1. Принцип действия фильтров и физические основы фильтрации

Фильтрацию запыленных газовых потоков от содержащихся в них твердых или жидких частиц пропусканием через пористые среды различных видов, в том числе через ткани, волокна, слой зернистого материала (кокс, кварц и др.) широко используют в технике. В цветной погружения 3040 мм. Скорость вращения лопастей 400450 об/мин. Вращать лопасти нужно в таком направлении, чтобы движение жидкости, создаваемое лопастями, не мешало установленному движению жидкости. Механический абсорбер нашел применение для улавливания HF и H2SiF6.

Аппарат APT ?

Аппарат представляет собой промыватель, в котором трубы Вентури применяют при малых скоростях газа.

Аппарат выполнен в виде вертикальной камеры, в средней части которой расположена батарея труб Вентури, куда сверху поступают газ и жидкость. Нижняя часть аппарата является брызгоотделителем. Скорость газа в горловине труб Вентури составляет 2535 м/с, а в брызгоотделительной части 6 м/с. Эффективность работы этого аппарата в зачительной степени определяется скоростью газа и количеством орошения. Одним из недостатков его является трудность распределения жидкости при большом числе труб Вентури, что особенно существенно при наличии в жидкости твердых частиц.

2. Выбор аппаратов для мокрого пылеулавливания

При выборе типа газопромывателя обычно учитывают ряд факторов.

Наименьшее сопротивление прохождению газа оказывают полые скрубберы и механические абсорберы, но в них создается относительно небольшая поверхность соприкосновения газа и жидкости, поэтому они как пылеуловители не во всех случаях эффективны.

Для улучшения работы безнасадочных скрубберов следует подавать много жидкости и дробить ее на капли диаметром 0,52 мм. Более мелкие капли легче уносятся газом в виде брызг, и для них коэффициент улавливания пыли меньше. При более крупных каплях получается небольшая

поверхность контакта газа с жидкостью.

Скоростные полые скрубберы целесообразно применять в тех случаях, когда требуется очищать большие объемы газов.

Скрубберы с насадкой при достаточном орошении в большинстве случаев работают хорошо. Их обычно применяют для очистки большого количества газа. В скрубберах можно использовать преимущества противотока, получая при этом наиболее насыщенную жидкость. Но во многих

случаях насадка может забиваться.

Барботеры в большинстве случаев являются эффективными аппаратами, но требуют повышенного расхода энергии на преодоление сопротивления слоя жидкости. Их чаще применяют для очистки небольших количеств газа.

Пенные аппараты в ряде случаев (для хорошо растворимых газов) так же эффективны, как и барботеры, расход энергии у них меньше вследствие небольшой глубины барботажа (3080 мм). В этих аппаратах затруднительна обработка большого количества газа, так как трудно обеспечить его равномерное распределение по поверхности решетки.

Скоростные (турбулентные) распылители весьма эффективны, но требуют большого расхода энергии, который значительно возрастает по мере увеличения степени очистки.

В барботерах, пенных аппаратах и скоростных (турбулентных) распылителях нельзя осуществить противоток. В случае применения суспензий могут возникнуть трудности эксплуатации вследствие наличия твердых примесей забивание насадок, разбрызгивателей, решеток.

Фильтрация газов через пористые материалы (ткани и др.)



3. Принцип действия фильтров и физические основы фильтрации

Фильтрацию запыленных газовых потоков от содержащихся в них твердых или жидких частиц пропусканием через пористые среды различных видов, в том числе через ткани, волокна, слой зернистого материала (кокс, кварц и др.) широко используют в технике. В цветной металлургии давно и успешно применяют рукавные фильтры е различными фильтровальными тканями.

Ткани изготавливают из различных волокнистых материалов (шерсти, хлопка, стеклянных и синтетических волокон). Диаметр волокон составляет от нескольких до десятков микрон. По длине волокна бывают непрерывными, длина которых исчисляется метрами (филаментные), и

короткими, длиной в несколько сантиметров. Если пучки элементарных нитей разрезают на отрезки длиной в несколько сантиметров и скручиванием их получают нить пряжу, то из нее изготавливают фильтровальные штапельные ткани.

