Top 6 des dispositifs pour éliminer les polluants à base de gaz
Cet article met en lumière les six principaux dispositifs d'élimination des polluants gazeux. Les dispositifs sont les suivants: 1. Décanteur par gravité 2. Séparateur inertiel 3. Séparateur centrifuge 4. Filtres 5. Précipitateur électrostatique et 6. Laveurs.
Dispositif # 1. Gravity Settler:
Lorsqu'un courant de gaz chargé de poussière traverse une chambre, les particules de poussière subissent les forces suivantes dans la direction verticale:
(i) une force gravitationnelle agissant vers le bas,
(ii) une force de poussée agissant vers le haut, et
(iii) Une force de traînée dans la direction opposée à la direction de mouvement des particules.
En conséquence, les particules atteignent une vitesse nette descendante qui, dans des conditions d'état stable, est appelée vitesse terminale, U r . Les particules subissent également une vitesse dans la direction horizontale qui serait la même que celle du gaz vecteur (en supposant qu'il n'y ait pas de glissement à l'interface gaz-particules).
Les particules de poussière, qui sont retenues dans la chambre, sont séparées du flux de gaz vecteur et le reste est évacué. Une telle chambre est qualifiée de décanteur par gravité.
Le degré d'élimination de la poussière d'un flux de gaz dans un décanteur à gravité dépend des facteurs suivants:
(i) vitesse du gaz dans la chambre,
ii) Distribution granulométrique,
(iii) Les vitesses limites des particules, qui dépendent à leur tour de la taille et de la densité des particules, de la vitesse du gaz (vecteur) et de la densité du gaz.
(iv) la longueur de la chambre, et
(v) La hauteur de la chambre.
Les pionniers gravimétriques sont de deux types:
(i) Chambre simple (sans bac à l'intérieur) et
(2) Chambre à plateaux multiples (également appelée décanteur Howard).
La figure 4.2 montre des croquis de décanteurs par gravité.
Du point de vue de la construction, une chambre unique est la moins chère. Les particules de poussière retenues sont collectées dans une trémie / des trémies à la base d'où les particules sont retirées de temps en temps. Une chambre à plateaux multiples serait plus coûteuse et aurait plusieurs plateaux légèrement inclinés ayant un espace uniforme entre les plateaux. Les plateaux sont dotés d'un dispositif mécanique approprié, de sorte que les couches de poussière accumulées sur les plateaux puissent être éliminées sans aucune interruption du processus de flux.
Les décanteurs peuvent être constitués de n’importe quel métal capable de résister à la température des gaz, à l’environnement corrosif et à l’abrasion des particules. Il n'y a aucune limitation de pression et de température en ce qui concerne le gaz entrant. Il peut être nécessaire d’isoler un décanteur afin d’empêcher le refroidissement du gaz entrant en dessous de son point de rosée et la condensation de la vapeur qui en résulte.
Dans une chambre simple, les particules supérieures à 40 µm peuvent être éliminées efficacement, tandis qu'une chambre multi-bacs bien conçue permet d'éliminer les particules ne dépassant pas 22 heures. L'un des principaux avantages d'un décanteur par gravité est sa faible perte de charge.
La perte de charge globale peut être calculée en ajoutant les pertes de charge dues à:
(i) agrandissement de l'entrée,
(ii) perte par friction dans la chambre elle-même et
(iii) contraction de sortie.
Approche de conception du colon par gravité:
Pour concevoir un décanteur par gravité, les informations suivantes sont requises en unités cohérentes:
1. débit volumétrique de gaz,
2. Analyse de la taille des particules de poussière et de la distribution en masse (dpi vs m dpi ),
3. Densité moyenne des particules, P p,
4. Densité et viscosité du gaz, pg, pg et
5. L'efficacité d'élimination souhaitée (ᶯ dpi ) de la taille de particule cible.
Il a été mentionné précédemment qu'une particule ayant un diamètre ppp atteint une vitesse terminale U t, ppp en raison des forces (déjà énumérées) agissant sur elle. L'expression pour U t, . dpj semble être
Les particules, que l’on serait normalement intéressé à éliminer dans un décanteur par gravité, ne seraient pas trop fines; on peut donc calculer le dpi de ces particules en utilisant l’équation. (4.7), qui est obtenu en supposant
Il convient de mentionner ici que, aux fins de la conception, il est supposé que les particules atteindraient leur vitesse terminale respective immédiatement après leur entrée dans une chambre de décantation.
La taille d’un décanteur par gravité peut être atteinte en suivant les étapes suivantes:
Etape I:
Évaluez le , dpi, pour toutes les tailles de particules en utilisant les équations. (4.2) à (4.6) ou Eq. (4.7) en fonction du dp.
Étape II:
Sélectionnez une vitesse de gaz linéaire appropriée U à travers le décanteur proposé. En règle générale, U est compris entre 0, 3 et 3 m / s. Il est généralement pris entre 0, 3 et 0, 6 m / s.
Étape III:
Déterminez la longueur du séparateur L. Elle est déterminée en fonction de l'espace disponible pour l'installation du séparateur ou pour respecter la chute de pression admissible dans le séparateur ou pour satisfaire les deux.
Étape IV:
Évaluer le temps de résidence dans la chambre, τ
où τ = L / U
Étape V:
Estimez la hauteur du décanteur H. Les équations / relations à utiliser pour estimer H varient selon que le décanteur proposé est un décanteur à chambre unique ou un décanteur à plateaux multiples et que l'écoulement à l'intérieur du décanteur soit laminaire ou turbulent.
