Top 6 dispositivos para remover poluentes de gás
Este artigo lança luz sobre os seis principais dispositivos para remover poluentes transportados pelo gás. Os dispositivos são: 1. Gravidade Settler 2. Inertial Separator 3. Separador centrífugo 4. Filtros 5. Precipitador eletrostático e 6. Purificadores.
Dispositivo # 1: Gravidade Settler:
Quando uma corrente de gás carregada de poeira flui através de uma câmara, as partículas de poeira experimentam as seguintes forças na direção vertical:
(i) uma força gravitacional agindo para baixo,
(ii) uma força de empuxo agindo para cima, e
(iii) Uma força de arrasto na direção oposta à direção de movimento das partículas.
Como resultado, as partículas atingem uma velocidade líquida descendente, que sob condição de estado estacionário é denominada como velocidade terminal, U r . As partículas também experimentam uma velocidade na direção horizontal, que seria a mesma que a do gás de arraste (assumindo que não há deslizamento na interface gás-partícula).
As partículas de poeira, que são retidas na câmara, são separadas da corrente de gás de arraste e as demais são levadas embora. Tal câmara é denominada como um decantador de gravidade.
O grau de remoção de poeira de um fluxo de gás em um coletor de gravidade depende dos seguintes fatores:
(i) velocidade do gás na câmara,
ii) distribuição do tamanho das partículas;
(iii) As velocidades terminais das partículas, que por sua vez dependem do tamanho das partículas, densidades de partículas, velocidade do gás (transportadora) e densidade do gás.
iv) a duração da câmara e
(v) a altura da câmara.
Os colonos de gravidade são de dois tipos:
(i) câmara única (sem qualquer bandeja dentro) e
(2) câmara multi-bandeja (também conhecida como Howard settler).
A figura 4.2 mostra esboços de decantadores de gravidade.
Em termos de construção, uma única câmara é a mais barata. As partículas de poeira retidas são coletadas em uma tremonha / tremonha na base de onde as partículas são removidas de tempos em tempos. Uma câmara com múltiplas bandejas seria mais dispendiosa e teria várias bandejas ligeiramente inclinadas com uma folga uniforme entre as bandejas. As bandejas são fornecidas com um dispositivo mecânico adequado para que as camadas de poeira acumuladas nas bandejas possam ser removidas sem qualquer interrupção do processo de fluxo.
Os decantadores podem ser feitos de qualquer metal, que seria capaz de suportar a temperatura do gás, o ambiente corrosivo e a abrasão das partículas. Não há limitações de pressão e temperatura no que diz respeito ao gás de entrada. Pode ser necessário isolar um decantador para evitar o resfriamento do gás influente abaixo de seu ponto de condensação e conseqüente condensação de vapor.
Em um único decantador de câmara, partículas maiores que 40 (am podem ser removidas eficientemente enquanto que uma câmara multi-bandeja adequadamente projetada pode remover partículas tão pequenas quanto as 22h) Uma das maiores vantagens de um decantador de gravidade é sua queda de baixa pressão.
A queda de pressão geral pode ser calculada adicionando as quedas de pressão devidas a:
(i) expansão da entrada,
(ii) perda por atrito na própria câmara e
(iii) Sair da contração.
Abordagem do Design do Colonizador de Gravidade:
Para projetar um decantador de gravidade, as seguintes informações são necessárias em unidades consistentes:
1. Vazão volumétrica de gás
2. Análise de tamanho de partículas de poeira e distribuição de massa (dpi vs. m dpi ),
3. Densidade média das partículas, P p
4. Densidade e viscosidade do gás, Pg, pg e
5. A eficiência de remoção desejada (ᶯ dpi ) do tamanho de partícula alvo.
Foi mencionado anteriormente que uma partícula com um diâmetro de dpi atinge uma velocidade terminal U t, dpi como resultado das forças (já listadas) atuando sobre ela. A expressão para U t. dpj funciona para ser
As partículas, que normalmente estariam interessadas em remover em um decantador de gravidade, não seriam muito finas; portanto, U t, dpi de tais partículas pode ser calculado usando a Eq. (4.7), que é obtido assumindo
Deve ser mencionado aqui que, para fins de projeto, assume-se que as partículas atingiriam suas respectivas velocidades terminais imediatamente após entrarem em uma câmara de decantação.
O tamanho de um decantador de gravidade pode ser obtido através dos seguintes passos:
Passo I:
Avalie o u t, dpi para todos os tamanhos de partícula usando o Eqs. (4.2) a (4.6) ou Eq. (4.7) dependendo do dp.
Etapa II:
Selecione uma velocidade de gás linear adequada U através do coletor proposto. Regra geral, U varia entre 0, 3-3 m / s. Geralmente é tomado como 0, 3 a 0, 6 m / s.
Etapa III:
Decida o comprimento do colector L. Decide-se com base no espaço disponível para a instalação do decantador ou para satisfazer a queda de pressão permitida através do decantador ou para satisfazer ambos.
Etapa IV:
Avaliar o tempo de permanência na câmara, τ
onde τ = L / U
Etapa V:
Estimar a altura do decantador H. As equações / relações a serem usadas para estimar H dependem se o decantador proposto é um decantador de câmara única ou um decantador de múltiplas bandejas e se o fluxo dentro do decantador é laminar ou turbulento.