Для рукавных фильтров, применяемых в цветной металлургии, до последнего времени использовали в основном чистошерстяные и смешанные ткани (30% капрона и 70% шерсти ткань ЦМ). Начиная с 60-х годов вовсе увеличивающемся масштабе применяют фильтровальные ткани из

синтетических волокон (нитрон, лавсан и др.). Поверхность шерстяных волокон чешуйчатая, волокна не вытянуты по длине, а несколько скомканы. Шерстяные ткани дополнительно обрабатывают: ворсуют и подвергают валке (ворсуют также и некоторые ткани из синтетических

волокон). При этом на ткани образуется мягкая, хорошо переплетенная из многочисленных волокон в различных плоскостях поверхность с хорошей застилистостью.

В последние годы для фильтров с регенерацией (снижением гидравлического сопротивления) импульсной или струйной продувкой применяют как ткани, так и нетканые материалы (фетр, войлок).

Для нетканых материалов используют шерстяные (шерстяной фетр) и синтетические волокна (лавсан и др.).

При производстве нетканых материалов из шерсти используют естественное свойство ее чешуйчатых волокон, способствующих образованию плотного и относительно прочного материала при валке. При получении нетканых материалов из гладких синтетических волокон

взаимосцепление волокон усиливают, прошивая слой волокон зубчатыми иглами (иглопробивные материалы), вводя склеивающие добавки, каркасы из прочных нитей и др.

В подавляющем большинстве случаев, в частности при улавливании возгонов, размер частиц, осаждаемых на волокнах ткани, во много раз меньше среднего размера пор фильтра. Когда ткань чистая, улавливание частиц пыли из газа основано не на отсеивающем действии собственно фильтровальной ткани, как например при просеивании порошков через сита, ячейки которых меньше размера задерживаемых частиц. Пыль при прохождении запыленного газового потока через чистую ткань осаждается в основном в результате столкновения частиц пыли с волокнами и нитями ткани и прилипания (притяжения) частиц к волокнам адгезии.

Рассмотрим процесс осаждения частиц пыли на волокнах фильтра и процесс фильтрации аэрозоля.

Волокна фильтровальной ткани образуют многослойную решетку, через которую проходит запыленный газовый поток. Так как волокна непроницаемы для газа, то газовый поток при встрече огибает их. Частицы пыли, движущиеся в газовом потоке, ведут себя по-разному:

крупные и тяжелые частицы под действием силы инерции сохраняют прежнее прямолинейное направление движения или мало отклоняются от него, преодолевают воздействие сил вязкости газового потока и могут столкнуться с волокнами, подойдя к ним настолько близко, что

прилипнут к ним. Аналогично может вести себя и конгломерат, образовавшийся при коагуляции мелких частиц в более крупные.

У мелких частиц сила инерции мала, поэтому вместе с газовым потоком они могут обогнуть волокно. Однако самые мелкие частицы могут все же подойти к волокну вследствие броуновского движения и прилипнуть к нему. Вероятность столкновения частиц пыли с волокном под

влиянием силы инерции является функцией безразмерного критерия St, имеющего для малых частиц (в пределах действия закона Стокса).

Чем больше значение St, тем больше частиц столкнется с поверхностью волокна.

Учитывая реальные размеры частиц, можно утверждать, что осаждение их на волокнах происходит даже в тех случаях, когда линия тока, на которой находится частица, пройдет на расстоянии меньше d/2 от поверхности волокна и коснется ее.

Этот механизм осаждения называется прямым осаждением и значительно влияет на улавливания пыли тонкими волокнами тканевых фильтров.

Обозначим через 8i отношение массы частиц, осевших на одиночном волокне под влиянием силы инерции, к общей массе частиц, проектирующихся на это волокно. Другими словами, ei представляет собой эффективность осаждения частиц одиночным волокном под действием

силы инерции.

