Тема 7. Коагуляция взвешенных частиц

Сближение частиц может происходить за счет броуновского движения (тепловая коагуляция), гидродинамический, электрических, гравитационных и других сил.

Скорость убывания счетной концентрации частиц

1/n-1/n’= - Кτ

где п - концентрация в некоторый момент; к – константа коагуляции.

В начальный момент времени, когда счетная концентрация частиц велика, коагуляция протекает с большей скоростью. Затем она резко падает.

Виды коагуляции:

1. Тепловая. Мало зависит от природы аэрозолей. Полидисперсные аэрозоли коагулируют быстрее монодисперсных. Особенно быстро происходит поглощение мелких частиц крупными. Скорость коагуляции полидисперсных аэрозолей превышает скорость монодисперсных на 10%. Скорость растет также с увеличением температуры газа. Скорость коагуляции для мелких частиц возрастает с понижением давления. Броуновская (тепловая) коагуляция имеет существенное значение в начальный момент времени образования высокодисперсного аэрозоля, так как способствуют мгновенному укрупнению частиц. На практике за счет тепловой коагуляции дисперсный состав пыли, идущей на очистку, в технологических газах характеризуется большей крупностью частиц, чем это было в источнике.

2. Градиентная. Возникает при наличии поперечного градиента скорости газа в потоке. Пример градиентной коагуляции – это течение газов у твердой стенки. Чем ближе частица к стенке, тем меньше ее скорость. Если при этом расстояние между частицами меньше суммы их размеров, то частицы встретятся. Коагуляция происходит даже при небольшом градиенте. Она интенсивна в пристенном слое при турбулентном движении газа. Недостаток: градиентная коагуляция ограничена тонким пристенным слоем. Оказывает существенное влияние при движении потока газов и при развитой поверхности контакта.

3. Турбулентная. Частицы при турбулентном движении коагулируют благодаря турбулентным пульсациям. В турбулентном потоке возможны два механизма коагуляции:

- реализуется при полном увлечении частиц турбулентной пульсацией. Он преобладает при плотности частиц близкой к плотности потока. Однако для аэрозольных частиц, плотность которых в 1000 раз больше плотности газа, полного увлечения не происходит, поэтому для аэрозольных частиц этот механизм имеет второстепенное значение.

- механизм ускорения достигает наибольшего эффекта в турбулентном потоке газа. Коагулируя осуществляется в нем именно благодаря различию в плотностях газового потока и частиц аэрозоля. Скорость движения частиц в полидисперсных системах имеют существенные различия, так как зависят от массы. Благодаря этому различию в скоростях происходит встреча частиц, сопровождающаяся их коагуляции.

Особенности: эффективен для полидисперсных систем. Скорость этой коагуляции в значительной степени определяется скоростью газового потока. При турбулентном движении особенно сильно искажаются линии тока мелких частиц, движущихся мимо крупных, поэтому каждая встреча частиц, рассчитанная для прямолинейных траекторий, приводит к коагуляции. Второй механизм преобладает даже для частиц с диаметром, равным 10 м.Для частиц большего диаметра скорость этой коагуляции во много раз больше скорости тепловой коагуляции.

4. Кинематическая. Протекает при относительном движении частиц различного размера, которые возникает под воздействием разных сил и при разных скоростях. Пример: осаждение частиц на каплях, падающих под действием силы тяжести (гравитационная коагуляция). Для крупных и мелких частиц эффективность этой коагуляции различна. Для крупных частиц пренебрегают диффузией, и коэффициент захвата частиц рассматривают как эффективность осаждения за счет инерционных сил. На кинематической коагуляции основано осаждение частиц распыленной водой в мокрых пылеулавливателях. При этом возможны два случая:

· капли движутся через аэрозоль только под действием силы тяжести (пример: полые форсуночные скрубберы).

· капли вводятся в аэрозоль с большей скоростью, чем скорость их осаждения ( скрубберы Вентури).

С уменьшением размера частиц эта коагуляция сводится к нулю. Чтобы повысить ее эффективность для мелких частиц, используют второй механизм, однако он энергозатратный. Среди перечисленных это самый интенсивный вид коагуляции при соприкосновении за счет механических сил.

5. Электрическая. Применима, если частицы имеют заряд. Условно, этот естественный электрический заряд называют трибозаряд. Силы электрического взаимодействия накладываются на Броуновское движение, усиливая или замедляя коагуляцию в зависимости от знака. Частицы с разноименными зарядами коагулируют быстрее, а с одноименными медленнее, чем с нейтральными. В электрическом поле скорость коагуляции возрастает. Механизм коагуляции в электрическом поле заключается в предварительном сближении частиц под действием диффузии на расстояние, достаточное для действия электрических сил эффективно в сильном электрическом поле.