Etapa VI:
A largura W da câmara deve ser estimada usando a relação W = Q / HU, obtida pelo balanceamento do fluxo volumétrico,
onde Q = taxa de fluxo volumétrica do gás de arraste.
(A) Um colono de câmara única, fluxo laminar
A altura do colono, H, é estimada com base na eficiência de remoção desejada do tamanho de partícula alvo, dpi, usando a relação.
Para as partículas com tamanhos diferentes de dpi, a eficiência de remoção é calculada usando a relação.
Usando as informações obtidas até agora, a eficiência global do colono é estimada com a ajuda da relação.
Deve-se notar que η dp pode ter um valor máximo de 1, 0.
Caso o valor calculado de η global não atinja o desempenho desejado do decantador, as Eqs. (4.8) a (4.10) devem ser retrabalhados com base em um novo (assumido) dpi ou um novo (assumido) η dpj ou um novo conjunto de dpi e η dpi até que o critério de desempenho desejado seja satisfeito.
(B) Colono de Câmara Única, Fluxo Turbulento
A altura do colono H é estimada com base no tamanho de partícula alvo dpi e assumindo uma eficiência de separação η dpi = 1 = 1 usando a relação
Para cada uma das outras partículas com diâmetro dp * ppp calcula-se a altura de decantação h dp usando a Eq. (4. 12).
Em seguida, as eficiências de remoção de cada um dos diferentes tamanhos de partículas com dp <dpi são calculadas usando a Eq. (4, 13)
A eficiência de separação das partículas com dp> dpi é considerada 1.0. A eficiência total de remoção de todas as partículas é finalmente avaliada usando a Eq. (4, 10).
Caso o desempenho global calculado com base na Eq. (4.10) não corresponde ao desempenho desejado as Eqs. (4.10), (4.11), (4, 12) e (4.13) são retrabalhados escolhendo um tamanho de partícula alvo diferente de dpi até que o desempenho desejado seja atingido.
(C) Projeto Multiplicador de Bandejas :
No caso de um decantador de múltiplas bandejas, a distância entre duas bandejas consecutivas H r é importante. Geralmente, é da ordem de 30 cm. O número de bandejas em uma câmara, N, é estimado usando a relação,
N = (H / H t ). (4, 14)
Reordenando a Eq. (4.14) a altura da câmara pode ser expressa
É evidente que, para estimação de H, Ht e N, devem ser pré-selecionados.
Uma vez fixada Ht, o desempenho geral de um decantador de múltiplas bandejas deve ser estimado usando os Eqs apropriados. (4.2) a (4.13), dependendo de o fluxo poder ser laminar ou turbulento. A relação a ser usada para estimar W seria
W = Q / NH, U
Se o desempenho do colono proposto for considerado insatisfatório, o problema deve ser retrabalhado assumindo um novo N.
A partícula de tamanho mínimo que seria removida em uma extensão desejada em um decantador especificado pode ser expressa como
Onde g = aceleração devido à gravidade.
Deve-se salientar aqui que a eficiência real de um decantador será menor do que a calculada usando Eq. (4.10), pelas seguintes razões:
(i) Re-arraste das partículas sedimentadas,
(ii) as partículas não atingem suas velocidades terminais logo após entrarem em um colono;
(iii) Forma não esférica das partículas.
Exemplo 4.1:
Propõe-se a instalação de um decantador de gravidade para a remoção completa de partículas de pó com diâmetro de 40 pm de um gás de arraste.
As outras informações pertinentes são:
Vazão do gás de arraste = 21, 600 m 3 / h. a 50 ° C e pressão ligeiramente acima de 1 atm,
Densidade de partícula (p p ) = 2, 5 g / cm3.
As propriedades físicas do gás de arraste podem ser tomadas como a do ar na condição de operação.
Encontrar:
a) Dimensões adequadas de um decantador de câmara única, que pressupõe um fluxo laminar na câmara;
(b) A eficiência de remoção do mesmo decantador se o fluxo na câmara for turbulento,
(c) Se o mesmo decantador estiver equipado com bandejas de aproximadamente 30 cm de distância, que partículas de tamanho mínimo podem ser removidas com 100% de eficiência?
Solução:
a) Pressupostos do câmara única:
(i) O fluxo dentro do colono seria laminar,
(ii) a acomodação do número de Reynolds (Re p ) seria menor que 2,
(iii) Velocidade do gás de transporte através do decantador, U = 0, 4 m / s.
Densidade do gás portador (pg) a 50 ° C e 1 atm.
As dimensões de um decantador podem ser estimadas usando as seguintes relações se o fluxo no decantador for laminar.
Como r não é especificado, vários valores de x são assumidos e os valores correspondentes de L, H e W são calculados conforme listado abaixo:
As dimensões de um decantador adequado dependeriam do espaço disponível para sua instalação. Deixe as dimensões propostas do colono
L = 8 m, H = 2, 29 meW = 6, 55 m correspondendo a r = 20 s
Agora tem que ser verificado se o fluxo dentro do colono seria laminar ou turbulento calculando o número de Reynolds,
Portanto, o fluxo dentro do colono seria turbulento.