Если принять, что все частицы, столкнувшиеся с волокном, останутся на его поверхности, т. е. не будут сорваны и унесены газовым потоком, величина St определяет величину ei, т. е. чем больше St, тем больше и ei.

Зависимость между St и ei была исследована рядом авторов. Укажем, что при реальных процессах фильтрации частиц пыли из газовых потоков значения St, а также и ei относительно невелики.

Так, например, для сравнительно крупных частиц диаметром 4 мкм, плотностью 4,5 г/см3, фильтруемых со скоростью около 1,2 м/мин через шерстяную ткань с диаметром волокон 30 мкм при температуре газового потока 80 С, величина ei равна 16%- Для частиц меньшего диаметра

величина ei будет еще меньше, приближаясь к нулю для частиц диаметром 1 мкм и менее. Однако наличие на пути запыленных газов многих последовательно расположенных рядов волокон ткани может дать в известных условиях значительную суммарную эффективность осаждения частиц под действием сил инерции.

Мелкие легкие частицы пыли (диаметром 1,0 мкм и менее), обладая малой инерцией, следуют за газовым потоком, обтекающим твердые тела фильтрующих элементов волокон, двигаясь почти по линиям тока. Вероятность соприкосновения этих частиц с волокнами под воздействием

сил инерции практически близка к нулю, особенно если волокна сравнительно большого диаметра (несколько десятков микрон).

Однако, как известно, взвешенные в газовом потоке твердые частицы подвергаются ударам молекул газа, находящихся в тепловом движении. Чем меньше частицы, тем интенсивнее сказывается влияние ударов молекул и тем значительнее в результате этого отклонения 1Я частиц от

своего первоначального направления движения.

Таким образом, при протекании запыленного газового потока близ волокна малые частицы пыли могут столкнуться с его поверхностью в результате броуновского движения, если перемещение частиц, обусловленное этим движением, будет направлено к волокну.

Так, например, для скорости фильтрации, принимаемой равной скорости набегающего газового потока 1,2 м/мин, при диаметре волокон 10 мкм величина ег, рассчитанная по формуле, составит для частиц со средним диаметром 4 мкм 1,5%, 0,5 мкм 4,3%, 0,1 мкм 9,8%. При снижении

скорости фильтрации до 0.3 м/мин величина е2 для частиц со средним диаметром 0,5 мкм возрастает (для приведенных выше условий) до 8,6%.

Величина ег, как и &ь представляет собой долю от общей массы частиц, набегающих (проектирующихся) на волокно.

Значительная суммарная эффективность осаждения частиц пыли под воздействием броуновского движения достигается так же, как и для сил инерции, в результате наличия в фильтровальной ткани многих последовательно расположенных на пути запыленных газовых слоев волокон.

Зная величины fi и е2 и принимая, что малые частицы пыли (возгоны), фильтруемые с невысокими скоростями, достигнув поверхности волокна, полностью на них удерживаются, и, не учитывая, наконец, так называемого прямого осаждения и осаждения под воздействием электрических сил, можно вывести формулу для определения общей степени улавливания пыли фильтровальной тканью. Вначале напишем выражение для степени улавливания пыли одним фильтрующим слоем (рядом волокон) или, что то же, одним фильтрующим элементом ц0.

Из сказанного выше следует, что сумма ei и е2 представляет собой отношение массы частиц, осевших на одиночном волокне под воздействием сил инерции и броуновского движения, к общей массе частиц, проектирующихся на это волокно.

Однако волокно диаметром Do занимает лишь часть ширины фильтрующего элемента F*. Поэтому на всем фильтрующем элементе будет осаждаться пыли меньше и притом в отношении D0/F.

Ранее было отмечено, что фильтровальную ткань можно рассматривать как многослойную решетку из волокон. Общая степень улавливания пыли незапыленной тканью гф будет равна (%):

где п число рядов волокон в фильтровальной ткани.

Все отмеченное выше относится к незапыленным волокнам, т.е. к свежей ткани.

При осаждении частиц на волокнах уменьшается размер пор между ними, что приводит к более быстрому осаждению следующих порций пыли.