Étape VI:
La largeur W de la chambre doit être estimée en utilisant la relation W = Q / HU, obtenue en équilibrant le débit volumétrique,
où Q = débit volumétrique du gaz vecteur.
(A) Un colon à chambre unique, à flux laminaire:
La hauteur du colon, H, est estimée en fonction de l'efficacité d'élimination souhaitée de la taille de particule cible, dpi, à l'aide de la relation.
Pour les particules ayant des tailles autres que dpi, l'efficacité d'élimination est calculée à l'aide de la relation.
À l'aide des informations obtenues jusqu'à présent, l'efficacité globale du colon est estimée à l'aide de la relation.
Il convient de noter que η dp peut avoir une valeur maximale de 1, 0.
Dans le cas où la valeur calculée de η global ne correspond pas à la performance souhaitée du décanteur, les équations. (4.8) à (4.10) doivent être retravaillés sur la base d'un nouveau dpi (supposé) ou d'un nouveau η dpj (supposé) ou d'un nouvel ensemble de dpi et η dpi jusqu'à ce que le critère de performance souhaité soit satisfait.
(B) Décanteur à chambre unique en condition de flux turbulent:
La hauteur du décanteur H est estimée en fonction de la taille de particule cible dpi et en supposant une efficacité de séparation η dpi = 1 = 1 en utilisant la relation
Pour chacune des autres particules ayant un diamètre dp dpi, la hauteur de sédimentation h dp est calculée à l'aide de Eq. (4. 12).
Ensuite, les efficacités d’élimination de chacune des différentes tailles de particules ayant dp <dpi sont calculées à l’aide de l’Eq. (4.13)
L'efficacité de séparation des particules ayant dp> dpi est prise égale à 1, 0. L'efficacité d'élimination totale de toutes les particules est finalement évaluée en utilisant Eq. (4.10).
Dans le cas où la performance globale calculée basée sur Eq. (4.10) ne correspond pas à la performance souhaitée par les équations. (4.10), (4.11), (4, 12) et (4.13) sont retravaillés en choisissant une résolution dpi différente de la taille de la particule cible jusqu'à atteindre la performance souhaitée.
(C) Conception de bacs à plateaux multiples :
Dans le cas d'un séparateur à plateaux multiples, la distance entre deux plateaux consécutifs H r est importante. Il est généralement de l'ordre de 30 cm. Le nombre de plateaux dans une chambre, N, est estimé en utilisant la relation,
N = (H / H t ). (4.14)
Réarranger Eq. (4.14) la hauteur de la chambre peut être exprimée comme suit:
Il est évident que pour l'estimation de H, H t et N doivent être présélectionnés.
Une fois que H t est fixé, les performances globales d’un dispositif de réglage à bacs multiples doivent être estimées à l’aide des équations appropriées. (4.2) à (4.13) selon que l'écoulement est susceptible d'être laminaire ou turbulent. La relation à utiliser pour l'estimation de W serait
W = Q / NH, U
Si la performance du colon proposé est jugée insatisfaisante, le problème doit être corrigé en supposant un nouveau N.
La particule de taille minimale qui serait éliminée dans une mesure souhaitée dans un décanteur spécifié peut être exprimée par
Où g = accélération due à la gravité.
Il convient de souligner ici que l'efficacité réelle d'un colon sera inférieure à celle calculée en utilisant l'équation. (4.10), pour les raisons suivantes:
(i) Réentraînement des particules retenues,
(ii) les particules n'atteignent pas leur vitesse terminale peu après être entrées dans un colon, et
(iii) Forme non sphérique des particules.
Exemple 4.1:
Il est proposé d'installer un décanteur par gravité pour éliminer complètement les particules de poussière d'un diamètre de 40 pm d'un gaz vecteur.
Les autres informations pertinentes sont:
Débit de gaz vecteur = 21 600 m3 / h. à 50 ° C et à une pression légèrement supérieure à 1 atm,
Densité de particules (p p ) = 2, 5 g / cm 3 .
Les propriétés physiques du gaz vecteur peuvent être considérées comme celles de l'air dans les conditions de fonctionnement.
Trouver:
(a) Dimensions appropriées d'un décanteur à chambre unique en supposant un écoulement laminaire dans la chambre,
b) L’efficacité d’élimination du même décanteur si l’écoulement dans la chambre est turbulent,
(c) Si le même décanteur est équipé de plateaux espacés de 30 cm environ, quelles particules de taille minimale peuvent être éliminées avec une efficacité de 100%?
Solution:
(a) Hypothèses de décanteur à chambre unique:
(i) L’écoulement à l’intérieur du décanteur serait laminaire,
(ii) le nombre de Reynolds décroissant (Re p ) serait inférieur à 2,
(iii) Vitesse du gaz vecteur à travers le décanteur, U = 0, 4 m / s.
Densité du gaz vecteur (p g ) à 50 ° C et 1 atm.
Les dimensions d’un décanteur peuvent être estimées à l’aide des relations suivantes si le débit dans le décanteur est laminaire.
Puisque r n'est pas spécifié, plusieurs valeurs de x sont supposées et les valeurs correspondantes de L, H et W sont calculées comme indiqué ci-dessous:
Les dimensions d’un décanteur approprié dépendraient de l’espace disponible pour son installation. Laisser les dimensions du colon proposées être
L = 8 m, H = 2, 29 m et W = 6, 55 m correspondant à r = 20 s
Maintenant, il faut vérifier si le flux à l'intérieur du colon est laminaire ou turbulent en calculant le nombre de Reynolds,
Par conséquent, le flux à l'intérieur du colon serait turbulent.