(b) Como o fluxo dentro do decantador seria turbulento, sua eficiência deveria ser estimada usando a Eq. (4, 13)
(c) Se o decantador proposto for equipado com bandejas de aproximadamente 30 cm de distância, o número de bandejas dentro do
Isso resultaria em um espaçamento entre as bandejas, Ht = 2, 29 / 8 = 0, 28 m
A velocidade linear do gás no colono seria
Portanto, o fluxo seria turbulento.
Como o fluxo dentro do decantador de múltiplas bandejas seria turbulento, as partículas de tamanho mínimo que seriam completamente removidas podem ser calculadas usando a Eq. (4, 16)
Remoção completa significa n dpi = 1, no entanto, a substituição de n dpi = 1 na equação acima resultaria em um dpi indeterminado. Por isso, η dpi é tomado como 0, 999 e o dpi é calculado usando a Eq. (4, 16).
Dispositivo # 2. Separador Inercial:
Partículas sólidas suspensas transportadas por uma corrente de gás atingem quase a mesma velocidade que a própria corrente de gás. Como resultado, o momento e, consequentemente, a inércia (de movimento) das partículas maiores e mais densas são mais comparados com os das partículas mais leves e mais finas. Quando tal fluxo de gás altera sua direção de fluxo dentro de um equipamento, a direção do fluxo das partículas com maior inércia continua a seguir a antiga direção (anterior) e finalmente chega a repousar depois de colidir com alguma superfície.
As partículas mais leves e mais finas são levadas pelo fluxo de gás em si, à medida que a força de arrasto supera a inércia. Tal equipamento é denominado como um 'separador inercial'. A eficiência de remoção de poeira de um separador inercial pode ser melhorada apenas pela redução da força de arrasto nas partículas. Isto pode ser conseguido diminuindo a velocidade do gás na zona de separação. Separadores inerciais são de diferentes tipos. A Figura 4.3 mostra esboços de alguns tipos de separadores inerciais.
A velocidade do gás que entra em um separador inercial pode ser em torno de 10 m / s e que no separador é normalmente cerca de 1 m / s. O tamanho de um separador inercial é geralmente menor do que o de um decantador de gravidade com capacidade e eficiência semelhantes, mas a queda de pressão seria maior. Para um separador inercial, não há limitação de pressão e temperatura.
Dispositivo # 3. Separador centrífugo:
Um separador centrífugo é comumente conhecido como um separador ciclônico. É um tipo de separador inercial, no entanto, a força que provoca a separação é centrífuga. Sua parte superior é cilíndrica, enquanto a parte inferior é um cone truncado invertido. O gás carregado de poeira entra no cilindro próximo ao topo através de uma abertura lateral ou axialmente através do topo com uma velocidade tangencial. O gás limpo sai pela parte superior através de uma saída circular central. As partículas sólidas separadas são descarregadas através de uma saída central na parte inferior.
No caso de um ciclone de entrada lateral, a entrada para o ciclone é colocada tangencialmente e, portanto, o gás que entra adquire uma velocidade tangencial. Os ciclones axiais de entrada estão equipados com palhetas de modo a conferir uma velocidade tangencial ao gás que entra.
O gás carregado de poeira após entrar em um ciclone se move para baixo como um vórtice externo descendente por causa de sua velocidade tangencial, atinge quase o ápice do cone e então inverte sua direção, movendo-se para cima como um vórtice interno ascendente. Finalmente, o gás sai do ciclone através de uma saída localizada centralmente no topo.
As partículas de poeira maiores e mais pesadas, enquanto se deslocam para baixo, juntamente com a corrente de gás em movimento, experimentam uma força centrífuga, em resultado da qual migram para a parede. Finalmente eles deslizam em direção à saída inferior, que geralmente é equipada com uma válvula rotativa. As partículas mais finas e mais leves são levadas pela corrente de gás que sai.
A força centrífuga que atua sobre uma partícula de massa m pode ser expressa como:
Da Eq. (4.18) é evidente que, para uma partícula com diâmetro P p e densidade p p, a força centrífuga atuando sobre ela é diretamente proporcional à umidade e inversamente proporcional a R. Assim, sua eficiência de remoção em um ciclone aumentaria com o aumento em U tan diminuir com o aumento em R.
Ciclones com diâmetros de 1 m ou mais podem lidar com taxas de fluxo de gás mais altas, mas são menos eficientes na remoção de partículas mais finas que 30 horas. A queda de pressão através desse ciclone pode ser de cerca de 2, 5-15 cm de água. Ciclones com um diâmetro de 30 cm ou menos são referidos como ciclones de alta eficiência.
Sua capacidade de manuseio de gás é menor, mas eles são bastante eficientes na remoção de partículas tão pequenas quanto 10 da noite. A queda de pressão através de um pequeno ciclone é geralmente de cerca de 10 cm a 30 cm de água. Devido à sua baixa capacidade de manuseio de gás, vários ciclones são freqüentemente operados paralelamente e são colocados em um único alojamento. Tal conjunto é referido como um multi-ciclone.