Поэтому после пропускания через ткань некоторого количества запыленного газа в слое ткани со стороны поступления газового потока практически все поры заполняются пылью, и в дальнейшем газовый поток проходит через поры в слое осевшей пыли. Такой слой называют первичным слоем пыли, он непосредственно связан (соприкасается) с волокнами ткани.

При образовании слоя из частиц какого-либо размера поры между частицами обычно бывают такого же (* Под шириной фильтрующего элемента F следует понимать сумму диаметров волокна Do и зазора до соседнего волокна того же диаметра.) размера, как эти частицы, или даже меньше

(как в слое камней или зерен). Поэтому первичный слой осевшей пыли будет улавливать частицы из газа, как бы отсеивая их, т.е. практически полностью. При этом основная масса частиц не проникает внутрь ткани, а оседает снаружи первичного слоя или в его порах, т.е. растет толщина слоя пыли. На микрофотографии запыленной ткани видно, что часть толщины ткани чистая, туда пыль не проникла, наружный слой ткани, со стороны поступления газового потока, заполнен пылью: здесь и образовался первичный пылевой слой.

Кроме того, над тканью имеется слой пыли, не связанный тесно с волокнами ткани.

В первый момент пропускания газового потока, пока ткань еще чистая, улавливается только часть пыли, так как, несмотря на прохождение большого числа слоев волокон, значения ei и е2 малы (несколько процентов). При заполнении пор пылью степень очистки быстро возрастает, и в момент образования сплошного первичного слоя улавливание пыли становится практически полным. Толщина первичного сплошного слоя пыли соизмерима с размерами пор ткани. Сплошной первичный слой образуется примерно к тому моменту, когда на 1 м2 более пылеемкой шерстяной ткани осядет 6080 г пыли, для гладкой стеклоткани эта величина составляет 510 г/м2. По мере осаждения пыли па ткани и заполнения ее пор, а также увеличения толщины слоя пыли возрастает сопротивление движению газа через фильтр. Это может привести к уменьшению пропускной способности фильтра по газу по объему его, который протягивается через фильтр в единицу времени. Для того чтобы этого не происходило, необходимо слой пыли, образовавшийся на ткани и в ее порах, удалить или хотя бы разрушить. Наблюдения за работой тканевых фильтров показывают, что в процессе фильтрации газа вследствие пульсации потока и других причин в слое пыли, осевшей на ткань, все время образуются трещины, которые облегчают прохождение газа через запыленную ткань. Для удаления пыли с ткани и для ее регенерации во многих конструкциях фильтров применяют механическое встряхивание и обратную продувку.

При механическом встряхивании каждый рукав или раму, на которой натянута ткань, подвергают колебательному движению в сторону и обратно или вверх и вниз на несколько сантиметров. При обратной продувке воздух или чистый газ продувают через ткань рукавов в обратном направлении, т. е. с чистой стороны. Более подробно устройства для встряхивания и обратной продувки описаны ниже.

Обычно фильтр состоит из нескольких секций. Ткань каждой секции подвергают регенерации отдельно через определенные промежутки времени (от 34 мин до нескольких часов).

Обратную продувку целесообразно проводить в течение 710 с со скоростью ~2тт м3/(м2-мин), где тт пористость ткани (доля пор в единице объема ткани). Например, для чисто шерстяной ткани тт =0,86. При этом скорость обратной продувки желательно иметь равной 1,52 м3/(м2-мин). Ее целесообразно совмещать с механическим встряхиванием рукавов.

Как уже было отмечено, после образования некоторого первичного слоя пыли на ткани в дальнейшем почти все частицы улавливаются. Поэтому свойства ткани ее структура, толщина волокон и другие особенностипочти не влияют на степень улавливания пыли. Их влияние

существенно, например, для фетров Л тканей, применяемых в фильтрах со струйной продувкой, а также в незначительный по длительности период образования первичного слоя после регенерации ткани, когда образуются трещины, разрушается первичный пылевой фильтрующий слой и временно значительно ухудшается очистка газов. Вследствие больших скоростей газа в трещинах газовым потоком могут быть унесены образующие обломки слоя.

