3 составля-

ет 96%, а эффективность тарельчатой колонны с клапанными тарелками при расходе 0,5 кг/м3 составляет 97,8%. Лишь в скруббе-

с пульверизационным орошением достигалась эффективность

7/о при рекомендуемом изготовителем расходе воды 0,1 кг/м3,

поэтому применение такой установки для очистки газов от хлоридов не рекомендуется.
141
--------------- page: 142 -----------
Хлориды, встречающиеся в отходящих газах обжига и других

технологических процессов, обычно представляют собой не газообразные продукты, а очень мелкие кристаллы, которые не могут

быть удалены промывкой в скрубберах, осаждением или фильтрацией газов (в зависимости от условий).
Сам хлор может быть уловлен при промывке газов водой. Протекающие при этом реакции довольно сложны и детально обсуждены в литературе [768].
Как и при удалении фторидов, основной проблемой является

выбор конструкционных материалов. Углеродистые и нержавеющие стали не удовлетворяют требованиям, однако при низких температурах могут применяться гуммированные и футерованные башни с керамической насадкой. Можно также использовать сплавы на

основе никеля, титана и серебра.
Сероводород. Природный и нефтяной газы, каменноугольный

газ, широко используемые в промышленности и для бытового отопления, в качестве примеси содержат сероводород. В зависимости

от источника получения газы могут также содержать в меньших

концентрациях сероуглерод (CS2), сероокись углерода, или карбо-

нилсульфид (COS), тиофел (C4H4S) и меркаптаны (RSH), пиридиновые основания, цианистый водород, оксид углерода (II) и аммиак. Сероводород содержится также в отходящих газах, образующихся при выпарке целлюлозных шелоков и в результате процессов обжига. Технологические и топочные газы, содержащие сероводород, коррозионно-активны при охлаждении ниже точки росы,

обладают неприятным запахом, весьма нежелательны при производстве и термической обработке сталей и создают ряд других

проблем. Поэтому сероводород и некоторые другие соединения необходимо удалять из этих газов. Некоторые муниципальные власти ограничивают содержание сероводорода в бытовом газе до

0,0115 г/м3, хотя часто допускается концентрация 0,35—0,70 г/м3.

Для металлургических процессов обычно разрешают еще более высокие концентрации — до 1,15 г/м3 [310].
В связи с экономической важностью проблемы удаления сероводорода было разработано большое число различных технологических процессов. Поскольку эти процессы были подробно описаны

Колем и Ризенфельдом [455], ниже они будут рассмотрены очень

кратко.
Наиболее распространенным процессом очистки (или демеркап-

танизации, как иногда называют эту операцию) природного и нефтезаводского газов, содержащих небольшое количество сероуглерода и карбонилсульфида и не содержащих аммиака, является очистка этаноламином, или процесс Джирбатол (по названию фирмы— Джирдлер Корпорейшен).
Сероводород и оксид углерода (II), присутствующие в газовой

смеси, абсорбируются в барботажной колонне водным раствором

этаноламина при низких температурах. Образующийся комплекс

поступает в стриппинг-колонну, где при нагревании происходит ре-
142
--------------- page: 143 -----------
Рис. 111-25. Процесс «Джирботол» [455]:
а — основная технологическая схема; б — модифицированный процесс «Джирботол» с расщепляющимися потоками для снижения потребления пара; 1 — абсорбер; 2—холодильник,

раствора; 3 — насос; 4, 6 — теплообменники; 5 — регенератор; 7 — холодильник кислых газов.
генерация кислых газов, а раствор этаноламина возвращается в

абсорбер (рис. 111-25,а).
Вначале для этой дели был использован триэтаноламин (ТЭА).

Впоследствии было найдено, что для абсорбции сероводорода и

С02 с большим успехом может применяться 15—20%-ный водный

раствор моноэтаноламина (МЭА), поскольку он отличается повышенной поглотительной способностью на единицу массы растворителя, большей реакционной способностью и легко регенерируется.
Недостатками МЭА является тот факт, что он образует с серо-

окисъю углерода устойчивое при высоких температурах соединение— диэтилкарбамид [CO(NHCH2CH2)2], что ведет к потерям

$мина, а также то, что давление его паров относительно высоко,

поэтому после стриппинга необходимо промывать кислые газы для

удаления захваченных паров МЭА. Моноэтаноламин обычно используется для удаления серосодержащих примесей из природного

газа, тогда как дизтаноламин (ДЭА), не образующий диэтилкарб-

амида, применяется для очистки н е фтез а в од ск ого газа, содержащего некоторое количество карбонилсульфида. Дизтаноламин менее летуч, поэтому его потери невелики. Находит применение и ди-

пропаноламин.
При обработке природного газа моноэтаноламином концентрация сероводорода снижается до 0,00575 г/м3, что удовлетворяет

Даже наиболее жестким требованиям, предъявляемым к городскому газу. Для селективной абсорбции сероводорода в присутствии

С02 используют триэтаноламин или метилдиэтаноламин (МДЭА)

в виде 30%-ного водного раствора.
143
--------------- page: 144 -----------
Для извлечения сероводорода из природных газов некоторых

месторождений, где он содержится в больших количествах (например, в Лаке), применяется процесс, разработанный фирмой Сосьетэ

Насьональ де Петроль д’Акитэн. Он подобен процессу «Джирбо-

тол», но в нем используется диэтаноламии (SNPA — DEA) [906].

Хотя технологические стадии аналогичны процессу «Джирботол»,

используются более концентрированные растворы амина и повышенные давления. Это позволяет уменьшить габариты установки,

снизить капиталовложения и дает возможность одновременно извлекать карбонилсульфид, который затем регенерируют и удаляют

с газами стриппинга. При этом ДЭА не разлагается. Содержание

сероводорода в очищенном газе — менее 2 млн-1.
Если необходим сухой сероводород, то вместо воды при промывке газа для рекуперации летучего амина используют диэтиленгли-

коль (иногда триэтиленгликоль).
Вследствие широкого распространения этих процессов и большой мощности установок экономически выгодно снизить потребление пара для стриппинга и улучшить процесс рекуперации тепла.

Это достигается введением различных модификаций в схему. Так,

например, первичную абсорбцию проводят в теплообменнике методом расщепляющегося потока, когда только часть раствора подвергается стриппингу. Это приводит к уменьшению количества пара,

проходящего через стриппинг-колонну (рис. III-25, б).
Каменноугольный газ, получаемый в вертикальных ретортах с

целью производства газа либо в горизонтальных ретортах, используемых для производства металлургического кокса, содержит гораздо больше примесей, чем природный или нефтеперегонный газ

[655]:
Примеси
% (об.)
Сероводород . .
Сероуглерод . . . 0,007—0,07
Меркаптаны (RSH) 0,003
Кроме того, газы содержат около 1% аммиака и 1,5—2% оксида

углерода (IV). Присутствие аммиака заставляет предполагать, что

при абсорбции образуется щелочной раствор. Абсорбция аммиака

определяется газовой фазой и протекает очень быстро, абсорбция

сероводорода в водных растворах аммиака тоже определяется газовой фазой, хотя проходит не так быстро, как абсорбция аммиака,

тогда как абсорбция С02 в воде или слабощелочных растворах определяется жидкой фазой. Эти особенности и определяют процесс

селективной абсорбции двух основных примесей аммиака и сероводорода, а также таких примесей, как карбонилсульфид и цианистый

водород. Однако с помощью селективной абсорбции можно удалить лишь около 90% сероводорода, поэтому необходима вторая

стадия конечной очистки. Возможно, ее следует сочетать с адсорб^

ционной очисткой на сухом оксиде железа (II).
144
--------------- page: 145 -----------
tf,o
ДпЯ полного Кислые. 1 £> Qj, МиСлые газы
НгО
/аз
тТ
ЦЩстиу
Яго
X,
RIl
■Mis
II
.(
'ii'!
НгО
в
Лч-
я
удаления

HiS
dm иэвпече-

ния серы
I I

I

I
.J
^€Г
Vf!
V KtV tZ3
Рис. 111-26. Технологическая схема процесса селективного извлечения H2S и

аммиака без рецикла раствора (сплошные линии) и с частичным рециклом раствора (пунктирные линии) и рекуперацией сульфата аммония [455]:
1 — газовый холодильник; 2 — колонна селективной абсорбции H2S; 2 — ЫНз-скруббер; 4 —

стриппинг-колонна кислых газов; 5 — колонна дистилляции NH3; 6 — сатуратор; 7 — теплообменник раствора; 8 — холодильник раствора.
В обычных условиях абсорбцией полученным раствором аммиака удаляют не более 30—50% H2S, поэтому необходимо направить

на стриппинг часть кислого газа и возвратить в рецикл водный аммиак. Процессы селективного извлечения сероводорода и аммиака

представлены на рис. 111-26. Конечным продуктом являются сульфат аммония и газообразный сероводород, который может быть

конвертирован в серную кислоту для получения сульфата аммония

или в элементарную серу.
Существует несколько вариантов этого процесса. Например,

можно, используя концентрированные растворы аммиака, абсорбировать сероводород на первой стадии и затем подать аммиак ко

второму абсорберу (процесс Коллина). Кислый газ затем отпаривается от концентрированного аммиачного раствора (рис. III-27).

Детали процесса описаны в работе [455].
В ряде процессов, разработанных фирмой Копперз Ко. Инк. для

абсорбции сероводорода используют 3—3,5%-ный водный раствор

карбоната натрия. Эти процессы основаны на реакции:
Na2C03 + H2S = NaHC03 + NaHS
В первом из таких процессов — «Сибард» для отпаривания сероводорода используют воздух. При этом сероводород не рекуперируется, и некоторое количество сульфида натрия окисляется до

тиосульфата. Это приводит к понижению концентрации абсорбирующей жидкости, поэтому ее следует время от времени заменять

свежей.
Ю—1144
145
--------------- page: 146 -----------
На удаление
Рис. II1-27. Процесс Коллина (селективная абсорбция H2S с полным рециклом
жидкости) [455]:
J — колонна селективной абсорбции H2S; 2 — продувочный танк; 3 — сборник; 4 — холодильник; 5 — теплообменник раствора; 6 — стриппинг-колонна кислых газов.
Более современной разработкой таких процессов является процесс «Вакуум Карбонат», где стриппинг сероводорода проводят при

пониженном давлении (15,6 кПа). Это снижает расход пара, необходимого для стрмппинга (так как уменьшается маоса абсорбента,

необходимого для удаления сероводорода), значительно уменьшаются теплозатраты '(поскольку стриппинг проводят почти при той

же температуре, что и абсорбцию), а также позволяет использовать пар низкого давления на стадии реактивации. Технологическая схема такого процесса представлена на -рис. II1-28.
Альтернативным вариантом процесса «Джирботол» является

процесс, разработанный фирмой Шелл, в котором вместо этанол-

аминов в качестве абсорбента применяется фосфат калия (К3РО4)
К3Р04 + H2S = К2НР04 + KHS
К преимуществам процесса относится устойчивость фосфата по

сравнению с этаноламинами, селективность процесса по отношению к сероводороду в присутствии S02) а также возможность применения для стриппинга сероводорода острого пара, хотя при этом

общий расход пара несколько возрастает.
В процессе «Алкасид», широко распространенном в Германии

до 1939 г., использовали неорганическую щелочь в сочетании со

слабой нелетучей органической кислотой. В зависимости от области применения использовали три раствора — М, Dik и S.
Раствор М, содержащий натриевую соль аланина, применяется

для удаления сероводорода, С02 или для обоих; Dik, содержащий

калиевую соль диметиглицерина, используется для удаления сероводорода в присутствии С02, тогда как раствор S, содержащий фенолят натрия, может применяться в тех случаях, когда газы содержат цианистый водород, аммиак, сероводород, меркаптаны и смолу. Два первых реагента — М и Dik — очень коррозионо-активны; в
146
--------------- page: 147 -----------
то же время фирма Копперз Корп., разработавшая подобный процесс на основе фенолята натрия, столкнулась со значительными

эксплуатационными затруднениями.
Вода тоже может быть использована для абсорбции сероводорода, однако степень абсорбции такова, что размеры установки, необходимой для эффективной абсорбции, будут настолько велики,

что этот процесс станет неэкономичным.
В вышеописанных процессах в результате регенерации абсорбирующего раствора появляется свободный сероводород, который

можно окислить с получением элементарной серы. Этот процесс

особенно важен в случае очистки коксового газа, когда для осаждения сульфита аммония необходима серная кислота. Эту кислоту

обычно привозят с другого предприятия.
В наиболее значительных процессах этой группы в качестве

окислителя используют кислород воздуха в присутствии таких катализаторов, как оксид железа (II) (процессы «Феррокс», «Глууд

и Манчестер»), сульфат никеля (процесс «Никель»), тиоарсенат

натрия (процесс «Тиолокс»), цианид железа (процессы «Фишера»

и «Стаатстинен — Отто») или органический катализатор окисле-

ения (процесс «Перокс»).
Разработан ряд процессов на основе оксида железа «Феррокс»

(фирма Копперс Ко., США), «Глууд» (фирма Манчестер Корп.),

«Газ Департмент» (Англия). Все они принципиально одинаковы, во
Воздух и

кислые
Рис. Ш-28. Процесс «Сиборд» (рекуперация H2S абсорбцией разбавленным раствором карбоната натрия и регенерация воздухом) [455] :
^ — абсорбер (/ — зона абсорбции; // — секция отбивки); 2 — активатор; 3 — вентиляционный танк; 4 — воздуходувка; 5 — подогрев воздуха.
10*
147
--------------- page: 148 -----------
Рис. 111-29. Процесс Глууд

(абсорбция H2S разбавленным

раствором карбоната аммоння

с последующим окислением до

элементарной серы в присутствии оксида железа как катализатора) [455]:
1 — абсорбер; 2 — колонна окисления; 3— сепаратор; 4 — емкость для

серы; 5 — промывочная емкость;
6
всех используется раствор карбоната натрия или 3%-ного карбоната аммония для абсорбции сероводорода. В растворе присутствует примерно 0,5% оксида железа (II), которое служит катализатором окисления сероводорода на стадии регенерации.
Регенерация проходит (процесс «Феррокс») в очень неглубоком резервуаре, где через раствор барботируют мелкие пузырьки

воздуха. В процессах «Глууя» и «Манчестер» -используют очень

высокие (20—30 м) аэрационные башни. Сера .в момент образования прилипает к .поднимающимся пузырькам воздуха, ее извлекают в виде пены:
Существенное различие между процессами «Феррокс», «Глууд» и «Манчестер» состоит в том, что в первых двух происходит

одностадийный контакт, в то время как в процессе «Манчестер»

используется многократное промывание газа свежим раствором в

нескольких отдельных отстойниках для обеспечения полноты реакции. Вместе с серой в пене собирается значительное количество оксида железа, что приводит к потере реагента и значительно ухудшает качество продукта. Технологическая схема процесса «Глууд»

приведена на рис. II1-29.
В процессе «Тилокс» в качестве и абсорбента, и регенерирующего раствора применяется тиоарсенат натрия. Выход серы в этом

случае больше, а потери реагента меньше, чем в случае применения FeO. Процесс описывается следующими реакциями
абсорбция:
H2S -j- N'i,‘ Лs2SB02 — NaAs2S60 -j- H20
регенерация:
2№4As2S60 + 02 = 2Na4As2S502 + 2S
Требования к технологическому оборудованию таковы же, как

и для процессов с оксидом железа (рис. III-30).
В современном процессе «Джаммарко — Ветрокок» [269] для

очистки газа тоже применяют раствор, содержащий комплексное

соединение мышьяка; сероводород реагирует с арсенитом, причем

образуется тиоарсенит, который .затем вступает в реакцию с imoho-
148
--------------- page: 149 -----------
тиоарсенатом. При подкислении раствора оксидом углерода (IV)

под давлением это соединение разлагается на элементарную серу

и арсенит. Серу отфильтровывают, а арсенит частично окисляют до

арсената кислородом воздуха и возвращают в цикл. По этой технологии очищенный газ содержит менее 1 млн-1 сероводорода; кроме того, здесь отсутствуют побочные реакции, присущие процессу

«Тилокс».
Процесс «Стретфорд» [28, 600, 601] нашел широкое применение со времени успешных экспериментов на пилотной установке в

1959 г. Достоинством процесса является возможность исключить

очень токсичные арсениты и уменьшить содержание сероводорода

в широком диапазоне первоначальных концентраций (от 100 до
10
зах. Построенные установки имели мощность 60 000 м3/ч. В процессе «Стретфорд» сероводород абсорбируется щелочным раствором

(pH = 8,5—9,5), содержащим кроме карбоната натрия эквимолекулярные количества ванадата натрий-аммоний и антрахинон-2,6 и

2,7-дисульфоната (ADA) [на первых установках применяли метава-

надат вместо ванадата аммония]. Кроме того, к раствору добавляется соль Рошеля (натрий-калиевая соль винной кислоты), чтобы

ванадат не выпадал в осадок.
Суммарные реакции можно записать в следующем виде:
абсорбция:
H2S + Na2COa = NaHS + NaHC03
получение серы:
2NaHS + H2S + 4NaV03
рекуперация ванадата с помощью ADA:
Na2V409 + 2NaOH + H20 -f- 2ADA
ПертВ
Рис. 111-30. Процесс Тнлокс (абсорбция H2S тиоарсенатом натрия с последующим окислением образующегося комплекса Na4As2S60 на воздухе [6771:
1 — абсорбер; 2 — насос для раствора; 3 — теплообменник; 4 — колонна окисления; 5 — сепа-

ратор серы; 6 — емкость для шлама серы; 7 — непрерывный фильтр.
149
--------------- page: 150 -----------
окисление ADA кислородом воздуха:
2ADA (восст.) + 02
Технологическое оформление процесса «Стретфорд» несложно: установка состоит из абсорбционной колонны с обычной насадкой, отстойника и аппаратуры для экстракции серы. Процесс испытан при давлении свыше 50 МПа [717], поэтому он может применяться для удаления сероводорода и гидродесульфуризации или

газификации под давлением без понижения давления в трубопроводе.
Сера, получаемая по этой технологии, является продуктом относительно высокого качества. Некоторые примеси могут быть удалены при промывании водой, но для этого требуются значительные количества воды.
Процессы с использованием ферроцианидных комплексов химически очень сложны. Поскольку эти процессы не нашли широкого

применения, они не будут рассматриваться в этой книге. В настоящее время вновь возник интерес к процессу «Перокс» (особенно в

ФРГ) с целью создания крупных установок, однако принципиально он ничем не отличается от других окислительных процессов, рассмотренных ранее.
При выборе метода удаления сероводорода из технологических

или отходящих газов прежде всего необходимо учитывать исходную концентрацию и требуемую степень очистки, наличие других

примесей, а также решить вопрос — 'Следует ли одновременно

удалять оксид углерода (IV). Стоимость электроэнергии и пара,

реагентов, а также капиталовложения, которые зависят от сложности установки и применения особых конструкционных материалов — все эти вопросы необходимо учитывать при выборе самого

экономически выгодного процесса.
Аммиак, амины и пиридиновые основания. При коксовании угля

.азот частично (50—80%) образует основные соединения. Так, типичное распределение таких соединений в сыром городском газе

составляет (в %) 1,1 NH3, 0,1—0,25 HCN, 0,004 пиридиновых оснований, следы оксида азота (II), а также около 1% несвязанного

азота. Как и соединения серы (с. 144), присутствующие в газе соединения азота токсичны и коррозионно-активны, поэтому были

предприняты попытки разработать процессы одновременного удаления сероводорода и аммиака с рекуперацией сульфата аммония

и элементарной серы. Коль и Ризенфельд [455] подчеркивают, что

некоторые из таких процессов нашли лишь ограниченное применение в промышленности.
Аммиак очень хорошо растворим в воде и в сильных кислотах,

с которыми он реагирует с образованием солей аммония. Вследствие этого изотермы абсорбции не подчиняются закону Генри и для

расчетов следует пользоваться экспериментальными данными, опубликованными в литературе [768].
150
--------------- page: 151 -----------
Растворимость аммиака в воде быстро уменьшается с температурой, поэтому обычно используют двухстадийную систему его извлечения. На первой стадии газы охлаждают до 30—50°С в кожухотрубчатом теплообменнике (косвенное охлаждение) либо в оросительном холодильнике, который представляет собой насадочную

колонну, заполненную деревянными решетками; в нее впрыскивается разбавленная аммиачная вода.
Образующаяся аммиачная вода может содержать некоторое количество смол, которые отделяются. Затем аммиачную воду охлаждают и далее направляют для охлаждения газов в аммиачном

промывном аппарате. Окончательная промывка осуществляется

водой. На типичном газовом заводе на каждые 1000 кг кокса получают около 0,14 м3 концентрированного раствора аммиака.
Аммиачный промывной аппарат обычно представляет собой

скруббер с насадкой из дерева, металла, керамики или волокон.
Более современная установка для удаления аммиака была описана Нордом [605] (рис. III-31). Она представляет собой одноступенчатый абсорбер и кристаллизатор. Газы отходят в цилиндрическую емкость с коническим дном, куда впрыскивается серная кислота. Сульфат аммония кристаллизуется в конической части емко-
Рис. 111-31. Установка для извлечения аммиака из коксового газа [605]:
1 — емкость (реактор); 2 — скруббер; 3 — кристаллизатор; 4 — сборник; 5 — сопла впрыска

серной кислоты; 6 — поглотитель кислоты; 7 — кислотоприемник; 8 — сборник дегтя; 9 — шту-

ЦеР слива каменноугольного дегтя; 10 — сборник кислоты; // — магистральный газоход; 12 —
насос рециркуляции кислоты.
151
--------------- page: 152 -----------
Рнс. 111-32. Эффективность

абсорбции оксидов азота

водой и адсорбции их на

силикагеле:
1 — барботер с фриттированной

перемычкой; 2 — адсорбер с силикагелем; 3 — колпачковая колонна; 4 — иасадочная башня;
5
о,ч 0,6 i,z 1,6 z,o

Содержание N0Z +NZ о,\ на входе, °/„(иБ. >
сти, в то время как газы собираются в центробежном коллекторе и

поступают в рецикл.
Более сложные соединения азота основного характера, не совсем точно называемые пиридиновыми основаниями (пиридин, пи-

колин, коллидин, анилин и хинолин), удаляются из газового потока промывкой в скрубберах, аналогично удалению аммиака.
Оксиды азота. Известны шесть стабильных оксидов азота (N2O,

NO, N02, N2O3, N2O4 и N2O5) и один нестабильный оксид (NO3).

Некоторые из них, в частности N0 и NO2, образуются в процессе

горения и содержатся в коксовом газе; NO, NO2 .и туман азотной

кислоты — при производстве азотной кислоты. Оксид азота (N0)

является крайне нежелательной примесью в коксовом газе, поскольку он образует смолы при взаимодействии с диолефинами,

присутствующими в газе. Это может привести к образованию пробок и последующему взрыву.
Образование оксидов азота N0 и N02 при горении сложно по

своей природе и не будет обсуждаться. Именно присутствием N02

объясняется коричневатая окраска лос-анджелосского смога.
Диоксид азота образуется также при травлении металлов в

гальванических цехах и в других промышленных процессах. Применяются различные процессы промывки промышленных и отходящих газов, содержащих оксиды азота в небольших концентрациях,

но лишь с ограниченным успехом.
Петерс [635]' изучал абсорбцию N02, находящейся в равновесии

с N204, водой в различных одноступенчатых абсорберах: оросительной башне, насадочной колонне и барботере с фриттированной

мембраной. Результаты исследования приведены на рис. 111-32 и в

табл. III-3.
Из этих данных видно, что в случае одноступенчатого абсорбера

(50%) лучшие результаты были достигнуты в .барботере с мембраной из стеклоткани, однако перепад давления в нем очень высок,

что экономически неоправдано (5—8 кПа). Гораздо меньшая эф-
152
--------------- page: 153 -----------
ТАБЛИЦА 111-3
Условия удаления N02 из смеси воздух — Л’02

при 25 °С (для значений, приведенных на рис. 111-32)
Скорость, мЗ/Ч
Оборудование
газа
жидкости
Др.
кПа
Примечание
Одноступенчатый барботер

с мембраной из стеклоткани
0,9
0,018
5,84
Среднее стекловолокно. Напор

жидкости перед барботером

95 мм
Одноступенчатая колонна,

колпачковая тарельчатая
1,8
0,018
0,277
Высота слоя жидкости 22 мм,

скорость через отверстия

0,35 м/с
Насадочная колонна с кольцами Рашига (стеклянные, 6 мм)
0,9
0,009
0,645
Скорость паров 0,6 м/с, высота слоя насадки 120 мм.

Эффективность на 1 мм высоты слоя.
Оросительная башня I,

№ Т58 с соплом 1 мм
0,9
0,022
0,097
Скорость паров 0,6 м/с, высота

башни 130 мм
Абсорбер с силикагелем

(товарный силикагель

№ 5, см. Ind. Eng. Chem.,

1951, v. 43, p. 986).
0,9
Скорость паров 0,6 м/с, высота

колонны 300 мм, цикл 0,5 ч,

эффективность рассчитывают

по Г51.
фективность (30%) была достигнута в колпачковой барботажной

колонне. Перепад давления составлял всего 0,45 кПа, поэтому многоступенчатая установка, включающая ряд колпачковых колонн,

может обеспечить достаточную эффективность абсорбции при разумном перепаде давления.
Штраус [826] исследовал двухступенчатую прямоточно-проти-

воточную абсорбционную башню с насадкой из рифленого полиэтилена; при абсорбции газов гальванического производства, содержащих N02, эффективность составила 65—72%. Падение давления в

этом случае равно 0,5—0,8 кПа, скорость газового потока около
11
но 0,1%.
Ряд последователей изучал абсорбцию оксидов азота щелочными растворами: растворы едкого натра [826], гидроксида

кальция, карбоната натрия [289, 836], карбоната аммония [42,

836]', бикарбоната аммония [712, 741], сульфита и бисульфита аммония с использованием разных типов абсорбционного оборудования.
Раствор, 3%-ный NaOH применяли в башне из рифленого полиэтилена, описанной выше. В этом случае эффективность очистки

была несколько выше, чем при использовании воды. Однако содержащийся в воздухе оксид углерода (IV) тоже взаимодействует

со щелочью, поэтому поддержание заданной концентрации NaOH

оказалось неэкономичным. Кроме того, при щелочной абсорбции

образуются туманы, поэтому работы были прекращены.
153
--------------- page: 154 -----------
Скорость газа,м/с

б
Рис. II1-33. Схема двухступенчатого экспериментального абсорбера (а) с насадкой из рифленого листа ПВХ [42] и перепад давления иа этой насадке (б):
/ — абсорбер; 2— жидкостной холодильник; 3— емкость для жидкости; 4 — циркуляционный

жидкостной насос; 5 — воздуходувка.
Растворы гидроксида кальция были исследованы в горизонтальном скруббере с ротационным диском, снабженном тремя лопастями [289], диаметр диска 890 мм и скорость вращения

180 об./мин. Скорость газового потока 200—400 м3/ч, эффективность 92—97% при начальной концентрации N02 около 0,5—1,0%.

Эффективность работы абсорбции снижалась при повышении скорости газового потока и изменении концентрации.
Ацукава с сотр. [42] исследовали абсорбцию растворами карбоната аммония в насадочной колонне диаметром 0,4 м, заполненной

кольцами Рашига (25 мм) высотой 2,6 м. Эффективность абсорбции

около 65% соответствует результатам, полученным другими исследователями (табл. III-4). Гораздо лучшие результаты (эффективность до 94,6%) были получены с насадкой из поливинилхлоридных рифленых листов. Такие листы были установлены в двухступенчатом абсорбере с горизонтальным потоком длиной 1,9 м и высотой 5,5 м. Технологическая схема представлена на рис. 111-33.
Стрейт 1[836] представил данные по очистке отходящих газов

цехов азотной кислоты и полупродуктов опытного и промышленного производства найлона с помощью насадочной колонны. Опытную установку (диаметром 0,3 м) загружали кольцами Рашига

(25 мм), а промышленную колонну — кольцами размером 50 мм,

высота слоя насадки составляла 12,6 м. В ранних работах использовали раствор бикарбоната натрия, в окончательном варианте —

отработанный аммиачно-щелочной раствор (0,5% несвязанного

NaOH, 0,45% NaC03 и 0,03—0,5% NH3), охлажденный до 35°С.

Скорость газового потока была равна 56,7 м3/(м2-ч), расход жид-
154
--------------- page: 155 -----------
ТАБЛИЦА 111-4
Абсорбция N0 и N02 растворами карбоната аммония

в насадочных колоннах и скрубберах [42]
Скорость, КГ/(м2-ч)
Коэффициент
Концентрация NO + NO2, млн—1
Эффективность
абсорбции,
%
газа
жидкости
Коса.
КЫОЛЬ/(м2.ч)

к Па
N02 на

входе
NOz на

выходе
Кольца Рашига 25 мм
2063
15050
0,29
1970
630
2580
15050
0,34
2040
700
2990
15050
0,37
1920
710
Насадка: рифленые листы из ПВХ
1180
5250
40,5
3400
2100
270
2360
5250
77
3600
2100
590
2950
5250
87,5
3400
1800
800
кости — 55 м3/ч. Для предотвращения образования «хвоста» карбоната аммония на выходе установки был предусмотрен скруббер

Вентури. Эффективность работы установки составила 74—84%.
Была исследована также возможность применения для абсорбции окислительных растворов, в основном для очистки выхлопных

газов дизельных двигателей (работы проводились сотрудниками

Горного Департамента США [212]). Были изучены разные сочетания растворов сульфата железа-П (10% масс.), перманганата

калия (15%) и бихромата калия (5%), активированного порошкообразного угля (10%) и гидрохинона (0,5%)- Абсорбция обычно

была незначительной, лучшие результаты (49%) были получены

при использовании смеси растворов сульфата железа-II и гидрохинона при 38—47 °С.
При применении хромовой кислоты (10%) с последующей добавкой раствора гидроксида натрия (10%) достигнута эффективность 53%. Такие же неудовлетворительные значения эффективности абсорбции были получены Тайгелем при использовании растворов перманганата калия и гидроксида натрия [850]. Гораздо

лучшие результаты (40—80%) были получены при использовании

щелочного раствора (рН = 9,5—12) гипохлорита натрия [424], но

никаких деталей о типе абсорбера не сообщается.
Более удачными по сравнению с простыми абсорберами были

установки, в которых газы пропускают через слои смоченного активированного угля и затем через смоченные пластмассовые насадки. Туда же добавляли газообразный аммиак для создания щелочной среды. Установку, производимую фирмой Керам Хеми

[436], промывали каждую неделю для удаления раствора нитрата

и пыли, оседающей на катализаторе.
В производстве азотной кислоты подходящим абсорбентом является разбавленная азотная кислота, она циркулирует в колпачковой колонне с охлаждаемыми прорезями. Применяются также
155
--------------- page: 156 -----------
скрубберы Вентури, захватываемый потоком газа воздух способствует окислению оксида азота (N0) до диоксида, который далее

поглощается водой:
2N02 + H20
2HN02
На старых установках абсорбционные башни строили из гранита и заполняли битым кварцем. Высота башни составляла 25 м.

Подробное обсуждение абсорбции в производстве азотной кислоты

можно найти в работе Шервуда и Пигфорда [768], а экспериментальные данные о степени абсорбции N02 были опубликованы Деккером, Сноком и Крамерсом [215].
Каталитические процессы окисления и восстановления оксидов

азота будут рассмотрены далее на с. 196.
3.
Так как механизм адсорбции молекул газа на поверхности твердых тел очень сложен и зависит от физических и химических

свойств газа и твердого тела в каждом конкретном случае, предложить общий подход к проектированию адсорбционного оборудования намного сложнее, чем для противоточной абсорбционной установки. На практике большинство проектов основано либо на

опыте, приобретенном при эксплуатации подобных установок, либо

на исследованиях в полупромышленном масштабе. Тем не менее

понимание принципов адсорбции в значительной мере помогает

решить вопрос, является ли этот процесс наилучшим способом удаления определенных газов, а также облегчает выбор соответствующих адсорбционных материалов и переход от лабораторных опытов к промышленному производству.
В процессе адсорбции молекулы газа осаждаются на поверхности твердого тела точно так же, как и при конденсации, а затем

удерживаются на ней физическими силами притяжения (силы Лондона— Ван-дер-Ваальса) либо химическими силами (хемосорбция) — в зависимости от химической природы молекулы и поверхности. В некоторых системах могут существовать оба вида адсорбции или промежуточные состояния.
Твердые вещества, наиболее пригодные для адсорбции, отличаются высокой пористостью, имеют хорошо развитую поверхность с

большой эффективной площадью. В качестве адсорбентов применяют такие материалы, как уголь, глинозем, силикагель. Некоторые

свойства поверхности, например, расположение кристаллов или

присутствие на поверхности атомов кислорода со свободной электронной парой, способной создавать водородные связи, обусловливают хемосорбцию определенных видов молекул. Точная природа

этих свойств поверхности еще недостаточно ясна, поэтому необходимы дополнительные исследования, позволяющие создать матери156
--------------- page: 157 -----------
алы с такими поверхностными свойствами, которые были бы способны селективно адсорбировать молекулы данного типа или ряд

молекул таких типов.
Другими существенными характеристиками твердых веществ,

используемых в качестве адсорбентов, являются твердость, склонность к слеживанию при загрузке в башню и механическая прочность во время транспортирования и загрузки в контейнер. И уголь,

и глинозем, и силикагель обладают этими свойствами.
Кроме того, к твердому веществу предъявляются требования

простоты регенерации после насыщения газом и многократного использования.
Адсорбция газа на поверхности твердого тела проходит в несколько стадий. Первой стадией является перенос молекул газа

к внешней поверхности твердого вещества, и эта стадия аналогична диффузии молекул газа через стационарный слой к границе раздела фаз газ — жидкость при абсорбции (раздел 2, с. 107 сл).
Скорость переноса NA для этой стадии выражается уравнением,

подобным уравнению (111.23), с соответствующими допусками, учитывающими форму адсорбента (гранулы):
NA = kf~-(p-Pi)
где kf — коэффициент массопереноса (газ — твердая поверхность); Лр — площадь

внешней поверхности твердого тела; е — объем пустот между гранулами;

рв — насыпная плотность загружаемого адсорбента; р, pt — парциальные давления газа в объеме и на поверхности соответственно.
Коэффициент массопереноса может быть найден из уравнения,

подобного (111.26) [942]:
/ D3U£р
(111.54)
•где U — средняя линейная скорость газа по отношению к поверхности; (а — вязкость газа; р — плотность газа; D — коэффициент диффузии адсорбируемого

газа; Ц, — эквивалентный сферический диаметр гранул, т. е. диаметр сферы того

же объема, что и гранула.
Вторая стадия адсорбции заключается в том, что молекулы газа

проникают в поры твердого вещества, третьей стадией является

собственно адсорбция молекулы в определенной области поры.

Иногда после адсорбции молекулы проникают через твердое тело

путем внутренней диффузии, но эта стадия не влияет на скорость

адсорбции. Собственно адсорбция в порах протекает очень быстро

по сравнению с двумя первыми стадиями. Скорость диффузии вдоль

поры определяется коэффициентом диффузии в поре Dn, который

может быть найден из следующего уравнения [922] для случаев,

когда поры меньше среднего свободного пробега молекул
Dx
Dn = ~2^{ 1 - ехр(— 2ru/3D)}
где г —средний радиус пор; и — средняя скорость молекул (уравнение III.3);

X — внутренняя пористость твердых гранул.
157
--------------- page: 158 -----------
Процесс адсорбции сопровождается выделением тепла. В случае чисто физической адсорбции выделяемое тепло равно теплоте

конденсации. При химической адсорбции количество выделяющегося тепла больше. Удаление молекул с поверхности требует подвода тепла к поверхности для «выбивания» (испарения) молекул-

В случае хемосорбции это может означать, что вместе с десорбирующимися молекулами могут быть удалены некоторые атомы

твердого тела, что ведет к изменению природы поверхности. Это

может привести к уменьшению или увеличению адсорбционной способности.
Уравнение (III.53) показывает, каким образом перенос молекул:

из объема газа зависит от размеров и формы молекул, пустот между гранулами и движущей силой. Последняя функция представляет собой разницу между концентрациями удаляемой примеси в-

объеме газа и на поверхности твердого тела, которая в свою очередь зависит от достигнутой степени насыщения.
Уравнение (III.54) показывает зависимость коэффициента массопереноса от скорости газа, а также от свойств газа-носителя и

коэффициента диффузии адсорбируемого газа, тогда как коэффициент диффузии в порах [уравнение (III.55)] является в основном

функцией внутренней пористости % и общего коэффициента диффузии. Чтобы определить, какая стадия — первая или вторая — влияет на скорость всего процесса, необходимо знание свойств всей системы, что возможно только в редких случаях. Поэтому практически нельзя избежать эмпирических методов проектирования. Здесь

будут рассмотрены наиболее распространенные адсорбенты и газы»

для очистки которых они используются, а также типы установок.

