1. UVOD

Procesna tehnika se u sklopu svoje mehaničke oblasti između ostalog bavi posmatranjem i tretiranjem disperzionih smjesa. Disperzione smjese su mješavine dvaju ili više različitih materija. Nosiva faza u sistemu je disperziona materija, to je ili tečnost ili gas, a nošena faza u sistemu je dispergovana materija i mogu biti čvrste čestice, djelići tečnosti ili gas.

Tema ovog rada je mehaničko čiščenje gasova (otprašivanje), zato će se nadalje opisavti samo tretiranje gasovitih disperzionih sistema. Tehnika otprašivanja obuhvata sve tehničke postupke,bez obzira da li se radi o korisnim prašinama (cement, kakao, brašno itd.) ili o štetnim prašinama (leteći pepeo, čađ itd.). Evo i nekoliko razloga za otprašivanje:

Odvajanje i odvod štetnih materija (zaštita čovjeka i okoline) Odstranjivanje štetnih materija koje djeluju na vijek trajanja nekih aparata ili uređaja Obezbjeđivanje boljih (zdravijih) uslova rada Poboljšanje kvaliteta proizvoda i sl.

Uređaji kojima se vrši otprašivanje zovu se odvajači praha ili otprašivači. Odvajanje tečnih čestica iz gasa principijelno se ne razlikuje od odvajanja čvrstih čestica, tako da otprašivanje pokriva i ovu oblast. Pod utjecajem nekih sila, kao što su hidrodinamičke, dispergovana materija (reda veličine od 10 -3 μm do reda veličine mm) lebdi u gasovitim smjesama. Otprašivanje treba da obezbijedi dovod tih čestica u prostor gdje te sile ne djeluju. Može se reći da proces otprašivanja ima dvije faze i to faza pomjeranja čestica i faza odstranjivanja čestica. Otprašivanje se može izvesti na nekoliko načina i to:

1. Otprašivanje djelovanjem sile teže2. Otprašivanje djelovanjem centrifugalnih sila3. Mokro otprašivanje4. Filtracija5. Otprašivanje djelovanjem elektrostatičkih sila.

Kvalitet otprašivača zavisi od pomjeranja čestica, ali i od odstranjivanja i čišćenja. Bitni elementi kvalitete otprašivača su:

a) njegov kapacitet,b) frakcioni i ukupni stepen razdvajanja ic) gubitak pritiska koji on prouzrokuje.

DISPERZIONE SMJESE

TEČNE D.S. GASOVITE D.S.

SUSPENZIJEtečnost

+čvrste čestice

EMULZIJEtečnost

+tečnost

PJENEtečnost

+gas

PRAŠINA, DIMgas+

čvrste čestice

MAGLAgas+

tečnost

1

y = — x uy

uxy = — x

up

Vx

Ako je maseni protok gasa na ulazu mul na nekoj udaljenosti x biće·

LH

up

Vxηo = — —

LH

up(d) Vx

ηo = —— — δD(d)

D=1

D=0

LH

up(d) Vx

ηo(d) = —— —

2. OTPRAŠIVANJE DJELOVANJEM SILE TEŽE

GRAVITACIONI OTPRAŠIVAČI

Najjednostavnije rečeno taloženje se odvija tako što disperzionu smjesu dovodimo u taložnu komoru, gdje se usljed djelovanja gravitacije odvaja dispergovana materija.

TALOŽNA KOMORA

Ovo je primjer jedne taložne komore. Ako se dispergovana materija posmatra kao monodisperzni prah i da je brzina gasa (Vx) po presjeku konstantna, zatim da nema promjene koncentracije na ulazu, onda možemo reći da je na ulazu (x = 0) ux = Vx i uy = 0. Na nekoj udaljenosti x važi relacija

kao i uy = up ; ux = Vx

Stepen odvajanja bi bio:

Ukupni stepen odvajanja polidisperznog praha, pod pretpostavkom da čestice ne ometaju jedna drugu prilikom taloženja i ako komoru zamislimo uzdužno razdijeljenu na niz uskih komora za odvajanje pojedinih čestica, dobije se na sljedeći način. Ako je raspodjela čestica zadana funkcijom D(d), onda je udio čestica, veličine d, u ukupnoj masi δD(d) (δ – diferdncijalni operator):

Frakcioni stepen odvajanja dobije se iz prethodne razrade za monodisperzni prah, tako da je:

Odavde je vidljivo da je otprašivanje bolje za manje H i manje Vx, a za veće L. Da bi se iskoristio utjecaj H, u komore se ugrađuju pregrade radi poboljšanja ηo.

