ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Ενότητα 5: Πλυντρίδες Αν. Καθ. Δρ Μαρία Α. Γούλα Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Σκοπός της παρούσης ενότητας είναι η κατανόηση και εξοικείωση των φοιτητών με την αρχές λειτουργίας και το σχεδιασμό πλυντρίδων. 4
Περιεχόμενα ενότητας Αρχές λειτουργίας. Σχεδιασμός πλυντρίδων. Απόδοση συλλογής. Πτώση πίεσης. Κόστος. 5
Εισαγωγή Συσκευές υγρής συλλογής για καπνούς, λεπτή ομίχλη και αιωρούμενα σωματίδια. Τα σωματίδια συλλέγονται με άμεση επαφή με ένα υγρό (συνήθως νερό). Η ταξινόμηση γίνεται είτε σύμφωνα με το χρησιμοποιούμενο μηχανισμό επαφής με το υγρό, είτε ως μονάδες χαμηλής, μέσης ή υψηλής ενέργειας. 6
Εφαρμογή της πλυντρίδας Μέγεθος σωματιδίων προς απομάκρυνση (ΑΣ 10 μm και ΑΣ 2.5 μm). Απομακρύνει επιπρόσθετα επικίνδυνους αέριους χημικούς ρύπους (VOC s) βάσει της διαλυτότητάς των στο υγρό μέσο. Αναφέρονται ως «υγρές» πλυντρίδες (wet scrubbers) και διακρίνονται στις κάτωθι κατηγορίες: Θάλαμοι ψεκασμού (απλοί, με κυκλώνα). Πυντρίδες με στόμιο και πρόσκρουσης στο νερό. Πλυντρίδες venturi δέσμης (venturi jet). Πλυντρίδες venturi με εγχυτήρα (ejector venturi). 7
Αποδόσεις Πλυντρίδων Οι αποδόσεις κυμαίνονται από 70% έως πάνω από 99% και εξαρτάται από την εφαρμογή. Οι αποδόσεις συλλογής γενικά είναι υψηλότερες για ΑΣ με αεροδυναμικές διαμέτρους περίπου 0,5 έως 5 μm. Αύξηση της απόδοσης συλλογής οδηγεί σε αύξηση της πτώση πίεσης και κατά συνέπεια σε αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας. 8
Μονάδες Οι ενεργειακές απαιτήσεις εκφράζονται ως: Πτώση πίεσης επί της πλυντρίδας (σε ίντσες ή εκατοστά στήλης ύδατος). ή Από το επίπεδο της ισχύος επαφής (σε ιπποδύναμη ανά cfm ή κιλοβατώρες ανά όγκο επεξεργαζόμενου αερίου). Hp/1000cfm ή KWh/1000m 3. Οι ρυθμοί κυκλοφορίας του υγρού δίνονται σε γαλόνια ανά 1000 κυβικά πόδια (1 gal/1000m 3 = 0.134L/m 3 ). 9
Που χρησιμοποιείται μια πλυντρίδα? Μονάδες παραγωγής ενέργειας. Χαρτοποιίες. Βιομηχανίες τροφίμων. Βιομηχανίες καλλυντικών. Χαλυβουργεία/μεταλλουργεία. 10
Χαρακτηριστικά Ρευμάτων Εκπομπής Ροή Αέρα: Συνήθεις παροχές αερίου για απλού λαιμού πλυ- ντρίδα Venturi είναι 0.2 έως 478 Nm 3 /s. Παροχές υψηλότερες από αυτήν την περιοχή χρησιμοποιούν είτε πολλαπλές παράλληλες πλυντρίδες Venturi είτε Venturi με πολλαπλό λαιμό. Θερμοκρασία: Οι θερμοκρασίες εισόδου συνήθως κυμαίνονται από 4 έως 400 ο C. Φόρτιση Ρύπου: Οι φορτίσεις ρύπου του αέριου αποβλήτου δύναται να κυμαίνονται από 1 έως 115 g/nm 3. 11
Αρχή λειτουργίας πλυντρίδων Απομάκρυνση Αιωρούμενων Σωματιδίων (ΑΣ) μικρού μεγέθους μέσω μηχανισμών αδρανειακής πρόσκρουσης και διάχυσης. Εισαγωγή του φορτισμένου με σωματίδια απαερίου στην πλυντρίδα. Προς τα πάνω κίνηση των σωματιδίων, προς τα κάτω κίνηση των σταγονιδίων. Πρόσκρουση των σωματιδίων στα σταγονίδια του νερού. Καθαρά απαέρια εξέρχονται από την κορυφή, φορτισμένα με σωματίδια σταγονίδια από το κάτω μέρος της πλυντρίδας. 12