Адсорбенты могут быть разделены на три группы:

неполярные твердые вещества, где происходит в основном физическая адсорбция;
полярные твердые вещества, где происходит химическая адсорбн

ция без изменения химической структуры молекул газа и поверх-]

ности адсорбента;
поверхности с чисто химической адсорбцией, которые десорби-J

руют молекулы газа после химической реакции—-либо каталитической, когда поверхность не претерпевает изменений, либо некаталитической с атомами адсорбента, причем требуется их замещение. *
Неполярные адсорбенты. Уголь
Единственным материалом в группе неполярных твердых веществ, имеющим промышленное значение, является уголь, состоящий практически полностью из нейтральных атомов одного вида и

имеющий поверхность с равномерным распределением зарядов на

молекулярном уровне без градиента потенциалов. На такой поверхности не наблюдается преимущественная фиксация полярных молекул по сравнению с неполярными, поэтому углерод оказывается

очень эффективным материалом для адсорбции неполярных орга-
158
--------------- page: 159 -----------
яических молекул, особенно при температурах, близких к их точке

кипения. Даже в присутствии ,паров йоды в (потоке газа будет происходить предпочтительная адсорбция органических молекул, поскольку полярные молекулы воды притягиваются гораздо сильнее

друг к другу, чем к неполярной поверхности угля.
Таким образом, большие органические молекулы абсорбируются очень легко, меньшего размера органические и большого неорганические молекулы — менее легко, а неорганические молекулы

весьма малого размера — еще хуже, молекулы газов с очень низкой температурой кипения («постоянные газы») адсорбируются

очень плохо. Ниже [56] приведена классификация веществ в зависимости от легкости адсорбции на активированном угле (кора кокосовых орехов):
I
поглощает в количестве до 50% своей массы);
II
~ 10-23%);
III
IV
В качестве примера можно привести следующие весьма распространенные

вещества: к I группе относятся, например, уксусная кислота, спирты, бензол и

толуол, этнлацетат, а также сигаретный дым, выхлопные- автомобильные газы

и др.; ко II группе — ацетон, акролеин, хлор, сероводород, растворители, а также

пары анестезирующих веществ и др.; к III группе—ацетальдегид и формальдегид, пропан и бутан, амины и др.; к IV группе — оксиды углерода, этилен и др.
Активированный уголь (часто называемый древесным углем, поскольку его получают из дерева) образуется при пирогенном разложении (пиролизе) подходящих сортов каменного угля или дерева в специальных ретортах. Сырьем могут быть также лигниты, битуминозные угли и скорлупа орехов. Один из самых чистых углей

получают из Eucalyptus Marginata (Австралийская джарра); он

отличается очень низким содержанием минеральных ,примесей.

Промышленные активированные угли хорошего качества с очень

большой эффективной поверхностью получают из скорлупы кокосовых орехов, обугленной при температуре около 1150°С и затем

активированной путем обработки водяным паром при 600°С.
Основными параметрами, определяющими адсорбционную активность угля, являются площадь доступной поверхности и диаметр

пор, определяющие возможность для адсорбируемых молекул достичь микроструктуры. Наиболее точным методом определения площади поверхности является метод адсорбции газа (метод БЭТ).
Средний диаметр пор может быть найден из объема пор, определяемого методом продавливания ртути под большим давлением

[383] или с помощью электронной микроскопии [21]. Некоторые

наиболее характерные данные для адсорбентов приведены в табл.

Ш-5 [922].
Практическая эффективность активированного угля определяется опытным путем при пропускании воздуха, насыщенного СС14

при 0°С, через слой угля при 25 °С и 100 кПа и измерении массы
159
--------------- page: 160 -----------
ТАБЛИЦА III-5
Характеристика некоторых адсорбентов [922]
Адсорбент
Удельная
поверхность.
м^/г
Объем пор,

см3/г
Средний

днаметр пор,
10-10 м
Активированный уголь
500—1500
0,6—0,8
20—40
Силикагель
200—600
Около 0,4
30—200
Активированный глинозем
175
0,39
90
Кизельгур
4,2
1,14
22000
адсорбированного вещества. Эффективность определяют как соотношение масс адсорбированного вещества к первоначальной. Затем определяют удерживающую способность адсорбента после десорбции путем продувания воздуха через его слой при 25 °С в течение 6 ч.
При применении активированных углей для противогазов определяют продолжительность работы слоя при пропускании хлорпич

крина в стандартных условиях. Типичные значения адсорбционной

способности и удерживающей способности после удаления веществ

для активированного угля приведены ниже [550]:
Удерживающая

способность

% (масс.)
27—30

2—3
5,9 (пары) .
1,2
1.05

1,15 ,
4,87

3,0
2.5
* После нагревания угля в течение 1 ч прн 150 °С.
Активированный уголь применяют для рекуперации углеводородных растворителей, удаления и рекуперации газообразных углеводородов из коксового и природного газов и для удаления запахов и других следовых примесей из газовых потоков. В первых

двух случаях рекуперация углеводородов экономически выгодна,

поскольку они могут найти сбыт.
В емкость помещают два слоя угля высотой 300—900 мм. Емкость работает под давлением, через слои попеременно пропускают газовую смесь и затем пар при 100—150 °С для удаления адсорбированного материала (рис. 111-34). Скорость газов обычно составляет 0,15—0,60 м/с; перепад давления вдоль такого слоя показан на рис. III-35.
Адсорбция

% (масс)
Тетрахлорид углерода
80—110
Газолин (автомобильный
бензин) ....
10—20
Бензол
45—55
Метанол
50
Этанол
50
Изопропанол ....
50
Этилацетат ....
57,5
Ацетон
51
Уксусная кислота
70
160
--------------- page: 161 -----------
Рис. III-34. Двухслойный угольный адсорбер для рекуперации углеводородов:
1 — адсорберы с активированным углем; 2 — конденсатор; 3 — декантер; 4 — воздуходувка.
Весьма эффективно удаление запахов с помощью активированного угля. Через тонкий слой адсорбента пропускают при высокой

скорости газовый поток непрерывно в течение 12—18 мес и даже

дольше до тех пор, пока не потребуется замена угля. Уголь загружают в коробки или пористые складные фильтры (рис. III-36).

Скорость газового потока примерно равна скорости в аппаратах

для кондиционирования воздуха, с которыми эти фильтры часто
Рис. Ш-35. Перепад давления в слоях сухого гранулированного угля (воздух

поступает сверху под давлением 100 >кПа при 21 °С)[8791:
Размер фракции 2/4 мсш (перепад давления в слое 4,7—9,4 мм рт. ст.); 2 — то же, со-

тп
же, 8/14 меш (1,17—2,36 мм рт. ст.); 5 — то же, 6/14 мсш (1,17—3,33 мм рт. ст.),

о то же, 10/24 меш (0,7—1,65 мм рт. ст.); 7 — то же, 12/28 меш (0,6—il,4 мм рт. ст.).
11—1144
--------------- page: 162 -----------
Рис. III-36. Фильтры с гранулированным активированным углем для удаления
запахов [56]:
/ — запорный вентиль; 2 — корпус; 3 — фетровая прокладка; 4 — активированный уголь; 5 —

гильзы; 6 — тарелка коллектора; 7 — опорные тарелки.
объединяются. Удовлетворительная проектная величина равна

0,03 м/с для слоя угля высотой 12 мм.
Реактивация отработанного угля в этих условиях гораздо сложнее, чем в случае рекуперации растворителей. Для этой цели требуется нагревание до 600 °С, поэтому реактивация обычно производится предприятием, выпускающим фильтры, или подобной специализированной организацией.
Срок службы такого угля (в ч) может быть оценен исходя из

уравнения, предложенного Тюрком [870]:
t = 2Al-WSWKQc^M)
где S — удерживаемая способность адсорбента; W — масса адсорбента, кг;

Q — скорость потока, м3/ч; г) — эффективность адсорбции, %; с — начальная

концентрация, млн.-1; М — средняя масса 1 моль.
Типичные значения удерживающей способности, используемые

в этом уравнении, приведены в табл. III-6 [870].
Если принять удерживающую способность равной 0,2 и среднюю массу 1 моля 100, уравнение (111.56) примет вид
/ = 4,8- WW/Qc
Здесь t — среднее время службы фильтра из активированного

угля. В фильтрах для удаления запахов скорости газового потока

через тонкий слой адсорбента составляют 0,13—0,8 м/с; в фильтрах

рекуперации растворителей скорости выше. Температура не должна превышать 52 °С, поскольку при более высоких температурах

адсорбция газов ухудшается. Необходимо также, чтобы относитель-
162
--------------- page: 163 -----------
ТАБЛИЦА III-6
Удерживающая способность* активированного угля [870]
Вещество
Формула
Масса 1 моль
Пороговая

концентрация

паров,

млн—1 (об.)
У держивающая

способность,

мли-1
Акролеин
с3н4о
56
1,8—1,7
0,15
Амилацетат
с,н14о2
130,2

0,34
Ацет альдегид
с2н4о
44,1
•—
0,07
Валериановая кислота
102
7
0,35
Г ексан
СеН]2
86
3,0
0,16
Диоксид серы
so2
64,1
0,10
Запах гниения

— 1

0,25
Масляная кислота
C4Hg02
88,1
0,00083
0,35
Скатол
c»h9n
131,2
3,34-10-7

—0,22
0,25
Тетрахлорметан
СС14
153,8

0,45
Толуол
С7н8
92,1

0,29
Фенол (карболовая кислота)
CeHeO
94
0,29—1
0,30
Формальдегид
сн2о
30,0
—•
0,03
Эвкалиптовое масло
с1Пн18о
154,2

0,20
Хлористый метил
СН.С1
с4н8о2
50,5

0,05
Этилацетат
88,1
190
0,19
Этилмеркатон
C2HeS
62,1

0,23
ная влажность газов не превышала 50%, так как при более высокой влажности удерживающая способность несколько уменьшается.
Полярньсе адсорбенты
Полярными адсорбентами являются кремнезем либо оксиды металлов. Кремнийсодержащими материалами являются силикагель,

фуллерова земля, диатомитовые земли, кизельгур и синтетические

цеолиты. Эти материалы обладают сродством как к полярным, так

и неполярным молекулам и будут адсорбировать скорее полярные

молекулы, чем неполярные.
Оксиды металлов, активированный глинозем или боксит отличаются даже несколько большим сродством к полярным молекулам. Поэтому эти материалы обычно используются для удаления

из газовых потоков водяных паров. Синтетические цеолиты, называемые иногда молекулярными ситами, представляют собой алюмосиликаты натрия или кальция, активированные нагреванием, при

котором удаляется кристаллизационная вода. Основным достоинством молекулярных сит является то, что их можно использовать для

сушки газов при высоких температурах, когда силикагель и глинозем теряют свою эффективность (рис. II1-37).
Другой областью применения этих адсорбентов является селективная адсорбция таких полярных молекул, как вода, диоксид уг-
--------------- page: 164 -----------
Рис. 111-37. Изобары адсорбции водяных

паров на различных адсорбентах (пар-

циональное давление паров 10 мм рт. ст.):
1 — глинозем; 2 — кремниевый адсорбент; 3 —

цеолит 5А (молекулярное сито).
лерода, аммиак и др. (рис. HI-

38), поэтому они применяются

для очистки инертных и природных газов, для удаления С02 и

воды из этилена перед его полимеризацией.
Установки, применяемые в этих случаях, практически всегда

похожи на установку для осушки природного газа (рис. III-39): она

состоит из двух или более емкостей с осушителем. Когда один из

осушителей работает, остальные находятся в стадии регенерации,

осуществляемой путем продувки регенерирующего газа воздухом,

нагретым паром или газами сгорания, либо непосредственно газами

сгорания, проходящими через слой адсорбента при температуре

около 200 СС.
tем першура, СС
30 50 70
Рсоz wall
ho со so

Рсгнг,иПа
35
30
25
20.
Л_1
га на еа so т
Рзоя,иПа
В
Рис. 111-38. Поглотительная способность искусственных цеолитов (молекулярные
сита тип 5А) при 25 °С:

а — С02; б — HjS; в — CjHj,; г — NH3; д — S02.
164
--------------- page: 165 -----------
Регенераци-

ринайгаз^Ь

■ Шм’/к
Влажный газ

30000м*/ч
¥гоМ
S.SMIfo
Wfe
Рис. II1-39. Схема установки дегидратации природного газа [453]:
/ — дегидраторы; 2— нагреватель регенерационного газа; 3 — конденсатор регенерационного

газа; 4 — сепаратор; 5 — конденсатор.
Адсорбция с химической реакцией

(хемосорбция)
Существование адсорбирующих поверхностей, которые вступают в химические реакции с молекулами газа, превращая их в более полезные или желательные вещества перед десорбцией, открывает область поверхностных реакций или катализа. Здесь можно

привести лишь несколько примеров, имеющих особый интерес для

очистки газов и охраны окружающей среды.
Сероводород. Важное место среди таких процессов занимают

процессы сухого окисления для удаления сернистых соединений из

коксового газа. Химически сероводород превращается в элементарную серу, причем переносчиками кислорода являются вещества, легко реагирующие с ним при обычной температуре; наиболее

важным из них является оксид железа. С химической точки зрения

процесс может быть описан в виде следующих реакций

реакция с Носителем
регенерация
6H2S + Fe2Os = 2FeS3 + 6Н20
2FeaS3 + ЗОа = 6S + 2Fea03
Активными являются только а- и у-формы оксида железа, наи-

лучшими условиями реакции являются температура 37,8 °С и щелочная среда. Оксид железа применяют в виде мелкодисперсного

порошка, иногда смешанного с торфяной крошкой или волокнисты165
--------------- page: 166 -----------
ми материалами, содержащими 40% воды и пористостью около

60%.
В другом случае оксид железа наносят на подложку с развитой

поверхностью, например на древесные стружки или измельченный

шлак; необходимо строго контролировать pH среды и поддерживать ее на уровне 8—8,5.
Шарики или оксид железа на стружках загружают в большие

емкости — сухие камеры — или на полки в сушильных башнях (рис.

111-40). Процесс проходит в две стадии; на первой стадии сероводород удаляется из газов, а на второй — происходит его окисление

до оксида. В некоторых странах сера, осажденная на оксиде железа, рекуперируется сжиганием либо экстракцией растворителями

(тетрахлорэтилен).
В смешанном содо-железном процессе в качестве катализатора

используют оксид железа в смеси с карбонатом натрия. В этих условиях сероводород окисляется до S03, которую абсорбируют водой с образованием серной кислоты.
Высокотемпературные процессы удаления. Для удаления сероводорода и органических сернистых соединений из каменноугольных газов успешно применяется процесс Апплеба — Фродингэна с

использованием нескольких последовательно расположенных псев-

доожиженных (кипящих) слоев гранул оксида железа при 340—

360°С [141, 680} (рис. 111-41). Очищаемый каменноугольный газ

содержал 14 г/м3 сероводорода и примерно десятую часть от этого

количества — органических сернистых соединений. Обработка газа

в абсорбере с четырьмя псевдоожиженными слоями позволила удалить 99,7—99,9% сероводорода (конечная концентрация 10—

20 млн^1), 70—80% органической серы (без тиофена) и 30—45%

тиофена.
Гранулы оксида железа регенерировали путем обжига частично сульфидированного и восстановленного оксида в воздушной среде при 800 °С, при этом получали S02, направляемую далее для

производства серной кислоты. Расчеты равновесия системы показывают, что вполне удовлетворительное удаление сероводорода может быть достигнуто при температурах вплоть до. 600 °С, хотя в

этом случае (Процесс (протекает в более тяжелых условиях, и .при

этих температурах предпочтительнее могут оказаться другие технологические процессы.
Наибольшие количества сероводорода и органических сернистых

соединений могут быть удалены из газов при температурах до

450 °С с помощью промышленных катализаторов, таких, как оксид

цинка, промотированный оксид железа, алюмохромовый, кобальт-

молибденовый катализаторы или активированный уголь. Однако-

стоимость этих катализаторов высока и в настоящее время применение их для удаления больших количеств сернистых соединений иа

природного и нефтяных газов, где их концентрации относительно

высоки, представляется экономически неоправданным.
166
--------------- page: 167 -----------
Газ на очистну
ПС:
' К
fclgr.y- V, а^г^дааГ 1

Мк^ШгЧ 1=1 j,
-Газ
Рис. Ш-40. Схема очистки газов на

оксиде железа:
“ — основпа* схема 14551: б — башня Тис-

сена — Ленца [310]: 1 — сухие камеры; 2 —

инжектор; з — адсорбирующий материал;

4 — сетке.
167
--------------- page: 168 -----------
Рис. Ш-41. Технологическая схема извлечения сероводорода на кипящем слое

катализатора (процесс Апплеби — Фродингенса) [680]:
1 — скруббер Пнбодн; 2 — пневматический конвейер; 3— абсорбер; 4 — регенератор; 5 — питающий буикер катализатора; 6 — уплотнение на выходе; 7 — входное уплотнение; 8 — смо-

лоотделнтель; 9 — нагнетающий вентилятор сырого газа; 10 — обеспыливающий фильтр; 11 —
воздуходувка.
В новом процессе, разработанном Газовым Советом Великобритании, огранические сернистые соединения, карбонилсульфид и

сероуглерод конвертируют в сероводород на катализаторе, представляющем собой оксиды урана (U203 и U308) на огнеупорной подложке при 500 °С. Сероводород затем абсорбируется на гранулированном оксиде железа, последние получают экструзией отработанного боксита («Люксмасс»). Такие 'гранулы способны поглощать

до 40% сероводорода (от их массы при температурах до 350 °С).

В противоположность этому адсорбенты на основе оксида пинка

могут удержать H2S только около 15% от их собственной массы.
Показано, что активированный оксид алюминия и молекулярные

сита (алюмосиликаты щелочных металлов) тоже могут применяться в процессах непрерывного удаления сероводорода при температуре до 250 °С. В работах Монро и Мэдсина [587] было установлено, что эти вещества могут конвертировать 70—95% сероводорода

в элементарную серу из газового потока (концентрация 0,5% H2S):
2HaS + SOa
Эта реакция положена в основу процесса Клауса, она вполне

удовлетворительно протекает при низких концентрациях СО и содержании водяного пара менее 5%. Диоксид серы добавляют в

стехиометрическом количестве к поступающему на очистку газу,

причем S02 образуется либо при частичном сжигании сероводорода,

либо при сжигании серы.
168
--------------- page: 169 -----------
Сквайрз [797] тред л ожил попользовать обожженный доломит.

Первой стадией процесса является адсорбция сероводорода кальциевой фракцией доломита [CaO+MgO]
H2S + [CaO + MgO]
Рекуперация сероводорода осуществляется паром и С02 при
1,5
[CaS + MgO] + НаО + С02
Затем доломит обжигают 'и вновь получают исходный адсорбент

lCaC03 + Mg0]
Магниевая фракция доломита не участвует в химических процессах, но ее присутствие необходимо для сохранения механической

прочности адсорбента.
Сквайрз опубликовал экспериментальные данные и термодинамические расчеты, которые подтверждают осуществимость процесса. При 600—650 °С и 1,0—1,5 МПа можно снизить начальное содержание сероводорода, 1% (т. е. 10000 млн-1) в газовой смеси,

содержащей водород и СО, до 2—140 млн-1. В цикле рекуперации

доломитно-сульфидный комплекс вступал в реакцию с газовой

смесью (82% С02, 9% СО, 9% Н2, остальное — пар) при 550—

600 °С и 1,5 МПа, причем образующаяся газовая смесь содержала

24% H2S и была пригодна в качестве сырья для установок Клауса

по рекуперации серы. Дальнейшие термодинамические расчеты

реакций абсорбции показали, что удовлетворительное удаление сероводорода с помощью обожженного доломита может быть достигнуто даже при 850 °С.
Диоксид серы. В последние годы был разработан ряд процессов

хемоеорбщш S02 из отходящих газов на твердых адсорбентах ув

стационарном слое и с увлекаемым катализатором. Обычно в этих

процессах используются либо очень дешевое сырье для приготовления адсорбентов (например, доломит, который может быть выброшен после использования в отвал вместе с серой), либо дорогие

адсорбенты, из которых навлекается сера, а са/ми адсорбенты .возвращаются в производственный процесс. Экономическое сравнение

различных процессов, применяемых для удаления диоксида серы

из отходящих газов, описано в других работах [180, 425]. Основными адсорбентами, (Которые испытывались в лабораторном масштабе

и на пилотных установках, являются доломит, подщелоченный оксид алюминия, активированный диоксид марганца, активированные

уголь и силикагель.
Доломит и карбонат кальция. В первых попытках разработать

Жизнеспособный промышленный процесс адсорбции оксида серы

(*V) при высоких температурах Джонс [409] и Кок [164] исполь-
169
--------------- page: 170 -----------
Рис. 111-42. Схема каталитической адсорбции на карбонате кальция и гидроти-

рованном доломите (Юнгтен и Петерс) [418]:
1 — дымовая труба; 2 — электрофильтр; 3 — бункер для обессеренной пыли.
эовали слои адсорбента из дешевого (распространенного в природе

доломита (смешанного карбоната кальция и магния), дробленного

до размеров 3—6 мм. Доломит загружали в вертикальный реактор

при 600 °С; объемная скорость газа составляла 1150 м2/ч. Эффективность очистки была около 90% до тех пор, пока поверхность

доломита не превращалась в сульфат, на что расходовалось около

15% доломита.
При детальном обсуждении этой реакции Сквайрз [796] указал, что вначале образуется сульфат кальция, а сульфат магния

позже, причем его образованию способствует оксид железа, действующий как катализатор. Сквайрз предложил частичный обжиг

доломита для получения пористого материала, что позволило бы

газам проникать в глубь частиц абсорбера.
Другим путем увеличения поверхности является дробление

сорбента на более мелкие частицы, однако при этом очистку следует вести скорее в псевдоожиженном или увлекаемом слое катализатора, чем в стационарном. Юнгтен и Петерс [418] в своих экспериментах на пилотной установке использовали реактор с увлекаемым слоем (рис. III-42). Реактор длиной 6,35 м обогревали снаружи газами, проходящими через кольцо, образованное внешней

трубкой. Температуру реактора регулировали в интервале от 200

до 1000 °С. В реактор подавали доломит, известняк и другие твердые частицы. Частицы, вступающие в реакцию, собирали с помощью электрофильтра. Эффективное время пребывания составляло от 1 до 4 с.
170
--------------- page: 171 -----------
К очищаемым газам реагенты добавлялись в количестве в 1—3

раза больше, чем их стехиометрическое количество, соответствующее 1200 млн~‘ S02. Сам доломит оказался не очень эффективным,

но карбонат кальция, осажденный в виде игл или сфер и покрытый

щелочным слоем, позволил достичь эффективности более 90% при

800 °С.
Аналогичный реактор с увлекаемым слоем катализатора, в котором использовали гидроксид кальция, был предложен Стиллом

[963]. Материал водили в ряд последовательных реакторов, имевших форму перевернутого U. Газы из каждой U-образной трубки

проходили через циклон для рекуперации реагента, который вновь

поступал на первый реактор. Предполагается, что эффективность

удаления серы в процессе Стилла может превышать 95% (рис.

111-43).
Щелочной глинозем (гидроксиалюминат). В результате обширных исследований в области твердых абсорбентов Бинсток, Филд

и Майерс (Горный Департамент США) нашли, что алюминат натрия, называемый иногда щелочным глиноземом, является наиболее

перспективным адсорбентом диоксида серы, поскольку он обладает хорошей поглотительной способностью, гранулы его обладают

достаточной прочностью, что позволяет многократно использовать

их в циклическом процессе [76, 77, 257].
После нескольких предварительных исследований эксперименты

были продолжены на пилотных установках, ,в которых частицы

сорбента диаметром 1,6 мм падали в противотоке навстречу поднимающемуся потоку отходящего газа при температуре 330 °С. Техническая осуществимость процесса была доказана на 8-метровом
I И III
Летучая
•ШЯ
Рис. 111-43. Процесс Стилла (трехступенчатой каталитической адсорбции SO*

У
реакторы с катализатором; /—3— точки добавления реагентов в систему; 4 — шнековый смеситель.
--------------- page: 172 -----------
реакторе (рис. III-44), причем достигнутая эффективность абсорбции SO2 из Потока отходящего топочного газа превышала 90%.
Технологические параметры процесса (потоки I—VII — см.

рис. II1-44):
I. Производительность, м3/ч (при 0°С) . .700—1500 (при 300 °С)

Расход воздуха, мэ/ч
II
III
Расход адсорбента, кг/ч
IV
V
VI
Восстановительный газ
VII
состав, %
Н2
СО
С02
N2
СН4
Была показана также возможность регенерации абсорбента

смесью Н2/СО при 650°С и получении H2S, причем абсорбционная

способность щелочного глинозема не снижается даже после 20

циклов работы. Затруднения, возникающие в процессе реализации

этого процесса, связаны с истиранием таблеток адсорбента. Если

эти потери (будут составлять не более 0,1 % маюсы адсорбента, поступающего в каждый цикл, процесс можно считать экономически,

целесообразным.
Показано, что твердость таблеток может быть увеличена при нагревании до 900°С; разработки в этой области продолжаются. Для

регенерации щелочного глинозема испытывались различные газы;

они перечисляются ниже в порядке уменьшения эффективности:

реформированный природный газ, водород, генераторный газ и метан. Соединения хлора (содержащегося в каменноугольном газе)

адсорбируются щелочным глиноземом ,и не десорбируются ,в процессе обьгчной регенерации, но могут быть удалены да адсорбента

при обработке его отходящими газами при 600°С. Так, для регенерации адсорбента «а небольших установках был использован водород при 650 °С, тогда как на крупных установках применялся

реформированный природный газ или генераторный газ. При этом

получали сероводород, С02 и воду; эта смесь может служить сырьем для установки Клауса с целью получения элементарной серы.
В Центральном отделе энергетики Великобритании проводились

исследования адюор/бера с кипящим слоем адсорбента как альтернатива процесса Горного Департамента США с падающими частицами абсорбента.
Активированный оксид марганца. Филд и Майерс [76] отметили, что хотя оксиды марганца являются эффективными адсорбентами, их регенерация связана со значительными трудностями.

Предложенный ими (Процесс (рис. III-45) был подобен процессу
172
--------------- page: 173 -----------
Рис. 111-44. Технологическая схема пилотной адсорбционной установки на щелочном глиноземе (технология Горного департамента США) [76, 77]:
/ — подпитывающий бункер; 2 —к выхлопной трубе; 3 — вентиляционное отверстие транспортного газа; 4 — абсорбер; 5 — регенератор; 6 — вентиляционное отверстие транспортного

газа; 7 — воздушна; 8— печь; 9 — транспортный газ; /— 700—1500 м3/ч газа на очистку,

330°С; // — 170 м3/ч чистого газа, 60°С; III — 525 м3/ч вторичного воздуха (прн норм, уел.),

204,4 °С; IV — добавление 58,8 кг/ч абсорбента; V—подпитка 0,055 кг/ч абсорбента; VI — рецикл 588 кг/ч абсорбента; VII — 65 м3/ч восстановительного газа состава (в %): 76,7 Н2,
14,5 СО, 7,2 С02. 0,3 N2, 1,3 СН4.
Рис. Ш-45. Схема адсорбции S02 оксидом марганца (процесс Горного департамента США) [257]:
/ — абсорбер; 2 — смесительный бак; 3 — иасос для пульпы; 4 — пресс-фильтр; 5 — грануля-

тор; 6 — электролизер; 7—бункер для каустической соды.
со щелочным глиноземом, но регенерация осуществлялась электро-

литическим путем. Предложены следующие стадии процесса:

реакция адсорбции
Мп2Оэ + 2SOa + V202
образование взвеси сульфата марганца в воде, к которой добавляется раствор щелочи
2MnS04 + 4NaOH ‘ДА
Оксид марганца возвращается в абсорбер, а раствор сульфата

натрия подвергается электролизу с образованием гидроксида нат-

Рия, используемого в процессе, и серной кислоты, которая рекуперируется. Однако для электролитической рекуперации необходимы

значительные затраты электроэнергии, что делает этот процесс экономически невыгодным.
173
--------------- page: 174 -----------
Мицубиси Хэви Индастриз разработала несколько отличающийся процесс с использованием активированного оксида марганца—•

«DAP-Mn» [41, 533]' (рис. 111-46), где регенерация абсорбента производится при взаимодействии сульфата марганца с аммиаком в

присутствии воздуха с образованием сульфата аммония. Окисление

и последующую регенерацию ведут при комнатной температуре, а

активированный оксид Мп203 отфильтровывают из раствора. Раствор сульфата аммония подается в кристаллизатор, где сульфат

выпадает в осадок. Если предпочтительнее рекуперировать сульфат в виде гипса, то к раствору сульфата аммония добавляют известь. В этом случае аммиак выделяют из раствора при нагревании после того, как гипс отфильтровывают на центрифуге.
Используется оксид марганца плотностью 150—250 г/м3, область

рабочих температур составляет 135—160°С. Газ на входе содержит

1000 млн-1 S02, на-выходе его содержание снижается более чем на

90%. Газ содержит некоторое количество нефтяных масел (0,100—-

0,022 г/м3), однако это не влияет на работу абсорбера. Состав активированного оксида Мп203 выражается формулой Мп0ж-УН20,

где х изменяется от 1,5 до 1,8 и У между 0,1 и 1.
По заявлению Мицубиси, этот состав отличается от оксидов

марганца, испытанных Бинстоком, Филдом и Майерсом, и изготовляется согласно собственной технологии фирмы. С тех пор процесс

испытывался на установках мощностью 3000 м3/ч, в настоящее

время построена очистная установка для котла-утилизатора мощностью 55 МВт на электростанции в Иокашики (Компания Тсубу

Электрик Пауэр). На этой установке будет очищаться 15 000 м3

газа в течение одного года, после чего должны быть построены более мощные установки.
Активированные угли. С точки зрения абсорбционной способности активированный уголь представляет собой наиболее многообещающий адсорбент, что ювязано ,с его высокой удельной .поверхностью. Исследовали применение этого адсорбента три сравнительно низких температурах (ниже 100 °С), когда образующаяся

серная кислота может быть вымыта (процесс «Сульфасидик»), До

1957 г. предполагали, что адсорбция на углях при более высоких

температурах — свыше 100 °С — невозможна. Недавние лабораторные исследования показали, что S02 адсорбируется п превращается

в серную кислоту, и процесс становится явно обратимым при температурах выше 250 °С.
Разработан процесс [894а], основанный на применении полукокса, который получают вакуумным пиролизом торфа, так называемый «Рейнлюфт»-процесс (рис. Ш-47). Загрязненные газы поступают 1в нижнюю секцию адсорбера при температуре около 150—■

200 °С, часть SO2 абсорбируется углем и превращается в S03. Газы

выводятся «и-з адсорбера ,в точке, лежащей .несколько выше входа,

проходят через теплообменник, где охлаждаются до 110°С, и возвращаются в верхнюю часть адсорбера.. Температура очищенных

газов, выходящих ив адсорбера, несколько превышает 100°С.
174
--------------- page: 175 -----------
х^>, ... =1

е о
_ фИ

X £ I
о 5 1

к
ХО cj"*
^ fc •-

CJ £ та
s £*
га
й>
Ж о
I т
я

С-1* CS*
X *■«
-е-*-..
а =1

с 5!
О- * |
< 2-,

t- И
о те 2

о н и ч

О S г ^
(и чзя
о s a S

ei « >» н
0
1
'— I I ^
xt, СЗ S
SJ
я
ТО
f~.
СХ.
Я
5
S £ 5

£я2

3.1 §
м Cfi О,
Е н
2*
Sftl'
2© *?
CD
S

о

fct

5?
О

*

о
2

3
я ..5 ^

rt та 5

в >о 2 „

О >><J ^

СХ 0>К «

а ь cl >>

и к**

s

н

«

то
0
а- ..

S *
Т!
1
К

X
►—Г ^
VO <N S
CL,
О
о
*3
то
то
£
си
X
О
со
. „\0
го О
К о
ас ^

о е
ss

11
Я Л
я- ч
VD Ж
о-&
Р о
CJ
а,
та £
--------------- page: 176 -----------
ретур абсорбента.
Рис. III-47. Принципиальная схема процесса «Рейнлюфт» (размеры и количества

газов и реагентов даны для тепловой электростанции мощностью 800 МВт)' [425]:
/ — адсорбер; 2 — регенератор; 3 — вибросито; 4 — теплообменники; 5 — газодувки.
Отработанный уголь из нижней части адсорбера, .насыщенный

серной кислотой, поступает в отделение десорбции. Здесь его нагревают до 380—450 °С в потоке инертного газа; в результате взаимодействия серной кислоты с углем образуются С02, водяной пар

и S02 (10—15%), последний может быть использован в качестве

сырья для получения контактной серной кислоты. Уголь возвращается в цикл после отделения мелких фракций.
На первой пилотной установке на заводе Фольксвагена и

Вольфсбурге >[894а] степень удаления S02 изменялась от 45 до

96% по мере снижения скорости газов от 330 до 86,0 м3/(м2-ч).

Значительные исследования были проведены также в лаборатории

Уоррен Спринг в Великобритании [676], где при аналогичных условиях эффективность процесса превышала 90%. Однако при разработке промышленной установки возникали серьезные проблемы,

обусловленные с потерей угля вследствие трения и химического

разрушения, коррозией и с опасностью возгорания регенерированного угля.
176
--------------- page: 177 -----------
Более современная установка для очистки 34 ООО м3/ч газа с

последующим улавливанием пыли с помощью электрофильтра была

создана для котла мощностью 150 МВт на фирме СТЕ-АГ-Краф-

тверк Келлерман в Люнене [963]. Температура отходящего газа

колебалась между 95 и 125°С, а содержание S02 — от 700 до

1400 млн-1. Установка работала в течение 26 недель в 1966 г., удаление газа составило 65—70% S02, что ниже расчетного значения

75%.
Для улучшения характеристик процесса необходимо .попользовать низкосортный уголь, который намного тверже, чем полукокс,

применяемый ,'в процессе «Рейнлюфт», и не столь горюч. Дратва и

Юнгтен [229] исследовали несколько сортов активированных углей, полученных окислением 50% антрацита и из окисленных коксов, получаемых коксованием антрацитов, окисленных на воздухе.

