Top 6 dispositivos para eliminar los contaminantes de gas
Este artículo arroja luz sobre los seis dispositivos principales para eliminar los contaminantes del gas. Los dispositivos son: 1. Colocador de gravedad 2. Separador inercial 3. Separador centrífugo 4. Filtros 5. Precipitador electrostático y 6. Depuradores.
Dispositivo # 1. Gravity Settler:
Cuando una corriente de gas cargada de polvo fluye a través de una cámara, las partículas de polvo experimentan las siguientes fuerzas en la dirección vertical:
(i) Una fuerza gravitacional que actúa hacia abajo,
(ii) Una fuerza flotante que actúa hacia arriba, y
(iii) Una fuerza de arrastre en la dirección opuesta a la dirección de movimiento de las partículas.
Como resultado, las partículas alcanzan una velocidad descendente neta, que en condiciones de estado estacionario se denomina velocidad terminal, U r . Las partículas también experimentan una velocidad en la dirección horizontal, que sería la misma que la del gas portador (suponiendo que no haya deslizamiento en la interfaz gas-partícula).
Las partículas de polvo, que se retienen en la cámara, se separan de la corriente de gas portador y el resto se lleva. Tal cámara se denomina como un colono de la gravedad.
El grado de eliminación de polvo de una corriente de gas en un colono por gravedad depende de los siguientes factores:
(i) Velocidad del gas en la cámara,
(ii) Distribución del tamaño de partícula,
(iii) Las velocidades terminales de las partículas, que a su vez dependen de los tamaños de las partículas, las densidades de las partículas, la velocidad del gas (portador) y la densidad del gas.
(iv) La longitud de la cámara, y
(v) La altura de la cámara.
Los colonos de gravedad son de dos tipos:
(i) Cámara única (sin bandeja interior) y
(2) Cámara de bandejas múltiples (también conocida como colono Howard).
La figura 4.2 muestra bocetos de colonos de gravedad.
En cuanto a la construcción, una sola cámara es la más barata. Las partículas de polvo retenidas se recogen en una tolva / tolvas en la base desde donde se extraen las partículas de vez en cuando. Una cámara de múltiples bandejas sería más costosa y tendría varias bandejas ligeramente inclinadas que tienen un espacio uniforme entre las bandejas. Las bandejas están provistas de un dispositivo mecánico adecuado para que las capas de polvo acumuladas en las bandejas puedan retirarse sin ninguna interrupción del proceso de flujo.
Los colonos pueden estar hechos de cualquier metal que pueda soportar la temperatura del gas, el ambiente corrosivo y la abrasión de las partículas. No hay limitaciones de presión y temperatura en lo que respecta al gas que entra. Puede ser necesario aislar a un colono para evitar que se enfríe el gas de entrada por debajo de su punto de rocío y la consiguiente condensación de vapor.
En una cámara de una sola cámara, las partículas de más de 40 partículas pueden eliminarse de manera eficiente, mientras que una cámara de múltiples bandejas bien diseñada puede eliminar partículas de tan solo 10 pm Una de las principales ventajas de una unidad de gravedad es su baja caída de presión.
La caída de presión general se puede calcular agregando las caídas de presión debidas a:
(i) Expansión de entrada,
(ii) Pérdida de fricción en la propia cámara y
(iii) Salir de la contracción.
Enfoque de diseño de colonos de gravedad:
Para diseñar un colono de gravedad, se requiere la siguiente información en unidades consistentes:
1. Caudal volumétrico del gas.
2. Análisis de tamaño de partícula de polvo y distribución de masa (dpi vs. m dpi ),
3. Densidad media de partículas, P p,
4. Densidad y viscosidad del gas, Pg, p g, y
5. La eficiencia de eliminación deseada (ᶯ dpi ) del tamaño de partícula objetivo.
Anteriormente se mencionó que una partícula con un diámetro de ppp alcanza una velocidad terminal U t, ppp como resultado de las fuerzas (ya enumeradas) que actúan sobre ella. La expresión para U t, . dpj trabaja para ser
Las partículas, que normalmente uno estaría interesado en remover en un colono por gravedad, no serían muy finas, por lo tanto, U t, ppp de tales partículas se pueden calcular usando la ecuación. (4.7), que se obtiene asumiendo
Debe mencionarse aquí que para propósitos de diseño se supone que las partículas alcanzarían sus respectivas velocidades terminales inmediatamente después de ingresar a una cámara de sedimentación.
Se puede llegar al tamaño de un colono por gravedad a través de los siguientes pasos:
Paso I:
Evalúe u t, dpi para todos los tamaños de partículas usando las ecuaciones. (4.2) a (4.6) o ec. (4.7) Dependiendo de la dp.
Paso II:
Seleccione una velocidad de gas lineal adecuada U a través del colono propuesto. Como regla general, la gama U oscila entre 0, 3-3 m / s. Por lo general, se toma como 0, 3 a 0, 6 m / s.
Paso III:
Decida la longitud del colono L. Se decide en función del espacio disponible para la instalación del colono o para cumplir con la caída de presión permitida en el colono o para satisfacer ambos.
Paso IV:
Evaluar el tiempo de residencia en la cámara, τ
donde τ = L / U
Paso V:
Estime la altura del colono H. Las ecuaciones / relaciones que se usarán para estimar H dependen de si el colono propuesto es un colono de cámara única o un colono de múltiples bandejas y si el flujo dentro del colono es laminar o turbulento.
Paso VI:
El ancho W de la cámara se debe estimar utilizando la relación W = Q / HU, obtenida al equilibrar el caudal volumétrico,
donde Q = caudal volumétrico del gas portador.
(A) Un colono de cámara única, condición de flujo laminar:
La altura del colono, H, se estima en función de la eficiencia de eliminación deseada del tamaño de partícula objetivo, ppp, utilizando la relación.
Para las partículas que tienen tamaños diferentes a los ppp, la eficiencia de remoción se calcula utilizando la relación.
Utilizando la información obtenida hasta ahora, la eficiencia global del poblador se estima con la ayuda de la relación.
Cabe señalar que η dp puede tener un valor máximo de 1.0.
En caso de que el valor calculado de η global no cumpla con el rendimiento deseado del colono, las ecuaciones. (4.8) a (4.10) se deben volver a trabajar según un nuevo (supuesto) dpi o un nuevo (supuesto) η dpj o un nuevo conjunto de dpi y η dpi hasta que se cumpla el criterio de rendimiento deseado.
(B) Colono de cámara única, condición de flujo turbulento:
La altura del colono H se estima en base al tamaño de partícula objetivo ppp y suponiendo una eficiencia de separación η ppp = 1 = 1 utilizando la relación
Para cada una de las otras partículas que tienen un diámetro dp ǂ dpi, la altura de asentamiento hdp se calcula utilizando la ecuación. (4.12).
A continuación, las eficiencias de eliminación de cada uno de los diferentes tamaños de partícula que tienen dp <dpi se calculan utilizando la ecuación. (4.13)
La eficiencia de separación de las partículas que tienen dp> dpi se toma como 1.0. La eficiencia total de remoción de todas las partículas se evalúa finalmente utilizando la ecuación. (4.10).
En caso de que el rendimiento global calculado en base a la ec. (4.10) no coincide con el rendimiento deseado las ecuaciones. (4.10), (4.11), (4, 12) y (4.13) se vuelven a trabajar seleccionando un tamaño de partícula objetivo diferente dpi hasta que se cumpla el rendimiento deseado.
