Механизмы осаждения частиц при фильтровании.

Выделение из газа твердых и жидких частиц в процессах фильтрования основано на использовании следующих основных механизмов осаждения:

— инерционного, когда частица пыли сталкивается с осаждающим элементом пористой среды (волокно, нить и др.) под действием силы инерции, а не огибает его в своем движении с газовым потоком;

— броуновской диффузии, когда частица пыли соприкасается с осаждающим элементом под действием ударов газовых молекул;

— зацепления, когда частица пыли соприкасается с осаждающим элементом, проходя с газовым потоком вдоль его поверхности на расстоянии, равном или меньшем радиуса частицы.

В некоторых случаях частицы пыли выделяются в результате отсеивания (ситовой эффект). Кроме того, влияет на процесс фильтрации и взаимодействие электростатических зарядов, накапливающихся на частицах пыли и осаждающих элементах пористых сред.

При фильтрации твердые частицы пыли накапливаются в виде пылевого слоя на поверхности фильтрующих (осаждающих) элементов по­ристых сред, а также в порах между элементами.

В процессе этого накопления улучшается эффективность улавли­вания пыли, однако в то же время растет гидравлическое сопротивление прохождению газового потока через пористую среду. А это приводит к падению производительности фильтрующего аппарата по количеству очищаемых газов. Поэтому необходимо непрерывно или периодически разрушать и удалять пылевой слой и на поверхности фильтрующих элементов, и между ними (регенерация пористой среды). Для пористых сред некоторых видов регенерацию не проводят, а использованный фильтрующий материал заменяют новым.

Фильтры условно можно классифицировать следующим образом:

A. Фильтры тонкой очистки воздуха (высокоэффективные) используются для выделения высокодисперсной пыли при низкой входной запыленности газа (0,5-5 мг/м³) и малой скорости фильтрации (менее 6 м/мин). Эффективность улавливания - более 99 %. Эти фильтры обычно не регенерируют.

Б. Фильтры для очистки запыленных воздушных потоков (воздушные) применяются в системах приточной вентиляции и кондиционирова­ния воздуха. Входная запыленность потока до 50 мг/м³. Эти фильтры могут быть регенерируемыми и нерегенерируемыми.

B. Промышленные фильтры используются в основном для очист- китехнологических газов с высокой входной запыленностью (до 60 мг/м³ и более) при повышенных температурах и содержании в газах агрессив­ных компонентов (SO₂ и др.). В качестве пористых сред применяют в основном рукава из тканей и нетканых материалов, зернистые и другие фильтровальныематериалы. Данные фильтры работают с регенерацией.

Промышленные фильтры классифицируют по следующим конструктивным признакам.

По типу фильтрующих элементов их делят на бескаркасные (рукава) и жесткокаркасные (каркас, обтянутый тканью или нетканым материалом).

Применение бескаркасных элементов предполагает подачу фильтруемого газа внутрь рукава и сохранение формы элемента из-за подпора в нем давления.

Применение жесткого каркаса в конструкции фильтрующего элемента позволяет придавать последнему любую форму - цилиндрическую, плоскую, клиновидную, звездчатую и другую, которая остается

неизменной в процессе фильтрации и регенерации, улучшает использо­вание рабочего объема фильтров и дает возможность использовать интенсивные способы регенерации ткани, которые невозможны в бескар­касных фильтрах.

Однако жесткокаркасные элементы обладают рядом недостатков:

— повышенная металлоемкость и трудоемкость изготовления;

— усложнение обслуживания фильтров (особенно при замене рукавов);

— ускорение износа ткани в местах контакта с каркасом из-за трения о металл, что исключает использование стеклоткани;

— для нецилиндрических фильтрующих элементов - сложность рас­кроя и пошива фильтрующего материала, закрепления и герметизации его краев на каркасе;

— необходимость выполнения съемными стенки жесткокаркасных фильтров, что затрудняет герметизацию корпуса.

По системе регенерации

В промышленных фильтрах регенерацию проводят по двум основ­ным принципам:

— изменение направления хода газа через фильтровальный матери­ал обратная продувка, во время которой происходит выдувание улов­ленной пыли из рукавов;

— разрушение пылевого слоя на фильтровальном материале его де­формацией различными способами - встряхиванием рукавов с исполь­зованием специальных механизмов, воздействием на ткань аэродинами­ческих сил извуковых импульсов.

Кроме того, существуют еще два способа регенерации:

а) фильтры с посекционной системой регенерации, когда регенерации подвергается целая секция многосекционного фильтра, во время которой подачу газа отключают;

б) в фильтрах с поэлементной системой регенерации обратной продувке подвергают последовательно отдельные фильтрующие элементы или их группы.