Физические свойства и абсорбционная способность по отношению

к S02 таких активированных углей, а также торфяного угля были

исследованы Юнгстеном. Окисленный кокс оказался очень твердым даже после неоднократного циклического использования в системе в отличие от торфяного кокса или активированного каменного угля. Окисленный кокс имеет также очень развитую мелко-

пористую поверхность, что является функцией температуры

пиролиза [416]. Такой кокс обладает гораздо большей адсорбционной способностью по отношению к SO2 при меньшем времени

контакта, чем торфяной кокс (табл. III-7).
Результатом успешных лабораторных исследований окисленных

коксов, полученных из предварительно окисленного каменного угля, было создание пилотной установки для экспериментального

бойлера фирмы Матиас Штиннес А. Г. в Боттропе.
Юнгстен, Кноблаух и Круель [417] сообщили об экспериментах

на адсорбере с движущимся слоем адсорбента (рис. 111-48) в про-
ТАБЛИЦА III-7
Удерживающая способность (извлечения S02, %) торфов и коксов

при адсорбции S02 из топочных газов [229]
Продолжительность
адсорбции,
С
Температрра.
°с
Продолжительность
адсорбции,
С
Температура,
°с
80
120
160
80
120
160
Активированный уголь
То же (два поколения)
13
60
45
35
13
100
100
100
5,6
30
20
15
3,8
10—5
10—5
10—5
Окислительный кокс
Торфяной кокс (три поколения)
5,6
97
94
75
13
70
65
57
3,8
90
73
65
У Примечания: 1. Данные получены на модельной установке. 2. Активированный

ль получен из каменного угля при 50%-иом окислении.
12—1144
177
--------------- page: 178 -----------
Рис. 111-48. Опытная установка противо-

точной адсорбционной системы для удаления S02 из дымовых газов котла-утилизатора, работающего на каменном

угле (адсорбент — твердый окисленный

кокс) [417]:
I — адсорбер; 2 — трубопровод промывной жид-

костн; 3—шаровой затвор; 4— трубопровод

для переноса окисленного кокса; 5 — решетчатый сепаратор; € — циклонный сепаратор;
7
кислоты.
тивотоке запыленного газа, со-

держащего 0,1% S02. Толщина

слоя изменялась от 250 до

750 мм, а время контакта — от 5

до 40 ч.
Эти результаты показали, что

можно добиться почти полного

улавливания при толщине слоя

750 mim в течение 5 ч. Такая же

степень удаления S02 может

быть достигнута и при меньшей

толщине слоя и увеличении продолжительности контакта, что ведет к уменьшению перепада давления и расхода кокса. Показано также, что при концентрации пыли 1,5—1,9 г/м3 и времени контакта 15—20 ч происходит забивание слоя, однако содержание пыли и летучей золы в очищенных

газах составило 0,05—0,10 г/м3.
Штраус [824]; предложил другой тип активированного угля, обладающего аналогичными свойствами. Такой уголь изготовляют

экструзионным гранулированием пламенного угля. Последний получают из каменноугольной смолы, к которой до. ее сжигания в

строго контролируемых условиях добавляются активирующие добавки.
Активированный силикагель. Другим материалом, пригодным

для (высокотемпературной адсорбции SO2, является .силикагель, обработанный солями железа [360]. Такой гель может применяться

при температурах 350—400 °С. Регенерация образующегося SO3

осуществляется при 700 °С. Предполагаемая установка включает

две стадии адсорбции: на .первой стадии дымовые газы проходят

через слой силикагеля, а на второй гранулы адсорбента падают в

потоке восходящего газа.
Адсорбция S02 на материале, введенном в камеру сгорания.

Проблема коррозии в топочной камере бойлеров привела многих

последователей ,и, ,в частности Виккерта [940], к ,мысли о введении

некоторых материалов, например доломита, в топочную камеру.

Одновременно с предотвращением высокотемпературной и низкотемпературной коррозии и улучшением эксплуатационных условий
178
--------------- page: 179 -----------
работы бойлера [738, 876] введение таких материалов уменьшало

эмиссию SO2. Совершенно очевидно1, что для того, чтобы адсорбция

на доломите или известняке была эффективной, материал должен

быть прокален перед его использованием. Реакция будет протекать

тогда, когда материал будет вводиться в топочную камеру бойлера вблизи горелок при температуре выше 1100°С. Расчеты показали, что при этой температуре необходимо 0,5 с для того, чтобы

достичь полного обжига частицы размером 20 мкм [654].
Виккерт обжигал материалы, используемые в пилотной установке, при 1200 °С и получил необходимые данные для обожженной

извести (СаО) и обожженного доломита (СаО-Mg). Далее он нашел, что добавление к доломиту 1—2% Fe203 катализирует реакцию
Fea03
2Mg0 + 2S02 + 02
В случае СаО каталитический эффект отсутствует.
Эксперименты на пилотной установке проводили многие исследователи. В ранних работах, осуществляемых на котлах с жидким

топливом на нефтеперегонных заводах фирмы Мобил в Бремене

[940] и в Вольфсбурге [360, 876], использовали систему, в которой

порошок доломита (оптимальный размер частиц 10—15 мкм) вдували с помощью воздуходувки в топочную камеру над горелками.

По данным авторов, отмечалась высокая степень удаления серы

при низких концентрациях SO2: 72% при содержании S02

250 млн-1 и 85% при 136 млн-1.
Исследования в промышленном масштабе были проведены на

твердотопливном бойлере мощностью 100000 кг/ч. Доломит вдувался в пяти точках, как показано на рис. 111-49 (от / до 5).
Температура в точке / была 1500 °С, тогда как в точке 5 она

-составила приблизительно 900 °С. Максимальная эффективность

была найдена для точки 3 при температуре 1150°С, что полностью

соответствует лабораторным данным. Количество доломита в 2,5

раза превышало стехиометрическое количество, необходимое для

связывания серы, содержащейся в угле. В этом случае точка 3

представляет собой компромисс между самой выгодной температурой и временем пребывания. Были проведены дальнейшие 'исследования, и опубликованы данные /[963] для гашеной извести,

порошкообразного известняка, едкого кали, а также доломита. Результаты, полученные Лля гашеной извести, несколько лучше, чем

Для доломита.
Поллок, Томани и Фрилинг [653]! исследовали влияние добавки

плава известняка с угЛем (10% от массы сжигаемого угля). Удаление серы из дымовы^ газов, содержащих 550—890 млн-1 S02, составило от 40 до 80%- В этом эксперименте материал рекуперировали в скруббере, описанном этими авторами (вместе с результатами исследования скруббера. Было отмечено, что уменьшение добавки плава неэффективно.
--------------- page: 180 -----------
6
Рис. III-49. Схема абсорбции S02 доломитом с последующей очисткой на электрофильтрах [963]:
а — схема бойлера и точки иижекции; б — соотношение между температурой дымовых газов

и эффективностью удаления двуокиси серы.
Гораздо более успешным решением, чем полностью сухой процесс Виккерта, была работа исследователей фирм Детройт Эдисон

и Комбашен Инджириниг Ко. [653], представляющая собой дальнейшее развитие работы Поллака, Томани и Фридлинга. Доломит

вдувается в углы топочной камеры над угольными горелками через

инжекторы, направленные по оси угольных горелок вверх под уклоном на 15%, тогда как угольные инжекторы наклонены вниз.
Доломит вдувается либо в стехиометрическом отношении, или

в полтора раза больше, чем количество S02. Дымовые газы затем

промывают в высокоэффективном скруббере с псевдоожиженным:

слоем стеклянных шариков размером 16 мм. Эффективность уда180
--------------- page: 181 -----------
ления составляла 90—99,5%- При этом объемная скорость шлама

должна составлять 1,75 м3/ч на 1700 м3/ч газа.
Существует ряд исследований японских авторов [34], посвященных добавке в топочную камеру известняка, смеси известняка

с летучей золой и смеси известняка с гидроксидом магния. Найдено, что обессеривание составляло только 35—40%; такой же результат был получен Зентграфом i[963]. С другой стороны, периодическое добавление этих материалов привело к изменению

свойств веществ, осаждающихся на трубках пароперегревателя,

что облегчало продувку и уменьшало скорость отложения нагара.
Другие процессы хемосорбции. Такие соединения, как перекиси,

производные озона и другие кислородсодержащие соединения

(—О—О—), легко переводятся в более простые соединения в присутствии катализатора. В ряде случаев таким материалом может

быть активированный уголь, однако большинство соединений разлагается только в тех случаях, когда на уголь нанесен металлический катализатор, например металлическая медь, серебро, платина и палладий, которые наносятся на подложку из растворов их

комплексных солей.
Существует много других примеров: окисление СО на оксиде

меди или на I2Os с образованием диоксида С02, который затем абсорбируется известью; бромирование олефинов при пропускании

их над углем, пропитанным бромом; улавливание на угле, пропитанном иодом,— паров ртути, на угле, содержащем ацетат свинца— сероводорода, а содержащем силикат натрия — фтористого

водорода.
4.
Если загрязняющие вещества легко окисляются, как, например,

пары углеводородов в отходящих газах цехов растворителей или

красок, то их удаление может быть осуществлено путем сжигания

газов, причем образуются диоксид углерода и вода при сжигании

углеводородов, или диоксид серы и вода — в случае органических

сульфидов. Если концентрация этих примесей в газах достаточно

велика и входит в область воспламеняемости, после первоначального поджигания будет поддерживаться процесс самоокисления.

Самая низкая концентрация паров, при которой происходит этот

процесс, является нижним пределом воспламеняемости, а самая

высокая — верхним пределом воспламеняемости. В этих пределах

может происходить регулируемое сжигание, однако в некоторых

Условиях возможен взрыв.
Температура, выше которой горение газов или паров поддерживается произвольно, называется температурой самовоспламенения и зависит от углеводорода и количества тепла, выделяющегося

в процессе горения,— чистая доступная теплота сгорания в расчете

на стандартный кубометр газа (Дж/м3 при 21 °С). Нижний предел

горения составляет приблизительно 1,9 МДж/м3 при 21 °С, поэтому
161
--------------- page: 182 -----------
для самоподдерживающегося горения необходимо тепло более этой

величины; для пламени с хорошими параметрами горения желательно тепловыделение более, чем 3,7 МДж/м3 (21 °С).
Для поддержания любого процесса горения необходимо соответствующее

количество кислорода. При обычном сжигании необходимое количество кислорода на 10—15% больше стехиометрического, тогда как в процессах каталитического сжигания требуется только стехиометрическое количество. Кроме того,

чтобы температура в камере сжигания или в пламени была достаточно высокой,

необходимо интенсивное турбулентное перемешивание кислорода и сжигаемого

газа и обеспечить достаточное время пребывания для полного сжигания. Эти

факторы определяются конструкцией горелки и камеры сжигания, а также степенью предварительного смешивания газов.
Факел заранее перемешанной смеси короче, горячее и обычно голубого цвета, тогда как факел неперемешанных газов обычно очень яркий, что объясняется крекингом углеводородов и образованием раскаленных частиц углерода.
Основная химическая реакция окисления любого углеводорода CmHn:
Выделяющееся тепло АН является энтальпией, или теплотой при постоянном

давлении. Второй закон термодинамики связывает ее с энергией Гиббса ДО

уравнением
тде AS — изменение энтропии, Т — абсолютная температура.
Значения этих функций при 25 °С и 105 Па называются стандартными и

обозначаются ЛG0, АН0, AS0. Для отрицательных значений AG реакция термодинамически возможна, тогда как для значений AG от О до 42 ООО Дж/кмоль

вероятность самопроизвольной реакции невелика, однако этот вопрос заслуживает дополнительного исследования. При Д042 000 Дж/кмоль самопроизвольная реакция невозможна.
Константу равновесия реакции можно записать
где р — парциальные давления веществ.
Некоторые типичные значения ДН°, AG° (в МДж/кмоль) и

Ig/Cp для окисления формальдегида (НСНО), пропана (С3Нв) и

этанола .приведены ниже:
С2Н5ОН .... —2991,7 —3020,6 —3043,6 —3102,7
Прямое сжигание обычно осуществляется при температура*]

700—800°С, тогда как каталитическое сжигание — при 250—400°С.
В том случае, когда тепла сгорания углеводородов в отходящих

газах достаточно для того, чтобы теплота реакции превышала
AG = AH — TAS
(III.59;
(III.60)
AG = —RT In Kp = —2,mRT lg Kp
(III.61)
HCHO
c3H8
—579,9 —512,8 —518,2 —507,8

—2044,9 —2075,0 —2041,5 —2107,7
182
--------------- page: 183 -----------
Рис. III-50. Зависимость расхода воздуха с ацетиленом от массы пара при сгорании ацетилена

(объемы воздуха и пара приведены к нормальным условиям: 0°С и 100 кПа) [364].
1,9 МДж/м3, .и эти углеводороды содержат токсичные газы (например, цианистый водород), такие газы обычно сжигают в факеле. В этом случае, однако возникает проблема значительного изменения объемных скоростей, что особенно

важно для нефтеперерабатывающей промышленности.
Некоторые углеводороды, в частности

ароматические соединения и др. с низким соотношением углерод — водород,

при сжигании обычно дают коптящее

пламя, для избежания этого добавляют
воду в виде пара. При этом происходит реакция водяного пара с

углеводородами с образованием водорода и СО.
Гесс и Штикель [364]' теоретически и экспериментально изучали факельное горение ацетилена, определяли предельные значения

минимально нобходимого количества пара и воздуха, пределы

цветности пламени, его стабильность и уровни шума. В результате

этих экспериментов был построен график зависимости объемного

соотношения воздух — ацетилен от массы пара для различных значений функции Ф, записываемой в виде
объем воздуха + объем пара

объем пара
Пунктирной линией на рис. 111-50 нанесено теоретическое (стехио-

метрическое) количество воздуха и пара, тогда как сплошная линия обозначает экспериментальную величину светимости пламени.

Отсюда видно, что для создания наиболее экономичных условий

процесса желательно работать в области между Ф=5 и осью абсцисс. Это указывает также, что одним из основных факторов для

поддержания устойчивого пламени является подача достаточного

количества воздуха.
Расчеты показывают, что для увлечения достаточного количества воздуха скорость газового потока должна приближаться к

сверхзвуковой. Поэтому на практике обычно вокруг форсунок для

впрыска газа располагают сопла для подачи пара с высокой скоростью, что иногда приводит к большому шуму факела. Другие виды факелов, когда используется предварительное смешение газов

с воздухом (типа горелок Бунзена) или предварительное смешение

с паром и последующее увлечение воздуха в форсунку, не нашли

Широкого применения. Вероятная причина этого заключается в
183
--------------- page: 184 -----------
том, что такие установки не способны приспосабливаться к резким

изменениям объемной скорости газов, при которых функционируют факелы.
Типичная конструкция факела с впрыском пара представлена

на рис. 111-51. Паровые форсунки, расположенные вокруг зоны факела, обеспечивают подачу смеси воздуха с паром для ускорения

процесса горения. Необходимое количество пара колеблется от
0,05 до 0,33 кг/кг газа в зависимости от концентрации ароматических соединений в газе.
Предусмотрен также пусковой факел. Если концентрация горючих газов настолько мала, что она не обеспечивает минимального

выделения тепла для реакции сгорания, то в ряде случаев используют предварительный подогрев газов. Для этой цели имеется

кольцевая горелка. Если в газах, поступающих на факел, присутствует туман масла, его необходимо удалить на входе в трубу для

обеспечения безопасных условий сжигания. Необходимо также

принять меры против проскока пламени, если в сжигаемых газах

присутствует кислород.
Сжигание в факеле применялось для удаления органических

тиофосфатов, обладающих лакримогенными свойствами, а также

углеводородов |[569]. В производстве таких веществ технологический вакуум достигается с помощью паровых эжекторов, и сброс

направляется в сборники горячего конденсата, что приводит к возникновению внутрицеховых загрязнений. Однако газы, выходящие

из сборника конденсата, обычно горючи и могут подаваться на

факел.
Альтернативой сжиганию газов в открытом факеле является их

сжигание в замкнутой камере. В типичных конструкциях камер

сжигания применяется циркулярное распределение потока, обеспечивающее высокую степень турбулентности и адекватное время

пребывания (0,2—0,7 с) в малом объеме.
Существует ряд конструкционных решений, дающих более или

менее равномерное смешение компонентов и требуемое время пре'

бывания в камере сжигания. На рис. 111-52, а показана горелка, от

которой газы отталкиваются на распределитель пламени и проходят через слой пламени в направлении, отличающемся от направления газа. Температура в камерах ограничена 450°С, поэтому в

них возможна лишь частичная конверсия углеводородов.
На рис. Ш-52,6 показана горелка с тангенциальной подачей

газов. Выхлопные газы входят в камеру сгорания через отражатель пламени, который способствует концентрированию газов у

стенок. Этот тип камер сгорания особенно пригоден в тех случаях,

когда концентрация кислорода в сжигаемых газах мала (менее

15%), а объемная скорость газов изменяется в широких пределах.

В камере поддерживается температура в пределах 480—760°С.
. В другом варианте камеры используется прямоточная горелка,

тогда как газы поступают тангенциально. В такой конструкции

должны быть предусмотрены стены из огнеупорных материалов ил*
184
--------------- page: 185 -----------
а
Рис. II1-52. Дожигатели с открытым пламенем

[885]:
а — горелка с отталкивающим распределителем пламени

(780 °С); б — камера сгорания с обмуровкой и тангенциальным входом); 1 — труба; 2 — перекрытие; 3 — сопло;

i — распределитель пламени; 5 — вытяжной вентилятор;
6
ка; 8 — отражательная плита.
Рис. III-51. Факел с впрыском пара [715]:
1 — паровпрыскивающие форсунки; 2 — коллектор пара; 3 — линия питания пара; 4 — переднее воспламеняющее устройство; 5 — трубка; 6 ~ смеситель пускового факела; 7 — тройник.
материалов, выполняющих роль теплообменника с поступающими

газами.
В более современных установках используются горелки с предварительным смешением, такие как модель Комбастифьюм [167]

(рис. III-53). Достоинством таких горелок является короткое пламя, а также полное смешение компонентов (рис. 111-54).
Исследовалась также возможность дополнительного предварительного подогрева газа (рис. 111-55), причем оказалось, что в

этом случае для одинаковой степени сжигания были достаточны

более низкие температуры при меньшем времени пребывания. Для

Работы таких горелок необходимы гораздо более высокие скорости — порядка 20—40 м/с по профилю сопла горелки, вместо 10 м/с

в традиционных камерах сгорания.
Проектирование таких камер сгорания требует особенно тщательных расчетов для того, чтобы не допустить перегрева огнеупорной облицовки; кроме того, необходимо предусмотреть конт-
185
--------------- page: 186 -----------
Рис. II1-53. Горелка с предварительным смешением (модель «Комбастифьюм») —j

название зарегистрировано фирмой Маклан Инк., Индиана) [895]:
1 — боковое отверстие горелки; 2 — боковая плита; 3—корпус сжигателя; 4— горелка.
Рис. 111-54. Устройство горелки с предварительным смешением [895]:
1 — корпус с теплоизоляцией; 2 — боковая плита; 3 — горелка (модель «Комбаетфьюм»).
роль за работой горелок и их регулирование во избежание взрыва.
Выходящие из камеры газы могут либо выбрасываться непосредственно в атмосферу, либо пропускаться через теплообменник

с целью рекуперации тепла горячих газов. В таких конструкциях

обычно используется дополнительная газовая или нефтяная горелка, нагревающая газы выше их температуры самовоспламенения [713]. Для паров нефти достаточны более низкие температуры, тогда как для метана и ароматических углеводородов необходимы более высокие температуры.
Типичными областями применения дожигателей с открытым

пламенем является дожигание газов со скотобоен и салотопен для

удаления неприятных запахов, органических отходов цехов эмалированной проволоки [69], отходящих газов стержневых печей [49]

и оксидов азота, образующихся в процессе нитрования [214]. Оксиды азота [214] предварительно смешиваются с природным газом

до подачи в камеру, куда добавляется воздух, необходимый для

полного сжигания.
Более простой по конструкции является установка для дожигания отходящих газов от печей для сушки стержней; она представляет собой камеру с небольшой насадкой из огнеупорных материалов. Хотя время пребывания в такой камере не превышает согласно расчетам 0,05 с, применение относительно высоких температур

(800—1000 °С) позволяет достичь удовлетворительных результатов.

Исследования, проведенные в цехе нанесения эмалей на проволоку,

показали, что около 90% углеводородов окисляются при нагревании выше 685 °С; подобные же результаты были получены для отходящих газов печей цеха покрытия металлов [895]. В обоих случаях время пребывания составляло 0,3 с.
186
--------------- page: 187 -----------
Рекуперация тепла газов сгорания может улучшить экономические показатели эксплуатации обычных (и, конечно, каталитических) установок дожигания. Рекуперация тепла может, осуществляться либо в системах регенерации (кольцевой теплообменник

Монгстрома), либо в рекуперационных установках, где теплопере-

нос происходит через гофрированные металлические поверхности.
В одном из вариантов гофрируют поверхность плоских труб,

причем получают противоточные системы, обладающие большой

механической прочностью при высоких температурах [68]. В установке Монгстрома используется теплообменник барабанного типа,

в котором теплообменный элемент вращается в соприкасающихся,

но разделенных потоках входящего и отходящего газов. Поскольку поверхности барабана соприкасаются поочередно с обоими потоками, то тепло, аккумулированное отходящими газами, отбирается и передается к потоку входящего воздуха или газа.
Подобные камеры сгорания могут применяться в тех случаях,

когда изменение газового потока не слишком велико и добавочное

топливо (если оно необходимо) очень дешево. Это объясняется тем,

что газы и воздух (если его количество превышает стехиометриче-

ское) должны быть нагреты до температуры сгорания. Тщательно

рассчитанные камеры могут быть использованы для сжигания неорганических веществ и твердых частиц, присутствующих в больших количествах и препятствующих каталитическому сжиганию.
5.
Каталитическое сжигание представляет собой дальнейшее

расширение технологии сжигания газов в замкнутом пространстве;
ис- Ш-55. Горелка с предварительным смешением, теплообменником и пред-

верительным подогревом [895]:
ТеГГоРелка тУииельиого типа; 2 — горелка модели «Комбастифьюм»; 3 — камера предвари-

ного нагрева; 4 — камера сжигания угля; 5 — контрольная камера; 6 — обшивка из нержавеющей стали; 7 — теплообменник; 8 — корпус с теплоизоляцией.
187
--------------- page: 188 -----------
к его преимуществам относится тот факт, что окисление на поверх^

ности катализатора происходит при температуре ниже температур

ры самовоспламенения и при таких концентрациях горючих газов,

которые не обеспечивают тепловыделения, необходимого для про*

текания самоподдерживающейся реакции горения. Дополнительным преимуществом является расход для каталитического сжигания только лишь стехиометрического количества кислорода (из

воздуха), поэтому отпадает необходимость в предварительном

подогреве.
Обычно любые газообразные органические соединения могут

подвергаться каталитическому сжиганию при условии, что продукты сгорания сами газообразны. К таким органическим примесям

относятся соединения, содержащие серу или азот, но не кремний- и

фосфорорганические соединения. Если содержание неорганической

пыли в сжигаемом газе велико, она должна быть предварительно

удалена, однако малое ее количество, которое обычно содержится

в воздухе, может пройти через установку каталитического сжигания и в ряде случаев даже уловлено в ней. Этот осадок удаляется

при периодической (годовой или полугодовой) промывке катализатора.
Особенностью процесса каталитического сжигания является

природа окисляющего вещества. К таким веществам относятся

следующие.
1.
сителе. Катализатор — платина или другой благородный металл —J

вместе с промоторами наносят на стружку из никелевого сплава.

Разработаны специальные катализаторы для селективных реакций.

Обычная каталитическая установка представляет собой неглубокую матрицу, хотя для некоторых операций используются цилиндрические патроны. Оригинальные типы установок были разработаны Руффом и Сутером [714] (Отделение каталитического сжигания фирмы Юниверсал Ойл Продактс).
2.
да металла. Тонкий слой металла платиновой группы наносят на

подложку — обожженный а-оксид алюминия либо фарфор (свечного типа). Подложку изготавливают в виде цилиндрических гранул, расположенных рядами, смещенными по отношению друг Я

другу.
Катализатором может быть также -у-оксид алюминия с боль-;

шой удельной поверхностью и платиновым покрытием [917] (процессы «Оксикат» и «Дегусса»).
К этой же группе относится палладиевый катализатор на подложке из оксида алюминия. Он может применяться для удаления

кислорода из газовых потоков, содержащих водород и кислород *

стехиометрическом (и нестехиометрическом) отношении (процесс

«Деоксо»).
3.
сида металла. Активные оксиды (например, уАЬОз), обладающие
188
--------------- page: 189 -----------
высокой удельной поверхностью, могут быть нанесены на подложку

из оксида металла (например, на а-АЬОз). Такая система обладает следующими преимуществами: она способна выдерживать высокие температуры; в ее состав входят дешевые материалы (по

сравнению с катализаторами из благородных металлов); кроме

того, она ,может быть изготовлена в виде стержней или таблеток.
Такие катализаторы были первыми, применявшимися для

очистки воздуха еще в 1927 г., хотя метод очистки не был в то

время еще широко распространен. К этой категории относятся

также катализаторы, целиком состоящие из активного материала,

включая и подложку; такие катализаторы называются иногда

«бесподложечными». К их числу относится смесь оксидов меди

и марганца («Хопкалит»), обеспечивающая полное сгорание углеводородов при 300—400°С, за исключением метана (30% при

400°С) [890].
4.
[375] запатентовал каталитическую систему, представляющую собой металлическую проволоку в качестве подложки, покрытую слоем импрегинированного оксида металла; такая система одновременно является термосопротивлением. О промышленном применении системы сведений нет |[890].
Температура, которая обычно необходима для начала каталитической реакции, зависит от присутствующих в газе углеводородов.

Так, водород окисляется при комнатной температуре, бензол — при

227 °С, тогда как метан лишь частично окисляется при 404 °С. Для

сушильных лакокрасочных печей, например, обычно температура

на входе в катализатор в начале реакции поддерживается на уровне 330 °С, и затем в процессе ее снижают до 204 °С, когда концентрация горючих примесей приближается к четверти нижнего предела воспламенения. Более подробные сведения о температуре зажигания катализаторов приведены в табл. III-8.
Температура катализатора лишь несколько выше температуры

отходящих газов, и рост температуры газов примерно совпадает

со значением, рассчитанным из данных тепловыделения реакции.
Катализатор может располагаться в газовом потоке с рециркуляцией или без нее; иногда отходящие газы используются для его

предварительного подогрева или для производства пара

(рис. 111-56). Для слоя стружечного катализатора высотой 60 мм

линейная скорость газового потока должна обеспечивать достаточное время пребывания газов. Перепад давления на такой установке составляет около 100 Па.
Активность катализаторов, нанесенных на подложки с высокой

Удельной поверхностью, уменьшается, если они работают при

°00сС в течение длительного времени. Для у-оксида алюминия это

объясняется уменьшением активной поверхности, увеличением доли

а'ОКсида, отличающегося инертностью, экстракцией оксида алюминия материалом подложки.
189
--------------- page: 190 -----------
Наиболее сложной проблемой, возникающей в процессе каталитического сжигания, является постепенная дезактивация или отравление катализатора при длительном сроке службы или при неожиданном появлении ядов в газовом потоке. Дезактивация обусловлена либо химическим взаимодействием газов с катализатором,

либо покрытием катализатора слоем дезактивирующего вещества.
При использовании катализаторов с активным компонентом

оксидом меди хлор и газообразный хлористый водород реагируют

с ним с образованием хлорида меди. Если в основе катализаторов

используются оксиды алюминия, газы, содержащие сернистые соединения, реагируют с образованием сульфатов. С другой стороны,

взаимодействие оксидов с S02 при 300°С очень ограничено.
Фосфорорганические соединения, встречающиеся в аэрозолях,

образуемых смазками, при окислении дают фосфорную кислоту,

которая покрывает катализатор тонким дезактивирующим слоем.

Однако присутствие небольших количеств фосфинов и органических фосфатов практически незначительно влияют на эффективность работы катализатора с большой площадью поверхности'

[917].
Тяжелые металлы — свинец и мышьяк — действуют подобно

фосфатам, образуя тонкие дезактивирующие пленки. Дезактивация

и засорение катализатора могут быть обусловлены присутствием

ТАБЛИЦА III-8
Температура зажигания катализаторов

при каталитическом сжигании
Процесс
Загрязняющие вещества в выхлопных

газах
Температура

каталитического

окислейия, °С Г
Окисление асфальта
Производство сажи
Установки каталитического

крекинга

Печь для сушки стержней

Производство формальдегида
Производство азотной кислоты

Печь литографии на металле

Производство октилфенола

Производство фталевого ангидрида
Производство полиэтилена

Печатные прессы

Изготовление лаков

Печи для нанесения покрытий

и эмалей
Альдегиды, антрацены, пары
320—370
масла, углеводороды

Водород, оксид углерода, ме650—980*
тан, углерод

Оксид углерода, углеводороды
340—450
Парафицы, пары масел
320—370
Водород, метан, оксид углерода, формальдегид

Оксиды азота II и IV
340
260—650**
Растворители, смолы
260—400
Фенол
320—430
Маленовая и фталевая кисло320—340
ты, нафтахиноны, оксид углерода, формальдегид
Углеводороды
260—650
Растворители
320
Углеводороды
320—370
Растворители, лаки
320—370

•* Требуется восстановительная атмосфера
190
--------------- page: 191 -----------
Рис. Ш-56. Установки каталитического сжигания в потоке газа [618]: с горелками, имеющими предварительный подогрев:

а — базовая установка; б — установка с предварительным подогревом путем частичной прямой рециркуляции; в — то же, с подогревом от теплообменника; / — катализатор; 2— горелка с предварительным подогревом; 3— рециркуляционная труба; 4— теплообменник.
пыли в очищаемом газе. Если эта пыль огнеупорна (оксиды алюминия, кремния и железа), ее дезактивирующее действие может быть

постоянным; если не произошло спекание, фильтрующие элементы могут быть .очищены « активность катализатора частично1 восстановится.
Временная потеря активности может быть вызвана отложением

мелкой угольной пыли и сажи вследствие неполного сгорания в

камере. В этом случае уголь выжигается из катализатора при

кратковременном повышении температуры до 350 °С, однако желательно достичь чистого пламени, если предусмотрены длительные периоды эксплуатации.
В ряде случаев эти установки являются источником тепла для

подогрева отходящих углеводородных газов в некоторых отраслях

промышленности.
Экономика рекуперации тепла будет рассмотрена в главе XII.
6.
Наряду с каталитическим сжиганием органических веществ для

Удаления диоксида серы из дымовых газов можно использовать

каталитическое окисление, тогда как каталитическое восстановление оксидов азота может применяться в производстве азотной кислоты, где этот процесс более эффективен, чем удаление оксидов в

скрубберах, описанное на с. 150.
Диоксид серы
На первый взгляд кажется, что простейшим методом удаления

из дымовых газов является ее прямое окисление до S03 и

последующая абсорбция серной кислотой. Однако на практике
191
--------------- page: 192 -----------
возникают затруднения, связанные с относительно высокой температурой, необходимой для проведения каталитического окисления.

Это относится и .к удалению летучей золы из дымовых газов при

высоких температурах до .подачи таза в контактный аппарат,

а также и к эффективному улавливанию тумана серной кислоты до

выброса очищенного газа в атмосферу.
Окисление SO2 можно представить в виде равновесной реакции
S02 +1/202 ? *-■ SOg + 94,5 кДж/моль

Константа равновесия этой реакции
PS о.
Яр=
Pso2 Pol
Ниже приведены константы этой реакции при различных температурах:
т, к
t, °с
Кр [415]
Кр [944]
600
327
4780
4015
800
527
53,0
32,3
1000
727
3,67
1,83
1200
927
0,630
0,276
1500
1227
0,114

Из этих данных видно, что при температуре ниже 800 К равно-!

весие сдвинуто в сторону образования S03, тогда как при температуре факела (свыше 1500 К) равновесие сдвинуто в сторону об*

разования S02. Это равновесие было тщательно исследовано [944].

в связи с его огромным промышленным значением в производстве

серной кислоты. Так же тщательно была изучена кинетика процесса и катализаторы.
Необходимо отметить, что количество S03, образующегося при

пламенном сжигании в избытке кислорода несколько выше, чем

равновесное количество при молекулярной реакции. Это увеличение, вероятно, объясняется наличием атомарного кислорода в пламени [352]. Гомогенное окисление S02 оксидами азота в отсутствие катализаторов может иметь значение при более низких температурах (900—1050°С); этот процесс может проходить на последних стадиях горения в бойлерных системах ,[188].
Юнгтен [415] сообщает, что при 400—600 °С и избытке воздуха

роль катализатора может выполнять стальной газоход, причем

конечная концентрация S03 составляет примерно 1 % по отношению к исходному оксиду S02. Чтобы рассматривать конверсию!

S02 в S03 как основу метода удаления оксидов серы из дымовьнС

газов, необходимо, чтобы степень конверсии была более 90%.
Бинсток, Филд и Майерс [256] использовали моделированные

газовый поток и промышленные катализаторы окисления, а также

разработанный ими катализатор. Степень конверсии S02 на промышленных катализаторах (за исключением V2Os на силикагеле}

промотированного К20, Harshaw V 0204), не превышала бСщ
192
--------------- page: 193 -----------
От котла
53,3 С
НаспотЛ
VII, 1C
Кислота
Рис. 111-57. Каталитическое окисление двуокиси серы; технологическая схема

кат.-оксил. процесса фирмы Монсанто [112]:
1 — циклон; 2 — электрофильтр; 3 — контактный аппарат; 4 — теплообменник; 5 — тумаиоуло-
витель.
Исключение составил катализатор, при котором достигалась степень конверсии 85% при 380 °С. Разработан специальный щелочной ванадиевый катализатор (39,6%) Si02, 16,5% К2О, 27,3% S03,

7,1% V2O5 и 9,5% Н20), который сушили при 430°С и гранулировали. Для этого катализатора степень конверсии составила 97%

при 365 °С Для типичного состава дымовых газов.
Процесс подобного типа «Кат-Окс» (рис. 111-57) был разработан фирмой Пенсильвания Электрик совместно с Эйр Прехитер,

Монсанто и Рисерт-Котрелл Инк. и в настоящее время предлагается фирмой Монсанто.
Первоначальные исследования на пилотной установке были выполнены в 1961 г., мощность установки составила 2550 м3/ч [112],

с тех пор установка мощностью 40800 м3/ч проходит тщательные

испытания на котле № 2 мощностью 250 МВт Метрополитен Эдисон Компани в Портленде [818]. Летучую золу улавливают на

электрофильтрах при 485°С; проектная эффективность электрофильтра равна 99,5%. Затем газ, содержащий около 2000 млн-1

S02 и 20 млн-1 S03, проходит через тонкий слой катализатора при

470 °С, и при эффективности конверсии 90% на выходе газ содержит 1820 млн-1 S03 и 200 млн-1 S02.
После каталитической конверсии газы проходят через трубчатый теплообменник и воздушный регенеративный подогреватель

Люнгстрема, где температура газов снижается. Затем пары серной

кислоты, образовавшейся при взаимодействии SO3 и паров воды,

присутствовавших в отходящих газах, абсорбируются потоком холодной серной кислоты в насадочной абсорбционной башне. При

этом газы охлаждаются, а кислота разогревается.
Нагретая серная кислота стекает на дно абсорбера, после чего

охлаждается в холодильнике. В процессе охлаждения газов и абсорбции образуется значительное количество тумана серной кис-
13—1144
--------------- page: 194 -----------
Рис. III-58. Каталитическое окисление S02 (процесс Киюра Т.И.Т. с получением
сульфата аммония) [443]:
1 — бойлер; 2 — контактный аппарат; 3 — теплообменник; 4 — высокотемпературный пылеуловитель (электрофильтр или циклон); 5 — рукавный фильтр или электрофильтр; 6 — дымовая труба.
лоты, который захватывается газовым потоком. Капли тумана

удаляются в туманоулавителе Бринка, представляющем собой

аппарат с набивкой из волокна и отличающемся высокой эффективностью .при большом расходе газа.
Результаты, полученные на такой установке, показали, что из

дымовых газов может быть удалена практически вся летучая зола,

90% S02 и 99,5% полученной серной кислоты. Средняя концентрация кислоты составляла 80% и несколько менялась при изменении температуры отходящих газов. Аналогичная установка работала более 4000 ч в 1969 г., в том числе 24 сут в непрерывном

режиме.
Альтернативный вариант каталитического окисления, находящийся за завершающейся стадии разработки, предложен Киюрой

[443, 444] из Технологического института г. Токио — процесс Киюра ТИТ (рис. 111-58). В этом процессе используется аммиак, смешанный с окисленным S02 в газовом потоке, причем образуется

сульфат аммония. Воздушный подогреватель сконструирован в виде двухступенчатого аппарата, и инжекция аммиака происходит в

смесителе Вентури между этими ступенями.
После успешных лабораторных испытаний были проведены

эксперименты на пилотной установке производительностью

510 м3/ч. Установка соединена с котлом, работающим на мазуте,

содержание серы в котором составляет 3,5%; горячие топочные

газы очищаются на керамических фильтрах перед их подачей в

контактный аппарат, содержащий три слоя ванадиевого катализатора при 420—450 °С. Степень конверсии составляет 91—93%) при

объемной скорости газа 915 м3/(м2-ч); в лабораторном масштабе

испытывались более высокие скорости [свыше 2100 м3/(м2-ч].
194
--------------- page: 195 -----------
Горячие газы охлаждаются в высокотемпературном теплообменнике, куда вводится предварительно охлажденный аммиак,

дальнейшее охлаждение газа до 140°С происходит в трубчатом

холодильнике. Сульфат аммония осаждается на электрофильтре

при напряжении 59—63 кВ, выход соли 97,5%. Полная рекуперация

составляет 90%, чистота сульфата аммония достигает 99,2%, что

практически соответствует марке ч.д. а. Пилотная установка эксплуатировалась в непрерывном режиме в течение многих месяцев.