(b) Etant donné que le débit à l'intérieur du décanteur serait turbulent, son efficacité devrait être estimée à l'aide de l'Eq. (4.13)
(c) Si le décanteur proposé est équipé de plateaux espacés de 30 cm environ, le nombre de plateaux à l’intérieur du décanteur sera
Cela entraînerait un espacement des plateaux, H t = 2, 29 / 8 = 0, 28 m
La vitesse linéaire du gaz dans le colon serait
Par conséquent, le flux serait turbulent.
Comme le flux à l'intérieur du décanteur à plateaux multiples serait turbulent, les particules de taille minimale qui seraient complètement éliminées peuvent être calculées à l'aide de Eq. (4.16)
Suppression complète signifie n dpi = 1. Cependant, la substitution de n dpi = 1 dans l'équation ci-dessus entraînerait une résolution indéterminée. Par conséquent, η dpi est pris égal à 0, 999 et et dpi calculé en utilisant Eq. (4.16).
Dispositif n ° 2. Séparateur inertiel:
Les particules solides en suspension transportées par un flux de gaz atteignent presque la même vitesse que le flux de gaz lui-même. En conséquence, la quantité de mouvement et donc l’inertie (du mouvement) des particules les plus grandes et les plus denses sont davantage comparées à celles des particules plus légères et plus fines. Lorsqu'un tel flux de gaz change de direction d'écoulement à l'intérieur d'un équipement, la direction d'écoulement des particules ayant une inertie supérieure continue à suivre l'ancienne direction (précédente) et finit par s'arrêter après avoir heurté une surface.
Les particules plus légères et plus fines sont entraînées par le flux de gaz lui-même lorsque la force de traînée surmonte l'inertie. Un tel équipement est appelé «séparateur par inertie». L'efficacité de dépoussiérage d'un séparateur inertiel ne peut être améliorée qu'en réduisant la force de traînée sur les particules. Ceci peut être réalisé en diminuant la vitesse du gaz dans la zone de séparation. Les séparateurs inertiels sont de types différents. La figure 4.3 montre des schémas de certains types de séparateurs inertiels.
La vitesse du gaz entrant dans un séparateur inertiel peut être d'environ 10 m / s et celle dans le séparateur est normalement d'environ 1 m / s. La taille d'un séparateur inertiel est généralement inférieure à celle d'un décanteur par gravité ayant une capacité et une efficacité similaires, mais la chute de pression serait plus élevée. Pour un séparateur inertiel, il n'y a pas de limitation de pression et de température.
Dispositif # 3. Séparateur centrifuge:
Un séparateur centrifuge est couramment appelé séparateur à cyclone. C'est un type de séparateur à inertie, cependant, la force qui provoque la séparation est centrifuge. Sa partie supérieure est cylindrique, tandis que la partie inférieure est un cône tronqué inversé. Le gaz chargé de poussière pénètre dans le cylindre près du sommet, soit par une ouverture latérale, soit axialement par le haut, avec une vitesse tangentielle. Le gaz propre sort par le haut par une sortie circulaire centrale. Les particules solides séparées sont évacuées par une sortie centrale en bas.
Dans le cas d'un cyclone à entrée latérale, l'entrée du cyclone est placée tangentiellement et le gaz entrant acquiert par conséquent une vitesse tangentielle. Les cyclones à entrée axiale sont équipés d’aubes de manière à conférer une vitesse tangentielle au gaz entrant.
Après avoir pénétré dans un cyclone, le gaz chargé de poussière descend en raison de sa vitesse tangentielle vers le bas en tant que vortex externe descendant. Il atteint presque le sommet du cône, puis il inverse sa direction et se dirige vers le haut en tant que vortex intérieur ascendant. Enfin, le gaz quitte le cyclone par une sortie centrale située en haut.
Les particules de poussière les plus grosses et les plus lourdes qui se déplacent vers le bas en même temps que le flux de gaz se déplaçant en spirale subissent une force centrifuge qui les fait migrer vers le mur. Enfin, ils glissent vers la sortie de fond, généralement équipée d’une vanne rotative. Les particules les plus fines et les plus légères sont entraînées par le flux de gaz sortant.
La force centrifuge agissant sur une particule de masse m peut être exprimée par:
À partir de l'équation (4.18) il est évident que pour une particule ayant un diamètre P p et une densité p p, la force centrifuge qui agit sur elle est directement proportionnelle à u tan et inversement proportionnelle à R. Par conséquent, son efficacité d'élimination dans un cyclone augmenterait avec l'augmentation en bronzage décroît avec l’augmentation de R.
Les cyclones ayant un diamètre égal ou supérieur à 1 m peuvent supporter des débits de gaz plus élevés mais sont moins efficaces pour éliminer les particules plus fines que 30 pm. La perte de charge dans un tel cyclone peut être d'environ 2, 5 à 15 cm d'eau. Les cyclones ayant un diamètre de 30 cm ou moins sont appelés cyclones à haute efficacité.
Leur capacité de traitement des gaz est moindre, mais ils sont assez efficaces pour éliminer les particules aussi petites que 10 heures. La perte de charge dans un petit cyclone est généralement d'environ 10 cm à 30 cm d'eau. En raison de leur faible capacité de traitement des gaz, plusieurs cyclones fonctionnent souvent en parallèle et sont placés dans un seul boîtier. Un tel assemblage est appelé multi-cyclone.