(C) Diseño de colonos de múltiples bandejas :
En el caso de un colono de múltiples bandejas, la distancia entre dos bandejas consecutivas H r es importante. Generalmente es del orden de 30 cm. El número de bandejas en una cámara, N, se estima utilizando la relación,
N = (H / H t ). (4.14)
Reorganizar la ec. (4.14) la altura de la cámara se puede expresar como
Es evidente que para la estimación de H, H t y N deben preseleccionarse.
Una vez que se haya corregido el valor de H t, se debe estimar el rendimiento general de un decantador de múltiples bandejas utilizando las ecuaciones adecuadas. (4.2) a (4.13) dependiendo de si es probable que el flujo sea laminar o turbulento. La relación a ser utilizada para la estimación de W sería
W = Q / NH, U
Si el rendimiento del colono propuesto resulta insatisfactorio, el problema debe ser revisado asumiendo una nueva N.
La partícula de tamaño mínimo que se eliminaría hasta un grado deseado en un colono específico se puede expresar como
Donde g = aceleración debido a la gravedad.
Cabe señalar aquí que la eficiencia real de un colono será menor que la calculada utilizando la ecuación. (4.10), por las siguientes razones:
(i) Reentrenamiento de las partículas sedimentadas,
(ii) Las partículas no alcanzan sus velocidades terminales poco después de ingresar a un colono, y
(iii) Forma no esférica de las partículas.
Ejemplo 4.1:
Se propone instalar un colono por gravedad para eliminar por completo las partículas de polvo que tienen un diámetro de 40 pm de un gas portador.
Las demás informaciones pertinentes son:
Caudal del gas portador = 21, 600 m 3 / h. a 50 ° C y presión ligeramente superior a 1 atm,
Densidad de partículas (p p ) = 2.5 g / cm 3 .
Las propiedades físicas del gas portador pueden tomarse como las del aire en la condición de operación.
Encontrar:
(a) Dimensiones adecuadas de un colono de cámara única que asume un flujo laminar en la cámara,
(b) La eficiencia de remoción del mismo colono si el flujo en la cámara es turbulento,
(c) Si al mismo colono se le colocan bandejas con una separación de aproximadamente 30 cm, ¿qué partículas de tamaño mínimo se pueden eliminar con un 100% de eficiencia?
Solución:
(a) Suposiciones de los colonos de una sola cámara:
(i) El flujo dentro del colono sería laminar,
(ii) El número de Reynolds de partículas de sedimentación (Re p ) sería menor que 2,
(iii) Velocidad del gas portador a través del colono, U = 0, 4 m / s.
Densidad del gas portador (pg) a 50 ° C y 1 atm.
Las dimensiones de un colono pueden estimarse utilizando las siguientes relaciones si el flujo en el colono es laminar.
Como no se especifica r, se asumen varios valores de x y los valores correspondientes de L, H y W se calculan como se indica a continuación:
Las dimensiones de un colono adecuado dependerían del espacio disponible para su instalación. Dejemos que las dimensiones propuestas del colono sean
L = 8 m, H = 2.29 m y W = 6.55 m correspondiente a r = 20 s
Ahora se debe verificar si el flujo dentro del colono sería laminar o turbulento al calcular el número de Reynolds,
Por lo tanto el flujo dentro del colono sería turbulento.
(b) Dado que el flujo dentro del colono sería turbulento, su eficiencia debe estimarse utilizando la ecuación. (4.13)
(c) Si el colono propuesto se equipara con bandejas separadas aproximadamente 30 cm, el número de bandejas dentro del colono sería
Esto daría como resultado un espaciado de la bandeja, H t = 2.29 / 8 = 0.28 m
La velocidad lineal del gas en el colono sería
Por lo tanto, el flujo sería turbulento.
Como el flujo dentro del decantador de múltiples bandejas sería turbulento, las partículas de tamaño mínimo que se eliminarán completamente se pueden calcular utilizando la ecuación. (4.16)
La eliminación completa significa n dpi = 1, sin embargo, la sustitución de n dpi = 1 en la ecuación anterior resultaría en un dpi indeterminado. Por lo tanto, η dpi se toma como 0.999 y se calcula el dpi usando la ecuación. (4.16).
Dispositivo # 2. Separador inercial:
Las partículas sólidas suspendidas transportadas por una corriente de gas alcanzan casi la misma velocidad que la propia corriente de gas. Como resultado, el impulso y, por lo tanto, la inercia (de movimiento) de las partículas más grandes y más densas se comparan más con las de las partículas más ligeras y más finas. Cuando una corriente de gas de este tipo cambia su dirección de flujo dentro de un equipo, la dirección de flujo de las partículas con mayor inercia continúa siguiendo la dirección anterior (anterior) y finalmente se detiene después de impactar en alguna superficie.
Las partículas más ligeras y finas se dejan llevar por la corriente de gas en sí cuando la fuerza de arrastre supera la inercia. Dicho equipo se denomina "separador inercial". La eficiencia de eliminación de polvo de un separador inercial se puede mejorar solo reduciendo la fuerza de arrastre de las partículas. Esto se puede lograr reduciendo la velocidad del gas en la zona de separación. Los separadores inerciales son de diferentes tipos. La figura 4.3 muestra bocetos de algunos tipos de separadores inerciales.
La velocidad del gas que ingresa en un separador inercial puede ser de alrededor de 10 m / sy que en el separador es normalmente de 1 m / s. El tamaño de un separador inercial es generalmente más pequeño que el de un colono de gravedad que tiene una capacidad y eficiencia similares, pero la caída de presión sería mayor. Para un separador inercial no hay limitación de presión y temperatura.
Dispositivo # 3. Separador centrífugo:
Un separador centrífugo se conoce comúnmente como un separador ciclónico. Es un tipo de separador inercial, sin embargo, la fuerza que produce la separación es centrífuga. Su parte superior es cilíndrica, mientras que la parte inferior es un cono truncado invertido. El gas cargado de polvo ingresa al cilindro cerca de la parte superior, ya sea a través de una abertura lateral o axialmente a través de la parte superior con una velocidad tangencial. El gas limpio sale por la parte superior a través de una salida circular central. Las partículas sólidas separadas se descargan a través de una salida central en la parte inferior.
En el caso de un ciclón de entrada lateral, la entrada al ciclón se coloca tangencialmente y, por lo tanto, el gas que entra adquiere una velocidad tangencial. Los ciclones de entrada axial están equipados con paletas para impartir una velocidad tangencial al gas que entra.
El gas cargado de polvo luego de ingresar a un ciclón se mueve hacia abajo como un vórtice externo descendente debido a su velocidad tangencial, alcanza casi el ápice del cono y luego invierte su dirección, moviéndose hacia arriba como un vórtice interno ascendente. Finalmente, el gas sale del ciclón a través de una salida centralmente ubicada en la parte superior.
Las partículas de polvo más grandes y pesadas que se mueven hacia abajo junto con la corriente de gas en movimiento espiral experimentan una fuerza centrífuga, como resultado de lo cual migran hacia la pared. Finalmente, se deslizan hacia la salida inferior, que generalmente está equipada con una válvula rotativa. Las partículas más finas y ligeras son arrastradas por la corriente de gas saliente.