A Figura 4.4 mostra um esboço de um ciclone padrão. As dimensões das diferentes porções de tal ciclone são expressas como proporções ao seu diâmetro. Estas relações diferem um pouco dependendo do tipo de ciclone. Os ciclones são classificados como alta eficiência, eficiência média e ciclone convencional. Na Tabela 4.5, as dimensões relativas dos tipos de ciclones mencionados acima são listadas.
As vantagens de um separador ciclônico são sua simplicidade na construção e menor custo. Como não há peças móveis em um ciclone, seu custo de manutenção é baixo. Requer menos espaço no chão. Um ciclone adequadamente projetado pode ser operado a uma pressão tão alta quanto 500 atm e temperatura tão alta quanto 1000 ° C.
Abordagem do Projeto de um Separador de Ciclones:
Para projetar um ciclone, a análise do tamanho das partículas de poeira presentes em uma corrente de gás influente deve estar disponível. O tamanho de corte de partícula d 50 também deve ser conhecido. d 5Q significa o diâmetro da partícula, 50% (em massa) da qual precisa ser removida de uma corrente de gás carregada de poeira.
Uma vez que estas informações são conhecidas, um diâmetro de ciclone Dc é assumido, d50 correspondendo àquele Dc é calculado usando o procedimento dado abaixo. Se o d 50 calculado não corresponder ao desejado d 50, um novo D c é assumido e o cálculo é repetido.
Depois de estabelecer o D c, as eficiências de remoção das partículas de poeira com diâmetros diferentes de d 50 são estimadas usando um gráfico como mostrado na Fig. 4.5.
A eficiência global do ciclone proposto é então calculada usando a relação dada na Eq. (4, 10)
Existem duas abordagens na concepção de um separador de ciclone:
(1) a abordagem da Lapple e
(2) Abordagem de equilíbrio de força.
1. Abordagem de Lapple:
Esta abordagem é baseada na seguinte expressão para d 50
onde N e = número efetivo de voltas no vórtice externo descendente que geralmente varia entre 1 e 10 =
U I = velocidade do gás que varia entre 6 e 24 m / s
Geralmente é tomado como 16 m / s.
A expressão correspondente para queda de pressão através de um ciclone é
A queda de pressão depende do tipo de ciclone. Alguns dados típicos estão listados na Tabela 4.6.
2. Abordagem do Equilíbrio da Força:
A abordagem do equilíbrio de forças baseia-se nas seguintes premissas:
(i) As partículas dentro de um ciclone a uma distância R do eixo experimentam uma força radial líquida, que é a diferença entre a força do campo de rede (força centrífuga) e a força de arrasto.
(ii) As partículas com um diâmetro d50 serão submetidas a uma força líquida igual a zero
(v) Uma expressão para U tan é obtida equilibrando os momentos de forças do fluido na entrada e saída e a força de cisalhamento da parede em torno do eixo do ciclone.
onde fs é análogo ao fator de atrito = 1/200
A 1, é a área da seção transversal do duto de entrada = B C H C
A s é a área de superfície do ciclone exposta ao
Gás girando
O procedimento de projeto é selecionar ad 50 e assumir um diâmetro de ciclone D c, O diâmetro do ciclone D c deve ser escolhido de modo que U I = Q / B c H c esteja dentro da faixa de velocidade de entrada de operação (6—24 m / s, geralmente 16 m / s).
O próximo d 5Q é calculado utilizando Eqs. (4.25), (4.24), (4.23) e (4.22). No caso do d 50 calculado não corresponder ao d 50 pré-selecionado, os passos são repetidos com outro diâmetro de ciclone assumido. O processo é repetido até que seja encontrado um diâmetro de ciclone que resulta em ad 50 próximo do d 50 pré-selecionado.
A queda de pressão através desse ciclone pode ser calculada usando a relação.
Deve ser salientado aqui que a eficiência de separação real seria menor que a calculada usando a Eq. (4.10) devido aos seguintes efeitos:
1. Saltando de volta das partículas da parede para o interior do vórtice,
2. Partículas sendo apanhadas do ápice do cone pelo fluxo da tremonha, e
3. Re-arraigamento de partículas devido a redemoinhos.
Exemplo 4.2 :
Um separador de ciclone convencional deve ser concebido para remover 50 por cento das partículas com um diâmetro de 5 pm e densidade de 2, 5 g / cm3 de uma corrente de gás (ar) fluindo a uma taxa de 7200 m3 / hora a 30 ° C.
Solução:
Da literatura, a viscosidade do ar a 30 ° C é de 0, 018 centipoise.
0, 018 centipoise = 1, 8 x 10 -4 g / cm = 1, 8 x 10-5 kg / m s.
Uma estimativa preliminar de um diâmetro de ciclone (Dc) para cumprir o dever acima mencionado é obtida usando a abordagem de Lapple, Eq. (4.19) assumindo
Dispositivo # 4. Filtros:
Ao contrário dos outros tipos de dispositivos de separação discutidos anteriormente, a operação de filtração é realizada em modo semi-batch. Durante a primeira parte da operação, partículas de poeira de uma corrente de gás carregada de poeira são presas no próprio dispositivo e uma corrente de gás relativamente limpa (livre de poeira) flui para fora. O componente em um filtro, que realmente prende as partículas de poeira, é chamado de meio filtrante.