La figure 4.4 montre un schéma d'un cyclone standard. Les dimensions des différentes parties d'un tel cyclone sont exprimées en rapports avec son diamètre. Ces ratios diffèrent quelque peu en fonction du type de cyclone. Les cyclones sont classés en tant que cyclone à haute efficacité, efficacité moyenne et cyclone conventionnel. Le tableau 4.5 répertorie les dimensions relatives des types de cyclones nommés ci-dessus.
Les avantages d'un séparateur à cyclone sont sa simplicité de construction et son faible coût. Comme il n’ya pas de pièces mobiles dans un cyclone, son coût de maintenance est faible. Il nécessite moins d'espace au sol. Un cyclone bien conçu peut fonctionner à une pression maximale de 500 atm et à une température maximale de 1000 ° C.
Approche de conception d'un séparateur à cyclone:
Afin de concevoir un cyclone, l'analyse de la taille des particules de poussière présentes dans un flux de gaz influent doit être disponible. La taille de particule coupée d 50 doit également être connue. d 5Q représente le diamètre des particules dont 50% (en masse) doivent être éliminés d'un flux de gaz chargé de poussières.
Une fois ces informations connues, on suppose un diamètre de cyclone D c, on calcule d 50 correspondant à D c en utilisant la procédure décrite ci-dessous. Si le d 50 calculé ne correspond pas au d 50 souhaité, un nouveau D c est supposé et le calcul est répété.
Après avoir établi le D c, les efficacités d’élimination des particules de poussière ayant des diamètres autres que d 50 sont estimées à l’aide d’un graphique présenté à la Fig. 4.5.
L’efficacité globale du cyclone proposé est ensuite calculée à l’aide de la relation donnée dans Eq. (4.10)
Il existe deux approches pour concevoir un séparateur cyclone:
(1) l'approche de Lapple et
(2) Approche par équilibre des forces.
1. L'approche de Lapple:
Cette approche est basée sur l'expression suivante pour d 50
où N e = nombre effectif de tours dans le vortex externe descendant, généralement compris entre 1 et 10 =
U I = vitesse du gaz entrant comprise entre 6 et 24 m / s
Habituellement, il est pris à 16 m / s.
L’expression correspondante pour la chute de pression dans un cyclone est
La chute de pression dépend du type de cyclone. Certaines données typiques sont répertoriées dans le tableau 4.6.
2. Approche d'équilibre de force:
L’approche de l’équilibre des forces repose sur les principes suivants:
(i) Les particules à l'intérieur d'un cyclone à une distance R de l'axe subissent une force radiale nette, qui est la différence entre la force de champ nette (force centrifuge) et la force de traînée.
(ii) Les particules d’un diamètre d 50 seront soumises à une force nette de zéro à
(v) Une expression de U tan est obtenue en équilibrant les moments des forces du fluide à l'entrée et à la sortie et la force de cisaillement de la paroi autour de l'axe du cyclone.
où fs est analogue au facteur de frottement = 1/200
A 1, est la surface de la section transversale du conduit d’admission = B C H C
A s est la surface du cyclone exposée à la
Gaz de filage
La procédure de conception consiste à sélectionner ad 50 et à adopter un diamètre de cyclone D c . Le diamètre de cyclone D c doit être choisi de telle sorte que U I = Q / B c H c se situe dans la plage de vitesses d’entrée en fonctionnement (6 à 24 m / s, généralement 16 m / s).
Le prochain d 5Q est calculé en utilisant les équations d'équation. (4.25), (4.24), (4.23) et (4.22). Si le d 50 calculé ne correspond pas au d 50 présélectionné, les étapes sont répétées avec un autre diamètre de cyclone supposé. Le processus est répété jusqu’à ce qu’un diamètre de cyclone soit trouvé, ce qui donne ad 50 proche du d 50 présélectionné.
La chute de pression dans un tel cyclone peut être calculée à l'aide de la relation.
Il convient de souligner ici que l'efficacité de séparation réelle serait inférieure à celle calculée à l'aide de l'équation. (4.10) à cause des effets suivants:
1. Rebondir des particules du mur dans le vortex intérieur,
2. Les particules sont récupérées du sommet du cône par le flux de trémie, et
3. Réentraînement des particules à cause des tourbillons.
Exemple 4.2 :
Un séparateur à cyclone conventionnel doit être conçu pour éliminer 50% des particules ayant un diamètre de 5 pm et une densité de 2, 5 g / cm 3 d'un flux de gaz (air) circulant à une vitesse de 7 200 m 3 / heure à 30 ° C.
Solution:
D'après la littérature, la viscosité de l'air à 30 ° C est de 0, 018 centipoise.
0, 018 centipoise = 1, 8 x 10 -4 g / cms = 1, 8 x 10 -5 kg / m.
Une estimation préliminaire du diamètre d'un cyclone (D c ) pour respecter le droit susmentionné est obtenue en utilisant l'approche de Lapple, Eq. (4.19) en supposant
Dispositif # 4. Filtres:
Contrairement aux autres types de dispositifs de séparation décrits précédemment, l'opération de filtration est réalisée en mode semi-batch. Pendant la première partie de l'opération, les particules de poussière d'un flux de gaz chargé de poussières sont bloquées dans l'appareil même et un flux de gaz relativement propre (sans poussière) s'écoule. Le composant d'un filtre, qui arrête réellement les particules de poussière, est appelé média filtrant.