La fuerza centrífuga que actúa sobre una partícula de masa m puede expresarse como:
De la ec. (4.18) es evidente que para una partícula que tiene un diámetro P p y densidad p p, la fuerza centrífuga que actúa sobre ella es directamente proporcional a u tan e inversamente proporcional a R. Por lo tanto, su eficiencia de remoción en un ciclón aumentaría con el aumento en U tan disminución con el aumento de R.
Los ciclones que tienen diámetros de 1 mo más pueden manejar mayores caudales de gas, pero son menos eficientes para eliminar partículas más finas que las 30 pm. La caída de presión a través de dicho ciclón puede ser de aproximadamente 2, 5 a 15 cm de agua. Los ciclones que tienen un diámetro de 30 cm o menos se denominan ciclones de alta eficiencia.
Su capacidad de manejo de gas es menor, pero son bastante eficientes para eliminar partículas de hasta 10 pm. La caída de presión a través de un ciclón pequeño suele ser de unos 10 cm a 30 cm de agua. Debido a su baja capacidad de manejo de gas, varios ciclones a menudo se operan de manera paralela y se colocan en una sola carcasa. Dicho ensamblaje se conoce como un multiciclón.
La figura 4.4 muestra un bosquejo de un ciclón estándar. Las dimensiones de las diferentes porciones de dicho ciclón se expresan como relaciones a su diámetro. Estas relaciones difieren un poco dependiendo del tipo de ciclón. Los ciclones se clasifican como de alta eficiencia, eficiencia media y ciclón convencional. En la Tabla 4.5 se enumeran las dimensiones relativas de los tipos de ciclones mencionados anteriormente.
Las ventajas de un separador ciclónico son su simplicidad en la construcción y menor costo. Como no hay partes móviles en un ciclón, su costo de mantenimiento es bajo. Requiere menos espacio en el piso. Un ciclón diseñado adecuadamente puede operarse a una presión tan alta como 500 atm y una temperatura tan alta como 1000 ° C.
Enfoque de diseño de un separador de ciclón:
Para diseñar un ciclón, debe estar disponible el análisis del tamaño de las partículas de polvo presentes en una corriente de gas influyente. El tamaño de corte de partícula d 50 también debe ser conocido. d 5Q representa el diámetro de partícula, el 50% (en masa) del cual debe eliminarse de una corriente de gas cargada de polvo.
Una vez que se conoce esta información, se asume un diámetro de ciclón D c, d 50 correspondiente a ese D c se calcula utilizando el procedimiento que se detalla a continuación. Si la d50 calculada no coincide con la d 50 deseada, se asume una nueva D c y se repite el cálculo.
Después de establecer la D c, las eficiencias de eliminación de las partículas de polvo que tienen diámetros diferentes a d50 se estiman utilizando una gráfica como se muestra en la Fig. 4.5.
La eficiencia general del ciclón propuesto se calcula luego utilizando la relación dada en la ecuación. (4.10)
Hay dos enfoques en el diseño de un separador de ciclón:
(1) enfoque de Lapple y
(2) Enfoque de equilibrio de fuerzas.
1. Enfoque de Lapple:
Este enfoque se basa en la siguiente expresión para d 50
donde N e = número efectivo de giros en el vórtice exterior descendente que generalmente oscila entre 1 y 10 =
U I = velocidad de entrada de gas que varía entre 6 y 24 m / s
Suele tomarse como 16 m / s.
La expresión correspondiente para la caída de presión a través de un ciclón es
La caída de presión depende del tipo de ciclón. Algunos datos típicos se enumeran en la Tabla 4.6.
2. Enfoque de equilibrio de fuerzas:
El enfoque de balance de fuerzas se basa en las siguientes premisas:
(i) Las partículas dentro de un ciclón a una distancia R del eje experimentan una fuerza radial neta, que es la diferencia entre la fuerza de campo neta (fuerza centrífuga) y la fuerza de arrastre.
(ii) Las partículas que tengan un diámetro d50 se someterán a una fuerza neta cero en
(v) Una expresión para U tan se obtiene al equilibrar los momentos de fuerzas del fluido en la entrada y la salida y la fuerza de corte de la pared alrededor del eje del ciclón.
donde fs es análogo al factor de fricción = 1/200
A 1, es el área de la sección transversal del conducto de entrada = B C H C
A s es el área de superficie del ciclón expuesta al
Gas de hilatura
El procedimiento de diseño es seleccionar el anuncio 50 y asumir un diámetro de ciclón D c . El diámetro de ciclón D c debe elegirse de modo que U I = Q / B c H c esté dentro del rango de velocidad de entrada de operación (6—24 m / s, generalmente 16 m / s).
Siguiente d 5Q se calcula utilizando ecuaciones. (4.25), (4.24), (4.23) y (4.22). En caso de que la d 50 calculada no coincida con la d50 preseleccionada, los pasos se repiten con otro diámetro de ciclón supuesto. El proceso se repite hasta que se encuentra un diámetro de ciclón que da como resultado un anuncio 50 cerca de la d50 preseleccionada.
La caída de presión a través de dicho ciclón puede calcularse utilizando la relación.
Cabe señalar aquí que la eficiencia de separación real sería menor que la calculada utilizando la ecuación. (4.10) por los siguientes efectos:
1. Rebotar de las partículas de la pared en el vórtice interno,
2. Partículas que se recogen desde el ápice del cono por el flujo de la tolva, y
3. Reentrenamiento de partículas debido a remolinos.
Ejemplo 4.2 :
Se diseñará un separador ciclónico convencional para eliminar el 50 por ciento de las partículas que tienen un diámetro de 5 pm y una densidad de 2.5 g / cm 3 de una corriente de gas (aire) que fluye a una velocidad de 7200 m 3 / hora a 30 ° C.
Solución:
De la bibliografía, la viscosidad del aire a 30 ° C se encuentra en 0.018 centipoises.
0.018 centipoise = 1.8 x 10 -4 g / cms = 1.8 x 10 -5 kg / m s.
Una estimación preliminar de un diámetro de ciclón (D c ) para cumplir con el deber mencionado anteriormente se obtiene utilizando el enfoque de Lapple, Eq. (4.19) asumiendo
Dispositivo # 4. Filtros:
A diferencia de los otros tipos de dispositivos de separación descritos anteriormente, la operación de filtración se lleva a cabo en modo semi-batch. Durante la primera parte de la operación, las partículas de polvo de una corriente de gas cargada de polvo se detienen en el propio dispositivo y sale una corriente de gas relativamente limpia (libre de polvo). El componente en un filtro, que realmente detiene las partículas de polvo, se conoce como un medio de filtro.
A medida que aumenta la cantidad de partículas de polvo acumuladas en el medio filtrante, aumenta la resistencia al flujo de gas. El resultado es un aumento en la diferencia de presión a través del filtro con el tiempo. Finalmente, se alcanza una etapa cuando la diferencia de presión es igual a un valor preestablecido.
En este punto, se detiene la entrada de gas y se inicia la siguiente etapa de la operación que consiste en la eliminación de las partículas de polvo acumuladas (limpieza). Después de que se haya eliminado una cantidad sustancial de polvo acumulado, se reanuda la operación de filtración (entrada de gas cargado de polvo). Los filtros se clasifican según el tipo de medio de filtro utilizado.
Los medios utilizados son:
1. Medio agregado (grava) y
2. Medio fibroso (papel, esterilla fibrosa, fieltro, tejidos, etc.).
Filtro de grava:
El medio de filtro agregado se utiliza para altas temperaturas y otras aplicaciones especiales. Una instalación de filtro típica consiste en varios módulos de filtro dispuestos paralelamente. En la Fig. 4.6 se muestra un módulo. Uno de los aspectos más atractivos de un filtro de grava es su capacidad para soportar altas temperaturas.
