МАШИНОСТРОЕНИЕ

ВОЛОКНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ

В основе работы волокнистых фильтров лежит процесс прохождения газового потока через фильтровальную перегородку, в ходе которой взвешенные частицы задерживаются в ней, а газы полностью проходят через нее.

Волокнистые фильтры представляют со­бой слои различной толщины, в которых более или менее однородно распределены волокна. Это фильтры объемного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц преимущественно по всей глубине слоя.

Волокнистые фильтры используют при концентрации дисперсной твердой фазы 0,5...5 мг/м"\ и только некоторые виды регене­рируемых грубоволокнистых фильтров эконо­мически целесообразно применять при концен­трации 5...50 mt/mj и более.

В качестве фильтрующих перегородок применяются естественные или специально получаемые волокна толщиной 0,01... 100 мкм, а также их смеси. Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бу­мага) до 2 м (многослойные глубокие насадоч - ные фильтры долговременного использования). Процесс фильтрации состоит из двух стадий. На первой начальной стадии (стационарная фильтрация) уловленные частицы практически не изменяют структуру фильтра во времени. На второй стадии процесса (нестационарная фильтрация) в фильтре происходят непрерыв­ные структурные изменения вследствие накоп­ления уловленных частиц в значительных ко­личествах. В соответствии с этим все время изменяются эффективность очистки и сопро­тивление, что осложняет течение процесса фильтрации и связанные с этим расчеты.

Основной механизм улавливания частиц в волокнистых фильтрах в значительной мере определяют размеры частиц. Для частиц раз­мером менее 0,3 мкм преобладает диффузион­ное осаждение, для более крупных - эффекты касания и инерции.

Скорость фильтрации оказывает проти­воположное влияние на диффузионное и инер­ционное осаждение частиц (рис. 3.2.43). Как показывает кривая суммарной эффективности, существует критическая скорость, при которой наблюдается максимальный проскок.

Толщина волокон также оказывает опре­деляющее влияние на процесс осаждения час­тиц по всем рассмотренным механизмам. На­пример, проскок частиц диаметром 0,65 мкм через фильтр с волокнами dE - 1 мкм в

2000 раз меньше, чем через фильтр из волокон с dB = 50 мкм при одинаковых условиях.

С увеличением плотности упаковки воло­кон в фильтре эффективность улавливания частиц за счет инерции и касания существенно возрастает, однако диффузионное осаждение при этом изменяется незначительно.

Классификация волокнистых фильт­ров. Волокнистые фильтры, применяемые для улавливания твердых или жидких частиц из газов и воздуха во время проведения техноло­гических процессов или выбрасываемых в ат­мосферу, называют промышленными, в отли­чие от воздушных, предназначенных для очи­стки атмосферного воздуха от пыли в системах приточной вентиляции.

К промышленным волокнистым фильт­рам относятся:

Сухие - тонковолокнистые, глубокие, фильтры предварительной очистки (пред - фильтры);

Мокрые - сеточные, самоочищающиеся, с периодическим или непрерывным орошением.

В связи с многообразием требований, предъявляемых к фильтрам, разработано много конструкций воздушных фильтров и фильт­рующих элементов (табл. 3.2.10).

Воздушные фильтры класса ///, состав­ляющие большинство, почти полностью рабо­тают на эффекте осаждения. В фильтрующих материалах предусматриваются большие про­межутки между улавливающими элементами для максимального снижения сопротивления потоку при высокой скорости фильтрации (1,5...3 м/с).

Чтобы сухие частицы не отскакивали от волокон при такой скорости потока и не выно­сились после осаждения из фильтра, его слои промасливаются. Одновременно масло защи­щает металлические сетки от коррозии.

Для обеспечения непрерывного действия воздушных фильтров и упрощения их обслужи­вания, особенно при больших расходах воздуха с концентрацией пыли до 10 мг/м\ разработаны установки с автоматической регенерацией или заменой фильтрующей поверхности [45, 47].

Самоочищающиеся масляные фильтры типа КДМ являются секциями кондиционеров (рис. 3.2.44); они состоят из непрерывно дви­жущейся в вертикальной плоскости фильт­рующей бесконечной панели сеток и масляной ванны. Скорость потока воздуха в таких фильтрах обычно составляет 2,5...2,6 м/с.