Au fur et à mesure que la quantité de particules de poussière accumulées sur le média filtrant augmente, la résistance au flux de gaz augmente. Il en résulte une augmentation de la différence de pression à travers le filtre avec le temps. Enfin, un stade est atteint lorsque la différence de pression est égale à une valeur prédéfinie.
À ce stade, l'arrivée de gaz est arrêtée et la prochaine étape de l'opération, à savoir l'élimination des particules de poussière accumulées (nettoyage), est lancée. Une fois qu'une quantité substantielle de la poussière accumulée a été enlevée, l'opération de filtration (apport de gaz chargé de poussière) est reprise. Les filtres sont classés en fonction du type de média filtrant utilisé.
Les supports utilisés sont:
1. Granulats moyens (gravier) et
2. Support fibreux (papier, tapis fibreux, feutre, tissus, etc.).
Filtre à gravier:
Le média filtrant pour agrégats est utilisé pour les applications à haute température et autres applications spéciales. Une installation de filtrage typique consiste en plusieurs modules de filtrage disposés en parallèle. Un module est illustré à la Fig. 4.6. L'un des aspects les plus attrayants d'un filtre à gravier est sa capacité à résister aux températures élevées.
Des graviers trouvés en formation naturelle sont utilisés. Son choix dépend de la température du gaz entrant. Les graviers de quartz peuvent résister à une température de fonctionnement proche de 800 ° C. Cependant, la limitation de la température de fonctionnement réelle d'un filtre à gravier dépend du matériau de structure utilisé pour sa construction. Les pièces mobiles d'un filtre à gravier sont une vanne anti-retour et un mécanisme de ratissage.
Étant donné que ceux-ci fonctionnent de manière intermittente, l'usure de ces pièces est faible. Le bas du filtre sert de séparateur cyclone. Pendant l'opération de nettoyage, l'air ou un autre gaz peut s'écouler dans le sens opposé et le mécanisme de ratissage est activé. Les particules de poussière délogées sont collectées dans la trémie inférieure. Les particules de poussière accumulées sont retirées de la trémie de temps en temps. La perte de charge à travers un filtre à gravier peut aller de 120 cm d’eau.
Filtre en tissu:
Certains supports fibreux, tels que le papier et le mat fibreux, sont difficiles à nettoyer et à réutiliser. Ils sont donc généralement éliminés après utilisation. Ceux-ci ne conviennent pas à l'épuration des gaz industriels. Les supports fibreux, tels que les tissus tissés et les feutres, sont largement utilisés pour récupérer des matériaux précieux provenant des gaz résiduaires industriels ainsi que pour contrôler la pollution de l'air.
Un filtre en tissu, également appelé filtre à manches, utilise des tubes (en tissu) ouverts à une extrémité et fermés à l'autre comme moyen de filtrage. Plusieurs tubes sont suspendus verticalement dans le boîtier à partir d'un cadre en fil métallique dont les extrémités ouvertes sont situées au bas. Le gaz chargé de poussière pénètre dans un logement près de son fond et remonte les tubes par leurs extrémités ouvertes.
Le gaz propre s'écoule à travers les surfaces cylindriques des tubes tandis que les particules de poussière sont retenues à l'intérieur. Un mécanisme approprié est incorporé dans le boîtier pour le retrait (opération de nettoyage) des particules de poussière accumulées de temps en temps. Le nettoyage peut être effectué en ligne ou hors ligne.
Pré-traitement:
Les tissus utilisés ne supportent pas les températures élevées. Il est donc nécessaire de refroidir le gaz entrant de manière à abaisser sa température en dessous de la température de fonctionnement maximale recommandée pour le tissu choisi. Il convient de garder à l’esprit que le gaz entrant doit se situer entre 30 ° et 60 ° C au-dessus de son point de rosée, sinon la condensation risque de se produire à la surface du sac. La condensation aurait pour effet de coller les particules solides humides au média filtrant, ce qui entraverait l'opération de nettoyage.
Pour réduire la charge sur un filtre en tissu, il serait préférable de pré-nettoyer le gaz entrant à l'aide d'un séparateur à décanteur / cyclone afin d'éliminer les particules supérieures à 20-30 µm lorsque des quantités appréciables de celles-ci sont présentes.
Mécanisme de filtration sur tissu:
La matière particulaire d'un gaz vecteur est éliminée par les tissus par tamisage, impaction directe, interception en raison de la force de Van der Waal, de la diffusion brownienne et de l'attraction électrostatique. La génération de charges électrostatiques peut être due au frottement entre le gaz et les tissus et entre les particules et les tissus.
Les tissus tissés sont fabriqués en tissant des fils. Lorsqu'ils sont neufs, les espaces entre les fils sont assez grands et certaines des particules pénètrent facilement dans les pores. Certaines particules sont arrêtées sur le tissu. Au fur et à mesure que la filtration se poursuit, de plus en plus de poussières s'accumulent sur le tissu et forment ainsi un «gâteau de filtration». Le gâteau agit maintenant comme moyen de filtrage et il est plus efficace que le tissu lui-même.
Le feutre est fabriqué en poussant les aiguilles barbelées à travers au moins deux couches de tissu tissé et en les combinant ainsi, puis en rendant la couche de surface rugueuse. La couche intérieure confère résistance et stabilité dimensionnelle, tandis que les tissus fins orientés de manière aléatoire sur la surface offrent une efficacité de collecte élevée pour les petites particules.
