孔凡昌，邱澤陽

(蘭州交通大學, 甘肅蘭州730070)

摘　要:對絲網式除霧技術原理、電場除霧技術原理和聲波凝聚理論作了深入的探討。在此基礎上, 提出采用超聲波技術, 對現有電場、絲網除霧技術進行改進的設想, 并對此項技術的應用前景作了進一步展望。

關鍵詞:聲波凝聚;絲網除霧器;靜電除霧器

直徑在4 ～ 30μm的水滴稱為霧。霧廣泛存在于自然界與工業生產過程當中, 形成不同的危害。在工業生產過程中, 霧滴的形成一般有3種途徑形成:(1)機械力導致液體霧化;(2)氣體冷凝形成霧滴;(3)在一定的溫度、壓力下, 兩種或兩種以上的氣體反應生成霧滴。不同形式的霧滴給工業生產帶來很大危害, 例如:在硫酸生產過程中, 產生的霧滴主要為硫酸霧滴。硫酸霧滴的存在導致設備腐蝕,產品不純, 換熱器或催化劑堵塞, 儀表損壞;釋放到大氣中會造成環境污染。因此, 國內外都投入大量的人力物力從事除霧器及其生產設備的研制與開發。本文旨在對現有除霧器進行理論探討, 并結合聲波凝聚理論, 提出新的除霧技術。

1.1　絲網除霧裝置除霧機理

絲網除霧器廣泛用于化工、石油、硫酸、醫藥、輕工、冶金、機械、建筑、航空、海運、環保等工業中, 我國從國外引進的乙烯、合成氨、化纖等生產設備中,也是使用絲網除霧器作為氣液分離裝置的。

圖1是工業上通常使用的絲網除霧器的主體結構圖。圖中所示的絲網層的厚度一般在100 ～150mm, 絲網層水平布置。攜霧氣流通常是從下到上垂直通過網層, 氣流速度一般在2 ～ 3m/s。霧滴隨氣流穿過絲網層時, 會與圓柱形的網絲發生多種作用而被捕獲。這些作用在基本原理上可分為6種, 分別是:①慣性碰撞;②直接攔截;③布朗擴散;④靜電吸引;⑤重力沉降;⑥氣體吸收。

1.2　靜電除霧裝置除霧機理

靜電除霧器在硫酸、有色冶煉、鈦白粉生產領域是一個至關重要的設備, 它能否正常工作, 關系到整個系統的正常運行, 且會對尾氣的達標排放、硫酸質量、煙氣管道的使用壽命、催化劑的使用壽命造成重大的影響。

圖2是工業上通常使用的靜電除霧器的主體結構圖。其機理是:通過電暈放電使霧滴荷電, 然后在靜電力的作用下將霧滴捕集。工業上使用的靜電除霧器的電極配置通常為線-管式配置。靜電除霧可以分為以下3 個基本過程:①電暈放電, ②霧滴荷電, ③霧滴捕集。

2　絲網-電極除霧裝置

基于工業除霧機理, 日本的H.Uchiyama和M.Jyunonji等人在90年代初期為研制一種新的人工消霧裝置而提出絲網-電極除霧裝置, 并于90年代初期成功地做了一些戶外實驗。其結構示意圖, 如圖3所示。此裝置解決了自然霧氣流流動慢, 不易被捕集極捕獲的缺點。

其機理是:在電暈機和捕集極之間的強電場作用下, 霧滴荷電后平行于電場方向運動, 最終被捕集極捕獲。

3　聲場對水霧的消散作用

聲波凝聚(acousticagglomeration)為30年代學者于高強度聲波管柱中觀察到懸浮在管柱中的粒子, 因聲場的作用形成粒子聚集在一起的現象。氣懸微粒處在聲場中會受到力的作用, 進而會產生聲波凝聚現象。聲場作用在微粒上的力可以分為3類:①交流粘滯力(Stokes力);②作用在單個微粒上的恒定力(包括聲輻射壓力, 平均Stokes力, 由大振幅畸變所引起的Oseen力等);③微粒之間的相互作用力(包括兩微粒間由復散射引起的力、Bernoulli力、Bjerknes力及微粒之間的流體力學Oseen力等)。

