Фильтрация через пористые материалы

Фильтрация заключается в пропуске аэрозоля через фильтровальные перегородки, которые допускают прохождение воздуха, но задерживают аэрозольные частицы.

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

Фильтрация запыленного потока через слой пористого материала – весьма сложный процесс, включающий действие ситового эффекта, инерционного столкновения, броуновской диффузии, касания, действия гравитационных и электрических сил.

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

Пыль при фильтровании в основном задерживается в результате столкновения частиц с волокнами и нитями фильтровального материала и прилипания частиц к волокнам.

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, прилипают к ним (рис. 51). 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.

Рис. 51. Схема движения частиц пыли при обтекании одиночного волокна:

1 – механизм касания; 2 – инерционный механизм;

3 – диффузионный механизм; 4 – электростатический механизм

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

,

где – диаметр частиц пыли, м; – плотность частиц, ; – диаметр цилиндра (волокна фильтрующего материала), м; – скорость газового потока, м/с; – динамическая вязкость газа, ; – поправка Кенингема, вводится для частиц диаметром порядка длины среднего свободного пробега молекул газа, для учета тенденции к скольжению между газом и мелкими частицами; значение принимают согласно таблице (таблица 11).

Таблица 11

Значение поправки Кенингема в зависимости от диаметра частиц

, мкм	0,003	0,03	0,1	1,0
		7,9	2,9	1,16

Чем больше , тем больше число столкновений частиц с поверхностью подокна фильтровального материала. Примерная зависимость эффективности улавливания пыли, , от критерия Стокса приведена на рис. 52.

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

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

где – скорость газового потока, м/с; – диаметр частиц пыли, мкм; – диаметр волокна, м.

Рис. 52. Примерная зависимость эффективности

улавливания частиц пыли от критерия Стокса

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

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:

,

где – напряженность электрического поля вокруг волокна, В/м; – коэффициент, учитывающий диэлектрические свойства частиц пыли.

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:

где – коэффициент, принимаемый для пылей (при мкм, равный 240); – пористость слоя пыли, равная , здесь – плотность насыпного слоя, ; – масса пыли, содержащейся в порах фильтровального материала, отнесенная к единице площади фильтра, ; – диаметр частиц пыли, м; – плотность частиц, .

Гидравлическое сопротивление слоя осевшей пыли толщиной 1 мм в зависимости от дисперсного состава можно определить по графику, рис. 53. 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.

Рис. 53. Изменение гидравлического сопротивления слоя пыли толщиной 1 мм в зависимости от дисперсности. Скорость фильтрации

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.

Мокрая очистка

В зависимости от метода контакта очищаемого газа с жидкостью мокрые аппараты делятся на аппараты с распылением жидкости, барботажные, пенные и пленочные. В некоторых аппаратах сочетается несколько методов.

Рассмотрим основные зависимости, характеризующие осаждение пылевых частиц на каплях. Этот процесс весьма распространен при мокром пылеулавливании.

При обтекании газопылевым потоком шаровой капли жидкости траектории движения газа и пылевых частиц расходятся вследствие различной величины сил инерции, действующих на газ и на частицы с разной массой.

Крупные частицы в меньшей мере, чем газ, изменяют свое направление при подходе к капле и осаждаются на ней (рис. 54). Схема близка к рис. 51, изображающему процесс осаждения частиц на элементах волокнистого фильтра, имеющих цилиндрическую форму. Объясняется это тем, что в обоих случаях рассматривается двухфазный поток и действуют силы инерции.

Мелкие частицы, следуя вместе с газом, огибают каплю и уходят с потоком газа. У этих частиц инерция недостаточна для преодоления сопротивления газа.

Рис. 54. Движение запыленного газа при обтекании шарообразной капли:

–––––– линии движения потока;

– – траектории центров частиц пыли

Эффективность инерционного осаждения пылевых частиц на капле жидкости зависит от критерия Стокса. Действие сил инерции реально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм.

Для шаровых частиц размером эффективность инерционного осаждения на каплях может быть выражена зависимостью:

,

где – диаметр капель, м; – динамическая вязкость газа; – скорость потока, м/с.

При значении эффективность осаждения на каплях можно определить по эмпирической формуле Ленгмюра и Блоджетта:

.

Кроме инерционного осаждения, на каплях имеет место осаждение диффузионное, под действием электростатических сил. Однако роль их по сравнению с инерционным осаждением очень незначительна, а для частиц более 0,2 мкм может не учитываться.

На осаждение частиц менее 0,1 мкм существенное влияние оказывает броуновское движение.

Термофорез

Термофорезом называют явление отталкивания частиц нагретыми телами. Происходит под действием сил со стороны газообразной фазы на взвешенные в ней неровно нагретые частицы. Действие сил в значительной мере зависит от отношения размера частиц к средней длине свободного пробега молекул газа, .

Если < , термофоретическая сила , H, действующая на частицу, может быть определена по формуле:

,

где – абсолютное давление газов, Па; – градиент температуры в газах, К/м.

При названных выше условиях скорость частиц при термофорезе равна:

,

где – доля рассеянных частицей молекул газа; для частиц неправильной формы и с очень гладкой поверхностью (аморфные и жидкие) ; для частиц, образованных механическим путем и с острыми углами, .

Как видно из формулы , скорость частиц при термофорезе не зависит от размера частиц.

Термофоретическая сила возникает вследствие того, что от более нагретой стороны частицы молекулы газа отлетают с большей скоростью, чем от менее нагретой стороны, и таким образом сообщают частице импульс в направлении понижения температуры.

Термофорез не имеет применения в промышленных целях. Иногда используется в исследованиях. Однако действие термофореза мы наблюдаем. Так, происходит осаждение пыли на наружных стенах против приборов центрального отопления. Нежелательным является осаждение частиц, взвешенных в горячих газах, на холодных стенках котлов и теплообменников. Образовавшийся слой обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению теплотехнических характеристик аппаратов.

Частным случаем термофореза является фотофорез, который возникает вследствие неравномерного освещения сторон тел, а, следовательно, их нагрева.