Matériaux de tissu:
Les sacs filtrants sont en coton, laine, acryliques, nylon, nomex, polyester, polypropylène, téflon et fibre de verre. Parmi les neuf tissus nommés, les deux premiers sont naturels et les autres sont synthétiques. Lors du choix d'un tissu pour une situation spécifique, les facteurs suivants doivent être pris en compte: température de fonctionnement, acidité / alcalinité du gaz vecteur, abrasivité des particules, rapport air / tissu et enfin son coût. Les caractéristiques des tissus nommés ci-dessus sont énumérées dans le tableau 4.7.
Nettoyage du filtre:
Le nettoyage périodique des sacs filtrants est essentiel pour maintenir le débit de gaz souhaité. Le nettoyage peut être réalisé soit en pliant un sac, ce qui brise et déloge ainsi les couches de poussière, soit en inversant le flux d'air dans les sacs, soit en combinant les deux. L'agitation mécanique des sacs en les faisant fléchir est très efficace pour éliminer la poussière, à moins que les particules ne soient trop profondément incrustées dans les tissus.
Cependant, les secousses mécaniques entraînent une usure accrue du tissu. Les tissus tissés peuvent supporter un tel traitement. Les tissus fragiles, tels que la fibre de verre et le feutre, ne doivent pas être soumis à des secousses mécaniques. Le nettoyage de l’air peut être réalisé de différentes manières, telles que l’écoulement d’air inversé, le jet d’impulsion et la bague de soufflage.
Le nettoyage en flux inverse est effectué en mettant hors circuit un module. Un volume élevé d'air basse pression est autorisé à circuler à contre-courant dans le sens normal du flux. En raison du flux inversé, les sacs sont soumis à une flexion et les couches de poussière sont délogées. Les générateurs Sonic sont parfois utilisés pour augmenter les opérations de nettoyage. Comme ce processus ne provoque pas beaucoup de tension sur le tissu, il peut également être utilisé pour des tissus fragiles.
Lors du nettoyage par jet pulsé, un jet de jet d’air à haute pression (jusqu’à environ 9 kg / cm 2 ) est introduit dans un sac à son sommet pendant une courte durée (environ 0, 1 seconde ou moins). Lorsque le jet se dilate, le sac subit un choc et des secousses. Le nettoyage qui en résulte est assez bon. Le nettoyage par jet pulsé peut être utilisé pour nettoyer tous les types de tissus autres que le coton et la fibre de verre. Le processus peut être utilisé en ligne ou hors ligne. Un nettoyeur à jet d’impulsion ne comporte aucune pièce mobile.
Un nettoyeur du type à soufflette utilise un jet d’air sortant d’une série d’orifices à l’intérieur d’un anneau en métal creux qui entoure étroitement un sac. L'anneau est déplacé de haut en bas à l'extérieur d'un sac au moyen d'une chaîne motorisée et d'un arrangement de pignons. L'air provenant d'un ventilateur est dirigé vers l'anneau par un tuyau flexible.
Le jet d'air frappe une petite partie d'un sac et pousse cette partie vers l'intérieur. Le gâteau de filtration est cassé et délogé. Étant donné que pendant ce type de nettoyage, les parties restantes du sac peuvent continuer à fonctionner normalement, elles peuvent être effectuées en ligne.
N'importe quel type de tissu, tissé, feutré ou fragile peut être nettoyé avec cette technique, car ceux-ci ne sont pas trop sollicités. Ce type d’arrangement de nettoyage n’est pas utilisé pour les grandes installations en raison de son coût élevé et de la complexité de ses machines.
Le système:
Un filtre à manches est généralement constitué de plusieurs modules, chaque module étant une unité indépendante. Dans chaque module, plusieurs sacs sont logés correctement supportés. Le diamètre du sac peut aller de 7 à 30 cm. En général, il mesure environ 15 cm. La hauteur d'un sac peut varier entre 0, 75 m et 8 m.
Le gaz chargé de poussière pénètre dans un module par un conduit d’entrée. Les conduits d’entrée des différents modules sont reliés à un collecteur commun. Très souvent, des déflecteurs et des diffuseurs sont fournis dans un collecteur pour une distribution appropriée du gaz chargé de poussière. Pendant la filtration, le gaz peut s'écouler de l'intérieur vers l'extérieur du sac ou inversement. Le gaz épuré peut être rejeté dans l'atmosphère directement d'un module ou conduit à un autre collecteur commun pour un traitement ultérieur.
Chaque module est fourni avec un gadget de nettoyage de sac approprié, mécanique ou pneumatique, comme indiqué précédemment. Chaque module aurait une trémie pour recevoir la poussière délogée pendant l'opération de nettoyage. Chaque trémie est à son tour équipée d’un dispositif d’évacuation des poussières, tel qu’une double vanne de piégeage ou un sas rotatif.
Même les poussières ininflammables peuvent être explosives et chaque module est donc doté d'un ou de plusieurs dispositifs de protection, tels que des installations électriques anti-déflagrantes, un évent anti-explosion (porte anti-explosion / panneau articulé) et des extincteurs automatiques pour gérer les situations d'urgence. Des portes d'accès sont fournies pour le remplacement des sacs défectueux et d'autres travaux de maintenance. La figure 4.7 montre un diagramme schématique du module de filtre à manches.