2

mx = mul ———— H - y

H

·· = mul (1 - —) = mul (1 - — —) ·· yH

xH

up

Vx

ηo = ————— = 1 - —— = 1 - —— = 1 - (1 - — —)mul – miz ··

mul· mul

· mul·

·miz mx = L · up L

Vx H

4 (ρč – ρg) g d3 ξ F ρg

Vtal = — —————————

TALOŽNA KOMORA SA PREGRADAMA

Čestice se talože na uzdužnim površinama, a otprašen gas nastavlja dalje ka izlazu. Mana ovih otprašivača je otežano čišćenje površina i opasnost da čestice budu ponovo ponesene.Sila otpora kod taloženja je:

V2tal

2ξ - koeficijent otporaρg kg/m3 – gustina gasaF m2 - površina projekcije česticeg m/sec2 - ubrzanje zemljine teže

Brzina taloženja je:

ρč kg/m3 - gustina čestice

Pošto ξ zavisi od Re (Reynolds-ov broj) imamo sljedeće vrijednosti koeficijenta otpora:1. ξ = 24/Re – za laminarni režim (Re 1)2. ξ = 18,5/Re0,6 - za prelazni režim (1 Re 500)3. ξ = 0,45 za turbulentni režim (Re 500)

Brzina strujanja gasa mora biti manja od brzine taloženja, jer u suprotnom ne bi došlo do taloženja.Brzina strujanja gasa je max. 3 m/s.Ovi otprašivači uglavnom služe za predotprašivanje grubih čestica, jer se u njima odstranjuju čestice veličine preko 100 µm. Prednosti su im što su jeftini, jednostavne konstrukcije, mali pad pritiska, nema temperaturnog ograničenja i nema problema sa habanjem. Mane su im što zauzimaju veliki prostor i odstranjuju samo grube čestice.Zbog relativno slabog pomjeranja čestica usljed gravitacije u taložnicima se poboljšanje pokretljivosti postiže intenziviranjem centrifugalnog polja. To su gravitaciono - centrifugalni otprašivači.

zagađen gas

pročišćen gas

3

P = ξ F ρg ——

3. OTPRAŠIVANJE DJELOVANJEM CENTRIFUGALNIH SILA

GRAVITACIONO – CENTRIFUGALNI OTPRAŠIVAČI (CIKLONI)

CIKLON

Proračun ciklona bi bio veoma komplikovan, zato čto je tu uključena sila otpora, centrifugalna silai sila gravitacije. Međutim ako se uvedu neke pretpostavke i naeka uproštenja mogu se dobiti približno tačni parametri.

U ovim otprašivačima centrifugalna sila višestruko prevazilazi gravitacionu silu težine.

4

Fc = ——m V2

r

Na ulazu je raspored koncentracije ravnomjeran. Bez djelovanja centrifugalne sile čestice bi se na jednom te istom prečniku kretale brzinom Vul i φ 0,, međutim usljed centrifugalne sile postoji komponenta brzine uc, a usljed gravitacione sile komponenta brzine up.

Vul = const.; ut = Vul

dR = uc(R) + upsinφdt u radijalnom pravcuRdφ = ut + upcosφdt u tangencijalnom pravcu

Dijeljenjem ovih izraza dobije se:

Ova diferencijalna jednačina može se riješiti samo numeričkom metodom.

Može se pretpostaviti da je gravitaciona komponenta zanemariva, jer je up uc.

Ako dovedemo sile u ravnotežu

5

uc = ———— ——ρč - ρg

18 µd2 u2

t

R

uc = ———— ——ρč - ρg

18 µd2 u2

t

R uc = ———— ———

ρč - ρg

18 µd2 V2

ul

dR uc ( R ) + u sinφ— = R ——————

dφ Vul + up cos φ

Fc = —— ( ρč – ρg ) — d3 π 6

u2t

R centrifugalna sila

Fw = 3 π µ d u c sila otpora

—u2t

R

Fw

Fc

Fpc = mg sila potiska

Ri R(φ)R

φ

Ra

φ

uc ut = Vul

up

linija razgraničenja zona, sa i bez česticazagađeni gas otprašeni gas

dRdφ— = R ———————uc (R) + upsin φ

ut + upcos φ

dR uc (R)—— = R ——

dφ V

Fw = Fc – Fpc

R = Ri za φ = 0

Iz odnosa: ; i za: mul = k(Ra – Ri) i modv = k(R – Ri)