Самоочищающиеся масляные фильтры применяют для очистки воздуха, подаваемого в залы с электрическими машинами; используют для защиты мощных стационарных дизелей и воздушных компрессоров, а также в большин­стве вентиляционных систем различных произ­водств.

Воздушные фильтры класса II, предна­значенные для более высокой по сравнению с фильтрами класса III степени улавливания ат­мосферной пыли, применяют волокнистые предфильтры, в которых используются фильт­рующие материалы из тонких синтетических или стеклянных волокон диаметром 2... 15 мкм. Такие материалы позволяют увеличить улав­ливание мелких частиц за счет преобладающе­го действия эффектов касания и диффузии. Скорость фильтрации обычно принимают 0.05...0,25 м/с, поэтому для сохранения высо­кой производительности установки должны иметь весьма развернутую поверхность.

Воздушные фильтры класс I располагают в рабочих помещениях, в которых требуется поддерживать стерильные условия или особен­но высокую чистоту воздуха. Это фильтры тонкой очистки с коэффициентом проскока не более 0,03 %. При этом случае концентрация частиц пыли или микроорганизмов в выходя­щем из фильтров воздухе приближается к нулю.

Фильтры класса I следует располагать на нагнетательной стороне вентилятора и по воз­можности непосредственно перед вводом очи­щенного воздуха в помещение для того, чтобы предупредить загрязнение очищенного воздуха в каналах.

Промышленные волокнистые сухие фильтры. Тонковолокнистые фильтры пред­назначены для улавливания высокодисперсных аэрозолей с эффективностью не менее 99 % по наиболее проникающим частицам (размером 0,05...0,5 мкм). Фильтрующие материалы при­меняют в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм). Скорость фильтра­ции в них составляет 0,01...0,15 м/с, сопротив­ление чистых фильтров обычно не превышает 200...300 Па, а забитых пылью фильтров

700... 1500 Па. Улавливание частиц в фильтрах тонкой очистки происходит в основном за счет броуновской диффузии и эффекта касания, поэтому очень важно для изготовления их ис­пользовать волокна диаметром 0,1... 1 мкм.

Регенерация отработанных фильтров тон­кой очистки в большинстве случаев нерента­бельна или невозможна. После длительной работы (в течение 0,5 - 3 лет) его заменяют на новый. Концентрация сухой пыли на входе в такой фильтр не должна превышать 0,5 мг/м3, иначе его придется слишком часто менять. Так, при увеличении концентрации от 0,5 до 1 mt/mj срок службы фильтра сокращается до 3 - 6 ме­сяцев. Часто перед фильтрами тонкой очистки следует устанавливать более простые по кон­струкции и дешевые пылеулавливающие аппа­раты для снижения концентрации пыли до 0,5 мг/м3 и ниже.

Оптимальная конструкция фильтров тон­кой очистки должна отвечать следующим ос­
новным требованиям: наибольшей поверхно­сти фильтрации при наименьших габаритных размерах; минимальному сопротивлению; воз­можности более удобной и быстрой установки; надежной герметичности групповой сборки отдельных фильтров.

Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют распространенные в настоящее время фильтры рамочной конструкции (рис. 3.2.45). Фильтрующий материал 4 в виде ленты укладывается между П-образными рам­ками. чередующимися при сборке пакета от­крытыми и закрытыми сторонами в противо­положных направлениях.

Глубокие фильтры используют при срав­нительно коротком сроке непрерывной работы. Это многослойные глубокие фильтры, назы­ваемые иногда фильтрами долговременного использования. Такие фильтры состоят из глу­бокого лобового слоя грубых волокон и более тонкого замыкающего слоя тонких волокон, причем плотность упаковки волокон изменяет­ся по глубине. Многослойные фильтры рассчи­таны на непрерывную работу в течение 10-20 лет.

Фильтры грубой или предварительной очистки (грубоволокнистые) снижают началь­ную концентрацию аэрозоля при высокоэф­фективной очистке газов, низком начальном аэродинамическом сопротивлении (100... 200 Па) и высокой пылеемкости. Такие фильт­ры значительно дешевле (иногда в 10 раз), чем фильтры тонкой очистки, и их можно легко заменять или регенерировать.

На работе фильтров особенно неблаго­приятно отражается содержание в газе частиц гигроскопичных солей, а также конденсация паров воды в фильтрующем слое, так как при этом образуются отложения в виде непрони­цаемой корки, что приводит к выводу фильтра из строя.