Dimensionnement d'un filtre à manches:
Pour estimer la surface totale (nette) de tissu requise, les informations de base suivantes sont requises:
Débit de gaz, en m 3 / min;
Teneur en humidité du gaz, en% R. H;
Température du gaz, en ° C;
Charge particulaire, en g / m 3 de gaz vecteur,
Distribution granulométrique, en µm;
Teneur en SO 2 (le cas échéant), en ppm;
Densité de particules (solides), en g / cm 3 ;
Acidité / Alcalinité des Gaz.
Sur la base des informations mentionnées ci-dessus, il faut sélectionner un tissu approprié et son type, à savoir tissé / feutré. En accord avec le tissu sélectionné et son type, une méthode de nettoyage doit également être sélectionnée. Ensuite, le taux de filtration exprimé en rapport air / tissu (A / C) est déterminé en utilisant les données du tableau 4.8. Le rapport air-sur-tissu dépend de la composition des particules de poussière, de la méthode de nettoyage à utiliser et du choix du tissu tissé / feutré.
Le rapport air / tissu doit être choisi en fonction des directives du fabricant. Normalement, une valeur inférieure est supposée pour le tissu tissé et une valeur supérieure pour le tissu en feutre.
Débit de gaz Q, en m 3 gaz / min et facteur F compris entre 1, 04 et 2.
1, 04 Pour une très grande valeur de A net et 2 pour une petite valeur de A net .
Efficacité de la maison à sacs et chute de pression :
L'efficacité du filtre à manches dépend de la taille des particules de poussière, de la charge en particules, du tissu utilisé et de la méthode de nettoyage utilisée. Une unité correctement conçue peut avoir une efficacité de 99% ou plus pour une taille de particule supérieure à 1 µm. La perte de charge est normalement de l'ordre de 7, 5 à 15 cm d'eau.
Dispositif n ° 5. Précipitateur électrostatique (ESP):
Parmi les différents types de séparateurs de particules sèches, les précipitateurs électrostatiques sont les plus efficaces. Le processus consiste essentiellement à faire passer un gaz chargé de poussière à travers un conduit dans lequel un champ continu à haute tension est maintenu. Les particules de poussière se chargent et se déposent sur la surface (électriquement) mise à la terre du conduit pendant que le gaz épuré s’échappe du conduit. Le conduit peut être horizontal (constitué de deux plaques parallèles se faisant face et fermées au sommet) ou vertical (un tuyau).
Le type horizontal ESP est plus commun. À mi-chemin exactement entre les deux plaques, plusieurs pièces métalliques (bandes métalliques) sont maintenues en suspension. Celles-ci servent d'électrodes de décharge et les plaques de collecteurs. Dans le cas d'un tuyau vertical, un fil métallique suspendu verticalement le long de la ligne centrale sert d'électrode de décharge et la surface interne du tuyau sert de collecteur. Les particules de poussière collectées sont délogées périodiquement en frappant, en vibrant ou en lavant les surfaces du capteur.
Pour les collectes à sec, les accumulations de poussière sur le collecteur sont autorisées jusqu’à environ 6 mm ou plus, puis fortement collées de manière à ce que la poussière soit délogée sous forme de gros amas qui ne seraient pas réentraînés. Des frappes plus faibles et fréquentes produiraient des flocons de poussière délogée, qui pourraient être facilement réentraînés. La collecte humide de la poussière peut être obtenue en pulvérisant de l'eau de manière intermittente ou continue sur le collecteur ou au moyen d'un déversoir. Les électrodes de décharge doivent également être nettoyées en frappant celles-ci à intervalles réguliers.
Force de champ et électrodes:
Un champ d'environ 3 à 6 kV / cm (cc) est normalement utilisé à l'aide de transformateurs couplés à des redresseurs au silicium et à des régulateurs de tension automatiques. En raison de la force de champ élevée, il se produit des décharges corona qui produisent des électrons à grande vitesse.
Une couronne négative (couronne sur un fil négatif) est plus efficace car plus stable et plus efficace. Pour un fonctionnement efficace, un taux d'étincelles optimal est compris entre 50 et 100 étincelles par minute. L'activation pulsée d'un ESP à des intervalles d'un millionième ou micro secondes améliore l'efficacité de la collecte et réduit la consommation d'énergie.
Dans certains modèles, le diamètre de l'électrode de décharge est d'environ 3 mm, dans d'autres, il est grand. Les électrodes de décharge de forme irrégulière ayant des saillies pointues développent un champ local de haute intensité et initient une décharge corona. Des fils carrés, triangulaires et barbelés sont parfois utilisés comme électrodes de décharge. Certains fabricants utilisent des bandes métalliques au lieu de fils. Les plaques collectrices peuvent comporter des ailettes / déflecteurs pour empêcher le ré-entraînement des particules de poussière délogées et leur conférer une résistance mécanique.
Résistivité des particules et boîtier ESP:
Les particules ayant une faible résistivité électrique (10 4 -10 7 ohm-cm) ont tendance à se décharger facilement, à se détacher de la plaque et à se réentraîner. Les particules ayant une résistivité élevée (10 11 -10 13 ohm-cm) ont tendance à adhérer à la plaque collectrice et à l'isoler. Les gaz chargés de poussières contenant des poussières de haute résistivité peuvent être conditionnés en ajoutant du NH 3, du SO 2, de la vapeur, etc. au flux de gaz.