Конструктивное исполнение фильтров этой группы сложнее, чем у первой, из-за введения каркасных элементов и устройства сложных подвижных систем.

Однако они имеют и свои преимущества, а именно: более интенсивную регенерацию и меньшую ее продолжительность; регенерация ткани осуществляют без отключения подачи газа в фильтр. По типу устройств регенерации

Фильтры с посекционной регенерацией выполняют двух основных типов:

— с обратной продувкой;

— с комбинированной регенерацией (продувка и встряхивание).

Для небольших фильтров применяют только встряхивание. Фильтры с поэлементной регенерацией бывают:

— с импульсной регенерацией;

— с обратной продувкой через подвижное сопло;

— с обратной струйной продувкой.

Осаждение пыли на твердых элементах фильтра называют стационарной фильтрацией, а очистку газа в слое пыли, уже осевшей в порах фильтра, нестационарной.

Стационарная фильтрация осуществляется в фильтрах, работающих при очень низких концентрациях аэрозолей. Нестационарная фильтрация, по существу, проходит во всех случаях очистки газов.

При стационарной фильтрации гидравлическое сопротивление и эффективность очистки газов не изменяются во времени и по величи­не определяются только структурой фильтровального материала, харак­теристиками пыли и параметрами газа. При нестационарной фильтра­ции и сопротивление фильтра, и эффективность очистки возрастают по мере накопления пыли в фильтровальном материале.

Эффективность очистки газа в тканевых и пористых фильтрах определяется взаимодействием взвешенных в газе частиц с отдельными элементами фильтра и зависит от характеристик частиц пыли и элемен­тов фильтрующего материала, параметров газа и скорости фильтрации.

Поскольку все факторы, влияющие на эффективность, трудно учесть, то ее определяют опытным путем, однако в ходе экспериментов установлено, что влияют они на этот показатель следующим образом:

1) чем крупнее частицы пыли и больше их плотность, тем эффективнее они осаждаются под действием сил инерции и гравитационных сил;

2) частицы размером менее 0,3 мкм осаждаются на твердых элементах пористого материала в основном только под действием теплового движения газовых молекул;

3) чем больше размеры твердых элементов пористого материала, тем выше эффективность осаждения частиц пыли;

4) чем меньше размер пор фильтра, тем более эффективно проис­ходит осаждение пыли, так как при малом расстоянии между твердыми элементами линии тока запыленного газа будут проходить на более близком расстоянии от этих элементов. Но при этом гидравлическое со­противление возрастает гораздо быстрее, чем эффективность улавливания частиц пыли;

5) с повышением температуры газа повышается его вязкость. Поэтому осаждение на фильтровальной поверхности крупных частиц под действием сил инерции снижается, а эффективность осаждения мелких частиц под действием теплового движения газовых молекул увеличивается. Гидравлическое сопротивление фильтровального материала с по­вышением температуры газа возрастает;

6) с повышением скорости фильтрации инерционное осаждение крупных частиц возрастает, а осаждение под действием теплового дви­жения газовых молекул уменьшается. Однако при большой скорости фильтрации возможны отрыв уже осевших частиц и унос вместе с газовым потоком;

7) чем больше поверхность фильтра, тем выше эффективность очистки;

8) с увеличением слоя пыли на фильтровальном материале эффективность улавливания пыли возрастает, однако при этом повышается гидравлическое сопротивление, при большом значении которого фильтрация газа может практически прекратиться.

Для создания требуемой скорости фильтрации по обе стороны фильтра необходимо поддерживать соответствующий перепад давлений. Величину этого перепада определяет расход энергии вентилятора или дымососа и поэтому является важной конструктивной и эксплуатационной характеристикой.

Скорость фильтрации в большинстве фильтров невелика, и про­цесс фильтрации происходит при ламинарном режиме движения газа.

Сопротивление фильтра пропорционально скорости газа, его вязкости и толщине слоя фильтра и зависит от структуры фильтровального материала и других факторов. Оно может быть представлено как сумма сопротивлений собственно пористого фильтрующего слоя и слоя осевшей пыли.

Эксплуатационные характеристики фильтров в значительной мере определяются их пылеемкостью (это количество пыли, которое фильтр способен удержать при непрерывной работе между периодами регенерации или смены фильтровального материала, г/м² или мг/м²). Этот параметр зависит от размера пыли и минимален при улавливании мелких частиц. На рис. 2.5 представлены аппараты с различными фильтрующими материалами.