Можно предположить, что одним из достоинств этого процесса

является то, что продукт не коррозионно-активен, поэтому частично исключены проблемы коррозии, с которыми сталкиваются в

производстве серной кислоты. Чистота конечного продукта опровергает предположение, высказанное ранее Джовичем [408], что примеси в газовом потоке и, в частности, смолистые вещества будут

отравлять катализатор, работающий при температуре ниже 300°С,

а также загрязнять продукт.
При промывке в скрубберах отходящих газов цехов обжига металлических руд начальное содержание SO2 снижается от 3—8 до
0,05—0,2% (в зависимости от состава поступающего в скруббер

газа и от условий проведения процесса). Эта концентрация практически такая же, что и концентрация SO2 в дымовых газах тепловых электростанций, работающих на высокосернистом твердом

топливе.
Возможно, что в будущем процессы мокрой очистки лл'И

простого каталитического окисления не будут приемлемыми для

очистки обжиговых газов.
Основными четырьмя металлическими рудами или концентратами, на основе которых развивается производство серной кислоты, являются железная, цинковая, медная и свинцовая руды. Железо относится к особой категории, поскольку пириты (FeS2) и

пирротиты (Fe7S8) обжигают прежде всего с целью получения серной кислоты, и лишь в некоторых местах (в основном в Италии)

экономически выгодно получать гранулированный огарок для металлургической промышленности. В случае обжига других металлов основным продуктом является оксид металла, a S02 — побочным продуктом. Если газы используются в обычном контактном

цехе, оптимальная концентрация диоксида серы в исходном газе

составляет 7—7,5% (об.); при более низких концентрациях (3,5—

4%) условия процесса термически сбалансированы, а при еше более низких концентрациях для конверсии необходим подвод тепла

извне.
Пары металла и твердые частицы, захватываемые газовым потоком из печи обжига, приводят к отравлению катализатора и забиванию слоя, поэтому предварительно обжиговый газ должен

быть тщательно очищен до его подачи в контактный аппарат. Загрязнение получаемой кислоты мышьяком, ртутью, свинцом или

селеном, содержащимися в руде, тоже представляет собой важную

проблему. Ниже приведены предельно допустимые концентрации
13*
195
--------------- page: 196 -----------
загрязнений (в мг/м3 в расчете на сухую массу) в обжиговых газах (до 7% S02), поступающих в контактный аппарат:
Хлориды (С1) . . .1,2
Фториды (F)
Мышьяк (As203) . . 1,2* Твердые вещества (общее)
Свинец (РЬ) . . 1.2 H2|S04 (туман), Ю0Р/о 50
*
Отходящие газы из цеха серной кислоты при расчетной степени

конверсии 98% все же содержат 0,14%, или 1400 млн-1 S02. Эта

концентрация является недопустимой для новых цехов обжига,

вследствие чего используют процесс двойного катализа (процесс

фирмы Байер) [576], называемый иногда процессом с промежуточной абсорбцией [225]. В этом процессе достигается степень конверсии 99,8%) при оптимальной концентрации в питающем газе

около 97о S02, практический нижний предел концентраций равен

7,5%. Тогда остаточное содержание диоксида серы в выхлопном

газе составляет 150—180 млн-1 и соответственно увеличивается

выход серной кислоты.
Оксиды азота
Привлекает внимание метод удаления оксидов азота путем их

каталитического разложения на кислород и азот. Различные аспекты этой проблемы были детально рассмотрены Баггом [50].

Вначале Грин и Хиншельвуд [319] показали, что платина при

100—1500°С катализирует процесс разложения оксида азота(II).

Это мономолекулярная реакция, замедляющаяся в присутствии

кислорода. В более поздних работах было показано, что платинородиевые сплавы {46] и оксиды некоторых тяжелых металлов (например, оксид меди на подложке из силикагеля [27] тоже являются эффективными катализаторами разложения.
В промышленных масштабах используется только метод восстановления отходящих газов производства азотной кислоты с применением платинового или палладиевого катализатора вместе с топливным мазутом; эффективность метода превышает 90%. В ряде

случаев считается достаточным восстановление до оксида азота (II), когда выхлопные газы становятся бесцветными. На это

расходуется стехиометрическое количество горючего газа, например природный или доменный газ, СО, Н2 и пары керосина. Для

полного восстановления необходимо дополнительное количество

горючего газа, который должен реагировать как с кислородом, так

и с диоксидом азота. Температура процесса должна быть ниже

850 °С, и в случае присутствия больших количеств кислорода следует использовать двухстадийный процесс для того, чтобы температура во время реакции не превысила 850 °С. Температура зажигания изменяется от 150 (если в качестве топлива используют водород или оксид углерода) до 400°С (если используют метан).
196
--------------- page: 197 -----------
Наиболее эффективным катализатором является палладий, нанесенный на поверхность сотовой структуры оксида алюминия или

мюллита.
Оксид углерода
Чтобы предотвратить ухудшение свойств ванадиевого катализатора в производстве аммиака, необходимо удалить оксид углерода из синтез-газа при давлении 7-105—14* 105 кПа. Эффективным

катализатором этого процесса является платина на подложке при

160°С. Типичные результаты приведены ниже:
Концентрация, млн-i
на входе иа выходе
со .... 3000 8
02
*
ства СО в отходящих газах (особенно при наличии кислорода).
>
--------------- page: 198 -----------
ГЛАВА IV
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

СРЕДЫ ДВИЖЕНИЮ ЧАСТИЦ
Удаление молекул из газовых потоков, обсуждавшееся в предыдущей главе, определяется главным образом процессом диффузии.

С другой стороны, при удалении частиц гораздо большую роль

играют такие процессы, как гравитационное разделение и центрифугирование, перехват и инерционное столкновение, или действие

электростатических, термических или магнитных сил.
В сущности установка для удаления частиц представляет собой

систему, через которую проходит газовый поток и в которой частицы подвергаются воздействию некоторых сил, способствующих удалению этих частиц из потока. Для эффективности работы установки прилагаемые силы должны быть достаточно велики, чтобы удалить частицу из газового потока за время ее пребывания в улавливающей системе. Действующие силы придают частице составляющую скорости, отличающуюся по направлению от направления

газового потока, и при движении частицы поперек движения потока они испытывают сопротивление газа. Движение частиц в движущихся средах недостаточно изучено, хотя совершенно ясно, что

частицы вращаются и приобретают составляющие скорости, направленные вверх и в сторону, подобно нагрузкам, испытываемым

любой несущей поверхностью. Вследствие ограниченности знаний

о сопротивлении среды предполагается, что это сопротивление

аналогично сопротивлению, испытываемому частицей при ее движении в стационарной среде.
Расчет сопротивления среды при наличии поперечного движения частицы является основополагающим для определения эффективности конкретного механизма удаления частицы из газового

потока. Например, в простейшей очистной установке—пылеосадительной камере, представляющей собой замкнутое пространство,

через которое проходит газовый поток, действующему на частицы

полю тяготения Земли противостоит сопротивление газового потока падающим частицам. Крупные частицы, падающие быстрее,

улавливаются, в то время как более мелкие частицы, которые не

успевают оседать за время пребывания газового потока в камере,

могут проскочить.
В этой главе обсуждаются методы расчета сопротивления среды

движению частиц под действием внешних сил. Следующие разде-
198
--------------- page: 199 -----------
рис. IV-1. Соотношение между

коэффициентом лобового сопротивления и числом Рейнольдса

для сферических частиц [4931.
лы посвящены взаимодействию приложенных внешних

сил с сопротивляющейся

средой и методам применения этих расчетов для определения эффективности газоочистной установки.
Наиболее простым примером расчета системы газ — частица является расчет сферической частицы, движущейся с установившейся

постоянной скоростью в непрерывном бесконечном потоке. Поэтому вначале будет рассмотрен этот случай, а другие типы частиц

и другие факторы будут связываться с этой системой. Рассмотрим

следующие варианты:
дискретный поток; частицы, движущиеся с ускорением; частицы, движущиеся вблизи стенки; взаимодействие друг с другом нескольких частиц; частицы несферические по форме; турбулентный

поток.
Многие из этих факторов были более детально рассмотрены

Хэппелем и Бреннером [337] и Торобиным и Говэном [805]. Тем

не менее в последующих разделах приведены кратко наиболее

важные необходимые для расчетов уравнения.
1.
ЧАСТИЦ, ДВИЖУЩИХСЯ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ
Даже для упрощенной модели сферы, движущейся поперек ламинарного потока с установившейся постоянной скоростью, уравнение зависимости между сопротивлением среды и скоростью

частицы очень сложно. Однако данные, связывающие эти функции,

могут быть представлены одной кривой [675] (рис. IV-1). По оси

абсцисс отложен логарифм безразмерной функции относительной

скорости в виде числа Рейнольдса для частицы
Re=wfp/ji
где и — относительная скорость; d ■— диаметр сферы (или линейный размер частицы) ; р — плотность среды; ц — вязкость среды.
Ордината представляет собой логарифм функции, называемой

коэффициентом лобового сопротивления СЪ, определяемой уравнением
с° = ЛЧ2ри2
дДе F — функция сопротивления среды; А — площадь поверхности, перпендикулярной направлению движения; У2р«2— кинетическая энергия единицы поверхио-

и среды движущейся за частицей.
199
--------------- page: 200 -----------
Для сферической частицы величина А равна лй2/4, при этом

уравнение (IV.2) переходит в следующее:
8
Cd =■
npu2d2
(IV.3)
Кривую, представленную на рис. IV-1, можно разбить на четыре участка, каждый из которых характеризует особое явление, зависящее от вида обтекания частицы потоком, поэтому для расчета

коэффициента лобового сопротивления на каждом участке можно

использовать соответствующие формулы.
При очень низких скоростях, т. е. при числах Рейнольдса порядка 0,1, поток перед и за частицей обладает симметрией

(рис. IV-2,а).
Элементы среды, набегающие на частицу, приобретают некоторое боковое ускорение, действие сил инерции слишком слабо, чтобы вызвать запаздывание в смыкании потока за частицей. Это

область вязкого обтекания, или область Стокса Для этих условий

Стокс [820] нашел, что сопротивление потока может быть определено следующим образом
F = 3n\idu
Это уравнение было получено при условии, что членами уравнения Навье — Стокса, характеризующими силы инерции для жест!

кой сферы в безграничном потоке, можно пренебречь. Исходя из

уравнения (IV.4) коэффициент лобового сопротивления для области вязкого течения может быть представлен в виде
CD = 24/Re
При Re=0,05 сопротивление среды, рассчитанное из уравнения

(IV.4), совпадает с точностью до 1% с экспериментальными дан-
Рис. IV-2. Стационарный поток вблизи сферической частицы при ламинарном
течении [204]:
а — область вязкого течения; б — переходная область (Re»2).
200
--------------- page: 201 -----------
ными, но при Re=l рассчитанное сопротивление среды на 13%

меньше экспериментальных значений.
При числах Рейнольдса несколько больше 0,1 возрастает запаздывание при смыкании элементов среды позади частицы, и начинается образование спутной струи. Для учета этого явления Осин

[478] предложил уравнение, в котором частично учитываются коэффициенты инерции в уравнении движения:
Со==1^Г (* +Т(Г Re)
Коэффициент лобового сопротивления, полученный из этого

уравнения, на 3% выше экспериментального ’ значения ори
Re = 1.
Вначале при образовании спутной струи среда закручивается

с образованием стационарных вихревых колец (рис. IV-2,б), причем размеры вихревых колец растут при увеличении скорости частицы. Это переходная область, называемая областью Аллена по

имени Г. С. Аллена, одного из первых ее исследователей. Аллен

[13] экспериментально нашел, что в области 30<Re<300
CD * 10/УЖ
Часто удобно использовать это простое приближенное соотношение в уравнениях, требующих последующего интегрирования,

поскольку более точные соотношения могут быть проинтегрированы

только числовыми методами.
Более сложное выражение, преимущество которого заключается

в возможности его использования для аналитического решения

задачи, было предложено Клячко [448а]
CD= Re/24 + 4/ReV3
Результаты с точностью до 2% совпадают с экспериментальными

Данными в области 3<Re<400.
Эмпирическое уравнение, основанное на обработке методом

наименьших квадратов доступных экспериментальных данных, было выведено Сиском ![774]. Оно справедливо с точностью до 2% в

очень широком интервале 0,1 <Re<3500 и оно может быть легко

запрограммировано для расчета на ЭВМ
CD=29,6Re<°^,nRe-°’983>
Более точные значения коэффициента лобового сопротивления

Для этой переходной области, которая из практических соображений ограничена значением Re=1000, были получены из многочисленных экспериментальных данных. Наиболее полезные уравнения могут быть записаны в виде:
201
--------------- page: 202 -----------
Шиллера и Кауманна [730] для 0,5<Re<800
CD = -|^-(I+0,150Re°.e«?)
(IV. 10)
и Лэнпмюра и Блодгета [401] для KRe<100

24
Cc=-j^- (I + 0,197Reo.es + о,0026RC1.38)
Последнее уравнение содержит членов больше, чем уравнение

(IV. 10), поэтому можно ожидать, что оно дает более точные значения коэффициента лобового сопротивления в более узких пределах. При числах Рейнольдса несколько более 500, которое является верхним пределом переходной зоны, вихревые кольца отрываются от тела и образуют вытянутую спиральную струю, устойчивую до Re =1000, поэтому коэффициент лобового сопротивления

остается практически постоянным на уровне 0,38—0,5. Следовательно, сопротивление среды тоже приблизительно постоянно и

может быть найдено из уравнения
/" = [Сд]согкИ-72Р"2
выведенного Ньютоном, который предположил, что коэффициент

лобового сопротивления равен единице. Обычно эту область называют областью Ньютона.
При гораздо больших скоростях, в области Re=2-105, пограничный слой потока перед сферой становится неустойчивым, а при

еще более высоких скоростях разделительный круг переходит к

задней стороне частицы, что приводит к резкому уменьшению коэффициента лобового сопротивления от 0,4 до 0,1 [941].
Конечная скорость, которой может обладать частица, — это

скорость, достигаемая при условии, что сопротивление среды становится равным внешней силе, прилагаемой к частице. Если эта

сила G, то из уравнения (IV.2) конечная скорость щ равна
ъ =
Для сферической частицы, движущейся в области вязкого обтекания, уравнение (IV.13) переходит в
<IV14)
Если внешней силой, действующей на частицу, является сила тяготения, то
(IV.15)
где рч — плотность частицы.
& (Рч — р) g

~ 18ц,
202
--------------- page: 203 -----------
В общем случае, за пределами области вязкого течения, при

действии на частицу силы тяжести
"t =
l/4d (Рч — Р) g
Г 3pCD
(IV.16)
В переходной области, где CD является функцией числа Рейнольдса, это уравнение трудно решить, не прибегая к методу последовательных приближений. Эту трудность можно преодолеть,

если представить число Рейнольдса в переходной области в виде

функций от CcRe2, в которую не входит скорость [203]. Если силой является тяготение, то
в других случаях
C0Re2 = 4р (рч — р) cPg/Зц2

CD Re2 = 80р/яц2
(IV.17)

(IV.18)
Дэву [203] провел статистический анализ достоверных экспериментальных данных [36, 510, 539, 577, 736, 941] и получил два

уравнения:
для умеренных скоростей, т. е. Re<4 и CcRe<134

CnRc2
Re = ^4~ - 2,3363- Ю-1 (CDRc2)2 + 2,0154-10~« (CcRe2)3 — 6,9105 I0-s(CDRe2)4
для области 3<Red0 000 и 100<;СЪКе2<;4,5-107
lg Re = — 1,29536 + 0,986 (IgCcRe2) - 0,046677 (lgCDRe2)2 +
+ 0,0011235 (lgCDRe2)3
ТАБЛИЦА IV-1
Максимальные размеры сфер (в мкм) [203]
Плотность сферы,
кг/мЗ
Максимальный диаметр по закону Стокса
Максимал ьный

днаметр по

уравнению (IV. 19)
в пределах 10%
в пределах 5%
в пределах 1%
200
132
100
57
240
400
105
79
45
191
800
83
63
36
152
1000
77
59
34
141
2000
61
46
27
112
4000
48
37
21
89
6000
42
32
18
78
8000
38
29
17
70
10000
36
27
15
65
12000
34
25
15
62
Re
0,82
0,38
0,074
4
CD Re2
21,9
9,60
1,80
183,6
чяо ,римечанне- Сферы падают в воздушной среде прн 20 °С и 100 кПа (}Л=

10-ь Па.с, р—1.205 кг/н3).
203
--------------- page: 204 -----------
В табл. IV-1 приведены максимальные размеры сферических

частиц, попадающих в поле тяготения Земли, для которых конеЧ'|

ные скорости могут быть рассчитаны из уравнения (IV. 19) и закона Стокса.
2.
ДВИЖУЩИМСЯ С УСКОРЕНИЕМ
Выше в предыдущих разделах рассматривались сопротивление

частицы, движущейся с установившейся скоростью в ламинарном

потоке, и конечная скорость, которую достигает частица под действием некоторой силы (например, тяготения). Однако, когда на

частицу в состоянии покоя действует сила, частица ускоряется до

тех пор, пока не достигнет конечной скорости. Если на частицу

действует постоянная сила, ускорение частицы максимально в пер

вый момент и уменьшается по мере того, как скорость частиц при

ближается к конечному значению. Для того, чтобы частица двига

лась с постоянным ускорением, действующая на нее сила должн;

возрастать с увеличением скорости частицы.
Лобовое сопротивление, испытываемое частицей, движущейся

с ускорением, больше, чем частицей, движущейся с такой же, но

установившейся скоростью. Вначале экспериментаторы объясняли

это предполагаемым увеличением массы частицы до некоторого

эффективного значения, большего, чем ее реальная масса. Однако

лобовое сопротивление является функцией ускорения, и концепция «добавочной массы» неудовлетворительна, поскольку она предполагает постоянный эффект. В общих чертах, лобовое сопротивление Ra, испытываемое ускоряющей частицей в сопротивляющей

ся среде, задается уравнением
t
я
Ra=G — та = Зя [idu + -j2~ р сРа + -j- ds V гфР J dx ■ у у x) (IV. 21a)
где G — внешняя сила, действующая на частицу; а — ускорение частицы отно

сителыго среды; т — масса частицы; t— время ускорения; х — пройденный путь
Первый член в уравнении (IV.21a) представляет собой сопро'

тивление, испытываемое сферической частицей, движущейся с уста

новившейся скоростью в области вязкого обтекания [уравнен»

(IV.4)]; второй член характеризует сопротивление идеального ш

тока ускоренному движению сферы, что эквивалентно увеличени

массы частицы на величину, равную половине вытесненной среды,

в то время как интегральный член определяет часть сопротивления,

создаваемую движением самой среды.
Решение задачи ускоренного движения в режиме вязкого об*

текания с учетом всех членов уравнения (IV.21a) еще не осуществлено, но Фукс [285] произвел графическое решение с учетом интегрального члена для случая первоначально покоящейся частины»
204
--------------- page: 205 -----------
Рис. IV-3. Модифицированный коэффициент лобового сопротивления Cda для частиц, движущихся

с ускорением в воздушной среде

(построена Тобориным и Говэиом

[865] на основе экспериментальных

данных Люннэна [538]):
1 — t»4=0 м/с3; 2— 1,81 м,с2; 3 — 3,8 м/с2;
4
7 — 7,81 м/с2.
ускоренной под действием

постоянной силы. Фукс

сравнивает это решение с

решением уравнения без интегрального члена и приходит к выводу, что при этом

не вносится значительная

погрешность, каковы бы ни

были размеры частицы.
На практике ускоренное

движение частиц, очевидно,

приобретает большое значение при скоростях, превышающих скорости вязкого ламинарного течения В этом случае наиболее удовлетворительным является метод использования модифицированного коэффициента лобового сопротивления:
Ra = Cda1/2pu2A
Модифицированный коэффициент лобового сопротивления может быть найден из обширных экспериментальных данных Лунно-

ка [538], обработанных графически Тобориным и Говэном [865]

(рис. IV-3).
Другие, более современные данные, характеризующие другие

участки, тоже были обработаны этими авторами [865], но они не

перекрывают области низких чисел Рейнольдса, которые представляют особый интерес при разработке газоочистных установок.
Интегрируя уравнение (IV.216) и предположив, что частицы

представляют собой сферы, a Cda— константа, получаем:
, d2 (Рч-Р) , f '(п_\ , й
С& Р1/а V 12°Г 2 /7ZMIX_U
d у \ ПрСо.4 /
(IV.22)
Для определения времени, необходимого для достижения конечной скорости, используем уравнение (IV. 13) и получим
'1/ ■» ,1¥ 23)
205
--------------- page: 206 -----------
При интегрировании определим расстояние, пройденное за время t
4d (рч — р)
х=
■ Cda9
Поскольку конечная скорость является асимптотической величиной, для практических расчетов .следует использовать величину, равную 99% конечной скорости. Так, при решении уравнения

(IV.23) значение С da должно приниматься исходя из этого приближения, и берется среднее значение, полученное из экспериментальных данных. Тогда расстояние, пройденное за время, необходимое для достижения 99% конечной скорости, может быть рассчитано при подстановке времени из уравнения (IV.23) в уравнение (IV.24).
Более простые решения были получены Фуксом [285], который

пренебрег вторым и третьим членами в уравнении (IV.21a). Тогда

можно записать
du и
^r+ — -£ = °
где x=mf3n\xd для сферической частицы
т = d2 (рч — р)/18ц
Интегрируя выражение (IV.25) и приняв предположение, что частица вначале находится в состоянии покоя и ускоряется под действием силы тяжести, получаем:
u = xg{l —exp (—t/r)}
И
х — igt -f- t2g {exp (—t/т) — 1}
Если частица движется под действием другой постоянной силы G,

а не силы тяжести, необходимо заменить g на выражение G/m

и использовать уравнение для т без каких-либо корректирующих

коэффициентов.
На практике расчеты необходимы для определения расстояния,

пройденного частицей за время пребывания газового потока в пылеулавливающей системе. Предполагая, что известна сила, приложенная к частице, а также физические свойства частиц и газового потока, можно найти время и расстояние, пройденное частицей до достижения ею 99% конечной скорости. Если это время

меньше времени пребывания газового потока в пылеулавливающей системе, то поперечное расстояние, пройденное частицей, может быть найдено интегрированием уравнения (IV.22) в пределах

времени, которое определяется временем пребывания газового потока в системе. Тогда можно допустить, что оставшееся расстояние частица проходит с конечной скоростью.
Для частиц диаметром менее 10 мкм скорость, приближающаяся 'К конечной, достигается «а очень коротком отрезке пути при
206
--------------- page: 207 -----------
действии на них сил, обычно используемых в пылеулавливающих

устройствах (центробежных, электростатических, термических и

т. д.), поэтому эффектами, сопровождающими ускорение, можно пренебречь.
3.
В ДИСКРЕТНОЙ СРЕДЕ
Для чрезвычайно малых частиц, размеры которых сравнимы с

расстоянием свободного пробега молекул газа или менее его, предположение, что газ ведет себя по отношению к частицам как непрерывная юреда, более .неправомерно. В этих условиях частицы движутся быстрее, чем это предполагается классическими теориями

Стокса и других исследователей, основанными на предположении

о непрерывности среды. Чтобы учесть этот «сдвиг», Каннингхем

[190] рассчитал поправку, основанную на кинетической теории

газов; эта поправка была введена в обычно применяемые для расчета эмпирические уравнения. Другие значительные теоретические

исследования движения частиц, размеры которых намного меньше

свободного пробега молекул, были выполнены Эпштейном [243].
В анализе влияния дискретности действия тангенциальной составляющей скорости молекул газа на поверхность частиц

Эпштейн показал, что поправочный коэффициент может быть найден из уравнения
2 X
С= I +-J- {0,7004 (2а — I)}
где С — поправочный коэффициент Каннннгхема; % — средняя величина свободного пробега молекул газа из уравнения Чэпмена — Эпскога
X = ц/0,499рй
и—средняя скорость молекул, равная }!8RT/пМ (см. гл. III); « — коэффициент

диффузионного рассеяния (Милликена), или константа аккомодации (Эпштейна).
При а=0 все столкновения абсолютно упруги, при а— 1 все столкновения диффузионно-рассеянные. В реальном примере для капель

масла в воздухе о = 0,895, тогда как для других сферических капель

и твердых частиц 0,88<а<0,92 [285]. Таким образом, для большинства случаев можно считать а = 0,90.
Наиболее точный практический расчет поправки «сдвига» в ламинарном режиме осуществляется с помощью эмпирической поправки Дэви, основанной на пондеральном усреднении экспериментальных скоростей падения частиц:
C=I + -^{1,257 + 0,400exp (—I,10d/2X)}
Изменения поправки Каннннгхема при изменении температуры и

Давления могут быть рассчитаны как функция вязкости среды и

средней скорости молекул. Последняя пропорциональна корню
207
--------------- page: 208 -----------
квадратному из абсолютной температуры [уравнение (III.3)],

тогда как зависимость вязкости от температуры может быть рассчитана из уравнения Сэзерленда и значений, приведенных в Приложении А.8.1.
Влияние давления на вязкость может быть оценено из соотношения Эрскога для твердых сферических молекул газа [320]
ив В / 1
n =тг(т- + 0’8^0’76^)
где [jp/(io—отношение вязкостей при давлениях р и 101,3 кПа; В — второй возможный коэффициент для газа, равен
В = 2лД;о3/3
и — диаметр молекулы;
В
У— у —0,625 ( 1/ ) +0>2869|-y-J -|- 0,115 | -рг j
V — мольный объем газа.
Зависимость динамической вязкости от плотности для СОг

весьма ограничена, она приведена ниже:
Плотность, кг/м3 .... 2,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0

Относительная вязкость (цР/(Хо) 1,006 1,008 1,020 1,035 1,053 1,074
Изменение температуры для очень маленьких частиц, напротив, в значительной мере влияет на поправочный коэффициент

Кан'шшгхема. Его рассчитанные значения для частиц диаметром
0,01 —10 ,м'мм от 0 до '160 °С приведены ,в табл. IV-2.
Модифицированное уравнение Стокса, называемое обычно уравнением Стокса — Канншнгхема, записывается следующим образом:
F = 3 n\idu/C
Поправка составляет менее 1% для частиц диаметром 20 мкм*

(плотность 1 кг/м3) в воздушной среде, около 5% для частиц

5 мкм, 16,66% для частиц диаметром 1 мкм и почти 300% для частиц диаметром 0,1 мкм.
ТАБЛИЦА IV-2
Коррелирующий коэффициент Каннингхема

для различных частиц
Гемпература,
°С
Вязкость воздуха

ц-106, Па-с
Диаметр частиц, мкм
0.0!
0,10
1,0
10,0
0
17,04
20,15
2,64
1,149
1,015
200
25,85
39,84
4,58
1,299
1,0297
400
32,86
59,89
6,55
1,457
1,0450
600
38,80
80,43
8,59
1,626
1,0606
800
44,05
100,99
10,64
1,801
1,0761
1000
48,76
121,5
12,69
1,982
1.0918
1200
53,10
142,4
14,77
2,171
1,1076
1400
57,13
163,3
16,85
2,363
1,1234
1600
60,90
184,2
18,94
2,557
1,1393
20 8
--------------- page: 209 -----------
Для других режимов, за исключением ламинарного, не существует точных экспериментальных данных, но оценочные измерения,

проведенные Бекарье, указывают на то, что поправочный коэффициент Каннингхема, рассчитанный <из уравнения (IV.30), превышает реальную поправку по крайней мере на 0,2%.
4.
ЧАСТИЦ В СРЕДЕ, ОГРАНИЧЕННОЙ СТЕНКАМИ
Для некоторых типов пылеулавливающих аппаратов, таких как

пылеосадители, циклоны, электростатические фильтры, размеры

частиц пренебрежимо малы по сравнению с размерами оборудования. Однако в других случаях, например для тканевых или насыпных фильтров с мелкими зернами, расстояния между волокнами

ткани или между зернами достаточно малы, поэтому поток, проходящий сквозь фильтрующую среду, становится подобным потоку

среды, ограниченной одной или несколькими стенками.
Это может привести к увеличению лобового сопротивления потока движущимся через фильтры частицам. Однако следует отметить, что современные теории фильтрации (глава VII) не учитывают этот фактор. Подробный математический анализ движения

частицы в приграничном слое дан в работе Хаппеля и Бреннера.
Наличие ограничивающей стенки вызовет два эффекта в потоке, в котором движется частица: движение среды в стороны, вызываемое раздвигающей ее частицей, останавливается стенкой, и воздействие стенки на частицу, когда линии обтекания вокруг частицы искажены наличием стенки.
Граничные эффекты зависят от типа границы. Теоретические

соображения и экспериментальные работы позволили установить

коэффициенты для модифицированного уравнения закона Стокса

(IV.4) для следующих случаев:

частица вблизи одной стенки;

частица между двумя параллельными стенками;

частица, движущаяся вдоль оси бесконечно длинного цилиндра.

Аэродинамическое сопротивление потока вблизи границы Fw

может быть рассчитано из следующего соотношения
где F — лобовое сопротивление по закону Стокса; К — граничный поправочный

коэффициент.
Для трех случаев поправочный коэффициент определяется следующими уравнениями.
I.
плоской стенке бесконечной протяженности на расстоянии //2 от

стены [530]:
Fw = F/K
(IV.35)
(IV.36)
14—1144
209
--------------- page: 210 -----------
II.
ленными стенками, расстояние между которыми равно [253, 335]
К = 1 - 1,00Ш+ 0,418 (d/03+ 0,21 (d/l)*-0,169 (d/lf (IV.37)
Это уравнение может быть использовано при отношении d/l<c420,

для больших значений d/l коррелирующее уравнение (IV.37) приводит к получению заниженного аэродинамического сопротивления.1

Например, при £?//='/2 аэродинамическое сопротивление примерно

вдвое выше, чем рассчитанное из уравнений (IV.35) и (IV.37).
Пока частица движется между стенками по траектории, близкой к центральной линии, поправочный коэффициент существенно

не меняется. Когда сфера движется по направлению к одной стене

и влияние этой стены возрастает, влияние другой стены ослабевает

в таком же количественном отношении. Однако, когда частица

слишком близко подходит к одной из стен, сопротивление возрастает весьма значительно. Так, например [253], было рассчитано,,

что когда сфера находится на расстоянии всего '/8/ от одной иа

стен, поправочный коэффициент становится равным
К = 1 —1,305d/l
(IV. 38)
что означает увеличение аэродинамического сопротивления примерно на 30% по сравнению с тем, когда сфера движется по центру между двумя стенами.
III.
ром / [254]
К= I — 2,I04d// + 2,09(d//)3— 0,95 (d/l)5
Это уравнение было подтверждено экспериментально для малых значений d/l, где поправочный коэффициент не очень велик.

Для значений d/l$>0,25 поправочный коэффициент [545]
ЛГ=П +2,25d// + 5,062 (d/)2]-i
совпадает с экспериментальными данными, тогда как для больших

значений d/l следует пользоваться графиком, изображенным на
рис. IV-4 [269].
Для частиц несферической формы

[641] необходимо использовать такой

же поправочный коэффициент, как и

для сферических частиц эквивалентного диаметра (раздел 7, с. 219).
Для скоростей, превышающих скорость в области обтекания, Факсен

[253, 254], автор основополагающих
Рис. IV-4. Экспериментальный поправочный

коэффициент k аэродинамического сопротивления сферических частиц, движущихся вдоль ося

цилиндра (по данным А. В. Фрэнсиса [269]).
210
--------------- page: 211 -----------
теоретических исследований [уравнения (IV.37) — (IV.39)], предложил очень сложное выражение, обсужденное Либстером [510], которое применимо для частиц с отношением d/l<i0,05. Для очень

высоких скоростей (Re« 104) доступные экспериментальные данные позволяют считать, что пристенными эффектами можно пренебречь.
5.
ПРИ НАЛИЧИИ НЕСКОЛЬКИХ ЧАСТИЦ
Практически во всех случаях в газовом потоке присутствует

значительное количество частиц, поэтому уравнения сопротивления потока движению одной частицы необходимо модифицировать

таким образом, чтобы учесть взаимное влияние частиц, которое

становится заметным уже при достаточно малых концентрациях.

Так, при объемной концентрации частиц (отношение объема частиц

к общему объему), равной 0,002 м3/(м2-ч), сопротивление среды

движению частиц возрастает на 1%.
Движение системы частиц в безграничной среде приводит к

движению среды вокруг этой системы. Когда частицы находятся

достаточно близко одна к другой, среда между частицами движется вместе с ними и такая система может рассматриваться как облако (рой). Если система частиц движется между стенками или

если частицы достаточно удалены друг от друга, среда будет двигаться также и между частицами. В практическом случае это означает, что существует движение частиц как в виде облаков (роев), так и другие промежуточные типы движения частиц в виде

систем переменного состава и индивидуальных частиц.
Задача настолько сложна, что до настоящего времени были

найдены лишь частные решения для предсказания движения роя

частиц и тормозящих эффектов. В общем случае рои частиц имеют

тенденцию двигаться быстрее, чем индивидуальные частицы, в то

время как системы в пристенном слое движутся медленнее отдельных частиц.
Высказано предположение [142], что частицы в бесконечной

среде ведут себя, как капли одной среды, движущиеся в другой.

Для этого случая, в области ламинарного потока, был рассчитан

поправочный коэффициент, который учитывал внутренние перемещения, вызванные вязким лобовым сопротивлением, но пренебрегал эффектами, обусловленными поверхностной энергией. Сопротивление движению капли, или пузырька, описывается соотношением
гДе (I,, — вязкость «капельной среды».
В том случае, когда вязкость «капельной среды» равна вязкости окружающей среды, поправочный коэффициент равен 5/в; если
И*
211
--------------- page: 212 -----------
вязкость капель намного ниже вязкости окружающей среды (т. е.

пузырьки газа в жидкости) поправочный коэффициент равен %; в

случае же капель с очень высокой вязкостью (причем экстремальным случаем здесь является твердая сфера) поправочный коэффи*

циент равен 1, и уравнение (IV.41) переходит в простое уравнение

Стокса.
Следовательно, если предположить, что рой частиц имеет сфеч

рическую форму и вязкость внутри роя такова же, какова вязкость'

окружающей среды, сопротивление среды движению облака запишется в виде
5
F0=~y niidDu
где do — диаметр облака.
Предположение о равных вязкостях не имеет твердого обоснования, особенно если в облаке присутствуют частицы разных размеров; в этом случае мелкие частицы представляют собой часть!