Промышленные волокнистые мокрые фильтры (волокнистые туманоуловители).

Среди промышленных и аспирационных вы­бросов заметное место принадлежит туманам - аэрозольным системам, дисперсную фазу в которых составляют взвешенные в газовом потоке капли жидкости.

Волокнистые (сеточные) фильтры - туманоуловители, принцип действия которых основан на захвате жидких частиц волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой с непрерывным выводом из него уловлен­ной жидкости, широко применяются в про­мышленности.

Отличительной особенностью волокни­стых фильтров-туманоуловителей является коалесценция уловленных жидких частиц при контакте с поверхностью волокон и образова­ние на них пленки жидкости, удаляющейся по мере накопления из слоя в виде струек или крупных капель, перемещающихся внутри слоя и с тыльной стороны под действием силы тя­жести, увлечения газовым потоком или капил­лярных сил.

Выгодно отличаясь по многим парамет­рам от электрофильтров и срубберов Вентури, волокнистые фильтры обладают существенным недостатком - возможностью зарастания при наличии в тумане значительного количества нерастворимых твердых частиц и при образо­вании в слое нерастворимых солевых отложе­ний (CaS04. CaC03. CaF2. CaS03) за счет взаи­модействия солей жесткости воды с газами С02, S02. HF и др.

В соответствии с основным механизмом осаждения взвешенных частиц в волокнистом фильтре туманоуловители разделяют на низко­скоростные (скорость фильтрации не превыша­ет 0,2 м/с), работающие в режиме осаждения частиц за счет диффузии и касания и исполь­зующие гонкие волокна, и высокоскоростные инерционные фильтры, как правило, на основе грубых волокон и объемных сеток. Скорость газов в высокоскоростных туманоуловителях составляет 1... 10 м/с.

Эффективность улавливания частиц в низкоскоростных фильтрах может быть оцене­на по формуле [37]

2/Зє2/3

X] = 0,284 ехр

W,

Где Н - толщина фильтровального слоя, см; D - коэффициент диффузии частиц (капель), см2/с;

8 - пористость; wr - скорость газового потока,

См/с; dB - диаметр волокон, см.

Доминирующая роль инерционного ме­ханизма осаждения в высокоскоростных во­локнистых туманоуловителях позволила при­менить для расчета их эффективности вероят­ностный метод, широко используемый для определения эффективности центробежных пылеуловителей и скрубберов [16, 70].

Значение (мкм) рассчитывается по формуле:

D50 = 1,044ехр^-4,28• 10 4 Д/?ф j, (3.2.34)

Где Д/?ф - гидравлическое сопротивление во­локнистого фильтра. Па.

Формула (3.2.34) действительна при ско­рости фильтрации > 2 м/с в интервале 0,2 10J < < Ap^ < 4-103 Па.

Выражение (3.2.34) описывает зависи­мость d$Q от Д/?ф при плотности капель

Рк=1000 кг/м\ поэтому при осаждении в аппарате капель другой плотности необходим пересчет полученного значения d$Q по фор­муле

, /1 ООО „ „

D50=d50 J--------------------------- , (3-2.3:»

V Рк

T

Где - диаметр капель плотностью рк,

Улавливаемых с эффективностью, равной 0,5.

Волокнистые фильтры с периодической или непрерывной промывкой широко приме­няются для улавливания капель ту мана раство­ров кислот, солей и щелочей при проведении операций травления металлических изделий и гальванопокрытий. На рис. 3.2.46 показан фильтр ФВГ-Т [29, 45], предназначенный для очистки аспирационного воздуха от частиц хромовой и серной кислоты на ваннах электро­химического хромирования. Выпускаются пять типоразмеров подобных фильтров производи­тельностью 5000...80000 м3/ч.

Эффективность очистки в аппарате не превышает 96 % при сопротивлении до 700 Па. При достижении гидравлического сопротивле­ния 700 Па фильтрующая перегородка промы­вается водой из форсунки.

Кассеты с таким же фильтрующим мате­риалом могут располагаться непосредственно в бортовых отсосах ванн [15, 29].

Волокнистые туманоуловители типа ФВМ используются на металлообрабатывающих заводах [15] для улавливания капель масла, образующихся при металлообработке на стан­ках. использующих смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС).