Se utilizan gravas encontradas en la formación natural. Su selección depende de la temperatura del gas influyente. Las gravas de cuarzo pueden soportar una temperatura de operación cercana a los 800 ° C. Sin embargo, la limitación real de la temperatura de operación de un filtro de grava depende del material estructural utilizado para su construcción. Las partes móviles de un filtro de grava son una válvula de retroceso y un mecanismo de rastrillado.
Dado que estos se operan de forma intermitente, el desgaste de estas piezas es bajo. La parte inferior del filtro actúa como un separador ciclónico. Durante la operación de limpieza, se permite que el aire o algún otro gas fluya en la dirección opuesta y el mecanismo de rastrillo se encienda. Las partículas de polvo desprendidas se acumulan en la tolva de abajo. Las partículas de polvo acumuladas se eliminan de la tolva de vez en cuando. La caída de presión a través de un filtro de grava puede variar entre 120 cm de agua.
Filtro de tela:
Algunos medios fibrosos, como el papel y la estera fibrosa, son difíciles de limpiar y reutilizar y, por lo tanto, generalmente se eliminan después del uso. Estos no son adecuados para la limpieza de gas industrial. Los medios fibrosos, como telas tejidas y de fieltro, se utilizan ampliamente para la recuperación de materiales valiosos de los gases residuales industriales, así como para controlar la contaminación del aire.
Un filtro de tela también conocido como filtro de bolsa utiliza tubos (hechos de tela) abiertos en un extremo y cerrados en el otro como medio filtrante. Varios tubos están suspendidos verticalmente en la carcasa de un marco de alambre con los extremos abiertos ubicados en la parte inferior. El gas cargado de polvo ingresa a una carcasa cerca de su parte inferior y sube por los tubos a través de sus extremos abiertos.
El gas limpio fluye hacia afuera a través de las superficies cilíndricas de los tubos mientras que las partículas de polvo se retienen dentro. Un mecanismo adecuado está incorporado en el alojamiento para la eliminación (operación de limpieza) de las partículas de polvo acumuladas de vez en cuando. La operación de limpieza se puede realizar en línea o fuera de línea.
Tratamiento previo:
Las telas utilizadas no pueden soportar altas temperaturas. Por lo tanto, es necesario enfriar el gas entrante para bajar su temperatura por debajo de la temperatura de operación máxima recomendada del tejido elegido. Debe tenerse en cuenta que el gas que entra debe estar dentro de los 30 ° - 60 ° C por encima de su punto de rocío, ya que de lo contrario se puede producir condensación en las superficies de la bolsa. La condensación resultaría en la adherencia de partículas sólidas húmedas al medio filtrante, lo que dificultaría la operación de limpieza.
Para reducir la carga en un filtro de tela, sería mejor limpiar previamente el gas que ingresa con un separador de gravedad / ciclón para eliminar partículas de más de 20-30 µm cuando haya cantidades apreciables de ellas.
Mecanismo de filtración de tela:
Las telas eliminan la materia particulada de un gas portador mediante tamizado, impacto directo, intercepción debido a la fuerza de Van der Waal, la difusión browniana y la atracción electrostática. La generación de carga electrostática puede deberse a la fricción entre el gas y las telas y entre las partículas y las telas.
Las telas tejidas se hacen tejiendo hilos. Cuando son nuevos, los espacios entre los hilos son bastante grandes y algunas de las partículas penetran fácilmente en los poros. Algunas partículas se detienen en la tela. A medida que la filtración continúa, más y más partículas de polvo se acumulan en la tela y, por lo tanto, forman una "torta de filtro". La torta ahora actúa como medio filtrante y es más efectiva que la tela en sí misma.
La tela de fieltro se fabrica empujando agujas de púas a través de dos o más capas de tela tejida y, por lo tanto, combinándolas y luego desbaste la capa superficial. La capa interior proporciona resistencia y estabilidad dimensional, mientras que las telas finas orientadas al azar en la superficie proporcionan una alta eficiencia de recolección para partículas pequeñas.
Materiales de tela:
Las bolsas de filtro están hechas de algodón, lana, acrílicos, nailon, nomex, poliéster, polipropileno, teflón y fibra de vidrio. De los nueve tejidos nombrados, los dos primeros son naturales y el resto son sintéticos. Al seleccionar un tejido para una situación específica, se deben tener en cuenta los siguientes factores: temperatura de funcionamiento, acidez / alcalinidad del gas portador, abrasividad de las partículas, relación aire / tela y, por último, su costo. Las características de los tejidos mencionados anteriormente se enumeran en la Tabla 4.7.
Limpieza del filtro:
La limpieza periódica de las bolsas de filtro es esencial para mantener el caudal de gas deseado. La limpieza se puede lograr flexionando una bolsa y, por lo tanto, rompiendo y desalojando las capas de polvo o mediante el flujo de aire invertido a través de las bolsas o mediante una combinación de ambas. La agitación mecánica de las bolsas al flexionarlas es bastante efectiva para eliminar el polvo, a menos que las partículas estén demasiado incrustadas en las telas.
Sin embargo, la agitación mecánica da como resultado un mayor desgaste de la tela. Las telas tejidas pueden soportar tal tratamiento. Las telas frágiles, como fibra de vidrio y tela de fieltro, no deben someterse a sacudidas mecánicas. La limpieza del aire se puede realizar de varias maneras, tales como, flujo de aire inverso, chorro de pulso y anillo de soplado.
La limpieza de flujo inverso se lleva a cabo sacando un módulo fuera de servicio. Se permite que el aire a baja presión de alto volumen fluya a contracorriente a la dirección normal del flujo. Debido al flujo inverso, la flexión de las bolsas se lleva a cabo y las capas de polvo se desplazan. Los generadores sónicos se utilizan a veces para aumentar la operación de limpieza. Como este proceso no causa mucha tensión en el tejido, también se puede usar convenientemente para tejidos frágiles.
En la limpieza por chorro de pulso, se introduce un chorro de aire a alta presión (hasta aproximadamente 9 kg / cm 2 ) en una bolsa en su parte superior durante un corto período de tiempo (aproximadamente 0, 1 seg o menos). A medida que el chorro se expande, la bolsa experimenta un choque y agitación. La limpieza resultante es bastante buena. La limpieza por chorro de pulso se puede usar para limpiar todo tipo de telas que no sean algodón y fibra de vidrio. El proceso puede ser utilizado en línea o fuera de línea. Un limpiador de chorro de pulso no tiene partes móviles.
Un limpiador tipo anillo de soplado utiliza un chorro de aire que sale de una serie de orificios en el interior de un anillo de metal hueco, que rodea a una bolsa. El anillo se mueve hacia arriba y hacia abajo en el exterior de una bolsa por medio de una cadena motorizada y una disposición de rueda dentada. El aire de un soplador se dirige al anillo a través de una manguera flexible.
El chorro de aire choca contra una pequeña porción de una bolsa y empuja esa porción hacia adentro. La torta del filtro se rompe y se desaloja. Dado que durante este tipo de operación de limpieza, las partes restantes de la bolsa pueden continuar funcionando normalmente y pueden llevarse a cabo en línea.