Αρχή λειτουργίας πλυντρίδων H διείσδυση (P td ) ορίζεται ως το κλάσμα των σωματιδίων μιας καθορισμένης διαμέτρου d p τα οποία δεν συλλαμβάνονται. Η σχέση διείσδυσης - βαθμού συλλογής δίνεται από τη σχέση: P td = 1 η d, όπου η d = κλασματική απόδοση για τα σωματίδια με διάμετρο η d. Η συνολική διείσδυση (P to ) υπoλογίζεται από: P to = Σ (P td x M d ), όπου Μ d το κλάσμα μάζας των σωματιδίων στην καθορισμένη διάμετρο. 13
Θάλαμοι ψεκασμού 14
Θάλαμοι ψεκασμού Απλοί στο σχεδιασμό και λειτουργία. Επαφή αερίου υγρού μπορεί να είναι αντίθετης ροής, ομοροής ή διασταυρούμενης ροής. Μηχανισμός συλλογής είναι η αδρανειακή πρόσκρουση πάνω στα προσχηματισμένα σταγονίδια νερού. 15
Διείσδυση σωματ. σε θάλαμο ψεκασμού αντίθετης ροής P td = exp[ - 3Q L V td z η d / 4 Q G r d (V td V G )] = exp [ - A d V td η d / Q G )] Όπου, P td = διείσδυση ενός δεδομένου μεγέθους σωματιδίων (0 1.0). Q L = ογκομετρική παροχή υγρού (m 3 /s). Q G = ογκομετρική παροχή αερίου (m 3 /s). V G = επιφανειακή ταχύτητα αερίου (cm/s). V td = οριακή ταχύτητα καθίζησης σταγονιδίων (cm/s). η d = κλασματικός βαθμός απόδοσης συλλογής ενός και μόνο σταγονιδίου (από 0-1). r d = ακτίνα σταγονιδίου (cm). z = μήκος της ζώνης επαφής της πλυντρίδας (cm). Α d = ενεργός διατομή της επιφάνειας όλων των σταγονιδίων στην πλυντρίδα (cm 2 ). 16
Παράμετρος πρόσκρουσης (Kp) K p = C p d p2 V p,d / 9 μ G d d = ρ w d α2 V p,d / 9 μ G d d Όπου, C = συντελεστής διόρθωσης Cunningham, αδιάστατος. ρ p = πυκνότητα του σωματιδίου (g/cm 3 ). d p = φυσική διάμετρος σωματιδίου (cm). V p,d = η ταχύτητα του σωματιδίου (σε σχέση με το σταγονίδιο) cm/s. d d = η διάμετρος του σταγονιδίου (cm). μ G = το ιξώδες του αερίου (poise). d α = η αεροδυναμική διάμετρος του σωματιδίου (cm). ρ w = πυκνότητα του νερού (g/cm 3 ). 17
Κλασματικός βαθμός απόδοσης συλλογήςτου σταγονιδίου η d Ο κλασματικός βαθμός απόδοσης συλλογής σταγονιδίου η d δίνεται και από τη σχέση: η d = k V p,d V tp / g d d (7) Όπου, k = εμπειρική σταθερά. V tp = οριακή ταχύτητα των σωματιδίων. g = επιτάχυνση της βαρύτητας (980 cm/s 2 ). d d = διάμετρος συλλογής ή διάμετρος σταγονιδίου (cm). H εξίσωση 7 δείχνει ότι μειώνοντας το μέγεθος των σωματιδίων αυξάνεται ο στόχος του βαθμού απόδοσης. Στην πραγματικότητα υπάρχει ένα βέλτιστο μέγεθος σταγονιδίου και ο βαθμός απόδοσης δεν αυξάνεται μειώνοντας το μέγεθος σταγονιδίου κάτω από το βέλτιστο. 18
Πλυντρίδες Venturi 19
Εισαγωγή Οι venturi χρησιμοποιούν την αδρανειακή πρόσκρουση των ΑΣ στα σταγονίδια νερού που σχηματίζονται από το διασκορπισμό μέσω του αερίου. Ο διασκορπισμός λαμβάνει χώρα κατά την εισαγωγή του υγρού στο ρεύμα του αερίου. Απαιτείται η εισαγωγή αρκετού υγρού για την επίτευξη πλήρης επαφής αερίου σταγονιδίου. Για την επίτευξη του διασκορπισμού, η ταχύτητα του αερίου στο σημείο αρχικής επαφής αερίου υγρού πρέπει να είναι υψηλή. 20