À medida que a quantidade de partículas de poeira acumuladas no meio filtrante aumenta, a resistência ao fluxo de gás aumenta. Isso resulta em um aumento na diferença de pressão através do filtro com o tempo. Finalmente, um estágio é atingido quando a diferença de pressão é igual a um valor pré-definido.
Neste ponto, o fluxo de gás é interrompido e o próximo estágio da operação que é a remoção das partículas de poeira acumuladas (limpeza) é iniciado. Depois que uma quantidade substancial da poeira acumulada for removida, a operação de filtração (entrada de gás carregado de poeira) é retomada. Os filtros são classificados de acordo com o tipo de meio filtrante utilizado.
Os meios utilizados são:
1. Meio agregado (cascalho) e
2. Meio fibroso (papel, tapete fibroso, feltro, tecidos, etc.).
Filtro de cascalho:
O meio filtrante agregado é usado para altas temperaturas e outras aplicações especiais. Uma instalação de filtro típica consiste em vários módulos de filtro dispostos paralelamente. Um módulo é mostrado na Fig. 4.6. Um dos aspectos mais atraentes de um filtro de cascalho é sua capacidade de suportar altas temperaturas.
Cascalhos encontrados na formação natural são usados. Sua seleção depende da temperatura do gás influente. Os cascalhos de quartzo podem suportar uma temperatura de funcionamento próxima dos 800 ° C. No entanto, a limitação real da temperatura de funcionamento de um filtro de gravilha depende do material estrutural utilizado para a sua construção. As partes móveis de um filtro de cascalho são uma válvula de flash traseira e um mecanismo de raspagem.
Como estes são operados de forma intermitente, o desgaste dessas peças é baixo. A parte inferior do filtro atua como um separador de ciclone. Durante a operação de limpeza, o ar ou outro gás pode fluir na direção oposta e o mecanismo de raspagem é ligado. As partículas de poeira desalojadas são coletadas na tremonha abaixo. As partículas de poeira acumuladas são removidas da tremonha de tempos em tempos. A queda de pressão através de um filtro de cascalho pode variar entre 120 cm de água.
Filtro de tecido:
Alguns meios fibrosos, como o papel e o tapete fibroso, são difíceis de limpar e reutilizar e, portanto, esses são geralmente descartados após o uso. Estes não são adequados para limpeza de gases industriais. Meios fibrosos, como tecidos e feltros são amplamente utilizados para a recuperação de materiais valiosos de gases residuais industriais, bem como para a verificação da poluição do ar.
Um filtro de tecido, também conhecido como filtro de mangas, utiliza tubos (feitos de pano) abertos em uma extremidade e fechados na outra como meio filtrante. Vários tubos são suspensos verticalmente no alojamento de uma estrutura de arame com as extremidades abertas localizadas na parte inferior. O gás carregado de poeira entra em um alojamento próximo ao fundo e sobe pelos tubos através de suas extremidades abertas.
O gás limpo flui pelas superfícies cilíndricas dos tubos enquanto as partículas de poeira são retidas no interior. Um mecanismo adequado é incorporado no alojamento para remoção (operação de limpeza) das partículas de poeira acumuladas de tempos em tempos. A operação de limpeza pode ser realizada on-line ou off-line.
Pré-tratamento:
Os tecidos utilizados não resistem a altas temperaturas. Portanto, é necessário resfriar o gás de entrada, de modo a reduzir a temperatura abaixo da temperatura de operação máxima recomendada do tecido escolhido. Deve-se ter em mente que o gás de entrada deve estar dentro de 30 ° - 60 ° C acima de seu ponto de orvalho, caso contrário, pode ocorrer condensação nas superfícies da bolsa. A condensação resultaria no apego de partículas sólidas úmidas ao meio filtrante, o que prejudicaria a operação de limpeza.
Para reduzir a carga em um filtro de tecido, seria melhor pré-limpar o gás de entrada usando um separador de gravidade / ciclone para remover partículas maiores que 20-30 µm quando há quantidades apreciáveis daquelas.
Mecanismo de Filtração de Tecido:
O material particulado de um gás carreador é removido pelos tecidos por peneiramento, impactação direta, interceptação devido à força de Van der Waal, difusão browniana e atração eletrostática. A geração de carga eletrostática pode ser devido ao atrito entre o gás e os tecidos e entre as partículas e os tecidos.
Os panos tecidos são feitos por tecelagem de fios. Quando novas, as lacunas entre os fios são bastante grandes e algumas das partículas penetram facilmente nos poros. Algumas partículas são presas no pano. À medida que a filtração continua, mais e mais partículas de poeira se acumulam no tecido e, assim, formam um "bolo de filtro". O bolo agora atua como meio filtrante e é mais eficaz do que o pano em si.
O pano de feltro é feito ao empurrar as agulhas farpadas através de duas ou mais camadas de tecido, combinando-as e, em seguida, desbastando a camada superficial. A camada interna proporciona resistência e estabilidade dimensional, enquanto os tecidos finos orientados aleatoriamente na superfície proporcionam alta eficiência de coleta para partículas pequenas.