Cualquier tipo de tejido, tejido, afieltrado o frágil se puede limpiar con esta técnica, ya que no están muy tensos. Este tipo de dispositivo de limpieza no se usa para instalaciones grandes debido a su alto costo y maquinaria complicada.
El sistema:
Una casa de bolsas generalmente está hecha de varios módulos, cada módulo es una unidad independiente. En cada módulo varias bolsas están alojadas adecuadamente soportadas. El diámetro de la bolsa puede oscilar entre 7 y 30 cm. Generalmente es de unos 15 cm. La altura de una bolsa puede oscilar entre 0, 75 ma 8 m.
El gas cargado de polvo entra en un módulo a través de un conducto de entrada. Los conductos de entrada de los diferentes módulos están conectados a un colector común. Muy a menudo se proporcionan deflectores y difusores en un colector para la distribución adecuada del gas cargado de polvo. Durante la filtración, el gas puede fluir desde adentro hacia afuera de una bolsa o de otra manera. El gas limpio puede descargarse a la atmósfera directamente desde un módulo o canalizarse a otro colector común para un tratamiento adicional.
Cada módulo cuenta con un dispositivo adecuado para la limpieza de bolsas, mecánico o neumático, como se explicó anteriormente. Cada módulo tendría una tolva para recibir el polvo desalojado durante la operación de limpieza. Cada tolva, a su vez, está equipada con un dispositivo de descarga de polvo, como una válvula de doble trampa o un bloqueo de aire giratorio.
Incluso los polvos no inflamables pueden ser explosivos y, por lo tanto, cada módulo está provisto de un dispositivo / dispositivos de protección, como accesorios eléctricos a prueba de explosiones, ventilación de explosión (puerta de explosión / panel con bisagras) y rociadores para atender una situación de emergencia. Se proporcionan puertas de acceso para reemplazar bolsas defectuosas y otros trabajos de mantenimiento. La figura 4.7 muestra un diagrama esquemático del módulo de filtro de bolsa.
Tamaño de un filtro de bolsa:
Para estimar el área de tela total (neta) requerida, se requiere la siguiente información básica:
Caudal de gas, en m 3 / min;
Contenido de humedad del gas, en% R. H;
Temperatura del gas, en ° C;
Carga de partículas, en g / m 3 de gas portador,
Distribución del tamaño de partícula, en µm;
Contenido de SO 2 (si existe), en ppm;
Densidad de partículas (sólidos), en g / cm 3 ;
Acidez / alcalinidad de los gases.
Basándose en la información antes mencionada, uno tiene que seleccionar un tejido adecuado y su tipo, es decir, tejido / fieltro. De acuerdo con la tela seleccionada y su tipo, también se debe seleccionar un método de limpieza. A continuación, la tasa de filtración expresada como relación aire / tela (A / C) se determina utilizando los datos que se proporcionan en la Tabla 4.8. La proporción de aire a tela depende de la composición de las partículas de polvo, del método de limpieza que se empleará y de si se ha elegido tela tejida / fieltrada.
La proporción de aire a tela se debe elegir según las pautas del fabricante. Normalmente se supone un valor más bajo para la tela tejida y un valor más alto para la tela de fieltro.
Caudal de gas Q, en m 3 gas / min y factor F que oscila entre 1, 04 y 2.
1.04 Para un valor muy grande de A net y 2 para un valor pequeño de A net .
Eficacia de la casa de bolsa y caída de presión :
La eficiencia de la cámara de bolsas depende del tamaño de las partículas de polvo, la carga de partículas, el tejido utilizado y el método de limpieza empleado. Una unidad diseñada adecuadamente puede tener una eficiencia del 99% o más para un tamaño de partícula mayor a 1 µm. La caída de presión es normalmente del orden de 7, 5 a 15 cm de agua.
Dispositivo # 5. Precipitador electrostático (ESP):
De los diferentes tipos de separadores de partículas secas, los precipitadores electrostáticos son los más eficientes. El proceso consiste básicamente en pasar un gas cargado de polvo a través de un conducto en el que se mantiene un campo de CC de alto voltaje. Las partículas de polvo se cargan y se depositan en la superficie conectada a tierra (eléctricamente) del conducto mientras el gas limpio sale del conducto. El conducto puede ser horizontal (formado por dos placas paralelas enfrentadas y cerradas en la parte superior) o vertical (una tubería).
El tipo horizontal ESP es más común. Exactamente a mitad de camino entre las dos placas, varias piezas metálicas (tiras de cables) se mantienen suspendidas. Estos sirven como los electrodos de descarga y las placas como los colectores. En el caso de un tubo vertical, un cable suspendido verticalmente a lo largo de la línea central sirve como electrodo de descarga y la superficie interna del tubo actúa como colector. Las partículas de polvo recogidas se desprenden periódicamente golpeando, vibrando o lavando las superficies del colector.
Para la recolección seca, se permite la acumulación de polvo en el colector hasta unos 6 mm o más y luego se golpea fuertemente para que el polvo se desplace como grandes grupos, que no se volverían a arrastrar. Un rapado más débil y frecuente produciría escamas de polvo desprendido, que pueden volver a arrastrarse fácilmente. La acumulación húmeda de polvo se puede lograr rociando agua de forma intermitente o continua en el colector o por medio de un dispositivo de vertedero. Los electrodos de descarga también deben limpiarse golpeando a intervalos.
Fuerza de campo y electrodos:
Una intensidad de campo de aproximadamente 3 a 6 kV / cm (dc) se emplea normalmente con la ayuda de transformadores acoplados con rectificadores de silicio y reguladores automáticos de voltaje. Debido a la alta intensidad de campo tienen lugar las descargas de corona, que producen electrones de alta velocidad.
Una corona negativa (corona en un cable negativo) es más efectiva ya que es más estable y eficiente. Para un funcionamiento eficiente, una tasa óptima de chispas es de 50-100 chispas por minuto. La energización pulsada de un ESP a intervalos de millonésima o micro segundos mejora la eficiencia de recolección y reduce el consumo de energía.
En algunos diseños, el diámetro del electrodo de descarga es de aproximadamente 3 mm, en otros es grande. Los electrodos de descarga de forma irregular que tienen salientes puntiagudos desarrollan un campo local de alta intensidad e inician la descarga de corona. Los alambres cuadrados, triangulares y de púas se usan a veces como electrodos de descarga. Algunos fabricantes utilizan tiras de metal en lugar de cables. Las placas colectoras pueden tener aletas / deflectores para evitar la retención de las partículas de polvo desprendidas y darles resistencia mecánica.
Resistividad de partículas y vivienda ESP:
Las partículas que tienen una baja resistividad eléctrica (10 4 -10 7 ohm-cm) tienden a perder su carga fácilmente, dejan caer la placa y se vuelven a arrastrar. Las partículas con alta resistividad (10 11 -10 13 ohm-cm) tienden a adherirse a la placa colectora y a aislarla. El gas cargado de polvo que contiene polvo de alta resistividad puede ser acondicionado agregando NH 3, SO 2, vapor, etc. a la corriente de gas.
La presión de funcionamiento de un ESP puede oscilar entre un ligero vacío hasta aproximadamente 10 atm de presión y una temperatura tan alta como 600 ° C. Un ESP se aloja en una carcasa hermética de acero u hormigón. Sin embargo, si es necesario, desde el punto de vista de la corrosión, la carcasa puede estar forrada con plomo o plástico. Cuando se realiza la limpieza con agua del colector, la niebla y algunos gases solubles también se eliminan junto con las partículas de polvo.