Сеточные брызгоуловители широко при­меняются для очистки грубодисперсных тума­нов и брызг. Каплеуловители состоят из паке­тов вязаных металлических сеток, которые при высокой нагрузке по улавливаемой жидкости и большой скорости потока устойчиво сохраня­ют форму и размеры ячеек. Сетки трикотажно­го плетения изготовляются из проволок диа­метром 0,2...0,3 мм, материалом для них служат легированные стали (мягкие сорта), монель - металл, сплавы на основе титана или других коррозионно-стойких металлов, а также фто­ропластовое и пропиленовое моноволокно (леска); размеры ячеек составляют 2... 10 мм.

Сетки гофрируют (высота гофр 3... 10 мм) и с целью получения максимальной пористости слоя укладывают в пакеты так, чтобы складки соседних сеток не совпадали, толщиной 50...300 мм. Для аппаратов диаметром менее

2 м сетки свертывают в цилиндрические сплошные элементы. Для установки внутри выпарных аппаратов и скрубберов большого диаметра пакеты изготовляют стандартных размеров и формы, что позволяет вести их монтаж через люки (рис. 3.2.47). Допустимая скорость газов (пара) составляет 1... 6 м/с.

В производстве серной кислоты исполь­зуются брызгоуловители, разработанные фир­мой Haldor Topsqe (Дания), представляющие стеклянные трубки, заполненные полипропи­леновой сеткой. Элементы диаметром 46 мм и высотой 180 мм встраиваются в верхнюю часть корпуса аппарата (рис. 3.2.48). Производитель­ность каждого элемента по очищаемому газу около 3 м3/ч.

Аналогичные элементы НИИОГАЗа с ис­пользованием в качестве наполнителя отечест­венной полипропиленовой сетки устанавлива­ются в абсорберах нефтеперерабатывающих заводов.

Методы расчета основных технологи­ческих характеристик, конструктивных размеров и энергетических затрат при вы­боре волокнистых фильтров. В качестве примера рассмотрим метод расчета широко применяемого на практике высокоскоростного волокнистого туманоуловителя.

Для расчета аппарата необходимы следующие данные:

Объемный расход очищаемых газов при рабо­чих условиях Vr, м3/с;

Плотность газов при рабочих условиях рг,

Кг/м3;

Дисперсный состав капель тумана, задаваемый параметрами dm и lg стк;

Плотность капель тумана рк, кг/м3;

Концентрация капель тумана на входе в аппа­рат Z, кг/м3;

Требуемая эффективность очистки Г|.

Расчет высокоскоростного туманоуловителя осуществляется в такой последовательности.

По эффективности, которую должен обеспе­чить туманоуловитель, и параметрам капель тумана

По формуле (3 2 34) определяется величина d50.

Поскольку полученное значение d50 соответ­ствует плотности капель рк, те величине d50. из

Соотношения (3.2.35) находится величина d50, со­ответствующая плотности, равной 1000 кг/м3.

Гидравлическое сопротивление туманоулови­теля

Wr ргНа

-Z, (3.2.35)

8 2ndB

Где ^ - коэффициент гидравлического сопротивления сухой фильтровальной перегородки; wr - скорость газового потока в свободном сечении туманоулови­теля, м/с; И - толщина фильтровального слоя, м; 8 - пористость фильтровального материала, м3/м3; а - плотность упаковки фильтровального материала

(а = 1 - є), м Vm3; dE - диаметр волокна в фильтро­вальном материале, м; - коэффициент гидравли­ческого сопротивления фильтровальной перегород­ки, учитывающий наличие капель тумана.

Выберем в качестве материала фильтроваль­ной перегородки иглопробивной полипропиленовый войлок со следующими параметрами: Н = 8 мм, dB = 50 мкм, в = 0,95. При скорости газов больше 2 м/с коэффициент С, = 3...6, а для иглопробивного войлока коэффициент « 826 [37].

На основании принятых значений параметров фильтровального материала и рассчитанной величи­ны Ap^ из формулы (3.2.35) находится скорость

Газового потока и>г.

Площадь фильтровальной поверхности, м2,

F = Кг Дзб00и>г ).

Заданное значение Уг и рассчитанная

Величина F позволяют по каталогу [29] или дан­ным, приведенным в [37, 45, 47, 70], выбрать тип и конструктивные параметры высокоско­ростного туманоуловителя, обеспечивающего требуемую эффективность каплеуловителя Г|.