Dobije se stepen odvajanja ciklona:

Frakcioni stepen odvajanja ciklona:

d – prečnik čvrste česticedmin – minimalni prečnik čvrste česticeNa osnovu izraza za uc koji je ranije izveden i pošto vrijedi uc = dR/dτ može se doći do izraza za vrijeme (τ) koje je potrebno da čvrsta čestica prečnika (d) preće put između Ri i R.

τ = ————

Ako se iskoristi pretpostavka da je Vul = const. slijedi da je

d2(ρč – ρg) 2V2ul

Čvrsta čestica u ciklonu, do izlaska iz ciklona, na svom putu napravi n-ti broj zavoja. Taj broj zavoja se određuje približno, u zavisnosti od dimenzionih odnosa ciklona, može se smatrati da je jednak odnosu visine cilindričnog dijela ciklona i visine ulaznog kanala. S obzirom na ove pretpostavke može se reći da čestica pređe neki put (Lč)

za neko vrijeme:

Izjednačavanjem ovih vremena može se odredit najmanji prečnik čestice.

d2(ρč – ρg) 2V2ul

6

= — ——— d2 ——R ρč – ρg

Vul 18 µ RV2

ul

R = Ri + ——— d2 Vul φρč – ρg

18 µ

R(π) = Ri + ——— ρč – ρg

18 µd2 Vul φ

ηc = —— = ———— = ———— ———— π modv

mul Ra – RiRa – Ri

R – Ri 1 ρč - ρg

18 µ d2 Vul

dτ = ——————d2(ρč – ρg )V2

ul

18 µRdR 18µ

d2(ρč – ρg) ——

RdRV2

ulRi

R

18µτ= ————

R2 – R2i———

ηcf = (——)2ddmin

Lč = 2π ——— nR + Ri2

τ = 2πn ———R + Ri2 Vul

18µ————

R2 – R2i——— = 2πn ———R + Ri

2 Vul

dmin = 3 ———————(R – Ri)m

(ρč – ρg )πnVul

R

dmin = 5 10 µmPrema Barth-u je Ro ≈ Ri (Ro – poluprečnik otvora za odvod čvrstih čestica), kao i brzina vrtložnog strujanja u središtu ciklona

V – zapreminski protok gasa

brzina taloženja je:

Čestica je u stanju mirovanja ako je ur = Vr,

Zavojno kretanje u ciklonu može se predstaviti jednačinom:

m (-1, 1); Vt = f(R);

-1 za rotaciono kretanje 1 za vrtložno kretanjePredpostavlja se i da je ut = Vt, odavde se može dobiti izraz za prečnik čestice:

Mora biti zadovoljen uslov da je d > dmin, da bi se ostvarilo odvajanje čestica iz gasa.Pad pritiska u ciklnu je još jedan parametar bitan za izbor ciklona.

ξc – koeficijent otpora.

Osim već prikazanog, tangencijalno - ravnog dovoda gasa, bolja je izvedba sa tangecijalno – helikoidnim dovodom gasa. Ta izvedba je nešto komplikovanija i skuplja.

HELIKOIDNA IZVEDBA

7

Vr = ———V ·

2 π Ri h

2Ro

h

ur = ———— ——ρč - ρg

18 µ Rd2 ut

2

·

———V·

2 π Ri h = ———— ——

ρč - ρg

18 µ Rd2 ut

2

Vt = ———const.

Rm

V ·

2 π h ( ρč – ρg) const.d = ——— ———————

18 µ Rmi

Δp = ξc ρ ——V2ul

2

zagađen gas

otprašen gas

Dovod gasa u ciklon može se izvesti i aksijalno.

AKSIJALNI DOVOD

Na osnovu proračuna ciklona može se zaključiti da na efikasnost ciklonskog otprašivanja utiče ulazna brzina Vul, kao i prečnik ciklona 2R. Bolju efikasnost bi postigli sa povećanjem Vul ili sa smanjenjem prečnika, ali bi time doveli i do većeg pada pritiska. Da se to izbjegne postavlja se više ciklona povezanih u tzv. ciklonsku bateriju. Cikloni se u bateriju vežu paralelno, jer se time, pri istom protoku gasa, poboljšava efikasnost odvajanja bez bitne promjene pada pritiska.