En una situación específica, se puede elegir una combinación de las alternativas enumeradas a continuación para la construcción / operación de un ESP:
(i) precipitación seca / húmeda,
(ii) flujo de gas horizontal / vertical,
(iii) Tipo de placa individual / segmentada, y
(iv) Operación bajo presión / vacío,
Mecanismo ESP:
Debido a la diferencia de alto voltaje entre el electrodo de descarga central y el colector de tierra, tiene lugar la descarga de corona. Durante la descarga de corona se emiten electrones y se aceleran a altas velocidades. Tales electrones en el impacto con moléculas de gas como, O2, los ionizan y liberan electrones que continúan el proceso de ionización de gas.
Los iones gaseosos luego cargan las partículas de polvo suspendidas en su vecindario, ya sea por colisión (bombardeo) o por difusión. Las partículas de más de 1 µm generalmente se cargan por colisión, mientras que las partículas más finas se cargan por difusión. Las partículas cargadas luego migran al colector de tierra y renuncian a sus cargas. En el caso de los colectores secos puede producirse algún reenganche de partículas. En el caso de colectores húmedos, el re-arrastre está virtualmente ausente.
La intensidad de campo se mantiene de modo que hay una frecuencia de chispas limitada. Durante las chispas, se produce una caída instantánea de voltaje que provoca el colapso del campo electrostático y la consiguiente detención de la recolección de polvo. La chispa excesiva significa pérdida de potencia de entrada en la corriente de la chispa. En un ESP, una partícula está sujeta a la fuerza gravitacional, una fuerza de arrastre y una fuerza de campo eléctrico. La fuerza de campo atraería la partícula hacia el colector, mientras que la fuerza de arrastre se opondría a su movimiento hacia el colector.
La fuerza resultante provocaría que la partícula migrase hacia el colector a cierta velocidad, lo que se denomina "velocidad de deriva". La magnitud de la velocidad de deriva de una partícula depende de factores, como el modo de carga de partículas, el tamaño de las partículas, la velocidad del gas, la intensidad de campo y la resistividad de las partículas, etc.
La velocidad de deriva de una partícula cargada por bombardeo se puede calcular utilizando la relación
U p, dp = 3.694 10 -6 E 2 p dp / µ (4.29)
Sin embargo, si la carga se realiza por difusión, la velocidad de deriva puede aproximarse a
U p, dp = 3-097 x 10 -4 K m E / µ
donde, U p dp = velocidad de deriva de partículas que tienen un diámetro dp, en m / s.
Los datos típicos de velocidad de deriva de algunas partículas específicas se enumeran en la Tabla 4.9.
Cabe señalar aquí que, para propósitos de diseño, los fabricantes de ESP usan su experiencia de campo en lugar de confiar en los datos de velocidad de deriva calculados en base a las ecuaciones. (4.29) y (4.30).
Tratamiento previo:
Para reducir la carga de polvo en un ESP, la corriente de gas influyente puede tratarse previamente en un colono por gravedad o un separador centrífugo (ciclón). En el caso de ESP seco, el gas influyente debe estar a una temperatura, por ejemplo 25 ° -50 ° C por encima de su punto de rocío, por lo tanto, si es necesario, el gas debe precalentarse.
Eficiencia de la colección ESP:
En la Fig. 4.8 se muestra un diagrama esquemático de una configuración de placa paralela.
Un gas portador cargado de polvo que lleva partículas suspendidas de diferentes tamaños fluye entre dos placas paralelas a una velocidad lineal U horizontalmente. Las partículas después de ingresar al canal se cargan y se mueven hacia las placas colectoras a sus respectivas velocidades de deriva.
Analicemos los cambios progresivos en la concentración de las partículas (que tienen un diámetro dpi) a medida que el gas portador se mueve desde el extremo de entrada al extremo de salida. Un balance de material a lo largo de una longitud elemental dL produce la ec. (4.31)
donde H = Altura de un plato,
L I = Longitud de un plato,
2 S = Separación de la placa,
U p dpj = Velocidad de deriva de partículas con un diámetro dpi
U = velocidad horizontal del gas a través del ESP,
A = Área de superficie del colector de dos placas = 2 L 1 H
q = Caudal volumétrico de gas a través de un canal entre dos placas = Q / n,
n = Número de canales,
Q = Caudal volumétrico total del gas.
Se puede obtener una expresión para la eficiencia de recolección (remoción) de una unidad de este tipo para partículas con un diámetro de dpi al reorganizar la ecuación. (4.32).
Aunque la ec. (4.33) is derived for a pair of parallel plates it is also valid for a tubular collector.
It has been reported that the experimental collection efficiency data fits Eq. (4.34) better than the theoretically derived Eq. (4.33).
Where the numerical value of m ranges between 0.4 to 0.7. The value of m may be approximated as 0.5
If it is desired to remove all the particles of a specific size dpi from a dust laden gas stream, then minimum length of a parallel plate collector (L dpj ) should be equal to SU/U p dpj so that the particles which are at the mid-plane between the plates at the entrance would be able to reach the plates before the carrier gas sweeps them away out of the channel.
Under this condition those particles having drift velocities greater than U p dpj would also be completely removed but those having lower drift velocities would be partially removed.
It is to be noted here that the particles take some time to get charged and acquire their drift velocities after entering a channel. The charging time 't c ' is about 0.3 sec. Hence the required minimum collector length for 100% removal of particles having a diameter dpi is
L dpi, (100%) = SU/U p.dpi + U× t c .
ESP Design Approach:
For estimating the dimensions of an ESP (L, H, S, and the number of parallel channels, n) the basic information required are particle size and mass distribution data, total volumetric gas-flow rate and the desired overall removal efficiency.
Based on these an ESP may be sized through the following steps:
Paso I:
A specific particle size dpi is chosen whose complete removal is desired.
Paso II:
Influent gas velocity (U), plate spacing (25), plate height (H) and field strength (E) are assumed.
Paso III:
The drift velocities of the dust particles are estimated using Eqs. (4.29) and (4.30).
Paso IV:
L dpj is calculated using Eqs. (4.33) and (4.35), whichever is larger should be accepted.
Paso V:
The removal efficiencies of the dust particles having a diameter other than dpi are estimated using Eq. (4.34).
Paso VI:
The overall collection efficiency of the proposed ESP is estimated using Eq. (4.10).
N overall = Σm dpi × n dpi /Σm dpi
If the estimated overall efficiency does not match the desired efficiency, then some of the parameters listed in step II are changed and the steps III, IV, V and VI are reworked till the estimated overall removal efficiency matches the desired one.
The ratio of the effective length to the effective height of an ESP is referred to as the Aspect Ratio (AR). It generally ranges between 0.5 to 2. For 99.5 + % removal efficiency the AR should be greater than 2.
The number of parallel channels in a module is estimated using the relation,
n = Q/q, (4.36)
where Q is the total volumetric gas-flow rate.
ESP Performance:
An ESP is used to remove particles ranging in size from 300 (am to 1pm and the overall removal efficiency may be as high as 99.9%. Since the efficiency is a logarithmic function of the collector area, the area required for 99 % collection is about twice that required for 90% collection. The efficiency may be more than 99% for particles larger than 2 pm. The pressure loss is less than 2.5 cm of water. Power consumption is about 75-750 kW per 10, 000 Nm 3 /min gas-flow rate.
