Неоднородные системы «газ-твердое тело», подлежащие разделению в пищевой промышленности, чрезвычайно разработаны по своим физико-химическим параметрам. Существенно различаются и производственные задачи — от выделения грубодисперсных фракции (переработка семян подсолнечника, растаривание, измельчение и переработка зерна, обеспыливание техносферы в известковых отделениях сахарных заводов) до улавливания высокодисперсных твердых частиц (мучная и сахарная пыль). Весьма различны массовые концентрации дисперсной фазы в пылегазовых потоках и их объемные расходы. Эти обстоятельства определяют разнообразный характер процессов пылеулавливания, в основе которых лежат различные механизмы выделения твердых частиц из неоднородных систем «газ — твердое тело».
Основные механизмы выделения частиц из потока. На рис.2 приведены схемы физических механизмов выделения взвешенных частиц из газовых потоков. Часть этих схем характеризует основные механизмы пылевы-деления, а часть — вспомогательные, лишь увеличивающие эффективность действия основных. Следует отметить, что такое деление условно, и в некоторых устройствах вспомогательные механизмы пылевыделения могут играть роль основных.
Рис. 2. Схемы физических механизмов выделения частиц пыли из газовых потоков (R — радиус циклона; F — силы):
а — под действием силы тяжести; б — под действием центробежной силы; в — столкновение частицы с телом осаждения (инерционный удар); г — прямое осаждение; д — диффузионное осаждение; е —электростатическое осаждение; ж — термопреципитация; 1 — частицы пыли; 2 — направление газового потока; 3 — тело осаждения; 4 — силы диффузии; 5 — коронирующий электрод отрицательной полярности; 6 — осадительный электрод; 7 — земля; 8 — нагретое тело; 9 — холодная поверхность.
Гравитационный механизм. Наиболее простой, но наименее эффективный механизм выделения частиц из потока основан на естественном осаждении пыли. Поскольку в гравитационных пылеуловителях газовая среда турбулентна, то нельзя рассчитывать на эффективное выделение в них тонких фракций пыли даже при значительном времени пребывания частиц в аппарате. Значительно лучше улавливаются крупные фракции пыли, однако они не вполне подчиняются элементарному расчету, основанному на определении скорости их витания в неподвижной среде.
Гравитационный механизм пылевыделения используют в основном для частиц диаметром более 50 мкм.
Центробежный механизм. При быстром вращении пылегазового потока достигаются большие радиальные скорости перемещения взвешенных в газе частиц, и, следовательно, эффективное их выделение из потока. Центробежный способ пылеулавливания реализуют в циклонах. Однако продолжительность пребывания в них частиц невелика. Соответственно диаметр этих аппаратов обычно сравнительно мал, иначе за короткий срок пребывания в циклоне многие частицы не достигнут его стенки.
В циклонах диаметром до 1,2 м можно достаточно эффективно улавливать частицы пыли размером более 10 мкм.
Увеличение времени пребывания частиц можно достичь ростом числа витков газового потока в корпусе циклона, но это связано с увеличением потерь напора очищаемого газа.
Увеличение скорости на входе пылегазового потока в циклон свыше 18…20 м/с обычно не повышает существенно эффективность аппаратов. Это объясняется как увеличением турбулизации потока, так и торможением частиц в результате действия сил Кориолиса. Кроме того, увеличение скорости нежелательно в связи с ростом потерь напора и возрастанием абразивного износа циклонных устройств. Возможный путь обеспечения высокой эффективности этих аппаратов при достаточно высоких расходах газа — параллельная установка большого числа небольших циклонов. Однако при этом трудно обеспечить равномерное распределение пылегазового потока по циклонным элементам.
Очевидное преимущество циклонов — их работоспособность при высоких температурах газа и сравнительная дешевизна, однако эффективность их при больших размерах и умеренных потерях напора недостаточна для тонкой очистки газов.
Инерционный механизм. Этот механизм основан на выделении частиц из газового потока при обтекании препятствия. Существенное отклонение линий тока от прямолинейного направления при обтекании потоком препятствия начинается тем раньше, чем больше поперечный размер препятствия. Соответственно раньше начинается и отклонение взвешенных в потоке частиц. Наоборот, если препятствие мало по размерам, то отклонение направления движения частиц (вызванного искривлением линий тока не сущего их потока) начинается значительно ближе к препятствию. При одинаковой скорости газа силы инерции при этом окажутся больше. Поэтому чем меньше поперечный размер препятствия, тем больше вероятность то го, что движущиеся в направлении этого препятствия частицы достигнут его поверхности, а не обойдут его вместе с огибающими его струями газа. Следовательно, эффективное инерционное пылевыделение возможно при использовании осаждающих тел, имеющих малый размер в поперечном к потоку направлении.
Использование инерционного механизма пылевыделения связано со значительными потерями напора пылегазового потока. Тем не менее, достигаемая высокая эффективность улавливания оправдывает указанный недостаток.
Электрический механизм. Электрическое выделение пыли основано на использовании взаимодействия между электрическим полем и заряженной частицей.
Механизм электрического пылевыделения предусматривает зарядку частиц.
Зарядка частиц достигается путем направления запыленного потока через поток одноименно заряженных ионов (источником этих ионов является разновидность газового разряда — коронный разряд).
Электрическое поле, необходимое для возникновения сил, выделяющих заряженные частицы из потока, образуется в результате создания разности потенциалов на разноименных электродах, установленных по пути движения запыленного потока. В полной мере действие этих сил проявляется в областях, примыкающих непосредственно к электродам, служащим для осаждения пыли, что определяется наличием интенсивных турбулентных пульсаций в остальном объеме газового потока.
Электрические силы, действующие на заряженные частицы, невелики; поэтому высокая эффективность при использовании данного механизма пылевыделения достигается при длительном пребывании частиц в электрическом поле. Этим определяется главный недостаток электрофильтров: их размеры из-за необходимости обеспечения длительного пребывания в электрофильтре запыленного потока весьма велики, и стоимость этих аппаратов значительна.
Однако по сравнению с тканевыми фильтрами, устройства электрической очистки не создают высоких потерь напора и сравнительно мало энергоемки.