Nedostak ciklonskog otprašivanja su relativno nizak stepen otprašivanja, jer čak i jedan dio čestica koje se odvoje iz struje gasa usljed lokalnih vrtloga se vraćaju u pročišćenu struju i zajedno s njom napuštaju ciklon. Fizičko oštećenje zidova ciklona je takođe nedostatak ovog otprašivanja. Ta oštećenja se javljaju usljed fizičkog djelovanja čestica na zidove ciklona.Dobre osobine ciklona su niski troškovi održavanja, mala potrošnja električne energije i otpornost na visoke temperature.U zadnje vrijeme, pojedinačni cikloni, se najčešće koriste kao predotprašivači.

8

lopatice

otprašen gas zagađen gas

4. MOKRO OTPRAŠIVANJE

Mokro otprašivanje je tehnološka operacija zasnovana na stvaranju vodene zavjese kroz koju prolazi zagađeni gas ili stvaranje tankog sloja tečnosti preko koje struji zagađeni gas. I u jednom u drugom slučaju čvrste čestice se vežu ("lijepe") za tečnost, a gas prolazi nastavlja prema odvodnom izlazu. Otprašivači sa vodenom zavjesom su SKRUBERI.

Skruberi bez ispune imaju stepen odvajanja od 60% 75%, a skruberi sa ispunama imaju stepen odvajanja od 75% 85%.Brzina gasa nesmije biti velika (1 1,5 m/s), jer bi u suprotnom gas ponio sa sobom kapljice tečnosti i morali bi se postaviti odvajači kapljica.

Najbolji rezultati se postižu u Venturi skruberima. Za čestice od 0,5 μm postiže se stepen efikasnosti i do 99%. U ovim skruberima zagađeni gas se dovodi kroz cijev, gdje se zbog sužavanja cijevi na kraju naglo povećava brzina gasa. Istovremeno vodena pumpa ubrizgava vodu, koju gas raspršuje i zajedno tangencijalno ulaze u ciklon. Zbog velike brzine i djelovanja centrifugalnih sila tečnost sa česticama udara u zidove ciklona, a zatim slijevajući se odlijeva u taložnik. Venturi skruberi, osim otprašivanja, služe i za hlađenje gasova.

9

VENTURI SKRUBER

Stvaranje tankog sloja vode izvodi se tako što se u otpršivače postavljaju horizontalne pregrade, preko kojih struji voda dovedena u otprašivač. Pregrade imaju veliki broj rupica, da bi gas dolazeći odozdo mogao da prođe prema izlazu. Prolazeći kroz tanki sloj vode gas se "pere" (voda zadržava čvrste čestice) i pročišćen struji dalje ka odvodnom otvoru.

SKRUBER SA TANKIM SLOJEM VODE

10

zagađen gas

odmuljenje

usmjerivači

otprašen gas

dovodi vode rešetke

zagađen gas

pročišćen gas

bunker za odvajanje čestica

5. FILTERSKO OTPRAŠIVANJE

Filtersko otprašivanje se vrši tako što se u otprašivač dovodi zagađeni gas, koji zatim nastrujava na filterski materijal. Filterski materijal je porozan i gas nastavlja strujanje, a čestice se zadržavaju na materijalu. Filterski materijali mogu biti: tkanina (od prirodnih ili od vještačkih materijala) u obliku vreća, nabijeni čvrsti materijali (pjesak ili sl.) i porozni keramički materijali.Izbor filterskog materijala ovisi od uslova rada filtera kao što su temperatura, vlažnost, pritisak, vrsta čestica koje se odvajaju. VREĆASTI FILTERI

U tijelu filtera su smještene vrećaste porozne cijevi, prečnika do 200 mm i visine 1 5 m. Gas struji kroz platnene cijevi, platno zadržava čvrste čestice veličine 0,1 0,01 µm, a pročiščen gas struji dalje prema izlaznoj cijevi. Kapacitet filtera se izražava kao zapreminski protok gasa po jedinici površine i vremena m3/(m2h). Brzina filtriranja zavisi od hidrauličkog otpora filtera (ΔP).