The actual performance of an ESP may be poorer than the calculated one because of re-entrainment, improper electrical setting, badly adjusted rapper, excessive dust build-up, channeling of gas, high electrical resistivity, low SO 2 content of the carrier gas. Sectionalized units have higher efficiency.
Normally an ESP operates in the particle resistivity range of 10 4 -10 12 ohm-cm. For resistivity less than 10 4 the particles lose their charge easily and hence are not collected. For resistivity more than 5 x 10 10 particles are held rigidly to the collector. Strong rapping required for dislodging such particles results in re-entrainment.
Advantages and Disadvantages of an ESP :
Ventajas:
1. Low pressure drop (draft loss),
2. Can handle gas at high temperature and pressure,
3. High collection efficiency even for small particles < 0.1 µm,
4. Variation of gas-flow rate and dust loading do not affect the efficiency much,
5. Can be operated both in dry and wet conditions,
6. Can handle corrosive gases,
7. Maintenance cost is low as there are fewer moving parts,
8. Low operating cost compared to other high efficiency dust removal systems.
Desventajas:
1. Initial cost is high,
2. More space is required,
3. It is not suitable for combustible dust and or gases,
4. Actual removal efficiency may be low if not operated properly,
5. Conditioning agents may be required for resistive particles.
In Table 4.10 the normal range of variation of the parameters of plate type commercial ESPs are listed.
Table 4.10 : Normal Range of Variation of Parameter Values of Plate Type Commercial ESPs
Example 4.3:
Design a suitable parallel plate electrostatic precipitator (ESP) for 99.5 percent removal of particles having a diameter 20 µm from a carrier gas (air) flowing at the rate of 30, 000 m 3 /hour at 30 °C.
Following data may be used for design purpose:
Solución:
Since U p dpi is given it is not necessary to calculate the same using either Eq. (4.29) or Eq. (4.30). From Eq (4. 33).
Device # 6. Scrubbers:
Scrubbers are widely used in industries for removal of dust particles, suspended liquid droplets and also for absorption of gaseous pollutants from effluent gas streams. In a scrubber a gas stream is brought in contact with a liquid stream (generally water) either in the form of a spray or a pool as a result of which the suspended particles are collected in the liquid stream and thereby form a slurry.
The treated gas saturated with water vapour and containing some water droplets comes out of the scrubber. The slurry often needs further treatment before its final disposal. In dry cleaners discussed earlier one does not encounter this problem.
In a scrubber the mechanism of collection of larger particles (dp > 0.3 pm) is predominantly interception and impingement, leading to agglomeration of particles. The finer particles (dp < 0.3pm) are mainly collected due to diffusion. If a gas stream cools down below its dew point coming in contact with the scrubbing liquid then the process of dust collection gets boosted.
One finds such a wide variety of industrial scrubbers that it becomes very difficult to classify them properly. All conceivable means of contacting gas and liquid streams have been and are being employed. A classification based on scrubber internals and scrubber liquid flow pattern is given in Table 4.11.
Scrubbers are also classified as 'low Energy' and 'high energy' type as listed below:
Some of the scrubbers listed in Table 4.11 are described hereunder. Their performance and other relevant data are tabulated in Table 4.12.
1. Plate Columns:
Sieve Plate:
In sieve plate columns the flow is countercurrent. The scrubbing liquid enters at the top and flows down. The gas enters near the bottom and flows up. Water flows over plates forming a pool about 2.5 cm deep on each plate. The dust-laden gas enters a plate through its perforations and bubbles through the liquid pool on it.
The mechanism of dust collection is interception and impingement. The pressure drop across such a column depends on the number of plates employed and the depth of liquid on each plate. The collection efficiency depends on the number of plates in a column, perforation diameter and gas velocity. It may be 90% or more for particle size 5 µm and larger.
Bubble Cap and Baffle Plate Column:
These scrubbers are vertical towers with one or more perforated plates mounted horizontally inside like the sieve plate columns. The difference lies in the fact that at a short distance above each perforation on a plate a cap or a baffle is placed submerged in the liquid pool on the plate. Because of impingement on the obstruction and subsequent change in direction of the flowing gas the collection efficiency is higher than that of a sieve plate column.
The efficiency increases as the holes diameter decreases. Decrease of gas velocity also increases the efficiency. The efficiency decreases with the decrease in the particle size. Because of improper removal of the collected particles from plates scaling and plugging of the perforations may take place.
2. Packed Scrubbers:
A packed bed scrubber is also a vertical tower in which the dirty gas generally enters at the bottom and flows up through a bed of pickings resting on a packing support. The scrubbing liquid is introduced at the top and is distributed throughout the cross section of the tower. As the gas flows up through the tortuous channels in between the pickings it comes in contact with wet packing surfaces where the particles are arrested due to inertial interception and impingement.
Packed scrubbers are of two types: fixed bed type and floating bed type.
A fixed bed may be either countercurrent or concurrent type. In a concurrent type both gas and liquid enter at the top. In a fixed bed the pickings are heavy and they rest on a packing support. Fixed beds are susceptible to choking at high dust load and low void age.
In floating type packed beds plastic balls made of polyethylene, polypropylene or other thermo plastic materials are generally used as they are resistant to corrosion and lighter than water. The packing's are confined between two perforated horizontal plates. The distance between the plates is normally about 0.5 m. A floating type bed is countercurrent type.
The gas enters at the bottom at a velocity of about 2 to 4 m/s. At low velocities the packing's form a fixed bed on the lower support plate, while at high gas velocities the packing's form a fixed bed below the restraining upper plate. At an intermediate velocity the packing would be floating and in turbulent motion.
For treatment of gases containing corrosive constituents FRP (glass fiber reinforced plastic) may be used for construction of such columns instead of rubber or plastic lined steel or such other materials. Collection efficiency increases as smaller packing's are used since they provide more surface area per unit packed volume. Use of smaller size packing would result in higher-pressure drop.
3. Fiber Bed:
A bed made of knitted plastic, fiber glass, metal wire or meshed fiber is used as a filter. Such a bed has a void percentage around 97-99%. The bed is kept wet and it is flushed with the scrubbing liquid. This helps in collecting particles and removing the collected particles in the form of a slurry.
Collection of particles due to impaction improves as fiber diameter decrease and gas velocity increases, whereas collection by diffusion increases as gas velocity decreases. The wire/fiber diameter should be small for efficient operation but must be able to provide sufficient mechanical strength so as to support its weight along with those of the collected particles and retained liquid.
4. Spray Contactors:
In these scrubbers a dust-laden gas is brought into contact with atomized liquid droplets. Atomization may be achieved by forcing the scrubbing liquid through nozzles or it may be induced by allowing the gas to flow at a high velocity (60-120 m/s) through a venturi or an orifice type device.
The liquid droplets collect the solid particles by inertial impaction and impingement. The removal efficiency is dependent on the particle size, liquid drop size, gas velocity and liquid to gas ratio. The dust laden droplets are separated from the gas by using gravity settlers or packed beds or cyclone type devices.
In spray scrubbers, where liquid droplets are removed by gravity settling the cut size is around 2 pm and the optimum droplet diameters for fine particle collection is 100 to 500 pm. For cut size around 0.7 pm high velocity sprays are more efficient. The liquid to gas ratio in spray scrubbers is in the range of 4000-14000 lit/1000 Nm 3 . Centrifugal Scrubber can recover particles smaller than those recovered by spray scrubbers. The cut diameter is between 2 to 3 pm. The collection efficiency is 97% or more for particles > 1 µm.