среды, окружающей более крупные частицы, и вязкость такой суспензии будет определяться выражением [126, 700]:
ц = ц(1 —cyk
где с — объемная концентрация (отношение объема частиц к полному объему

суспензии); k — константа, равная 2,5 для сфер [232].
При малых объемных концентрациях уравнение (IV.43) упрощается
Цо = И1 + kc)
По-видимому модель облака, состоящего из мелких и крупных

частиц, до настоящего времени не применялась для расчета сопротивления сферы движущимся системам частиц.
Если среда обтекает частицы в ограниченной системе, сопротивление движению частиц зависит от того, сохраняют ли частицы

свою первоначальную ориентацию, обусловленную определенным^

силами взаимодействия между ними, или частицы стремятся выстроиться в одну линию. В фундаментальной экспериментальной

работе, посвященной в основном проблемам псевдоожижения [508„

684], показано, что уравнение
F0 = F(] -с)-*,™
может быть использовано для расчета сопротивления движению

системы частиц в ограниченной среде, если частицы не взаимодействуют между собой. Для низких объемных концентраций это выражение упрощается:
F0~F(l-\- 4,65с)
Последнее уравнение ранее было выведено Хоксли [347].
212
--------------- page: 213 -----------
Рис. IV-5. Модели ориентации

частиц с учетом их взаимодействия при осаждении в тормозящей

суспензии Г6851:
а — гексагональная модель (разрез но

горизонтали); б — конфигурация I при

концентрации частиц, равной 10% (об.);

в — конфигурация II при такой же

концентрации частиц.
в
В случаях взаимодействия частиц (например, для флокулиро-

ванной суспензии) можно применить выражение
F0 — F (I — с)-6-876
(IV. 47)
по аналогии с уравнением (IV.45). Уравнение для низких концентраций было выведено в другой работе [142, 347]:
(IV. 48)
Коэффициент 6,875 принят на основе определенного расположения частиц относительно друг друга и предполагает, что окружающие частицы могут с равной вероятностью занять любые положения вокруг данной частицы.
Наиболее удовлетворительный теоретический подход к расчету

скорости частиц в тормозящей суспензии был предложен Ричардсоном и Заки [685] в виде двух моделей для осаждения сфер равного диаметра. В обеих моделях частицы расположены в центрах

шестиугольников среды (рис. IV-5). В одном случае [545] расстояния по вертикали между частицами такие же, что и по горизонтали

(рис. IV-5,б), тогда как в другой модели [347] частицы расположены горизонтальными рядами, примыкающими друг к другу

(рис. IV-5,в), так, чтобы сопротивление потоку было минимальным.
213
--------------- page: 214 -----------
Объемная концентрация частиц каждой ,из моделей 'может быть

рассчитана, исходя из геометрии -систем. Для конфигурации I:
(IV. 49)
и для конфигурации II:
с = лб2/з у 3 R\
(IV. 50)
где b — радиус сферы; Rh — половина расстояния между центрами.
Граничные условия упрощены предположением, что каждая

сфера окружена средой в виде цилиндра, а не гексагональной

призмы, после чего были рассчитаны результирующие силы сдвига

на поверхности сферы. Полученное уравнение включало поправочный коэффициент р для лобового сопротивления частице, окруженной другими частицами, по сравнению с сопротивлением индивидуальной частице, с учетом радиуса сферы, радиуса цилиндра

с площадью сечения, равной площади сечения гексагональной

призмы, и элементарного кольца на поверхности сферы.
Уравнение с поправочным коэффициентом было найдено для

обеих конфигураций I и II, и его решение вместе с экспериментальными данными и уравнением (IV.48) представлено на

рис. IV-6.
Из кривых следует, что конфигурация II, подразумевающая

расположение частиц горизонтальными рядами, блестяще согласуется с экспериментальными данными, полученными для частиц

больших концентраций (более, чем с=0,2). При очень низких концентрациях предположение о среднем градиенте давления на ос-
15
13
25
23
21

П
нове производной поправочного коэффициента оправдано неполностью, поскольку он стремится к нулю, и дает скорее

{3 = 0, чем р=1. При более высоких концентрациях градиент

давление имеет конечное значение, и результаты полностью

совпадают с экспериментальной кривой.
11
9
7
3,4 (коэффициенты рассчитаны для конфигураций I и II, см. рис. IV-5) [684]:
Рис. IV-6. Экспериментальные и расчетные поправочные коэффициенты Р
для осаждения в тормозящей среде
5
3
правочном коэффициенте (конфигурация

I
01 §2 0t3 Qif «0,5 Эффицненте 0 = (1—С)-4.65; 3 — концентра-
1
/ — концентрация при теоретическом по-
о
цня прн теоретическом коэффициенте (конфигурация II); 4 — концентрация при поправочном коэффициенте Р = (1+6,875 С).
С
214
--------------- page: 215 -----------
6. ОСАЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ ИЗ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА
В предыдущих разделах подразумевалось, что поток в газоходе, трубопроводе или газоочистительной установке имеет ламинарное течение, хотя на практике он часто может быть турбулентным.

Строение турбулентной области в трубопроводах изучалось методом анемометрии; она имеет три части:
центральная область турбулентности, где важную роль играет

диффузия энергии;
область вблизи стенки с вязким течением, где образование и

диффузия турбулентных потоков (как и вязкое течение) играют

одина-ково важную роль.
переходная область, в которой энергия диффузии менее значительна, чем локальное изменение энергии турбулентности (буферная область).
Многие исследователи [213, 274, 309, 617] показали, что скорость осаждения частиц из турбулентного потока значительно выше, чем можно было бы ожидать из оценки гравитационных, термических или электростатических сил, броуновской диффузии (см.

главу VII), либо таких аэродинамических сил, как вращение частицы. Общепринятая модель осаждения частиц из турбулентного

потока основана на том, что частицы переносятся к кромке пограничного слоя турбулентным потоком, и затем проскакивают через

ламинарный слой. Очень маленькие частицы, не обладающие достаточной инерцией для проскока к стенке, могут быть перенесены

туда броуновской диффузией. Однако вклад этого механизма в скорость осаждения весьма незначителен при осаждении смеси частиц,

где лишь небольшая фракция характеризуется субмикронными размерами.
Для корреляции экспериментальных результатов и получения

полезных уравнений для расчетов скорости осаждения [449] используется пространственный анализ. Назовем скорость осаждения

потоком частиц Na- Другими важными переменными являются

концентрация частиц (число частиц в единице объема) С, диаметр

частиц d и их плотность рч, плотность среды р и кинетическая вязкость v, конечная скорость частиц т, коэффициент броуновской

диффузии /)Б,-[см. уравнение (VII.22)] и давление скольжения у

стенки то. Эти девять переменных образуют шесть независимых

групп
(IV.51)
где их — скорость скольжения.
(IV. 52)
215
--------------- page: 216 -----------
Величина то может быть рассчитана либо из формулы Влазиуса

[309] для Re<105
т0 = 0,0225ри2(-^у/4
где D — диаметр трубы или газохода; U — средняя скорость газа.
или приближенно вычислена из коэффициента трения Фаннинга
тп = l/2/p/8
где f — найдена из рис. П-6, см. с. 578, или приблизительно оценено из уравнения:
/ = 0,288Re —0,242
Группа No/UxC представляет собой отношение скоростей переноса частиц вперед и вдоль стенки, группа Urd/v— число Рейнольдса для частицы; рч/р — относительная плотность частиц по

отношению к среде, Cd3 — мера объема частиц; щ/их—отношение

конечной скорости частиц к скорости сдвига, характеризующее действие внешней силы, и D/v — обратное отображение числа Шмидта

[уравнение (VI 1.26)], представляющее собой отношение коэффициента молекулярного массопереноса и момент количества движения. Если пренебречь силой тяжести или внешними силами и концентрационными эффектами, уравнение (IV.51) упрощается до выражения
“V56>1
Далее, если пренебречь броуновской диффузией
'(ЗьЗЧ)-
Если при некоторых других обстоятельствах группа, включающая

броуновскую диффузию De , играет более важную роль, чем относительная плотность, то
-v-’-v-)-0
Фридляндер [247], основываясь на экспериментальных работах

Лина, Мултона и Путнама [513] и предполагая, что скорость переноса равна 0,9 их, показал, что для S*<5
(IV 59)
и£ ' 1525
где 5*=5uT/v, и тормозное расстояние 5 по смыслу соответствует

Ф [уравнение (VII.10)].
216
--------------- page: 217 -----------
Для сферических частиц, движущихся в режиме Стокса
(IV. 60)
Подставляя это выражение в (IV.59), получаем
(IV.61)
что находится в полном соответствии с уравнением (IV.57), полученным методом пространственного анализа.
Вместо простого безразмерного тормозного расстояния Дэви

[209] построил экспериментальный график с использованием величины (5* + г*) в качестве параметров, где г* — безразмерный

радиус частицы, равный r*=rux/v:
а Со — концентрация частиц по центральной линии.
Эти уравнения применимы для расчета движения частиц размером от 0,5 до 50 мкм.
Дэви [210] предсказал также, что минимальная скорость осаждения наблюдается в тех случаях, когда скорости турбулентного и

броуновского осаждения приблизительно равны. Это затем было

доказано экспериментально [916]. Аналогичное явление наблюдалось для частиц диаметром от 0,5 до 2 мкм, т. е. для более мелких

частиц, чем указывал Дэви, предполагавший, что максимальный

размер частиц должен быть 3 мкм [210].
Уравнения i(IV.59, IV.61, IV.62) могут применяться для расчета

скорости осаждения только в тех случаях, когда соблюдаются

следующие строгие условия:
1)
2)
тационные или электростатические;
3)
на которые они осели;
4)
Применение упомянутых уравнений можно проиллюстрировать
примером.
Пример. Аэрозоль, состоящий из частиц радиусом 2,5 мкм, плотностью

2.6-103 кг/м3 (мелкодисперсный кварц), течет со скоростью 6 м/с вдоль гладкой

трубы диаметром 250 мм в потоке воздуха при 20 °С (плотность 1,2 кг/м3,

кинетическая вязкость 1,5-10-5 м2/с).
Число Рейнольдса Re — UDfy= 10000. Коэффициент трения Фаннинга

f=0,0315. Используя уравнения (IV.52) и (IV.54), находим
Подставляя найденное значение в (IV.60), находим 5*= 1,7.
217
--------------- page: 218 -----------
Из уравнения (IV.59) M>/«tC=l,86-10~3; это значение может быть получено

также прямой подстановкой в уравнение (IV.61). Таким образом, ND/C—

=0,000104 м/с. Если С=108 частиц в 1 м3, то ZVo=l,04-105 м-2-с~‘.
7.
НЕСФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ
В то время как маленькие капли и частицы дыма, образующиеся в процессе конденсации паров, стремятся принять сферическую форму, частицы, образующиеся в процессе кристаллизации и

дробления, обычно имеют другую форму. Поэтому уравнения, приведенные в предыдущих разделах для сферических частиц, должны

быть модифицированы в случае их использования для несферических частиц. Более того, при расчетах следует учитывать не только

форму частиц, но и их ориентацию и возможное ее изменение во

время переноса частиц.
Поскольку расчеты газоочистительной установки связаны с

аэродинамическим поведением частиц, наиболее полезные данные

о размерах частиц могут быть получены для областей потока, с

которыми обычно сталкиваются при работе установки, методами,

основанными на аэродинамике, например седиментация или воздушная классификация. Размер частиц выражают через диаметр

сферы с такими же параметрами аэродинамического сопротивления, как и у изучаемой частицы, и имеющий ту же плотность. Это

так называемый диаметр лобового сопротивления, и он может

быть заменен диаметром сферы в уравнениях аэродинамического

сопротивления сферических частиц, приводившихся в предыдущих

разделах.
Если диаметр лобового сопротивления неизвестен для области

потока, требуемой для расчетов, или если размеры частиц не были

определены каким-либо другим методом, например основанным на

геометрии частиц (рассеивание, микроскопическое измерение размеров), то расчет сопротивления потоку становится затруднительным. Для его осуществления необходимо детальное изучение поведения несферических частиц в потоке.
Ориентация частиц зависит от области потока. Для области

вязкого течения теоретически предсказано [288], что. частицы с

тремя взаимно-перпендикулярными плоскостями симметрии будут

сохранять свою первоначальную ориентацию, тогда как частицы с

двумя плоскостями симметрии будут ориентироваться таким образом, чтобы линия пересечения плоскостей совпадала с направлением потока. В соответствии с этими предсказаниями было отмечено,

что изометрические частицы (кубы, тетраэдры, октаэдры) и некоторые неизометрические частицы (цилиндры, параллелепипеды)

сохраняют свою первоначальную ориентацию [359, 461], в то время как круглые диски {736] и треугольные пластины [904] ориентируются по предпочтительному направлению. Было также отмечено, что споры Bacilli subtilis, представляющие собой удлиненные

сфероиды длиной 1,38 мкм и диаметром 0,74 мкм, стремятся дви218
--------------- page: 219 -----------
гаться так, чтобы их главная ось совпала с направлением движения [318].
За областью вязкого течения (Re>0,05) наблюдается стремление частиц ориентироваться по предпочтительному направлению,

при котором наибольшая проекция площади перпендикулярна направлению движения. Предпочтительная ориентация была строго

установлена для кубов и тетраэдров при Re=10, а для частиц других форм — при Re=20.
При значениях Re = 70—300 возникает неустойчивая ориентация

частиц: одни из них качаются из стороны в сторону, другие — вращаются, третьи движутся по спирали (стержни вращаются вокруг

своей оси, кубы и диски испытывают боковое скольжение; тетраэдры движутся по спирали) [348].
Часто отмечается боковое скольжение и колебания частиц в виде дисков, что напоминает движение падающих листьев.
Наряду с ориентацией частиц, в уравнении аэродинамического

сопротивления для сферических частиц необходимо ввести еще два

коэффициента, если эти уравнения используются для несферических частиц. Это эквивалентный диаметру сферы линейный размер и поправочный коэффициент площади поверхности частицы,

необходимый для уточнения поверхностного члена в уравнении

(IV.2).
Введенный выше диаметр лобового сопротивления включает

оба эти коэффициента и зависит от аэродинамического поведения

частиц. В том случае, когда аэродинамическое сопротивление необходимо определить на основе геометрии частиц, каждый из этих

коэффициентов должен оцениваться отдельно. Эквивалентный

диаметр определяют в единицах площади поверхности, либо ее

объема или проекции поверхности, тогда как члены уравнения, содержащие поправку на площадь, являются безразмерными величинами, называемыми коэффициентами формы. Наиболее употребительные из них были введены Уоделлом [894]: это сферичность

V, являющаяся превосходным коррелирующим коэффициентом

для несферических частиц, и окружность %.
Ниже приведены определения эквивалентных диаметров и коэффициентов формы:
Поверхностный диаметр ds
поверхностью, что и поверхность

частицы
Объемный диаметр dv . . . . Диаметр сферы того же объема, что
и частица
Диаметр по площади (U .
щадью, что и проекция площади

частицы
Диаметр лобового сопротивления

de
намическим сопротивлением, что и

сопротивление частицы в потоке

при одной и той же вязкости и

одинаковой скорости
219
--------------- page: 220 -----------
Сферичность ф
ры равного объема к реальной

площади поверхности частицы
Округлость %
с площадью сечения, равной площади сечения неправильной частицы. к реальному периметру сечения

неправильной частицы
Для области вязкого течения диаметр лобового сопротивления

может быть рассчитан теоретически для эллипсоидальных частиц.

В каждом случае диаметр лобового сопротивления зависит от ориентации. Частицу можно представить в эллипсоидальном виде,

движущейся по оси или под прямым углом к ее осям вращения,

как показано на рис. IV-7.
В первом случае эллипсоидальные частицы имеют большую ось

а и две равных малых оси b и с, которые можно выражать в долях

от большой оси с помощью множителя п. Другие случаи являются

частными. Результаты для четырех случаев приведены «а рис. IV-8.
Случай I. Эллипсоид вращения движется вдоль оси вращения:

а —ось вращения; a=nb\ Ь = с.
Случай II. Эллипсоид вращения движется под прямым углом к

своим осям вращения: b — ось вращения; a=nb\ а=с.
Случай III. Эллиптический диск, движущийся боком: a=nb;

с=0.
Случай IV. Эллиптический диск, движущийся в направлении,

перпендикулярном его плоскости: а=0; b — главная ось; c=nb.
Искомый эквивалентный диаметр d3 может быть найден при
приравнивании величины dJ2b к

значению, взятому из кривых

рис. IV-8 для соответствующего

значения п.
Лобовое сопротивление вытянутых и сплюснутых сфероидов в

режиме установившегося движения было детально рассмотрено

Люнцем [534, 535], который использовал метод эффективных

масс. К сожалению, формулы, полученные при таком подходе, были неудобны для практического

использования, но они подтверждают тот факт, что лобовое сопротивление вытянутой (торпедообразной) капли того же объема

как и можно было ожидать.
=/
п>1
-/г<7
Рис. IV-7. Эллипсоиды вращения [204]
а — движение вдоль оси вращения; б — движение в направлении, перпендикулярном оси вращения.
220
--------------- page: 221 -----------
vrUL
Рис. IV-8. Эквивалентные диаметры de для эллипсоидов вращения [204]:
Л — движение вдоль оси а\ 1 — а — ось вращения, a=nbt Ь=с; 2 — Ь — ось вращения; а=с =

=nb; 3 — эллиптический диск, движущийся боком, ол=Ь; с=0; Б — эллиптический диск,

движущийся перпендикулярно своей плоскости.
Для изометрических частиц [158, 641]—кубов, октаэдров, кубических октаэдров и тетраэдров — скорость частицы может быть

найдена путем умножения скорости движения сферы с эквивалент-
Рис. IV-9. Зависимость коэффициента оседания К в области вязкого течения

°т сферичности ф и округлости неизометрических частиц при различных соотно-
шениях dv/da [359]:
Для цилиндров, сфер и параллелепипедов с круглой или равносторонней поверхностью;

// — изменяющаяся округлость проектируемой поверхности.
221
--------------- page: 222 -----------
Рис. IV-10. Корреляция коэффициента лобового сопротивления Со для изометрических частиц различной сферичности [641]:
/—^=0,670; 2 — ■ф-О.бОб; 3 — <ф-=0,846; 4 — -ф=0,945; 5 —
ным диаметром dv на эмпирический поправочный коэффициент К,

определяемый из выражения
К = 0,843 lg¥/0,0065
где — сферичность, равная d^/dl.
Для неизометрических частиц [359] —цилиндров, параллелепипедов и сфероидов — скорость частицы может быть найдена на основе коррелирующих кривых (рис. IV-9), из которых находят также поправочный коэффициент К■ Он является функцией отношения объемного диаметра к поверхностному диаметру (dv/dA), причем параметром является сферичность частицы. Вероятно эти кривые применимы и при расчете частиц неправильной формы.
За областью вязкого течения экспериментальные результаты

более ограничены, тем не менее был предложен ряд эмпирических

коррелирующих функций [55, 66, 546, 641, 659]. Наиболее простым

методом является применение эмпирических корреляций с учетом

сферичности частиц, графически показанном на рис. IV-10 для

изометрических частиц. Для более нерегулярных частиц предположили, что коэффициент лобового сопротивления может быть рассчитан [348] из уравнения
Со =
4 (рч - р) gd'l
Зр иЧ\
У 4 (р., — р) gdy

Зри2
(IV. 64)
222
--------------- page: 223 -----------
В области турбулентности (Re<2000) уравнение
Со = 5,31 — 4,88*?
дает хорошие сравнения с экспериментальными данными {641].
8.
В настоящее время неизвестны методы измерения шероховатости частиц, хотя влияние шероховатости на поведение частиц в газопроводе отмечалось неоднократно. Так, например, гладкие сферические частицы не вращаются в потоках, характеризуемых большим числом Рейнольдса, тогда как для шероховатых частиц наблюдается этот эффект.
Предполагают, что при низких скоростях шероховатые частицы

захватывают своими зазубринами слой несущей среды, поэтому

определяющим параметром является внешний диаметр частицы

[349]. При более высоких скоростях критическая величина Cd

имеет меньшее значение для шероховатых частиц, чем для гладких.
9. ПЛОТНОСТЬ ЧАСТИЦ
Даже частицы, .'на первый .взгляд кажущиеся гомогенными,

часто представляют собой агломераты и негомогенные смеси. Это

было доказано для дыма и других систем, образующихся в паровой фазе, работами Уитлоу-Грэя и Паттерсона [939], которые измеряли плотность частиц тем же методом, что и Милликен для

измерения заряда электрона.
В табл. IV-3 приведены некоторые экспериментально полученные данные по плотности частиц, а также нормальная плотность
ТАБЛИЦА IV-3
Плотность некоторых частиц [035]
Вещество
Нормальная

плотность,

103 кг/м3
Максимальнее значение
Среднее из низких значений
плотность,

I03 кг/м3
диаметр,
мкм
плотность,

103 кг/м®
диаметр,
мкм
Кадмия оксид
6,5
2,7
2,42
0,51
5,96
Серебро
10,5
4,22
1,79
0,94
4,30
Золото
19,3
8,00
2,35
1,24
5,54
Ртути хлорид
5,4
4,32
4,53
1,27
3,63
муть
13,6
10,8
2,05
1,7
3,08
Магния оксид
3,6
3,48
3,26
0,35
7,29
--------------- page: 224 -----------
материала, средние значения легких фракций он соответствующие

им размеры частиц.
Эти данные показывают, что частицы таких веществ, как хлорид ртути, оксид магния, практически гомогенны и состоят из

плотно упакованных единиц. Другие частицы представляют собой

агломераты и их масса намного меньше значения, которое следовало бы ожидать в результате измерения их диаметра под микроскопом. Поэтому знание только размеров и формы агломерированных частиц не дает достаточных оснований для использования

их в расчетах аэродинамического сопротивления.
--------------- page: 225 -----------
ГЛАВА V
ПЫЛЕОСАДИТЕЛЬНЫЕ И ИНЕРЦИОННЫЕ

УЛОВИТЕЛИ
Простейшим методом удаления твердых частиц из потока газа

является их осаждение под действием силы тяжести. Крупные

частицы часто оседают на горизонтальных участках газоходов, которые в таких случаях действуют как простые пылеосадительные

камеры, тогда как для эффективного улавливания грубых частиц

имеются специально разработанные камеры. К грубым частицам,

часто называемым гритом, относят частицы, задерживаемые ситом

с отверстиями 200 меш, или частицы размером более 70 мкм. Для

этих частиц, особенно, если они отличаются абразивным действием, предпочтительным методом удаления является осаждение в

пылеосадительных камерах, что объясняется незначительным падением давления в установке, а также большим межремонтным

сроком ее эксплуатации [136].
Действие инерционных уловителей основано на резком изменении направления движения газового потока. Частицы, вследствие момента инерции, которым они обладают, сохраняют первоначальное направление движения и попадают в сборный бункер, в

то время как газовый поток, освобожденный от крупных частиц,

выходит из уловителя. Инерционные уловители несколько сложнее

по конструкции, чем простые пылеосадительные устройства, но их

преимуществами являются меньшие размеры осадительных камер,

а также тот факт, что они могут улавливать с достаточной эффективностью частицы размером до 20 мкм.
1.
В пылеосадительных камерах газовый поток замедляется до

такой степени, чтобы частицы успели осесть. Теоретически большая осадительная камера была бы достаточна для удаления из

газа даже очень маленьких частиц, однако принятые на практике

размеры (камеры ограничивают их применимость: в них улавливаются только грубые частицы [37].
В горизонтальных камерах (рис. V-I) средняя скорость газового потока U (м/с) должна быть такой, чтобы обеспечить ламинарное течение газов через камеру
U = Q/(BH)
где Q— интенсивность газового потока, м2/с; Н — высота камеры, м; В — ширина камеры.
15—1144
225
--------------- page: 226 -----------
Гаи

ОЧШН1
Рис. V-1. Четырехсекционная пылсуловительная камера с бункерами и горизонтальным потоком газа.
Время пребывания (/, с) газа в камере зависит от длины камеры

L, м
где V — объем камеры.
Если частица какого-либо материала размером d опускается на

высоту h (м) за t (с), то отношение h/H представляет собой долю

частиц этих размеров, оседающих в камере. Если h^H, то все

частицы этих размеров и более крупные, будут уловлены в коллек-

торе. Кривая отношения h/H для частиц различных размеров на*

зывается кривой парциальной, или фракционной эффективности

пылеосадительной камеры.
Значение h можно определить, как произведение средней скорости оседания частиц ит и времени пребывания /
Если частицы настолько малы, что их конечная скорость щ дости*.

гается за промежуток времени, намного меньший времени пребывания, конечная скорость может быть приравнена к средней скорости ит. Если размеры частиц не позволяют сделать это допущение,

то расстояние, пройденное частицами, должно быть рассчитано В

две стадии. Вначале находят пройденное расстояние и время, необходимое для достижения частицей скорости, равной 99% конечной [уравнения (V.23) и (V.24)], а затем рассчитывают расстояние, пройденное за оставшуюся часть времени пребывания. Если

за время пребывания газового потока в камере конечная скорость

не достигается, необходимо использовать уравнение (IV.21,a) ®

интегральной форме с пределами интегрирования от 0 до t.
Для частиц размером менее 76 мкм удовлетворительное при*

ближенное значение конечной скорости оседания можно получить

на основе закона Стокса. Для более крупных частиц необходимо

применять общее уравнение (V.16) с соответствующим коэффициентом лобового сопротивления Cd, рассчитанным по уравнениям

(IV.7) — (IV.11). Скорости оседания единичных сферических ча*
(V .2)
h — Umt
(V.3)
226
--------------- page: 227 -----------
ТАБЛИЦА V-l
Скорости оседания сферических частиц плотностью 1000 кг/м3

в воздухе (температура 20 °С, давление 100 кПа)
Диаметр
частиц,
мкм
Скорость оседания, м/с
Диаметр
частиц,
мкм
Скорость оседания, м/с
эксперимент
расчет по закону

Стокса
эксперимент
расчет по закону

Стокса
0 1
8,7-10-7
8,71 10 7
10
3,06-10-3
3,06-10-3
0,2
2,3-10-6
2,27-10-6
20
1,2-10-*
1,2-10-*
0,4
6,8-10-6
6,85-10-е
40
4,8-Ю-2
5,0-10-*
1.0
3,5-10-5
3,49-10-5
100
2,46-10-1
2,5-10-1
2
1,19-10~4
1.19-10-4
400
1,57
4,83
4
5,00-10-4
5,00-10-4
1000=1 мм
3,82
30,50
стиц, как экспериментальные, так и рассчитанные на основе закона

Стокса, приведены в табл. V-1.
В тех случаях, когда закон Стокса применим для расчета конечной скорости, он дает удовлетворительное приближенное значение средней скорости витания; размер частиц, которые будут

полностью удаляться в камере, может быть найден из уравнения
/\8HUp 1 Г 18Qli

(Рч — Р) gL V (fc-p)gBL
Это простое выражение должно применяться только для оценки эффективности пылеулавливающей камеры, поскольку почти

всегда важную роль играют усложняющие факторы, связанные со

скоростями осаждения, которые выходят за пределы области, описываемой законом Стокса. Другими факторами, которые необходимо учитывать, являются эффекты захвата частиц при их высокой концентрации в газовом потоке (см. главу IV, с. 199). Все эти

факторы приводят к уменьшению эффективности пылеулавливания.
Другим главным фактором, который нужно учитывать при расчете и выборе размеров пылеосадительной камеры, является скорость газового потока. Она должна быть ниже скорости увеличения

или «подхвата» осевшей пыли. Как правило [493], считают, что

для большинства материалов следует сохранять скорость потока

менее 3 м/с. Однако некоторые материалы (например, крахмал

или сажа), подхватываются потоком при меньших скоростях, тогда

как для тяжелых частиц, образующих агломераты в виде крупных

комков, допустимы гораздо более высокие скорости (табл. V-2).

В связи с этим, а также учитывая проблему достижения равномерного газового потока через камеру, реальная эффективность камеры не совпадает с эффективностью, найденной на основе простых

Уравнений, приведенных выше.
Для улучшения эффективности пылеосадительной камеры при

горизонтальном газовом потоке можно уменьшить высоту, с которой частица опускается до дна. Этот метод применен в осадитель-
15’
227
--------------- page: 228 -----------
ТАБЛИЦА V-2
Средние значения скорости оседания различных материалов [53]
Материал
ПЛОТНОСТЬ f
103 кг/мЗ
Средний

размер частиц,

мкм
Средняя скорость, м/с
Алюминиевые опилки
2,27
335
4,3
Асбест
2,20
261
5,2
Обжиговая пыль (цветная металлургия)
3,02
117
5,7
Оксид свинца
8,26
14,7
7,6
Известняк
2,78
71
6,4
Крахмал
1,27
64
1,8
Зерненая сталь
6,85
96
4,6
Древесная стружка
1,18
1370
3,9
Древесные опилки

1400
6,8
ной камере Говарда (рис. V-2), в которой были смонтированы

ряды горизонтальных плоскостей (полок). Основным возражением против широкого использования камер Говарда является трудность очистки межполочного пространства хотя это препятствие

может быть устранено путем установления системы самоочистки,

например, форсуночных воздухопромывателей.
Если камера высотой Я содержит N полок, то высота каждой

секции равна примерно H/(N+\), и классификационная эффективность равна h(N+\)/H.
Вертикальные пылеосадительные камеры являются по существу декантационными устройствами, в которых улавливаются частицы со скоростью оседания выше скорости газового потока.

Установки такого типа применяются для улавливания крупной пы-
Рис. V-2. Многополочная пылеосадительная камера Говарда [493].
228
--------------- page: 229 -----------
Рис. V-3. Вертикальные пылеосадительиые камеры для улавливания грнта:
а — простой зонт для улавливания грнта [764]; б — одноступенчатый ваграночный уловитель 1764]; в — уловитель дефлекторного типа [657]; г — фракционная эффективность уловителя, показанного иа рис. в [657]: 1 — вагранка; 2— огнеупорная облицовка; 3, 6 — дымоход; 4 — отражательные конусы; 5 — отклоняющая плита; 7 — пылеотводная труба; в — пылесборник; 9 — пылеуловитель; 10 — перепускной клапан.
ли (грита) в небольших вагранках и мелких котельных. В их простейшей форме, например, в случае общего зонта для нескольких

вагранок (рис. V-3,а), пыль движется к кучам, осевшим по бокам

осадителя; часть ее падает назад в вагранку. Зонт очищается вручную во время остановки цеха.
Более сложными являются установки дефлекторного типа (отражатели), в которых пыль собирается в кольцевом коллекторе,

окружающем дымовую трубу (рис. V-3,6 и в).
В установке, показанной на рис. V-3,6, диаметр уловителя в

2.5 раза больше диаметра газовой трубы, поэтому скорость в уловителе равна всего 1/(2,5)2. т. е. 1/6,25 скорости в трубе; крупные

частицы размером 200—400 мкм, которые уносятся потоком через

тРУбу при скорости 1,5—2,0 м/с, будут задержаны в устройстве

такого типа.
229
--------------- page: 230 -----------
2.
Применение простых пылеосадительных камер для улавливания

крупных частиц пыли имеет ряд преимуществ и недостатков.
К преимуществам относятся: простота конструкции; низкая

стоимость установки и незначительные эксплуатационные расходы;

минимальный перепад давления и широкий интервал рабочих тем*

ператур и давлений, ограниченный только видом конструкционного материала; складирование уловленного материала в сухом виде

и возможность улавливания абразивных материалов. •
Основным недостатком осадительных камер с горизонтальным

потоком являются слишком крупные габариты.
Одна из типичных установок цеха агломерации [136] обрабатывает 2,3-106 м3/ч газа (при комнатной температуре). При концентрации пыли на входе 1 г/м3 это соответствует 2300 кг/ч твердых частиц. В осадительной камере (рис. V-4) эта масса уменьшается до 850 кг/ч, или 0,37 г/м3. При очистке таких больших

объемов газа низкий перепад давления в установке и малые энергозатраты являются важным экономическим преимуществом.
Дженнингс [399] рассчитал кривые фракционной эффективности для двух наиболее важных компонентов, содержащихся в отходящем потоке агломерационной машины, — кварца (плотность

2600 кг/м3) и оксида железа (плотность 4500 кг/м3). Высота и ширина камеры этой машины равны 3 м, а длина — 6 м. Кривые
(рис. V-5) показывают, что все

частицы плотностью 4500 кг/м3 в

размерами более 80 мкм должны

задерживаться в камере, тогда

как легкие частицы размерами

100 мкм будут уловлены только

на 70%.
Рис. V-5. Фракционная эффективность

(предположительная) очистки газа ие-
0
Диаметр частиц, мнм > - плотность авю кг/м*; г - плотность
Рис. V-4. Осадительная камера цеха агломерации [236]:

а — внд сбоку; б — вид сверху.
230
--------------- page: 231 -----------
Рис. V-6. Инерционные пылеуловители с ускорением частиц при направлении
к пылесбориику:
а — простой инерционный пылеуловитель [7]; 6 — пылеуловитель с круглой ловушкой [71;

уз — пылеуловитель с подачей газа сверху [399]; г — инерционный пылеуловитель с заглубленным бункером.
Эффективность вертикальных осадителей не очень высока. Для

типичного барабанного котла эффективность обеспыливания с
помощью дефлектора (см. рис. V-3,в) составляла 75%. Для небольших производств это может оказаться достаточным.
3.
Эффективность обеспыливания в простой пылеосадительной

камере может быть увеличена, а габариты ее уменьшены, если

частицам будет придан дополнительный момент движения вниз в

добавление к эффекту гравитационного осаждения. Существует

большое число конструкционных разработок, основанных на этом

принципе, начиная с установки в камере простых отражательных

щитов до специальных форсунок, ускоряющих процесс осаждения.
Простые инерционные пылеуловители (рис. V-6, а) иногда размещаются последовательно. Хотя их эффективность такова же, что

и простых пылеосадительных камер, перепад давления больше,

однако он может быть снижен при использовании закругленных

отражателей (рис. V-6,б).
В других инерционных пылеосадителях применяется направленная вниз труба, придающая частицам добавочный момент, равный

примерно g/З, в дополнение к гравитационной силе g. Один из исследователей (рис. V-6, в) предположил [399], что при использовании конуса с постепенно увеличивающимся диаметром скорость

газа у дна пылеуловителя уменьшается, снижается и увлечение

частиц. Подобные соображения, вероятно, лежат в основе усовершенствованной пылеотделительной камеры Проккэта, напоминающей воронку с высокой цилиндрической частью (рис. V-6,e)

[663].
Опытные результаты, полученные на этой модели как для уголь-

ион пыли, так и для летучей золы, представлены в табл. V-3

вместе с гранулометрическим составом исследуемых пылей.
231
--------------- page: 232 -----------
ТАБЛИЦА V-3
Эффективность улавливания различных пылей [663]
Улавливание, %
Скорость газа

на входе,

м/с
Фракционный

состав, мкм
пылевидного
угля
летучей
золы
Содержание

пыли, г/мЗ
Улавливание,
%
Более 200
0
2,08
Пылевидный уголь
120—200
1,84
7,08
7,3
34,9
74,3
90—120
2,92
14,88
9,8
91,0
63,0
75—90
6,48
5,28
12,0
23,4
47,0
60—75
13,52
10,08
Менее 60
75,24
60,60
Летучая зола
5,3
19,8
79,7
8,6
21,1
70,5
13,4
10,3
55,5
Глубина турбулентной зоны в цилиндрической части камеры

является определяющим фактором в процессе увлечения частиц.
Современная конструкция простого инерционного пылеуловителя, в котором механизм осаждения основан на изменение направления движения, описан Мушелькинауцем [589]. Газовый поток

проходит вертикально вниз по цилиндрическому газоходу, затем

изменяет направление движения на 180° и проходит через кольцевую трубу, окружающую вход в уловитель, при этом пыль оседает в бункере. На входе газа в пылеуловитель устанавливается

тщательно рассчитанная кольцевая муфта.
В одном из вариантов в кольцевой зазор перед муфтой вдувается воздух (с вращательным моментом движения) со скоростью в

три раза большей, чем осевая скорость основного газового потока.