ΔP = A Vnf

ΔP – hidraulički otporVf – brzina filtriranjaA; n – konstante filterskog materijala

VREĆASTI FILTER

11

taložne elektrode visokonaponske elektrode

zagađen gas

otprašen gas

izolator

ram za vješanje

zatezači

dovod visokog napona

sabirnik

Na slici je prikazan uprošćen izgled vrećastog filtera. Iznad filtera se ugrađuju sistemi za čišćenje vreća i dodaju se sistemi za odvođenje skupljene prašine. Kao što je već rečeno platno zadržava čestice i zbog njihovog nakupljanja smanjuje se prečnik strujanja gasa što povećava pad pritiska. Zato se periodično (svakih 5 30 min) zaustavlja dotok zagađenog gasa, da bi se vreće očistile.Čišćenje se vrši otresanjem ili produvavanjem vreća u suprotnom smjeru od strujanja gasa i traje oko ½ min. Vrećasti filteri imaju dobar stepen iskorištenja, čak do 99%. Zavisno od materijala filtera limitirana je i temperatura gasova, npr. pamuk (6085 C), vuna (80110C), neki vještački materijali do 150C, a staklena vlakna do 350C.

KERAMIČKI FILTERI

Koriste se za fino filtriranje gasova, najčešće već prečišćenih. Temperatura gasa može biti do 700C. Otežano se čiste, zbog adsorbivnih osobina keramike.

6. OTPRAŠIVANJE DJELOVANJEM ELEKTROSTATIČKIH SILA

ELEKTROOTPRAŠIVAČI

Zagađeni gas se dovodi u elektrootprašivač i usmjerava se kroz električno polje, gdje se ionizuje. Ioni gasa zatim naelektrišu čvrste čestice, koje se nalaza u gasu, naelektrisane čestice se kreću ka suprotno naelektrisanim taložnim eletrodama, dolazi do razelektrisanja i na kraju odvajanja čestica od elektroda.

CIJEVNI ELEKTROOTPRAŠIVAČ

12

U elektrootprašivaču su pozitivno naelektrisane cijevi (mogu biti i ploče), kroz središte cijevi su provedene tanke žice. Tim žicama se dovodi negativni visoki napon, tako da one postaju negativno naelektrisane. U svakoj atmosferi postoje slobodni elektroni, pa tako i u cijevima. Elektroni u blizini elektroda dobivaju veliko ubrzanje. Kad dođu u kontakt sa atomom ili molekulom zagađenog gasa, koji struji kroz cijevi, otcjepljuju se novi elektroni i dobiće se pozitivni ioni ili će se elektroni apsorbovati i dobiće se negativni gasni ioni. Ovo električno pražnjenje naziva se korona. Pozitivni ioni vraćaju se na elektrodu i tu se razelektrišu. Negativni ioni ,usljed dejstva polja, napuštaju aktivnu zonu oko negativne elektrode i idu prema taložnoj elektrodi.Da bi se čestice izdvojile iz gasa moraju imatielektrični napon. Taj napon dobivaju od negativnih iona i zajedno sa njima idu prema taložnoj elektrodi. Čestice se talože na taložnu elektrodu i stvaraju sloj taloga, koji se mora odstraniti sa taložne elektrode. Odstranjivanje se može izvesti otresanjem ili stvaranjem tankog filma vode koji spira talog sa taložne elektrode.Elektrootprašivačima se izbjegavaju nedostaci koji se javljaju kod drugih otprašivača, mada su investicije veće. Stepen efikasnosti je od 97% do 99%, mada je moguće postići i više od 99%. U njima se takođe postiže mali pad pritiska i moguć je rad sa gasovima visoke temperature.

LITERATURA

1. Milenko Krstić; Mehaničke operacije i uređaji procesnih postrojenja; Univerzitet u Sarajevu; Sarajevo 1970.

2. Dimitrije Voronjec; Tehnološke operacije; Univerzitet u beogradu; Beograd 1985.3. Vlado Koharić; Uvod u mehaničke operacije; Sveučilište u Zagrebu; Zagreb 1981.

SADRŽAJ strana

1. Uvod 1

13

2. Otprašivanje djelovanjem sile težeGravitacioni otprašivači 2

3. Otprašivanje djelovanjem centrifugalnih silaCiklon 4

4. Mokro otprašivanjeSkruber 9

5. Filtersko otprašivanjeVrećasti filter 11

6. Otprašivanje djelovanjem elektrostatičkih silaElektrootprašivač 12

7. Literatura 13

8. Sadržaj 13

14