Venturi Scrubber :
Venturi Scrubbers are high efficiency wet scrubbers where particles even finer than 2 pm are effectively removed. These are as efficient as ESPs and fabric filters. Initial cost of a venturi scrubber is less than that of an ESP or a bag house, however the operating cost is high. If the particles to be removed are sticky/flammable/corrosive, a venturi scrubber is a better choice over an ESP or a bag house.
A venturi scrubber is basically a convergent-divergent duct with a throat where the cross section is the minimum. It may have a cylindrical or rectangular cross section. The gas enters the convergent section and the scrubbing liquid may be introduced either at the entrance of the convergent section or at the throat in the form of a spray.
When the gas and liquid droplets pass through the throat at a high velocity the particles are collected in the liquid droplets due to interception, impingement and diffusion. The collection efficiency increases as the throat length is increased with consequent increase in pressure drop. The optimum ratio of throat length to diameter is 3: 1.
The particle laden liquid droplets as they come out of the divergent sections are separated from the gas in a cyclone or a mist eliminator. When the influent gas is hot, the scrubbing liquid is introduced at the section where the convergent section starts, but when the gas temperature is not high or it is almost saturated with moisture the liquid is introduced at the throat.
The gas velocity at the throat ranges between 50-180 m/s at which it is most efficient. When the gas flow rate is high a rectangular venturi is used. The liquid to gas ratio normally ranges between 900-1400 lit/1000m 3 . A liquid flow rate of 400 lit/1000 m 3 is insufficient to cover the throat. The collection efficiency does not improve much beyond a liquid flow rate of 1400 lit/1000 m 3 . The converging angle is generally 25°- 28° and the diverging angle is 6°- 7°.
The pressure drop AP, across a venturi scrubber may be calculated using the relation,
∆P=1x 10 -5 V 2 L (4.37)
where, ∆P is in cm of water gauge, V= gas velocity at the throat, in m/s, and L = liquid flow rate in lit/1000 m 3 . At a liquid rate of 650 lit/1000 m 3 the ∆P calculated using Eq. (4.37) is quite accurate, but at a liquid rate of 1600 lit/1000 m 3 the calculated ∆P is higher than the actual.
Impingement and Entrainment Scrubbers :
In such scrubbers the gas to be scrubbed is passed through a trap partly or completely filled with water. The suspended particles are arrested by inertial impaction. The treated gas entrains some water droplets, which also help in removing some of the suspended particles.
Mechanically Aided Scrubbers:
This type of scrubbers use a motor driven device to bring about intimate contact between a dirty gas and liquid droplets. The motor driven device is often a fan, which moves the gas. The scrubbing liquid is introduced as a spray at the hub of the fan. The finer droplets move with the gas. The larger droplets hit the fan blades and wash the deposited particles. While leaving the blades at their tips the liquid gets atomized.
The dust-laden droplets are separated from the gas with the help of a suitable device. For producing liquid droplets (spray) the rotor may be partially submerged or Water may be injected between the rotor and stator. Such devices may experience high erosion, abrasion and Corrosion
In Table 4.12 the performance and other related information about some types of scrubbers are listed.
It is to be noted here that a scrubbed gas stream would invariably contain liquid droplets and its temperature would not be much higher than that of the influent scrubbing liquid. Hence the treated gas stream has to be freed from liquid droplets and mists and then reheated before purging the same to the atmosphere through a stack.
Additional Information:
Removal of Liquid Droplets and Mists:
The mechanisms by which suspended liquid droplets and mists may be removed are similar to those for solid particle removal. Removal of suspended liquid droplets is somewhat easier than that of solid particles. Liquid droplets coalesces easily on interception and drain off. Unlike solid particles, liquid droplets once separated are not re-entrained easily. Some of the devices, which are used, for removal of solid particles may also be used for removal of suspended liquid droplets.
The following types of devices are commonly employed for removal of gas-borne liquid droplets:
(a) Packed beds,
(b) Cyclones,
(c) Baffle system,
(d) ESP,
(e) Filter.
Packed beds and cyclones do not need any scrubbing liquid for arresting liquid droplets. Draining of collected liquid from an ESP collector surface occurs due to gravity and does not require any hammering. A special type of filter media is a pad made of knitted wire or fibrous mesh occupying the entire cross section of a vertical tower. It is very often used for filtering liquid droplets and mists. Such pads made of 0.3 to 1.5 mm diameter wire or fibre has high void volume and causes low pressure drop even at high gas velocities.
These devices are termed as 'mist eliminators' or 'demisters'. Very fine wires or fibres are not used for fabricating the pads and the pads are not densely packed as that would cause retention of more liquid and thereby finally block the flow channels.
The optimum gas velocity for such filters may be calculated using the relation
The numerical value of K in a given situation depends on factors like liquid density, liquid viscosity, surface tension, droplet size, etc.
Cooling and Condensation:
After removal of suspended solid particles from a gas stream using any device other than a scrubber it becomes necessary to cool the stream when any one of the following methods is to be employed for removal of the gaseous pollutants:
(i) Condensation of a vapour,
(ii) Absorption of gaseous pollutant (s),
(iii) Adsorption of gaseous pollutant (s),
(iv) Chemical reactions other than incineration.
Cooling of a gas stream may be carried out using either a direct contact heat exchanger or a surface (indirect contact) exchanger. In a direct contact exchanger a gas stream is brought into intimate contact with a large quantity of a liquid (generally water) at a temperature lower than the dew point of the gas..
The contacting equipment may be similar to any one of the wet scrubbers described earlier. As a result of heat exchange between the gas and the liquid, the gas stream may be cooled to the desired temperature and condensable vapour present, if any, may get condensed. This type of exchanger may be used when the condensable vapour is not having any economic value. The coolant temperature would rise during the process. Its rate may be calculated using Eq. (4.39) obtained by heat balancing.
If the gas is not cooled below its dew point then the gas would pick up some vapour (of the coolant) during the process. In such a situation the coolant rate may be calculated using Eq. (4.39a).
Indirect contact (surface) exchangers are generally shell and tube type. The tubes may be with or without fins. Of the two fluids (hot gas and coolant) one would flow through the tubes and the other would flow outside the tubes. The coolant may be either air or some other fluid depending upon whether the exchanger will act as a cooler or a cooler-cum-condenser. In Table 4.13 some guidelines for coolant selection and its inlet temperature are given.
Indirect Contact Exchanger Design Approach:
The basic design equation for a shell and tube heat exchanger is
Ec. [4.40] is applicable when cooling is accompanied by condensation of vapour. When there is no condensation the term Σʎ(y 1i – y 2i ) will be equal to zero. The symbols L, C pl, T L1 and T L2 refer to the coolant stream flow rate, specific heat of liquid, inlet and outlet temperatures.
Where q = rate of heat transfer,
U h = overall heat transfer coefficient,
A h = Heat transfer area, and
∆tm = mean temperature difference, a function of T L1, T L2, T g1 and T g2 .
The actual expression for evaluation of ∆tm depends on the flow arrangement of the fluids in an exchanger.
Figure 4.10 shows a sketch of a shell and tube type cooler-condenser.
The overall heat transfer co-efficient, U h, can be evaluated by combining the individual co-efficient using Eq. (4.41).
Typical values of the above named parameters are listed in Table 4.14.
For evaluation of U h in a specific situation the individual coefficient should be estimated using information and correlations available in standard books on Heat Transfer.