Эта кольцевая струя, вступая в соприкосновение с основным газовым потоком на его границе, способствует вращению газа. Выходной газоход служит для отвода очищенного газа; в нем часть кинетической энергии переходит в энергию давления. Во втором,

менее эффективном варианте, часть отходящего газа просасывается через щели в кольцевой муфте; при этом добавочный воздух не

подается. Такие установки с типичными кривыми фракционной

эффективности приведены на рис. V-7.
Более сложным и более эффективным является пылеуловитель, в котором газы при своем движении сталкиваются со стенкой, при этом пыль задерживается, а газы проходят дальше. В одном случае, в инерционном пылеуловителе Вентури (рис. V-8)

[848], газ проходит горизонтально через ряд отклоняющих сопел
1,
небольшом расстоянии от верха основного газохода. Скорость газа

увеличивается при его приближении к горловине отклоняющего

сопла, при этом момент количества движения частиц способствует

их концентрированию вдоль направляющих стенок. Концентрат

(т. е. газ с повышенным содержанием пыли) проходит через про-
232
--------------- page: 233 -----------
Рис. V-7 Современные инерционные пылеуловители (схема и кривые фракционной эффективности) [589]:
1 — кольцевая муфта (радиус 1 м).
резь в вертикальном газоходе 3 и сталкивается с V-образной ловушкой. Пыль попадает в пылесборник, тогда как газ выходит

через верх вертикального газохода. Ловушки расположены в 6,
9
рые действуют как перепускные клапана.
Другим типом пылеуловителя, характеризующегося также

очень низким перепадом давления, является экранный пылеуловитель D.E..F [544] (рис. V-9). Основным его элементом является

V-образный профиль, где струи запыленного газа, образованные

в промежутках между этими профилями, сталкиваются с основой

V-образного элемента. Газовый поток либо отталкивается от основы, либо движется по кругу вдоль кривой составляющей элемента. При столкновениях и круговом движении пыль отделяется от

газового потока и попадает в пылесборник, расположенный внизу.

В ряде случаев для облегчения удаления пыли из V-образных

каналов прибегают к обстукиванию или вибрации. С этой же

Целью может применяться впрыскивание жидкости, что к тому же

предотвращает повторный унос пыли газовым потоком.
Система очень надежна и может быть использована при рабо-

те в условиях высоких температур и наличия коррозионных сред.
233
--------------- page: 234 -----------
Например, в кислых средах ячейки пылеуловителя могут быть изготовлены из кислотоупорных нержавеющих сталей, а стены камеры футерованы кислотоупорной плиткой. Перепад давления в установке составляет 25—100 Па, а иногда и меньше. На современных установках достигнуты такие результаты:
Содержание пыли на входе, г/м3 .

Содержание фракции менее 10 мкм, %

Температура потока, °С .
Объемная скорость, м3/с ....

Перепад давления, Па ....

Эффективность очистки, % •
Цементные

заводы, цеха

обжига извести
20—70

38

127

800

16

80—91
Парогенераторы

иа пульверизированном угле
33
S0 (12 рядов)
Пылеуловитель, сочетающий некоторые преимущества обоих

вышеуказанных устройств, показан на рис. V-10. Он представляет*

собой аппарат с обратным соплом, в котором запыленные газы

сталкиваются с жалюзями неправильной формы, имеющим щели.

Газовый поток изменяет направление движения, а частицы пыли

проходят через щели к замкнутому каналу и далее попадают в

пылесборник.
К инерционным пылеуловителям относится и скруббер Кальдера— Фокса [249], применяемый для удаления туманов кислот
DC
_ОС
о С
DC
D С
DC
Рис. V-9. Экранный инерционный пылеуловитель Д.Е.Р. [544].
Рис. V-8. Инерционный пылеуловитель Веитури [848]:
/ — вид сверху; // — вид сбоку; 1 — отклоняющиеся сопла; 2 — газоходы; 3 — прорезь; 4 —
заслоики.
234
--------------- page: 235 -----------
Рис. V-10. Инерционный пылеуловитель-
отбойник с обратными соплами [493].
(рис. V-11). Газы, содержащие

капельки тумана кислоты, пропускаются через отверстия, где происходят их агломерация, и затем

сталкиваются с отражательными

пластинами, где оседают в виде

агломерированных капель. Конструкционными материалами являются либо листовой свинец,

либо (для работы при повышенных температурах) стеклянные

полосы, которые несмотря на

хрупкость хорошо выдерживают

высокие температуры.
Листовой свинец толщиной

3 мм имеет отверстия размером

3 мм на каждые 9—12 мм2 площади. За этими листами расположены отбойные листы с отверстиями, совпадающими по оси с

первыми, но с диаметром отверстий 6 мм. За ними расположен коллектор — пластина с отверстиями 2 мм, расположенными через каждые 3 мм. В устройст-

вах со стеклянными полосами входные щели размером 1,5 мм, а

щели в отбойных пластинах — 3 мм; они расположены друг от друга на 8 мм.
Из опубликованной литературы видно, что очень трудно получить прямоугольные неискривленные стеклянные полосы. Скорости

газа в таком скруббере составляют 30—35 м/с, а перепад давления— 870—1370 Па. При более высоких скоростях наблюдается

повторный захват частиц, при меньших скоростях — уменьшение

эффективности улавливания. Эффективность скруббера Кальдера— Фокса составляет 90—97%, при этом улавливаются капли

диаметром 2—2,5 мкм.
Недавно предложена изящная разработка коллектора Петерсона «Drungsprung» (сжатая пружина) [637], подобного скрубберу

Кальдера — Фокса и широко применяемого для очистки газов от

туманов кислот, масел, а также от мелких твердых частиц (например, красители и пигменты).
Коллектор Петерсона представляет собой спиральную пружи-

НУ. один конец которой закрыт; виткам пружины придана такая

Форма, что отдельные витки пружины сцепляются друг с другом

и вызывают изменение направления потока газа, проходящего че-
235
--------------- page: 236 -----------
Рис. V-11. Скруббер Кольдера — Фокса [249]:
1 — пластина коллектора; 2 — разделительные рамки; 3 — отбойная пластина; 4 — разделительный элемент; 5 — подстилающий слой; 6 — входная пластина; 7 — заслонка; 8 — цементный резервуар.
рез них. Форма таких пружин, показанная на рис. V-12, вызывает

эффективную коагуляцию туманов; капельки жидкости скатываются вдоль пружины, падая в отстойник. Преимуществами этого коллектора являются, во-первых, простота и экономичность экструди-

рования элементов спирали заданного профиля, и, во-вторых, относительная легкость, с которой можно изменять зазор междя

последовательными витками спирали, изменяя толщину пружины,

эффективность и перепад давления в коллекторе. Последний колеблется от 1,5 до 1,4 кПа, энергозатраты составляют около

0,7 Вт/(м3-ч). Эффективность очистки приведена ниже:
На входе
На выходе
газа, г/мз
газа. г/м3
Туман фосфорной кислоты в пересчете на Р2О5 . ...
52
0,06
Туман серной кислоты в пересчете
на S03
18
0.015
НС1 в производстве СаС12
17,7
0,00004
HF в производстве суперфосфата .
1,8
<0.005
H2S04 в производстве кислоты с добавкой КН3
0,8
0,05
S02 в производстве кислоты с добавкой NH3
6
0,2
HCI в травильном цехе ....
0,98
0,0002
236
--------------- page: 237 -----------
В жалюзийном коллекторе (рис. V-13) использован следующий

принцип:
при резком изменении направления движения газового потока

круговые частицы будут сохранять первоначальное прямолинейное

движение. Этот коллектор отличается низким перепадом давления,

иногда он используется в качестве предварительного пылеуловителя и устанавливается перед циклонами или рукавными фильтрами. Около 80% частично очищенного газового потока пропускается

через жалюзи, оставшаяся часть запыленного газа подается к

циклону.
Гораздо более эффективными являются пылеуловители с жа-

люзийными вытяжными отверстиями. Запыленный газ поступает в

широкую часть усеченного конуса (рис. V-14), имеющего почти по

всей поверхности желюзевидный щели. Газовый поток изменяет

свое направление, чтобы пройти через конус, тогда как пыль проходит прямо до конца конуса вместе с некоторой частью газового

потока, откуда она выбрасывается во вторичный коллектор. Разработчики этого оборудования заявляют, что условия потока около

жалюзей способствуют тому, чтобы пыль оставалась в центральном

конусе. Такой тип пылеуловительного оборудования может очень
Газ
Рнс V-I2. Коллектор Петерсона типа «сжатая пружина» для улавливания ту-

а
‘Сма устройства; б деталь пружины; в — пружина в сборе; 1 — пружины диаметром

180 мм; 2 — разделитель; 3 — профиль пружины.
237
--------------- page: 238 -----------
Рис. V-13. Жалюзийиый пылеуловитель с отводом 10% основного газового
потока [803].
Рнс. V-14. Пылеотдели гель с жалюзийными вытяжными целями [401]:
1 — вторичный коллектор; 2 — коиус; 3 — вторичный вентилятор.
широко применяться для улавливания золы в небольших бойлерных с переменной нагрузкой, поскольку в этих условиях эффективность пылеуловителей остается практически постоянной [330].
Для больших потоков газов можно установить параллельно несколько подобных пылеуловителей (рис. V-15,a). Здесь за жалю-
Рис. V-15. Конический пылеуловитель для электростанций:
а — схема конического жалюзийного отделителя пыли плотностью 1 г/см8 с последующим

инерционным пылеуловителем и циклоном [330]; 6 — фракционная эффективность [33012

/ — сборник мелкой пыли; 2 — сборник грубой пыли; а — при максимальной загрузке, конус

15; б — при нормальной загрузке, коиус 12; в — при загрузке 50% от нормы, коиус 7.
238
--------------- page: 239 -----------
Рис. V-16. Пылеуловители с низким сопротивлением:

а— с использованием гравитационного осаждения пыли [391]; б — с использованием циклонов для удаления пыли; в — фракционная эффективность этих пылеуловителей [391]: / —

конвергирующий канал; 2 — выходная камера; 3 — очищающая стейка; 4 — пылеотбойник;
5 — бункер.
зийным пылеотборником последовательно размещают отбойную

камеру и циклон. Фракционная эффективность этой установки приведена на рис. V-15, б. Из рисунка следует, что ее эффективность

примерно равна эффективности циклона с большой пропускной

способностью, но перепад давления составляет 250—375 Па, т. е.

ниже, чем у циклона.
Примеры других пылеуловителей с жалюзийными вытяжными

щелями представлены на рис. V-16, а и V-16, б. Сопротивление в

этих пылеуловителях ниже, так же как и эффективность, что можно видеть из кривых фракционной эффективности (рис. V-16,в).

Эти установки широко применяются для улавливания грита в бойлерах небольшой мощности.
--------------- page: 240 -----------
ГЛАВА VI
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ
Пылеуловительные системы, в которых твердые частицы удаляются из закрученного газового потока под действием центробеж-'

ных сил, называются циклонами. Вероятно, это наиболее распространенный в промышленности тип обеспыливающего оборудова-;

ния. Они просты по конструкции и обычно не имеют движущихся

частей. Поскольку они могут изготовляться из разнообразных материалов, в частности из огнеупорных и коррозионностойких, то не

существует температурных ограничений для их применения, и эксплуатационные расходы могут быть сведены к минимуму.
Центробежная сила, действующая на частицы во вращающемся'

газовом потоке, намного больше, чем гравитационная, поэтому

циклоны являются эффективными для удаления частиц гораздо

меньших размеров, чем в случае пылеосадительных камер, и при

одинаковых объемах газов размеры циклонов значительно мень-j

ше. С другой стороны, перепад давления в циклонах больше, а расход энергии гораздо выше.
Циклоны отличаются от инерционных уловителей, описанных

в главе V, тем, что в циклоне осуществляется многовитковое вра^

щение потока. Пылеосадительные камеры и инерционные пылеуловители используются (за исключением редких случаев) для удале

ния крупной пыли — размером более 76 мкм, в то время как про

мышленные циклоны эффективны для улавливания частиц д<
10
улавливания еще более мелких частиц при внесении некоторы:

конструкционных изменений.
Если газовый поток содержит значительное количество крупно

зернистых частиц, особенно очень твердых, стенки циклона могут

пострадать от эрозии, поэтому перед циклоном желательно установить пылеосадительную камеру или инерционный пылеуловитель, i
Вращательное движение придается газовому потоку различными способами; в соответствии с этим классифицируют и циклоны.

Газы могут проходить через криволинейные направляющие лопатки в газоходе; такие устройства называются прямоточными циклонами [515], или вихревыми воздухоочистителями [197]; в другом

случае вращение создается специальными вентиляторами. В наИт

более распространенных противоточных циклонах газы поступают
240
--------------- page: 241 -----------
по касательной в верхнюю цилиндрическую секцию, в центре которой расположена выхлопная труба, причем вход в выхлопную трубу находится ниже входа запыленного газа. Нижняя, коническая

секция циклона соединена с пылесборником. Газы опускаются по

спирали к вершине конуса и затем поднимаются через выходное

отверстие.
При сочетании прямоточного и противоточного циклонов запыленные газы поступают по оси как в прямоточном циклоне, в то

время как дополнительный поток воздуха подается через сопла по

касательной к стенкам, создавая такой же тип движения газового

потока, как в противоточном циклоне; эффективность работы при

этом повышается [445, 446, 599, 731]. Поскольку поток газа похож

на вихрь, такой тип циклонов в Англии называют «торнадо», а в

Германии, где он был разработан, — обеспыливателем с вращающимся потоком (Drehstromungsentauber).
Ниже обсуждается теория разделения частиц во вращающемся

потоке и применение этой теории при конструировании различных

циклонов; описаны промышленные типы и, по мере возможности,

для них даны экспериментальные значения коэффициентов фракционной эффективности, а также детально обсуждаются методы

расчета эффективности циклонов и перепада давления.
1.
Простейшая система в циклонах представляет собой движение

частицы в спиральном газовом потоке. Если газовый поток, содержащий частицу, движется по окружности (рис. VI-1) и предполагается, что тангенциальная скорость частицы равна скорости потока, то центробежная сила, действующая на частицу F, т. е. сила,

перпендикулярная к касательной к дуге, рассчитывается по уравнению
где т — масса частицы; и, — тангенциальная составляющая скорости газового

потока; R — радиус окружности.
Если газ движется по спирали вдоль стенок цилиндра (система, обычно наблюдаемая в прямоточном циклоне), частицы будут

двигаться наружу, так как они увлекаются вдоль оси газовым потоком и их движение будет представлять собой расширяющуюся

пространственную спираль. Скорость частицы в этом случае может

быть разложена на три компонента: тангенциальная скорость иТ,

Направленная по касательной к спирали и перпендикулярная оси;

скорость радиального дрейфа uR, перпендикулярная тангенциальной компоненте и оси; и осевая скорость «и, направленная по оси

газовой спирали. Центробежная сила часто выражается через коэффициент п, указывающий, во сколько раз она превышает силу
16—1144 241
--------------- page: 242 -----------
Рис. VI-1. Разложение скорости частицы

в спиральном газовом потоке.
тяжести mg. Этот коэффициент

можно определить путем деления

гравитационной силы [уравнение

(VI.1)] на mg:
Rg
(VI .2)
Теория безвихревого движения
Если предположить, что к системе может быть применена теория

безвихревого движения [58, 197,

207, 255, 822, 877], то тангенциальная скорость ит и радиус связаны

уравнением
UrRn = l
где £—константа; п= 1.
Однако, следует отметить, что

экспериментальные значения показателя степени п для газовых циклонов составляют 0,5—0,7, а не

равны единице. Последующий анализ был дополнен [822] экспериментальными значениями показателя степени.
Бели в данное время t положение частицы в полярных координатах задано как (R, 6), то компонента радиального смещения

может быть записана как
иц — dR/dt
а тангенциальная компонента скорости как
ит — R (dd/dt)
(VI. 5)
при условии, что скорость частицы равна скорости газового потока.

Тогда радиальное ускорение равно
diiR (PR _ / d6 ' 2
dt
dt2
(VI.6)
а тангенциальное ускорение запишется в виде
duT
dt
= R
d2Q
dP
+ 2
dQ
dt
dR
dt
Умножая ускорение частицы на ее массу, получим силу, действующую на частицу (второй закон Ньютона); этим силам противодействует сопротивление, которое газ оказывает любому от-
242
--------------- page: 243 -----------
носительному перемещению частиц. Если предположить, что частицы встречают такое же сопротивление, как и при стационарном

движении в ламинарном потоке газа, и что их относительное движение происходит в области вязкого истечения, то можно применять закон Стокса [уравнение (IV.4) ], и уравнения движения частицы (в предположении ее сферической формы) относительно газового потока примут вид

радиальное смещение
dR
= -»я = -~аГ
m
r(
' d0
Зяф
1 dfl
тангенциальное смещение
3n\id 1 dt2 dt ' dt
н
2-^—(VI.9)
Тангенциальная компонента равна нулю, поскольку предполагают, что тангенциальные скорости частицы и газа равны.
Для интегрирования уравнения (VI.8) и (VI.9) переводят в безразмерную форму. Для этого радиусы выражаются через внешний
радиус
R = rR2
скорости выражаются через скорость у внешнего радиуса итч
(VI.И)
время выражают через отношение /?г/Ыт2
t = rR2/uTi
где г, и ит — безразмерные переменные.
Тогда уравнения (VI.8) и (VI.9) могут быть сведены к выражениям
радикальное
(d2r ( dQ \2
тангенциальное
где
mwtа
Зя fidRs
Заменяя m на nd3(\p4—р) и предполагая, что частицы имеют сферическую форму диаметром d, получаем
d2 (Рч — р) иТ2
--------------- page: 244 -----------
Уравнение (VI. 14) упрощается и принимает вид
т d I , de ^ л

г ‘ dx \r dx ) ~
При этом
rf0
л2 —т— = const

dx
Умножая обе части уравнения (VI.5) на R, получаем
dt
— u^R —
(VI. 16)
(VI. 17)
(VI.18)
Подстановка значений ит2 и R2 приводит к тому, что константа в

уравнении (VI.17) становится равной единице. Подстановка выражения (VI.17) в уравнение (VI.13) дает
ё-+Т---£--ТГ-°
Уравнение (VI. 19) представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение, которое не может быть решено непосредственно,

а лишь с помощью дифференциального анализатора [877]. Если

пренебречь дифференциалом второго порядка, уравнение (VI. 19)

примет вид
drldx=T/r*
что при интегрировании дает
1
Т2 — Т! = ТГ (/* “ 'О
(VI.21)
Подставляя первоначальные значения, получаем, что время, необходимое для того, чтобы сферическая частица сместилась на расстояние от радиуса Ri до радиуса Rг, равно
9' JH(-&),{1-(■&)} ,VL22>
-4(-
Рч-
Это уравнение было использовано для решения такой же задачи, для которой применяли численное решение уравнения (VI. 19).

Результаты расчетов разделения сферических частиц в спиральном

газовом потоке [197] приведено ниже:
Абсолютная вязкость воздуха, Па с

Плотность, кг/м3 .
Скорость
объемная, м3/м .

средняя осевая, м/с .

Геометрические размеры, мм
Ri
/?2 . .
R2IR1 .
uR, м/с ....
Плотность пыли, г/см3

Размер частиц, мкм ....

Оптимальная длина разделения, мм

по уравнению (VI.19) .

по уравнению (VI.21) .
1
1,23
0,19
12,20
11,1
25,4
2,3
0,127
2,7
3
5
10
900
267
89
680
224
61
244
--------------- page: 245 -----------
Из расчетов видно, что дистанция осаждения, рассчитанная с

помощью такого упрощения на 26% меньше, чем получаемая с помощью числового решения строгого уравнения. Таким образом эффективность циклона, рассчитанная на основе упрощенного уравнения [207], будет явно завышена по сравнению с реальной.
Вихревая теория
Как и в предыдущем случае, считаем, что в данный момент

времени t частица характеризуется координатами (R, 0, Z) в закрепленной полярной системе координат, где Z представляет собой

положение частицы вдоль оси. Частица входит в систему при Z—0.

Предполагают, что вращение газового потока униформно со скоростью и характеризуется радиальной, азимутальной и осевой

компонентами 0, г, о и ин, где w=uT/R— постоянная угловая скорость и ин — постоянная вертикальная скорость.
Влиянием пограничного слоя вблизи стенки циклона можно пренебречь, если предположить, что ин достаточно велико и новые завихрения, образующиеся около стенки не смогут проникнуть внутрь

слоя до выхода газового потока из циклона. Не учитывается также и взаимодействие частиц.
Компоненты скорости частицы ич при (R, 0, Z) могут быть записаны в виде
u4 = (R, RQ, Z)
где точками обозначены производные по времени.
Относительная скорость ^отн запишется как
^отн ~
Вязкость частиц, поскольку она очень мала, может быть найдена

из уравнения (IV.4), записанного в виде
F = —mKuOT„
где m — масса частицы; К — линейная функция от вязкости |х
К = 18ц (Рч — Р) d2
Применяя второй закон Ньютона только для вязкого сопротивления частицы и силы тяжести вдоль оси (т. е. в направлении Z),

получаем уравнение движения частицы
Я = _/<■£
№ — 2Ri) = —KR (в — со)
Z = K(Z-u)—g
245
--------------- page: 246 -----------
На уровне входа (2=0) иО1Н=0, и начальное расстояние частицы

от оси равно /?i. Тогда уравнения (VI.26) должны удовлетворять

следующим условиям: при £=0
R = Rlt R = О, 0 = ы, Z =0, Z = «„
Задача состоит в интегрировании уравнений (VI.26) и (VI.27).

При этом определяют время t, за которое частица достигнет стенки при R=R2■ Поскольку эти уравнения линейны по отношению к

Ri задача равнозначна нахождению времени от R=R\IRi до 1.

Уравнение (VI.26, в) не связано с другими, и его решением при

заданных начальных условиях является выражение
Z = (u-g/K)t
что указывает на постоянную скорость частицы вдоль оси. Здесь

существует ограничение осевой скорости, достаточное для того,

чтобы вертикальный дрейф частицы уравновешивал ее массу. Поскольку на практике 1000</(<; 10000, это отклонение мало, и им

можно пренебречь, исключение составляют лишь крупные частицы.
Предположение, что 0=ю означает, что 0 = 0. Тогда из уравнения (V1.26.6) видно, что R = R=0, а из уравнений (VI.26, а) и

(VI.27) /?1(о2=0. Это возможно лишь в том случае, если газовый

поток не вращается, либо когда частица сразу попадает на осевую

линию и остается на ней. Поскольку К является большим параметром, другие коэффициенты в уравнениях (VI.28, а и б) могут быть

сравнимы с /Ci и в частности член 2R6 в уравнении (V.26, б) не

может быть больше, чем 0 (1) для малых t. Член в правой части
уравнения может быть либо 0 (/С), либо 0 (1). В первом случае 0

тоже должно иметь значение 0 (/С), таким образом, для малых t
ё=/С (0-ю)+ 0(1)
что дает
0
• ••
Из условия 0 = ш при t=0 следует, что Л=0, тогда 0=0 вместо

0=0(К). Таким образом, первое предположение несправедливо.
Отсюда следует, что 0—to=0(/C_1) при малых t, что имеет реальный физический смысл, поскольку в предельном случае при К—►оо

(т. е. бесконечная вязкость) частицы будут связаны с окружающим газом и «отн=0. Записывая 0=со(1—S) в уравнении (VI.26,а),

где S<0(/C_1) сравнивается с К, получаем
/?"+ KR — w2R = 0 (/С'1)
246
--------------- page: 247 -----------
Тогда основное приближение для R(t) следует записать в виде
R = Ae~k>t +
с максимальной ошибкой О (/С-1) при малых значениях t. Здесь

Xi и К2 являются корнями квадратного уравнения
А и В — константы. Последнее уравнение имеет решение:
b = -V2/t[ 1 ± (1 — 4со2//(’2)1/2]
Поскольку (о/К мало, можно уточнить
= ыУК — (о*/К3 + О (К — 5)
= —К — ю2//С + О (К~3)
Используя первоначальные условия (VI.27), можно найти
Следует учитывать, что оценочное значение О (/С-1) для ошибки в

последнем уравнении относится к решению уравнения (VI.28) в

тех случаях, когда его правая часть равна нулю.
Уравнения (VI.30, а) и (VI.30, б) показывают, что существуют

две различные шкалы времени, связанные с движением пыли. Вначале наблюдается период, когда устанавливается относительная

скорость, отличающаяся от нуля, т. е. | Яг | ^=0(1), что соответствует

пограничному слою на входе в циклон. Когда /=0(1), члены ,

относящиеся к пограничному слою, исчезают, и 'начинают доминировать члены , которые и определяют дрейф частиц к стенкам.

Из уравнения (VI.30, а) видно, что не существует такого t, при

котором R<.0. Ценность уравнения (VI.30, б) зависит от реального

порядка модуля члена o)2(2S—S2), отброшенного в уравнении

(VI.28). Выраженное через S, уравнение (VI.26, б) запишется в

виде
пограничного слоя 5 не более, чем 0(е2) =0(К~2) по сравнению

с К.
Первоначальной целью расчета является определение времени

t, в течение которого частица пройдет расстояние от радиуса Rt

До R2 или дойдет до #=1 для данных значений Ri/Rz и функции

вязкости К. Однако уравнения (VI.26, а и б) не дают удовлетворительного решения с помощью стандартных алгоритмов из-за присутствия пограничного слоя вблизи Z=0. Так, если время задается

По шкале пограничного слоя, то можно рассчитать ход частицы
R=RX{ ет/к + (<оУК2) е~к‘} + 0 (К'1)

или более точно, обозначая ы/К через е
R=R1 {(1 — в2) ек (£2-£4) + е2 е~к (1+е2) '} + 0 (К~а)
(VI. 306)
(VI.30а)
247
--------------- page: 248 -----------
внутри слоя, но ошибки округления при прямом решении для

/=0(1) по сравнению с К приведут к возникновению ложных искусственных слоев при каждом шаге, это вызовет искажение численных решений уравнений и появление численных неустойчивостей. Уравнения (VI.26, а и б) и (VI.27) представляют собой задачу сингулярного возмущения [885], которая может быть решена

методом последовательных асимптотических разложений. Здесь

будут найдены два решения, соответствующие условиям /=0 (/С-1)

и /=0(/С/ш2), которые будут называться соответственно внешнее

и внутреннее разложение. Предполагают, что значение i?=l будет

достигнуто только при внешнем разложении для того ряда значений К, которые представляют интерес при расчете циклона.
Внутреннее разложение. Для того, чтобы рассчитать траекторию начального движения частиц, принимается сопоставимое время, т. е.
Т = К(1 + е2 — е«)
Полностью это должно быть 7'= |Я2|/, но членами, расположенными за 0(е4), пренебрегают. Ввоая это 'Определение и записывая

как и ранее 0=©(1—S), можно показать, что уравнения (VI.26, а

и б) переходят в следующие
(1 + 2е2 - е4) Я" + (1 + е2 — е4) R' — e?R (1 —S)2 — О (VI. 32)

(1 + е2 — е4) {RS1 — 2R' (1 — S)} -(- SR = О
где первое уравнение дифференцировано- по Т, причем пределами

являются
R = Ri/R = a R’=*S = О при Т = О
Из (VI.30, а) видно, что R, R' и R" не превышают 0(1), и из

уравнения (VI.31) следует, что 5 и S" равны 0(е2) .Отсюда внутреннее разложение принимает вид
R = a(R„-\- Е2/?! + Ё4/?г + ■. ■)
S = (e2Sj + ё452 + ...)
причем Ri и Si зависят только от Т.
Далее, из граничных условий (VI.34) следует, что
#0 = 1, Я' = ^ = я2 = ... = s, = S2 = • ■ ■ =- 0 при Т = 0 (VI.30
Вводя значения из уравнений (VI.35, а и б) в уравнения (VI.32)

и (VI.33) и приравнивания коэффициенты каждой степени в в2 к

нулю, можно найти:
Яо + Я'=°; Ri + Ri + 2R"0-Rl-P0=0;
(VI. 32*)
Я£ + Я44-2д1' + д{-я1-я;-д; + 2д051 = о

-2fl£=0; R0 (SJ -}- S,) — 2R'0 (1 — S,) — 2R[ — 0 (VI.33*)
2RiS2 + R„ (SI + S2) + Si (R0 + Rt) + S, (2R'0 + 2R[ + SJ) - 2Ri - 2R, + 2R’0 ~= 0

248
--------------- page: 249 -----------
Решение этих уравнений с учетом (VI.36) тривиально и приводит к уравнениям
R = a{l + е2(Г- 1 -е-1) +е*1(1/2Т2 — 7Г + 15— 2Г2 + 8Г + 15) е~т]}
(VI.37а)
S
+ (44 + 6) е~т\+ ...
Первые два члена во внутреннем разложении для R те же, что

и выражения, полученные непосредственно из уравнения (VI.30, б)

путем замены Т=Ю(1 +е2 + е4) и разложения медленно изменяющейся экспоненты на степенные ряды по Г и е2. Из уравнений

(VI.37, а и б) видно также, что частицы покидают пограничный

слой с примерно постоянной угловой скоростью to (1—2со2/К2) и

радиальной скоростью о)2//С
Внешнее разложение. Если T = Kt становится сравнимым с

е2=ш2//С2, ряд внутреннего разложения больше не сходится. Одновременно с этим становятся значительными те элементы решения, которые соответствуют членами еЛ(г2—е4)в уравнении (VI.30, б),

они больше не представляются степенными рядами Т. Для исследования непрерывности решения в этот период времени принимают

второе соответствующее время
т = К (е2 — е«) t = (ш/К2 — со*/К3) t
Как и раньше, 0 — со (1—S) подставляют в уравнения (VI.26, а

и б) и получают следующие выражения
е2 (1 — 2е2) R" + (1 — е2) R' — R (1 — S)2 = 0
е2 (1 - е2) [S'# — Ж (1 — S)] + RS = 0
Теперь первое уравнение обозначает дифференцирование по т.

Внешнее разложение тогда записывается в виде
Я = а(р0+е2р1+е4рг+■■•)
S = е2С! + е4с2 + ...
где р; и Cj зависят только от т.
В соответствии с принципом параллельных асимптотических

разложений произвольные константы, появляющиеся в уравнениях

(VI.40,а и б), можно оценить исходя из предположения о равенстве разложений при предельных значениях К—что приводит

к двойственному пределу Т—»-оо и т=0. Подставив уравнения

(VI.40, а и б) в уравнения (VI.38, а и б) и прировняв показатели

степеней при е2, получают следующий ряд дифференциальных

Уравнений:
Pi— Ро = 0; p;-pi + pj-pi + 2p„ol = 0;
Ра — Р2 — 2pi' + Pi — р2 + 2p2Oj — р0 (а2 — 2с2) = 0 (VI. 386)

Ро°' — 2р0 = 0; р0о2 + р0о[ + o.fpj + 2р') — 2pJ + 2р£ = 0 (VI. 396)
249
--------------- page: 250 -----------
Решением первого равенства в уравнении (VI.38, б) является

ро=Л0ет (где А — постоянная), поскольку т=е2(1—2е2)Т; р0=

=Л0 + 0(е2), когда Т велико и % мало. Для обеспечения соответствия при 0(1) между (V1.37, а) и (VI.40, а) необходимо, чтобы

А= 1, и таким образом ро=ех, что точно соответствует первому

члену уравнения (VI.30).
Подобным образом из первого равенства в (VI.39, б) следует,

что 0i = 2, что соответствует предельному значению Т—*-оо в уравнении (VI.37) и 0(б2).
Решением второго равенства из (VI.38, б) является выражение

pi=—(4r+/4i)eT (где Ai—постоянная). Подставляя т=е2(1—

—2е2) Т в (VI.40, а) получим
Я = а{ ет — е2 (Л + 41) ет + 0(е4)} =а{1 +е2 (Т — Aj) + 0(е4)}
при представлении ет в виде ряда 1 + е27'+0(е4). Тогда соответствие с уравнением (VI.37, а) расширяется до 0(е2), если А= 1, поэтому pi = — (4тЧ-1)ет. Это дает значение а2=—14, что опять совпадает с пределом Т—»-оо в (VI.37, б) до 0(е2). Наконец, решением последнего равенства в (VI.38, б) является р2=(4т2+46т+

+А2)ех (где Л2 — постоянная). Подставляя т=е2(1—2е2)7' в

уравнения (VI.40, а), получаем
Я = оех {1 — е2 (4т+1) + е4(4т2 + 42т + Л2)+ ...} =
= а{1+е2(7'_1) + еМ1/27’2-7Г + Л2)+ ...}
Сравнивая полученное решение с уравнением (VI.37, а), находим Л2=15. Отсюда окончательным решением для R во внешней

области является выражение
R -= ает {1 — е2 (4т + 1) + е4 (4т + 42т + 15) + 0 (е')} (VI .40)

где е=ы//С и т=е2/((1—е2)£
Время удаления частицы. Временем удаления хе для любой частицы является значение т из уравнения (VI.40), при котором R—1

(для a=Ri/R2). Это дает
\/аё~х = 1 — е2(4<+ 1) + е4 (4т2 + 24т + 15)
Если е мало, то те=то = 1п^2/У?1. С той же степенью точности

строгое решение может быть записано в виде
Те = т0 + e2Tj + е4т2

где Ti и т2 являются 0(1), сравнимым с е.
Подстановка дает следующее выражение
1
250
--------------- page: 251 -----------
откуда ti=4to+1 и Тг=4т®—34то—« . Тогда время удаления от

R=a=R\/R2 равно
/
-Се = т0 + е2 (4т0 + 1) + еМ 4т2 - 34т0 - -g-J + 0 (е«) (VI .42)
где To = lni?2/^?i. В терминах реального («внемасштабного») времени Те=/С(е2—E4)te, где te — реальное время удаления. Таким образом, время удаления te дается выражением
="5Г {то + е2 (5т0 + 1) + е‘ ^4т= - 29т0 - ~ )} (VI .43)
Это уравнение может быть легко решено, если вместо К, ш, то

и е подставить их значения
К = 18|х/(рч — р )d1 со = Uj/R-l

т0 = In = 2,303 IgR^fRi

E = со/к = «Т (p4 — p) d2/(l8Rn)
Используя данные, приведенные .выше, получим следующие

расстояния распределения (/Р):
dt, мкм
/Р, мм
Из этого уравнения можно найти также время удаления частиц,

которое равно 0,2 с для частиц диаметром 5 мкм и 0,054 с для частиц диаметром 10 мкм в случае применения циклона диаметром

0,5 м и длиной 2,5 м при скорости газового потока на входе
15
2.
Прямоточные циклоны, или вихревые газоочистители несмотря

на небольшие размеры позволяют обрабатывать очень большие

объемы газов. Однако вследствие высоких скоростей газового потока в них отмечается большое количество увлеченных частиц: завихрения, образующиеся у стенки, способствуют «отскоку» частиц

обратно в основной газовый поток. На практике этот эффект

уменьшают путем разбрызгивания воды на входе запыленного газа

в установку.
В прямоточном циклоне с неподвижным импеллером (рис. VI-2)

вытяжной вентилятор обычно устанавливают на выходе очищенного воздуха; это делается для уменьшения эррозии лопастей вентилятора. Поэтому в пылеотделительной камере, расположенной за

неподвижными лопастями, где в основном и отмечается перепад

Давления, создается пониженное давление по сравнению с газом,

подходящим к импеллеру. Следовательно, необходимо предусмот-
251
--------------- page: 252 -----------
реть дополнительный отсос в линии загрязненного газа (концентрированной пыли) для предотвращения обратного подсоса удаляемых частиц.
Схема действия прямоточных циклонов очень проста, поэтому

теоретически можно рассчитать [822] минимальный размер частиц, которые будут полностью удалены из газового потока.

Прежде чем приступить к расчету, необходимо сделать следующие

допущения:
отсутствие теплопередачи от окружающей среды к циклону,

обусловленной охлаждением газа во время его адиабатического

расширения в импеллере;
перепад давления происходит только в области лопастей;

уравнение свободного вихревого потока справедливо для движения частицы в пылеотделительной камере;
частицы покидают лопасти импеллера под углом, соответствующим углу наклона лопастей.
Если предположить наличие адиабатического расширения газа

при его проходе по лопастям импеллера, давление р, температура Т и объем газа Q в пылеосадительной камере (обозначаемые

индексом с) могут быть найдены из начальных условий (обозначенных индексом i) перед импеллером
Qc = Qi (PiiPc)l/v
и
Tc~Ti (Pi/Pc)V—1
где y — отношение удельных теплостойкостей Cp/Cv, равное
1,67
1,40
1,30
1,135
для одпоатомных газов;

для двухатомных газов (включая воздух);

для трехатомных газов (включая перегретый

пар);

для мятого пара.
252
--------------- page: 253 -----------
Перепад давления в прямоточном циклоне происходит в основном в зоне импеллера и может быть рассчитан, зная площадь поверхности импеллера и стенок, соприкасающихся с газом [854].