聲波凝聚是各種力對微粒的綜合作用, 在不同的凝聚階段有不同的主導力。其中交流粘滯力的數值最大, 可以看成是一級力, 在凝聚中始終起著重要作用;所有的恒定力都是二級力, 作為一級力的輔助效應。具體來說, 當微粒的距離較大時, 在小振幅聲波的情況下, 恒定力中作用在單個微粒上的平均Stockes力最大, 但它卻促使各微粒以相同的速度前進, 因而對碰撞的作用不大。在大振幅聲波的情況下, 畸變Oseen力在所有的單向力中最大。當微粒靠得很近時, 交流粘滯力起著主導作用, 導致微粒進一步靠近。

4　結論

現在工業上使用的除霧器主要為絲網除霧器(又名絲網除沫器、捕沫器), 有些企業用的是電除霧器, 除霧效果明顯。進一步提高除霧器的效率, 有利于改善操作條件, 優化工藝指標, 減少設備腐蝕,延長設備使用壽命, 增加處理量及回收有價值的物料, 保護環境, 減少大氣污染等。

為此, 本文提出:在絲網除霧裝置除霧機理和靜電除霧裝置除霧機理的基礎上, 加上聲場。工業上傳統的絲網除霧裝置, 主要靠攜霧氣流的定向移動使霧滴向捕集極移動, 最終被捕獲;電除霧器主要解決攜霧氣流速度不大, 絲網除霧裝置除霧效果不明顯的問題。如果在霧滴荷電過程中以及在霧滴向絲網捕集極的運動過程中, 在聲場的作用下不斷聚集,使得霧滴在到達捕集極之前就達其自身產生的重力就超過氣體的上升力而下降, 這樣必然會提高除霧的效率。

本文只就工業除霧器的原理提出理論上的建議, 具體到理論的可行性以及理論的實現都需要再做深入的研究、探討。在許多工業生產過程中都會產生霧, 如果采用高效率的除霧器, 帶回來的經濟效益是非常可觀的, 這樣對于除霧器的理論研究就更顯得重要。我國對除霧器的研究已經取得了很大的成果, 但是與發達工業國家相比較還相差很遠。

參考文獻:

[1] 　程小東.線 網式電極的電暈放電特性及除霧性能的研究[ D] .碩士學位論文.西安建筑科技大學, 2004.

[2] 　章肖融, 干昌明, 魏榮爵。聲波對水霧消散作用的初步實驗研究[ J] .南京大學學報(物理學), 1963(1):21-28.

[3] 　魏榮爵, 章肖融, 王耀俊.氣懸微粒在聲場中的作用力對凝聚的貢獻[ J] .南京大學學報(自然科學), 1964, 8(2):249-264.

[4] 　陳曉波.電除霧器電場特性的探討[ J] .硫酸工業,1998, (3):26-29.

[5] 　王耀俊, 魏榮爵.氣懸微粒聲凝聚效率與聲場參數的關系[ J] .科學通報, 1984(12):901-903.

[6] 　侯雙全, 吳嘉, 席葆樹.低頻聲波對水霧消散作用的實驗研究[ J] .流體力學實驗與測量, 2002, 16(4):52-63.

[7] 　向曉東, 鄒霖, 黃鶯, 等.線——— 板式電除塵器場強正態分布模式假設及其檢驗[ J] .武漢科技大學學報(自然科學版), 2006, 29(4).

[8] 　謝立紀.新型電除霧器的工業應用情況[ J] .硫酸工業, 1995, (3):19-20.

[9] 　杭德森, 高小玲.國外硫酸工業纖維除霧器簡介[ J] .硫酸工業, 1998, (4):18-21.