§4. Тепло- и массообмен в мокрых пылеуловителях

Мокрые пылеуловители представляют собой аппараты контактного типа, в которых газ и жидкость непосредственно соприкасаются друг с другом. Вследствие того что температуры газа и жидкости, а также парциальные давления пара в газе р_г и над жидкостью р_ж в мокрых пылеуловителях, как правило, не одинаковы, одновременно с пылеулавливанием идут тепло- и массообменные процессы.

Основным расчетным уравнением для определения количества тепла Q₁, Вт, передаваемого прямым теплообменом, является общеизвестное уравнение теплопередачи:

, (7.17)

где К_т —коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К); F — поверхность, через которую происходит теплообмен, м²; Т—средняя разность температур, К; Q_пот — потеря тепла в окружающую среду.

Уравнение массообмена имеет вид

, (7.18)

где β_м — коэффициент массообмена, кг/(м²·с·Па).

Процессы массообмена сопровождаются выделением (при конденсации) или поглощением (при испарении) тепла Q₂, величину которого можно найти, зная теплоту парообразования:

(7.19)

В приведенных уравнениях (7.17) и (7.18) знак «плюс» ставится в случаях перехода тепла и массы от газа к жидкости (Т_г>Т_ж и p_г>p_ж), а знак «минус» в случаях перехода тепла и массы от жидкости к газу (Т_г<Т_ж и р_г<р_ж). Так как отходящие газы металлургических агрегатов, подлежащие очистке, как правило, имеют высокие температуры, то в мокрых пылеуловителях обычно протекают процессы охлаждения газа. Эти процессы могут проходить как с испарением воды, так и с конденсацией водяных паров, содержащихся в газе. В первом случае охлаждение называют испарительным, во втором — конденсационным.

Конденсационное охлаждение происходит, если горячий газ, насыщенный водяными парами, встречается с холодной водой (Т_г>Т_ж, р_г>р_ж). При этом конденсируется часть водяного пара в газе, в результате чего газ подсушивается. Вода при этом нагревается, получая тепло в количестве Q₁ + Q₂.

Испарительное охлаждение происходит при взаимодействии горячего не насыщенного влагой газа с подогретой водой (Т_г>Т_ж и p_г>p_ж), При охлаждении газа одновременно увеличивается его влагосодержание за счет испаряющейся воды, т. е. количество тепла, передаваемое от газа к воде, составляет Q₁ — Q₂. По мере нагревания воды возрастает давление пара над ней р_ж и уменьшается разность температур Т_г>Т_ж. При этом Q₁ снижается, a Q₂ возрастает до тех пор, пока они не станут равными. После этого вода, достигнув так называемой температуры мокрого термометра Т_м, перестает нагреваться и будет только испаряться при постоянной температуре, а все тепло, передаваемое газом воде, будет возвращаться к нему с образовавшимся паром, подмешивающимся к газу, т.е. процесс охлаждения пойдет при постоянной энтальпии газа.

Тепловой баланс процесса охлаждения составляют исходя из того, что сумма энтальпий (теплосодержаний) входящих потоков равна сумме энтальпий выходящих потоков:

, (7.20)

где М_г и М_ж — количество сухого газа и жидкости, кг/с; Т₁ и Т₂ — соответственно начальная и конечная температуры газа, ⁰С; Т_н и Т_к — начальная и конечная температуры жидкости, °С; с_г и с_ж— теплоемкости газа и воды, кДж/(кг·К); х₁ и х₂ — начальное и конечное влагосодержания газа, кг/кг; i₁ и i₂ — начальная и конечная энтальпии водяных паров, кДж/кг.

Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду Q_пот и не учитывать изменения количества воды вследствие ее испарения, то из уравнения (7.20) можно записать:

(7.21)

Как видно, чем меньше подача жидкости, тем выше ее конечная температура.

В процессе охлаждения отдаваемое газом тепло тратится на нагрев жидкости и частичное превращение ее в пар, поэтому тепловой баланс может быть описан и следующим выражением:

, (7.22)

где i_п — энтальпия пара, кДж/кг; φ — коэффициент испарения, т. е. доля жидкости, испарившейся в процессе охлаждения газа.

Однако, как было сказано выше, пределом конечной температуры воды является температура мокрого термометра Т_м, выше которой вода не может нагреться, так как все полученное ею тепло затрачивается на ее испарение.

Таким образом, для процесса испарительного охлаждения можно написать, что конечная энтальпия газа, соответствующая температуре мокрого термометра, равна начальной энтальпии плюс количество тепла, переданное газу жидкостью, которая испарилась и присоединилась к газу в виде водяных паров:

М_г(c_гT_м +х_мi_м) = М₂(с₁Т₁+х₁i₁) + M₂(x_н-х₁)с_жТ_м (7.23)

или с учетом, что i=2480+1,96 Т

с₂Т_м+х_м(2480+1,96Т_н) = с₂Т_м + х₁(2480 + 1,96Т₁) +(х_м-х₁)с_жТ_м (7.24)

Из этого уравнения подбором можно определить температуру Т_м, предварительно задаваясь ею, находя соответствующее ей влагосодержание по формуле:

(7.25)

где р_н — парциальное давление насыщенного пара при данной температуре, Па, и проверяя затем сходимость теплового баланса по формуле (7.24). Как следует из формулы (7.24), температура мокрого термометра зависит от начального состояния газа (его температуры Т₁ и влагосодержания i₁) и может приниматься по данным табл. 7.2.

Таблица 7.2. Температура мокрого термометра дымовых газов

Температуру мокрого термометра можно определить приближенно и по i—х-диаграмме, считая, что процесс испарительного охлаждения газа идет по линии i = const до линии насыщения (φ=100%); выходящая из точки их пересечения изотерма и соответствует температуре мокрого термометра (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Графический метод определения температуры мокрого термометра Т_м и точки росы дымовых газов Т_р с помощью диаграммы i-х

В отличие от температуры мокрого термометра температуру точки росы газа находят, считая, что процесс охлаждения идет при постоянной влажности газа, как это происходит в поверхностных теплообменниках.

Изотерма, выходящая из точки пересечения вертикальной линии х = const с кривой насыщения (φ= 100%), показывает температуру точки росы газа.

Присутствие в газах SO₃ сильно повышает точку росы. Например, при концентрации водяных паров 5% (объемн.) и содержании SO₃, равном 1,1 г/м³, температура точки росы составляет 161 °С.

Контрольные вопросы

1. Преим4ущества и недостатки мокрой очистки газов, область их применения

2. Как осуществляется захват частиц пыли жидкостью?

3. На чем основан и как применяется энергетический метод расчета мокрых пылеуловителей?

4. Как протекают и как рассчитываются процессы тепло- и массообмена в мокрых пылеуловителях?