После каждой регенерации вновь наступает период образования (восстановления) первоначального слоя пыли в тех местах, где он разрушен или удален.

Процесс регенерации ткани зависит от многих причин: от того, как осуществляют регенерацию, с какой интенсивностью и в каком направлении, как укреплен фильтровальный рукав, натянут ли он, имеются ли кольца на ткани и т. д. от дисперсности пыли и других ее свойств, от свойств ткани, ее структуры, и физико-химических и механических свойств ее поверхности. По этим формулам можно определить не только сопротивление рукавного фильтра, но, задаваясь им, рассчитать требуемую частоту регенерации. Примеры таких расчетов даны в приложении.

Выше было рассмотрено образование слоя и регенерация ткани в основном в тканевых фильтрах. Аналогичные явления происходят и при применении других фильтров, например из ваты, бумаги, стружек, кусков кокса или гравия и др. Фильтры, в которых применяют куски твердых материалов (крупнее 510 мм), называют гравийными, а при применении кусков в 1-5 мм зернистыми.

Рассмотрим, например, работу коксового или гравийного фильтров. Запыленный газ проходит через поры между зернами, образующими слой, на которых оседают частицы (прилипают). В первом слое оседают наиболее крупные частицы. Частицы, не осевшие на зернах первого ряда, могут прилипнуть к зернам второго ряда и т. д.

Многократное частое изменение направления движения газового потока приводит к его турбулизации, а это ведет к возрастанию коагуляции, что способствует осаждению пыли на зернах фильтрующего слоя. По мере оседания частиц пыли на кусках поры между ними заполняются. В этот период времени улавливание частиц в основном осуществляется в результате инерции и диффузионного движения. В многослойном материале, сопротивление фильтра не особенно велико и зависит в основном от крупности кусков, скорости газа и степени заполнения пор. Когда поры между твердыми кусками забиваются полностью, то образуется так же, как в матерчатом фильтре, сплошной пылевой слой. С этого момента степень улавливания частиц значительно возрастает и приближается к 100%, но возрастает и гидравлическое сопротивление. Поэтому такие фильтры предпочтительно применять ля крупных аэрозолей, а для понижения гидравлического сопротивления фильтров зерна часто ворошат (подвергают вибрации, двигают), ломая сплошной фильтрующий слой.

Такие фильтры также применяют для улавливания брызг, которые затем стекают через поры фильтра. Часто фильтры гравийного типа эксплуатируют не в режиме образования сплошного слоя, а только до момента образования его.



4. Влияние электрических зарядов фильтровальных материалов и частиц пыли на процесс фильтрации и регенерации.

При описании процессов фильтрации и регенерации предполагали, что частицы и волокна электрически не заряжены и их контакт после осаждения частиц на волокнах, обусловлен только силами адгезии (силами Ван-дер-Ваальса). В то же время известно, что электрические заряды частиц и волокон (особенно синтетических) могут влиять как на эффективность улавливания пыли, так и на интенсивность процесса регенерации. Расчеты этого влияния сложны.

Экспериментами доказано, что обычно заряд частиц меньше влияет на к. п. д. очистки от пыли, чем заряд волокон. Найдено также, что взаимодействие электрических зарядов частиц и волокон противоположной полярности может способствовать удержанию частиц на волокнах и тем самым затруднять процесс регенерации. Кроме того, заряды могут вызвать образование искр с возможностью взрывов пыли.

Знак и величина заряда фильтровального материала зависят от его вида. Скорость потерн заряда материалом весьма важна. Она зависит от проводимости волокна и влажности очищаемых газов.

Для уменьшения опасности образования искр и взрывов в фильтровальные ткани вплетают металлические нити для отвода электрических зарядов. За рубежом разработаны новые проводящие волокна, из которых изготовляют ткани с антистатическими свойствами (эпитропические волокна). Эти проводящие волокна изготовляют включением небольшого (около 2%) количества высокодисперсных частиц проводящего графита в поверхность синтетического волокна родителя (полиэфирные, полиамидные и другие волокна).