La pression de fonctionnement d'un ESP peut varier entre un léger vide et une pression d'environ 10 atm et une température aussi élevée que 600 ° C. Un ESP est logé dans un boîtier étanche aux gaz en acier ou en béton. Cependant, si nécessaire, du point de vue de la corrosion, le boîtier peut être revêtu de plomb ou de plastique. Lors du nettoyage à l'eau du collecteur, les brouillards et certains gaz solubles sont également éliminés avec les particules de poussière.
Dans une situation spécifique, une combinaison des solutions énumérées ci-dessous peut être choisie pour la construction / l'exploitation d'un ESP:
(i) précipitations sèches / humides,
ii) flux de gaz horizontal / vertical,
(iii) Type de plaque simple / segmenté, et
(iv) fonctionnement sous pression / vide,
Mécanisme ESP:
En raison de la différence de tension élevée entre l'électrode de décharge centrale et le collecteur de terre, une décharge corona se produit. Pendant la décharge corona, des électrons sont émis et ils accélèrent à des vitesses élevées. De tels électrons en contact avec des molécules de gaz telles que, O 2, les ionisent et libèrent des électrons qui poursuivent le processus d’ionisation des gaz.
Les ions gazeux chargent ensuite les particules de poussière en suspension dans leur voisinage, soit par collision (bombardement), soit par diffusion. Les particules supérieures à 1 µm sont généralement chargées par collision, alors que les particules plus fines sont chargées par diffusion. Les particules chargées migrent ensuite vers le collecteur de sol et abandonnent leurs charges. Un certain réentraînement des particules peut se produire dans le cas des collecteurs secs. Dans le cas des collecteurs humides, le réentraînement est pratiquement absent.
L'intensité du champ est tellement maintenue qu'il y a une fréquence d'étincelles limitée. Pendant la formation d'étincelles, une chute de tension instantanée entraîne l'effondrement du champ électrostatique et, par conséquent, l'arrêt de la collecte de poussière. Une étincelle excessive signifie une perte de puissance d'entrée dans le courant d'étincelle. Dans un ESP, une particule est soumise à la force de gravitation, à la traînée et au champ électrique. La force de champ attirerait la particule vers le collecteur tandis que la force de traînée s'opposerait à son mouvement vers le collecteur.
La force résultante amènerait la particule à migrer vers le collecteur à une certaine vitesse, appelée "vitesse de dérive". L'ampleur de la vitesse de dérive d'une particule dépend de facteurs tels que le mode de chargement de la particule, la taille de la particule, la vitesse du gaz, l'intensité du champ et la résistivité de la particule, etc.
La vitesse de dérive d’une particule chargée par bombardement peut être calculée à l’aide de la relation
U p, dp = 3, 694 10 -6 E 2 p dp / µ (4.29)
Cependant, si le chargement a lieu par diffusion, la vitesse de dérive peut être approchée comme
U p, dp = 3-097 x 10 -4 K m E / µ
où Updp = vitesse de dérive de particules ayant un diamètre dp, en m / s.
Les données types de vitesse de dérive de certaines particules spécifiques sont répertoriées dans le tableau 4.9.
Il convient de souligner ici que, pour les besoins de la conception, les fabricants de systèmes ESP utilisent leur expérience sur le terrain au lieu de s’appuyer sur les données de vitesse de dérive calculées sur la base des équations d'équation. (4.29) et (4.30).
Pré-traitement:
Pour réduire la charge de poussière sur un ESP, le flux de gaz entrant peut être prétraité dans un décanteur par gravité ou un séparateur centrifuge (cyclone). Dans le cas d'un ESP sec, le gaz entrant doit être à une température de 25 à 50 ° C supérieure à son point de rosée; il doit donc être préchauffé si nécessaire.
Efficacité de la collecte ESP:
Un schéma de principe d'une installation de plaques parallèles est présenté à la Fig. 4.8.
Un gaz vecteur chargé de poussières et transportant des particules en suspension de différentes tailles circule entre deux plaques parallèles à une vitesse linéaire U horizontale. Les particules qui entrent dans le canal se chargent et se dirigent vers les plaques collectrices à leurs vitesses de dérive respectives.
Laissez-nous analyser les changements progressifs de la concentration des particules (ayant un diamètre dpi) à mesure que le gaz vecteur se déplace de l'extrémité d'entrée à l'extrémité de sortie. Un bilan matière sur une longueur élémentaire dL donne l’équation. (4.31)
où H = hauteur d'une plaque,
L I = Longueur d'une assiette,
2 S = espacement des plaques,
U p dpj = vitesse de dérive de particules ayant un diamètre en dpi
U = vitesse horizontale du gaz dans l'ESP,
A = surface de collecteur de deux plaques = 2 L 1 H
q = débit volumétrique de gaz dans un canal entre deux plaques = Q / n,
n = nombre de canaux,
Q = débit volumétrique total du gaz.
Une expression de l'efficacité de collecte (suppression) d'une telle unité pour les particules ayant un diamètre en dpi peut être obtenue en réarrangeant l'équation. (4.32).
Bien que 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:
Etape I:
A specific particle size dpi is chosen whose complete removal is desired.
Étape II:
Influent gas velocity (U), plate spacing (25), plate height (H) and field strength (E) are assumed.
Étape III:
The drift velocities of the dust particles are estimated using Eqs. (4.29) and (4.30).
Étape IV:
L dpj is calculated using Eqs. (4.33) and (4.35), whichever is larger should be accepted.
Étape V:
The removal efficiencies of the dust particles having a diameter other than dpi are estimated using Eq. (4.34).
Étape 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 :
Avantages:
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.
Désavantages:
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:
Solution:
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
Éq. [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.