Materiais de Tecido:
As bolsas filtrantes são feitas de algodão, lã, acrílico, nylon, nomex, poliéster, polipropileno, teflon e fibra de vidro. Dos nove tecidos chamados os dois primeiros são naturais e os demais são sintéticos. Ao selecionar um tecido para uma situação específica, os seguintes fatores devem ser levados em consideração: temperatura de operação, acidez / alcalinidade do gás de arraste, abrasividade das partículas, relação entre ar e tecido e, finalmente, seu custo. As características dos tecidos acima mencionados estão listadas na Tabela 4.7.
Limpeza do filtro:
A limpeza periódica dos sacos de filtro é essencial para manter a taxa de fluxo de gás desejada. A limpeza pode ser obtida flexionando uma bolsa e, assim, quebrando e desalojando as camadas de poeira ou pelo fluxo de ar invertido através de bolsas ou por uma combinação de ambas. A agitação mecânica das sacolas flexionando-as é bastante eficaz na remoção de poeira, a menos que as partículas estejam profundamente embutidas nos tecidos.
No entanto, a agitação mecânica resulta em mais desgaste de tecido. Os tecidos podem suportar esse tratamento. Tecidos frágeis, como fibra de vidro e tecido de feltro, não devem ser sujeitos a agitação mecânica. A limpeza do ar pode ser realizada de várias maneiras, tais como, fluxo de ar reverso, jato de pulso e anel de sopro.
A limpeza do fluxo reverso é realizada com um módulo off-stream. O ar de baixa pressão de alto volume pode fluir em contracorrente para a direção de fluxo normal. Devido ao fluxo inverso, a flexão dos sacos ocorre e as camadas de poeira são desalojadas. Geradores sonoros às vezes são usados para aumentar a operação de limpeza. Como este processo não causa muita tensão ao tecido, pode ser convenientemente usado para tecidos frágeis também.
Na limpeza por jacto de pulsos, uma corrente de jacto de ar de alta pressão (até cerca de 9 kg / cm2) é introduzida num saco no seu topo durante um curto período de tempo (cerca de 0, 1 seg ou menos). À medida que o jato se expande, o saco experimenta um choque e tremor. A limpeza resultante é muito boa. A limpeza com jato de pulso pode ser usada para limpar todos os tipos de tecidos que não seja algodão e fibra de vidro. O processo pode ser usado online ou offline. Um limpador de jato de pulso não possui partes móveis.
Um limpador do tipo “blow-ring” utiliza um jato de ar que sai através de uma série de orifícios no interior de um anel de metal oco, que envolve um saco. O anel é movido para cima e para baixo na parte externa de um saco por meio de um arranjo motorizado de corrente e roda dentada. O ar de um soprador é direcionado para o anel através de uma mangueira flexível.
O jato de ar colide com uma pequena porção de um saco e empurra essa porção para dentro. O bolo de filtro é quebrado e desalojado. Uma vez que durante este tipo de operação de limpeza, as restantes partes do saco podem continuar a funcionar normalmente, podendo ser realizadas online.
Qualquer tipo de tecido, tecido, feltrado ou frágil pode ser limpo usando esta técnica, pois estes não são muito tensos. Este tipo de arranjo de limpeza não é usado para grandes instalações devido ao seu alto custo e maquinário complicado.
O sistema:
Uma casa de sacos é geralmente feita de vários módulos, sendo cada módulo uma unidade independente. Em cada módulo, vários sacos são alojados adequadamente suportados. O diâmetro da bolsa pode variar entre 7 a 30 cm. Geralmente é cerca de 15 cm. A altura de um saco pode variar entre 0, 75 ma 8 m.
O gás carregado de poeira entra em um módulo através de um duto de entrada. Os dutos de entrada dos diferentes módulos estão conectados a um coletor comum. Muitas vezes, defletores e difusores são fornecidos em um coletor para distribuição adequada do gás carregado de poeira. Durante a filtração, o gás pode fluir de dentro para fora de um saco ou de outro modo. O gás limpo pode ser descarregado na atmosfera diretamente de um módulo ou canalizado para outro coletor comum para posterior tratamento.
Cada módulo é fornecido com um dispositivo de limpeza de saco adequado, mecânico ou pneumático, como discutido anteriormente. Cada módulo teria uma tremonha para receber a poeira desalojada durante a operação de limpeza. Cada tremonha, por sua vez, é equipado com um dispositivo de descarga de poeira, como uma válvula de retenção dupla ou uma trava de ar rotativa.
Mesmo poeiras não inflamáveis podem ser explosivas e, portanto, cada módulo é fornecido com um dispositivo / dispositivos de proteção, como acessórios elétricos à prova de explosão, ventilação de explosão (porta de explosão / painel articulado) e sprinklers para cuidar de uma situação de emergência. Portas de acesso são fornecidas para substituição de bolsas defeituosas e outros trabalhos de manutenção. A figura 4.7 mostra um diagrama esquemático do módulo de filtro de mangas.
Dimensionando um filtro de saco:
Para estimar a área total (líquida) de tecido, são necessárias as seguintes informações básicas:
Vazão de gás, em m 3 / min;
Teor de umidade do gás, em% R. H;
Temperatura do gás, em ° C;
Carga de partícula, em g / m 3 de gás portador,
Distribuição do tamanho de partícula, em µm;
Teor de SO 2 (se houver), em ppm;
Densidade da partícula (sólida), em g / cm3;
Acidez do Gás / Alcalinidade.