Διείσδυση σωματιδίου Ptd = exp{ (Q L V G ρ L dd / 55 Q G μ G ) [-0.7 K p f + 1.4 ln((k p f + 0.7) / 0.7) + (0.49 / 0.7 + K p f)] 1 / Κ p } Όπου, K p = παράμετρος αδρανειακής πρόσκρουσης, αδιάστατη. f = εμπειρικός συντελεστής (f = 0.25 για υδρόφοβα σωματίδια & f = 0.5 για υδρόφιλα σωματίδια). Q L = ογκομετρική παροχή υγρού (m 3 /s). Q G = ογκομετρική παροχή αερίου (m 3 /s). V G = επιφανειακή ταχύτητα αερίου (cm/s) & μ G =το ιξώδες του αερίου (poise). ρ L = πυκνότητα του υγρού (g/cm 3 ). d d = μέση διάμετρος σταγονιδίου του Sauter (μm). 21
Mέση διάμετρος σταγονιδίου του Sauter d d = 58,600 / V G (σ / ρ L )0.5 + 597 ((μ L / (σ ρ L )0.5) 0.45 (1000 Q L /Q G )1.5 Όπου, d d = μέση διάμετρος σταγονιδίου του Sauter (μm). ρ L = πυκνότητα του υγρού (g/cm 3 ). σ = επιφανειακή τάση υγρού (dyne/cm). μ L = ιξώδες υγρού (poise). Q L = ογκομετρική παροχή υγρού (m 3 /s). Q G = ογκομετρική παροχή αερίου (m 3 /s). V G = επιφανειακή ταχύτητα αερίου (cm/s). 22
Απώλεια πίεσης Η απώλεια πίεσης οφείλεται κυρίως στην επιτάχυνση του σταγονιδίου και υπολογίζεται με την εξίσωση: ΔP = 2 ρ L V G2 (Q L / Q G ) (1-X 2 + X 4 X 2 ) (11) Όπου, ΔP = απώλεια πίεσης, (dyne/cm 2 ). V G = ταχύτητα αερίου (cm/s). X = αδιάστατο μήκος λαιμού. 23
Απώλεια πίεσης BHMA 1: Επιλέγουμε αυθαίρετα τις τιμές των παραμέτρων Q L /Q G και VG για απλή πλυντρίδα venturi (όχι δέσμης). ΒΗΜΑ 2: Υπολογίζουμε τη μέση διάμετρο σταγονιδίου Sauter dd. ΒΗΜΑ 3: Υπολογίζουμε την παράμετρο αδρανειακής πρόσκρουσης Kp για κάθε τιμή μέσης διαμέτρου d pj. ΒΗΜΑ 4: Υπολογίζεται η διείσδυση Pt για κάθε τιμή Κp και οι τιμές Pt και Κ p τοποθετούνται στον πίνακα. ΒΗΜΑ 5: Υπολογίζεται η κλασματική διείσδυση P tο, και η απόδοση η ο της πλυντρίδας καθώς και η συγκέντρωση ΑΣ στην έξοδο της πλυντρίδας C o. ΒΗΜΑ 6: Υπολογίζουμε την πτώση πίεση ΔΡ στην πλυντρίδα. ΒΗΜΑ 7: Αν η συγκέντρωση C o ή/και η ΔP δεν μας ικανοποιεί επαναλαμβάνουμε όλα τα ανωτέρω βήματα 1-5 μέχρι να ικανοποιηθεί η απαίτηση του ορίου της συγκέντρωσης ΑΣ στην έξοδο και του ορίου της τιμής της πτώση πίεσης. 24
Βιβλιογραφία Έλεγχος Αέριας Ρύπανσης-Σχεδιασμός Αντιρρυπαντικής Τεχνολογίας, Cooper C. David,Alley F. C., ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε. Βασικές αρχές αντιρρυπαντικής τεχνολογίας ατμοσφαιρικών ρύπων, Ραψομανίκης Σπύρος Χ., Καστρινάκης Ελευθέριος Γ., ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε. 25
Τέλος Ενότητας
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Μαρία Α. Γούλα. «ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. 27
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 28
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 29