ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Фильтрование аэрозолей через пористые материалы

Для тонкой очистки газов от частиц и капельной жидкости приме­няют процесс фильтрования. Фильтрование заключается в пропускании аэрозоля через фильтровальные перегородки, которые допускают прохож­дение воздуха, но задерживают аэрозольные частицы.

В фильтр (рис. 3.10) поступает загрязненный газ, частицы примесей оседают на входной части волокнистой перегородки (фильтроэлемента) и задерживаются в порах между волокон, образуя на поверхности перего­родки слой.

Фильтрование запыленного потока через слой пористого материала - сложный процесс, включающий действие ситового эффекта, инерционного столкновения, броуновской диффузии, касания (зацепления), действия гра­витационных и электрических сил.

При приближении частицы к волокну действует несколько механиз­мов, которые могут привести к ее улавливанию:

1) касание;

2) инерционный захват;

3) диффузия;

4) электростатическое осаждение;

5) термофорез;

6) гравитационное осаждение;

7) ситовой эффект.

Осаждение частиц на поверхности пор фильтрующего элемента про­исходит в результате совокупного действия эффекта зацепления, а также диффузионного, инерционного и гравитационного механизмов. Пыль при фильтровании в основном задерживается в результате столкновения час­тиц с волокнами и нитями фильтровального материала и прилипания час­тиц к волокнам.

Касание. Частица переносится вдоль линии тока газа к нити или во­локну (препятствию). Если частица движется мимо препятствия на рас­стоянии меньше своего радиуса, то она касается препятствия и захватыва­ется.

Инерция. Частица находится на линии тока, следуя которой она про­шла бы мимо препятствия, не касаясь его, но под действием инерции час­тица сходит с первоначальной линии тока. В результате она сталкивается с препятствием. Чем больше частица, тем больше ее инерция, лучше условия для захвата. При обычных скоростях течения в фильтрах этот механизм мало эффективен для частиц диаметром менее микрометра.

Диффузия. Частица настолько мала, что ее траектория становится хаотичной из-за броуновского движения. Захват может произойти, если случайное отклонение приводит частицу к волокну. Этот механизм стано­вится наиболее важным, когда размер частиц меньше 0,1 мкм.

Электростатическое осаждение. Частица и препятствие имеют за­ряды противоположных знаков, вследствие чего частица притягивается к препятствию.

Термофорез. Частица смещается к препятствию под действием гра­диента температуры.

Гравитационное осаждение. Частица смещается с линии тока, про­ходящей мимо препятствия к самому препятствию под действием притя­жения между частицей и волокном или под действием земного тяготения. Этот эффект очень мал.

Ситовой эффект. Частица задерживается из-за того, что слишком велика, чтобы пройти через данную пору или канал.

Возможности осаждения за счет ситового эффекта, особенно при прохождении потока через чистую ткань, ограничены, т. к. в большинстве случаев размеры частиц значительно меньше размеров пор.

Процесс фильтрования в наиболее распространенных волокнистых фильтрах можно представить, как движение частиц вблизи изолированного цилиндра (из волокнистого материала), расположенного поперек потока (рис. 3.11). Влиянием соседних волокон пренебрегают.

Проходя через фильтрующую перегородку, поток газа разделяется на тонкие непрерывно разъединяющиеся и смыкающиеся струйки. Частицы, обладая инерцией, стремятся перемещаться прямолинейно, сталкиваются с волокнами, зернами и удерживаются ими. Считают, что поток имеет без­вихревое движение, а частицы - сферическую форму, частицы при сопри­косновении с цилиндрическими волокнами на их поверхности задержива­ются силами межмолекулярного взаимодействия. Расстояния между ци­линдрическими волокнами весьма значительны по сравнению с размерами частиц (в 5.10 раз превышают размеры частиц).