Com base nas informações acima mencionadas, é necessário selecionar um tecido adequado e seu tipo, isto é, tecido / feltro. Consistente com o tecido selecionado e seu tipo, um método de limpeza também deve ser selecionado. Em seguida, a taxa de filtração expressa como relação ar-pano (A / C) é determinada utilizando os dados fornecidos na Tabela 4.8. A relação ar-pano depende da composição das partículas de poeira, do método de limpeza a ser empregado, bem como se o tecido / feltro foi escolhido.
A relação ar-pano deve ser escolhida com base na diretriz do fabricante. Normalmente, assume-se um valor mais baixo para o pano tecido e um valor mais alto para o tecido de feltro.
Q vazão de gás, em m 3 gás / min e fator F variando entre 1, 04 e 2.
1.04 Para um valor muito grande de A net e 2 para um valor pequeno de A net .
Eficiência da Casa do Saco e Queda de Pressão :
A eficiência da casa do saco depende do tamanho das partículas de poeira, da carga das partículas, do tecido utilizado e do método de limpeza empregado. Uma unidade adequadamente projetada pode ter uma eficiência de 99% ou mais para tamanho de partícula maior que 1 µm. A queda de pressão é normalmente da ordem de 7, 5 a 15 cm de água.
Dispositivo # 5. Precipitador Eletrostático (ESP):
Dos diferentes tipos de separadores de partículas secas, os precipitadores eletrostáticos são os mais eficientes. O processo consiste basicamente em passar um gás carregado de poeira através de um conduto no qual um campo dc de alta tensão é mantido. As partículas de poeira são carregadas e são depositadas na superfície aterrada (eletricamente) do conduto enquanto o gás limpo sai do conduto. A conduta pode ser horizontal (constituída por duas placas paralelas, uma em frente da outra e fechada na parte superior) ou vertical (uma conduta).
O tipo horizontal ESP é mais comum. Exatamente a meio caminho entre as duas placas, várias peças de metal (tiras de fios) são mantidas suspensas. Estes servem como os eletrodos de descarga e as placas como os coletores. No caso de um tubo vertical, um fio suspenso verticalmente ao longo da linha central serve como eletrodo de descarga e a superfície interna do tubo atua como o coletor. As partículas de poeira coletadas são desalojadas periodicamente batendo, vibrando ou lavando as superfícies do coletor.
Para a coleta a seco, a acumulação de poeira no coletor é permitida até cerca de 6 mm ou mais e, em seguida, fortemente violada, de modo que a poeira é desalojada como grandes aglomerados, que não seriam reaproximados. Batidas mais freqüentes e mais fracas produziriam flocos de poeira desalojada, que podem ser facilmente arrastados novamente. A recolha de poeiras húmidas pode ser conseguida através da pulverização de água de forma intermitente ou contínua no colector ou através de uma disposição de descarga. Os eletrodos de descarga também devem ser limpos batendo-os em intervalos.
Força do Campo e Eletrodos:
Uma força de campo de cerca de 3 a 6 kV / cm (dc) é normalmente empregada com a ajuda de transformadores acoplados a retificadores de silício e reguladores automáticos de tensão. Por causa das altas descargas de corona de força de campo, produzindo elétrons de alta velocidade.
Uma corona negativa (corona em um fio negativo) é mais eficaz, pois é mais estável e eficiente. Para uma operação eficiente, uma taxa de faísca ideal é de 50 a 100 faíscas por minuto. A energização pulsada de um ESP em intervalos de milionésimos ou micro segundos melhora a eficiência da coleta e reduz o consumo de energia.
Em alguns projetos, o diâmetro do eletrodo de descarga é de cerca de 3 mm, em outros, é grande. Os eletrodos de descarga de formato irregular, com saliências pontiagudas, desenvolvem campo local de alta intensidade e iniciam a descarga corona. Fios quadrados, triangulares e farpados são usados às vezes como eletrodos de descarga. Alguns fabricantes usam tiras de metal em vez de fios. Placas coletoras podem ter alhetas / defletores para evitar a reinserção das partículas de poeira desalojadas e para lhes dar resistência mecânica.
Resistividade de Partículas e Habitação ESP:
Partículas com baixa resistividade elétrica (10 4 -10 7 ohm-cm) tendem a perder sua carga facilmente, caem da placa e tornam-se re-arrastadas. Partículas com alta resistividade (10 11 -10 13 ohm-cm) tendem a aderir à placa coletora e a isolar. O gás carregado de poeira contendo poeira de alta resistividade pode ser condicionado pela adição de NH 3, SO 2, vapor etc. à corrente de gás.
A pressão de operação de um ESP pode variar entre um leve vácuo e uma pressão de até 10 atm e uma temperatura tão alta quanto 600 ° C. Um ESP é alojado em um invólucro à prova de gás feito de aço ou concreto. No entanto, se necessário, do ponto de vista da corrosão, a caixa pode ser revestida com chumbo ou plástico. Quando a limpeza da água do coletor é feita, a névoa e alguns gases solúveis também são removidos juntamente com as partículas de poeira.