Экспериментально найдено, что перепад составляет около 1,25 кПа,

и это значение может быть принято в качестве приближенного для

зоны импеллера.
Пусть диаметр циклона D и диаметр сердечника Dc, тогда средняя скорость газов, стекающих с искривленных лопастей импеллера ис, выражается через начальную скорость и,- в виде следующих уравнений:
' " Qc
Qi
( D* \
Uc — Щ I q2
/ £>2 \ / Pi \i/v
Скорость uc может быть разложена на три составляющих; тангенциальную, осевую и радиальную (рис. VI-3). Если угол, под

которым газы покидают лопасти импеллера, такой же, что и угол

наклона лопасти а, и центральный сердечник простирается в пы-

леуловительную камеру, то средняя тангенциальная скорость ист

равна
/ D2 \ / pi \|/т

ис т = ис cos а = щ ^ дг 11 — j cosa
тогда как средняя скорость в осевом направлении Uca равна
/ £>2 \ , Pi \i/v

uca = sm a = щ _рг| I cosa
Время пребывания в пылеотделительной камере теперь может

быть найдено из длины камеры L и осевой скорости
4—ггапгг{‘-(-1Ш(*Г <v,<9)
t = ■
CL ,
s
Рис. VI-3 Разложение скорости движения частицы и ее траектория на выходе

импеллера прямоточного циклона:
~~ траектория движения частицы; б — разложение скорости; 1 — искривленные лопасти импеллера; 2 — лопастн неподвижного импеллера; a — угол лопасти.
253
--------------- page: 254 -----------
J+m
цу при вращательном движении в вертикальной плоскости (изображенные параллелограммы сил основаны на движении частиц с тангенциальной скоростью 0,6 м/с и радиусом движения
0,3 м):
I — центробежная сила; 11 — сила тяжести;

III — результирующая снла.
ч
\
\.
времени, необходимого частице

.c\j
jjj.
'
камеры становится возможным

рассчитать минимальный диаметр

частицы rfmm, которая теоретически может быть уловлена в прямоточном циклоне
3 D \ ( D \2\ f и sin a (Pcl^v

1 = Т ‘ cosce j1 ~ ^ Dc j j' ”|/ (рч — р)ыг |рг }
Если предположить, что частицы в газовом потоке, покидающем импеллер, распределены равномерно, то можно также рассчитать долю частиц, диаметр которых меньше dmin- Такой расчет является несколько осторожным, поскольку распределение начинается уже на лопастях импеллера.
Если тангенциальная скорость газа в горизонтальном прямо- '

точном циклоне невелика (менее 15 м/с для циклона диаметром

0,6 м), то сила, действующая на частицу, значительно изменяется

в зависимости от положения частицы. Так, если частица находится в нижней части циклона (рис. VI-4), то к центробежному ускорению следует прибавить ускорение свободного падения
ист
/
*¥■+*
Если в верхней точке, то из центробежного ускорения необходимо

вычесть ускорение свободного падения
ист
^3+R-g
254
--------------- page: 255 -----------
В общем случае, в промежуточных положениях результирующая сила может быть найдена прибавлением к центробежному

ускорению члена g cos 6
. I f'Dl + D

Ист! у - -g - + gcos6
где 0 — угол между радиусом и вертикальной осью.
Для тангенциальных скоростей больших, чем 15 м/с, и при не

слишком больших диаметрах (D<0,6 м) максимальная поправка

становится меньше 0,1% и ею можно пренебречь.
Прямоточные циклоны с обратным потоком
Важной модификацией прямоточного циклона с неподвижным

импеллером является циклон, в котором используется принцип

обратного потока (рис. VI-5). Он был запатентован Зеннеком и

Шауфером в 1953 г; эффективность циклона была значительно

улучшена благодаря уменьшению

увлечения маленьких частиц за счет

их отскока от стенок циклона.
Запыленный газ поступает в основной циклон через тщательно рассчитанное спиральное отверстие, подобное показанному на рис. VI-3, и

выходит из циклона через его дальний конец, причем частицы пыли

удаляются из газа, движущегося по

спирали. Противоточный газовый

поток подается через тангенциальные сопла, размещенные в боковых

стенках циклона; он вращается в

том же тангенциальном направлении, что и запыленный газ, но в противоположном осевом направлении.
При этом частицы пыли выхватываются из центральной спирали.
Внешняя газовая спираль движется

к бункеру, расположенному за входом запыленного газа, изменяет

свое направление, и частицы оседают в бункере. Затем этот поток со-
Рис. VI-5. Прямоточный циклои с обратным

потоком воздуха, поступающим через тангенциальные сопла (а).
i
Пыль
255
--------------- page: 256 -----------
единяется с основным газовым потоком. Действие такой двойной

спирали подобно действию окружающей вихревой области смерча

(торнадо); поэтому в некоторых странах такие циклоны известны

под торговой маркой «Торнадо».
Теория такой двухспиральной системы была детально рассмотрена Шмидтом [731], который определил потенциальный поток

обтекания ut=1/R для внешней спирали, ротационный поток

uT=^R для внутренней спирали и учел зону смешанного потока,

разделяющую эти области. В зоне смешанного потока, где потенциальный поток переходит в ротационный, происходит изменение

направления движения вторичного (осевого) потока. Шмидт предложил уравнение движения частицы, выведенное так же, как и

ранее, но со сложным спектром взаимодействия, и эти уравнения

невозможно решить в случае циклонов такого типа.
Первоначальная конструкция входного отверстия в циклон

представляла собой сложную, тщательно рассчитанную с точки

зрения аэродинамики кольцевую секцию с центральным сердечником, но для промышленных установок было найдено адекватное

устройство, гораздо более простое по конструкции и дешевое [446].

Другое усовершенствование, нашедшее применение в таких установках, состояло в том, что сопла для подачи обратного потока

газа были наклонены под углом 30° к горизонтали и размещены

через 180° по периферии цилиндра. Кроме того, увеличение числа

сопел уменьшило перепад давления. Разработка оптимальных размеров и других конструкционных параметров была осуществлена

Клейном [445].
3.
Вращательное движение газового потока может быть достигнуто не только путем его всасывания через неподвижную крыльчатку. Альтернативное решение было найдено при применении специального турбокомпрессора (рис. VI-6) [947]. Для придания газовому потоку большой тангенциальной скорости при очень малом

увеличении давления было предложено весьма сложное устройство.
Два зазора, оставленные между внешним корпусом центрифуги

и неподвижным входным 1 и выходным газоходами 9, позволяют

осуществлять свободное вращение центрифуги и удаление жидкой

пленки.
Входной и выходной газоходы соединены внешним кожухом 13,

который служит для герметизации центрифуги и позволяет осуществлять очистку газов при давлении выше или ниже атмосферного.

Для этой цели предусмотрены два небольших отверстия 14 и 15.

Входной газоход 1 присоединен к колену для удобства монтажа

электромотора, вращающего центрифугу. Электроэнергия передается через вал, проходящий через обтекатель 10 и лежаший на двух

комплектах самоустанавливающихся шарикоподшипников 12. Для
256
--------------- page: 257 -----------
Рис. VI-6. Турбокомпрессорный пылеуловитель:
1 — неподвижный цилиндрический входной газоход; 2— аэродинамический обтекатель; 3 —

вращающийся цилиндрический внутренний корпус центрифуги; 4—6 — лопатки турбокомпрессора; 7 — вращающийся внешний корпус; 8 — лопатки реактивной турбины; 9 — цилиндрический выходной газоход; 10 — аэродинамический выходной обтекатель; 11 — вал; 12 — шарикоподшипники; 13 — внешний кожух; 14, 15 — отверстия.
лучшей герметизации мотор может быть смонтирован в одном из

обтекателей.
Средняя скорость газов ис (и, в первом приближении, частиц
пыли) может быть вычислена из уравнения
/ D + Dc \

uc~=Niт(
где N — число оборотов турбины в единицу времени; е — эффективность турбины (обычно около 85%).
Зная среднюю скорость турбины и угол наклона каждой лопатки, можно вычислить тангенциальную и осевую скорости. Затем

для определения фракционной эффективности каждого ряда лопаток турбины можно использовать метод, подобный тому, который

применялся для установки с неподвижной крыльчаткой. Были использованы три пары наборов лопаток турбины, причем углы наклона лопаток составляли 75 и 60° для первой пары, 63° и 38° для

второй и 43 и 8,5° для третьей (конечной) пары. Частота вращения

ротора составляла 83,3 об/с, диаметр камеры был равен 150 мм,

Диаметр внутренней втулки 100 мм; при этом тангенциальная скорость была равна 33 м/с, а радиальная — 9 м/с. Подробный теоретический анализ установок такого типа крайне сложен и не будет

приводиться в настоящей книге.
17—1144
257
--------------- page: 258 -----------
4.
(РОТОРНЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ)
Циклонные пылеуловители, принцип действия которых основан

на использовании обычного вентилятора, напоминают турбокомпрессорные пылеуловители с осевым потоком (раздел 3, стр. 256

сл.). Кроме того, что они действуют как пылеочистные установки,

а также служат одновременно и вытяжными вентиляторами. Их

аэродинамическая характеристика такова же, что и центробежного

вентилятора с загнутыми вперед лопатками, для которого соотношения между расходом газа, перепадом давления и потребляемой

мощностью хорошо известны.
Запыленный газ, поступающий в роторный пылеуловитель, закручивается на 180° в спиральной камере, тогда как частицы пыли

ускоряются лопатками центробежного вентилятора и движутся под

углом 90°. Максимальная скорость, приобретаемая частицами,

может быть рассчитана на основе скорости ротора вентилятора

(число оборотов в единицу времени N при диаметре D) и угла наклона лопаток а:
ис = NnD cos а
Схема обтекания газового потока и траектория частиц в таких

установках очень сложны и до настоящего времени эта проблема

детально не изучалась. Поэтому рассчитать размеры частиц, которые могли бы полностью удаляться из газового потока не представляется возможным. В общем случае, однако, можно констатировать, что центробежные силы, развиваемые в этих установках,

очень велики, тогда как время пребывания газового потока в них

относительно мало.
5.
Диаграмма обтекания газового потока в обычном циклоне

(рис. VI-7) намного сложнее, чем в прямоточном циклоне с неподвижным импеллером. В общих чертах поток представляет собой

двойную спираль, причем поток во внешней спирали движется вниз

по направлению к бункеру, а во внутренней — по восходящей к

выводной трубе. На этот поток накладывается вторичный газовый

поток от внешней спирали к внутренней. Такая модель движения

была подробно изучена различными исследователями [258, 431,

515, 587, 765, 803] и недавно была объектом обширного обзора

[391].
Используемые методы исследования включали многочисленные измерения с помощью трубки Пито (использовали шаровую

трубку Пито [585]), визуальные методы [765] —обнаружение дыма в газовом потоке в циклоне, с помощью красителей [113, 803]

и порошкообразного алюминия в сочетании с современной оптической техникой в мокрых циклонах [431].
258
--------------- page: 259 -----------
Рис. VI-7. Спектр потока в обычном противо-

точном циклоне [71:
/ — внутренние вихри; II — внешние вихри; III — зона взаимодействия на входе; 1 — корпус; 2 — внутренний цилиндр (трубчатый кожух); 3 — конус.
Наиболее тщательные измерения в

газовых циклонах были проведены

Тер-Линденом в Дельфте [515]. Для

этой цели использовали циклон нормальных размеров со спиральным входом. Диаграммы Тер-Линдена, на которых представлены тангенциальные,

осевые и радиальные скорости, а также общее и статическое давление, приведены на рис. VI-8. Подобные диаграммы, но для меньшего интервала

значений, были получены Келсалом

[431] для гидравлического циклона

(рис. VI-9).
Из приведенных данных можно

увидеть, что около стенок существует

зона, где газы движутся по нисходящей спирали с увеличивающейся тангенциальной скоростью, тогда

как ближе к центру газы движутся к выходу с тангенциальной

скоростью, большей чем на той же высоте около стенки. Тангенциальные скорости достигают максимума в круге, диаметр которой составляет от '/г до % диаметра выходного отверстия. Внутри

круга существует центральный «стержень», где тангенциальные

скорости уменьшаются, а аксиальная скорость стремится к максимуму.
Радиальная скорость, которая намного ниже тангенциальной

скорости, остается практически постоянной по всем поперечным

сечениям циклона. Положительное значение означает дрейф по направлению к оси. Исключение составляет лишь область центрального «стержня», где дрейф направлен наружу. Около стержневого

кольца радиальная скорость стремится к нулю. Это является одним

из экспериментальных подтверждений теоретического предположения, принятого при расчетах циклонов.
Из диаграммы давлений на различном расстоянии от стенок

видно, что давление вблизи стенок имеет положительное значение,

не очень сильно отличающееся от давления на входе в циклон.

В области центрального «стержня» существует зона отрицательных давлений, простирающаяся вплоть до пылесборника. Любой

подсос воздуха в пылесборник ведет к возникновению восходящего

потока вдоль циклона к выхлопной трубе, при этом происходит

срыв и унос осажденной пыли. В том случае, когда происходит отсос из пылесбореика, увеличивается эффективность циклона [230].
17*
259
--------------- page: 260 -----------
ttmiwit ■
pt,rzdfihct
HhTnyctt nhitffc
Л &
Лип yen flbufu

6
Выпуск лыМ
В /-
Рис. VI-8. Изменение тангенциальной, радиальной и вертикальной компонент

скорости в газовом циклоне [515]:

а — тангенциальная скорость; б — вертикальная скорость: в — общее и статическое давления; статическое давление иа входе газа 900 Па, скорость 10,7 м/с; на выходе газа: 0 П«,

6,36 м/с; на выходе пылн: 300 Па.
Рис. VI-9. Изменение тангенциальной, радиальной и вертикальной компонент

скорости в циклонном скруббере [431]:
а — тангенциальные скорости; б — радиальные скорости; в — вертикальные скорости.
Г I ( t 1 Н t
16
'fojiiyc, мм

В
в 4 JB 12 16 pi ZtZitt

А
радиус, мм

В
--------------- page: 261 -----------
Рис. VI-10. Спектры вторичного потока в циклонах:
а — одиночный вихрь [266]; б —двойной вихрь [915]; в — промежуточный спектр [616].
Существуют различные мнения о том, состоит ли спектр вторичного потока, образованный осевой и тангенциальной компонентами скорости, из одного вихря по всей длине циклона

(рис. VI-10,а) или из двойного вихря (рис. VI-10,6), один из которых находится в верхней части над выхлопной трубой, а другой —

в конической части. Концентрация пыли в верхней части циклона,

а также значительное улучшение эффективности циклона при удалении пыли по специальным каналам (циклоны типа Ван-Тонгере-

на или Амбуко) свидетельствуют по-видимому в пользу двойного

вихря. Этот же факт был установлен некоторыми исследованиями,

проведенными на гидравлических циклонах с красящим маркером

[264]. Вероятно, реальный спектр вторичного потока представляет

собой среднее между этими двумя схемами, как было графически

показано Тер-Линденом [516] (рис. VI-10,в).
Изменение тангенциальной скорости с радиусом, выходящим за

пределы центральной зоны обычного газового циклона, подчиняется уравнению вихря (VI.3), причем показатель степени и равен

0,5 во всех экспериментах. Исключение составляют ранние работы

Прокката [663] и более современных исследований Ферста [258]

и Александера [9], которые приводят значения показателя степени п 0,88 и 0,7 соответственно. Для циклонных скрубберов показатель степени изменяется от 0,7 до 1,391, причем значение 1 типично

Для цилиндрических скрубберов. Из имеющихся эксперименталь-

ных данных следует, что значение п=0,5 наиболее применимо для

соотношения между тангенциальной скоростью и радиусом газового циклона, поэтому для расчета тангенциальной скорости в следующих разделах будет использовано уравнение
urtfo,* = const
261
--------------- page: 262 -----------
6.
КАЧЕСТВ ЦИКЛОНА
Сделаны попытки предварительной оценки эффективности обычного противоточного циклона. В теоретических моделях допускается ряд предположений, которые не подтверждаются экспериментально, поэтому такие прогнозы носят весьма приблизительный

характер. Другие методы основаны на использовании экспериментальных коэффициентов, которые позволяют предвидеть кривую

фракционной эффективности со значительной степенью точности.

Удовлетворительная теоретическая модель, основанная на реалистических предположениях о траектории частицы в циклоне обычной конструкции, до сих пор еще не разработана, поэтому в настоящее время нельзя сделать выбор в пользу какого-либо наиболее

обещающего подхода к ее созданию.
Предположения, допускаемые ,в различных подходах к расчету

критического диаметра частиц (т. е. размера частиц, которые по

расчетам должны улавливаться с эффективностью 100%) всегда

сопровождаются различными поправками, которые могли бы сделать оценку более реалистической.
Первая попытка оценить критические размеры частиц была

предпринята Розином, Раммлером и Интельманом [706] в 1932 г.

Основное допущение, сделанное ими состояло в том, что для улавливания частица должна достичь стенки циклона при движении

поперек газового потока, сохраняющего свою форму после входа

в циклон. К другим предположениям относятся следующие: частицы не взаимодействуют друг с другом; вероятность срыва и уноса

частицы после того, как она достигла стенки, исчезающе мала;

движение частицы по отношению к газовому потоку может описываться законом Стокса; можно пренебречь эффектами подъемной

силы, циклоны в разрезе имеют форму цилиндра диаметром D и

сечением входа aXb, а также тангенциальная скорость частиц

постоянна и не зависит от их местонахождения.
Критический размер частицы dKP может быть найден следующим путем. Если газовый поток, имеющий на входе в циклон скорость Ui, сохраняет эту скорость и вращается х раз внутри циклона диаметром D, то длина эффективной траектории газового потока составит лDv.. Критический размер частиц можно определить,

как размер частицы, проходящей путь Ь (длина входа) за время

пребывания газового потока в циклоне. Время пребывания определяется как отношение длины траектории к скорости потока

лDv-lui. Силой, движущей частицу к стенке, является центробежная сила [уравнение (VI. 1)]
F' = ж*крРча?/(6Я)
сопротивление среды описывается законом Стокса [уравнение

(IV-4) ]
F = ?>л\1йкрщЬ/(п[)х)
262
--------------- page: 263 -----------
Предполагают, что щ = ит на расстоянии R от центра циклона,

где R=D/2—fc/2 (среднее расстояние частицы на входе от оси

циклона). Если они уравновешены, то
| 2ц
1 -Щ
,V.
[ярчиг '
N {
D ).
1
(VI.57)
Число витков к можно найти из уравнения
где t — время пребывания газового потока t= V/Q-, Q — расход газа в единицу

времени; V — объем циклона.
Эффективный объем циклона с размерами, показанными на

рис. VI-11, можно определить из формулы
я iiH-h\f D* — В3 \ )
V =Т {('-D=B) (—3—) + D2h)
Однако Далла Валла [193] предложил, чтобы для у. принималось экспериментальное значение, меняющееся от 0,5 до 3.
Риетема [686] подчеркнул важность конфигурации газового

потока на входе в циклон. Он полагал, что улавливание пыли

происходит в слое газа, находящемся у стенки циклона, причем

толщина слоя равна длине входа в циклон. Критический диаметр

частицы тогда определяют из уравнения
f
D
Qp ( Р \|
( ч
' all
‘ др \ Рч—р J)
■КР=1/ Ьг-^я -15г
где «я — осевая скорость.
Риетема .констатирует, что- выше некоторого числа Рейнольдса

отношение ыяМ может считаться приблизительно постоянным, тогда для циклона с известными значениями D, а и Н критический

диаметр становится функцией расхода газа и перепада давления.
Эти расчеты критического диаметра, зависящего от толщины

пристенного слоя, могут привести к определению всей кривой

Фракционной эффективности путем оценки пути, который пройдет

какая-либо частица за заданное время. Так, rfso (50% частиц удерживается) может быть найден при применении в расчетах расстояния, равного половине длины входного канала. Частицы, которые

могут пройти это расстояние, будут уловлены, тогда как остальные

проскочат через циклон.
Деви [207] использовал те же допущения, что и Розин, Рам-

МеР и Интельман; отличие заключалось в том, что в расчетах он

предполагал, что частица движется вдоль кольца в режиме сво-

°Дного вихревого потока, а не в газовом потоке, сохраняющем
263
--------------- page: 264 -----------
Рис. VI-11. Обычный циклон (приведены размеры, используемые в расчетах) .
Рис. VI-12. Центральные зоны циклона, принятые прн расчетах различными авторами:
Del2 — СтеПрманд; 2/3/) £— Тер-Линден;
ту же конфигурацию, которую он имел на входе в циклон. Деви
нашел, что
^Кр
- 2 ]/ ( 2# (Рч — р) Uf {*“( D ) })
(VI.61)
Другое значительное допущение состояло в том, что время пребывания задавалось отношением #/«/, что является весьма грубым

приближением, поскольку при этом кроме общей высоты не учитываются другие размеры циклона. Более разумное определение времени пребывания возможно на основе объема циклона [уравнение

(VI.59)] и расхода газа Q, что дает модифицированную форму

уравнения (VI.61):
dup —
1 — (2De/3D)4
2яи? (Рч — р) | Н — h Ds —1
D — B
D2
(VI. 62)
Фейфель [255] получил такие же результаты, что и Деви; он

тоже предполагал, что частица в цилиндрическом циклоне движется в режиме свободного вихря.
Значения dKP, полученные Розином с сотр. [706], Деви [207],

Тер-Линденом [515], Далла Валла [193] и Фейфелем [255], быля

использованы Свандой [845] для типичного циклона, и результаты

были выражены в виде
dKp — const Ю-6 Yl/ui
--------------- page: 265 -----------
Ниже приведено сравнение расчетов критического диаметра частиц, сделанных на основе различных уравнений [845].
Данные для расчета:
Параметры циклона, мм
D
D.
Н
Плотность частиц, г/см3
Вязкость газа, Па-с
D03/D (где D03 — диаметр опасной зоны, по Тер-
Линдену)
к (по Далла Валла)
Полученные расчетом результаты: const в ур-ии (VI.63)
Розин, Раммлер, Инжельман Г706]
Деви [207]
Тер-Линден [515]
Далла Валла [193]
Фейфель [255]
Из приведенных выше данных видно, что несмотря на сделанные грубые допущения, результаты, полученные различными исследователями, довольно близки друг к другу.
Предположения, сделанные в теоретических расчетах критического диаметра частиц, на практике не подтверждаются, поэтому

методы расчета эффективности циклона, основанные на экспериментальных данных, кажутся более надежными. В этих методах

обычно рассчитывают «срез» циклона, характеризующийся размером частиц, эффективность улавливания которых в данном циклоне

составляет 50%.
Вероятность того, что частицы, витающие в кольце, в точках

максимальной тангенциальной скорости, будут уловлены или пройдут в выходной газоход, равна 50%. Для того чтобы они продолжали витать в этом кольце, необходимо, чтобы движение частиц

наружу, т. е. по направлению к стенке, уравновешивалось дрейфом

газов по направлению к оси.
Стейрманд [803] предположил, что максимальная тангенциальная скорость ыт, шах достигается на расстоянии от оси, равном половине радиуса выходной трубки (диаметр De). Средний радиальный дрейф по направлению к центральной зоне получают делением

Расхода газа на площадь поверхности центральной зоны

(Рис. VI-12,а):
2 Q
“Я °Р = яDe(H — S)
Если сопротивление среды движению частицы подчиняется за-

к°ну Стокса [уравнение (IV-4)], то принимая за скорость «rcp и
265
--------------- page: 266 -----------
учитывая, что оно уравновешивается центробежной силой действующей на частицу, получаем
db°- Uj(p 2л (рч — р) (// — S) D
где dso—диаметр «среза» циклона; <р — коэффициент трения см. уравнение

(VI.74).
Добавочным условием, принятым при выводе формулы (VI.65)

было:
“т. татР*!* = и\°!2 = const
Оно представляет собой эмпирическое соотношение, найденное

Стейрмандом.
Барт [58] использовал предпосылки, аналогичные соображени-:

ям Стейрманда, однако он считал, что максимальная тангенциаль*

ня скорость достигается в кольце, лежащем на одной линии с вы-'

ходной трубой, а не внутри ее (рис. VI-12, Барт). Скорость

дрейфа в цилиндре, лежащем на одной прямой с выходной трубой,

равна:
ur ср = пое (// — S)
Частица с диаметром «среза» dso должна обладать скоростью,

направленной наружу, равной скорости дрейфа, и, выражая это'

через гравитационную конечную скорость осаждения т, диаметр

может быть найден из уравнения (IV.15) при условии вязкостного

сопротивления потока. Причем
* _ ur го в
ит - п ~ 2л (H — S)u\
Эффективность осаждения частиц других диаметров может быть)

найдена путем расчета их конечных гравитационных скоростей

осаждения, а затем по экспериментальным результатам Барта|

(рис. VI-13), кривая 1, в которых эффективность осаждения пред-]

ставлена как функция отношения щ/и*.
Подобные кривые для расчета эффективности осаждения были

определены Мушелькнаутцем и Брюннером [590] для гидроциклш

на диаметром 72 мм (рис. VI-13, кривая 2), для двух циклонов в

тангенциальным входам диаметром 400 и 300 мм соответственно

(кривые 3 и 4) и для циклона с осевым входом диаметром 200 мМ

(кривая 5). Другие размеры циклонов представлены в табл. VI-II
Другой параметр, характеризующий эффективность осаждения

для отдельных типов циклонов, был введен Бартом и ЛейнвебероМ

[61]. Они назвали его параметром разделения В и определили как
(VI .68)
nD3
266
--------------- page: 267 -----------
Рис. VI-13. Кривые для расчета фракционной эффективности

(метод Барта) [589]:
t — экспериментальная
(Барт); 2— гидроциклон (D=

=72 мм): 3—циклон с тангенциальным входом (D=400 мм); 4—

циклон с тангенциальным входом

(D=300 мм); 5 — циклон с осевым

входом (£>=200 мм).
Llt/^
Можно отметить, что этот параметр включает характеристический параметр частиц ut, расход, а, следовательно, и скорость потока для данного циклона Q и размеры циклона D. Авторы считают, что эксперименты, проведенные с моделью циклона с использованием параметра В, находятся в хорошем соответствии с данными, полученными на промышленной установке. Лейнвебер в последующих работах [501, 502] определил параметр В для различных циклонов наряду с перепадом давления, что будет обсуждаться в следующем разделе.
Барт и Лейнвебер [61] ввели также модифицированный коэффициент разделения В*, который следует вводить в уравнение в

тех случаях, когда из соображений имеющегося пространства (недостаток места) предельный возможный диаметр циклона ограничивается значением D* вместо D, при котором обеспечивается максимальная эффективность циклона.
В более поздних исследованиях, проводимых на четырех промышленных циклонах (расход более 230 м3/с) на пыли бурых углей, Петролл и др. [640] проверили параметры Барта—Леймвебера

для широкого диапазона концентраций пыли вплоть до 5 г/м3 и

нашли, что он не является универсальным параметром. Они объяснили это тем, что в параметр В не входит функция отношения высота/диаметр, а также трудностями, связанными с агломерацией

частиц пыли некоторых типов.
ТАБЛИЦА VI-1
Характеристика циклонов (см. рис. VI-19)
Кгивая на

Рис. VI-13
Циклон

(см. рис. VI-19)
сЬ
D/De
2 b/D
2 H/De
uTwax/ui
л/4 D)
2
В
0,96
3
0,3
10
2,3
3
С
0,44
4
0,17
7,5
4,3
4
D
0,90
3
0,3
10
2,8
5
Е
0,75
2
(0,36)
10
2,0
267
--------------- page: 268 -----------
Совсем недавно Румпф, Боро и Рейхерт [716] провели расчеты

оптимизации эффективности циклона и перепада давления, используя ЭВМ для получения характеристик циклона, выраженных через

коэффициент разделения В.
Основываясь на обширных экспериментальных исследованиях,

Тер-Линден предложил, что критический диаметр частиц является

только функцией тангенциальной скорости ит и диаметра выходной

трубы, тогда как вид кривой фракциональной эффективности зависит и от других геометрических параметров, таких как Н, S, D,

угол наклона конуса а и угол входа (3, форма же кривой остается

неизменной до тех пор, пока не меняются относительные размеры.
Критический размер частиц задается уравнением
/ 2DegyuR
“кр “ 3 1 / 2 / *
У Зит (рч — р)
В этом уравнении предполагают, что максимальная тангенциальная скорость достигается на расстоянии 2/з радиуса выхлопной

трубы (см. рис. VI-12), и что будут уловлены те частицы, для

которых скорость дрейфа наружу вследствие центробежной силы

уравновешена скоростью дрейфа газа к оси uR. В этом случае метод определения кривой фракционной эффективности аналогичен

методу Барта для определения соотношения гравитационных скоростей оседания. Исключение составляет тот факт, что опубликован лишь только график для серии циклонов с одинаковыми относительными размерами [516] (рис. VI-14).
Влияние изменения размеров циклона на его общую эффектив*.

ность было исследовано Тер-Линденом [515] и Стейрмандом [803]

на стандартных аналитических типах пыли (табл. VI-2).
Тер-Линден изучал эффективность (а также перепад давления)

циклона, изменяя попеременно один из геометрических размеров
Рис. VI-14. Кривые для расчета фракционной эффективности специфической)

циклона [516] (размеры циклона: D=2,4De; H=S,4De\ S=l,2 De; a=2iTj
(3=180°, n=10—15 м/с):
/ — извлечение 50%; 2 — 70%; 3—80%; 4 — 90%; 5-95%; 6- 100%.
--------------- page: 269 -----------
*5. юо
% 'ЧШпиндтинафсЬв
’Л *
\
V
\
1
\
\
\
\
\
V.
\
1
' I г
'‘HU:wnr)Tjft]Hart)[t>£
--------------- page: 270 -----------
ТАБЛИЦА VI-2
Стандартная аналитическая пыль
Размер частиц, мкм
Содержание, % (масс.)
порошкообразная глииа

(Тер-Лнндеи)
мелкий песок

(Стейрманд)
летучая зола

(стандарт США)
0—5
30
20
35,8
5—10
12
10
22,3
10—20
18
15
21,4
20—f0
28
27
14,1
Более 50
12
28
6,5
циклона, например, диаметр циклона D, его высоту Н или заглубление выходной трубы S, а также скорость входящего газа щ.

Полученные результаты представлены на рис. VI-15.
Он показал, что увеличение относительных размеров диаметра

D и диаметра выходной трубы De приводит к повышению эффективности вплоть до отношения 3:1, после чего дальнейший рост

диаметра практически не влияет на эффективность (рис. VI-15,а).

Увеличение высоты Н также способствует улучшению эффективности (рис. VI-15,6), причем для одного из исследуемых циклонов

максимальная эффективность осаждения была достигнута в том

случае, когда выходная труба была заглублена в циклоне на длину, равную диаметру трубы, и ее конец располагался ниже входа

в циклон (рис. VI-15,в). Было также найдено, что увеличение скорости потока при входе в циклон улучшает эффективность. Кроме

того, некоторую роль играет соотношение сечений выходной и входной труб, причем эффективность улучшается при меньших отношениях (рис. VI-15,е).
Стейрманд [806] получил кривые эффективности для циклонов,

один из которых высокоэффективный, но с малой производительную
гой— со средней эффективностью и высокой производительностью (рис. VI-16,6).