При движении потока через фильтровальный материал газ огибает волокна, более крупные частицы пыли под действием сил инерции сохра­няют прежнее прямолинейное направление движения и, сталкиваясь с во­локнами, захватываются и прилипают к ним. Такой механизм характерен для захвата крупных частиц и проявляются сильнее при увеличении скоро­сти фильтрования.

При осаждении одиночной частицы на изолированном волокне каса­ние, инерция и диффузия, вероятно, являются наиболее важными меха­низмами. Гравитация и термофорез обычно несущественны, электрические силы могут играть и незначительную роль и очень важную. Ситовой эф­фект не используется.

В случае тканевых фильтров значительная часть процесса улавлива­ния протекает в слое осадка частиц на лобовой поверхности фильтра. Обычные механизмы - касание, инерция и диффузия - действуют лишь в течение небольшой части всего цикла фильтрации. Как только после очи­стки фильтра образуется новой слой осадка, доминирующим механизмом становится ситовой эффект.

Размер частиц играет важное значение при зацеплении и захвате час­тиц за счет касания ими поверхности обтекаемого тела. Если пренебречь инерционными эффектами и считать, что частица точно следует в соответ­ствии с линиями тока, то частица осаждается не только в том случае, когда ее траектория пересечется с поверхностью тела, но и в случае пересечения линии тока на расстоянии от поверхности тела, равном ее радиусу. Таким образом, эффективность зацепления выше нуля и тогда, когда инерцион­ное осаждение отсутствует. Эффект зацепления характеризуется парамет­ром R, который представляет собой отношение диаметров частицы d4 и

Обтекаемого тела dT:

R = dH/dT. (3.59)

При потенциальном обтекании шара, когда величина R столь мала, что можно пренебречь инерционными эффектами, эффективность зацеп­ления составляет:

2 1

П = (1 + R2)- — - 3R. (3.60)

1 + R

В этом же случае для цилиндра верно соотношение:

П = (1 + R)-т+тг - 2R. (3.61)

1 + R

В другом предельном случае, когда за счет большого значения инер­ционных эффектов траектории оседающих частиц прямолинейны, имеем следующие соотношения:

- для шара

П = (R +1)2 -1 - 2R, (3.62)

- для цилиндра

П = R. (3.63)

Таким образом, при потенциальном обтекании шара эффективность механизма зацепления находится в пределах 2 R...3R, а при потенциальном обтекании цилиндра R...2R.

Для определения эффективности осаждения частиц за счет касания при вязком обтекании цилиндра справедливы следующие уравнения:

R 2

П = • (3 64)

J]R = R2 Re 0"°625, (3.65)

_ dT v0 р0

Где Re т =-------------- критерий Рейнольдса для обтекаемого тела.

М0

Из приведенных выше уравнении следует, что эффект зацепления становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым диа­метром. Кроме того, они показывают, что осаждение частиц за счет эффек­та зацепления не зависит от скорости газов, но в значительной степени оп­ределяется режимом течения газового потока

Вероятность столкновения частиц пыли с волокнами фильтровально­го материала под действием сил инерции является функцией критерия Стокса

Stk = v0 dH рч Ск/(18 ц0 dB), (3.66)

Где dH - диаметр частиц пыли, м; рч - плотность частиц, кг/м3; йв - диаметр цилиндра (волокна фильтрующего материала), м; v0 - скорость газового потока, м/с; ц0 - динамическая вязкость газа, Пас; Ск - поправка Канинг - хема, вводится для частиц диаметром порядка длины среднего свободного пробега молекул газа.

Эффективность осаждения частиц на обтекаемом теле зацеплением может быть представлена и в критериальной форме. В этом случае помимо критерия Стокса следует учитывать и другой комплекс, представляющий собой отношение критериев:

Stk dlp4

— = Const. (3.67)

Яет d>0

Тогда эффективность осаждения при зацеплении может быть пред­ставлена в виде:

Пк = f

Чем больше Stk, тем больше число столкновений частиц с поверхно­стью волокна фильтровального материала. Примерная зависимость эффек­тивности улавливания пыли, є, от критерия Стокса приведена на рис. 3.12.