Em uma situação específica, uma combinação das alternativas listadas abaixo pode ser escolhida para a construção / operação de um ESP:
i) precipitação seca / molhada,
ii) fluxo de gás horizontal / vertical,
iii) Tipo de placa simples / segmentada e
(iv) Operação sob pressão / vácuo,
Mecanismo ESP:
Devido à alta diferença de tensão entre o eletrodo de descarga central e o coletor de terra, a descarga corona ocorre. Durante a descarga de corona, os elétrons são emitidos e eles aceleram a altas velocidades. Tais elétrons no impacto com moléculas de gás como, O 2, os ionizam e liberam elétrons que continuam o processo de ionização de gás.
Os íons gasosos, em seguida, carregam as partículas de poeira suspensas em sua vizinhança, seja por colisão (bombardeio) ou por difusão. Partículas maiores que 1 µm são geralmente carregadas por colisão, enquanto partículas mais finas são carregadas por difusão. As partículas carregadas então migram para o coletor de solo e desistem de suas cargas. Algum re-arraste de partículas pode ocorrer no caso de coletores secos. No caso de coletores úmidos, a reintegração é praticamente inexistente.
A força do campo é mantida de tal modo que há uma freqüência limitada de faíscas. Durante a faísca, ocorre uma queda de tensão instantânea, resultando no colapso do campo eletrostático e consequente parada da coleta de poeira. Fagulhas excessivas significam perda de potência de entrada na corrente de faísca. Em um ESP, uma partícula é submetida à força gravitacional, uma força de arrasto e uma força de campo elétrico. A força de campo atrairia a partícula para o coletor enquanto a força de arrasto se oporia a seu movimento em direção ao coletor.
A força resultante faria com que a partícula migrasse em direção ao coletor em alguma velocidade, que é denominada como a "velocidade de desvio". A magnitude da velocidade de deriva de uma partícula depende de fatores, tais como, modo de carga de partículas, tamanho de partículas, velocidade do gás, intensidade de campo e resistividade de partículas, etc.
A velocidade de deriva de uma partícula carregada pelo bombardeio pode ser calculada usando a relação
U p, dp = 3, 694 10 -6 E 2 p dp / µ (4, 29)
No entanto, se o carregamento ocorrer por difusão, a velocidade de desvio pode ser aproximada
U p, dp = 3-097 x 10 -4 K mE / µ
onde, U p dp = velocidade de deriva de partículas com um diâmetro dp, em m / s.
Dados típicos de velocidade de desvio de algumas partículas específicas estão listados na Tabela 4.9.
É de salientar aqui que, para fins de design, os fabricantes de ESP utilizam a sua experiência de campo em vez de confiarem nos dados de velocidade de desvio calculados com base nas equações. (4.29) e (4.30).
Pré-tratamento:
Para reduzir a carga de poeira em um ESP, a corrente de gás influente pode ser pré-tratada em um decantador de gravidade ou em um separador centrífugo (ciclone). No caso do ESP seco, o gás influente deve estar a uma temperatura, digamos, 25 ° -50 ° C acima do seu ponto de orvalho, portanto, se necessário, o gás deve ser pré-aquecido.
Eficiência de Coleta ESP:
Um diagrama esquemático de uma configuração de placa paralela é mostrado na Fig. 4.8.
Um gás transportador carregado de poeira transportando partículas suspensas de tamanhos diferentes flui entre duas placas paralelas a uma velocidade linear U horizontalmente. As partículas depois de entrar no canal ficam carregadas e se movem em direção às placas coletoras em suas respectivas velocidades de desvio.
Vamos analisar as mudanças progressivas na concentração das partículas (com um dpi de diâmetro) à medida que o gás transportador se move da extremidade de entrada para a extremidade de saída. Um balanço de material ao longo de um comprimento elementar dL produz a Eq. (4, 31)
onde H = Altura de uma placa,
L I = Comprimento de uma placa
2 S = espaçamento entre placas
U p dpj = Velocidade de deriva das partículas com um dpi de diâmetro
U = velocidade horizontal do gás através do ESP,
A = área de superfície do coletor de duas placas = 2 L 1 H
q = Vazão de gás volumétrica através de um canal entre duas placas = Q / n,
n = número de canais,
Q = Vazão total do gás volumétrico.
Uma expressão para a eficiência de coleta (remoção) de tal unidade para partículas tendo um dpi de diâmetro pode ser obtida rearranjando-se a Eq. (4, 32).
Though Eq. (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:
Passo I:
A specific particle size dpi is chosen whose complete removal is desired.
Etapa II:
Influent gas velocity (U), plate spacing (25), plate height (H) and field strength (E) are assumed.
Etapa III:
The drift velocities of the dust particles are estimated using Eqs. (4.29) and (4.30).
Etapa IV:
L dpj is calculated using Eqs. (4.33) and (4.35), whichever is larger should be accepted.
Etapa V:
The removal efficiencies of the dust particles having a diameter other than dpi are estimated using Eq. (4.34).
Etapa 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 :
Vantagens:
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.
Desvantagens:
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:
Solução:
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
Eq. [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.