Кривые фракционной эффективности, представленные на

рис. VI-17, были получены

для циклонов диаметром
Рис. VI-16. Стандартная конструкция циклона Стейрманда [806]:
а — модель высокой эффективности н

средней производительности с расходом 500 D2 м3/ч; б — модель средней

эффективности и высокой производительности с расходом 1500 D2 м3/ч (скорость на входе равна примерно 15,2 м/с

для обоих типов).
270
--------------- page: 271 -----------
Рис. VI-17. Фракционная эффективность циклонов диаметром 200 мм при скорости газа на входе 15,2 м/с, плотности пыли 2000 кг/м3 и температуре воздуха 20 °С:
а — для высокоэффективного циклона (см. рис. VI-!6a); б—-для высокопроизводительного
циклона (см. рис. VI-166).
200 мм при плотности пыли 2000 кг/м3, температуре воздуха 20 °С

и скорости на входе 15,2 м/с. Эти кривые подтверждают результаты исследований Линдена, поскольку более эффективным оказался относительно более длинный циклон с малым диаметром выходной трубы по сравнению с циклоном с большим диаметром выходной трубы и относительно меньшим цилиндром.
Эксплуатационные качества циклона, работающего в условиях,

отличающихся от тех, для которых известны экспериментальные

данные по фракционной эффективности, могут быть предсказаны

на основании этих данных путем сопоставления с экспериментальными данными:
1)
которые будут улавливаться с той же эффективностью, что и частицы определенного размера экспериментальной (аналитической

пыли), может быть найден путем умножения размера частицы экспериментальной пыли на
| Г плотность экспериментальной пыли

г
2)
щего через циклон, размер частиц при новом расходе, которые будут улавливаться с той же эффективностью, что и частицы определенного размера при экспериментальном расходе, может быть

Рассчитан путем умножения размера частицы экспериментальной

пыли на
-л Г экспериментальный расход

V
3)
пературы газа), размер частиц при равной эффективности может
271
--------------- page: 272 -----------
быть рассчитан путем умножения размера частицы экспериментальной пыли на
V
экспериментальная вязкость
новая вязкость
4)
рического подобия с экспериментальным циклоном, размер частиц

для равной эффективности может быть рассчитан путем умножения

размера частиц экспериментального циклона на
7. ПРЕДСКАЗАНИЕ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ В ЦИКЛОНЕ
Знание перепада давления в циклоне и факторов, влияющих на

него, необходимо для предсказания потребляемой энергии, и, если

это возможно, уменьшения ее путем выбора лучших параметров

циклона, а также для выбора соответствующих вентиляторов. Известны следующие причины перепадов давления (падение или повышение) : потери давления во входной трубе вследствие трения;

потери, обусловленные расширением или сжатием газа на входе;

потери в циклоне вследствие трения о стенки; потери кинетической

энергии в циклоне; потери на входе в выходную трубу; гидростатический напор между входной и выходной трубой; рекуперация

энергии в выходной трубе.
В то время, как Стейрманд [800] и Барт [58] предлагают подробные теории, включающие ряд причин перепада давления, Ше-

ферд и Лоппль [765] и Тер-Линден [516] считают, что потеря газом кинетической энергии в циклоне настолько превышает потери

от всех других причин, что только эта потеря и должна учитываться. Тер-Линден дает выражение для определения этого перепада в

зависимости от скорости на входе и безразмерного коэффициента

падения давления:
где р^=с(.рч—р) для учета концентрации* с:
Экспериментальный коэффициент падения давления для циклонов, исследованных Тер-Линденом, показан на рис. VI-15 прерывистой линией.
Барт [58] предлагает тщательно разработанный метод расчета

коэффициента потери давления, основанный на двух факторах:

на потере давления на входе в циклон и потере давления вследст-


* Хотя теоретически плотность среды возрастает вследствие наличия частиц,

и это должно было бы привести к увеличению перепада давления в соответствии с уравнением (VI.70), на практике, по другим причинам, присутствие частиЯ

уменьшает перепад давления в циклоне.
272
--------------- page: 273 -----------
вне трения о стенки (обозначаемые индексом i); а также на потере давления в центральной области и на входе в выводную трубу

(обозначаемые индексом е).
Коэффициенты потери давления 'Q выражаются через скорость

газов iHa входе, равную ит,тах, и задаются Бартом в .виде -функции

от коэффициента сопротивления, определяемого следующим образом:
чшм
где ab — площадь сечения входной трубы; ие — скорость при входе во входную

трубу ue=4Qf(nDl).
Коэффициент сопротивления представляет собой сумму двух

компонентов
e = ej + ee
которые могут быть найдены из следующих выражений:
Д pi
8| =
^т,шах (р + Рч) 28 D
2^т,тах ffl '*) l2

UeDe
(VI.72a)
где ц' — коэффициент трения между газом и стенкой, обычно принимается равным 0,02.
АРр
ит, шах (р + Рч)№ё (ит,тах/ие) ^
т, max
Соотношение скоростей «т,шах/«е было выражено Бартом через

размеры циклона, коэффициент трения газ — стенка ц' и конструкционный коэффициент потерь на входе:
ит,шах
йе = 2aba + д (Н — S) (D — Ь) ц'
Конструкционный коэффициент потерь зависит от формы входа

в циклон. На рис. VI-18, а представлены три типа входов. Для входа с оберткой величина а=1, тогда как для других форм входа а

либо больше, либо меньше единицы. Третий тип входа не рекомендуется для практического применения; для второго типа коэффициент потерь может быть найден из рис. VI-18,6.
Вейднер [914] измерял l/{ab/(nD ,/4)} для ряда соотношений

“т.шах/ие (рис. VI-18,в). Кривая 1 относится к острозаканчивающе-

муся входу выходной трубы; кривая 2— к закругленному. Значения К и % для расчета потерь давления по Барту приведены ниже:
Острозакакчивающийся Закругленный

вход трубы
Значение К
аЬ \
при Ыгшах/Ue > 1 . . . кривая 1
(рис. VI-18, в)
при ttrmaxMrd ... 2,0
18—1144
--------------- page: 274 -----------
Ik wax We

fi
■ Vfi Oft
0 0,2 0/f 0,4 0,8 1,4

2(1-Zre/D)
6
Рис. VI-18. Конструкция входов в циклон и влияние их на величину коэффициента потерь [58]:
а — конструкции; б — коэффициент потерь с для модели II [58]; в — экспериментальные

кривые Вейдиера; 1 — острозакаичивающаяся выходная труба; 2 — закругленная выходная
труба.
Следовательно, для расчета коэффициента потери давления £

необходимо найти значение ej и ее из уравнений (VI.72, а) и

(VI.72,б) и соотношение скоростей uT,mzx/ue из уравнения (VI.73),

а затем применить уравнение (VI.71). Коэффициент потери давления £ и коэффициент сопротивления е были также определены эмпирическим путем для различных циклонов (рис. VI-19). Мушельк-

науцем и Брюннером [590]. Относительные размеры циклонов и

их характеристики приведены в табл. VI-3.
ТАБЛИЦА VI-3
Относительные размеры циклонов различных моделей

(см. рис. VI-19) и их характеристика [590]
Параметры
Тип циклона
А
в
С
D
D/De
2
3
3,5
3
4
аЬ/(яГ>*/4)
2,7
0,9
1*
0,9
0,44
2 H/De
12,5
23,5
14
14,5
11
2b/D
(0,4)
0,27
0,57
0,27
0,17
а
0,76
0,76
0,71
0,25
0,93
Коэффициенты трения
0,005
0,005
0,005
0,005
0,010(0,007>
иттгх/Щ
0,74
2,6
2,9
3
4,3
е
12,5
2,73
2,5
2,45
2,0
6,9
18,5
21
22
37
* В данном случае b2/D2.
274
--------------- page: 275 -----------
Альтернативный метод расчета потери давления в циклонах

предложен Стейрмандом [800]. Метод основан на измерении в различных точках потерь давления, выражаемых через скоростной

напор по формуле «2(p+pi)/2g:
1)
2)
3)
Кроме того, потери, возникающие во входной и выходной трубе,

должны быть рассчитаны по нормальным уравнениям для перепада давления в газоходах (уравнение Фаннинга). Стейрманд считает, что потери внутри циклона представляют собой потери вследствие трения о стенки и потери кинетической энергии. Было найдено,

что потеря кинетической энергии представляет собой удвоенную

разность между скоростным напором на входе и на периферии внутренней области, т. е.
(Р 4~ Рч) (uT,max ui)l8
тогда как коэффициент потерь на трение ф представляет собой отношение окружной скорости и\ на радиус входа (D/2—Ь/2) к линейной скорости во входном газоходе ии т. е.
ф =r U./Ui
где
~ |/^("2(D-b) ) + ]/(2(0-6) )-

ф=
4 GA

аЬ
(VI.74)
(VI. 75)
где G — постоянная трения (безразмерная константа потерь на трение Стеитона

и Панелла [808], равная 0,05 для газовых циклонов; А — площадь поверхности

циклона, соприкасающаяся с газами; аЬ — площадь поперечного сечения входной

трубы.
•Е5

\z2rn
Рис. VI-19. Модели циклонов, использованные Мушелькнауцем и Бриннером

[519] (относительные размеры приведены в табл. VI-2).
4-
18*
275
--------------- page: 276 -----------
комбинации коэффициентов потерь:
Рис. VI-20. Зависимость коэффициента потерь при треиии <р от

соотношения радиусов входа для

различных циклонов [800]:
а — длина входной трубы; в — ширина

входной трубы; D — диаметр циклона;

Dg—диаметр выходной трубы циклона; А — внутренняя поверхность циклона; G — коэффициент трения, равный

0,005 (предлагается постоянным); ф—Э

коэффициент потерь на тренне.
Значение коэффициента

потерь на трение <р может

быть найдено из графика

зависимости q> от 2(D—Ь)[

/De для различных значений GA/ab (рис. VI-20). Тогда полная потеря давления

может быть рассчитана из
Лр =
Р + Рч
2 g
jl + 2<р ( 2 (DDe b) )-lj + 2^ j
Стейрманд нашел, что потеря давления, рассчитанная по этому уравнению, с точностью до 10% совпадает с экспериментально

найденными значениями.
Существуют некоторые разногласия по поводу того, может ли

быть рекуперирована часть вращательной энергии, приданной гац

зам, что привело бы к уменьшению потеэч давл<. .1.
Рис. VI-21. Методы cm- • -пня перепада давления в циклонах за счет их внутренней модификации [729]:
а — полый циклон (£=17,4); о — сеччатый вкладыш (£=13,9); в — вкладыш в виде двойного

конуса (£=16,4); г — вкладыш в виде двойного конуса с лопатками (£=10); здесь £ — коэф*'

фици.’Н! потерь при трении (Тер-Линден и Барт).
276
--------------- page: 277 -----------
Тер-Линден уменьшил потерю давления на 20—25% путем помещения спирали на входе в выходную трубку, тогда как Шиле

[729]', применив твердый центральный стержень, выполненный в

виде трубки Вентури с лопатками на входе выходной трубы (рис.

VI-21), уменьшил коэффициент потерь на трение £ с 17,4 до 10, т. е.

достиг эффективного уменьшения потери давления на 42%. Однако

Стейрманд [800] не смог добиться уменьшения потери давления

с помощью внутренней модификации циклона.
8.
В общем случае пылевые нагрузки, встречаемые в промышленности, не превышают 12 г/м3. Такие исследователи как Стейрманд

и Тер-Линден и определяли их коррелирующие коэффициенты

фракционной эффективности при таких пылевых нагрузках. В некоторых случаях (на/пример, при содержании ,в газах продукта,

а не отходящей пыли) нагрузка по пыли может быть гораздо выше, иногда даже в 1000 раз. Однако даже при столь высоких концентрациях их объемные концентрации пыли относительно невелики. Так, при содержании 50 кг/м3 кварцевой пыли ее объемная концентрация составляет лишь 1,8%. Очистка от пыли такой концентрации исследовалась в последние годы Колком [456], Шпрулом

[793] и очень широко — Мушелькнауцем и Брюннером [590].
Эти исследователи показали, что тангенциальная скорость в

циклоне ит уменьшается при пылевой загрузке, причем этот эффект

наблюдается даже при малых концентрациях. Тангенциальная скорость уменьшается в выходной трубе, здесь же происходит значительная потеря давления. Таким образом, потеря давления снижается при увеличении концентрации пыли до тех пор, пока не достигнет минимума при концентрации между 1 и 10 кг/м3. Общая

эффективность пылеосаждения возрастает при увеличении концентрации пыли, хотя при этом естественно может увеличиваться абсолютное количество проскочившей пыли. Количественные результаты экспериментов, проведенных на типичном циклоне, представлены на рис. VI-22.
На практике отмечают, что при высоких концентрациях пыли

она собирается в циклические жгуты (струйки), которые стекают

по стенкам, тогда как в циклоне газ несет лишь ограниченное количество пыли, сравнимое с ее количеством при пневмопереносе

Мушелькнауц и Брюннер распространили теорию Барта, например

работы циклона при высоких пылевых загрузках, и исследовал!

силы, действующие на циклические жгуты пыли.
Сила, препятствующая движению жгута F', уравновешиваете?

массой осаждаемой пыли в жгуте т и сопротивлением трения R

Экспериментально найдено, что скорость движения жгута пример

но постоянна и составляет около 1 м/с. Графически эти величин!

представлены на рис. VI-23 для упрощенного цилиндрического цик
27
--------------- page: 278 -----------
Иагрузна по пыли, г/м 3
нг/м3


•—• 3qjqjemnu6hOcnw) %
А
Рис. VI-22. Изменение характеристик циклона при высоких пылевых нагрузках

[590] (индекс 0 относится к скорости и падению давления в циклоне без нагрузки); размеры циклона (обозначения даиы на рис. VI-11):
£>=300 мм; Dg=I00 мм; /5=200 мм; #=720 мм; h—220 мм; Ь—45 мм.
лона (в вертикальном разрезе и по развертке цилиндра). Равновесие сил задается уравнениями:
F' sin б = m cos б

F' cos б + m sin б = R
Из равновесия, основанного на массе осажденной пыли
W
m =r\-£ I
где т] — эффективность пылеосаждения; W — масса осажденной пыли; I — длииа

жгута.
Далее
т = Л8/( 1-0 рп
где — площадь поперечного сечения жгута пыли; е — доля пустот в жгуте

пыли; рп — плотность пыли.
Таким образом (1—е)рп представляет собой насыпную плотность пыли.
Необходимо также определить безразмерный коэффициент потери давления жгута пыли выраженный через параметры уравнения (VI.10), в которое подставляют значения для циклона с пылевыми жгутами, и коэффициент трения cps, который определяется

уравнением
R = <feF
(VI.77)

(VI.78)
278
--------------- page: 279 -----------
Тогда
F' = teref! (ur — с cos 6)2
m c"
F~ g ‘ D/2cos26
(VI. 82)

(VI .83)
где g — ускорение силы тяжести.
Соответствующий радиус для центробежной силы, действующей

на пылевой жгут Dj (2cos2 б), представляет собой вертикальный

радиус тангенциального шага эллиптического сечения. Скорость

жгута может быть рассчитана из уравнений (Vl.ll), (VI.18),

(VI.81) и (VI.83):
= ,/7-L ._е£/2_\
I/ I <р8 sin б cos2 а ]
(VI.84)
Эта скорость пренебрежимо мала по сравнению со средней тангенциальной скоростью. Используя
rs = V
и уравнение для мощности пылепереноса при пневматическом

транспортировании для выходной трубы можно получить
1Р = (е>п)
(4 “И
иер
(VI. 86)
где ие — скорость в выходной трубе.
Дальнейшие расчеты показывают, что момент жгута Ms —

равен

М8 = F' (D/2) = (1' /т.£рп I(-&-) P^nDeD (VI.8^)
где ps — удельная плотность жгута; р.' — новая функция трения, равная
Us = (8<Р» sin 6 cos2 б)1/4
(VI. 88)
Рис. VI-23. Силы, действующие на жгуты пыли и их скорости прн высоких пылевых нагрузках [590] (здесь F' — сопротивление движению жгута; т — масса

жгута; R — сопротивление трения; F—центробежная сила; с — скорость жгута;
rs — радиус жгута).
279
--------------- page: 280 -----------
и зависящая только от угла б. Он может быть рассчитан из вышеприведенного уравнения. Однако величина мало меняется при

значениях 6 между 30° и 60°. При высоких пылевых нагрузках момент импульса цилиндрической поверхности в выходной трубе (Ме)

получается путем вычитания из момента на входе Ма суммы моментов трения воздуха (МА) и жгута (Ms)
Ме = Ма-ША + М„)
Эти соотношения можно подставить в уравнение Барта (VI.73)

и получить эквивалентное уравнение для высоких пылевых нагрузок:
4т,max Г 4аЬ
ue
Эквивалентные значения e; и из уравнений (VI.7I) и (VI.72)

получают путем подстановки функции в фигурных скобках, соответствующей коэффициенту трения р. Функции и зависят

только от отношения рт,тах, а последнее может быть ■найдено из

рис. VI-18, в. График зависимостей ыт/«то от
I r\npDDeHW \ 1/я / De \Ч»
\ 2£,рп ) [~БГ)
имеет ту же форму и характеристики, что и график на рис. VI-22,

и экспериментальные точки расположены вблизи этих кривых

[590].
9.
Известно много разнообразных промышленных циклонов — от

относительно примитивных грубых конструкций для улавливания

древесных щепок и опилок до тщательно спроектированных и испытанных установок для улавливания мелких частиц размером до
5
тельным исследованиям, в ходе которых установлен минимальный

размер частиц, которые могут эффективно улавливаться, а также

определен оптимальный расход газа с минимальной потерей давления для каждого частного случая.
Во многих случаях изготовитель публикует кривую фракционной эффективности, основанную на испытаниях, проведенных со

стандартными типами пылей, и предназначенную в качестве справочного материала для выбора циклона. Однако иногда покупатели циклона могут ошибиться в выборе аппаратуры для некоторых

типов пыли, поэтому большинство изготовителей дают гарантию,

основанную только на испытаниях, проведенных с данным типом
280
--------------- page: 281 -----------
пыли. В этом разделе будут рассмотрены типичные промышленные циклоны и, по мере возможности, приведены кривые их фракционной эффективности.
Прямоточные циклоны с неподвижными лопатками
Прямоточные циклоны действуют как концентраторы пыли; в

них сконцентрированная пыль вместе с некоторым количеством газа отводится в периферийную область и направляется во вторичный сборник, тогда как чистый газ проходит в осевом направлении. Вторичным сборником может служить другой циклон обычного типа или пылеосадительная камера.
Многокамерные прямоточные циклоны часто применяются для

предварительной очистки топочных газов, характеризующихся высоким содержанием летучей золы (например, при сжигании высокозольных пылевидных углей), перед тем как частично очищенный

газ поступит на электрофильтры. Типичная конструкция многокамерной установки показана на рис. VI-24, а.
Рис. VI-24. Многокамерные прямоточные циклоны с пропусканием пыли в пылеосадительные камеры и последующие циклоны:
1 — кольцевая щель для пыли; 2 — направляющие лопатки; 3 — вспомогательный вентилятор;

4 — вторичные циклоны; 5 — сборник грубой пыли; 6 — сборник тонкой пылн.
281
--------------- page: 282 -----------
Рис. VI-25. Фракционная эффективность установки, приведенной на

рис. VI-24 [207] для частиц плотностью 2000 кг/м3.
Сконцентрированная пыль

поступает в пылеосадительную

камеру, затем проходит через

циклоны. После этого очищенный газ соединяется с газом,

прошедшим через прямоточный циклон (см. рис. VI-24, й),

кривая фракционной эффективности которого приведена на

рис. VI-25.
В несколько видоизмененном устройстве (рис. VI-26, а) сконцентрированные тяжелые пылевые частицы оседают в гравитационной пылеосадительной камере, а более легкие фракции проходят

над камерой к циклону. Очищенные в циклоне газы соединяются

с газовым потоком, прошедшим через прямоточный циклон. Кривая фракционной эффективности этого устройства представлена на

рис. VI-26, б.
Большие однокамерные пылеочистные установки применяются

для очистки газа, образующегося в топках небольших котлов (объем газа до 85000 м3/ч), когда существенной проблемой является

минимальная потеря давления, а степень удаления пыли не является критическим фактором (например, для судовых котлов). Для
о ю го зо
Диаметр частиц, тм

Л
Рис. VI-26. Многокамерный прямоточный циклон с пылеосадительной

камерой (первичный пылесбориик) н

параллельными циклонами:

а — схема установки 1839]; б — фракционная эффективность; 1 — направляющие лопатки; 2 — отбор к вторичному циклону;

3 — вторичный циклон; 4 — вторичный пы-

яесборник; 5 — вспомогательный вентилятор; 6 — первичная камера; 7 — первичный

коллектор; 8 — первичный пылесборинк.
282
--------------- page: 283 -----------
дымовых труб с естественной тягой особенно пригодны осадителн-

коллекторы с восходящим потоком (рис. VI-27). В коллекторе а

предусмотрена пылеосадительная камера, тогда как в коллекторе
б
разместить в дымовой трубе, можно установить уловитель с нисходящим потоком и боковым входом (рис. VI-27,в). Эффективность

такого уловителя приведена на рис. VI-27, г. Как и следовало предполагать, газоочистительная установка со вторичным циклоном в

качестве коллектора является более эффективной по сравнению с

установкой, имеющей пылеосадительную камеру, а установка с

нисходящим потоком лучше установки с восходящим потоком (глава V).
Газ
г
Рис. VI-27. Центробежные пылесборники [377]:
с — с восходящим потоком н пылеосадительной камерой; б — с восходящим потоком и циклонным сепаратором; в — вихревой пылесбориик с нисходящим потоком; г — зависимость

эффективности от объемной скорости потока для моделей о, б и в: I — дымоход котла; 2 —

дымовая труба; 3 — вторичная камера.
283
--------------- page: 284 -----------
Рис. VI-28. Прямоточный орошаемый

пылесборник [413]:
а — вид установки; б — фракционная эффективность.
Ниже приведен гранулометрический состав пыли (в % масс.):
Размер, мкм . 152 76 60 50 40 30 20 10 5

Содержание . 38,4 28,0 21,9 17,7 13,0 9,0 5,5 2,5 1,25
Примечание. Плотность пыли 2000 кг/м3.
В литературе [197] описаны очень изящные конструкции с удлиненными лопатками, однако они не производятся в промышленных масштабах. Размер мельчайшей частицы плотностью

1000 кг/м3, улавливаемой на таких установках, равен 3—5 мкм

при очень высоких скоростях на входе — до 210 м/с. Как уже упоминалось, это явление может быть предотвращено путем впрыска

воды на входе в циклон. Промышленная конструкция такого типа

представлена на рис. VI-28, а, а кривая ее фракционной эффективности— на рис. VI-28,6. Из этой кривой, полученной для угольной пыли, видно, что на такой установке можно улавливать частицы размером 1 мкм с эффективностью 80%.
Прямоточные циклоны с подвижными лопатками
Такая установка показана на рис. VI-26, а кривая ее фракционной эффективности — на рис. VI-29 [947]. С помощью таких циклонов можно достичь эффективности около 90% при улавливании

частиц размером 5 мкм (плотность 26000 кг/м3), что несколько лучше, чем в случае обычных высокоэффективных циклонов.
284
--------------- page: 285 -----------
Прямоточные циклоны с неподвижными лопатками

и обратным потоком
Принцип работы таких установок был рассмотрен на стр. 281.

На практике вторичный газ поступает во внутреннюю камеру из

внешней кольцевой камеры через зазор 75—125 мм (в зависимости

от размеров циклона). Общее устройство показано на рис. VI-30.

Для промышленных установок расход газа составляет от 34 до

6800 м3/ч, содержание пыли в нем до 230 г/м3. Преимуществами

таких циклонов являются незначительность истирания стенок и

возможность очистки горячих газов, которые могут быть охлаждены потоком вторичного воздуха, поэтому для изготовления корпуса циклона не требуются огнеупорные материалы. Созданы также

многокамерные установки.
Кривые фракционной эффективности при очистке пыли разных

типов плотностью от 1000 до 2600 кг/м3 представлены на рис. VI-31.

На рис. VI-32 приведены показатели работы типичной цилиндрической установки диаметром 200 мм. Из рисунка видно, что эти

циклоны отличаются большой потерей давления, однако это компенсируется высокой эффективностью при удалении частиц малых

размеров. Ниже приведен гранулометрический состав, пыли

(в % масс.) плотностью 2000 кг/м3:
Размер, мкм .... 1,4 2,0 2,8 4,0 5,6 8,0 11,2

Содержание . . . . 1,5 4,0 8,0 16,0 26,0 38,0 49,0
faS
диаметр частиц, мт
Рис. VI-29. Фракционная эффективность прямоточного циклона с подвижными лопатками (плотность

2300 кг/м3).
Рис. VI-30. Принципиальная схема

Рямоточного циклона с обратным

t
Сопл‘1ОЛ.Ьцевой заз0Р; 2 — пылесборник; 3 —

сгаг.5' ~ Хамера вторичного воздуха; 5 —

"оилизатор потока; 6 - вихревая фор-

ка: 7 — диафрагма пылесборника.
--------------- page: 286 -----------
Рис. VI-31. Фракционная эффективность прямоточных циклонов с неподвижными лопатками и обратным потоком:
1 — плотность частиц 2600 кг/м3; 2— 2000 кг/м3; 3 — 1500 кг/м3; 4— 1000 кг/м3.
Z50
Расход запыленного газа Q, м3/ч
Рис. VI-32. Соотношение между расходом запыленного газа, общим перепадом

давления, расходом вторичного газа и эффективностью улавливания для прямоточного циклона с обратным потоком.(£>=200 мм):
/ — постоянная потребляемая мощность, обеспечивающая 60% эффективности мотора в

вентилятора, равная 0,4 кВт; //— то же, 0,6 кВт; JII — то же, 0,8 кВт; 1—расход вторич-»

ного газа (Q2—Qi) 250 м3/ч; 2 — то же, 230 м3/ч; 3 — то же, 210 м3/ч (Q — общий расход:
газа).
Спиральные пылеуловители
Изготовляется несколько типов стационарных спиральных (тангенциальных) пылеуловителей. В этих установках в спиральной

камере газ приобретает центробежный импульс, причем пыль собирается в периферийном слое, который поступает во вторичный

пылесборник. Чистый газ выбрасывается наружу. Чаще всего Щ

качестве вторичного пылеуловителя используют обычный циклон.

На рис. VI-33, а показана одна из таких установок. Кривая фракционной эффективности для установки диаметром 2 м, работавшее

при скорости газа 6,6 м3/с была получена Стейрмандом [806].
286
--------------- page: 287 -----------
Другой пылеуловитель, подобный по принципу действия, но с

тангенциальным входом и спиральным выходом, представлен на

рис. VI-33,6. Кривые фракционной эффективности установок обоих типов приведены на рис. VI-33, в в одинаковом масштабе. Из

графика видно, что вторая модель отличается несколько большей

эффективностью при улавливании частиц размерами около 30 мкм.
Циклоны с вытяжным вентилятором
Вращательное движение газовому потоку может быть сообщено

не только с помощью неподвижной спирали; иногда для этой цели

используют вытяжные вентиляторы. На рис. VI-34 представлены

две типичные модели таких установок, для первой из них приводится кривая фракционной эффективности (рис. VI-34,a). В одной

из модификаций модели б для улучшения рабочих характеристик

применяют водяное орошение (рис. VI-34, в).
Рис. VI-ЗЗ. Спиральные пылеуловители:
а — простой спиральный пылеуловитель

[806]; б— циклом Буелла-ваи-Тонгерена

[140]; в — фракционная эффективность циклонов обоих типов [140, 806]: 1 — альтернативный выход очищенного газа; 2 — первичный пылеотделитель; 3 — регулируемый дефлектор; 4 — вторичный пылеуловитель; 5 — короб с запыленным газом,

направляемым ко вторичному коллектору.
287
--------------- page: 288 -----------
ЗапЫпеннЬк!
воздух --%'v
Peu.UK!7

воздуха
Рис. VI-34. Пылеуловители с

вытяжным вентилятором:

а — вытяжной вентилятор с последующим циклоном для концентрирования пыли £657]; б—вытяжной.;

вентилятор с последующей гравита- J

цнонной пылеосадительной камерой •

для концентрирования пыли [18];

в — установка с вытяжным вентиля- w

тором с орошением [18]; г—фрак- j

ционная эффективность установки,*

показанной на рис. а [657]: 1 — вытяжной вентилятор; 2 — циклоиЯ

3 — пылебсадительиая камера; 4 —

кольцевое отверстие; 5 — водяноед

орошение; 6 — кожух с импелД|И

ром.
Обычные (противоточные) циклоны
Конструкция таких циклонов уже рассматривалась в предыду^

щих разделах, посвященных теории циклонов. Различные типы

распространенных в промышленности циклонов отличаются друг

от Друга конструкцией входа и относительными размерами. Нм

практике применяется один из четырех типов входа (рис. VI-35K*

тангенциальный вход без спирали; вход с загибом без спирали я

вход с загибом со спиралью, а также вход газа по оси с направляющими лопатками.
Корпус циклона может иметь цилиндрическую форму или усеченного конуса, в ряде случаев (в случае затруднений с производственным помещением) он может быть изогнут под углом 90° (PHfj
VI-36). Выходная труба может быть прямой, изогнутой, с лопастЯ
Запыленный

£cjdt/T—
гр чо во so юо izo
' Диаметр частиц, мни 1

г
288
--------------- page: 289 -----------
Рис. VI-35. Разновидности входов в циклон:
а — тангенциальный; б — с загибом; в — по спирали; г — по оси.
Г
Рис. VI-36. Основные варианты корпуса циклона:
с—прямой цилиндр; б—цилиндр н прямой конус; в — изогнутый коиус.
EZ2Z2
Рис. VI-37. Основные варианты выходных труб из циклона:
а прямая; б н в — скошенные; г — прямая с лопатками для уменьшения потери напора.

19—Ц44
--------------- page: 290 -----------
to
Рис. VI-38. Циклоны с «отсечением» пылн

[140]:
а — схема работы; б — конструкция «отсечного» канала— байпаса (ваи-Тоигерен); в — фракционная эффективность циклонов с байпасом: 1 — устройство

для отсечки пыли; 2 — обходной канал для пылн;

3 — спиральный отвод; 4 — спиральный обходной канал; 5 — выход обходного канала, ориентированный

на нагревание потока; /— низкая производительность, высокая эффективность; II — больший расход
ми (рис. VI-37), иметь внутреннюю насадку одного из видов, обсуждавшихся ранее (юм. рис. VI-21).
Эффективность этих элементов в различных сочетаниях широко изучалось многочисленными исследователями. Для двух типичных конструкций (см. рис. VI-16) были приведены кривые фрак-

циональной эффективности (см. рис. VI-17). (Эффективность других моделей можно определить, используя методы, изложенные в

разделе 6 главы VI).
Усовершенствование рабочих характеристик циклонов было достигнуто созданием отсекающих пылевых каналов, по которым отводится пыль, собирающаяся около крышки (она может попасть в

выходную трубу, если не будет отведена в коническую секцию цик-
290
--------------- page: 291 -----------
лона см. рис. VI-38,а). Типичные кривые фракционной эффективности таких циклонов представлены на рис. VI-38, б. Максимальное

удаление пыли было достигнуто на циклоне диаметром 900 мм при

небольшом расходе газа. Эффективность модифицированных конструкций, имеющих большую производительность, несколько ниже.
Мультициклоны
Из анализа формул для определения критических размеров частиц видно, что теоретически при тех же скоростях небольшие циклоны являются гораздо более эффективными уловителями частиц
Рис. VI-39. Конструкция мультициклона с входом

по оси и пылеосадительной камерой:
1 — рабочий люк; 2 — набор циклонов; 3 — декантацион-

ный пылесборник; 4 — центральный пылесборник; 5

шнбер.
19*
291
--------------- page: 292 -----------
Рис. VI-40. Конструкция мультициклона

со входом по оси и механизмом для

быстрого демонтажа циклонов [920].
малых размеров, чем большие

циклоны. На практике это улучшение характеристик не столь

очевидно из-за увеличения проскока, который наблюдается в

небольших циклонах. Один исследователь, сравнивая высокоэффективные циклоны с мультициклонами, нашел, что набор из

нескольких небольших циклонов

(мультициклон) не намного лучше большого циклона, хотя изготовление мультициклона стоит

намного дороже [805].
Существуют и другие проблемы, например, забивание конуса

и пылесборника, что происходит

при работе с некоторыми типами

пыли или при высоких .пылевых

нагрузках, и поэтому необходимо предусмотреть устройство для

упрощения очистки. Одним из важных преимуществ мультициклонов является то, что для единичного высокоэффективного циклона

производительностью 4600 м3/ч и диаметром 900 мм необходима

высота 7,6 м (циклон, пылесбориик и выходная труба), тогда как

высота мультициклона при той же производительности составляет

всего 2,4 м.
Типичные мультициклоны с тангенциальным и осевым входом

представлены на рис. VI-39—VI-41.
Первый тип (рис. VI-39) изготовлен из высококачественного чугуна для защиты от эрозии, второй (рис. VI-40) сконструирован

так, что его можно быстро демонтировать, тогда как аппарат на

рис. VI-41 представляет собой конструкцию, включающую проволочный скребок, управляемый снаружи, что позволяет периодически прочищать циклон вручную или автоматически без демонтажа.
Типичные кривые фракционной эффективности представлены

на рис. VI-42,a для стандартных пылей, а на рис. VI-42,6 приведены кривые фракционной эффективности, полученные на установке типа в при улавливании летучей золы в трудных эксплуатационных условиях [330]j.
Циклены для улавливания капель жидкости
Если необходимо улавливать капли, образовавшиеся при конденсации паров или захваченные газовым потоком, то в конструк292
--------------- page: 293 -----------
ции соответствующего циклона необходимо предусмотреть меры

защиты от ползучих слоев жидкости. Эти слои, образующиеся при

агломерировании капель «подгоняются» к выходной трубе быстро

движущимся газовым потоком. Слои подтекают к окончанию выходной трубы, откуда они легко увлекаются газом. Степень ползучести зависит от свойств жидкости — ее поверхностного натяжения

и вязкости, так, например, масло увлекается быстрее чем вода.
Захват и увлечение капель будет происходить также в зоне

низкого давления по оси циклона, и капли жидкости, движущиеся

к основанию конуса, могут всасываться потоком отходящих газов.

Поэтому было высказано предположение [230], что циклон цилиндрической формы более пригоден для улавливания капель, чем

обычный циклон конической формы. Одна из конструкций такого

типа (рис. VI-43, а) состоит из плоской плиты, образующей фальшивое основание; между плитой и корпусом образуется щель, че-
Рис. VI-41. Конструкция циклона с

зходом по оси, сиабжеииого скребками [377].
293
--------------- page: 294 -----------
Диаметр частиц, мкм

а
Размер частиц\, мим
б
Рис. VI-42. Фракционная эффективность мультициклонов:
а — с циклонами типа рис. VI-39 для экспериментальной пылн плотностью 2000—2200 кг/м*

при 150 °С; б — с циклонами типа рис. VI-41 для ТЭЦ, работающей на угле с высоким

содержанием пыли [330]. 1 ~ АР=372 Па; 2 — 620 Па; 3 — 860 Па; 4 — при нормальной нагрузке; 5 — прн максимальной нагрузке; /— зола н угольная мелочь; //— угольная пыль в
бурый уголь.
рез которую жидкость стекает в отстойник. На крышке циклона

предусмотрена «юбка» I, предотвращающая сползание жидкости в

выходную трубу: жидкость сдувается с юбки и отбрасывается к

стенке. Классический циклон с юбкой для предотвращения сползания жидкости показан на рис. VI-43, б.
Другая конструкция, используемая для разделения пара и капель жидкости в котельном барабане, тоже имеет спиральный вход

для смеси пар — капли воды, параллельные стенки и наклонные

лопатки на периферии для воды, а также гофрированные пластины

на выходе пара для предотвращения захвата воды (рис. VI-43,e)*

Другое решение проблемы циклонного улавливания капель исполь294
--------------- page: 295 -----------
зовано в циклонном орошаемом скруббере (рис. IX-7), где продвижение жидкости вверх замедляется тем, что вход газа и жидкости расположен в нижней части циклона.
10.
ЦИКЛОНЫ (СЕРИИ)
Когда циклоны работают только как концентраторы пыли,

пыль, сконцентрированная в гораздо меньшем объеме газа (около

10% первоначального объема) должна поступать во вторичный

пылесборник. Естественно, эффективность системы зависит от эффективности первого пылеуловителя и не может превысить ее.
Если газ, выходящий из второго коллектора, смешивается с

газовым потоком, входящим в первый коллектор, то общая эффективность системы должна быть равна эффективности первого
о
®Учестыиндрнчссиая модель с отражателем над сливом (I — юбка для предотвращения пол-

жидкости) [518]; б — обычный циклон с тангенциальным входом и юбкой / [803];

в — туманоуловитель, помещенный в котельный барабан [45].
--------------- page: 296 -----------
—IT
П
h
Рис. VI-44. Варианты последовательного соединения циклонов [458].
коллектора. С другой стороны, если выходящий из второго коллектора газ поступает в поток газа, очищенного в первом коллекторе,

то общая эффективность такой комбинированной установки будет

ниже эффективности первого коллектора.
Чтобы обобщить это положение, Ван-дер-Колк [458] рассмотрел общую эффективность двух циклонов в трех возможных комбинациях (рис. VI-44):
1)
вого циклона;
2)
ли из первого циклона у вершины конуса, и очищенный воздух подается на вход первого циклона;
3)
щенный воздух подступает в поток очищенного в первом циклоне

воздуха.
В первом сочетании эффект второго циклона крайне незначителен, поскольку в нем должны улавливаться гораздо более мелкие

частицы, чем в первом циклоне. Необходимо подчеркнуть, что по-,

теря напора в этом случае в два раза больше, чем в одном циклоне, а энергозатраты такой системы можно оправдать только в том

случае, если совершенно необходима степень очистки, достигаемая таким образом.
Если последовательно используются два малоэффективных циклона, результат будет не лучше, чем при использовании одного высокоэффективного циклона, который выполняет те же функции с

гораздо меньшей потерей напора, поэтому такое сочетание не экономично. Ван-Эббенхорт Тенгберген [231] подчеркивает, что хотя

система 1, показанная на рис. VI-43, может привести к снижению

количества пыли в отходящем газе в два раза, одновременно удваивается ее стоимость и эксплуатационные расходы. Он также

рекомендует использование одного высокоэффективного циклона

для достижения такого же результата.
Экспериментально было найдено [230]', что критическим фактором в работе циклона является давление в пылесборнике. Еслв

допустить подсос воздуха в пылесборник, эффективность уменьша-
296
--------------- page: 297 -----------
Рис. VI-45. Циклон с регулируемой конической пробкой

в конусе циклона для предотвращения образования вихрей в пылесборнике.
ется, тогда как отбор воздуха из пылесборни-

ка улучшает эффективность. Постоянное удаление пыли из вершины конуса и пылесборника

к второму коллектору (комбинации 2 и 3) будет точно так же способствовать улучшению

эффективности, поскольку газовая спираль из

ядра циклона доходит до пылесборника, перемешивает осевшую пыль и захватывает мелкие

частицы. Это и было использовано во влажных

циклонах для ускорения осаждения [432]. В газовых циклонах часто в центр отверстия пылесборника помещают небольшой диск для предотвращения уноса частиц (рис. VI-45).
Второй циклон в системах 2 и 3 (см. рис. VI-44) представляет

собой очень маленькую установку по сравнению с первым циклоном, и его эксплуатационные качества могут быть улучшены благодаря высокой концентрации пыли. Система 2 обладает значительно большей эффективностью, чем единичный циклон в связи с

постоянным отсосом газа и удалением частиц, хотя возможность некоторой рециркуляции мелких частиц и существует. Даже когда

(система 3) отходящие газы из второго циклона не поступают в

поток очищенного в первом циклоне газа, общий результат очистки будет лучше. В обоих этих сочетаниях (2 и 3) перепад давления

будет лишь не намного больше, чем в одном циклоне.
Предлагают и другие системы в сочетании с циклонами. Один

из путей улучшения рабочих характеристик циклона состоит в

создании электростатического поля, которое будет способствовать

дрейфу частиц к стенкам. Однако расчеты показали [822], что эффект составляет около 2% при использовании стандартного небольшого заземленного циклона, работающего при напряжении на

коронирующем электроде 60 кВ и в нормальных операционных условиях (когда в циклон входят заряженные частицы). Эксперименты, проведенные в таких системах, не привели к каким-либо существенным улучшениям эксплуатационных качеств циклона [639].
--------------- page: 298 -----------
ГЛАВА VII
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЗАХВАТ ЧАСТИЦ
Улавливание частиц волокнистыми фильтрами и в жидкостных

скрубберах основано на том, что газовый поток, проходящий через фильтр или скруббер, под