Мелкие частицы, обладающие малой инерцией, могут вместе с газо­вым потоком обогнуть волокно. Самые мелкие частицы могут столкнуться с волокном, участвуя в броуновском движении, и прилипнуть к поверхно­сти волокна.

Может быть определена эффективность осаждения при броуновском движении и под действием электрических сил как часть общей эффектив­ности.

Эффективность осаждения, ss, частиц одиночными волокнами при броуновском движении (температура потока ниже 100°С) может быть оп­ределена по приближенной формуле:

SS = 1,3510-2/(v0 d4 dB)1/2, (3.69)

Где v0 - скорость газового потока, м/с; dH - диаметр частиц пыли, мкм; du - диаметр волокна, м.

Нужно учесть, что на пути движения запыленного потока располо­жено обычно несколько рядов волокон, что, естественно, значительно по­высит общую эффективность осаждения.

Электростатический механизм захвата пылинок проявляется, когда волокна несут заряды или поляризованы внешним электрическим полем.

Определенное влияние на процесс фильтрации могут иметь электри­ческие силы, особенно при применении диэлектрических фильтровальных волокнистых материалов из смеси шерсти и синтетических материалов, а также диэлектрических насыпных материалов.

Эффективность осаждения под действием электрических сил опре­деляется по формуле:

2

S = кэ E dH /(6 v0 ц0 dj,), (3.70)

Где кэ — коэффициент, учитывающий диэлектрические свойства частиц пыли; Е - напряженность электрического поля вокруг волокна, В/м.

В фильтрах уловленные частицы накапливаются в порах или обра­зуют пылевой слой на поверхности перегородки и сами становятся для вновь поступающих частиц частью фильтра. По мере накопления пыли по­ристость перегородки уменьшается, а сопротивление возрастает. Поэтому возникает необходимость удаления накопившейся пыли и регенерации фильтра.

По мере осаждения частиц на фильтровальном материале уменьша­ется размер пор и образуется слой пыли с порами значительно меньшими, чем в незапыленном фильтровальном материале. Собственно рабочим сло­ем при фильтрации является именно фильтровальный материал с осажден­ными на нем пылевыми частицами. Он и определяет эффективность очист­ки. При отложении пыли возрастает гидравлическое сопротивление, уменьшается производительность фильтра. По достижении некоторого значения сопротивления пыль периодически удаляют. Этот процесс назы­вается регенерацией фильтра.

Гидравлическое сопротивление слоя осевшей пыли можно опреде­лить по формуле Козени-Кармана (Па):

2 3

Ар = кс цо vo G(1 - mu)/(d4 mu рч), (3.71)

Где кс - коэффициент, принимаемый для пылей, d4 < 6 мкм, равным 240; G - масса пыли, содержащейся в порах фильтровального материала, отнесен­ная к единице площади фильтра, кг/м2; тп - пористость слоя пыли, равная тп = (рч - рн)/рч, здесь рн - плотность насыпного слоя, кг/м ; dH - диаметр частиц пыли, м; рч - плотность частиц, кг/м3.

Гидравлическое сопротивление слоя осевшей пыли толщиной 1 мм в зависимости от дисперсного состава можно определить по графику, рис. 3.13. При осаждении тонких фракций, как видно из графика, сопротивле­ние значительно выше.

Приведенные зависимости дают в основном качественную картину процесса осаждения в фильтрах и позволяют судить о роли основных фак­торов, влияющих на процесс. В реальных условиях процесс осаждения пы­левых частиц в фильтрах сопровождается коагуляцией частиц и соответст­вующим изменением проницаемости слоя и, следовательно, эффективно­сти фильтра.

Из-за сложности процесса в фильтрах практически невозможно оп­ределить влияние всех факторов на параметры фильтрации.

Обычно при определении эффективности очистки и гидравлического сопротивления фильтра пользуются данными, полученными на основе обобщения результатов экспериментальных исследований.